JPH0744565U - 速度軸まわりの物体の角回転速度を求める装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コリオリ加速度に由来する加速度が加速度計
を収容する物体のリニア加速度から分離されるように出
力信号を処理する。 【構成】 第１および第２の出力信号（Ｓ₁，Ｓ₂）を発
生する第１および第２の加速度計(10,12)と、周期性運
動信号を発生するための手段(68)および加速度計を周期
的に動かすための手段(14)を含む運動手段と、基準信号
を発生するための手段(75)、位相値を各出力信号毎に測
定するための手段(71,72)、速度軸まわりの物体の角回
転速度を表す値を測定するための手段(80)を含む処理手
段とを備えている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は速度軸まわりの物体の角回転速度を求める装置に関するものである 。このような装置は、角速度を測定するための振動ビーム加速度計と関連して慣 性航法システムに使用するのに特に適している。

【０００２】

【従来の技術】

周知の或る慣性航法システムでは、所定の座標軸まわりの角回転速度は、加速 度計の高感度軸と垂直なかつ回転が測定されるべき軸と垂直な軸沿いにアナログ 加速度計を動かすことによって測定される。例えば、回転速度が測定されるべき 物体に固定された１組のＸ，ＹおよびＺ座標軸並びにその物体に固定されかつＺ 軸沿いに整列された高感度軸を有する加速度計について考察しよう。もし物体の 角回転ベクトルがＸ軸沿いの成分を含むならば、Ｙ軸沿いの加速度計の周期性運 動は加速度計によって検知されてＺ方向に作用する周期性コリオリ加速度を生じ ることになる。コリオリ加速度の大きさはＸ軸を中心とした回転速度に比例する 。その結果、加速度計の出力（代表的な例では電流信号）は、Ｚ軸沿いに物体の リニア加速度を表す直流成分またはゆっくりと変化する成分、およびＸ軸まわり の物体の回転を表す周期性成分を含む。Ｘ方向およびＹ方向に高感度軸を有しか つＺ軸およびＸ軸沿いにそれぞれ動かされる加速度計の出力と共に、加速度計出 力は処理されてリニア加速度並びにＸ，ＹおよびＺ軸まわりの角速度を生じるこ とができる。そのような信号処理方法は、米国特許第４,４４５,３７６号および １９８３年９月２日付で出願された米国特許願第５２８,７７６号“移動物体の 慣性特定力および角速度を測定するための装置並びにこの装置で特に有用な加速 度計アセンブリ”に述べられている。

【０００３】 過去において、上述した型式の慣性航法システムは、検知された加速度に比例 する大きさを有するアナログ出力信号例えば電流信号を発生する加速度計を用い ていた。周知の別な型式の加速度計は、検知された加速度に関連した周波数を有 する出力信号を発生する。そのような周波数出力加速度計の一例は振動ビーム加 速度計である。振動ビーム加速度計では、標準質量は屈曲関節などによって支持 されかつ加速度計の高感度軸沿いに延びる振動ビーム力検知要素によって支持さ れる。力検知要素は、これをその共振周波数で振動させるドライブ回路に結合さ れる。高感度軸沿いの加速度は、標準質量をして力検知要素に張力または圧縮力 をかけさせる。振動弦に似た仕方で、力検知要素にかかる張力はその共振周波数 を上げさせるが、力検知要素にかかる圧縮力はその共振周波数を下げさせる。力 検知要素は従って加速度信号で搬送波信号を周波数変調する力／周波数変換器と して作動されることができ、搬送波信号は力検知要素のゼロ加速度共振周波数で ある。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

振動ビーム加速度計の利点は、その出力信号が本来デジタルであるのでマイク ロプロセッサ使用慣性航法システムに都合良く組み込まれ得ることである。しか しながら、角速度センサとして振動ビーム加速度計を使用するには、コリオリ加 速度に由来する加速度が加速度計を収容する物体のリニア加速度から分離される ように出力信号を処理するための技術が開発される必要がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

