JP2006514748A - コリオリの角速度計のゼロ点エラー（Ｎｕｌｌｐｕｎｋｔｆｅｈｌｅｒｓ）の補正方法 - Google Patents

Abstract

コリオリの角速度計（１´）におけるゼロ点エラーの決定方法であって、読み取り振動の周波数を変調し、ゼロ点エラーの尺度となる補助信号を得るために、コリオリ角速度計（１´）の回転速度制御回路または直交制御回路の出力信号を、読み取り振動の周波数の変調と同期して復調し、回転速度制御回路または直交制御回路の入力に与えられる補正信号を生成し、この際、補助信号の大きさができるだけ小さくなるように、補正信号を制御する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、コリオリの角速度計のゼロ点エラーの補正方法に関するものである。

コリオリの角速度計（振動ジャイロともいう）は、ナビゲーションを目的として（zu Navigationszwecken）ますます広範囲に使用されている。コリオリの角速度計は、振動する質点系（Massensystem）を有している。この振動（Schwingung）は、通常、複数の振動が重ね合わせられたものである。質点系のこれらの個別の振動は、最初は相互に独立しており、それぞれ抽象的な「共振器」とみなせる。振動ジャイロの操作には、少なくとも２つの共振器が必要である。これらの共振器の一方（第１共振器）を、人工的に励起して振動させる。この振動を、以下では、「励起振動」（Anregungsschwingung）と呼ぶ。他方の共振器（第２共振器）は、振動ジャイロが動き／回転する場合にだけ、励起されて振動する。これは、この場合に発生するコリオリの力による。これらのコリオリの力は、第１共振器を第２共振器と結合し、第１共振器の励起振動からエネルギーを取り出し、このエネルギーを、第２共振器の読み取り振動へ伝送する。第２共振器の振動を、以下の文章では「読み取り振動」（Ausleseschwingung）と呼ぶ。コリオリの角速度計の動き（特に、回転）を決定するために、読み取り振動をタップオフし（abgegriffen）、対応する読み取り振動（例えば、読み取り振動タップオフ信号）を調べて、コリオリの角速度計の回転の大きさを表す読み取り信号の振幅に変化が生じたかどうかを判定する。コリオリの角速度計は、開ループ系としても、閉ループ系としても実現できる。閉ループ系では、各制御回路を介して、読み取り振動の振幅を、継続的に固定値（好ましくは０）にリセットする。

コリオリの角速度計の操作方法をさらに明確にするために、図２を参照しながら、閉ループ形態として実施したコリオリの角速度計の一例について以下で説明する。

このようなコリオリの角速度計１は、振動可能な質点系２を有している。この質点系も、以下の文章では、「共振器」と呼ぶ。この呼び方は、「本当の」共振器の個々の振動を意味する上述の「抽象的な」共振器とは区別しなければならない。既述のとおり、共振器２は、２つの「共振器」（第１共振器３と第２共振器４と）を含むシステムとみなせる。第１共振器３および第２共振器４は、それぞれ、原動機（Kraftgeber）（図示せず）と、タップオフシステム（図示せず）とに連結されている。原動機とタップオフシステムとによって生成されるノイズを、ここでは、ノイズ１（参照番号５）とノイズ２（参照番号６）とによって概略的に示す。

コリオリの角速度計１は、さらに、４つの制御回路を有している。

第１制御回路は、励起振動（すなわち、第１共振器３の周波数）を、固定周波数（共振周波数）に制御する役割を果たす。第１制御回路は、第１復調器７、第１ローパスフィルター８、周波数制御器９、ＶＣＯ（電圧制御発振器；Voltage Controlled Oscillator）１０および第１変調器１１を備えている。

第２制御回路は、励起振動を、一定振幅に制御する役割を果たし、第２復調器１２、第２ローパスフィルター１３および振幅制御器１４を備えている。

第３および第４制御回路は、読み取り振動を励起する動力（Kraefte）をリセットする役割を果たす。この場合、第３制御回路は、第３復調器１５、第３ローパスフィルター１６、直交制御器１７および第３変調器２２を備えている。第４制御回路は、第４復調器１９、第４ローパスフィルター２０、回転速度制御器２１および第２変調器１８を備えている。

