KR100846481B1 - Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof - Google Patents
Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR100846481B1 KR100846481B1 KR1020010065669A KR20010065669A KR100846481B1 KR 100846481 B1 KR100846481 B1 KR 100846481B1 KR 1020010065669 A KR1020010065669 A KR 1020010065669A KR 20010065669 A KR20010065669 A KR 20010065669A KR 100846481 B1 KR100846481 B1 KR 100846481B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- signal
- phase
- demodulated
- demodulation
- gyroscope
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 71
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 8
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 7
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000000979 retarding effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5649—Signal processing
-
- 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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5656—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams the devices involving a micromechanical structure
-
- G01P9/04—
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
진동형 자이로스코프의 저잡음 신호 처리 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치는, 자기 발진부, 위상제어부, 신호복조부 및 각속도신호생성부를 포함한다. 자기 발진부는 진동형 자이로스코프의 수평 변위 신호를 입력으로 하여, 상기 수평 변위 신호와 수평 자기 발진각만큼 위상차가 나는 구동신호를 생성하며, 위상제어부는 상기 구동신호와 제 1 복조위상만큼 위상차가 나는 제 1 복조위상신호 및 상기 구동신호와 제 2 복조위상만큼 위상차가 나는 제 2 복조위상신호를 생성하며, 신호복조부는 상기 자이로스코프의 수직 변위 신호와 상기 제 1 복조위상신호에 따라 복조된 제 1 복조 신호 및 상기 수직 변위 신호와 상기 제 2 복조위상신호에 따라 복조된 제 2 복조 신호를 생성하며, 각속도신호생성부는 상기 제 1 복조 신호와 상기 제 2 복조 신호를 입력으로 하여, 상기 자이로스코프의 입력 각속도에 비례하는 각속도 신호를 생성한다. 복조위상각의 차이를 가지는 2개의 복조위상신호를 생성하여 그 차분으로 각속도 신호를 생성함으로써, 수직 변위 신호와 같은 주파수 대역의 잡음 성분, 즉 구동 신호와 복조위상신호 등에 의한 잡음 성분을 효과적으로 제거하여 신호 대 잡음비(SNR)를 최대로 할 수 있다.Disclosed is a low noise signal processing apparatus and method for a vibratory gyroscope. The signal processing apparatus of the vibration type gyroscope according to the present invention includes a self oscillation unit, a phase control unit, a signal demodulation unit, and an angular velocity signal generation unit. The self oscillation unit receives a horizontal displacement signal of a vibratory gyroscope and generates a drive signal that is out of phase with the horizontal displacement signal by a horizontal self-oscillation angle, and the phase controller controls a phase difference between the drive signal and the first demodulation phase. A first demodulation phase signal and a second demodulation phase signal that is out of phase with the driving signal and a second demodulation phase, and the signal demodulation unit demodulates the demodulation signal according to the vertical displacement signal of the gyroscope and the first demodulation phase signal; A second demodulated signal demodulated according to the signal and the vertical displacement signal and the second demodulated phase signal, and the angular velocity signal generation unit receives the first demodulated signal and the second demodulated signal as inputs of the gyroscope. Generate an angular velocity signal proportional to the angular velocity. By generating two demodulation phase signals with a difference in demodulation phase angle and generating an angular velocity signal with the difference, the noise components of the same frequency band as the vertical displacement signal, that is, the noise components due to the driving signal and the demodulation phase signal, etc. are effectively removed. The signal-to-noise ratio (SNR) can be maximized.
Description
도 1은 종래의 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a signal processing apparatus of a conventional vibration type gyroscope.
도 2는 진동형 자이로스코프의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a vibratory gyroscope.
도 3a 및 도 3b는 진동형 자이로스코프의 주파수 공진 특성을 나타내는 그래프이다.3A and 3B are graphs showing frequency resonance characteristics of a vibrating gyroscope.
도 4는 진동형 자이로스코프의 용량 모델을 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a capacitance model of a vibratory gyroscope.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram showing an embodiment of a signal processing apparatus of a vibrating gyroscope according to the present invention.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 종래의 신호 처리 장치와 본 발명에 따른 신호 처리 장치를 비교하기 위한 모의 실험 수행의 결과로 얻어진 신호의 파형도이다.6 (a) to 6 (e) are waveform diagrams of signals obtained as a result of simulation performed for comparing the conventional signal processing apparatus with the signal processing apparatus according to the present invention.
본 발명은 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치에 관한 것으로서, 특히 잡음에 의한 바이어스 성분을 줄이기 위한 저잡음 신호 처리 장치 및 방법에 관한 것 이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로, 자이로스코프는 회전체의 특성을 이용한 각속도 측정 장치로 알려져 있다. 그런데, 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고, 고정밀도를 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 단점을 가지므로, 부피가 작고 저가인 진동형 자이로스코프가 많이 이용되고 있다. In general, a gyroscope is known as an angular velocity measuring device using the characteristics of a rotating body. By the way, the conventional rotary gyroscope is bulky, high price for high precision, and has the disadvantage of being easily damaged by shock and vibration, a small volume and low-cost vibration type gyroscope is widely used.
