JP3392147B2 - 振動構造ジャイロスコープ用デジタル制御システム - Google Patents
振動構造ジャイロスコープ用デジタル制御システムInfo
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- JP3392147B2 JP3392147B2 JP51756799A JP51756799A JP3392147B2 JP 3392147 B2 JP3392147 B2 JP 3392147B2 JP 51756799 A JP51756799 A JP 51756799A JP 51756799 A JP51756799 A JP 51756799A JP 3392147 B2 JP3392147 B2 JP 3392147B2
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- control system
- output signal
- vibrating structure
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、振動構造体と、振動構造体を振動共振状態
にし、それを維持する１次及び２次駆動手段と、振動構
造体の振動を検出する１次及び２次ピックオフ手段とを
有する種類の振動構造ジャイロスコープ用のデジタル制
御システムに関するものである。
にし、それを維持する１次及び２次駆動手段と、振動構
造体の振動を検出する１次及び２次ピックオフ手段とを
有する種類の振動構造ジャイロスコープ用のデジタル制
御システムに関するものである。
背景技術
周知の振動構造ジャイロスコープは、様々の異なる機
械的振動構造体を使用して構成されている。これらは、
ビーム、調整フォーク、シリンダー、半球体シェル及び
リングを含む。これらの周知システムの全てに共通する
特徴は、それらが機械的振動構造体によって決まる固有
振動数に共振キャリヤモード振動を維持しなければなら
ないことである。これにより、ジャイロスコープが適切
な軸周りで回転されるとコリオリの力を生成する線形運
動量が生じる。ジャイロスコープの実構造に依存するコ
リオリの力を測定するために、通常、様々なシステムが
使用される。
械的振動構造体を使用して構成されている。これらは、
ビーム、調整フォーク、シリンダー、半球体シェル及び
リングを含む。これらの周知システムの全てに共通する
特徴は、それらが機械的振動構造体によって決まる固有
振動数に共振キャリヤモード振動を維持しなければなら
ないことである。これにより、ジャイロスコープが適切
な軸周りで回転されるとコリオリの力を生成する線形運
動量が生じる。ジャイロスコープの実構造に依存するコ
リオリの力を測定するために、通常、様々なシステムが
使用される。
シェル状振動構造体３のための典型的な従来のアナロ
グ閉ループ制御システムが、添付図面の第１図に示され
る。このシステムは、２つの理想的に独立したループ、
すなわち振動構造体３からの運動検出器出力として働く
１次ピックオフ手段２と、その構造体３内の振動を起こ
す強制入力として働く１次駆動手段４との間の１次又は
励振ループ１から成る。２次又は減衰ループ５は、２次
ピックオフ手段６と２次駆動手段７との間に提供され
る。この１次ループ１は、１次ピックオフ手段２と１次
駆動手段４との間が90度の位相として規定される振動構
造体３をその固有共振周波数で励振し、実際に結果とし
て得られる振動の振幅である１次ピックオフ手段２での
結果として得られる信号を振幅を制御しなければならな
い。典型的に、位相検出器８は、90度位相関係を決定す
るために使用され、基準レベル10を有する振幅検出器９
は、要求された１次ピックオフ手段振幅を設定するため
に使用される。２次ループ５は、必要なシステム性能を
達成するために高Ｑレート応答の減衰を提供する典型的
な強制フィードバック構成で示される。
グ閉ループ制御システムが、添付図面の第１図に示され
る。このシステムは、２つの理想的に独立したループ、
すなわち振動構造体３からの運動検出器出力として働く
１次ピックオフ手段２と、その構造体３内の振動を起こ
す強制入力として働く１次駆動手段４との間の１次又は
励振ループ１から成る。２次又は減衰ループ５は、２次
ピックオフ手段６と２次駆動手段７との間に提供され
る。この１次ループ１は、１次ピックオフ手段２と１次
駆動手段４との間が90度の位相として規定される振動構
造体３をその固有共振周波数で励振し、実際に結果とし
て得られる振動の振幅である１次ピックオフ手段２での
結果として得られる信号を振幅を制御しなければならな
い。典型的に、位相検出器８は、90度位相関係を決定す
るために使用され、基準レベル10を有する振幅検出器９
は、要求された１次ピックオフ手段振幅を設定するため
に使用される。２次ループ５は、必要なシステム性能を
達成するために高Ｑレート応答の減衰を提供する典型的
な強制フィードバック構成で示される。
第１図の閉ループシステムは、通常アナログシステム
であり、その性能が大いに高Ｑ機械的振動構造体の共振
周波数を正確に追跡し、相対的位相によって、必要なも
のと不要なもの、又はエラー信号を弁別する能力に頼
る。
であり、その性能が大いに高Ｑ機械的振動構造体の共振
周波数を正確に追跡し、相対的位相によって、必要なも
のと不要なもの、又はエラー信号を弁別する能力に頼
る。
実用的なセンサーは、2,000〜20,000の範囲内のＱ因
子で5KHz〜20KHzの範囲内の周波数で動作する。これ
は、これらのジャイロスコープを実施するのに使用され
る電子制御システムの位相精度に厳しい制約を課す。こ
れらのシステムでは、0.5度の位相エラーが大きなバイ
アスエラーになることもあり、その結果として必要とさ
れる仕様が達成できなくなる。
子で5KHz〜20KHzの範囲内の周波数で動作する。これ
は、これらのジャイロスコープを実施するのに使用され
る電子制御システムの位相精度に厳しい制約を課す。こ
れらのシステムでは、0.5度の位相エラーが大きなバイ
アスエラーになることもあり、その結果として必要とさ
れる仕様が達成できなくなる。
従来、これらのセンサーの制御ループは、小規模低費
用システム（すなわち、ASICS）に特定化、設計化及び
集積化するのが極めて困難である精密アナログ電子回路
を用いて実施される。アナログ回路に基づくシステムに