一面では、この考案は、速度軸まわりの物体の角回転速度を測定するための装 置を提供する。この装置は、第１および第２の加速度計と、運動手段と、処理手 段とを備える。第１および第２の加速度計は、これらの高感度軸が検知軸と平行 であり、この検知軸が速度軸と垂直である。第１および第２の加速度計は第１お よび第２の出力信号をそれぞれ発生するようになっており、各出力信号はそれぞ れの加速度計がその高感度軸沿いに受けた加速度に相当する周波数を有している 。運動手段は、周期性運動信号を発生するための手段、並びに運動信号に応じて 速度軸および検知軸と垂直な運動軸沿いに加速度計を周期的に動かすための手段 を含む。各加速度計の出力信号は、従って周期性コリオリ成分を含む。処理手段 は、コリオリ成分が或る極性を有する１つ以上の第１期間およびコリオリ成分が 反対の極性を有する１つ以上の第２期間を定めるように働く基準信号を発生する ための手段を備える。第１期間と第２期間が一緒になって運動信号の１つ以上の 完全な期間を形成する。処理手段は、更に、第１期間中の出力信号の位相変化と 第２期間中の出力信号の位相変化との差を表す位相値を各出力信号毎に測定する ための手段、位相差を互いに加算、減算してそれぞれ位相和値、位相差値を求め るための手段、および位相和値と位相差値を直線的に組み合わせて速度軸のまわ りの物体の各回転速度を表す値を測定するための手段を備える。

【０００６】

【実施例】

図１に概略図で示した慣性航法システムを例にとってこの考案の原理を開示す る。座標軸Ｘ，ＹおよびＺは、リニア加速度および回転速度が測定されるべき物 体に固定される。この物体の角回転速度はベクトルΩで定められ、かつ物体に作 用するリニア加速度すなわち特定の力はベクトルＡで定められる。一般に、Ωお よびＡは両方共、時間の経過につれて変わりかつ下記のように表わせる。

【０００７】

【数１】

【０００８】 ここで、ｉ，ｊ，ｋはそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸沿いの単位ベクトルである。

【０００９】 図１の慣性航法システムは、装架装置１４に支持された振動ビーム加速度計１ ０および１２を含む。これら加速度計は背中合わせに装架され、加速度計１０の 高感度軸１６はＺ軸沿いに正方向に向けられかつ加速度計１２の高感度軸１８は Ｚ軸沿いに負方向に向けられる。装架装置１４は平行４辺形状をしており、Ｙ軸 に平行でピボット３１〜３４を介して一対の結合部材２４および２６に連結され ている支持部材２０および２２を含む。結合部材２４，２６は中央ピボット３６ ，３８において適当な支持構体に装架される。支持部材２０および２２は適当な 駆動機構に連結され、この駆動機構は中央ピボット３６，３８を中心にして結合 部材２４，２６を周期的に（例えば正弦波状に）振動させ、もってＹ軸沿いに支 持部材および加速度計を振動させる。加速度計１０の振動動作は加速度計１２の 振動動作と逆相であり、例えば加速度計１０が正Ｙ方向に動いている時に加速度 計１２は同一速度で負Ｙ方向に動いている。図１に示した平行４辺形構体を実施 するための装置は、米国特許第４,５１０,８０２号に述べられている。

【００１０】 この考案は、図１に示した背中合わせ構造に制限されず、１個以上の加速度計 が高感度軸と垂直な軸沿いに振動させられるか或は高感度軸と垂直な平面におい て回転させられる全ての装置に適用可能であることを理解されたい。多数のその ような装置は、上述した米国特許第４,４４５,３７６号および１９８３年９月２ 日に出願された米国特許願第５２８,７７６号に述べられている。

【００１１】 加速度計１０および１２の、Ｙ軸沿いの周期性振動はＸ軸を中心とする物体の 回転速度と相互に影響し合って、Ｚ方向沿いに作用するコリオリの力を生じる。 各加速度計１０，１２の力は、従ってＺ軸沿いの物体のリニア加速度に由来する 第１の成分Ａ_Zおよび回転速度に比例する第２の成分Ω_Xを含む。コリオリ信号か らリニア加速度信号を分離する仕方は下記の通りである。代表的な慣性航法シス テムでは、同様に、Ｘ方向、Ｙ方向に向いた高感度軸を有する加速度計対が装架 されかつそれぞれＺ方向、Ｘ方向沿いに振動させられる。