도 1은 진동형 자이로스코프를 위한 종래의 신호 처리 장치를 나타낸 블록도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1에 진동형 자이로스코프(100)와 자이로스코프의 용량 신호 CY, CZ를 전압신호로 변환하는 용량/전압 변환기(110 및 120, 이하 C/V 변환기라 한다)를 함께 도시하였다. 1 is a block diagram showing a conventional signal processing apparatus for a vibratory gyroscope. For convenience of description, in FIG. 1, capacitance /
도 1을 참조하면, 신호 처리 장치는 자기발진부(200) 및 복조부(210)로 구성된다. 자기발진부(200)는 자이로스코프의 수평 변위 용량 CY를 C/V 변환한 수평 변위 신호 Vcy로부터 구동 신호 VD를 생성한다. 복조부(210)는 자이로스코프의 수직 변위 용량 CZ를 C/V 변환한 수직 변위 신호 Vcz를 복조하여 각속도신호 VR를 생성한다. 이상적인 경우, 자기 발진부(200)의 수평 자기 발진각이 π/2 라디안일 때, 각속도 신호 VR는 자이로스코프에 가해지는 입력 각속도 신호 Ωx를 추종하게 된다.
Referring to FIG. 1, the signal processing device includes a
그러나, 다양한 기생 용량이 존재하기 때문에 실제 신호에는 여러 잡음이 섞이게 된다. 이 중 주요한 잡음원으로서 구동 신호 VD에 의한 잡음(31)과 자기 발진부(200)에서 발생된 신호들에 의한 잡음(32)이 있다. 이 잡음들은 그 주파수 대역 이 수직 변위 신호 Vcz의 주파수 대역과 비슷하여 대역 필터링으로 제거가 불가능하며, 최종 출력인 각속도 신호 VR에 영향을 미치게 된다. 이러한 잡음의 결과로 각속도 신호 VR에 나타나는 신호는, 일정한 직류 바이어스 성분으로 나타나게 되므로, 이를 영변화율출력(zero rate output, ZRO)이라고 한다. 또한 이러한 바이어스 성분은 시간 변화에 따라 특성이 달라지는 드리프트의 주원인이 된다. 즉 잡음이 존재하는 경우, 각속도 신호 VR는 순수한 각속도 신호 성분과 ZRO의 합으로 나타나게 되므로, 순수한 각속도 신호만을 얻을 수가 없으며, 시간 변화에 따라 특성이 달라지는 드리프트가 발생하는 문제점이 있다.However, due to the presence of various parasitic capacitances, the actual signal is mixed with various noises. The main noise sources are
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 진동형 자이로스코프의 신호 처리에 있어 잡음, 특히 수직 변위 신호와 같은 주파수 대역의 잡음을 제거하여, 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 가진 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a signal processing apparatus and method of a vibrating gyroscope having a high signal-to-noise ratio (SNR) by removing noise, particularly noise in a frequency band such as a vertical displacement signal, in a signal processing of a vibrating gyroscope. To provide.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치는, 자이로스코프의 수평 변위 신호를 입력으로 하여, 수평 변위 신호와 수평 자기 발진각만큼 위상차가 나는 구동신호를 생성하는 자기 발진부, 구동신호와 제 1 복조위상만큼 위상차가 나는 제 1 복조위상신호 및 구동신호와 제 2 복조위상만큼 위상차가 나는 제 2 복조위상신호를 생성하는 위상제어부, 자이로스코 프의 수직 변위 신호와 제 1 복조위상신호에 따라 복조된 제 1 복조 신호 및 수직 변위 신호와 제 2 복조위상신호에 따라 복조된 제 2 복조 신호를 생성하는 신호복조부 및 제 1 복조 신호와 제 2 복조 신호를 입력으로 하여, 자이로스코프의 입력 각속도에 비례하는 각속도 신호를 생성하는 각속도신호생성부를 포함하는 것이 바람직하다. The oscillation gyroscope signal processing apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem is a self-oscillating unit for generating a drive signal having a phase difference by the horizontal displacement signal and the horizontal magnetic oscillation angle by inputting the horizontal displacement signal of the gyroscope, A phase control unit for generating a first demodulation phase signal out of phase with the drive signal and a first demodulation phase and a second demodulation phase signal out of phase with the drive signal and the second demodulation phase, a vertical displacement signal of the gyroscope and a first demodulation A gyroscope using a signal demodulator and a first demodulated signal and a second demodulated signal for generating a first demodulated signal demodulated according to a phase signal and a second demodulated signal demodulated according to a vertical displacement signal and a second demodulated phase signal; Preferably it includes an angular velocity signal generation unit for generating an angular velocity signal proportional to the input angular velocity.