第１共振器３を、その共振周波数ω１で励起する。その結果として生じる励起振動をタップオフし、第１復調器７を用いて、位相を復調し、復調した信号成分を、第１ローパスフィルター８へ供給する。この第１ローパスフィルター８は、前記供給された信号成分から、合計周波数を除去する。前記タップオフ信号を、以下の文章では、励起振動タップオフ信号とも呼ぶ。第１ローパスフィルター８の出力信号は、周波数制御器９へ入力される。この周波数制御器９は、周波数制御器９に供給される信号に応じて、同位相成分（in-phase component）がほぼ０になるようにＶＣＯ１０を制御する。この目的のため、ＶＣＯ１０は、第１変調器１１へ信号を引き渡す。第１変調器１１は、第１共振器３に励起動力（Anregungskraft）が作用するように、それ自身で原動機を制御する。同相成分が０であれば、第１共振器３は、その共振周波数ω１で振動する。すべての変調器および復調器は、この共振周波数ω１に基づいて動作する。

励起振動タップオフ信号は、さらに、第２制御回路へ供給され、第２復調器１２により復調される。第２復調器１２の出力は、第２ローパスフィルター１３を通過して、振幅制御器１４へ供給される。振幅制御器１４は、この信号および基準振幅源２３に応じて第１変調器１１を制御し、第１共振器３を一定の振幅で振動させる（すなわち、励起振動を一定の振幅にする）。

既述のように、コリオリの角速度計１が動く／回転する場合に、（図では項ＦＣ・ｃｏｓ（ω１・ｔ）で示された）コリオリの力が生じる。これらのコリオリの力は、第１共振器３を、第２共振器４と結合し、これにより、第２共振器４を振動させる。結果として生じる周波数ω２の読み取り振動をタップオフする。その結果、対応する読み取り振動タップオフ信号（読み取り信号）が、第３制御回路および第４制御回路へ供給される。第３制御回路において、この信号は、第３復調器１５により復調され、ローパスフィルター１６により合計周波数を除去される。そして、ローパスフィルター１６にかけられた信号が、直交制御器１７へ供給される。直交制御器１７の出力信号は、第３変調器２２へ供給されて、読み取り振動の対応する直交成分がリセットされる。これと同様に、第４制御回路では、読み取り振動タップオフ信号を、第４復調器１９によって復調し、第４ローパスフィルター２０を通し、対応するローパスフィルターにかけられた信号を、一方では、回転速度制御器２１へ入力する。回転速度制御器２１の出力信号は、瞬間回転速度に比例しており、回転速度測定結果として回転速度出力部２４へ引き渡される。また、対応するローパスフィルターにかけられた信号は、他方では、第２変調器１８へ入力される。第２変調器１８は、読み取り振動の対応する回転速度成分をリセットする。

前記のようなコリオリの角速度計１を、二重共振（doppelresonant）としても非二重共振（nichtdoppelresonant）としても操作できる。コリオリの角速度計１を二重共振として操作する場合、読み取り振動の周波数ω２は、励起振動の周波数ω１にほぼ等しい。これに対し、非二重共振では、読み取り振動の周波数ω２は、励起振動の周波数ω１とは異なっている。回転速度に関する対応する情報を含んでいるのは、二重共振では、第４ローパスフィルター２０の出力信号であるが、これに対し、非二重共振では、第３ローパスフィルター１６の出力信号である。異なる操作方法の間で二重共振／非二重共振を切り替えるために、二重切り替え器２５が備えられている。この二重切り替え器２５は、第３ローパスフィルター１６および第４ローパスフィルター２０の出力部を、回転速度制御器２１および直交制御器１７に選択的に接続する。

