DE10230528B4 - Verbesserungen in bzw. bezüglich eines Systems der Beseitigung der Abweichung für ein Schwinggyroskop - Google Patents

Abstract

Gyroskopanordnung für die Messung der Winkelgeschwindigkeit, wobei die Anordnung ein Gyroskop (62) umfasst, welches mindestens eine Masse umfasst (5, 6), die auf Stützvorrichtungen abgestützt ist, so daß die Masse (5, 6) in einem ersten Modus um eine erste Achse und in einem zweiten Modus um eine zweite Achse schwingen kann, die bezüglich der ersten Achse geneigt ist, wobei Erregervorrichtungen, um Schwingungen in dem ersten Modus anzuregen, und Erkennungsvorrichtungen, um einen mindestens ein für die Schwingungen in dem zweiten Modus repräsentatives Erkennungssignal umfassenden Ausgang zu erzeugen, vorhanden sind, wobei die Schwingung des ersten Modus mit dem zweiten Modus gekoppelt ist, wenn das Gyroskop (62) einer Winkelbewegung um eine dritte Achse ausgesetzt ist, die bezüglich sowohl der ersten, als auch der zweiten Achse geneigt ist, wobei die Anordnung derartig ist, daß das Erkennungssignal Informationen über die Winkelgeschwindigkeit um die dritte Achse enthält, wobei die Erregervorrichtungen geeignet sind, um mindestens ein elektronisches Signal an das Gyroskop (62) bereitzustellen, wobei Möglichkeiten vorhanden sind, um das mindestens eine elektronische Signal zu regeln, um den Einfluss irgendwelcher Fehler in dem Gyroskop (62) zu verhindern, die durch unerwünschte geometrische Eigenschaften des Gyroskops (62) und/oder unerwünschte elektrische Kopplungen verursacht sind, wobei die Anordnung ferner ein Simulationsmodel (64) des Gyroskops (62) umfasst, welches angeschlossen ist, um das mindestens eine Signal zu empfangen, das an das Gyroskop (62) von den Erregervorrichtungen bereitgestellt wird, wobei das Modell (64) geeignet ist, um einen Ausgang (68, 69) bereitzustellen, der dem Ausgang (46, 53) des Gyroskops (62) gleichwertig ist, und wobei das Gyroskop (62) und das Modell (64) jedes einen Ausgang erzeugen, der repräsentativ für die Schwingung der Masse (5, 6) um die erste Achse und Schwingung der Masse (5, 6) um die zweite Achse ist, wobei die gemessenen Ausgangswerte vom Gyroskop (62) und die berechneten Ausgangswerte jeweils in einer Komparatorschaltung verglichen und an einen Kalkulator (67) bereitgestellt werden, welcher ebenfalls Teil der Anordnung ist, wobei der Kalkulator (67) geeignet ist, um das Vorhandensein von Fehlern und die Größe von ...

Description

• DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG betrifft ein System der Beseitigung der Abweichung für ein Schwinggyroskop, und betrifft insbesondere ein System der Beseitigung der Abweichung für die Verwendung mit mikrobearbeiteten Gyroskopen.
• Es ist früher vorgeschlagen worden, verschiedene Typen von mikrobearbeiteten Gyroskopen vorzusehen. Ein Gyroskop dieses Typs ist in WO 99/38016 A1 beschrieben. In dieser Beschreibung ist ein Gyroskopsensor vorgesehen, welcher aus einem ebenen Substrat ausgebildet ist, das ein geätztes Siliciumsubstrat ist. Das Substrat ist geätzt, um einen Balken zu definieren, dessen gegenüberliegende Enden geeignet sind, um in der Lage angebracht zu sein, dass der Balken eine bevorzugte Biegerichtung hat, die einen spitzen Winkel mit der Ebene des ebenen Substrates bildet. Der Balken trägt eine Schwungmasse, die zwei Arme bzw. Platten umfasst, welche miteinander durch einen Verbindungsstab verbunden sind, wobei der mittlere Teil des Verbindungsstabes einheitlich mit einem Teil des Balkens ausgebildet ist. Der Stab erstreckt sich im Wesentlichen unter 90° zum Balken, und die zwei Arme bzw. Platten sind auf den gegenüberliegenden Seiten des Balkens. Kapazitive Platten sind benachbart zu den Bereichen einer leitfähigen Schicht angeordnet, die auf den Armen ausgebildet ist, und die kapazitiven Platten sind mit Potentialen bzw. einer Erregerspannung versehen, welche die Schwungmasse in Rotation um die Achse des Verbindungsstabes mit einem ”Sägezahn”-Mechanismus versetzt, der aufgrund der Anordnung des Balkens zu einer Rotationsschwingung der Schwungmasse in der Ebene des Substrates führt. Wenn die Anordnung anschließend um eine Achse gedreht wird, die mit dem Verbindungsstab zusammenfällt, dreht sich die Schwungmasse um eine Achse, die mit dem Balken mit einer schwingenden Rotation zusammenfällt. Dies wird durch weitere kapazitive Platten erkannt, auf denen eine Nachweisspannung erscheint, um die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der Anordnung um die Achse zu bestimmen, die mit dem Balken zusammenfällt. Die Winkelgeschwindigkeit des gesamten Gyroskops um die Achse, die mit dem Verbindungsstab zusammenfällt, lässt sich anschließend berechnen.
• Andere mikrobearbeitete Schwinggyroskope sind ebenfalls früher vorgeschlagen worden.
• Es ist vorgeschlagen worden, dass derartige Schwinggyroskope als Sensoren in Kraftfahrzeugen verwendet werden könnten, um Unfälle zu erfassen, und insbesondere, um eine Überrollsituation zu erfassen. In solch einem Fall sollte die Abtastachse, die in der folgenden Beschreibung als die ”y”-Achse definiert ist, an der Längsachse bzw. Fahrtrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet sein. Jedoch ist beabsichtigt, dass derartige Gyroskopsensoren auch für die Messung der Orientierung des Fahrzeuges um eine vertikale Achse verwendet werden können, die von besonderer Verwendung in Verbindung mit einem Navigationssystem sein kann. In solch einem Fall muss die gemessene Winkelgeschwindigkeit äußerst genau gemessen werden, weil die Winkelgeschwindigkeit integriert wird, um ein Signal zu erhalten, das gleich dem Gesamtwinkel der Rotation ist, und ein sehr kleiner Fehler der Winkelgeschwindigkeit wird bei der Integration nach und nach zu einem sehr großen Fehler des Gesamtwinkels der Rotation führen. In solch einem Fall ist es sehr wichtig, alle möglichen Fehler zu beseitigen.
• Aus US 6,067,858 A ist eine Gyroskopanordnung für die Messung der Winkelgeschwindigkeit bekannt, wobei bei der Anordnung Quadraturfehler eliminiert werden und die Resonanzfrequenz eingestellt werden kann. In DE 198 18 860 A1 ist ein Verfahren zur Detektion und Lokalisation von Sensorfehlern in einem Kraftfahrzeug bezüglich der Einbeziehung der Raddrehzahlen der Fahrzeugräder und der Längsbeschleunigung des Fahrzeuges beschrieben.
• Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund von Produktionsschwankungen eine große Anzahl unerwünschter Fehlerquellen in jedem typischen mikrobearbeiteten Gyroskop festgestellt werden kann, welche Abweichungsfehler für das Gyroskop verursachen, Derartige Fehler können relativ groß sein, besonders beim Vergleich mit der gewünschten Auflösung für das Gyroskop.
• Zum Beispiel können die Federkraft bzw. die Federkräfte, die wirksam von dem Balkens eines Gyroskops des Typs bereitgestellt sind, der oben beschrieben ist, nicht symmetrisch sein wegen fehlender Symmetrie in dem Balken, die während der Herstellung verursacht wurde. Das Ergebnis davon können asymmetrische Federkräfte sein, welche ein Moment erzeugen, das den Erkennungsmodus des Gyroskops anregt, einfach als Reaktion auf die Potentiale, welche die Schwungmasse in Rotation um die Achse des Verbindungsstabes versetzen sollen.
• Der Abstand bzw. die Position der Erkennungs- und der Erregerelektroden kann asymmetrisch sein und die Masse bzw. die Massen der verschiedenen Arme können nicht symmetrisch sein. Die Erregerelektroden und die Erkennungselektroden können jeweils schlecht ausgerichtet sein. Außerdem kann die Erregerspannung aufgrund von Übersprechen (cross-talk) mindestens teilweise an die Erkennungsspannung gekoppelt sein.
• Die vorliegende Erfindung versucht eine Anordnung bereitzustellen, welche eine Korrektur für Fehler des allgemeinen Typs vorsehen kann, die oben erörtert sind.
• Erfindungsgemäß ist eine Gyroskopanordnung für die Messung der Winkelgeschwindigkeit vorgesehen, wobei die Anordnung ein Gyroskop umfasst, welches mindestens eine Masse umfasst, die auf Stützvorrichtungen abgestützt ist, so da die Masse in einem ersten Modus um eine erste Achse und in einem zweiten Modus um eine zweite Achse schwingen kann, die bezüglich der ersten Achse geneigt ist, wobei Erregervorrichtungen, um Schwingungen in dem ersten Modus anzuregen, und Erkennungsvorrichtungen, um einen mindestens ein für die Schwingungen in dem zweiten Modus repräsentatives Erkennungssignal umfassenden Ausgang zu erzeugen, vorhanden sind, wobei die Schwingung des ersten Modus mit dem zweiten Modus gekoppelt ist, wenn das Gyroskop einer Winkelbewegung um eine dritte Achse ausgesetzt ist, die bezüglich sowohl der ersten, als auch der zweiten Achse geneigt ist, wobei die Anordnung derartig ist, daß das Erkennungssignal Informationen über die Winkelgeschwindigkeit um die dritte Achse enthält, wobei die Erregervorrichtungen geeignet sind, um mindestens ein elektronisches Signal an das Gyroskop bereitzustellen, wobei Möglichkeiten vorhanden sind, um das mindestens eine elektronische Signal zu regeln, um den Einfluss irgendwelcher Fehler in dem Gyroskop zu verhindern, die durch unerwünschte geometrische Eigenschaften des Gyroskops und/oder unerwünschte elektrische Kopplungen verursacht sind, wobei die Anordnung ferner ein Simulationsmodel des Gyroskops umfasst, welches angeschlossen ist, um das mindestens eine Signal zu empfangen, das an das Gyroskop von den Erregervorrichtungen bereitgestellt wird, wobei das Modell geeignet ist, um einen Ausgang bereitzustellen, der dem Ausgang des Gyroskops gleichwertig ist, und wobei das Gyroskop und das Modell jedes einen Ausgang erzeugen, der repräsentativ für die Schwingung der Masse um die erste Achse und Schwingung der Masse um die zweite Achse ist, wobei die gemessenen Ausgangswerte vom Gyroskop und die berechneten Ausgangswerte jeweils in einer Komparatorschaltung verglichen und an einen Kalkulator bereitgestellt werden, welcher ebenfalls Teil der Anordnung ist, wobei der Kalkulator geeignet ist, um das Vorhandensein von Fehlern und die Größe von Fehlern innerhalb des Gyroskops zu bestimmen, und als Reaktion auf diese Bestimmung, um das Modell abzugleichen und ein Signal zu berechnen, das der Winkelgeschwindigkeit um die dritte Achse entspricht, wobei der Kalkulator und das Modell geeignet sind, um einen iterativen Prozess durchzuführen, der zu einer Situation führt, wo das Modell den augenblicklichen Betrieb des Systems simuliert, so daß der berechnete Wert der Winkelgeschwindigkeit, wie durch den Kalkulator berechnet, der gleiche wie die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit ist, und wobei die an den Kalkulator bereitgestellten Werte an Diskriminatoren weitergeleitet werden, und wenn die weitergeleiteten Werte jeder kleiner als ein vorgegebener Wert sind, wird ein Ausgangssignal erzeugt, um anzuzeigen, daß der anschließend berechnete Wert der Winkelgeschwindigkeit korrekt ist.
• Vorzugsweise umfasst der Kalkulator ein adaptives Filter.
• Zweckmäßigerweise ist das adaptive Filter mindestens ein Kalman-Filter.
• Bevorzugt umfasst die Komparatorschaltung eine Schaltung von Subtrahieren.
• Alternativ umfasst die Komparatorschaltung eine Dividierschaltung.
• Vorteilhafterweise erzeugt ein Signalgenerator eine Vielzahl von elektronischen Signalen, welche dem System und dem Modell zugeführt sind.
• Vorzugsweise sind Möglichkeiten bereitgestellt, um die Frequenz und/oder Amplitude der Signale zu ändern, die vom Signalgenerator über eine Zeitspanne erzeugt sind.
• Zweckmäßigerweise erzeugen das Gyroskop und das Modell jedes einen Ausgang, der repräsentativ für die Schwingung der Masse um die erste Achse und die Schwingung der Masse um die zweite Achse ist, wobei die gemessenen Ausgangswerte vom Gyroskop und die berechneten Ausgangswerte subtrahiert werden, wobei die subtrahierten Werte an den Kalkulator bereitgestellt werden.
• Vorzugsweise werden die subtrahierten Werte an Diskriminatoren weitergeleitet und, wenn die subtrahierten Werte jeder kleiner als ein vorgegebener Wert sind, wird ein Ausgangssignal erzeugt, um anzuzeigen, dass der anschließend berechnete Wert der Winkelgeschwindigkeit im Wesentlichen korrekt ist.
• Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, und so dass deren weiteren Merkmale verstanden werden können, ist die Erfindung jetzt beschrieben, beispielsweise mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
• 1 ein Grundriß eines mikrobearbeiteten Gyroskops ist, welcher schematisch verschiedene Potentiale veranschaulicht, die an den Elektroden vorhanden sind, welche ein Teil des Gyroskops bilden,
• 2 eine Schnittansicht des Gyroskops der 1 ist, welche an der Linie II-II aufgenommen wurde,
• 3 ein Blockschaltbild ist, das schematisch durch ein erläuterndes Modell den Betrieb des Gyroskops von 1 veranschaulicht, und
• 4 ein Blockschaltbild der Ausführungsform der Erfindung ist.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf einem Verständnis, wonach ein physikalisches Gyroskop eine Anzahl verschiedener ”Fehler” bzw. Widersprüche umfasst, und jeder dieser Fehler als eine spezifische Funktion von einem oder mehr der physikalischen oder elektrischen Eingänge berücksichtigt werden kann. Demgemäß ändert sich durch die Veränderung irgendeines spezifischen Eingangs zu dem physikalischen Gyroskop, welcher ein Eingang ist, der einem bzw. mehr Fehlern zugeordnet ist, der Ausgang des Gyroskops auf eine Weise, die durch den bzw. die zutreffenden Fehler beeinflusst ist. Demgemäß ist es durch zielgerichtetes Abändern bzw. Ändern der verschiedenen Eingänge zum Gyroskop und durch anschließendes Auswerten der daraus entstehenden Änderungen in dem Ausgang möglich, die verschiedenen Fehler zu definieren, die innerhalb des Gyroskops vorhanden sind.