【００１２】 図２に示すように、加速度計１０は、標準質量４０、力検知要素４２、ドライ ブ回路４４および支持体４６を含む慣用の振動ビーム加速度計であり得る。力検 知要素は、米国特許第４,２１５,５７０号に例示されたように両頭同調フォーク 構造の水晶であることが望ましい。ドライブ回路４４は力検知要素を特定の共振 周波数ｆ₁で振動させ、かつドライブ回路４４の出力はそのような周波数での信 号Ｓ₁である。標準質量４０は屈曲関節４８によって支持体４６に装架され、こ の屈曲関節はこれを通りかつ図２の図面の平面と垂直な軸を中心として標準質量 を動かす。力検知要素４２は、Ｚ軸と平行に配列され、その一端が支持体４６に 取り付けられかつその他端が標準質量４０に取り付けられる。

【００１３】 加速度計１２は、事実上加速度計１０の鏡像でありかつ標準質量５０、力検知 要素５２、ドライブ回路５４、支持体５６および屈曲関節５８を含む。ドライブ 回路５４は、力検知要素５２を特定の共振周波数ｆ₂で振動させかつこのような 周波数で出力信号Ｓ₂を発生する。Ｚ軸沿いの加速度は各標準質量をしてそれぞ れの力検知要素に張力また圧縮力を作用させ、これは力検知要素の共振周波数を 増減させる。各力検知要素は、従って搬送波信号を加速度信号で周波数変調する 力／周波数変換器として作動する。この搬送波信号は力検知要素のゼロ加速度共 振周波数である。図２に示した構成では、加速度計の力検知軸は逆並列すなわち 互いに反対の方向に向けられ、かつＺ軸沿いの所定加速度は一方の力検知要素に 圧縮力をそして他方の力検知要素に張力をかけることになる。周波数ｆ₁および ｆ₂は、従ってＺ軸沿いの所定のリニア加速度に応じて反対の方向で変わる。

【００１４】 説明を再び図１に戻して、加速度計１０および１２を各々振幅ρおよび角周波 数ωでＹ軸沿いに正弦波状に振動させるとしよう。加速度計１０で検知される総 加速度ａ₁は下記の式で表される。

【００１５】

【数２】

【００１６】 ただし、Ａ_ZはＺ軸沿いのリニア加速度であり、そして第２項は角速度Ω_XでＸ軸 を中心とした回転および振幅ρおよび角周波数ωでＹ軸沿いの振動の結果として 加速度計１０が受けたコリオリの加速度を表す。式(3)において、加速度計１０ の、Ｙ軸沿いの運動はsinωtと同期しており、すなわち加速度計はｔ＝０におい て振動の中点にあるとしよう。コリオリの加速度は速度従ってcosωtに比例する 。加速度計１２で検知される加速度は下記のように表される。

【００１７】

【数３】

【００１８】 式(3)および(4)中のリニア加速度項は、高感度軸１６と１８の方向が反対なので 互いに逆の記号をもっている。加速度計１０および１２のコリオリ項は同一の記 号をもっている。その理由は、加速度計の高感度軸と振動の両方が互いに反対で あり、これによりそれぞれの高感度軸に対して同一方向のコリオリ加速度を生じ るためである。

【００１９】 力／周波数変換器としての各加速度計の動作は下記のように表される。

【００２０】

【数４】

【００２１】 ただし、ｆ₀₁，ｆ₀₂はそれぞれ出力信号Ｓ₁、Ｓ₂のゼロ負荷周波数であり、そ してｋ₁₁、ｋ₁₂、ｋ₂₁およびｋ₂₂は定数である。 式(3)および(4)を式(5)および(6)と組み合わせると下記のようになる。