回避できない製造上の許容誤差のために、励起動力、リセット動力、原動機、あるいは、タップオフと、共振器２自身の振動との間で僅かな誤調整が起きてしまう。その結果、読み取りタップオフ信号に、誤差が含まれてしまう。このような場合、読み取り振動タップオフ信号は、真の読み取り振動から生じた部分と、真の励起振動から生じた部分とを合わせ持っている。この不都合な部分に起因して、つまり、読み取り振動タップオフ信号をタップオフする際に前記２つの部分同士を区別できないために、コリオリの角速度計のゼロ点エラーが（その大きさは知られていないが）生じてしまう。

本発明の目的は、前記ゼロ点エラーの決定方法を提供することである。

この目的は、特許請求項１の特徴に基づく方法によって達成される。さらに、本発明は、特許請求項６に基づくコリオリの角速度計を提供する。本発明の着想の好ましい実施形態および発展形態を、それぞれ、従属請求項に記載する。

本発明の、コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定方法においては、読み取り振動の周波数（好ましくは共振周波数）を変調し、前記ゼロ点エラーの尺度となる補助信号を得るために、コリオリ角速度計（１´）の回転速度制御回路または直交制御回路の出力信号を、読み取り振動の周波数（共振周波数）の変調と同期して復調する。その後、補正信号を生成し、前記補正信号を前記回転速度制御回路または前記直交制御回路の入力に受け渡す。この際、前記補助信号の大きさができるだけ小さくなるように、前記補正信号を制御する。

ここで、「共振器」という用語は、コリオリの角速度計において振動できる質点系の全体、つまり、図２の、参照番号２で示したコリオリの角速度計の部分を意味する。

本発明の基礎となる発見は、読み取り振動の周波数の変化に基づいて、回転速度制御回路あるいは直交制御回路の出力信号が変化するのは、対応するゼロ点エラーがある場合、すなわち、共振器の励起動力、リセット動力、原動力、あるいは、タップオフと、共振器自身の振動との間に、誤調整が存在する場合のみであるという点である。読み取り振動タップオフ信号において誤調整により生じたゼロ点エラーを補正する補正信号を、回転速度制御回路／直交制御回路の入力に、または、直接読み取り振動タップオフ信号に受け渡すと、読み取り振動の周波数が変わった場合にも（特に、共振周波数が変わった場合にも）、回転速度制御回路／直交制御回路の出力信号は変わらない。回転速度制御回路／直交制御回路の出力信号の変化は、補助信号により検出されるので、ゼロ点エラーは以下のように決定され、かつ補正される。すなわち、補正信号は、補助信号（および、これにより上記制御回路の出力信号における変化）が、可能な限り小さくなるように、制御される。

好ましくは、読み取り振動の周波数（共振周波数）の変調は、中間値がゼロとなる変調であり、例えば、５５Ｈｚで行なわれる。

好ましくは、前記補助信号は、ローパスフィルターにかけられ、前記補正信号はローパスフィルターにかけられた補助信号に基づいて生成される。前記補正信号の生成は、例えば、前記補助信号に基づいて生成され制御された信号に、励起振動の振幅を制御するための振幅制御器より生じた信号を、乗算することにより、行なうことができる。好ましくは、前記補助信号は直交制御回路の出力信号により決定され、前記補正信号は回転速度制御回路の入力に受け渡される。

さらに、本発明は、コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定装置を特徴とするコリオリの角速度計を提供する。この装置は、コリオリの角速度計の読み取り振動の周波数を変調する変調ユニットと、前記ゼロ点エラーの尺度となる補助信号を得るために、コリオリ角速度計の回転速度制御回路または直交制御回路の出力信号を、読み取り振動の周波数の変調と同期して復調する復調ユニットと、補正信号を生成し、前記補正信号を前記回転速度制御回路または前記直交制御回路の入力に受け渡す制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記補助信号の大きさができるだけ小さくなるように、前記補正信号を制御する。