• Folglich schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung eines ”Modells” bzw. simulierten Gyroskops vor, das in Verbindung mit einem realen Gyroskop zu verwenden ist. Durch die Veränderung von mindestens einem der Eingangssignale an das reale Gyroskop und die geeignete Verarbeitung der resultierenden Ausgangssignale vom realen Gyroskop ist es möglich, ein Modell bzw. Simulation des realen Gyroskops zu erstellen, wobei dieses Modell bzw. Simulation alle Fehler einschließt, die tatsächlich in dem realen Gyroskop vorhanden sind. Wenn das Modell mit einem berechneten Wert für die Rotation versehen ist, der vom realen Gyroskop zu messen ist, wenn zu jedem Zeitpunkt für nur einen derartigen berechneten Wert der Ausgang des Modells bzw. des simulierten Gyroskops der gleiche wie der Ausgang des realen Gyroskops ist, für alle Schwankungen der Eingangssignale, so muss anschließend dieser berechnete Wert für die Rotation, die vom realen Gyroskop zu messen ist, korrekt sein.
• Es ist natürlich wichtig, dass alle Eingangsparameter des Gyroskops des realen Gyroskopsystems, welche jeden der Fehler beeinflussen, die im realen Gyroskopsystem vorhanden sind, auf eine bekannte Weise verändert bzw. moduliert werden sollten, so dass der Einfluss der Fehler aus dem Ausgangssignal des realen Gyroskops bestimmt werden kann, um sicherzustellen, dass das Modell bzw. simulierte Gyroskop alle entsprechenden Fehler bzw. Widersprüche umfasst. In den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist dies durch die Bereitstellung des Modells bzw. simulierten Gyroskops erreicht, welches ein Computermodell bzw. eine Computersimulation sein kann, mit allen Eingangssignalen, die an das reale Gyroskop bereitgestellt werden, und ebenfalls mit einem simulierten Eingangssignal, welches die Winkelrotation darstellt, die vom realen Gyroskop zu messen ist. Die Ausgänge des realen Gyroskops und des Modells werden voneinander subtrahiert, und das Differenzsignal ist für einen Kalkulator in der Form einer Anzahl von Kalman-Filtern vorgesehen, wobei der Ausgang des Kalkulators für das Modell bzw. die Simulation des realen Gyroskops vorgesehen ist, um Abänderungen am Modell auszuführen, und um die Winkelgeschwindigkeit zu berechnen, so dass das Differenzsignal zwischen dem Ausgang des Modells und dem Ausgang des Gyroskops gegen Null gebracht wird.
• Unter Bezugnahme zunächst auf die 1 und 2 der Zeichnungen sind die hauptsächlichen Teile eines mikrobearbeiteten Gyroskops veranschaulicht. Das Gyroskop umfasst einen Körper 1, welcher aus einem ebenen Substrat mikrobearbeitet ist, so wie aus einem Siliciumwafer. Der Körper 1 definiert einen linearen Balken 2 mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Ebene der längeren Seiten des Balkens im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Substrates ist. Die gegenüberliegenden Enden 3, 4 des Balkens sind geeignet, um sicher in Position befestigt zu werden.
• Der Balken trägt eine Schwungmasse, die zwei rechteckige Elemente 5, 6 umfasst, welche miteinander durch einen Verbindungsstab 7 verbunden sind, der ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei der mittlere Teil des Verbindungsstabes einheitlich mit dem mittleren Teil des Balkens 2 ausgebildet ist.
• Die Elemente 5, 6 sind gleich groß und symmetrisch zu dem Balken 2 und weisen demgemäß ausgerichtete Kanten auf. An einem Ende des Substrates ist eine Seitenkante des Elementes 5 mit einer Elektrode 8 versehen, und die in Flucht liegende Seitenkante des Elementes 6 ist mit einer Elektrode 9 versehen. Die Elektroden 8 und 9 können einfach Bereiche aus leitendem Material umfassen, so wie aus Metall, das auf dem Substrat aufgetragen ist.
• Benachbart, aber etwas entfernt von der Elektrode 8, ist eine Erregerelektrode 10, und in einer entsprechenden Position bezüglich der Elektrode 9 ist eine zweite Erregerelektrode 11. Die Elektroden 10 und 11 sind mit den zwei Stiften einer Klemme 13 verbunden. Die Elektroden 8 und 9 sind mit einem mittleren Stift der Klemme 13 verbunden.
• Ausgebildet auf der relativ großen ebenen Fläche des Elementes 5 ist eine Elektrode 14, die als eine rechteckige Elektrode gezeigt ist, und eine ähnliche Elektrode 15 ist auf der Fläche des Elementes 6 vorgesehen. Die Elektroden sind symmetrisch angeordnet.
• Benachbart angeordnet, aber entfernt von der Elektrode 14, ist eine Sensorelektrode 16, und in einer ähnlichen Position bezüglich der Elektrode 15 ist eine zweite Sensorelektrode 17. Die Sensorelektroden 16 und 17 sind mit zwei Stiften einer zweiten Klemme 18 verbunden, wobei ein mittlerer Stift mit den Platten 14, 15 verbunden ist.
• Es versteht sich, dass in Anwendung des Gyroskops, wie mit Bezug auf die 1 und 2 gezeigt, eine Erregerspannung V_exc, welche eine Wechselspannung ist, zwischen dem rechten und dem mittleren Stift der Klemme 13 angelegt ist. Eine Spannung abzüglich der Indexspannung V_exc ist zwischen dem linken und dem mittleren Stift angelegt. Eine DC-Vorspannung A ist ebenfalls zwischen dem rechten und dem mittleren Stift angelegt, sowie zwischen dem linken und dem mittleren Stift der Klemme 13. Demgemäß ist eine Spannung, welche die DC-Spannung A ist, die größer als oder gleich der Amplitude von V_exc ist, an welcher die Wechselspannung überlagert ist, zwischen den Platten 10 und 8 angelegt, und zwischen den Platten 11 und 9. Demgemäß wirkt eine veränderliche Anziehungskraft abwechselnd zwischen den Platten 10 und 8, und zwischen den Platten 11 und 9. Dadurch werden die Elemente 5 und 6, welche die Schwungmasse bilden, in Rotation um die Achse z versetzt, die mit der Bezugszahl 19 in 1 gekennzeichnet ist. Die Achse z durchstößt den mittleren Teil des Verbindungsstabes 7, der einheitlich mit dem mittleren Teil des Balkens 2 ausgebildet ist, und ist senkrecht zu der Ebene des Substrates 1. Die Erregerspannung weist typischerweise eine Frequenz im Bereich von 2 bis 30 kHz auf, und die Schwungmasse führt eine schwingende Winkelbewegung um einen Winkel θ aus. Es ist festgestellt, dass die schwingende Bewegung 90° hinter der Phase von V_exc zurück ist.