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 진동형 자이로스코프의 신호 처리 방법은, 자이로스코프의 수평 변위 신호와 수평 자기 발진각만큼 위상차가 나는 구동신호를 생성하는 단계, 구동신호와 제 1 복조위상만큼 위상차가 나는 제 1 복조위상신호 및 구동신호와 제 2 복조위상만큼 위상차가 나는 제 2 복조위상신호를 생성하는 단계, 자이로스코프의 수직 변위 신호와 제 1 복조위상신호에 따라 복조된 제 1 복조 신호 및 수직 변위 신호와 제 2 복조위상신호에 따라 복조된 제 2 복조 신호를 생성하는 단계 및 제 1 복조 신호와 제 2 복조 신호를 입력으로 하여 자이로스코프의 입력 각속도에 비례하는 각속도 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a signal processing method of a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention, the method comprising: generating a drive signal having a phase difference equal to a horizontal displacement signal of a gyroscope by a horizontal magnetic oscillation angle, and retarding the drive signal by a first demodulation phase Generating a first demodulation phase signal and a second demodulation phase signal out of phase with the driving signal and the second demodulation phase, the first demodulation signal demodulated according to the vertical displacement signal of the gyroscope and the first demodulation phase signal, and Generating a demodulated second demodulated signal according to the vertical displacement signal and the second demodulated phase signal; and generating an angular velocity signal proportional to the input angular velocity of the gyroscope by inputting the first demodulated signal and the second demodulated signal. It is preferable to include.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, a signal processing apparatus of a vibrating gyroscope according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 진동형 자이로스코프의 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of a vibratory gyroscope.
도 2를 참조하여, 관성 질량 m이 y축 방향(수평 방향)으로 진폭 yo, 진동 각주파수 ωy로 수평 진동하고 있을 때, 수평 방향(y 방향)의 변위 y(t) 및 수평 방 향(y 방향)의 속도 vy(t)는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. Referring to Fig. 2, when the inertial mass m vibrates horizontally at the amplitude y o and the oscillating angular frequency ω y in the y-axis direction (horizontal direction), the displacement y (t) and the horizontal direction in the horizontal direction (y direction) The velocity v y (t) in the (y direction) may be expressed as in
이 상태에서 x축을 중심으로 진폭 Rm, 각주파수 ωR인 회전 각속도 Ωx(t)가 인가된다면, z축 방향(수직 방향)으로 2 * vy(t) * Ωx(t)의 크기의 코리올리 가속도 ac(t)가 발생하며, 이 코리올리 가속도에 의한 관성력(코리올리 힘) Fc(t) = m * ac(t) 에 의해 관성 질량 m이 z 방향(수직 방향)으로 진동하게 된다. Ωx(t) 및 Fc(t)는 각각 다음 수학식 2 및 수학식 3과 같이 표현된다.In this state, if a rotational angular velocity Ω x (t) with an amplitude R m and an angular frequency ω R around the x axis is applied, the magnitude of 2 * v y (t) * Ω x (t) in the z-axis direction (vertical direction) Of Coriolis acceleration a c (t) occurs, and the inertial force (Coriolis force) F c (t) = m * a c (t) causes the inertial mass m to vibrate in the z direction (vertical direction). do. Ω x (t) and F c (t) are represented by
z 방향(수직 방향)의 변위 z(t)를 계측하여 각속도 입력으로 복조된 형태의 코리올리 가속도 ac 를 검출할 수 있다. 이를 다시 y 방향(수평 방향)의 선속도로 복조하고 저역 필터링함으로써 입력 각속도 Ωx(t)에 비례하는 신호(각속도 신호)를 얻을 수 있다. By measuring the displacement z (t) in the z direction (vertical direction), the Coriolis acceleration a c of the form demodulated by the angular velocity input can be detected. By demodulating this at a linear velocity in the y direction (horizontal direction) and low pass filtering, a signal (angular velocity signal) proportional to the input angular velocity Ω x (t) can be obtained.
