JP2008532040A - センサバイアスキャンセルを用いた慣性計測システム及び方法 - Google Patents

Abstract

慣性計測システム及び方法では、基部が計測されることになる回転に従って入力軸について回転し、入力軸についての回転は、１又は複数の角速度センサを用いて感知され、固定されたバイアスオフセットは、振動する方法で基部に対して相対的な感知する軸の方位を変化させるためにそれらの感知する軸に垂直な軸についてセンサをディザリングすることによってキャンセルされ、センサからの信号は、ディザリング周波数で復調される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、慣性計測に関し、特に、速度センサ又はジャイロスコープの固定されたバイアスオフセットがキャンセルされる慣性計測システム及び方法に関する。

角速度センサ又はジャイロスコープは、一般に、ジャイロとして知られており、慣性計測における重大なエラー発生源である固定されたオフセット又はバイアスに影響され易い。これらの固定されたオフセットエラーの大きさは、用いられるセンサ又はジャイロスコープのタイプに依存する。オフセットエラーに関して厳重な制限を有するアプリケーションでは、非常に低い残存オフセットエラーの高価なセンサが一般に用いられなければならなく、それらのセンサは、多くの場合、相対的に大きくて重いものである。

これまでは、オフセットエラーは、定回転のアプリケーションによって除去されてきている。例えば、ジャイロスコープ及び加速度計などの水平慣性機器は、垂直軸についてカルーセル方式（carousel fashion）で連続的に回転するものである。しかしながら、一定回転を与えることは、常に実行可能であるとは限らず、又は十分に望ましいものであるというわけではない。

リングレーザジャイロについて、周知の周波数ロックイン効果によって生じるエラーは、センサを入力軸についてディザリングすることによって最小化される。しかしながら、その入力軸についてセンサを回転させることは、検出しようとする各速度の以外の角速度入力を提供するので望ましくない。

従来技術の慣性システムでは、温度などの要素ため、時間の経過によるオフセットの変化を予測するために複雑なモデルに頼ることもまた必要である。これらのモデルは、幾つかのアプリケーションにおいてかなり有用であり得るが、モデルが提供し得るものより精度の高いレベルにまでオフセットを取り消すことが多くの場合に必要である。

概して、固定されたバイアスオフセットが取り消される慣性計測に、新規かつ改善されたシステム及び方法を提供することが本発明の目的である。

本発明の別の目的は、従来技術の制限及び不利な点を克服する上記の特徴のシステム及び方法を提供することである。

これら及び他の目的は、基部が計測されることになる回転にしたがって入力軸について回転され、
前記入力軸についての回転は、１又は複数の角速度センサで感知され、
固定されたバイアスオフセットは、センサをそれらの感知する軸に垂直な軸についてディザリングし、振動する方法で前記基部に対して相対的な前記感知する軸の方位を変化させることによって取り消され、
前記センサからの信号はディザリング周波数で復調されることを特徴とする慣性計測システム及び方法を提供することによって本発明に従って達成される。

図１に例証されるように、本システムは、取り付け基部１１と、基部上のモジュレータ１２に取り付けられる２つの角速度センサ又はジャイロスコープＧ_x及びＧ_yとを含んでおり、センサの入力軸は、基部のｘ軸及びｙ軸にほぼ整列されている。モジュレータは、センサの入力軸及び基部に対して垂直であるｚ軸についてセンサを回転させる。回転は、数ヘルツから数百ヘルツのオーダーの周波数及び数ミリラジアンから数度のオーダーの大きさを用いて本質的に振動又はディザリングする。センサ１３は、モジュレータの位置を監視し、モジュレータ及び速度センサの瞬間の角度変位に対応する信号を提供する。より十分に以下に議論されるように、前記信号により、システムは、ジャイロ出力信号の処理を伴って変調の影響を復調又は除去することができる。