較正や補償を適用するのも困難である。さらに、最新シ
ステムは、センサー出力をデジタルフォーマットで利用
できるようにして、システム集積化を単純にし、性能を
高めるためにさらなる補償が適用されるようにできなけ
ればならない。
用システム（すなわち、ASICS）に特定化、設計化及び
集積化するのが極めて困難である精密アナログ電子回路
を用いて実施される。アナログ回路に基づくシステムに
較正や補償を適用するのも困難である。さらに、最新シ
ステムは、センサー出力をデジタルフォーマットで利用
できるようにして、システム集積化を単純にし、性能を
高めるためにさらなる補償が適用されるようにできなけ
ればならない。
第１図の配置構成において、１次ループ１は、フィル
ター11、電圧制御発振器（VCO）12、利得制御13、及び
増幅器14をも含む。２次ループ５は、増幅器18、フィル
ター15、及び適用された角速度に比例した直流出力信号
17をこれから発する復調器16を含む。
ター11、電圧制御発振器（VCO）12、利得制御13、及び
増幅器14をも含む。２次ループ５は、増幅器18、フィル
ター15、及び適用された角速度に比例した直流出力信号
17をこれから発する復調器16を含む。
故に、ASIC開発、システム集積化を容易にし、より複
雑且つ「ループ内」補償が適用できるようにすることに
より、性能をより高める手段を提供するためにループ
１、５のデジタル電子をベースにして実施する必要性が
ある。残念ながら、20KHzの信号で、0.5度位相分解能は
70ナノ秒の標本抽出（サンプリング）遅延に等しい。こ
れは、所望の精度に帰着させることが求められる任意の
従来型の精密デジタル化及び処理システムに非常に高い
要求を求めることとなる。
雑且つ「ループ内」補償が適用できるようにすることに
より、性能をより高める手段を提供するためにループ
１、５のデジタル電子をベースにして実施する必要性が
ある。残念ながら、20KHzの信号で、0.5度位相分解能は
70ナノ秒の標本抽出（サンプリング）遅延に等しい。こ
れは、所望の精度に帰着させることが求められる任意の
従来型の精密デジタル化及び処理システムに非常に高い
要求を求めることとなる。
従来型被標本抽出データシステムは、デジタル処理を
利用する第２図に示される。第２図の従来型システム
は、１次ピックオフ手段２と２次ピックオフ手段６とか
らの出力信号をそれぞれ標本抽出し、変換するためのア
ナログ／デジタル変換器19を利用する。追加的に提供さ
れるのは、デジタル／アナログ変換器20であり、これら
の変換器19、20は固定周波数水晶発振器21と同期化され
る。この発振器21は、非常に高周波数（14MHz）で動作
し、ジャイロスコープの振動構造体３は、遙かに低い周
波数（20KHz）で動作する。１次ピックオフ手段２及び
２次ピックオフ手段６からの出力は、非常に高周波数で
デジタル変換器19によってデジタル化され、デジタル処
理ユニット22の入力22aに送られてアナログ出力波形の
量子化表示を生成する。これは典型的に、単に0.5度の
分解能に量子化するのにチャンネル毎に70ナノ秒（14MH
z）標本／変換速度を要する。性能を達成するのに位相
調整を十分に分解する重要な追加的処理が必要である。
これは、単に１度／秒を分解するのに典型的に12ビット
である必要な振幅分解能を実現することは困難で、費用
がかさむこととなろう。第２図の従来型のシステムで
は、クロック信号は、発振器21から、22bにおけるユニ
ット22、22cにおけるデータ出力信号及び22dにおけるデ
ジタルレート出力信号に提供される。
利用する第２図に示される。第２図の従来型システム
は、１次ピックオフ手段２と２次ピックオフ手段６とか
らの出力信号をそれぞれ標本抽出し、変換するためのア
ナログ／デジタル変換器19を利用する。追加的に提供さ
れるのは、デジタル／アナログ変換器20であり、これら
の変換器19、20は固定周波数水晶発振器21と同期化され
る。この発振器21は、非常に高周波数（14MHz）で動作
し、ジャイロスコープの振動構造体３は、遙かに低い周
波数（20KHz）で動作する。１次ピックオフ手段２及び
２次ピックオフ手段６からの出力は、非常に高周波数で
デジタル変換器19によってデジタル化され、デジタル処
理ユニット22の入力22aに送られてアナログ出力波形の
量子化表示を生成する。これは典型的に、単に0.5度の
分解能に量子化するのにチャンネル毎に70ナノ秒（14MH
z）標本／変換速度を要する。性能を達成するのに位相
調整を十分に分解する重要な追加的処理が必要である。
これは、単に１度／秒を分解するのに典型的に12ビット
である必要な振幅分解能を実現することは困難で、費用
がかさむこととなろう。第２図の従来型のシステムで
は、クロック信号は、発振器21から、22bにおけるユニ
ット22、22cにおけるデータ出力信号及び22dにおけるデ
ジタルレート出力信号に提供される。
故に、非常に高い標本速度を必要とせず、故に、振動
構造ジャイロ制御システムとしてより適しているデジタ
ル制御システムの必要性がある。
構造ジャイロ制御システムとしてより適しているデジタ
ル制御システムの必要性がある。
発明の開示
本発明の一つの形態によれば、振動構造体と、振動構
造体を振動共振状態にし、それを維持するための１次駆
動手段と、振動構造体の振動を検出する１次ピックオフ
手段とを有する振動構造ジャイロスコープのためのデジ
タル制御システムが提供され、このシステムは、１次ピ
ックオフ手段から出力信号を受信し、受信した信号を処
理し、それらをデジタル／アナログ変換器を介して１次
駆動手段に送るデジタル処理ユニットと、前記出力信号
をデジタル処理ユニットに送る前に選択した時間間隔で
標本抽出（サンプリング）する手段と、間隔を標本抽出
する標本抽出手段を制御するデジタル処理ユニットに接
続され、その制御下にある可変周波数発振器とを含む。
造体を振動共振状態にし、それを維持するための１次駆
動手段と、振動構造体の振動を検出する１次ピックオフ
手段とを有する振動構造ジャイロスコープのためのデジ
タル制御システムが提供され、このシステムは、１次ピ
ックオフ手段から出力信号を受信し、受信した信号を処
理し、それらをデジタル／アナログ変換器を介して１次
駆動手段に送るデジタル処理ユニットと、前記出力信号
をデジタル処理ユニットに送る前に選択した時間間隔で