진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치는 수평 방향의 변위 y(t)와 수직 방향의 변위 z(t)를 계측하여 이로부터 각속도 신호를 생성한다. 그런데, 일반적으로 소형 진동형 자이로스코프의 경우 코리올리 힘의 크기가 극히 작기 때문에 출력 변위 z(t)도 매우 미약하다. 따라서 감도를 높이기 위하여 감쇠가 작은 진동계의 공진 특성을 이용한다. 즉 진동 자이로스코프는 수평 방향(y 방향)의 고유 진동수 fy와 수직 방향(z 방향)의 고유 진동수 fz를 가지는 진동계로서 작용한다. The signal processing device of the vibratory gyroscope measures the displacement y (t) in the horizontal direction and the displacement z (t) in the vertical direction and generates an angular velocity signal therefrom. However, in general, the small vibration type gyroscope has a very small Coriolis force, so the output displacement z (t) is also very weak. Therefore, in order to increase the sensitivity, the resonance characteristic of the vibration system with small attenuation is used. In other words, the oscillating gyroscope acts as a vibrometer having a natural frequency f y in the horizontal direction (y direction) and a natural frequency f z in the vertical direction (z direction).
도 3a는 진동형 자이로스코프에서의 주파수 변화에 따른 코리올리 가속도의 분포를 나타내는 그래프이다. 도 3a에 나타난 바와 같이, 코리올리 힘은 fy의 양측 대역에 형성된다. z 방향의 진동계는, 자이로스코프의 기계적 성질에 의해 정해지는 관성 질량 m, 스프링 상수 kz, 감쇠 상수 C를 요소로 하는 센스 모드 전달 함수(sense mode transfer function)를, 코리올리 힘 Fc(t)와 수직 방향의 변위 z(t) 간의 전달 함수로서 가지는 2차 진동계이다. 여기서 센스 모드란 수직 방향(z 방향)의 진동 모드를 의미한다. Figure 3a is a graph showing the distribution of Coriolis acceleration according to the frequency change in the vibration type gyroscope. As shown in FIG. 3A, Coriolis forces are formed in both bands of f y . The vibrometer in the z direction has a sense mode transfer function whose inertial mass m, the spring constant k z , and the damping constant C are determined by the mechanical properties of the gyroscope, and the Coriolis force F c (t). And the second order vibrometer as a transfer function between the displacement z (t) in the vertical direction. Here, the sense mode means a vibration mode in the vertical direction (z direction).
도 3b는 주파수 변화에 따른 수직 방향의 변위 z(t)의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3b에 나타난 바와 같이 수직 방향의 변위 z(t)는 수직 방향 진동계의 퀄 리티 팩터(quality factor, Q-factor) Qz에 의해 증폭되어 쉽게 계측되며, 다음 수학식 4와 같다.3B is a graph showing a change in the displacement z (t) in the vertical direction according to the frequency change. As shown in FIG. 3B, the displacement z (t) in the vertical direction is amplified by the quality factor Q- z of the vertical vibration system and easily measured.
실제의 진동형 자이로스코프에 있어 ωy < ωz 이고 ωR << ω y인 범위에서 작동하므로, 수직 방향 변위 z(t)는 근사적으로 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.Since the actual oscillation gyroscope operates in a range of ω y <ω z and ω R << ω y , the vertical displacement z (t) can be expressed as Equation 5 below.
자이로스코프의 외부에서 전기적 신호 처리를 하기 위해서는, 전술된 수직 변위 신호와 수평 변위 신호가 전기적 신호로 변환되어야 한다. 이러한 관점에서 진동형 자이로스코프 내부의 물리적 신호를 용량(capacitance)으로 모델링할 수 있다. In order to perform electrical signal processing outside of the gyroscope, the above-described vertical displacement signal and horizontal displacement signal must be converted into electrical signals. From this point of view, the physical signal inside the vibratory gyroscope can be modeled as a capacitance.
도 4는 진동형 자이로스코프의 용량 모델을 나타낸 회로도이다. 도 4를 참조하면, 진동형 자이로스코프는 구동 용량 CD, 관성 질량 M, 수평 변위 용량 CY, 수직 변위 용량 CZ를 포함한다. 설명의 편의를 위해, 도 4에 수평 C/V 변환기(110) 및 수직 C/V 변환기(120)를 함께 도시하였다. 4 is a circuit diagram illustrating a capacitance model of a vibratory gyroscope. Referring to FIG. 4, the vibratory gyroscope includes a driving capacity C D , an inertial mass M, a horizontal displacement capacity C Y , and a vertical displacement capacity C Z. For convenience of description, the horizontal C /
도 4를 참조하면, 진동형 자이로수평 변위 신호 Vcy는 수평 변위 y(t) 값을 가진 수평 변위 용량 CY가 수평 C/V 변환기(110)를 통해 변환된 신호이다. 또한 수직 변위 신호 Vcz는 수직 변위 z(t) 값을 가진 수직 변위 용량 CZ가 수직 C/V 변환기(120)를 통해 변환된 신호이다. 수평 변위 신호 Vcy 및 수직 변위 신호 Vcz를 각각 수학식 6과 수학식 7에 나타내었다.