【００２２】

【数５】

【００２３】 下記の４つの積分を定めることにより式(7)および(8)はもっと有用な形態に変 換され得る。

【００２４】

【数６】

【００２５】 時点ｔ₁，ｔ₂およびｔ₃は図３に例示した仕方で選択され得る。図３では、機 能sinωtおよびcosωtは１振動サイクル２π／ωに亘って時間の関数として示さ れる。図示のように、期間ｔ₁〜ｔ₃は完全な１振動サイクルであり、期間ｔ₁〜 ｔ₂は機能cosωtが一極性（例えば正）をもつ振動サイクルの一半であり、そし て期間ｔ₂〜ｔ₃は機能cosωtが反対の極性をもつ振動サイクルの他の一半である 。このように、この例では、時点ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃の特定値はそれぞれ−π／２ω ，＋π／２ω，３π／２ωである。機能cosωtが１極性をもつ１つ以上の完全な 振動サイクルの半分を１つの積分または１組の積分が包含する反面、機能cosωt が反対の極性をもつそのような振動サイクルの半分を第２の積分または２組目の 積分が包含するかぎり、他の積分および時間制限は同等の効果で使用され得るこ とが理解されよう。

【００２６】 式(7)〜(12)を組み合わせると下記のようになる。

【００２７】

【数７】

【００２８】 ここで、

【００２９】

【数８】

【００３０】 である。

【００３１】 式(9)〜(12)と(13)〜(16)を組み合わせると、

【００３２】

【数９】

【００３３】 となり、これらから

【００３４】

【数１０】

【００３５】 となる。

【００３６】 角速度Ω_Xは、下記のように１振動サイクルに亘るＸ軸まわりの角度化△θ_Xに 変換され得る。

【００３７】

【数１１】

【００３８】 式(9)および(10)から式(31)中の積分式Ｉ₁₁−Ｉ₁₂およびＩ₂₁−Ｉ₂₂は下記の とおりである。

【００３９】

【数１２】

【００４０】 所定の期間に亘る信号の周波数の積分は、そのような期間に亘る信号の位相変化 に等しい。式(33)中の第１番目のカッコ項は、従って振動サイクルの第１番目の 半分に亘る信号Ｓ₁の位相変化からその振動サイクルの第２番目の半分に亘る同 一信号の位相変化を差し引いたものに等しいと理解され得る。式(33)中の第２番 目のカッコ項は信号Ｓ₂のための同様な表現である。同様な２つのカッコ項は式( 34)にも現れるが、式(34)ではｆ₁のカッコ項からｆ₂のカッコ項が差し引かれる 。

【００４１】 量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）および（Ｉ₂₁−Ｉ₂₂）の決定は図４に概念的に示される。時 点ｔ₁，ｔ₂およびｔ₃が定まると、式(33)，(34)中の各カッコ項は機能ＳＧＮcos ωt（ＳＧＮは“記号”を表す）で復調されたそれぞれ機能ｆ₁またはｆ₂に相当 する。図４において、信号Ｓ₁，Ｓ₂はそれぞれ復調器６０，６２によって機能Ｓ ＧＮcosωtで復調される。復調された信号ｄ₁およびｄ₂は式(33)および(34)中の カッコ式に相当し、これら信号は加算点６４，６６に入力される。加算点６４は 信号ｄ₁とｄ₂を加算して式(33)の量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）を生じ、かつ加算点６６は信 号ｄ₁とｄ₂を減算して式(34)の量（Ｉ₂₁−Ｉ₂₂）を生じる。量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）は 、１振動サイクルに亘る復調信号ｄ₁およびｄ₂の位相変化の和に等しいので、位 相変化和Σφ_dとして表させる（ただし、添字ｄは位相か復調信号ｄ₁およびｄ₂ の位相に言及することを示す）。量（Ｉ₂₁−Ｉ₂₂）は位相変化差△φ_dとして表 せ、ここでも添字ｄは位相が復調信号ｄ₁およびｄ₂の位相であることを示す。従 って、式(32)は下記のように書き直せる。

【００４２】

【数１３】

【００４３】 ただし、Σφ_dおよび△φ_dは上述したように定められ、かつａおよびｂは定数で ある。

【００４４】 上述したのと同様な誘導は、下記のように１振動サイクル中リニア加速度Ａ_Z および速度変化△Ｖ_Zを決定するために使用され得る。

【００４５】

【数１４】

【００４６】 ただし、積分式Ｉ₁₁＋Ｉ₁₂およびＩ₂₁＋Ｉ₂₂は下記のとおりである。

【００４７】

【数１５】

【００４８】 式(37)および(38)中の各積分は、全振動サイクル中の加速度計出力信号の一方 Ｓ₁またはＳ₂の位相変化である。量（Ｉ₁₁＋Ｉ₁₂）は従って１振動サイクル中の 出力信号の位相変化の和を表すが、量（Ｉ₂₁＋Ｉ₂₂）は１振動サイクル中の出力 信号の位相変化の差を表す。位相差、位相和をそれぞれ△φ，Σφで表せば、式 (36)は下記のように書き直せる。

【００４９】

【数１６】

【００５０】 ここで、△φおよびΣφは復調された出力信号ｄ₁およびｄ₂よりもむしろ出力信 号Ｓ₁およびＳ₂自体であり、Ｔは１振動サイクルであり、そしてＡ，ＦおよびＢ は定数である。式(39)は、角速度センサを超える用途を有しかつ発明者レックス ・ビー・ピーター（Rex B.Peters）および名称“速度変化出力を有する加速度計 ”で本願と同時に出願された米国特許願第７８９,７５２号に述べられているよ うにプッシュ・プル形態に構成された周波数出力加速度計で有用である。

【００５１】 式(31)〜(39)は図５に示された装置によって実施され得る。この装置はドライ ブ信号発生器６８およびデータ・プロセッサ７０を含み、このデータ・プロセッ サ７０はタイミング兼制御回路７５、ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７ １および７２、アップ・カウンタ７３および７４、並びにマイクロプロセッサ８ ０を有する。タイミング兼制御回路７５は振動サイクル２π／ωを定めるのに役 立つタイミング信号をライン６９に発生し、このタイミング信号はマイクロプロ セッサ８０内のクロックからライン８２を通して導出される。そのようなタイミ ング信号は、ドライブ信号発生器６８で受けられかつ正弦波状ドライブ信号sin ωtをライン７６に発生するのに使用される。ライン７６上のドライブ信号は加 速度計アセンブリ１４で受けられる。この加速度計アセンブリ１４は、加速度計 １０および１２を含みかつこれら加速度計を角周波数ωおよび振幅ρでＹ軸沿い に正弦波状に振動させる。ドライブ信号sinωtを加速度計１０および１２の振動 に変換するための適当な手段は上述した米国特許第４,５１０,８０２号に述べら れている。

【００５２】 加速度計出力信号Ｓ₁，Ｓ₂は、各加速度計が受けた総加速度に相当するそれぞ れ周波数ｆ₁，ｆ₂をもつ。アップ・カウンタ７３は加速度計１０からの信号Ｓ₁ のサイクル数を計数する。各サイクルは信号Ｓ₁中の２πの位相変化に相当する 、１振動サイクル２π／ω中（または複数の振動サイクルから成る期間中）にア ップ・カウンタ７３に累積されたカウントは、従ってそのような期間中の信号Ｓ₁ の総位相変化に相当する。位相変化が時間についての周波数の積分であるので 、アップ・カウンタ７３中に貯えられたカウントは式(37)および(38)中の第１番 目の積分に相当する。

【００５３】 ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７１は信号Ｓ₁を受けると共にタイミ ング兼制御回路７５からライン７８を通してゲート信号も受ける。ゲート信号は 、機能ＳＧＮcosωtを表す信号ならどんな信号でも良い。例えば、ゲート信号は ｔ₁からｔ₂まで（−π／２ωないしπ／２ω）の第１半サイクル中正でかつｔ₂ からｔ₃まで（π／２ωないし３π／２ω）の第２半サイクル中負にし得る。ゲ ーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７１は、ゲート信号に応じて第１半サイク ル中一方向（例えばアップ方向）そして第２半サイクル中反対の方向（例えばダ ウン方向）に信号Ｓ₁のサイクル数を計数する。ゲーテッド・アップ／ダウン・ カウンタ７１に貯えられたカウントは、従って式(33)および(34)中の第１のカッ コ項に相当する。アップ・カウンタ７４は加速度計１２からの信号Ｓ₂のサイク ル数を計数し、かつその１振動サイクル中の累積カウントはその間の信号Ｓ₂の 総位相変化に相当する。アップ・カウンタ７４に貯えられたカウントは、従って 式(37)および(38)中の第２の積分に相当する。ゲーテッド・アップ／ダウン・カ ウンタ７２は信号Ｓ₂を受けると共にライン７８を通してゲート信号も受ける。 ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７２は振動サイクルの後続半サイクル中 信号Ｓ₂のサイクル数を交互にアップ計数、ダウン計数する。ゲーテッド・アッ プ／ダウン・カウンタ７２に貯えられたカウントは、従って式(33)および(34)中 の第２のカッコ項に相当する。これらカウントの出力はバス８４を通してマイク ロプロセッサ８０へ入力され、そしてこのマイクロプロセッサ８０は累積カウン トを周期的に決定しかつ式(35)，(39)によりそれぞれ角変化△φ_X、速度変化△ Ｖ_Zを決定する。

【００５４】 もしアップ・カウンタ７３および７４にカウントが不定に累積されるならば、 オーバフロウが起こる可能性がある。この問題は、カウンタを周期的にリセット してその累積カウントをマイクロプロセッサ８０へ転送することによって避けら れる。アップ・カウンタ７３および７４からの累積カウントは、式(39)の△φお よびΣφを決定するためにマイクロプロセッサ８０で使用される。量Σφが理論 上はマイクロプロセッサ８０内でオーバフロウを受けるので、そのようなオーバ フロウは量ＦＴ＋ＢΣφを周期的に計算しかつ記憶することによって防がれ得る 。後者の量は大きさが本来制限される。その理由は、それがＡ△φで表された速 度変化に対する直線性の補正を表すためである。

【００５５】 図５に示したアップ／ダウン・カウンタ以外の技術を用いて図４の復調器６０ および６２で表された復調機能を行えることを理解されたい。例えば、マイクロ プロセッサ８０は、各振動サイクル中少なくとも２回カウンタ７１および７３の 内容をサンプリングできかつそのサイクル中第１サンプルのカウントから各サイ クル中の第２サンプルのカウントを減算する。この場合、ＳＧＮcosωtを表す基 準信号は、マイクロプロセッサ内部にありかつサンプリング時間を決定するため にマイクロプロセッサによって使用される。

【００５６】 図５に示した装置は、リニア加速度信号からのコリオリ信号を復調するのみな らず、基準信号（その周波数はＦＭ搬送波よりもはるかに低い）に対して同期（ すなわち同相）変調される情報をＦＭ信号が含む場合はいつでも適している用途 が沢山ある。しかしながら、幾らかの用途では、図５に示した装置は代表的な慣 性航法システム用装置に注目することによって理解され得る分解能に制限があり 、振動周波数は１００Ｈｚで良くかつ周波数ｆ₁およびｆ₂は４０ｋＨｚ程度で良 い。従って、１振動サイクル中にわずか約４００サイクルの信号Ｓ₁およびＳ₂が ある。もしフルスケールが信号Ｓ₁およびＳ₂中の１０％の周波数偏移に相当する ならば、１振動サイクルに亘るパルス差は４００サイクルの約６％すなわち２４ サイクルを超えることができない。従って、単一の振動サイクル中、１サイクル の差分は４％フルスケールの割合を示す。信号Ｓ₁およびＳ₂が振動サイクルと同 期していないと仮定すれば、この分解能は充分長い期間に亘ってカウントを累積 することで改良され得る。しかしながら、もし回転速度のフルスケールが２００ °／秒ならば、１°／時の回転速度は正味１パルスすなわちゲーテッド・アップ ／ダウン・カウンタ中の正味１カウントに対して１０００振動サイクル以上必要 である。もし振動周波数が１００サイクル／秒であるならば、１°／時の精度ま で測定するのに要する期間は従って約３０秒である。

【００５７】 分解能の問題の根源は、図５に示した装置が２πの増分で位相変化のみを測定 することである。分解能を改良するためのハードウェア技術は、図６に示すよう に位相ロック・ループを使って信号Ｓ₁およびＳ₂の周波数を増すことである。位 相ロック・ループ９０は信号Ｓ₁を受け、かつ位相ロック・ループの出力は÷Ｎ 回路９２を通して位相ロック・ループの電圧制御発振器の入力側に帰還される。 位相ロック・ループ９０からの出力信号は、従って入力周波数ｆ₁に対して周波 数Ｎｆ₁をもつ信号となる。同様に、位相ロック・ループ９４および÷Ｎ回路９ ６は信号Ｓ₂を周波数Ｎｆ₂の信号に変換するのに使用される。この技術は、一般 に、位相決定の精度を係数Ｎだけ増大する。安定性には電圧制御発振器サーボ系 のコーナー周波数が入力周波数ｆ₁およびｆ₂よりもはるかに低いことが必要であ り、精度にはこれが振動周波数ωよりも大きいことが必要である。これら２つの 周波数が代表的な例では係数４００だけ相違するので、これら状態は一般に容易 に合致する。

【００５８】 分解能を増大するのにソフトウェアに頼った解決策は図７のＡおよびＢに略図 で示されている。図７のＡでは、曲線１００は加速度計１０および１２の振動速 度すなわち式(3)および(4)中のcosωtコリオリ加速度項を表す。図７のＡは時点 ｔ₁からｔ₃までの１振動サイクルを例示する。上述したように、ゲーテッド・ア ップ／ダウン・カウンタ７１および７２は、振動サイクルの前半すなわち時点ｔ₁ からｔ₂までカウント・アップし、その後時点ｔ₂からｔ₃まで振動サイクルの後 半の間カウント・ダウンするようになっている。図７のＡの時間軸沿いのマーク は出力信号（例えば信号Ｓ₁）の１つのフルサイクルを表し、そのような出力信 号の、振動周波数ωに対する周波数ｆ₁は例示し易いので減少される。理想的に は、時点ｔ₁，ｔ₂およびｔ₃は各々Ｓ₁サイクルの終わりに相当する。その場合に は、Ｓ₁信号のフルサイクルだけを計数するのに分解能の損失がない。しかしな がら、信号Ｓ₁およびＳ₂の周波数ｆ₁およびｆ₂は、一般に、連続して変化してい るので、振動周波数と同期され得ない。図７のＡに示したように、振動サイクル の前半はＳ₁信号の２つのフルスケールの間、例えば図７のＢの拡大図に示すよ うに時点Ｔ₁とＴ₂の間で終わる。時点Ｔ₁から時点ｔ₂での振動サイクルの前半の 終わりまでの期間Ｐ₁中に起きるＳ₁サイクルの分数値および時点ｔ₂から時点Ｔ₂ までの期間Ｐ₂中に起きるＳ₁サイクルの対応した分数値を決定することの１つと して問題が見られ得る。信号Ｓ₁（またはＳ₂）の１サイクルによって占められた 振動サイクルの分数値が比較的小さいので、そのような出力信号期間中の位相変 化は優れた近似に対する時間のリニア関数である。期間Ｐ₁およびＰ₂中に起きる サイクルの分数値は、従って基準として高周波クロックを使用するリニア補間で 確立され得る。そのような高周波クロックは、期間Ｐ₁およびＰ₂を測定しかつ得 られた分数カウントを対応するカウンタ中に累積されたカウントの整数へ加える 。分解能の改良は、信号Ｓ₁およびＳ₂の周波数に対するクロック周波数の比であ る。４０ｋＨｚの範囲の出力信号周波数では、６ＭＨｚのクロックが分解能を大 体１５０：１改良する。

【００５９】 リニア加速度信号からコリオリ信号を分離するための上述した技術は、唯一の 加速度計が所定の軸沿いに振動させられる場合に適用され得る。そのような装置 では、デュアル加速度計の場合について上述したのと同様な誘導によりΩ_Xのた めの下記の式が得られる。

【００６０】

【数１７】

【００６１】 ここで、ｆは唯一の加速度計出力信号の周波数を表し、そしてｋ₁，ｋ₂は式(5) 中のそれぞれｋ₁₁，ｋ₁₂に相当する。この実施例では、角速度Ω_Xは、ｋ₂がリニ ア加速度項Ａ_Zにくらべて極めて小さいときだけ、加速度計出力から抽出され得 る。しかしながら、もし例えば非振動性加速度計からＡ_Zが得られるならば、式( 39)は角速度を決定するのに使用され得る。振動軸沿いの唯一の加速度計を振動 させるための適当な技術は、上述した１９８３年９月２日付の米国特許願第５２ ８,７７６号に述べられている。

【００６２】

【考案の効果】

コリオリ項２ρΩ_Xcosωtに加えてsinωtに比例する項を含むように式(3)およ び(4)が補正されるならば、式(31)中の結果は不変である。これは、ここに述べ た技術が米国特許第４,４４５,３７６号に述べられた技術のようなsinωtに関連 した誤差項で影響されないことを示す。特に、１積分サイクルに亘って一定であ る信号からのみならず、情報信号に対して直角位相にある他の周期性信号からも 、基準信号と同相である周期性情報信号を分離するのにこの技術は使用され得る 。逆に、情報信号に対して基準信号を１／４サイクルだけシフトするだけで直角 信号のみ復調できる。この能力は、米国特許第４,５１０,８０２号に述べられた 位相および整列校正機能および発明者レックス・ビー・ピーター（Rex B.Peters ）、名称“角速度センサの自動連続ゼロ化“で本願と同時に出願された米国特許 願第７８９,６５５号に述べられた自動ゼロ化機能を達成するための手段を提供 する。

【００６３】 この考案の望ましい実施例を例示して説明したが、種々の変形例が当業者には 明らかであることを理解されたい。従って、この考案は図示して説明した特定の 実施例に制限されず、かつこの考案の真の範囲および精神は請求の範囲を参照し て決定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案に係る慣性航法システムの部分概略図
である。

【図２】互いに逆並列な高感度軸を有する２個の振動ビ
ーム加速度計の概略図である。

【図３】振動サイクルの第１半サイクルと第２半サイク
ルを選択する仕方を例示するグラフ図である。

【図４】出力信号を復調しかつ復調された信号を組み合
わせて△φおよびΣφを発生する仕方を例示する概念図
である。

【図５】加速度計出力信号から角速度を測定するための
装置のブロック図である。

【図６】出力信号の周波数を増大するための手段を例示
するブロック図である。

【図７】出力信号の分数値期間を測定するための補間技
術を説明する図である。

【符号の説明】

Ｘ 速度軸 Ｙ 運動軸 Ｚ 検知軸 Ｓ₁ 第１の出力信号 Ｓ₂ 第２の出力信号 １０ 第２の加速度計 １２ 第２の加速度計 １６，１８ 高感度軸 ４４，４５ ドライブ回路 ６８ ドライブ信号発生器 ７１，７２ ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ ７３，７４ アップ・カウンタ ７５ タイミング兼制御回路 ８０ マイクロプロセッサ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 速度軸まわりの物体の角回転速度および
   前記速度軸と垂直な検知軸沿いの前記物体のリニア加速
   度を求めるための装置であって、 前記検知軸と平行にそれぞれ高感度軸を有しかつ第１お
   よび第２の出力信号であって、その各々がそれぞれの加
   速度計でその高感度軸沿いに受けた加速度に相当する周
   波数を有するものをそれぞれ発生するようになっている
   第１および第２の加速度計と、 周期性運動信号を発生するための手段、並びに前記運動
   信号に応じて前記速度軸および前記検知軸と垂直な運動
   軸沿いに前記第１および第２の加速度計を周期的に動か
   すための手段を含み、これにより各出力信号が周期性コ
   リオリ成分を含む運動手段と、 前記コリオリ成分が或る極性を有する１つ以上の第１期
   間および前記コリオリ成分が反対の極性を有する１つ以
   上の第２期間を定めるために働く基準信号を発生するた
   めの手段、前記第１期間中の出力信号の位相変化と前記
   第２期間中の出力信号の位相変化との差を表す第１位相
   値および前記第１期間と前記第２期間が前記運動信号の
   １つ以上の完全な期間となるこの期間中の前記出力信号
   の位相変化を表す第２位相値を各出力信号毎に求めるた
   めの手段、並びに前記速度軸まわりの前記物体の角回転
   速度を表す第１出力値および前記検知軸沿いの前記物体
   のリニア加速度を表す第２出力値を前記位相値から求め
   るための手段を含む処理手段と、 を備えた装置。