モジュレータは、機械式フレクシャ又はスプリング、圧電アクチュエータ、モータ、又はＭＥＭＳベースの構造を振動させることを含む適切な既知のデザインであり得る。変調の振幅は、ジャイロ出力信号の妥当な解像度を提供するのに十分な振幅であるべきであり、周波数は、計測されることになる回転より高くすべきである。なお、モジュレータは、センサ軸の面において安定した動作を提供しなければならない。その動作は、正弦波又は矩形波などの単純な周期的波形、又はより複雑な動作を含む任意の適当なタイプであり得る。

変調センサ１３はまた、コイル及び磁石、光センサ、又はエンコーダなどの従来型のデザインであり得る。

モジュレータの回転は、速度センサ又はジャイロの入力軸が、基部の固定された軸について回転できるようにし、ある所定時間でのセンサ軸と基部の軸との間のアライメントの差は、モジュレータの瞬間の角度位置に等しい。入力軸についてセンサを回転させる従来の装置とは異なり、角速度をセンサに与え、モジュレータは、入力軸それ自体を回転させ、スプリアス速度入力は存在しない。入力軸の方位は、比較的速い信号動作のディザリング手法で変化し、他の外部から与えられる角度入力がない場合に、センサ軸の回転は、回転速度信号を生成しない。

図２では、速度センサ又はジャイロの入力軸ｘ'、ｙ'が、基部の固定された参照軸ｘ、ｙに関して角度θ_mによって回転している様子が示されている。ｚ軸は、図の平面に垂直であり、回転の外部速度Ωは、ｙ軸について基部を含む全体のシステムに与えられる。モジュレータは、典型的には２から５０ミリラジアンのオーダーである振幅及び２０から５００Ｈｚのオーダーの周波数でｚ軸について振動しており、より高い振動周波数は、より小さな振動の振幅に関係している。センサ１３は、θ_mの瞬間の値を検出し、ジャイロからの出力信号を処理するときに用いられる信号を提供する。その信号は、ジャイロ出力を復調するときに用いられると共にシステムが速度センサＧ_x及びＧ_yの時間変化する入力軸を補償することを許容する。

速度センサ又はジャイロは、入力軸変調の周波数での計測に対する適切な帯域幅を有するべきであり、それらはまた、適切に解像されることになるジャイロ変調信号を許容するように変調周波数近傍の周波数範囲において十分に低いノイズを有するべきである。

変調に先立ち、各速度センサ又はジャイロの出力は、センサの固定されたオフセットと外部から与えられた角速度との組み合わせからなる。変調は与えられた角速度に影響するが固定されたオフセットには影響しないので、システムはそれらの間を識別し得る。

信号は、入力軸の変調によって異なって作用し、相対的に単純な信号処理は、２つの信号を分離するのに用いられ、ジャイロオフセットエラー又はバイアスの典型的な影響が実質的にないジャイロ出力を生成する。軸の瞬間の方位に対応する変調センサからの信号は、機械式変調の影響を取り除くための処理回路において入力軸復調器と関連して用いられる。

時間変化変調角度θ_mは、一定の角度θ₀と、例えば各周波数ω、時間ｔで正弦波の形で変化する変調振幅との合計として記載され得る。したがって、θ_m＝θ₀＋ｍ ｓｉｎ（ωｔ）となる。ジャイロＧ_xの出力信号Ｓ_xは、外部から与えられる回転Ωのため、以下のように与えられる。
Ｓ_x＝Ωｓｉｎ（θ_m）＝Ωｓｉｎ［θ₀＋ｍｓｉｎ（ωｔ）］