Referring to FIG. 4, the vibration type gyro horizontal displacement signal Vc y is a signal obtained by converting a horizontal displacement capacitor C Y having a horizontal displacement y (t) value through the horizontal C /
도 5는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치의 일 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 바람직한 실시예에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치는 제 1 전처리부(440), 자기 발진부(400), 위상제어부(410), 제 2 전처리부(450), 신호복조부(420) 및 각속도신호생성부(430)를 포함한다. 설명의 편의를 위하여, 도 5에 진동형 자이로스코프(100)와 수평 C/V 변환기(110) 및 수직 C/V 변환기(120)를 함께 도시하였다. 5 is a block diagram showing an embodiment of a signal processing apparatus of a vibrating gyroscope according to the present invention. Referring to FIG. 5, a signal processing apparatus of a vibrating gyroscope according to a preferred embodiment may include a
도 5를 참조하면, 제 1 전처리부(440)는 수평 변위 신호 Vcy를 증폭 및 대역 필터링하여, 잡음을 제거한다. 이를 위해 대역필터(442) 및 증폭기(444)를 포함하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, the
자기 발진부(400)는 제 1 전처리부(440)에 의해 전처리된 수평 변위 신호 Vcy를 입력으로 하여, 수평 변위 신호 Vcy와 수평 자기 발진각 α만큼 위상차가 나는 구동신호 VD를 생성한다. 이를 위해, 자기 발진부(400)는 수평 변위 신호 Vcy를 수평 자기 발진각 α만큼 위상 변위시키는 위상변환기(402) 및 위상 변위된 신호를 증폭하여 구동신호 VD를 생성하는 증폭기(404)를 포함하는 것이 바람직하다.
The
위상제어부(410)는 제 1 위상변환기(411) 및 제 2 위상변환기(412)를 포함하여 구성되며, 구동신호 VD를 입력하여 구동신호 VD와 각각 제 1 복조위상 Ψ1
및 제 2 복조위상 Ψ2만큼 위상차가 나는 제 1 복조위상신호 V Ψ1 과 제 2 복조위상신호 VΨ2를 생성한다. A
제 2 전처리부(450)는 수직 변위 신호 Vcz를 증폭 및 대역 필터링하여, 잡음을 제거한다. 이를 위해 대역필터(452) 및 증폭기(454)를 포함하는 것이 바람직하다.The
신호복조부(420)는 제 1 복조위상신호 VΨ1를 이용하여 수직 변위 신호 Vcz를 복조하여 제 1 복조 신호 Vdm1를 생성하고, 제 2 복조위상신호 VΨ2를 이용하여 수직 변위 신호 Vcz를 복조하여 제 2 복조 신호 Vdm2를 생성한다. 바람직하게는 신호복조부(420)는 제 1 및 제 2 동기검파기(Phase-sensitive Detector, P.S.D.)를 포함하여 구성되며, 제 1 동기검파기(421)는 제 1 복조 신호 Vdm1을 생성하며, 제 2 동기 검파기(422)는 제 2 복조 신호 Vdm2를 생성한다.
각속도신호생성부(430)는 제 1 복조 신호 Vdm1과 제 2 복조 신호 Vdm2를 차분 및 저역필터링하여, 자이로스코프의 입력 각속도에 비례하는 각속도신호 VR을 생성한다. 바람직하게는, 각속도신호생성부(430)는 차분기(432) 및 저역필터(434)로 구 성되며, 차분기(432)는 제 1 복조 신호 Vdm1과 제 2 복조 신호 Vdm2를 차분하여 차분복조신호 Vdm을 생성하고, 저역 필터(434)는 차분복조신호 Vdm을 저역필터링하여 각속도신호 VR을 생성한다.The angular
신호 처리 장치에는 다양한 기생 용량이 존재하기 때문에 여러 가지 잡음이 신호에 섞이게 된다. 주요하고 대표적인 기생 용량으로서, 구동 신호 VD와 제 1 복조위상신호 VΨ1 및 제 2 복조위상신호 VΨ2에 의한 잡음이 있는데, 이들은 수직 변위 용량 CZ에 더해져서, 수직 변위 신호 Vcz에 혼입된다. 이들은 수직 변위 신호 Vcz
와 같은 주파수 대역에 속하는 잡음으로서 제 2 전처리부(450)에서 제거하지 못하는 잡음들이다.Because of the various parasitic capacitances present in signal processing devices, different noises are mixed into the signal. As the main and representative parasitic capacitances, there is noise caused by the drive signal V D and the first demodulation phase signal VΨ1 and the second demodulation phase signal VΨ2 , which are added to the vertical displacement capacitance C Z and incorporated into the vertical displacement signal Vc z . do. These noises belong to the same frequency band as the vertical displacement signal Vc z and are noises that cannot be removed by the
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치에서 잡음의 영향 및 본 장치의 동작에 의한 잡음의 제거를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5, the effect of noise in the signal processing device of the vibration type gyroscope according to the present invention and the removal of the noise due to the operation of the device will be described in detail.