添付の図を参照しながら、本発明の実施例について以下に詳しく説明する。

図１は、本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

図２は、従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

図３は、コリオリの角速度計の、共振器と、原動機システムと、タップオフシステムとの相互作用を説明するための略図である。

図４ａから図４ｄまでは、二重共振の状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅（Schwingungsamplituden）とを説明するための略図である。

図５ａから図５ｄまでは、二重共振に近い状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅とを説明するための略図である。

図６ａから図６ｄまでは、二重共振の状態での本発明の方法を説明するための略図である。

図７ａから図７ｄまでは、二重共振に近い状態での本発明の方法を説明するための略図である。

図面における部分または装置のうち、図２に示した部分または装置については、同じ参照番号で示し、繰り返し説明することはしない。

初めに、図３から図５までに基づいて、ベクトル図（ガウス平面）を用いて、コリオリの角速度計の一般的な機能について改めて説明する。

本発明の方法は、平均して、本質的に二重共振が実現する場合にのみ機能する。「二重共振に近い」と記載した図面は、読み取り振動の共振周波数の変調により生じる、「二重共振に近い」場合の、変化させられた条件を示す。

図３は、コリオリの角速度計を概略的に示す図である。正確には、コリオリの角速度計における、共振器（図示せず）を含んだシステム４０と、原動機システム４１と、タップオフシステム４２とを示す図である。コリオリの力によって互いに結合された、起こり得るｘ方向の振動（励起振動）とｙ方向の振動（読み取り振動）とが図示されており、これらは図示した平面に垂直な軸に対する回転により結ばれている。ｘ方向の振動（複素，共振の虚数部分）は、複素振幅Ｆｘ（ここでは実数部分Ｆｘｒのみ）を有する交互に作用する力（Wechselkraft）によって励起される。また、ｙ方向の振動（複素）は、実数部分Ｆｙｒと虚数部分Ｆｙｉとを有する複素振幅Ｆｙの交互に作用する力によってリセットされる。回転ベクトルｅｘｐ（ｉ・ω・ｔ）は、その都度削除される。

図４ａから図４ｄまでは、ｘ方向の振動とｙ方向の振動との共振周波数が同じである（二重共振）、理想的なコリオリの角速度計の複素の力（komplexen Kraefte）と複素の振動振幅（komplexen Schwingungsamplituden）とを示している。力Ｆｘｒは、純虚数の（rein imaginaere）、一定のｘ方向の振動が生じるように、制御される。これは、ｘ方向の振動の大きさを制御する振幅制御器１４と、ｘ方向の振動の位相を制御する位相制御器１０／周波数制御器９とによって行われる。駆動周波数（Betriebsfrequenz）ω１は、ｘ方向の振動が純虚数になるように（つまり、ｘ方向の振動の実数部分がゼロになるように）、制御される。

コリオリの力はｘ方向の振動の速度に比例しているので、回転している間のコリオリの力ＦＣは純実数（rein reall）である。２つの振動が同じ共振周波数を有している場合、力ＦＣによって生じるｙ方向の振動は、図４ｄに示したような状態になる。ｘ方向の振動とｙ方向の振動との共振周波数が少し異なっている場合、図５ａから図５ｄまでに示した状態の複素の力および複素の振動振幅が生じる。特に、図５ｄに示したように、ＦＣによってｙ方向の振動が励起される。

二重共振が実現している場合、ｙタップオフ信号の実数部分はゼロであり、それに対して、二重共振が実現していない場合はゼロではない。どちらの場合も、角速度計がリセットされると、コリオリの力ＦＣは、ＦＣを補正するＦｙｒの制御器によってゼロになる。二重共振して駆動するコリオリの角速度計では、ｙの虚数部分は、Ｆｙｒによってゼロとなり、ｙの実数部分はＦｙｉによってゼロとなる。これら２つの制御（Regelungen）過程の帯域幅は、約１００Ｈｚである。