標本抽出（サンプリング）する手段と、間隔を標本抽出
する標本抽出手段を制御するデジタル処理ユニットに接
続され、その制御下にある可変周波数発振器とを含む。
好ましくは、このデジタル制御システムは、振動構造
体を振動共振状態にし、それを維持するための２次駆動
手段と、振動構造体の振動を検出するための２次ピック
オフ手段とを含む。
体を振動共振状態にし、それを維持するための２次駆動
手段と、振動構造体の振動を検出するための２次ピック
オフ手段とを含む。
都合良く、デジタル処理ユニットは、１次ピックオフ
手段からデジタル処理ユニットで受けた出力信号に基づ
く振動構造体の共振周波数の倍数に可変周波数発振器の
周波数を調整するように動作可能である。
手段からデジタル処理ユニットで受けた出力信号に基づ
く振動構造体の共振周波数の倍数に可変周波数発振器の
周波数を調整するように動作可能である。
有利に、可変周波数発振器は、デジタル処理ユニット
内のループ濾波及び制御手段を１次及び２次ピックオフ
手段からの出力信号を受けるために接続された１つ以上
のアナログ／デジタル変換器から受けた出力信号と同期
させるためのプロセッサ割り込み信号を発生させるよう
に動作可能であり、その１つ以上のアナログ／デジタル
変換器は、前記出力信号をデジタル処理ユニットに送る
前に選択した時間間隔で標本抽出するための手段の一部
を形成する。
内のループ濾波及び制御手段を１次及び２次ピックオフ
手段からの出力信号を受けるために接続された１つ以上
のアナログ／デジタル変換器から受けた出力信号と同期
させるためのプロセッサ割り込み信号を発生させるよう
に動作可能であり、その１つ以上のアナログ／デジタル
変換器は、前記出力信号をデジタル処理ユニットに送る
前に選択した時間間隔で標本抽出するための手段の一部
を形成する。
好ましくは、デジタル制御システムは、２つのアナロ
グ／デジタル変換器を含み、可変周波数発振器は、１次
及び２次ピックオフ手段からアナログ／デジタル変換器
への出力信号の1/4サイクル毎の１次及び２次ピックオ
フ出力信号の標本抽出を確実に行うために、振動構造体
の固有共振周波数の実質的に４倍で動作するように構成
される。
グ／デジタル変換器を含み、可変周波数発振器は、１次
及び２次ピックオフ手段からアナログ／デジタル変換器
への出力信号の1/4サイクル毎の１次及び２次ピックオ
フ出力信号の標本抽出を確実に行うために、振動構造体
の固有共振周波数の実質的に４倍で動作するように構成
される。
都合良く、この標本抽出手段は、１次及び２次ピック
オフ手段からの出力信号チャネル毎に２つ以上の標本及
び保持装置を含み、標本のインターリービングを提供す
る。
オフ手段からの出力信号チャネル毎に２つ以上の標本及
び保持装置を含み、標本のインターリービングを提供す
る。
デジタル制御システムは、各1/4サイクル後にアナロ
グ／デジタル変換器又は複数の変換器からデータを受け
取り、そのデータを格納するためのデータバッファを有
利に含み、デジタル処理ユニットが１次及び２次ピック
オフ手段出力信号波形の完全サイクルにわたってそのバ
ッファからデータを受けることができるようにする。
グ／デジタル変換器又は複数の変換器からデータを受け
取り、そのデータを格納するためのデータバッファを有
利に含み、デジタル処理ユニットが１次及び２次ピック
オフ手段出力信号波形の完全サイクルにわたってそのバ
ッファからデータを受けることができるようにする。
好ましくは、デジタル／アナログ変換器は、１次及び
２次駆動手段に送るための駆動波形を発生して、振動構
造体を振動共振状態に励振し、そのデジタル／アナログ
変換器が可変周波数発振器出力と同期がとられる。
２次駆動手段に送るための駆動波形を発生して、振動構
造体を振動共振状態に励振し、そのデジタル／アナログ
変換器が可変周波数発振器出力と同期がとられる。
好ましくは、前記出力信号をデータ処理ユニットに送
る前に選択した時間間隔で標本抽出するための手段は、
１次及び２次ピックオフ手段から出力信号を受けて標本
期間中に出力信号波形を総和するように配置された２つ
以上のシグマデルタアナログ／デジタル変換器を含む。
る前に選択した時間間隔で標本抽出するための手段は、
１次及び２次ピックオフ手段から出力信号を受けて標本
期間中に出力信号波形を総和するように配置された２つ
以上のシグマデルタアナログ／デジタル変換器を含む。
本発明の別の形態によれば、本発明によるデジタル制
御システムを有する振動構造ジャイロスコープが提供さ
れる。
御システムを有する振動構造ジャイロスコープが提供さ
れる。
図面の簡単な説明
本発明の理解をより深め、本発明がどのように実施さ
れるかを示すために、例として、添付図面を参照して以
下説明する。
れるかを示すために、例として、添付図面を参照して以
下説明する。
第１図は、振動構造ジャイロスコープのための本発明
によらない従来型のアナログ制御システムの概略ブロッ
ク図である。
によらない従来型のアナログ制御システムの概略ブロッ
ク図である。
第２図は、振動構造ジャイロスコープのための本発明
によらない従来型のデジタル標本抽出システムのブロッ
ク図である。
によらない従来型のデジタル標本抽出システムのブロッ
ク図である。
第３図は、本発明の第１の実施の形態によるデジタル
制御システムの一般化したブロック図である。
制御システムの一般化したブロック図である。
第４図は、第３図の本発明によるデジタル制御システ
ムの詳細な概略線図である。
ムの詳細な概略線図である。
第５図は、第３図及び第４図のシステムの標本及び変
換シーケンスを示す図である。
換シーケンスを示す図である。
第６図は、駆動ループに対して第３図及び第４図に示
されるように本発明の制御システムのデータ及び変換シ
ーケンスを示す図である。
されるように本発明の制御システムのデータ及び変換シ
ーケンスを示す図である。
第７図は、本発明による第３図及び第４図の制御シス
テムの全体の標本／処理、駆動サイクルを線図で示す。
テムの全体の標本／処理、駆動サイクルを線図で示す。
第８図は、本発明の第２の実施の形態によるデジタル
制御システムのブロック図である。
制御システムのブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の第１の実施の形態によるデジタル制御システ
ムは、添付図面の第３図にブロック図で示される。都合
により、これや他の実施の形態のシステムは、閉ループ
システムで示されるが、本発明は、２次駆動又はピック
オフ手段を必要としない開ループシステムにも同じよう
に適用可能であることは理解されよう。第３図の線図
が、第２図との関連で先に議論された項目を含む限り、
同一部分には同一参照番号を付し、詳細についての説明
は省略する。但し、第３図に示されるように本発明の実
施の形態では、出力信号をデジタル処理ユニット22に送
る前に選択した時間間隔で標本抽出する手段が提供され
る。これは、間隔を標本抽出する標本抽出手段を制御す
るための24におけるデジタル処理ユニット22に接続さ
れ、その制御下にある可変周波数発振器23を含んでい
る。
ムは、添付図面の第３図にブロック図で示される。都合
により、これや他の実施の形態のシステムは、閉ループ
システムで示されるが、本発明は、２次駆動又はピック
オフ手段を必要としない開ループシステムにも同じよう
に適用可能であることは理解されよう。第３図の線図
が、第２図との関連で先に議論された項目を含む限り、
同一部分には同一参照番号を付し、詳細についての説明
は省略する。但し、第３図に示されるように本発明の実
施の形態では、出力信号をデジタル処理ユニット22に送
る前に選択した時間間隔で標本抽出する手段が提供され
る。これは、間隔を標本抽出する標本抽出手段を制御す
るための24におけるデジタル処理ユニット22に接続さ
れ、その制御下にある可変周波数発振器23を含んでい
る。
発振器23は、１次ピックオフ手段２からユニット22に
よって受けた出力信号に基づく振動構造体３の共振周波
数と一致させるために発振器23の周波数を調整するよう
に動作可能であるデジタル処理ユニット22から24におい
て受けたデジタル制御ワードによってその周波数が調整
される能力を有する。振動構造体３の共振周波数は、典
型的に20KHzであろう。デジタル制御は、非常に高度の
分解能に対して共振構造体の周波数の好都合な倍数に、
都合良く80khzに、発振器23の周波数を調整するために
使用される。制御ワードは、１次ピックオフ手段２に存
在する信号に基づくデジタル処理ユニット22内のループ
濾波アルゴリズムによって決定されよう。
よって受けた出力信号に基づく振動構造体３の共振周波
数と一致させるために発振器23の周波数を調整するよう
に動作可能であるデジタル処理ユニット22から24におい
て受けたデジタル制御ワードによってその周波数が調整
される能力を有する。振動構造体３の共振周波数は、典
型的に20KHzであろう。デジタル制御は、非常に高度の
分解能に対して共振構造体の周波数の好都合な倍数に、
都合良く80khzに、発振器23の周波数を調整するために
使用される。制御ワードは、１次ピックオフ手段２に存
在する信号に基づくデジタル処理ユニット22内のループ
濾波アルゴリズムによって決定されよう。
アナログ／デジタル変換器19通過後の１次ピックオフ
手段２と２次ピックオフ手段６とからの信号は、ユニッ
ト22の80khzの入力25で受ける。標本抽出及び変換サイ
クルのタイミングは、可変周波数発振器23によって完全
に制御され、この発振器23は、80khzでプロセッサ割り
込み信号26を発生して、処理ユニット22内のループ濾波
及び制御アルゴリズムがアナログ／デジタル変換器19か
らの出力データと同期がとれるようにするためにも使用
される。
手段２と２次ピックオフ手段６とからの信号は、ユニッ
ト22の80khzの入力25で受ける。標本抽出及び変換サイ
クルのタイミングは、可変周波数発振器23によって完全
に制御され、この発振器23は、80khzでプロセッサ割り
込み信号26を発生して、処理ユニット22内のループ濾波
及び制御アルゴリズムがアナログ／デジタル変換器19か
らの出力データと同期がとれるようにするためにも使用
される。
可変周波数発振器23は通常、振動構造体ジャイロ固有
共振周波数の４倍で、入力信号の1/4サイクル毎の標本
抽出ができるように動作可能である。これは、適当な標
本を合計し、差分することによって１次ピックオフ手段
２と２次ピックオフ手段６とからの入力信号の相対的位
相を演算できるようにする。同様に、振幅構造体１次駆
動手段４と２次駆動手段７とを励振させる駆動波形は、
振動周波数発振器23からの出力と同期がとられるデジタ
ル／アナログ変換器20によって発生される。1/4サイク
ル毎の振幅は、22cにおけるユニット22からのデジタル
制御ワードによって設定される。これは、任意の相対的
位相の駆動波形を振動構造体３に適用できるようにす
る。この実施の形態で、標本／変換時間は、80KHzに匹
敵する4/20KHzほどの低さであっても良い。これは、従
来のシステムで要求される14MHzよりも遙かに低く、モ
ノリシック集積回路により容易に集積できる単純で低コ
ストの精密アナログ／デジタル変換器が使用できるよう
になる。
共振周波数の４倍で、入力信号の1/4サイクル毎の標本
抽出ができるように動作可能である。これは、適当な標
本を合計し、差分することによって１次ピックオフ手段
２と２次ピックオフ手段６とからの入力信号の相対的位
相を演算できるようにする。同様に、振幅構造体１次駆
動手段４と２次駆動手段７とを励振させる駆動波形は、
振動周波数発振器23からの出力と同期がとられるデジタ
ル／アナログ変換器20によって発生される。1/4サイク
ル毎の振幅は、22cにおけるユニット22からのデジタル
制御ワードによって設定される。これは、任意の相対的
位相の駆動波形を振動構造体３に適用できるようにす
る。この実施の形態で、標本／変換時間は、80KHzに匹
敵する4/20KHzほどの低さであっても良い。これは、従
来のシステムで要求される14MHzよりも遙かに低く、モ
ノリシック集積回路により容易に集積できる単純で低コ
ストの精密アナログ／デジタル変換器が使用できるよう
になる。
添付図面の第４図は、第３図のブロック図の実施をよ
り詳細に示す。第４図における、標本／変換又はアナロ
グ／デジタル変換器19は、手段２又は６から受けた入力
波形の各1/4サイクル（80KHz）の信号を標本抽出又は総
和するように配置される。２つの標本及び保持装置27
は、手段２及び手段６からの各チャネル、すなわち各出
力チャネルに必要となり、合計４つの装置27となる。チ
ャネル当たり２つの装置により、標本のインターリービ
ングを情報の損失もなく確実に行うことができるように
なる。マルチプレクサー28は、関連した２つの標本及び
保持装置27からの出力を受けて、変換のための適当な1/
4サイクルの標本を選択するように各チャネル内に包含
される。故に、各チャネルは、変換を実行するために１
つのアナログ／デジタル変換器29を含む。
り詳細に示す。第４図における、標本／変換又はアナロ
グ／デジタル変換器19は、手段２又は６から受けた入力
波形の各1/4サイクル（80KHz）の信号を標本抽出又は総
和するように配置される。２つの標本及び保持装置27
は、手段２及び手段６からの各チャネル、すなわち各出
力チャネルに必要となり、合計４つの装置27となる。チ
ャネル当たり２つの装置により、標本のインターリービ
ングを情報の損失もなく確実に行うことができるように
なる。マルチプレクサー28は、関連した２つの標本及び
保持装置27からの出力を受けて、変換のための適当な1/
4サイクルの標本を選択するように各チャネル内に包含
される。故に、各チャネルは、変換を実行するために１
つのアナログ／デジタル変換器29を含む。
第４図の実施の形態において、可変周波数発振器は、
割り込み部26に20KHzの出力信号と、標本及び保持装置2
7のバンクに30において80KHzの出力信号とを提供する。
ユニット22への25におけるデータ入力は、20KHzであ
り、ユニット22に通過する前に受容された1/4サイクル
（80KHz）データを格納するバッファ31を介して受容さ
れる。データは、20KHzで22cから出力され、バッファ31
aに格納され、そこで発振器23（80KHz）の制御下で1/4
サイクル毎の値が読み取られ、デジタル／アナログ変換
器20に適用される。
割り込み部26に20KHzの出力信号と、標本及び保持装置2
7のバンクに30において80KHzの出力信号とを提供する。
ユニット22への25におけるデータ入力は、20KHzであ
り、ユニット22に通過する前に受容された1/4サイクル
（80KHz）データを格納するバッファ31を介して受容さ
れる。データは、20KHzで22cから出力され、バッファ31
aに格納され、そこで発振器23（80KHz）の制御下で1/4
サイクル毎の値が読み取られ、デジタル／アナログ変換
器20に適用される。
添付図面の第５図は、第４図に示されたシステムの標
本及び変換シーケンスを示す。明快にするために１次ピ
ックオフ手段２からの１つのピックオフ出力信号しか示
されていないが、同一のシーケンスが２次ピックオフ手
段６にも適用されるものである。２次ピックオフ手段６
からの出力信号は、32における入力波形として示され
る。第５図では、33に示されるように１次ピックオフ手
段に接続された対の２つの標本及び保持装置27の最初の
１つが、可変周波数発振器23によって制御されているそ
のタイミングでP1における入力波形32の第１の1/4サイ
クルを標本抽出する。１次ピックオフ手段２に接続され
た２つの標本及び保持装置27の２番目が、34に示される
ように入力波形32の第２の1/4サイクルP2を標本抽出
し、その時間中に、１次ピックオフ手段２に接続された
第１及び第２の標本及び保持装置にマルチプレクサ28を
介して接続されたアナログ／デジタル変換器29は、35に
示されるように第１の標本及び保持装置27で保持された
アナログ電圧、すなわちP1を変換する。
本及び変換シーケンスを示す。明快にするために１次ピ
ックオフ手段２からの１つのピックオフ出力信号しか示
されていないが、同一のシーケンスが２次ピックオフ手
段６にも適用されるものである。２次ピックオフ手段６
からの出力信号は、32における入力波形として示され
る。第５図では、33に示されるように１次ピックオフ手
段に接続された対の２つの標本及び保持装置27の最初の
１つが、可変周波数発振器23によって制御されているそ
のタイミングでP1における入力波形32の第１の1/4サイ
クルを標本抽出する。１次ピックオフ手段２に接続され
た２つの標本及び保持装置27の２番目が、34に示される
ように入力波形32の第２の1/4サイクルP2を標本抽出
し、その時間中に、１次ピックオフ手段２に接続された
第１及び第２の標本及び保持装置にマルチプレクサ28を
介して接続されたアナログ／デジタル変換器29は、35に
示されるように第１の標本及び保持装置27で保持された
アナログ電圧、すなわちP1を変換する。
変換の結果は、この期間の終わりにデジタル処理ユニ
ット22で利用できるようにされる。第３の1/4サイクル
中、１次ピックオフ手段２に接続された標本及び保持装
置21の最初の１つがP3における入力波形32を再び標本抽
出し、その間にアナログ／デジタル変換器29の最初の１
つが１次ピックオフ手段２に接続された第２の標本及び
保持装置27で保持された信号、すなわちP2を変換する。
ット22で利用できるようにされる。第３の1/4サイクル
中、１次ピックオフ手段２に接続された標本及び保持装
置21の最初の１つがP3における入力波形32を再び標本抽
出し、その間にアナログ／デジタル変換器29の最初の１
つが１次ピックオフ手段２に接続された第２の標本及び
保持装置27で保持された信号、すなわちP2を変換する。
同様に、第４の1/4サイクル中、第２の標本及び保持
装置27が、P4における入力波形を再び標本抽出し、その
間に第１のアナログ／デジタル変換器29がP3における標
本及び保持装置の最初の１つで保持された信号を変換す
る。最後の標本P4は、新期間の第１サイクルを形成する
第５の1/4サイクル中に変換され、その間にP1が新シー
ケンスの始めにおいて第１の標本及び保持装置27によっ
て再び標本抽出される。
装置27が、P4における入力波形を再び標本抽出し、その
間に第１のアナログ／デジタル変換器29がP3における標
本及び保持装置の最初の１つで保持された信号を変換す
る。最後の標本P4は、新期間の第１サイクルを形成する
第５の1/4サイクル中に変換され、その間にP1が新シー
ケンスの始めにおいて第１の標本及び保持装置27によっ
て再び標本抽出される。
データは、各1/4サイクル80KHz後に第１のアナログ／
デジタル変換器29から利用できるが、バッファ（FIFO）
31内に格納されて第５図の36に示されるように処理ユニ
ット22が入力波形の完全サイクルで動作できるようにす
る。データは、故に、可変周波数発振器23によって発生
された26における割り込みの制御の下で20KHz、10KHz、
5KHzなど、より低速度でユニット22によって読み取られ
る。
デジタル変換器29から利用できるが、バッファ（FIFO）
31内に格納されて第５図の36に示されるように処理ユニ
ット22が入力波形の完全サイクルで動作できるようにす
る。データは、故に、可変周波数発振器23によって発生
された26における割り込みの制御の下で20KHz、10KHz、
5KHzなど、より低速度でユニット22によって読み取られ
る。
同様の手順が１次及び２次駆動手段４、７に使用さ
れ、それにより典型的に正弦波又は方形波である駆動波
形が、可変周波数発振器23の出力と同期がとられたデジ
タル／アナログ変換器20のどれか１つによって発生され
る。波形の1/4サイクル毎の適用された駆動波形の振幅
は、デジタル処理ユニット22からのデジタルワードによ
って設定される。1/4サイクル毎に適当な値を演算する
ことによって、任意の相対的位相の駆動波形が合成でき
る。
れ、それにより典型的に正弦波又は方形波である駆動波
形が、可変周波数発振器23の出力と同期がとられたデジ
タル／アナログ変換器20のどれか１つによって発生され
る。波形の1/4サイクル毎の適用された駆動波形の振幅
は、デジタル処理ユニット22からのデジタルワードによ
って設定される。1/4サイクル毎に適当な値を演算する
ことによって、任意の相対的位相の駆動波形が合成でき
る。
第６図は、第４図の実施の形態で示されたシステムの
駆動シーケンスのデータ及び変換順序進行を示す。明快
にするために１次駆動手段４の１つの駆動出力信号しか
37で示されていないが、同一のシーケンスが２次駆動手
段７にも適用される。1/4サイクル毎のデータは、先の
割り込み中にデジタル処理ユニット22によって演算さ
れ、第６図の38で示されるように、デジタル／アナログ
変換器20と関連したバッファ31a内に格納される。各デ
ータ値は、実効又は同相分39と直角位相分、又は異相分
40との和から成る。実効成分値39は、第３及び第４の1/
4サイクル中に否定されるので同相周期的波形が発生さ
れる。同様に直角異相分40は、第１及び第４の1/4サイ
クル中に否定されるので周期的波形を遅延する異相が生
成される。デジタル／アナログ変換器20の出力は、故
に、信号のいかなる位相及び大きさも１次駆動手段４又
は２次駆動手段７に対して生成できるようにするこれら
の２つの可能性のある波形の和となる。
駆動シーケンスのデータ及び変換順序進行を示す。明快
にするために１次駆動手段４の１つの駆動出力信号しか
37で示されていないが、同一のシーケンスが２次駆動手
段７にも適用される。1/4サイクル毎のデータは、先の
割り込み中にデジタル処理ユニット22によって演算さ
れ、第６図の38で示されるように、デジタル／アナログ
変換器20と関連したバッファ31a内に格納される。各デ
ータ値は、実効又は同相分39と直角位相分、又は異相分
40との和から成る。実効成分値39は、第３及び第４の1/
4サイクル中に否定されるので同相周期的波形が発生さ
れる。同様に直角異相分40は、第１及び第４の1/4サイ
クル中に否定されるので周期的波形を遅延する異相が生
成される。デジタル／アナログ変換器20の出力は、故
に、信号のいかなる位相及び大きさも１次駆動手段４又
は２次駆動手段７に対して生成できるようにするこれら
の２つの可能性のある波形の和となる。
全体の標本／処理／駆動サイクルは、添付図面の第７
図に示される。第７図では、１次ピックオフ手段２及び
２次ピックオフ手段６からの入力波形41の第１サイクル
に対するデータは、可変周波数発振器23によって標本抽
出され、入力波形41の第２サイクル中の処理に利用でき
る。デジタル処理／濾波は、20KHz以下の適当なフレー
ム速度で実行され、1/4サイクル毎の出力又は駆動デー
タは、42に示されるように各フレームの終わりにデジタ
ル／アナログ変換器レジスタに書き込まれる。１次駆動
手段４及び２次駆動手段７の駆動波形を発生するために
順序進行するデジタル／アナログ変換器は、可変周波数
発振器23によって同様に制御される。
図に示される。第７図では、１次ピックオフ手段２及び
２次ピックオフ手段６からの入力波形41の第１サイクル
に対するデータは、可変周波数発振器23によって標本抽
出され、入力波形41の第２サイクル中の処理に利用でき
る。デジタル処理／濾波は、20KHz以下の適当なフレー
ム速度で実行され、1/4サイクル毎の出力又は駆動デー
タは、42に示されるように各フレームの終わりにデジタ
ル／アナログ変換器レジスタに書き込まれる。１次駆動
手段４及び２次駆動手段７の駆動波形を発生するために
順序進行するデジタル／アナログ変換器は、可変周波数
発振器23によって同様に制御される。
１次ピックオフ手段２及び２次ピックオフ手段６から
の入力信号と、１次駆動手段４及び２次駆動手段７への
駆動信号との周波数及び相対的位相調整は、故に、処理
ユニット22のクロック要素に関係なく正確に規定され、
制御される。これは、システムからの出力に実質的に影
響を及ぼすことなく処理フレームが省略又は拡張される
ことができるようにすることによってシステムをフォル
トトレラントにできる。このフレーム速度は、有効処理
力に一致するように選ばれる又は低減できる。
の入力信号と、１次駆動手段４及び２次駆動手段７への
駆動信号との周波数及び相対的位相調整は、故に、処理
ユニット22のクロック要素に関係なく正確に規定され、
制御される。これは、システムからの出力に実質的に影
響を及ぼすことなく処理フレームが省略又は拡張される
ことができるようにすることによってシステムをフォル
トトレラントにできる。このフレーム速度は、有効処理
力に一致するように選ばれる又は低減できる。
可変周波数発振器23は、振動構造体３の周波数を正確
に追跡できるようにするために微細分解能周波数に調整
されなければならない。これは、適当に広い制御ワード
で、又は代わりに周波数調整の高めた分解能を、又は並
列制御ワードの低減した分解能を与えるために時間の経
過と共に平均化することによって達成されても良い。
に追跡できるようにするために微細分解能周波数に調整
されなければならない。これは、適当に広い制御ワード
で、又は代わりに周波数調整の高めた分解能を、又は並
列制御ワードの低減した分解能を与えるために時間の経
過と共に平均化することによって達成されても良い。
高度の雑音排除を提供するために、標本期間にわたって
入力波形を平均化又は総和する標本及び保持装置を使用
することが好ましい。添付の図面の第８図に示されるよ
うな例では、２つのシグマ／デルタアナログ／デジタル
変換器42を採用でき、１次ピックオフ手段２からの出力
ラインに１つ、２次ピックオフ手段６からの出力ライン
に１つが位置する。このように利用すると、標本及び保
持装置の必要性が排除され、可変周波数発振器23によっ
て設定される総和期間を変換器42内の加算器を読み取
り、リセットすることによって簡単にデジタル制御でき
るようになる。処理速度は、ユニットか22からの有効処
理力の範囲内で、本発明のシステムに適合したジャイロ
スコープの要求される動的性能を最適化するように選択
される。
入力波形を平均化又は総和する標本及び保持装置を使用
することが好ましい。添付の図面の第８図に示されるよ
うな例では、２つのシグマ／デルタアナログ／デジタル
変換器42を採用でき、１次ピックオフ手段２からの出力
ラインに１つ、２次ピックオフ手段６からの出力ライン
に１つが位置する。このように利用すると、標本及び保
持装置の必要性が排除され、可変周波数発振器23によっ
て設定される総和期間を変換器42内の加算器を読み取
り、リセットすることによって簡単にデジタル制御でき
るようになる。処理速度は、ユニットか22からの有効処
理力の範囲内で、本発明のシステムに適合したジャイロ
スコープの要求される動的性能を最適化するように選択
される。
フロントページの続き
(72)発明者 タウンセンド，ケビン
イギリス国 デボンシヤー ピーエル６
６デイイー，プリマウス，サウスウエ
イ，クリツタフオード ロード，ブリテ
ツシユ エアロスペース（システムズ
アンド イクイプメント）リミテツド内
(56)参考文献 特開 平９−14969（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−105747（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−227120（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−170152（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−252016（ＪＰ，Ａ)
国際公開95／14212（ＷＯ，Ａ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01C 19/56
G01P 9/04
Claims (8)
- 【請求項１】振動構造体と、前記振動構造体を振動共振
状態にしかつ維持する１次駆動手段と、前記振動構造体
の振動を検出する１次ピックオフ手段とを有する振動構
造ジャイロスコープのデジタル制御システムであって、
前記１次ピックオフ手段からの出力信号を受け、受けた
信号を処理し、それらをデジタル／アナログ変換器を介
して前記１次駆動手段に送るデジタル処理ユニットと、
前記出力信号を前記デジタルユニットに送る前に選択し
た時間間隔で標本抽出する手段と、間隔を標本抽出する
前記標本抽出手段を制御するための前記デジタル処理ユ
ニットに接続され、その制御下にある可変周波数発振器
とを具備し、前記振動構造体を振動共振状態にしかつ維
持するための２次駆動手段と、前記振動構造体の振動を
検出する第２ピックオフ手段とを具備し、前記デジタル
／アナログ変換器が、前記１次及び２次駆動手段に送る
ための駆動波形を発生して前記振動構造体を振動共振状
態に励振し、前記デジタル／アナログ変換器が前記可変
周波数発振器出力と同期がとられることを特徴とする振
動構造ジャイロスコープのデジタル制御システム。 - 【請求項２】前記デジタル処理ユニットが、前記可変周
波数発振器の周波数を、前記１次ピックオフ手段から前
記デジタル処理ユニットによって受けた前記出力信号に
基づく前記振動構造体の前記共振周波数の倍数に調整す
るように動作可能である請求の範囲第１項に記載のデジ
タル制御システム。 - 【請求項３】前記可変周波数発振器が、前記１次及び２
次ピックオフ手段からの前記出力信号を受けるように接
続された１つ以上のアナログ／デジタル変換器から受け
た前記出力信号と前記デジタル処理ユニット内のループ
濾波及び制御手段を同期させるためのプロセッサ割り込
み信号を発生するように動作可能であり、前記１つ以上
のアナログ／デジタル変換器が、前記出力信号を前記デ
ジタル処理ユニットに送る前に選択した時間間隔で標本
抽出するための手段の一部を形成する請求の範囲第１項
に記載のデジタル制御システム。 - 【請求項４】２つのアナログ／デジタル変換器を含み、
前記可変周波数発振器が、前記１次及び２次ピックオフ
手段から前記アナログ／デジタル変換器への前記出力信
号の各1/4サイクルにわたって前記１次及び２次ピック
オフ手段出力信号の標本抽出を確実に行うために前記振
動構造体の固有共振周波数の実質的に４倍で動作するよ
うに配置される請求の範囲第３項に記載のデジタル制御
システム。 - 【請求項５】前記標本抽出手段が、前記標本のインター
リービングを提供するために前記１次及び２次ピックオ
フ手段からの出力信号チャネル毎に２つ以上の標本及び
保持装置を含む、請求の範囲第３項又は第４項に記載の
デジタル制御システム。 - 【請求項６】各1/4サイクル後に前記アナログ／デジタ
ル変換器又は複数の変換器からデータを受け、そのデー
タを格納するためのデータバッファを含み、前記デジタ
ル処理ユニットが前記１次及び２次ピックオフ手段出力
信号波形の完全サイクルにわたって前記バッファからデ
ータを受けることができるようにした請求の範囲第５項
に記載のデジタル制御システム。 - 【請求項７】前記出力信号を前記データ処理ユニットに
送る前に選択した時間間隔で標本抽出するための前記手
段が、前記１次及び２次ピックオフ手段からの前記出力
信号を受けて前記標本期間にわたって前記出力信号波形
を総和するように配置された２つ以上のシグマデルタア
ナログ／デジタル変換器を含む請求の範囲第１項に記載
のデジタル制御システム。 - 【請求項８】請求の範囲第１〜７項のいずれか１項に記
載のデジタル制御システムを有する振動構造ジャイロス