수학식 7의 수직 변위 신호 Vcz는 잡음을 포함하여 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. The vertical displacement signal Vc z of Equation 7 may be expressed as Equation 8 including noise.
수학식 8에서 ND, NΨ1 및 NΨ2는 각각 구동 신호 VD, 제 1 복조위상신호 VΨ1 및 제 2 복조위상신호 VΨ2에 의한 잡음의 진폭이다.
In Equation 8, N D , N Ψ 1, and
자기발진부(400)는 수평 변위 신호 Vcy를 위상 변위시켜, 수학식 9와 같이 수평 변위 신호 Vcy와 수평 자기 발진각 α만큼의 위상차를 가지는 구동 신호 VD를 생성한다.Self-oscillation (400) to phase shift the horizontal displacement signal y Vc, and generates the horizontal displacement signal and the driving signal Vc y V D having a phase difference of the horizontal oscillator by the magnetic angle α as shown in Equation (9).
위상제어부(410)는 구동신호 VD를 제 1 복조위상 Ψ1 및 제 2 복조위상 Ψ2만큼 위상변위시켜, 다음 수학식 10a 및 10b와 같이 표현된 제 1 복조위상신호 VΨ1 과 제 2 복조위상신호 VΨ2를 생성하여 신호복조부(420)로 출력한다.A
신호복조부(420)는 제 1 복조신호 Vdm1과 제 2 복조신호 Vdm2를 생성하여 각속도생성부(430)로 출력한다. 구체적으로 신호복조부(420)의 제 1 동기검파기(421)는 수직 변위 신호 Vcz를 제 1 복조위상신호 VΨ1으로 동기검파하여 다음 수학식 11a에서와 같이 표현되는 제 1 복조신호 Vdm1을 생성한다. 또한 제 2 동기검파기(422)는 수직 변위 신호 Vcz를 제 2 복조위상신호 VΨ2로 동기검파하여 다음 수학식 11b에서 와 같이 표현되는 제 2 복조신호 Vdm2를 생성한다. The
각속도생성부(430)의 차분기(432)는 제 1 복조신호 Vdm1과 제 2 복조신호 Vdm2를 차분한 차분복조신호 Vdm을 생성하며, 저역필터(434)는 차분복조신호 Vdm을 저역 필터링하여 다음 수학식 12와 같은 각속도 신호 VR을 생성한다.
The
수학식 12에서는 NΨ1 ≒ NΨ2를 가정하였다.In Equation 12, N Ψ 1 ≒ N Ψ 2 is assumed.
이와 같은 경우, 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 가지기 위해서는, 바이어스로 작용하는 ZRO를 줄이면서, 동시에 각속도 출력성분이 최대가 되도록 해야 한다. 이를 위해서는 다음 수학식에서 주어진 조건을 만족해야 한다.In such a case, in order to have a high signal-to-noise ratio (SNR), it is necessary to reduce the ZRO acting as a bias and at the same time maximize the angular velocity output component. To do this, the conditions given in the following equation must be satisfied.
또한, 상기 수학식 13의 첫번째 식에서 두번째 식을 빼면, 다음 수학식 14를 얻을 수 있다. 따라서, 제 1 복조위상 Ψ1 과 제 2 복조위상 Ψ2 의 차이는 π/2 라디안이 되어야 한다.
Further, by subtracting the second equation from the first equation of Equation 13, the following equation (14) can be obtained. Therefore, the difference between the first
즉 최대의 신호 대 잡음비(SNR)를 얻기 위해서는, 수평 자기 발진각 α= π/4 - φo 라디안, 제 1 복조위상 Ψ1 = π/4 라디안, 그리고 제 2 복조위상 Ψ2 = -π/4 라디안 값을 가지는 것이 가장 바람직하다. 이때 각속도 신호 VR의 바이어스 성분은 최소화되며 이에 따른 드리프트 성분도 최소화된다. 따라서 각속도 신호 VR은 잡음없이 각속도 입력 Ωx(t)에 비례하는 VRo 성분만을 가지게 된다. 또한 수평 자기 발진각 α의 값을 π/2 라디안 이외의 값으로 하여 자기발진부 구성이 가능하게 된다. 즉, 수평 자기 발진각 α의 값은 π/2 라디안 미만의 값을 가질 수 있다.That is, to obtain the maximum signal-to-noise ratio (SNR), the horizontal self-oscillation angle α = π / 4-φ o radians, the first demodulation phase Ψ 1 = π / 4 radians, and the second demodulation phase Ψ 2 = -π / Most preferably, it has a value of 4 radians. At this time, the bias component of the angular velocity signal V R is minimized, and thus the drift component is minimized. Therefore, the angular velocity signal V R has only a V Ro component proportional to the angular velocity input Ω x (t) without noise. The self-oscillation section can be configured by setting the value of the horizontal self-oscillation angle α to a value other than π / 2 radians. That is, the value of the horizontal self oscillation angle α may have a value less than π / 2 radians.