ここで、図１を参照しながら、例示的な実施形態における本発明の方法について詳述する。

リセットしているコリオリの角速度計１´は、さらに、復調ユニット２６と、第５ローパスフィルター２７と、制御ユニット２８と、変調ユニット２９と、第１乗算器３０、あるいは、これに代わる第２乗算器３１とを備えている。

変調ユニット２９は、共振器２の読み取り振動の周波数を、周波数ωｍｏｄで変調する。直交制御回路（Quadraturregelkreise）の出力信号は、復調ユニット２６に供給される。当該復調ユニットは、この信号を、周波数ωｍｏｄに同期して復調し、補助信号を得る。ゼロ点エラーが存在する場合（すなわち、共振器２の励起動力、リセット動力、原動機、あるいは、タップオフと、共振器２自身の振動との間に、誤調整が存在する場合）、この補助信号の強さは、読み取り振動の周波数により変わる。この補助信号は、第５ローパスフィルター２７に送られる。第５ローパスフィルター２７は、ローパスフィルターにかけられた信号を生成し、この信号を制御ユニット２８に送る。制御ユニット２８は、ローパスフィルターにかけられた補助信号を基に、第１乗算器３０に出力する信号を生成する。第１乗算器３０は、制御ユニット２８から出力された信号に、励起振動の振幅を制御するための振幅制御器１４から出力された信号を乗算する。前記乗算過程により得られた補正信号は、回転速度制御器の入力に加算される。制御ユニット２８は、第１乗算器３０に供給される信号を制御して、補助信号の大きさをできるだけ小さくする。これにより、ゼロ点エラーは補正される。さらに、ゼロ点エラーの大きさは、ゼロ点エラーの大きさを示す補正信号により決定される。これに代えて、制御ユニット２８の出力信号は、第２乗算器３１に供給され、この第２乗算器３１がこの出力信号に励起振動タップオフ信号を乗算し、これにより生成された補正信号を、読み取り振動タップオフ信号に加えても良い。なお、「制御ユニット」という用語は、制御ユニット２８のみに限定されるものではなく、制御ユニット２８と、第１乗算器３０または第２乗算器３１との組み合わせをも意味する。

復調ユニット２６に供給された信号を、制御回路内の別の部分でタップオフしても良い。

本発明の前記方法について、図６ａから図６ｄおよび図７ａから図７ｄまでを参照しながら以下に説明する。

ｙ方向の振動のタップオフ（第２共振器ｘ２、４）は、一般に、ｘ方向の振動（第１共振器ｘ１、３）（ａ２１・ｘ）の一部も「見ている」。これは、決定されるべき、コリオリの角速度計のゼロ点エラーの結果として生じる。図６ａ〜図６ｄは、二重共振の状態を示し、図７ａ〜図７ｄは、二重共振に近い状態を示す。いずれの場合でも、実際のｙ方向の移動とａ２１・ｘとの和信号は、ＦｙｉとＦｙｒとにより、「ゼロになる」。ａ２１が０でない場合、回転速度が０の際、Ｆｘｒが０にならない（ゼロ点エラー）。Ｆｙｉは、二重共振が実現される場合のみに、０になる。共振周波数がずれている場合、直交バイアス（Quadraturbias）が生じる。

