JP4188916B2 - コリオリの角速度計のゼロ点エラー（Ｎｕｌｌｐｕｎｋｔｆｅｈｌｅｒｓ）の決定方法、および、このような方法を用いたコリオリの角速度計 - Google Patents

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決定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、複数の単一振動が重畳したものである。質点系のこれらの単一振動は、最初は相互に独立しており、それぞれをまとめて「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、以下の文章では、「励起振動」（Anregungsschwingung）と呼ぶ。他方の共振器（第２共振器）を、振動ジャイロを動かす／回転させる場合だけ、励起して振動させる。従って、このとき、コリオリの力が生じる。これらのコリオリの力は、第１共振器を、第２共振器と連結し、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転送する。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、読み取り信号タップオフ信号）を調べて、コリオリの角速度計の回転指標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（Open-Loop-Systern）としても、閉ループ系（Closed-Loop-System）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。この質点系を、以下の文章では、「共振器」とも呼ぶ。この呼び方は、「本当の」共振器の個々の振動を示す上述の抽象的な「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を、２つの「共振器」（第１共振器３と第２共振器４）を含むシステムとみなせる。第１および第２共振器３、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）で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（Tiefpassfilter）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２変調器１８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３変調器２２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、上記供給された信号成分から、合計周波数を除去する。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の出力信号を、周波数制御器９へ入力する。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、同位相成分がほぼ０になるようにＶＣＯ１０を制御する。このため、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）が入力されるように、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を、この共振周波数ω１に基づいて操作する。

励起振動タップオフ信号を、さらに、第２制御回路へ供給し、第２復調器１２を介して復調する。第２復調器１２の出力は、第２ローパスフィルター１３を通過する。第２ローパスフィルター１３の出力信号を、同じく、振幅制御器１４へ供給する。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、コリオリの力（図では、用語ＦＣ・ｃｏｓ（ω１・ｔ）で示す）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と連結し、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および第４制御回路へ供給される。第３制御回路では、この信号を、第３復調器１５を介して復調し、合計周波数を、第３ローパスフィルター１６を介して除去し、ローパス濾波された信号を、直交制御器１７へ供給する。直交制御器１７の出力信号を、第３変調器２２へ、読み取り振動の対応する直交成分がリセットされるように入力する。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、対応するローパス濾波された信号を、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、対応するローパス濾波された信号を、他方では、第２変調器１８へ入力する。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。

上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および第４ローパスフィルター１６、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。

第１共振器（励起振動）を励起する原動機システムは、回避できない製造上の許容誤差のために、第２共振器（読み取り振動）も少し励起してしまう。この読み取り振動のタップオフ信号は、コリオリの力から生じる部分と、製造上の許容誤差から不必要に生じる部分とから構成されており、この不必要な部分に起因して、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上記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。

本発明の基礎となる目的は、上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７に基づくコリオリの角速度計を提供する。本発明のアイデア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では、共振器の励起振動が本質的に変化するように、外乱力（Stoerkraft）をコリオリの角速度計の上記共振器に供給する。このとき、共振器の読み取り振動が外乱力の部分成分（Teilkomponente）によって変化するのだが、この変化は、ゼロ点エラーの指標として、共振器の読み取り振動を示す読み取り信号から取り出される。

ここで、「共振器」という語は、ここでは、コリオリの角速度計において振動できる全質点系、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である。

また、本発明の基本的な観点は、適切な外乱力を共振器に供給することにより、読み取り振動タップオフ信号において励起振動の人為的（kuenstliche）な変化が観察されうるということである。また、励起振動が変化（変調）すると、コリオリの角速度計の製造上の許容誤差ゆえに、読み取り振動も変化する。言い換えると、外乱力は基本的には第１共振器に作用するが、この外乱力の部分成分は第２共振器にも作用する。したがって、読み取り振動タップオフ信号に対するこのような外乱の「通過強度（Durchschlagsstaerke）」は、コリオリの角速度計のゼロ点エラー（「バイアス」）の指標となる。それゆえ、もし、読み取り信号に含まれている外乱成分（Stoeranteils）の強さを決定して、この強さと外乱力の強さ（励起振動の変化）とを比較すると、ゼロ点エラーが得られる。そして、外乱成分に比例した外乱成分信号は、ゼロ点エラーを直接的に（direkt）補償するために用いることができる。

