JP6632037B2 - ジャイロスコープループフィルタ - Google Patents

Description

本開示は、振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知する方法およびそのためのシステムに関する。

最新の高性能コリオリジャイロスコープセンサは、通常、非常に高いＱ値または倍率で動作するように設計される、例えば微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）を使用する振動構造を含む。これは、非常に低い自然帯域幅を有するセンサをもたらす。

ほとんどのＭＥＭＳセンサのＱ値は、例えば製造公差によって非常に可変である可能性があり、また同様に、例えば温度変動によって使用中に変動する可能性がある。これは、使用中に、Ｑ値の著しい変動及びセンサの自然帯域幅の著しい変動をもたらす場合がある。更に、共振周波数は、同様に、独立した公差及び温度変動を有し、周波数応答に対する類似の効果をもたらす場合がある。

ほとんどの高性能システムは、或る種の周波数応答整形を要求する。幾つかの技法が、ＭＥＭＳセンサの周波数応答を整形するために使用される可能性がある。例えば、極ゼロ相殺が使用される可能性があるが、これは、低周波数において一貫性のない応答をもたらす場合がある。

図１は、従来のジャイロスコープを使用する上述した効果を示す。関心の全帯域幅にわたって考えると、周波数応答は、単純な２次システムに一致するように見えるが、低周波数範囲がより詳細に見られる場合、全く著しく偏倚することが見られる。低周波数利得変動１０が見られ、その変動は、性能が低いシステムについて受容される場合がある。しかしながら、これらは、高性能な及び／または非常に動的なシステムについて問題となる場合がある。

振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知する改良型方法を提供することが望ましい。

本開示によれば、振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知する方法が提供され、ジャイロスコープは１つまたは複数の制御ループを備える電子制御システムを備え、制御ループの少なくとも１つは可変時定数を有するフィルタを備え、方法は、
ジャイロスコープの振動構造の特性を決定または推定するステップと、
振動構造の決定または推定される特性によってフィルタの時定数を適合または変動させるステップとを含む。

特性は、振動構造の周波数、Ｑ値、または帯域幅を含んでもよい。

振動構造の特性を決定または推定するステップは、振動構造の温度を測定することを含んでもよい。

フィルタの時定数を適合または変動させるステップは、振動構造の特性を追跡することを含んでもよい。換言すれば、時定数は、振動構造の決定または推定される特性の値が変化すると適合または変動してもよい。例えば、振動構造の周波数、Ｑ値、帯域幅、または温度が増加する場合、時定数は増加してもよい。同様に、振動構造の周波数、Ｑ値、帯域幅、または温度が減少する場合、時定数は減少してもよい。

ジャイロスコープは主軸及び副軸を含んでもよく、制御ループは、ジャイロスコープの副軸上の運動を検出及び／または制御してもよい、または、ジャイロスコープの副軸上の運動を検出及び／または制御するように構成、配置、または適合されてもよい。

方法は、ジャイロスコープの回転レートの尺度を与えるため、振動要素を主軸に沿って振動させ、かつ／または、副軸における振動要素の応答を測定することを更に含んでもよい。

フィルタの時定数を適合または変動させるステップは、例えば、フィルタの時定数の変化に応答してジャイロスコープの出力またはレート測定帯域幅を修正することを含んでもよい。

フィルタまたは制御ループは、振動構造の特性を含む伝達関数を含んでもよい。伝達関数は、振動構造の特性に比例するまたはその他の方法で特性に相関付けされてもよい。

伝達関数は、形態：

であり、ここで、Ａ、Ｂ、及びＣは定数であり、ω_nは振動構造の共振周波数であり、ｓは周波数を示し、Ｑ’は振動構造の被推定Ｑ値または被推定倍率である。Ｑ’は振動構造の特性を使用して計算されてもよい、かつ／または、Ｑ’は振動構造の特性の関数であってよい。

方法は、特性の初期値に基づいて初期時定数を決定することを更に含んでもよく、時定数を適合または変動させるステップは、初期時定数を適合または変動させることを含んでもよい。

方法は、ジャイロスコープの回転レートを測定することを更に含んでもよい。

上述したフィルタの時定数の適合または変動が回転レートの改善された測定を提供することが認識されるであろう。そのため、本開示は、上述した方法または方法ステップを含む、振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを測定する方法に拡張し、制御ループ、フィルタ、または電子制御システムを使用してジャイロスコープの回転レートについての値を提供または出力するステップを含んでもよい。方法は、例えばモニター上に、回転レートについての値を表示することを含んでもよい。

本開示によれば、振動構造ジャイロスコープを備える慣性測定ユニット（「ＩＭＵ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ」）を動作させる方法が提供され、方法は、上述した振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知する方法を含む。方法は、制御ループ、フィルタ、または電子制御システムを使用してジャイロスコープの回転レートについての値を提供または出力することを含んでもよい。方法は、例えばモニター上に、回転レートについての値を表示することを含んでもよい。

本開示は、上述した方法を実施するために配置されるシステム、例えば、それ自身、プラットフォームガイダンスシステムの一部を形成してもよい、例えば慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）の一部としての例えば電子制御システムに拡張する。

本開示は、同様に、振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知するための装置を提供し、装置は上述した方法を実施するように適合した手段を備える。

装置の全てまたは一部は、慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）の一部を形成してもよく、また、例えば、ＩＭＵ内のデータ処理手段であってよい。幾つかの実施形態において、装置の全てまたは一部は、ＩＭＵからリモートにあるが、ＩＭＵに通信可能に結合され、また、例えば、データ処理手段を備えるコンピュータシステム（例えば、サーバ）である。

本開示による方法は、コンピュータプログラムまたはソフトウェアコード部分を少なくとも部分的に使用して実装されてもよい。

そのため、本開示の一態様によれば、データ処理手段上で実行されると、上述した方法を実施するためのコードを含むコンピュータプログラムが提供される。

本開示の別の態様によれば、データ処理手段上で実行されると、上述した方法を実施するためのソフトウェアコード部分を記憶するコンピュータ可読媒体が提供される。

コンピュータ可読媒体は、ＣＤまたは他の光ディスク、ディスケット、またはハードディスク等の非一時的媒体を備えてもよい、あるいは、モデムまたは他のインターフェース装置を介して、限定はしないが、光またはアナログ通信ラインを含む有形媒体を通じて、または、限定はしないが、マイクロ波、赤外線または他の伝送技法を含む無線技法を使用して実態のない状態で、コンピュータシステムに送信可能な電子または光信号等の一時的媒体を備えてもよい。

本開示によれば、振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知及び／または測定するためのシステムが提供され、前記ジャイロスコープは１つまたは複数の制御ループを備える電子制御システムを備え、前記制御ループの少なくとも１つは可変時定数を有するフィルタを備え、前記電子制御システムは、
前記ジャイロスコープの振動構造の特性を決定または推定し、
前記振動構造の決定または推定される特性によって前記フィルタの前記時定数を適合または変動させる
ように配置され適合される。

電子制御システムは、例えば制御ループ、フィルタ、または電子制御システムを使用して、ジャイロスコープの回転レートについての値を提供及び／または出力するように配置され適合されてもよい。

システムは、回転レートの値を表示するためのディスプレイを備えてもよい。

種々の実施形態は、単に例としてまた添付図面を参照してここで述べられる。

従来のコリオリジャイロスコープループフィルタを使用する典型的な周波数応答を示す図である。 本開示によるループフィルタの一実施形態を示す図である。 本開示によるジャイロスコープにおいて図３のループフィルタを使用する周波数応答を示す。 本開示によるジャイロスコープにおいて図３のループフィルタを使用する周波数応答を示す。 本開示によるジャイロスコープにおいて図３のループフィルタを使用する周波数応答を示す。

本開示による慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）において使用するための振動構造ジャイロスコープがここで述べられる。

振動構造ジャイロスコープは、通常、回転レートを出力するためコリオリ効果の原理を使用する、またはその他の方法で回転運動を検出する。振動構造ジャイロスコープは、梁、同調フォーク、またはリング共振器等の機械式共振器の形態の振動要素等の振動構造またはセンサを含んでもよい。振動構造は、電磁ドライブ手段によって共振するように励起されてもよく、また、微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）プロセスを使用して作製されてもよい。光膨張、熱膨張、圧電効果または静電効果を含むような他のドライブ手段が使用されてもよい。

振動要素は、主軸に沿って振動させられてもよく、また、回転中の副軸（主軸と異なる）における振動要素の応答は、回転レートの尺度を与えるために使用されてもよい。

１つまたは複数の制御ループが使用されて、主軸をアクティブ化し、ドライブ信号の振幅及び周波数を調整し、それにより、その共振周波数の主軸運動を確立してもよい。

バネ質量システムにおける機械式共振器等の振動構造の主軸応答及び副軸応答は、その共振周波数の周りで考えると、次の通りに、それぞれ古典的な２次伝達関数によって記述される可能性がある。

ここで、ｓはラプラス変換表記で使用される複素周波数であり、ω_nは機械式共振器の自然周波数であり、Ｑは倍率である。

副軸の共振周波数は、高い精度で主軸の共振周波数に整合するように設計され調整されてもよく、その場合、（主軸及び副軸のそれぞれについての）２つの伝達関数は同一であると考えられる可能性がある。

システムがその自然共振周波数（ω_n）で動作するため、応答は、置換ｓ＝ｊ（ω_n＋ω）を使用することによってベースバンド等価応答に変換される可能性がある。ここで、ω_nは自然共振周波数であり、ωは、ここでは、関心のベースバンド（変調）周波数である。

そのため、共振器のベースバンド等価伝達関数は、

として書直される可能性があり、それは、２Ｑ／ω_nによって規定される時定数、したがって、ω_n／２Ｑによって規定される帯域幅を有する単純な１次ローパスフィルタである。

一例において、ω_n＝１００，０００、Ｑ＝３０，０００であり、時定数は、通常、０．６秒であってよく、帯域幅は、１．６６ｒａｄ／ｓ、またはより好都合には、０．２６Ｈｚとして表されてもよい。

そして、こうしたセンサの自然帯域幅は、非常に低く（０．２６Ｈｚ）てもよく、また、高性能な平衡システムは、１００Ｈｚの近くに出力帯域幅を必要としてもよい。出力またはレート測定帯域幅がセンサの自然帯域幅より大きくなるよう、帯域幅を拡張する幾つかの手段が必要である場合があることが見出された。

この点に関して、ジャイロスコープの電子制御システムは、１つまたは複数の別個の制御ループを備えて、副軸上の運動を好ましくは検出し制御してもよい。これらの制御ループは、同様に、出力またはレート測定帯域幅を、センサの自然帯域幅より大きくなるように修正するために、また、システム要件（例えば、１００Ｈｚ）に合うように使用されてもよい。

ジャイロスコープの電子制御システムの制御ループは、図２に示され、また、加算接合部１２、センサまたはセンサヘッド１４、ループフィルタ１６、及び積分器２０の１つまたは複数を含んでもよい。制御ループは、ジャイロスコープの副軸上で運動を検出及び／または制御するためのものであってよい。実際の角度レートは、ジャイロスコープが測定しようと試みる実際の運動を指してもよい。これは、同様に、入力角度レートと呼ばれてもよい。被測定角度レートは、ジャイロスコープによって行われる入力角度レートの推定値を指してもよく、出力角度レートと呼ばれてもよい。

ループのコンポーネントは、種々の位相遅れを導入し、その位相遅れは、センサの自然帯域幅によって生成される位相遅れと共に、安定したループを提供するため、位相進みの包含を必要とする場合がある。したがって、ループフィルタ１６は位相進みフィルタであってよい。

本開示によれば、ループフィルタ１６の時定数は、好ましくは、センサまたは振動構造１４の特性、例えば自然帯域幅に整合しそれを追跡するために、適合または変動してもよい。その特性は、同様に、振動構造の周波数、Ｑ値、または温度であるか、これらを含んでもよい。これは、有利には、制御ループから出力される信号の平坦な低周波数利得応答及び一定のまたは温度独立の出力帯域幅を提供してもよい。こうして、本開示は、好ましくは、Ｑ値及び周波数の変動を補償し、ノイズを最小にする。

ループフィルタ１６の時定数は、最初に、その共振周波数及び／または公称Ｑ値の知識から計算される振動構造１４の自然帯域幅に基づいて決定されてもよい。時定数の適合は、その後、使用中に振動構造の共振周波数及び／またはＱ値を追跡することによって達成されてもよい。

振動構造の共振周波数及びＱ値は両方とも、その温度と共に著しく変動する場合がある。すなわち、振動構造の共振周波数及びＱ値とその温度との間に強い相関が存在する場合がある。この相関は、次の通りに非常に簡単な関係によって規定される。

ここで、Ｑ（Ｔ）は任意の温度ＴにおけるＱであり、ＱＴＣはＱの温度係数（一般に、通常０．００６の一定値）であり、Ｔ₀は基準温度であり、Ｑ₀は、この基準温度における公称Ｑである。

従来的に、制御ループ内のループフィルタの伝達関数は、ジャイロスコープ及び慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）設計から導出される定数によって決定されて、所与の帯域幅及び利得ピーキングを達成してもよい。

本開示は、使用中に振動構造の決定されるまたは推定される特性によって好ましくは適合または変動する伝達関数を閉ループのループフィルタについて提供して、使用中にループフィルタの時定数を適合または変動させることによってこうした配置構成を改善してもよい。一例において、本開示のループフィルタの伝達関数ＴＦ（Ｓ）は、

として表されてもよい。ここで、Ｂは、ジャイロスコープ及び慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）設計から導出される場合がある定数であり、ω_nは振動構造の共振周波数であり、Ｑ’は振動構造の被推定Ｑ値または被推定倍率である。Ｑ’は、振動構造の測定される周波数、温度、及び設計パラメータの１つまたは複数に基づく関数であってよい。一例において、Ｑ’は、先の式［３］で与えられる関係においてＱ（Ｔ）の形態をとる。

ループフィルタ１６の時定数は、制御ループについて一定出力帯域を好ましくは提供するため、好ましくは振動構造の自然帯域幅に整合しそれを追跡するように適合または変動してもよい。これは、全体的な周波数応答が、システムのノイズ及びダイナミックレンジを低下させることなく、最適化される、例えば、出来る限り大きくされる可能性がある。これは、振動構造の帯域幅及びループフィルタの周波数における小さな不整合の作用を最小にしてもよい。

図３ａは、本開示に従って振動構造の自然帯域幅に整合しそれを追跡するためにループフィルタの時定数を動的に調整する効果を示す。

図３ｂは、関心の低周波数範囲にわたって周波数変動が全く存在しないことを示す。これは、ループフィルタの時定数が振動構造の自然帯域幅に整合しそれを追跡しない図１に示す従来の応答と比較される可能性がある。

図３ｃは、本開示に従って振動構造の自然帯域幅に整合しそれを追跡するためにループフィルタの時定数を動的に調整する効果を示すが、一貫性のある２次応答を提供するため、付加された利得補償を有する。帯域幅及び利得ピーキングは、制御ループのパラメータを使用して調整されてもよい。

本開示は、ジャイロスコープの振動構造の周波数応答（支配的な効果を有する）が振動構造のＱ値に関連する場合があるという認識、及び、Ｑ値が温度と共に著しく変動する場合があるという更なる認識を使用して制御ループの周波数応答に対処してもよい。

振動構造の温度は、適した温度センサによって測定されてもよい、または、振動構造の周波数に基づいて推定されてもよく、それは、使用中の振動構造のＱ値の良好な推定を可能にする場合がある。

Ｑ値のこの推定値が使用されて、制御ループ内のフィルタについての時定数を計算し、それにより、経時的に振動構造のＱ値の変動を好ましくは補償してもよい。その後、この改善された時定数が使用されて、制御ループまたはジャイロスコープの周波数応答を改善または最適化する可能性がある。

振動構造のＱ値は、共振周波数及び帯域幅に相関付けられ、これらは、先の議論においてＱ値の代理と呼ばれる可能性がある。

或る実施形態が述べられたが、添付特許請求の範囲において述べる本開示の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における種々の変更が行われてもよいことが当業者によって理解されるであろう。

Claims (12)

1. 振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知する方法において、前記ジャイロスコープは１つまたは複数の制御ループを備える電子制御システムを備え、前記制御ループの少なくとも１つは可変時定数を有するフィルタ（１６）を備える、方法であって、
   前記ジャイロスコープの振動構造（１４）の自然帯域幅を決定または推定するステップと、
   前記制御ループについて一定出力帯域を提供するために、前記振動構造（１４）の前記決定または推定された自然帯域幅に整合しそれを追跡するように前記フィルタ（１６）の前記時定数を適合または変動させるステップとを含む、方法。
2. 前記フィルタ（１６）の前記時定数を適合または変動させる前記ステップは、前記振動構造（１４）の前記自然帯域幅を追跡することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ジャイロスコープは主軸及び副軸を含み、前記制御ループは、前記ジャイロスコープの前記副軸上の運動を検出及び／または制御する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ジャイロスコープの前記回転レートの尺度を与えるため、前記振動構造（１４）を前記主軸に沿って振動させ、前記副軸における前記振動構造（１４）の応答を測定することを更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記フィルタ（１６）の時定数を適合または変動させる前記ステップは、前記ジャイロスコープの出力またはレート測定帯域幅を修正することを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記フィルタ（１６）または前記制御ループは、前記振動構造（１４）の前記自然帯域幅を含む伝達関数を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記伝達関数は、前記振動構造（１４）の前記自然帯域幅に比例するまたはその他の方法で前記自然帯域幅に相関付けされる、請求項６に記載の方法。
8. 前記伝達関数は、形態：
   であり、ここで、Ｂは定数であり、ωnは前記振動構造（１４）の共振周波数であり、ｓは周波数を示し、Ｑ’は前記振動構造（１４）の被推定Ｑ値または被推定倍率である、請求項６または７に記載の方法。
9. Ｑ’は前記振動構造（１４）の前記自然帯域幅を使用して計算される、請求項８に記載の方法。
10. 前記自然帯域幅の初期値に基づいて初期時定数を決定することを更に含み、前記時定数を適合または変動させる前記ステップは、前記初期時定数を適合または変動させることを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ジャイロスコープの回転レートを測定することを更に含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 振動構造ジャイロスコープを使用して回転レートを検知するためのシステムであって、前記ジャイロスコープは１つまたは複数の制御ループを備える電子制御システムを備え、前記制御ループの少なくとも１つは可変時定数を有するフィルタ（１６）を備え、
    前記電子制御システムは、
    前記ジャイロスコープの前記振動構造（１４）の自然帯域幅を決定または推定するように配置され適合され、
    前記制御ループについて一定出力帯域を提供するために、前記振動構造（１４）の前記決定または推定された自然帯域幅に整合しそれを追跡するように前記フィルタ（１６）の前記時定数を適合または変動させるように配置され適合される、システム。