• Wenn das Gyroskop anschließend einer Rotation um die Achse y ausgesetzt wird, (welche die Achse ist, die in der Ebene des Substrates liegt, und gleichachsig mit dem Verbindungsstab 7 ist, welcher die zwei Elemente 5, 6 der Schwungmasse verbindet), und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit von Ω_y, dann beginnt anschließend, aufgrund des Gyroskopmomentes die Schwungmasse um die x-Achse zu schwingen, welche die Achse in der Ebene des Substrates ist, die deckungsgleich mit dem Balken 2 ist. Die Schwingung um die x-Achse ist eine Schwingung um den Winkel ψ mit einer Phase, die 90° hinter θ ist. Die Schwingung um den Winkel ψ um die x-Achse justiert den Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden 14 und 15 (die mit der mittleren Elektrode der Klemme 18 verbunden sind), die auf den Elementen 5, 6 der Schwungmasse vorgesehen sind, und den Sensorelektroden 16 und 17, wobei demgemäß eine Spannung V_ψ, an den Elektroden 18 erzeugt wird. Die Spannung V_ψ ist in Phase mit ψ und folglich 180° hinter der Phase der Spannung V_exc.
• Es ist beabsichtigt, dass die Erregerspannung V_exc als die natürliche Resonanzfrequenz der Schwingung der Schwungmasse um die Achse z ausgewählt ist. Idealerweise ist die Resonanzfrequenz der schwingenden Bewegung um den Winkel ψ um die Achse x ebenfalls die gleiche Resonanzfrequenz. Dies ist in der Praxis schwer zu erreichen, aber die effektive Resonanzfrequenz der Schwingung um die x-Achse kann abgeglichen werden, indem eine DC-Vorspannung V_DC an die zwei Stifte der Klemme 18 angelegt wird (d. h. V_DC an beiden Sensorelektroden 16 und 17). Diese Spannung hat dieselbe Wirkung wie die Änderung der Federkräfte, die durch den Balken 2 vorgesehen sind.
• In Anwendung des Gyroskops könnte der Winkel θ durch Bestimmung eines Potentials V_θ gemessen werden, das an zwei Stiften der Klemme 13 anliegt, welches die Kapazität zwischen den Platten 10 und 8, und entsprechend zwischen den Platten 11 und 9 darstellt. V_θ ist in Phase mit θ und folglich 90° hinter V_exc.
• In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine weitere Spannung V_servo an die Klemme 18 anzulegen, um eine umgekehrte Kopplung (negative Rückkopplung) an dem Gyroskop aufzubringen, so dass die Differenzverstärker, die typischerweise mit dem Gyroskop verwendet werden könnten, nicht gesättigt werden. Aus dem gleichen Grund, wie die DC-Spannung A zu V_exc addiert wurde, wie oben beschrieben, wird eine DC-Spannung B zu V_servo addiert.
• Ein Chip, der mit dem Gyroskop verbunden ist, umfasst Mehrfachschaltungen, die mit den Klemmen 13 und 18 verbunden sind, so dass die verschiedenen Eingangssignale und Ausgangssignale getrennt werden können.
• Es versteht sich, dass in dem beschriebenen Gyroskop eine Schwungmasse, welche durch die zwei Platten 5 und 6 gebildet wird, auf einer Stützvorrichtung befestigt ist, so dass die Masse in einem ersten Modus um eine erste Achse schwingen kann, nämlich die z-Achse, und ebenfalls um eine zweite Achse rotieren kann, nämlich die x-Achse, welche geneigt ist, in diesem Fall um 90° bezüglich der ersten Achse. Die beschriebenen Elektroden bilden Erregervorrichtungen, um Schwingungen im ersten Modus anzuregen, und Erkennungsvorrichtungen, um ein Erkennungssignal zu erzeugen, das repräsentativ für die Schwingungen im zweiten Modus ist. Wie angeführt worden ist, ist die Schwingung des ersten Modus mit dem zweiten. Modus gekoppelt, wenn das beschriebene Gyroskop einer Winkelrotation um eine dritte Achse ausgesetzt ist, die y-Achse, welche ebenfalls geneigt ist bezüglich sowohl der ersten, als auch der zweiten Achse, wobei die dritte Achse zu jeder der ersten und zweiten Achse um 90° in der beschriebenen Ausführungsform geneigt ist. Die Anordnung ist so, dass das Erkennungssignal Informationen über die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung um die dritte Achse enthält.
• Mindestens theoretisch können die Ausgangssignale V_ψ und V_θ ausgewertet werden, um die Winkelgeschwindigkeit Ω_y der Winkelrotation um die y-Achse zu bestimmen. Es ist besonders zu erwähnen, dass die rotierende Schwingung um die x-Achse (Ψ) der Schwungmasse eine Funktion des Gyroskopmomentes ist: Ω_y·θ'·I_G wobei θ' die Winkelgeschwindigkeit der Rotation um die z-Achse 19 ist (welche die Winkelgeschwindigkeit ist, die in erster Linie durch die V_exc erzeugt wird, wie an den Elektroden 10 und 11 angelegt), und wobei I_G ein geometrischer Maßstabfaktor ist, der durch die Geometrie des Gyroskops festgelegt ist.
• Im einzelnen: I_G = I_x + I_z – I_y wobei I_x, I_z und I_y die Trägheitsmomente um die jeweiligen Achsen sind.
• (ψ ist 90° hinter θ, weil Ψ proportional zu θ' ist.)
• Unter Bezugnahme nun auf 3 der beigefügten Zeichnungen versteht es sich, dass aufgrund von Produktionsfehlern, eine Anzahl unerwünschter Fehlerquellen auftreten kann. Diese Fehlerquellen führen zu falschen Signalen, welche als Ausgangssignale V_ψ and V_θ anliegen. Einige der Fehler weisen einen mechanischen Ursprung auf und einige sind durch direkte elektronische Kopplungen verursacht. Die Situation ist derart, dass Abweichungsfehler für das Gyroskop vorhanden sind, und die Abweichungsfehler ziemlich groß sein können, besonders beim Vergleich mit der gewünschten Auflösung für das Gyroskop. Einige Fehler sind vorwiegend konstant mit der Zeit, einige ändern sich geringfügig, und einige ändern sich schneller. Einige Fehler ändern sich mit der Temperatur.
• Unter Bezugnahme nun auf 3, welche ein erläuterndes Schaltbild des Gyroskops nach 1 und 2 ist, ist die Spannung V_exc gezeigt, die an einem effektiven Eingang 30 des beschriebenen Gyroskops anliegt. Die Spannung wird in ein Moment umgerechnet, wobei das Moment T_θ mit der Erregerspannung V_exc durch die Gleichung K_θ = T_θ/V_exc verknüpft ist. Dies ist diagrammatisch am Kästchen 31 gezeigt. Das Moment ist als ein Schwung aufgebracht, um die Schwungmasse anzutreiben, die von den Elementen 5 und 6 μm die z-Achse 19 gebildet wird, wie schematisch am Kästchen 32 gezeigt. Der Schwung bewirkt eine Bewegung der Schwungmasse, welche als eine drei Komponenten umfassende Bewegung betrachtet werden kann. Die Bewegung kann als die durch die Differentialgleichung für die Schwingung um die z-Achse dargestellte Bewegung betrachtet werden.
• Die erste Komponente der Bewegung betrifft das Trägheitsmoment I_z um die z-Achse, und die zweite Ableitung von θ hinsichtlich der Zeit.
• Die zweite Komponente der Bewegung kann als verknüpft mit dem Dämpfungsfaktor d_z und der ersten Ableitung von θ hinsichtlich der Zeit betrachtet werden.
• Die dritte Komponente der Bewegung kann als verknüpft mit der Federkraft betrachtet werden, verursacht durch die Ablenkung des Balkens 2 als ein Ergebnis der Rotation der Schwungmasse um die Achse z, nämlich die Federkonstante k_z und der augenblickliche Winkel θ der Verlagerung der Schwungmasse.
• In jedem Fall ist eine Verlagerung θ aus der ursprünglichen Position der Schwungmasse vorhanden, wie bei Knoten 33 gezeigt. Die erste Ableitung des augenblicklichen Winkels θ hinsichtlich der Zeit, wie bezüglich des Kästchens 34 gezeigt, wird durch einen geometrischen Maßstabfaktor I_G, als Kästchen 35 gezeigt, welcher von der Geometrie Ω_y des Gyroskops abhängig ist, an den Punkt 36 übertragen, wo sie effektiv mit der Winkelgeschwindigkeit multipliziert wird, gezeigt als zutreffend für Knoten 37, welche die zu erfassende Winkelgeschwindigkeit ist. Ebenfalls die erste Ableitung hinsichtlich der Zeit sieht eine Anzeige etwaiger asymmetrischer Dämpfungskräfte d_xz, wie durch Kästchen 38 gezeigt, aufgrund der Struktur des Sensors vor. Das Ergebnis dieser asymmetrischen Dämpfungskräfte wird auf einen Knoten 39 angewandt, welcher die Gyroskopkopplung zwischen der Rotation um die z-Achse, erregt durch die Spannung V_exc, und der Rotation um die x-Achse als Folge der Rotation Ω_y um die y-Achse, darstellt.
• In jedem augenblicklichen Winkel θ kann ein weiterer Fehler erzeugt werden, wie durch das Kästchen 40 veranschaulicht, wobei der Fehler direkt an den Knoten 39 weitergeleitet wird, wobei dieser Fehler k_xz aufgrund asymmetrischer Federkräfte am wahrscheinlichsten durch unebene Herstellung des Balkens 2 verursacht werden kann. Die Größe des Fehlers ist proportional zu der Größe des Winkels θ. Jede Schwankung im Querschnitt über die Länge des Balkens 2 kann solch eine asymmetrische Federkraft erzeugen. Die asymmetrische Federkraft kann erfasst werden, weil die Elemente 5 und 6 der Schwungmasse um die z-Achse rotieren, und/oder kann erfasst werden, weil die Elemente 5 und 6 der Schwungmasse um die x-Achse rotieren.
• Die zweite Ableitung hinsichtlich der Zeit des augenblicklichen Winkels θ, welche bei Knoten 33 vorhanden ist, wie durch Kästchen 41 angezeigt, kann die Amplitude eines Fehlers I_xz bestimmen, wie durch Kästchen 42 angezeigt, wobei der Fehler durch die asymmetrische Masse verursacht ist, die in dem Sensor vorhanden ist. Dieser Fehler kann daher verursacht werden, wenn die Elemente 5 und 6 unterschiedliche Massen aufweisen. Dieser Fehler wird direkt auf den Knoten 39 angewandt.
• Ein weiterer Fehler, der direkt auf den Knoten 39 angewandt wird, welcher direkt mit V_exc verknüpft ist, ist durch das Kästchen 43 angezeigt, wobei dieser Fehler K_xz ein Fehler ist, der durch asymmetrische Erregung erzeugt ist. Derartige asymmetrische Erregung kann entstehen, wenn der Anfangsabstand zwischen den Elektroden 8 und 10 nicht genau der gleiche wie der Anfangsabstand zwischen den Elektroden 9 und 11 ist, wenn die Elektroden 8, 10, 9 und 11 verschieden groß sind bzw. wenn die Elektroden 10 und 11 jede nicht genau mit den Elektroden 8 und 9 ausgerichtet sind. Effektiv entsteht asymmetrische Erregung, wenn V_exc, die auf die Erregung der Elektroden einwirkt, direkt nicht nur θ, sondern auch ψ (mit Ω_y = 0) beeinflusst.
• Alle Eingänge von Knoten 39 werden addiert, und der Ausgang ist mit einem Kästchen 44 verbunden, welches die Differentialgleichung für die zweite Bewegung darstellt, die der Rotation der Schwungmasse um die Achse x entspricht, d. h. dem augenblicklichen Winkel ψ. Die Energie, die von dem Knoten 39 mit der Erkennung 44 gekoppelt ist, führt zu einer Bewegung um einen Winkel ψ, die verschiedene Komponenten umfasst. (Idealerweise sollte ψ nur vom Gyroskopmoment abhängig sein, aber in Wirklichkeit ist ψ ebenfalls von einer Anzahl anderer Parameter abhängig, von denen einige zeitabhängig sind.) Die erste Komponente betrifft das Trägheitsmoment I_x um die x-Achse und die zweite Ableitung von ψ hinsichtlich der Zeit.
• Die zweite Komponente betrifft den Dämpfungsfaktor d_x und die erste Ableitung von ψ hinsichtlich der Zeit. Die dritte Komponente betrifft die Federkraft des Balkens 2 um die x-Achse (die Federkonstante k_x) und den Augenblickswert des Rotationswinkels aus der Anfangsposition ψ.
• Der Ausgang der Erkennung 44 wird effektiv durch den Konverter 45 in eine Spannung durch eine Funktion D_ψ gemäß der Gleichung D_ψ = V_ψ/ψ umgerechnet. Der Ausgang des Kästchens 45 ist mit einem Ausgang-Knoten 46 verbunden.
• V_servo ist an einen Knoten 47 angelegt. Die V_servo erzeugt ein Moment, wie durch das Kästchen 48 angegeben, wie durch K_ψ dargestellt. K_ψ ist durch die folgende Gleichung definiert: K_ψ = T_ψ/V_servo
• Der Ausgang von Kästchen 48 ist an den Knoten 39 gelegt, wo er in die Summe der Eingänge zu dem Knoten enthalten ist. V_servo, wie an Knoten 47 angelegt, sieht ebenfalls das direkte Übersprechen D_ψψ vor, wie durch das Kästchen 49 angegeben, an den Ausgangsknoten 46.
• Zu diesem Zeitpunkt sei angeführt, dass V_DC, wie von einem Eingang 50 an die Elektrode 16 und 17 angelegt, einen elektronischen Einfluss auf k_x, die Federkonstante des Balkens 2, umfasst, wie durch die Rotation des Trägheitselementes in der x-Achse abgetastet ist. Demgemäß liegt V_DC am Anschluss 44 an.
• Der augenblickliche Winkel θ beeinflusst, wie am Knoten 33 vorhanden, aufgrund der asymmetrischen Erkennung D_xz, wie durch das Kästchen 51 angegeben, direkt das Signal des Knotens 46. Asymmetrische Erkennung kann durch fehlende Ausrichtung bzw. unterschiedliche Größen der Elektrodenpaare 14, 16 und 15, 17 verursacht sein, so dass die Kondensatoren, die durch die Elektrodenpaare 14, 16 und 15, 17 gebildet sind, verschiedene kapazitive Kopplungen aufweisen.
• Der Augenblickswert von θ wird in eine Ausgangsspannung, wie bei Kästchen 52 gezeigt, mit einer Funktion D_θ umgerechnet, die durch die Gleichung D_θ = V_θ/_θ definiert ist. Der Ausgang von Kästchen 52 ist auf einen Knoten 53 geführt.
• Es ist direktes Übersprechen zwischen der V_exc, wie an Knoten 30 angelegt, und Knoten 53 vorhanden, wobei das Übersprechen die Funktion D_θθ aufweist, wie durch das Kästchen 54 angegeben ist. Die Amplitude des Übersprechens ist nicht von der präzisen Auslegung des Gyroskops abhängig. Der Ausgang von Kästchen 54 ist als auf einen Knoten 53 geführt dargestellt.
• Ein Nennausgangssignal V_ψ ist auf dem Knoten 46 vorhanden, und das Nennausgangssignal V_è ist auf dem Knoten 53 vorhanden. Jedoch wie es sich versteht, werden die Ausgangssignale durch eine große Anzahl von potentiellen Fehlersignalen von verschiedenen möglichen Fehlerquellen beeinträchtigt bzw. gestört, wie oben beschrieben.
• Eingang 30 und Ausgang 53 entspricht den Klemmen 13 von 1.
• Eingang 47 und 50 und Ausgang 46 entspricht den Klemmen 18 von 1.
• Um in der Lage zu sein, mindestens einige der oben beschriebenen Fehler zu erkennen und zu beseitigen, könnte ein Simulationsmodell des Gyroskops auf der Grundlage des erläuternden Modells von 3 verwendet werden. Ein ”Simulationsmodell” ist im Gegensatz zu einem ”erläuternden Modell” aktiv und ”berechnet” Ausgänge als Reaktion auf verschiedene Eingänge. Das Simulationsmodell wird mit den gleichen elektrischen Eingangssignalen gespeist, wie das reale Gyroskop gespeist wird, das heißt mit den gleichen Signalen V_exc, V_servo und V_DC. Die Frequenz, die Phase und/oder die Amplitude von mindestens einem dieser Signale, mit denen das Gyroskop und das Simulationsmodell gespeist sind, können sich zeitlich ändern. Jedes der Signale, das einen Fehler im realen Gyroskop betrifft, kann sich aufeinanderfolgend ändern, bzw. zwei oder mehr Signale können sich gleichzeitig ändern.
• Das Simulationsmodell weist eine Anzahl von Parametern auf, die elektrische Parameter des tatsächlichen Gyroskops betreffen, und eine Anzahl von Parametern, die die geometrischen Eigenschaften des tatsächlichen Gyroskops betreffen. Das Modell sieht ebenfalls einen Eingang für die berechnete Winkelgeschwindigkeit vor, die von dem realen Gyroskop zu bestimmen ist.
• Annähernd korrekte Parameterwerte können durch die Durchführung verschiedener Messungen und Tests am realen Gyroskop bestimmt werden, bevor das reale Gyroskop tatsächlich verwendet wird, und könnten mindestens theoretisch aus der gemessenen V_ψ berechnet werden. Jedoch kann ein reales Gyroskop ein Verhalten aufweisen, das sich auf unvorhersehbare Weise ändert, besonders in Verbindung mit den Schwankungen bei einigen der Parameter. Das ist der Grund dafür, dass es äußerst wünschenswert ist, das beschriebene Simulationsmodell parallel mit dem realen Gyroskop während der Benutzung des Gyroskops zu verwenden.
• Wie oben erwähnt, berechnet das Modell die Ausgänge, welche den Ausgängen des realen Gyroskops in Reaktion auf die verschiedenen Eingänge gleichwertig sind, die für das Modell vorgesehen sind. Der Ausgang vom realen Gyroskop wird mit dem Ausgang des Simulationsmodells verglichen, und in der beschriebenen Ausführungsform werden die zwei Ausgänge subtrahiert. Natürlich wird, wenn das Simulationsmodell völlig ”korrekt” ist, die Differenz zwischen den zwei Eingängen Null sein. Jedoch wird die Höhe der Differenz zwischen den zwei Ausgängen einen Hinweis darauf geben, wie genau das Modell auf die Arbeitsweise des realen Gyroskops abgestimmt ist.
• Es versteht sich, dass in jedem Augenblick, wenn die Amplitude und die Frequenz der Eingangssignale festgelegt werden, viele Kombinationen der Parameter eines Modells vorhanden sein würden, die einen Nullausgang von jedem der Subtrahierer ergeben würden, aber aller Wahrscheinlichkeit nach nur eine dieser Kombination der Parameter den korrekten Wert von Ω_y umfassen bzw. zu ihm führen würden. Es stimmt, dass sich durch Aussetzen sowohl des realen Gyroskops, als auch des Simulationsmodells einer Anzahl verschiedener Werte, durch mindestens einen der Eingänge die Anzahl der Kombinationen der Modellparameter, die die gewünschten Nullausgänge ergeben werden, verringern wird. Durch Erhöhung der Anzahl der Eingangswerte, die sich ändern, gelangt man schließlich zu einer Kombination von Parametern, welche die gewünschten Nullausgänge ergeben werden, und diese Kombination würde den korrekten Wert für Ω_y einschließen.
• Obwohl für einige Parameter, die sich nicht mit der Zeit ändern, die vorgemessenen Werte verwendet werden könnten, ist der beschriebene Kalkulator von bestimmtem Wert bei der Berechnung der Werte für Parameter, die sich mit der Zeit ändern, solange die Ausgänge von den Subtrahierern in der beschriebenen Ausführungsform von Null für jede Kombination der Eingangswerte abweichen. Solange die Ausgänge von den Subtrahierern tatsächlich von Null für jede Kombination der Eingangswerte abweichen, sieht der Kalkulator neue abgeglichene Parameterwerte in Übereinstimmung mit den iterativen Verfahren vor, die beschrieben worden sind, welche die Ausgänge von den Subtrahierern gegen Null bringen sollen. Wenn das Simulationsmodell in einen Zustand gebracht werden kann, dass die Ausgänge von den Subtrahierern im Wesentlichen Null für alle Kombinationen der Eingangswerte sind, muss anschließend der Eingang zum Simulationsmodell, als eine sehr genaue Annäherung, der gleiche sein wie die Rotationsgeschwindigkeit, die vom realen Gyroskop erfasst wird.
• Der Ausgang des Gyroskops V_ψ, V_θ kann überwacht werden, mit dieser Überwachung des Gyroskops, besonders während der Änderung der Ausgangssignale, die durchgeführt wird, um die verschiedenen Fehlerquellen des Gyroskops und die Größenordnung dieser verschiedenen Fehlerquellen zu bestimmen. Zum Beispiel, wenn ein Fehler die Amplitude einer Spannung betrifft, so wie der Fehler K_xz des Kästchens 43, der V_exc betrifft, wenn sich die Amplitude von V_exc veränderte, wird sich anschließend dieser Fehler ändern, wodurch ermöglicht wird, den Fehler zu beobachten und die Größe des Fehlers zu bestimmen. Die Fehlerquellen und die Größe der Fehlerquellen (die Parameter des Modells) bei der Berechnung können in das Simulationsmodell eingegeben werden. Ein fiktiver Parameter, der Ω_y gleichwertig ist, kann berechnet und in das Simulationsmodell eingegeben werden. Ein iteratives Verfahren schließt sich an, bis die Ausgangssignale, die vom Simulationsmodell berechnet sind, innerhalb einer vordefinierten Fehlerspanne der Ausgangssignale sind, die von dem System erzeugt sind. In solch einer Situation muss die berechnete Ω_y, die in das Modell eingegeben wird als eine sehr genaue Annäherung die gleiche sein wie die tatsächliche Ω_y, die von dem Gyroskop erfasst wird.
• Demgemäß, mit anderen Worten, ist es durch Veränderung der externen Eingänge zu dem realen Gyroskop und ebenfalls zu einem Simulationsmodell des realen Gyroskops möglich, die tatsächlichen Fehler des realen Gyroskops zu bestimmen und zu messen, und die Parameter des vorhergehend vorbereiteten Simulationsmodells des realen Gyroskops zu ändern, so dass das Simulationsmodell des realen Gyroskops auf im Wesentlichen die gleiche Weise wie das reale Gyroskop betrieben wird, die Fehler eingeschlossen. Indem das Simulationsmodell veranlasst wird zu arbeiten, so dass der Ausgang des Simulationsmodells im Wesentlichen der gleiche wie der Ausgang des realen Gyroskops ist, sind die Parameterwerte, die an das Simulationsmodell bereitgestellt werden, repräsentativ für die Fehler und Ω_y, die vom realen Gyroskop erfasst wird. Demgemäß muss die Winkelgeschwindigkeit Ω_y um die y-Achse, die berechnet und in das Simulationsmodell eingegeben wird, im Wesentlichen die gleiche sein wie die tatsächliche Ω_y, die von dem Gyroskop erfasst wird.
• Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform Subtrahierer verwendet werden, um die Signale von dem realen Gyroskop und dem Simulationsmodell zu subtrahieren, könnte in einer anderen Ausführungsform eine Dividiererschaltung verwendet werden, um ein Ausgangssignal durch ein anderes Ausgangssignal zu dividieren, folglich einen Quotienten zu bilden. Jede andere geeignete Form eines Komparators könnte ebenfalls verwendet werden.
• Jede Variable, die abgeglichen wird, muss mit der Zeit abgeglichen sein, bzw. kann einer stochastischen Änderung unterliegen, wie Rauschen. Die Frequenz jeder derartigen Änderung kann einer vorherbestimmten Bandbreite entsprechen.
• Um die erforderliche Verarbeitungsleistung möglichst gering zu halten, sollte die Häufigkeit der Aktualisierung eines einzelnen Parameterwertes dem entsprechen, wie schnell sich der entsprechende Parameter des realen Gyroskops ändert. Da sich Ω_y erwartungsgemäß schnell ändern würde, sollte dieser Parameter häufig aktualisiert werden. Andere Parameter ändern sich langsamer, und folglich ist die Notwendigkeit, diese Parameter zu kontrollieren bzw. nachzukalibrieren weniger dringend, und dieses Verfahren kann in weniger häufigen Intervallen durchgeführt werden.
• Unter Bezugnahme nun auf 4 der beigefügten Zeichnung, die eine Gyroskopanordnung gemäß dieser Erfindung zeigt, umfasst ein digitaler Signalprozessor 60 eine Schaltungsanordnung, die einen Signalgenerator 61 bildet. Der Signalgenerator 61 ist gezeigt, indem Eingänge für ein Gyroskop 62 vorgesehen sind, welches das gleiche wie das Gyroskop ist, das in den 1 bis 2 gezeigt ist. Die verschiedenen Eingangsknoten für V_exc, V_servo und V_DC sind gezeigt. Der Eingang Ω_y hat ebenfalls das gleiche Bezugszeichen wie in 3 erhalten, und die Ausgänge für V_θ und V_ψ weisen ebenfalls die gleichen Bezugszeichen auf.
• Der Signalgenerator 61 ist als dazugehöriger Teil eines digitalen Signalprozessors 60 gezeigt. Der digitale Signalprozessor 60 schließt eine adaptive Filteranordnung 63 ein, die ihrerseits ein Simulationsmodell 64 des Gyroskops 62 umfasst. Das Modell 64 sieht einen Sektor 65 vor, der geeignet ist, die externen Eingangssignale zu empfangen, wie durch den Signalgenerator 61 an das Gyroskop 62 bereitgestellt, welche sozusagen die Signale V_exc, V_servo und V_DC sind. Das Modell sieht ebenfalls einen Sektor 66 vor, der geeignet ist, um Signale von einem Kalkulator 67 zu empfangen, die repräsentativ für verschiedene ”Fehler” sind, wie oben erörtert, welche in dem Gyroskop vorhanden sein können, und ebenfalls einen berechneten Wert von Ω_y.
• Das Modell weist Ausgänge 68 für den berechneten Wert V_θ und 69 für den berechneten Wert V_ψ auf. Der berechnete Wert für V_θ, wie momentan am Ausgang 68 vorhanden, wird an einen Subtrahierer 70 bereitgestellt, der ebenfalls ein Signal V_θ empfängt, wie an dem Ausgang 53 vorhanden, von dem Gyroskop. Die zwei Signale werden subtrahiert, um ein Differenzsignal ΔV_θ zu erzeugen, welches auf einen Knoten 71 geführt wird, der einen Eingang des Kalkulators 67 bildet. Entsprechend wird der berechnete Wert für V_ψ, wie am Ausgang 69 vorhanden, an einen Subtrahierer 72 bereitgestellt, wo er von dem Signal V_ψ, wie am Ausgang 46 von dem Gyroskop vorhanden, subtrahiert wird, um ein Differenzsignal ΔV_ψ zu erzeugen, das auf einen Knoten 73 geführt wird, welcher einen zweiten Eingang zu dem Kalkulator bildet.
• Der Kalkulator 67 umfasst eine Anzahl von Kalman-Filtern. Die Kalman-Filter können einen oder eine Vielzahl von parallelen Kalman-Filtern umfassen, welche kontinuierlich die ungleichmäßigen Parameter, sowie das berechnete Signal Ω_y verfolgen können. Der Kalkulator 67 sieht einen ersten Ausgang 74 vor, der Informationen an den Sektor 66 des Modells 64 bereitstellt, die auf das Vorhandensein von Fehlern und den Wert von Fehlern hinweisen, welche in dem Gyroskop 62 vorhanden sind, so wie die oben aufgezählten vor, welcher ein berechneter Wert des Signals Ω_y ist, das in das Gyroskop 62 eingegeben ist. Dieser Ausgang 75 ist ebenfalls direkt auf den Parameterabschnitt 66 des Modells 64 geführt, ist aber ebenfalls an eine Ausgangsklemme 76 des digitalen Signalprozessors 60 angeschlossen.
• Die Ausgangssignale von den zwei Subtrahierern 70 und 72, wie an den Knoten 71 und 73 vorhanden, sind jedes, über einen jeweiligen Diskriminator 77, 78, mit einem UND-Glied 79 verbunden, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme 80 des digitalen Signalprozessors angeschlossen ist. Die Diskriminatoren 77 und 78 sind jeder geeignet, um ein Signal durchzulassen, wenn das Eingangssignal an den Diskriminator unter einem vorgegebenen Schwellwert ist. Folglich wird, wenn der berechnete Wert für V_θ, der am Ausgang 68 des Modells 64 vorhanden ist, im Wesentlichen der gleiche ist, innerhalb eines Grenzwertes, der durch den Diskriminator 77 bestimmt ist, wie das Ausgangssignal V_θ, das am Ausgang 53 des Gyroskops 62 anliegt, das UND-Glied 79 freigegeben, und das UND-Glied 79 geöffnet, wenn ebenfalls das berechnete Signal V_ψ, wie am Ausgang 69 des Modells vorhanden, im Wesentlichen das gleiche wie das Ausgangssignal V_ψ ist, das am Ausgang 46 des Gyroskops vorhanden ist, wiederum innerhalb eines Grenzwertes, wie durch den Diskriminator 78 bestimmt. Wenn das UND-Glied 79 geöffnet ist, so dass ein Signal am Ausgang 80 anliegt, ist die gesamte Anordnung, wie in 4 gezeigt, derartig, dass das Gyroskop und das Modell im Gleichlauf betrieben werden, was bedeutet, dass die berechnete Ω_y, wie am Ausgang 76 vorhanden, mit sehr kleinem Grad des möglichen Fehlers, im Wesentlichen identisch mit Ω_y ist, wie der Eingang zu dem Gyroskop.
• Der digitale Signalprozessor 60 kann einen Temperatursensor umfassen, um die Abtastung und die Parameter zu unterstützen, die sich mit einer Temperaturänderung ändern können.
• Bei der Verwendung der beschriebenen Anordnung ändern sich die Variablen am Anfang, möglicherweise unter der Anfangsregelung einer vorprogrammierten Prozessoreinheit, um dem Modell zu ermöglichen, ”in den Gleichlauf” mit dem realen Gyroskop zu kommen. Die Parameter werden sich anschließend weiter ändern, aber Parameter, die sich voraussichtlich langsam ändern, werden sich nur langsam ändern, und andere Parameters, wie Ω_y, die sich schneller ändern können, werden häufiger geladen, um sicherzustellen, dass das Modell weiter ”im Gleichlauf” mit dem realen Gyroskop läuft.
• ”Umfasst” bedeutet in der vorliegenden Beschreibung ”schließt ein bzw. enthält” und ”umfassend” bedeutet ”einschließend bzw. enthaltend”.
• Die Merkmale, die in der vorangegangenen Beschreibung offenbart sind, bzw. die folgenden Patentansprüche, bzw. die beigefügten Zeichnungen, ausgedrückt in ihren spezifischen Formen oder in Form einer Möglichkeit für die Durchführung der offenbarten Funktion, bzw. eine Methode oder ein Prozess für das Erreichen des offenbarten Ergebnisses, können entsprechend einzeln oder in jeder Kombination derartiger Merkmale für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Formen verwendet werden.

Claims (7)

1. Gyroskopanordnung für die Messung der Winkelgeschwindigkeit, wobei die Anordnung ein Gyroskop (62) umfasst, welches mindestens eine Masse umfasst (5, 6), die auf Stützvorrichtungen abgestützt ist, so daß die Masse (5, 6) in einem ersten Modus um eine erste Achse und in einem zweiten Modus um eine zweite Achse schwingen kann, die bezüglich der ersten Achse geneigt ist, wobei Erregervorrichtungen, um Schwingungen in dem ersten Modus anzuregen, und Erkennungsvorrichtungen, um einen mindestens ein für die Schwingungen in dem zweiten Modus repräsentatives Erkennungssignal umfassenden Ausgang zu erzeugen, vorhanden sind, wobei die Schwingung des ersten Modus mit dem zweiten Modus gekoppelt ist, wenn das Gyroskop (62) einer Winkelbewegung um eine dritte Achse ausgesetzt ist, die bezüglich sowohl der ersten, als auch der zweiten Achse geneigt ist, wobei die Anordnung derartig ist, daß das Erkennungssignal Informationen über die Winkelgeschwindigkeit um die dritte Achse enthält, wobei die Erregervorrichtungen geeignet sind, um mindestens ein elektronisches Signal an das Gyroskop (62) bereitzustellen, wobei Möglichkeiten vorhanden sind, um das mindestens eine elektronische Signal zu regeln, um den Einfluss irgendwelcher Fehler in dem Gyroskop (62) zu verhindern, die durch unerwünschte geometrische Eigenschaften des Gyroskops (62) und/oder unerwünschte elektrische Kopplungen verursacht sind, wobei die Anordnung ferner ein Simulationsmodel (64) des Gyroskops (62) umfasst, welches angeschlossen ist, um das mindestens eine Signal zu empfangen, das an das Gyroskop (62) von den Erregervorrichtungen bereitgestellt wird, wobei das Modell (64) geeignet ist, um einen Ausgang (68, 69) bereitzustellen, der dem Ausgang (46, 53) des Gyroskops (62) gleichwertig ist, und wobei das Gyroskop (62) und das Modell (64) jedes einen Ausgang erzeugen, der repräsentativ für die Schwingung der Masse (5, 6) um die erste Achse und Schwingung der Masse (5, 6) um die zweite Achse ist, wobei die gemessenen Ausgangswerte vom Gyroskop (62) und die berechneten Ausgangswerte jeweils in einer Komparatorschaltung verglichen und an einen Kalkulator (67) bereitgestellt werden, welcher ebenfalls Teil der Anordnung ist, wobei der Kalkulator (67) geeignet ist, um das Vorhandensein von Fehlern und die Größe von Fehlern innerhalb des Gyroskops (62) zu bestimmen, und als Reaktion auf diese Bestimmung, um das Modell (64) abzugleichen und ein Signal zu berechnen, das der Winkelgeschwindigkeit um die dritte Achse entspricht, wobei der Kalkulator (67) und das Modell (64) geeignet sind, um einen iterativen Prozess durchzuführen, der zu einer Situation fuhrt, wo das Modell (64) den augenblicklichen Betrieb des Systems simuliert, so daß der berechnete Wert der Winkelgeschwindigkeit, wie durch den Kalkulator (67) berechnet, der gleiche wie die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit ist, und wobei die an den Kalkulator (67) bereitgestellten Werte an Diskriminatoren (77, 78) weitergeleitet werden, und wenn die weitergeleiteten Werte jeder kleiner als ein vorgegebener Wert sind, wird ein Ausgangssignal erzeugt, um anzuzeigen, daß der anschließend berechnete Wert der Winkelgeschwindigkeit korrekt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Kalkulator (67) ein adaptives Filter umfasst.
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das adaptive Filter mindestens ein Kalman-Filter ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Komparatorschaltung eine Schaltung von Subtrahierern (70, 72) umfasst.
5. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Komparatorschaltung eine Dividierschaltung umfasst.
6. Anordnung nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei ein Signalgenerator (61) eine Vielzahl von elektronischen Signalen erzeugt, die auf das System und auf das Modell (64) geführt sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei Möglichkeiten vorgesehen sind, um die Frequenz und/oder Amplitude der Signale zu ändern, die vorn Signalgenerator (61) über eine Zeitspanne erzeugt sind.

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