これらの外乱力は、適切な原動機に供給される外乱信号によって生成されることが好ましい。または、前記外乱力は、原動機に供給される信号に加算される外乱信号によって生成されることが好ましい。外乱力を生成するために、例えば、励起振動を制御するための制御信号に、外乱信号を加算できる。

また、この外乱信号は、交流信号（Wechselsignal）、例えば、正弦信号と余弦信号との重畳（Ueberlagerung）であることが好ましい。このような交流信号が、その原動機を介して、励起振動の振幅を変調する交流電力（Wechselkraft）を生成する。交流信号は、通常、固有外乱周波数を有している。したがって、読み取り振動タップオフ信号の外乱成分を、上記外乱周波数で行われる適切な変調プロセスを介して決定できる。

外乱信号／外乱力の、外乱周波数は、励起振動の時定数よりも実質的に短い周期であるが、コリオリの角速度計の時定数と同じ、または、それよりも長い周期を有していることが好ましい。あるいは、交流信号の代わりに帯域制限ノイズを外乱信号として使用してもよい。この場合、ノイズ信号と、外乱成分を含んだ信号（例えば読み取り振動タップオフ信号）とを対比することにより、外乱成分の復調が行われる。

上記方法は、開ループコリオリの角速度計にも、閉ループコリオリの角速度計にも用いられる。後者の場合、ゼロ点エラーの補償が、以下のようにして得られる。つまり、励起振動を発生させる（好ましくは外乱信号を含んだ）交流信号の制御部分と、読み取り振動のリセットを引き起こす交流信号とから、一次結合が形成され、それが、コリオリの角速度計の回転速度制御回路または直交制御回路に供給される。この制御部分は、ここでは、読み取り信号から決定される読み取り振動の変化が、変調の結果（つまり外乱成分）として、できる限り小さくなるように制御される。

外乱成分は、例えば、読み取り振動タップオフ信号から直接決定できる。「読み取り信号」という表現は、この信号と、直交制御回路の直交制御器に印加される信号またはこの制御器から出力される信号、あるいは、回転速度制御回路の回転速度制御器に印加される信号またはこの制御器から出力される信号とを含んでいる。

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、共振器の励起振動を変調するようにコリオリの角速度計の上記共振器に外乱力を供給する外乱装置と、読み取り振動を示す読み取り信号に含まれた、外乱力の部分成分によって生成された外乱成分を、ゼロ点エラーの指標として決定する外乱信号決定ユニットとを備えている。

外乱力が、規定された外乱周波数を有する交流電力によって与えられている場合、外乱信号決定ユニットは、読み取り信号を復調（Demodulationsprozess）（（外乱周波数との同期復調（synchrone Demodulation））する復調ユニットを備えている。このように、外乱成分が、読み取り信号から決定される。また、外乱信号として帯域制限ノイズを用いてもよい。

また、コリオリの角速度計がリセットされており、回転速度制御回路と直交制御回路とを備えていることが好ましい。コリオリの角速度計がリセットされている場合、ゼロ点エラーを補償するために、上記角速度計に制御ユニットが備えられていることが好ましい。制御ユニットは、（好ましくは外乱信号を含んだ）励起振動を発生させる交流信号の制御部分と、読み取り振動のリセットを引き起こす交流信号とから一次結合を形成し、この混合信号（zusammengesetzte Signal）を、コリオリの角速度計の回転速度制御回路または直交制御回路に供給する。ここでは、制御ユニットは、読み取り信号から決定される読み取り振動の外乱成分ができる限り小さくなるように、信号の一次結合を制御する。これにより、コリオリの角速度計のゼロ点エラーが補償される。

外乱信号決定ユニットは、好ましくは回転速度制御回路の回転速度制御器から出力される信号から、外乱成分を決定する。この例では、制御ユニットは、信号の一次結合を回転速度制御器の出力信号に加算する。

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見取り図である。
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見取り図である。
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見取り図である。
図６ａから図６ｄまでは、本発明の方法を説明するための見取り図である。

図面において、同じ参照番号の付いた部品または装置については、繰り返して説明しない。

初めに、ベクトル図（ガウス平面）を用いて、図３から図５までの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。

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ある、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。さらに、図の平面に対して垂直に回転を受けることによって生じるコリオリの力によって互いに連結される、可能な振動ｘ（励起）およびｙ（読み取り）を示す。ｘ振動（複素；komplex）は、複素振幅Ｆｘ（ここでは実数部分Ｆｘｒ）を有する交流電力によって励起される。また、ｙ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の交流電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振動とｙ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力（komplexen Kraefte）と複素振動振幅（komplexen Schwingungsamplituden）とを示している。角速度計の力Ｆｘｒと励起周波数とは、純虚数の（rein imaginaere）一定のｘ振動が生じるように、制御される。これは、ｘ振動の大きさを制御する振幅制御器１４と、ｘ振動の位相を制御する位相制御器１０とによって行われる。駆動周波数（Betriebsfrequenz）ω１は、ｘ振動が純虚数になる（つまり、ｘ振動の実数部分がゼロに制御される）ように、制御される。

回転している間のコリオリの力ＦＣは、コリオリの力がｘ振動の速度に比例しているので、純実数（rein reell）である。これら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振動は、図４ｄに示したような状態になる。ｘ振動とｙ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力および複素振動振幅が生じる。特に、ＦＣによって励起されたｙ振動が、図５ｄに示したように生じる。

二重共振が存在する場合、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、二重共振が存在し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を補償する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、外乱ユニット２６と、復調ユニット２７と、制御ユニット２８と、第５ローパスフィルター２９と、乗算器３０とを備えている。

外乱ユニット２６は、振幅制御器１４の出力信号に加算される、周波数ωｍｏｄを有する交流信号を生成する。交流信号ではなく外乱信号として、帯域制限ノイズを用いてもよい。さらに、この交流信号を、復調ユニット２７に供給する。これによって得られる混合信号（振幅制御器の出力信号、および、交流信号）を、（第１）変調器１１に供給し、この変調器の出力信号を、原動機（図示せず）と共振器２とに供給する。この交流電力は、共振器２を「通過」後に、読み取り振動タップオフ信号の外乱成分の形状で観察される。この例では、外乱成分を決定するために、回転速度制御器から出力される信号を復調する。この復調の過程は、復調ユニット２７によって実行され、かつ、周波数ωｍｏｄ（外乱周波数）で行われる。これによって得られる信号（外乱信号）を、第５ローパスフィルター２９を用いて濾過処理し、制御ユニット２８に供給する。制御ユニット２８に供給される信号は、ゼロ点エラーの指標を示している。制御ユニット２８は、それに供給される信号の関数としての出力信号を生成する。この出力信号は、乗算器３０に供給され、読み取り振動タップオフ信号の外乱成分をできる限り小さく制御するような形をとる。乗算器３０は、これに供給される混合信号（振幅制御器の出力信号、および、交流信号）と、制御ユニット２８の出力信号とを乗算することにより、回転速度制御器から出力される信号に加算される出力信号を生成する。これによって、コリオリの角速度計のバイアスは、リセットされる。あるいは、復調ユニット２７に供給される信号は、回転速度制御器２１に供給される信号であってもよいし、直交制御器１７に供給されて出力される信号であってもよい。さらに、復調ユニット２７に供給される信号は、読み取り振動タップオフ信号自体であってもよい。後者の信号では、復調中に駆動周波数ωについて考慮する必要がある。

さらに、乗算器３０の出力信号を、（第２変調器１８のすぐ上流だけではなく）任意の位置、つまり、読み取り振動がタップオフされる位置と第３変調器２２との間の任意の位置で、回転速度制御回路に入力することが、基本的に可能である。同様の検討が、外乱信号が直交制御回路に入力される場合に当てはまる。

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

読み取り振動は、製造上の許容誤差ゆえに、通常、励起力Ｆｘｒのわずかの部分（ｋＦｙｘ^＊Ｆｘｒ）を「認識する」。Ｆｙｒ制御回路がＯＮ状態である場合、Ｆｙｒは、正しい値と比べてｋＦｙｘ^＊Ｆｙｒだけ変化する。Ｆｙｒは回転速度の指標であるので、この結果、対応するバイアスが生じる。このエラーを補償するために、Ｆｘｒの振幅を、外乱ユニット２６によって、平均値を用いずに（mittelwertfrei）変調する。成分ＫＦｙｘ^＊Ｆｘｒを介して、励起振動をできる限り少ししか外乱せず、しかしながら回転速度制御回路をできる限り強く外乱するように、変調周波数または帯域制限変調ノイズの周波数を選択する必要がある。回転速度チャネル（Drehratenkanal）の変調がなくなるように制御成分ｋＦｙｘｃｏｍｐ^＊ＦｘｒをＦｙｒに加算することにより、Ｆｙｒのエラー成分であるｋＦｙｘ^＊Ｆｘｒが補償される。これは、制御ユニット２８によって出力されるｋＦｙｘｃｏｍｐを（好ましくはソフトウェア技術によって）制御することによってなされる。制御器（制御ユニット２８）への入力信号は、変調周波数と同期して復調されたＦｙｒの信号である。この制御器を同調させると、回転速度チャネルの変調信号はなくなるので、回転速度出力部における変調周波数の遮断フィルターが必要ではなくなる。

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見取り図である。 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、力と振動振幅とを説明するための見取り図である。 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見取り図である。 図６ａから図６ｄまでは、本発明の方法を説明するための見取り図である。

Claims (10)

1. コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定方法であって、
   共振器（２）の励起振動が変化するように、外乱力をコリオリの角速度計（１´）の上記共振器（２）に供給し、
   上記外乱力の部分成分による上記共振器（２）の読み取り振動の変化が、ゼロ点エラーの指標として、上記共振器（２）の読み取り振動を示す読み取り信号から取り出される、方法。
2. 上記外乱力が、上記励起振動の振幅を変調する交互力であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記外乱力が、外乱周波数を有し、前記外乱周波数の周期が、上記励起振動の時定数よりも実質的に短いが、上記コリオリの角速度計の時定数と同じ大きさであるか、または、それよりも長いことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 上記読み取り信号を上記外乱周波数に基づいて復調することによって、上記読み取り振動の変化を検出することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 上記外乱力が、帯域制限ノイズである外乱信号によって生じることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 上記励起振動を発生させる交流信号の制御部分と、上記読み取り振動のリセットを引き起こす交流信号とから、一次結合が形成され、上記コリオリの角速度計の回転速度制御回路または直交制御回路に供給されることにより、上記読み取り信号から決定される上記読み取り振動の変化ができる限り小さくなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 共振器（２）の励起振動を変調するようにコリオリの角速度計（１´）の上記共振器（２）に外乱力を供給する、外乱ユニット（２６）と、
   読み取り振動を示す読み取り信号に含まれ、上記外乱力の部分成分によって生成される外乱成分を、ゼロ点エラーの指標として決定する、外乱信号決定ユニット（２７）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の決定装置を有することを特徴とするコリオリの角速度計（１´）。
8. 回転速度制御回路または直交制御回路を有することを特徴とする、請求項７に記載のコリオリの角速度計（１´）。
9. 上記励起振動を発生させる交流信号の制御部分と、上記読み取り振動のリセットを引き起こす交流信号とから一次結合を形成し、上記コリオリの角速度計（１´）の上記回転速度制御回路または直交制御回路に供給する、制御ユニット（２８）を備え、
   上記制御ユニットが、上記読み取り信号から決定される上記読み取り振動の外乱成分ができる限り小さくなるように、上記一次結合を制御することを特徴とする、請求項８に記載のコリオリの角速度計（１´）。
10. 上記外乱信号決定ユニット（２７）が、上記回転速度制御回路の回転速度制御器（２１）から出力される信号から、上記外乱成分を決定し、上記一次結合を上記回転速度制御器（２１）の出力信号に加算することを特徴とする、請求項９に記載のコリオリの角速度計（１´）。

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