コープ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9719767A GB2329471B (en) | 1997-09-18 | 1997-09-18 | A digital control system for a vibrating structure gyroscope |
| GB9719767.7 | 1997-09-18 | ||
| PCT/GB1998/002819 WO1999014557A1 (en) | 1997-09-18 | 1998-09-17 | A digital control system for a vibrating structure gyroscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000513452A JP2000513452A (ja) | 2000-10-10 |
| JP3392147B2 true JP3392147B2 (ja) | 2003-03-31 |
Family
ID=10819211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51756799A Expired - Lifetime JP3392147B2 (ja) | 1997-09-18 | 1998-09-17 | 振動構造ジャイロスコープ用デジタル制御システム |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6276204B1 (ja) |
| EP (1) | EP1015849B1 (ja) |
| JP (1) | JP3392147B2 (ja) |
| KR (1) | KR100444805B1 (ja) |
| AT (1) | ATE210277T1 (ja) |
| AU (1) | AU729551B2 (ja) |
| CA (1) | CA2297090C (ja) |
| DE (1) | DE69802825T2 (ja) |
| DK (1) | DK1015849T3 (ja) |
| ES (1) | ES2164457T3 (ja) |
| GB (1) | GB2329471B (ja) |
| NO (1) | NO315062B1 (ja) |
| WO (1) | WO1999014557A1 (ja) |
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| GB0227084D0 (en) * | 2002-11-20 | 2002-12-24 | Bae Systems Plc | Method and apparatus for measuring scalefactor variation in a vibrating structure gyroscope |
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| DE602005018322D1 (de) * | 2004-02-04 | 2010-01-28 | Atlantic Inertial Systems Ltd | Verfahren zur verringerung des vorspannungsfehlers in einem kreisel mit vibrierender struktur |
| US7464590B1 (en) | 2004-03-12 | 2008-12-16 | Thomson Licensing | Digitally programmable bandwidth for vibratory rate gyroscope |
| EP1624285B1 (en) | 2004-08-03 | 2014-07-23 | STMicroelectronics Srl | Resonant micro-electro-mechanical system and gyroscope |
| EP1624286B1 (en) | 2004-08-03 | 2017-10-04 | STMicroelectronics Srl | Micro-electro-mechanical sensor with force feedback loop |
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| JP5245246B2 (ja) * | 2006-11-22 | 2013-07-24 | パナソニック株式会社 | 慣性力センサ |
| JP5245247B2 (ja) * | 2006-11-22 | 2013-07-24 | パナソニック株式会社 | 慣性力センサ |
| DE102006055589B4 (de) * | 2006-11-24 | 2012-07-19 | Infineon Technologies Ag | Messvorrichtung und Messgrößensensor mit gekoppelter Verarbeitungs- und Anregungsfrequenz |
| JP4576441B2 (ja) * | 2008-03-21 | 2010-11-10 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 角速度センサ |
| JP4836985B2 (ja) * | 2008-04-04 | 2011-12-14 | パナソニック株式会社 | 物理量検出回路 |
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| KR101513352B1 (ko) * | 2013-07-22 | 2015-04-17 | 삼성전기주식회사 | 관성센서의 구동장치 및 그 제어방법 |
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| KR102620806B1 (ko) * | 2021-09-17 | 2024-01-04 | 울산과학기술원 | 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법 |
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