角度の合計の正弦に対して三角関数恒等式を用い、二次及びｍの低次の項を残し、バイアスオフセットＢ_xを追加すると、関係式は以下のようになる。

Ｓ_x＝Ω［ｓｉｎ（θ₀）（１−（１／２）ｍ²ｓｉｎ²（ωｔ））＋ｃｏｓ（θ₀）ｍｓｉｎ（ωｔ）］＋Ｂ_x

固定されたオフセットＢ_xが変調されず、同期式復調が周波数ｆ＝ω／２πでＳ_xについて実行される場合、Ωｍｃｏｓ（θ₀）に比例する項のみが残る。ｍの値は、モジュレータピックオフ信号から既知であるので、ジャイロＧ_xの入力軸に沿って外部から与えられた回転の要素であるΩｃｏｓ（θ₀）の値が決定される。外部から与えられた回転Ωの大きさも既知である場合、方位角θ₀もまた決定される。固定されたバイアスオフセットＢ_xは、ｘ'軸に沿った回転の要素及び与えられた回転に対する相対的な方位の角度の両方に対して、これらの計算に関して排除又はキャンセルされる。

同様の分析がジャイロＧ_y及び出力信号Ｓ_yにあてはまる。外部から与えられた回転の要素はまた、Ｇ_yに対して計算され、この与えられた回転の値が既知である場合、入力回転に対する相対的なＧ_yの方位角が決定される。ジャイロＧ_yの固定されたバイアスＢ_yはまた、ジャイロＧ_xに対する固定されたバイアスと同様の手法でこの方法によってキャンセルされる。

２つのジャイロからの変調された出力を用いて、与えられる回転Ω及び方位角θ₀の両方の値が決定され得る。２つのジャイロの復調される出力信号がＳ_xd及びＳ_ydを指示する場合、Ｓ_xd∝Ωｃｏｓ（θ₀）であるので、
Ｓ_yd∝−Ωｓｉｎ（θ₀）、
Ｓ_xd ²＋Ｓ_yd ²∝Ω²、及び
Ｓ_yd／Ｓ_xd∝−ｔａｎ（θ₀）
である。

図２では、外部の回転はｙ軸について与えられるように示されているが、この方法は、モジュレータの面内の軸について任意の与えられる回転に対して、又は、面の外部の軸についての回転の面内要素に対して有効である。角度θ₀は、その後、与えられる回転の軸からジャイロＧ_yの入力軸への角度として、又は、回転軸からジャイロＧ_xの入力軸への余角（complement of the angle）として解釈される。

図３に示されるように、モジュレータ１２は、自動ゲインコントロール（ＡＧＣ）回路を含む信号発生器１６によって駆動される。変調センサ１３の出力は、コンディショニング回路１７で処理され、コンディショニング回路は、一定レベルに変調の大きさを維持するために信号発生器においてフィードバック信号をＡＧＣ回路に提供する。図２のように、外部から与えられた回転Ωは、２つのジャイロの入力軸の面における軸についてのものである。

２つのジャイロの出力は、一対のモジュレータ１８、１９の入力に与えられ、信号コンディショニング回路１７の出力は、２つのモジュレータに位相参照として与えられる。復調器の出力は、信号Ｓ_xd及びＳ_ydであり、それらから与えられる回転Ωの値及び方位の角度θ₀が決定される。

出力信号Ｓ_x及びＳ_yは、与えられる外部の回転Ωに対応するアナログ出力信号を提供するためにアナログ信号処理回路に与えられ、又は、それらは、デジタルの形態へ変換され、フィルタリング、エラーの補償及び出力のためにデジタル方式で処理される。代替的には、ジャイロ及び信号コンディショニング回路は、デジタル出力を提供し、復調器１８、１９は同様にデジタル方式であり得る。

図４の実施例は、単一のジャイロＧ_yのみが用いられることを除いて図３の実施例と同様であり、信号処理回路１７は、２つの周波数の参照出力を提供する。それらの出力の１つは、ω／２πの周波数を有しており、図３の実施例における復調器に与えられる参照信号に等しい。それは、復調器１８の参照入力に与えられる。他の参照出力は、ω／πの周波数を有しており、復調器１９の参照入力に与えられる。ジャイロＧ_yの出力は、両方の復調器の信号入力に与えられる。

復調器１８は、図３の実施例と同様の手法で動作し、変調の大きさｍに線形比例するｍΩｓｉｎ（θ₀）に比例する出力信号Ｓ_y1dを提供する。復調器１９は、モジュレータの２倍の周波数で動作させ、ｍ²Ωｃｏｓ（θ₀）すなわち変調振幅ｍにおける第２次に比例するジャイロＧ_yの出力を信号Ｓ_y2dに変換する。ｍは信号発生器１６によって制御され既知であるので、２つの復調器からの信号は、与えられる回転Ω及び方位角θ₀の値を決定するために組み合わせて用いられ得る。

もし望むのであれば、図４の実施例は、別個のモジュレータにジャイロを取り付け、図４のような処理回路を用いて各ジャイロの出力を処理することによって複数のジャイロに拡張され得る。

また、機械式フレクシャ又はその類似のものに速度感知要素を取り付けることによってモジュレータをジャイロそれ自体のデザインに組み込むことも可能である。ジャイロ及びフレクシャは、そのときジャイロの輪郭の範囲内にパッケージされる。したがって、図５の実施例では、水晶音叉２１の形態の速度センサは、コイルスプリング２２の形態のモジュレータに取り付けられ、音叉の感応軸がｙ軸に平行であり、モジュレータはｚ軸に平行な軸について振動する。

モジュレータはまた、センサ構造の肝要な部分に作られ、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて水晶又はシリコンウェハから生成されるものなど非常に小さなジャイロ感知要素に特に適している。そのような装置は、したがって、多大な費用又はサイズの増加なしにより高い精度が求められる場合のプリケーションに適している。

モジュレータはその面に垂直な軸について回転する平面構造であるとして説明し例証してきたが、それがそれらの軸の方位の振動を結果として生じる１又は複数のセンサ入力軸の回転を生成する限り、それは他の方法で実装してもよい。

本発明は、地球（earth）の角速度が北方を決定するのに用いられるジャイロコンパシング（gyrocompassing）アプリケーションに利用するのに特に適している。そのようなアプリケーションでは、外部から与えられる回転は、単に地球の自転であり、角度θ₀の決定によりシステムは北方を見つけることができる。システムが局所的に一様である場合、又は、システムの傾斜角が加速度計の利用により既知である場合、緯度はまた、局所的に一様なシステムの水平面においてジャイロによって計測されるアースの速度の要素から決定され得る。変調振幅の影響に対する調整は、システムの校正においてなされ得る。本発明はまた、動的なナビゲーションなどの他の慣性アプリケーションに有用である。

本発明は、多くの重要な特徴及び利点を有している。バイアスオフセットの影響を除去することによって、サイズが相対的に小さい高価でない速度センサ又はジャイロを用いることを可能にするが、そうでない場合、それらの相対的に大きなバイアスオフセットのため使用から除外されるであろう。より小さいなセンサは、より小さなモジュレータと共に用いるのに役立ち、改善された精度を有するコンパクトで比較的安価なシステムを提供する。固定されたバイアスオフセットは、スプリアス回転速度信号を生成することなしに除去又はキャンセルされ、システムはまた、オフセット補償モデルにおいて残存エラーのキャンセルも提供し得る。

前述から、新規で改善された慣性計測システム及び方法が提供されることが明らかである。一定の現在望まれる実施例のみが詳細に述べられている一方で、当業者には、一定の変更及び改変が特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなしになされ得ることは明らかであろう。

本発明に従う速度センサシステムの一実施例の概略的な透視図である。 図１の実施例の上面図である。 図１の実施例においてセンサからの信号を処理するシステムのブロック図である。 本発明を取り込んだ速度センサシステムの別の実施例においてセンサからの信号を処理するシステムのブロック図である。 本発明を取り込んだ速度センサシステムの別の実施例についてのある程度概略的な上面図である。

Claims (20)

1. 慣性計測システムであって、
   計測されることになる回転に従って入力軸について回転する基部と、
   感知する軸についての回転に応答する前記基部によって搬送される角速度センサと、
   変調周波数で振動する方法で前記感知する軸の方位を前記基部に対して相対的に変化させるために前記感知する軸に垂直な軸について前記センサをディザリングするモジュレータと、
   前記変調周波数で前記センサからの信号を復調する手段とを備えた慣性計測システム。
2. 前記モジュレータは前記基部に取り付けられており、前記センサは前記モジュレータに取り付けられている請求項１に記載の慣性計測システム。
3. 前記変調周波数は、数ヘルツから数百ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は、数ミリラジアンから数度のオーダーである請求項１に記載の慣性計測システム。
4. 前記変調周波数は、２０から５００ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は２から５０ミリラジアンのオーダーである請求項１に記載の慣性計測システム。
5. 前記センサからの信号を復調する手段はまた、２倍の変調周波数で前記センサからの信号を復調する手段を含んでいる請求項１に記載の慣性計測システム。
6. 慣性計測方法であって、
   計測されることになる回転に従って入力軸について基部を回転させるステップと、
   感知する軸を有する角速度センサを用いて前記入力軸についての回転を感知するステップと、
   変調周波数で振動する方法で前記基部に対して相対的な前記感知する軸の方位を変化させるために前記感知する軸に垂直な軸について前記センサをディザリングするステップと、
   前記変調周波数で前記センサからの信号を復調するステップとを備えた方法。
7. 前記変調周波数は、数ヘルツから数百ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は、数ミリラジアンから数度のオーダーである請求項６に記載の方法。
8. 前記変調周波数は、２０から５００ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は２から５０ミリラジアンのオーダーである請求項６に記載の方法。
9. 前記変調周波数の２倍で前記センサからの信号を復調するステップを含んでいる請求項６に記載の方法。
10. 慣性計測システムであって、
    計測されることになる回転に従って入力軸について回転させる基部と、
    第１の感知する軸についての回転に応答する前記基部によって搬送される第１の角速度センサと、
    前記第１の感知する軸と共通の平面にある第２の感知する軸についての回転に応答する前記基部によって搬送される第２の角速度センサと、
    変調周波数で振動する方法で前記基部に対して相対的な前記感知する軸の方位を変化させるために、前記感知する軸に垂直な軸について前記センサをディザリングするモジュレータと、
    前記変調周波数で前記センサからの信号を変調する手段とを備えたシステム。
11. 前記モジュレータは前記基部に取り付けられており、前記センサは前記モジュレータに取り付けられている請求項１０に記載の慣性計測システム。
12. 前記第１及び第２の感知する軸は、互いに直交している請求項１０に記載の慣性計測システム。
13. 前記感知する軸の１つは、前記入力軸についてディザリングされる請求項１０に記載の慣性計測システム。
14. 前記変調周波数は、数ヘルツから数百ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は、数ミリラジアンから数度のオーダーである請求項１０に記載の慣性計測システム。
15. 前記変調周波数は、２０から５００ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は２から５０ミリラジアンのオーダーである請求項１０に記載の慣性計測システム。
16. 慣性計測方法であって、
    計測されることになる回転に従って入力軸について基部を回転させるステップと、
    共通の平面に感知する軸を有する一対の角速度センサを用いて前記入力軸についての回転を感知するステップと、
    変調周波数で振動する方法で前記感知する軸の方位を前記基部に対して相対的に変化させるために前記感知する軸に垂直な軸について前記センサをディザリングするステップと、
    前記変調周波数で前記センサからの信号を復調するステップとを備えた方法。
17. 前記感知する軸は、互いに直交している請求項１６に記載の方法。
18. 前記感知する軸の１つは、前記入力軸についてディザリングされる請求項１６に記載の方法。
19. 前記変調周波数は、数ヘルツから数百ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は、数ミリラジアンから数度のオーダーである請求項１６に記載の方法。
20. 前記変調周波数は、２０から５００ヘルツのオーダーであり、ディザリングの振幅は２から５０ミリラジアンのオーダーである請求項１６に記載の方法。

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