본 발명의 내용을 검증하기 위하여 진동형 자이로스코프의 수학적 모델을 이용하여 모의 실험을 수행하였다. In order to verify the contents of the present invention, a simulation was performed using a mathematical model of a vibratory gyroscope.
도 6(a) 내지 6(e)는 도 1 및 도 5에 도시된 신호 처리 장치의 각 부의 출력 파형도이다. 여기서, 본 실험에 사용된 각 변수의 값은, 수평 방향의 퀄리티 팩터 Qy = 5,000, 수평 방향의 고유진동수 fy = 5,000[Hz], 수직 방향의 퀄리티 팩터 Qz = 500, 수직 방향의 고유진동수 fz = 5,100[Hz], 자이로스코프의 관성 질량 m = 2 X 10-7 [kg], 수평 방향 진동의 진폭 yo = 10 [μm], 회전 각속도의 진폭 Rm = 1 [deg/sec], 회전 각속도의 주파수 fR = 5 [Hz]로 하였다. 6 (a) to 6 (e) are output waveform diagrams of respective parts of the signal processing apparatus shown in FIGS. 1 and 5. Here, the value of each variable used in this experiment is the horizontal quality factor Q y = 5,000, the horizontal natural frequency f y = 5,000 [Hz], the vertical quality factor Q z = 500, the vertical unique Frequency f z = 5,100 [Hz], gyroscope inertial mass m = 2 X 10 -7 [kg], horizontal vibration amplitude y o = 10 [μm], rotational angular velocity R m = 1 [deg / sec ] And the frequency of rotational angular velocity f R = 5 [Hz].
도 6(a)는 각속도 입력 Ωx(t), 도 6(b)는 코리올리 힘에 의한 용량 변화 Cz(t), 도 6(c)는 잡음이 첨가된 수직 변위 신호 Vcz(t), 도 6(d)는 도 1에 도시된 종래의 신호 처리 장치에서의 각속도 신호 VR(t), 그리고 도 6(e)는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 신호 처리 장치에서의 각속도 신호 VR(t)를 각각 나타낸 것이다. Fig. 6 (a) shows the angular velocity input Ω x (t), Fig. 6 (b) shows the capacitance change C z (t) due to Coriolis force, and Fig. 6 (c) shows the vertical displacement signal Vc z (t) with noise added. 6 (d) is an angular velocity signal V R (t) in the conventional signal processing apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 6 (e) is an angular velocity signal in the signal processing apparatus according to the present invention shown in FIG. V R (t) is shown, respectively.
도 6(d)를 참조하면, 종래의 신호 처리 장치에 의한 각속도 신호 VR(t)는 어느 정도 각속도 입력에 대한 출력 특성을 나타내기는 하나, 1.28 볼트의 바이어스를 가지는 것을 알 수 있다. 반면, 도 6(e)를 참조하면, 본 발명의 신호 처리를 적 용한 결과 바이어스 성분 없이 정확히 0을 기준으로 교번하며 도 6(a)의 각속도 입력 Ωx(t)를 추종하는 각속도 신호를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 (d), it can be seen that the angular velocity signal V R (t) by the conventional signal processing apparatus exhibits an output characteristic with respect to the angular velocity input to some extent, but has a bias of 1.28 volts. On the other hand, referring to FIG. 6 (e), the result of applying the signal processing of the present invention results in an angular velocity signal alternately based on zero without a bias component and following the angular velocity input Ω x (t) of FIG. 6 (a). It can be seen that.
본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터(정보 처리 기능을 갖는 장치를 모두 포함한다)가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이타 저장장치 등이 있다. The present invention can be embodied as code that can be read by a computer (including all devices having an information processing function) in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable recording devices include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
본 발명에 의한 진동형 자이로스코프의 신호 처리 장치 및 방법에 의하면, 복조위상각의 차이를 가지는 2개의 복조위상신호를 생성하여 그 차분으로 각속도 신호를 생성함으로써, 잡음에 의한 바이어스 성분, 특히 수직 변위 신호와 같은 주파수 대역을 가지는 구동 신호와 복조위상신호 등에 의한 잡음 성분을 효과적으로 억제할 수 있고, 바이어스 성분을 줄임으로서 시간에 따라 표류하는 드리프트 성분을 줄일 수 있다. 이들 잡음 성분을 줄임으로 인해 신호 대 잡음비(SNR)를 최대로 할 수 있으며, 또한 이러한 기생 용량을 최소화할 수 있어 간단한 실장이 가능하다. According to the vibration processing gyroscope signal processing apparatus and method of the present invention, by generating two demodulation phase signals having a difference in the demodulation phase angle and generating an angular velocity signal with the difference, the bias component caused by noise, in particular the vertical displacement signal Noise components due to the drive signal and the demodulation phase signal having the same frequency band as described above can be effectively suppressed, and the drift component drifted with time can be reduced by reducing the bias component. By reducing these noise components, the signal-to-noise ratio (SNR) can be maximized, and the parasitic capacitance can be minimized to simplify implementation.