ａ２１の補正は、本発明によれば以下のように行われる。当該角速度計は、二重共振であるとする。読み取り振動の共振周波数は、電子的に離調可能であって、変調ユニット２９により、中間値ゼロ（mittelwertfrei）（例えば、５５Ｈｚ）で変調される。また、信号Ｆｙｉは、復調ユニット２６により、リセットする制御回路が閉じるとき同期して復調される。もし、ａ２１が０であれば、Ｆｙｉは周波数とともに変わることはない。すなわち、Ｆｙｉは、ａ２１が０でない場合のみ変化する。後者の場合、ローパスフィルターにかけられ、同期して復調されたＦｙｉ信号は、０ではない。復調された信号は、（好ましくはソフトウェアの形態で実現された）制御ユニット２８に供給され、この制御ユニット２８が、係数ａ２１ｃｏｍｐ（補助変数）を制御する。（好ましくはソフトウェアで）ｙ方向のタップオフの信号から、ｘ方向の移動の制御された成分ａ２１ｃｏｍｐ・ｘが差し引かれる。この成分の大きさａ２１ｃｏｍｐは、復調されるＦｙｉ信号が０になるように、制御される。このように調整されたｙ方向のタップオフ信号には、ｘ方向の信号成分はもはや存在せず、読み取り交差結合（Kreuzkoppulung）により生じたバイアスは、消滅する。二重共振点であり、かつ、同じＱ値である場合、交差結合調整器のみが、読み取り交差結合により生じたバイアスを０にする。これは、Ｆｘｒの変調が、ｘ方向の振幅も少し変調するからである。これにより、交差結合調整器を介して、Ｆｙｒの力のｘ成分と、ｙタップオフ中の読み取られたｘ成分との合計が０にされる。したがって、Ｑ値が同じ場合、バイアスも消滅する。

これに代えて、読み取り振動の変調のために、ノイズを使用しても良い。このような場合、読み取り信号における、ノイズの同期復調が用いられる。

本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。 従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。 コリオリの角速度計の、共振器と、原動機システムと、タップオフシステムとの相互作用を説明するための略図である。 二重共振の状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅（Schwingungsamplituden）とを説明するための略図である。 二重共振の状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅（Schwingungsamplituden）とを説明するための略図である。 二重共振の状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅（Schwingungsamplituden）とを説明するための略図である。 二重共振の状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅（Schwingungsamplituden）とを説明するための略図である。 二重共振に近い状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅とを説明するための略図である。 二重共振に近い状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅とを説明するための略図である。 二重共振に近い状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅とを説明するための略図である。 二重共振に近い状態での、コリオリの角速度計の、力と振動振幅とを説明するための略図である。 二重共振の状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振の状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振の状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振の状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振に近い状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振に近い状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振に近い状態での本発明の方法を説明するための略図である。 二重共振に近い状態での本発明の方法を説明するための略図である。

Claims (6)

1. コリオリの角速度計（１´）のゼロ点エラーの補正方法であって、
   読み取り振動の周波数を変調し、
   前記ゼロ点エラーの尺度となる補助信号を得るために、コリオリ角速度計（１´）の回転速度制御回路または直交制御回路の出力信号を前記読み取り振動の周波数の変調と同期して復調し、
   補正信号を生成し、前記補正信号を前記回転速度制御回路または前記直交制御回路の入力に受け渡し、
   前記補正信号を、前記補助信号の大きさができるだけ小さくなるように制御する、補正方法。
2. 前記読み取り振動の周波数の変調は、中間値がゼロとなる（mittelwertfrei）変調であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記補助信号はローパスフィルターにかけられ、前記補正信号はローパスフィルターにかけられた前記補助信号に基づいて生成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記補正信号は、前記補助信号に基づいて生成された制御された信号に、前記励起振動の振幅を制御するための振幅制御器から生じた信号を乗算することにより生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記補助信号は前記直交制御回路の出力信号により決定され、前記補正信号は前記回転速度制御回路の入力に受け渡されることを特徴とする、請求項１から４のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 読み取り振動の周波数を変調する変調ユニット（２９）と、
   ゼロ点エラーの尺度となる補助信号を得るために、コリオリ角速度計（１´）の回転速度制御回路または直交制御回路の出力信号を、読み取り振動の周波数の変調と同期して復調する復調ユニット（２６）と、
   補正信号を生成し、前記補正信号を前記回転速度制御回路または前記直交制御回路の入力に受け渡し、前記補正信号を前記補助信号の大きさができるだけ小さくなるように制御する制御ユニット（２８）と、を備えたコリオリの角速度計（１´）におけるゼロ点エラーを決定するための装置により特徴付けられるコリオリの角速度計（１´）。

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