또한 수평 자기 발진각 α의 값을 π/2 라디안 이외의 값으로 하여 자기 발진부를 구성할 수 있으므로, 구동신호 VD의 위상각에 제한을 받지 않게 된다.In addition, since the self-oscillation unit can be configured by setting the value of the horizontal self-oscillation angle α to a value other than π / 2 radians, the phase angle of the drive signal V D is not limited.
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020010065669A KR100846481B1 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020010065669A KR100846481B1 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20030033600A KR20030033600A (en) | 2003-05-01 |
KR100846481B1 true KR100846481B1 (en) | 2008-07-17 |
Family
ID=29566135
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020010065669A KR100846481B1 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100846481B1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013147390A1 (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-03 | 한국기초과학지원연구원 | Demodulation device, and demodulation integrated circuit and modulation and demodulation integrated circuit using same |
KR101331917B1 (en) * | 2012-11-22 | 2013-11-25 | 한국기초과학지원연구원 | Demodulating apparatus, demodulating ic and modem ic in using the same |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101303671B1 (en) * | 2012-03-28 | 2013-09-04 | 한국기초과학지원연구원 | Demodulating apparatus using spin device |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100373484B1 (en) * | 2000-01-27 | 2003-02-25 | 국방과학연구소 | vibrating micromachined gyroscope |
-
2001
- 2001-10-24 KR KR1020010065669A patent/KR100846481B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100373484B1 (en) * | 2000-01-27 | 2003-02-25 | 국방과학연구소 | vibrating micromachined gyroscope |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013147390A1 (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-03 | 한국기초과학지원연구원 | Demodulation device, and demodulation integrated circuit and modulation and demodulation integrated circuit using same |
KR101331917B1 (en) * | 2012-11-22 | 2013-11-25 | 한국기초과학지원연구원 | Demodulating apparatus, demodulating ic and modem ic in using the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20030033600A (en) | 2003-05-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6675630B2 (en) | Microgyroscope with electronic alignment and tuning | |
US7481111B2 (en) | Micro-electro-mechanical sensor with force feedback loop | |
JP4688073B2 (en) | Six-degree-of-freedom micro-processing multi-sensor | |
JP4690652B2 (en) | Micro electro mechanical system | |
US6964195B2 (en) | Micromachined vibratory gyroscope and method with electronic coupling | |
JP4331211B2 (en) | Method to reduce bias error in vibrating structure gyroscope | |
US6360601B1 (en) | Microgyroscope with closed loop output | |
US6445195B1 (en) | Drive feedthrough nulling system | |
US9869552B2 (en) | Gyroscope that compensates for fluctuations in sensitivity | |
US6467346B1 (en) | Coriolis sensor interface | |
JPH11132771A (en) | Signal processing system for inertia sensor | |
JP2003531359A (en) | Vibrating micro gyroscope | |
CN111024056A (en) | High-dynamic-input MEMS gyroscope bandwidth expansion closed-loop control method | |
KR100846481B1 (en) | Signal processing apparatus for a vibratory gyroscope with high SNR and method thereof | |
KR100203315B1 (en) | Two axis navigation grade micromachined rotation sensor system | |
US11493534B1 (en) | Continuous online self-calibrating resonant FM microelectromechanical systems (MEMS) accelerometer | |
RU2308682C1 (en) | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope | |
CN108318019B (en) | Method for measuring three-axis angular velocity of micro-mechanical single-vibrator three-axis gyroscope | |
JP2000503756A (en) | 2-axis navigation grade micro-machined rotation sensor system | |
US6611170B2 (en) | Angular rate amplifier with noise shield technology | |
RU2316731C1 (en) | Method for adjusting resonance frequency of mobile mass suspension of micro-mechanical gyroscope with deep check connection on basis of speed of movement of mobile mass along secondary oscillations axis and a micro-mechanical gyroscope | |
RU2279634C2 (en) | Micromechanical gyroscope | |
CN108332733B (en) | Driving and detecting device of micro-mechanical single-vibrator three-axis gyroscope | |
RU2289100C1 (en) | Method of measuring angular velocity and micrometric gyroscope | |
Song et al. | Design of a gimbal-structured micro gyroscope and signal processing part |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E90F | Notification of reason for final refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130624 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140701 Year of fee payment: 7 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |