KR20160086748A - 인-시투 바이어스 자가-교정을 갖는 고대역폭 코리올리 진동식 자이로스코프(cvg) - Google Patents

인-시투 바이어스 자가-교정을 갖는 고대역폭 코리올리 진동식 자이로스코프(cvg) Download PDF

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Abstract

본원에서는, 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 바이어스 측정치들을 획득하는 단계; 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계; 결정된 제1 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및 프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

인-시투 바이어스 자가-교정을 갖는 고대역폭 코리올리 진동식 자이로스코프(CVG){HIGH BANDWIDTH CORIOLIS VIBRATORY GYROSCOPE (CVG) WITH IN-SITU BIAS SELF-CALIBRATION}
[001] 본 개시물은 일반적으로 코리올리 진동식 자이로스코프들에 관한 것이고, 특히, 코리올리 진동식 자이로스코프들의 바이어스를 전자적으로 보상하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
[002] 방향을 측정하고 그리고/또는 유지시키기 위해 자이로스코프들이 사용된다. 본원에 사용된 바와 같이, "자이로스코프"는, 관성 기준 프레임(inertial frame of reference)에 대해 오브젝트의 각운동을 검출 및 측정하도록 구성된 센서이다. 추가로, 본원에 사용된 바와 같이, "관성 기준 프레임"은 가속화되지 않은 축들의 세트 또는 좌표계일 수 있다. 다시 말해, 관성 기준 프레임은, 뉴턴의 운동 제1 법칙이 참인 기준 프레임이다. 뉴턴의 운동 제1 법칙은, 외력이 물체에 작용하지 않는 한 물체의 속도가 일정하게 유지된다는 것을 명시한다.
[003] 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG(Coriolis vibratory gyroscope)")는 제1 축을 따라서 진동하게 구동되도록 구성된다. 구동 축과 서로 정렬되지는 않은, 예컨대, 구동 축에 수직인 고정된 입력 축을 중심으로 코리올리 진동식 자이로스코프가 회전되고 있는 동안의 제1 축을 따르는 진동은 코리올리 힘을 생성하고, 이 코리올리 힘은 제2 축을 따르는 진동들을 유도한다. 이들 진동들은 측정될 수 있고, 그리고 고정된 입력 축을 중심으로 하는 코리올리 진동식 자이로스코프의 회전에 대한 각속도를 결정하는데 사용될 수 있다.
[004] 그러나, 바이어스가 각속도의 측정치들에 기여할 수 있다. 바이어스는 인자들, 이를테면, 예컨대, 제한 없이, 온도, 부품 불일치들, 및 다른 적절한 인자들로 인한 측정치들에서의 오차일 수 있다. 자이로스코프들의 제조 동안 이들 자이로스코프들의 교정은 원하는 것보다는 덜 정확할 수 있다.
[005] 예컨대, 제조 프로세스들 동안의 이들 자이로스코프들의 교정은 실질적으로 실시간의 데이터에 비해 테스트 데이터를 사용할 수 있다. 특히, 이들 교정 기술들은, 자이로스코프가 동작되고 있는 환경의 온도의 영향들 및/또는 자이로스코프가 제조된 때로부터 시간이 흐르면서 발생할 수 있는 불일치들을 고려하지 않을 수 있다. 추가로, 이러한 바이어스를 보상하기 위한 몇몇 현재 이용 가능한 시스템들은 이들 진동 측정치들로부터의 바이어스를 선택된 허용오차들 내로 감소시키지 못할 수 있다.
[006] 그러므로, 위에서 논의된 쟁점들뿐만 아니라 어쩌면 다른 쟁점들 중 하나 또는 그 초과를 고려하는 방법 및 장치를 갖는 것이 바람직할 것이다.
[007] 본 개시물의 양상들에 따라, 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법이 개시된다. CVG는, 진동식 부재, 제어기, 진동식 부재에 커플링되고 CVG의 구동 축을 중심으로 배열된 제1 작동기, 및 진동식 부재에 커플링되고 CVG의 감지 축을 중심으로 배열된 제2 작동기를 포함하고, 모달 기준 프레임에서 구동 축과 감지 축은 서로 직교하고, 제1 작동기 제어 신호와 제2 작동기 제어 신호는, 자동 이득 제어("AGC(automatic gain control)") 모드와 재평형 힘 ("FTR(force-to-rebalance)") 모드 사이에서 스위칭되도록 동작 가능하다. 방법은, CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 바이어스 측정치들을 획득하는 단계; 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계; 결정된 제1 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및 프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
[008] 몇몇 양상들에서, 방법은, 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계; 결정된 제2 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및 계산된 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 더 포함한다.
[009] 몇몇 양상들에서, 방법은, 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계를 더 포함한다.
[0010] 몇몇 양상들에서, 신호는 제1 작동기 제어 신호와 제2 작동기 제어 신호를 스위칭하도록 동작 가능하다.
[0011] 몇몇 양상들에서, 제1 바이어스는, 제2 축 및 제1 축 상에서 동작하는 FTR 모드로부터의 FTR 측정치들에 기초하여 계산된다.
[0012] 몇몇 양상들에서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 AGC 모드로부터 FTR 모드로의 전이이고, 방법은, 최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
[0013] 몇몇 양상들에서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 FTR 모드로부터 AGC 모드로의 전이이고, 방법은, 새로운 평균 바이어스로부터 최종 계산된 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
[0014] 몇몇 양상들에서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, AGC 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치로부터 바이어싱된 관성 회전 레이트를 감산하는 단계를 더 포함한다.
[0015] 몇몇 양상들에서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, FTR 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치에 바이어싱된 관성 회전 레이트를 가산하는 단계를 더 포함한다.
[0016] 몇몇 양상들에서, 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")가 개시되고, 이 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")는 진동식 부재; 제어기; 진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, CVG의 구동 축을 중심으로 배열되며, 제어기로부터 제어 신호를 획득하도록 그리고 진동식 부재로 하여금 제1 오실레이션 모드에서 진동하게 하고 이를 유지시키는데 충분한 전압을 제공하도록 동작 가능한 제1 작동기; 및 진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, CVG의 감지 축을 중심으로 배열되며, 회전 축을 중심으로 하는 CVG의 회전에 의해 유발되는, 진동식 부재의 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 검출하도록 그리고 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 널링(nulling)시키는데 충분한 카운터-밸런싱 신호를 제공하도록 동작 가능한 제2 작동기를 포함하며, 모달 기준 프레임에서 감지 축은 구동 축에 직교하고, 제어기는, CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계; 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 바이어스 측정치들을 획득하는 단계; AGC 모드와 FTR 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계; 결정된 제1 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및 프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
[0017] 몇몇 양상들에서, 제어기는 추가로, 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계; 결정된 제2 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및 계산된 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
[0018] 몇몇 양상들에서, 제어기는 추가로, 주어진 축의 AGC 모드와 FTR 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
[0019] 몇몇 양상들에서, 신호는 제1 작동기 제어 신호와 제2 작동기 제어 신호를 스위칭하도록 동작 가능하다.
[0020] 몇몇 양상들에서, 제1 바이어스는, 제2 축 및 제1 축 상에서 동작하는 FTR 모드로부터의 FTR 측정치들에 기초하여 계산된다.
[0021] 몇몇 양상들에서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 AGC 모드로부터 FTR 모드로의 전이이고, 방법은, 최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
[0022] 몇몇 양상들에서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 FTR 모드로부터 AGC 모드로의 전이이고, 방법은, 새로운 평균 바이어스로부터 최종 계산된 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
[0023] 몇몇 양상들에서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, AGC 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치로부터 바이어싱된 관성 회전 레이트를 감산하는 단계를 더 포함한다.
[0024] 몇몇 양상들에서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, FTR 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치에 바이어싱된 관성 회전 레이트를 가산하는 단계를 더 포함한다.
[0025] 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면들은, 본 교시들의 실시예들을 예시하고, 그리고 본 설명과 함께, 본 교시들의 원리들을 설명하는데 기여한다. 도면들에서:
[0026] 도 1은 예시적 실시예에 따른 자이로스코프에 대한 기능 모델의 예시이다;
[0027] 도 2는 예시적 실시예에 따른 자이로스코프에 대한 엘리먼트의 궤도의 예시이다;
[0028] 도 3은 본 교시들에 따른, 예시적 CVG 모델을 도시한다;
[0029] 도 4a-도 4d는 본 교시들에 따라, 2번째 모드 작동/픽오프 오정렬을 정정하는데 사용될 수 있는, CVG의 구동 축 및 감지 축에 대한 예시적 모드 스위칭을 도시한다.
[0030] 도 5a-도 5c는 본 교시들에 따라, 모드 스위칭을 위한 예시적 시간 시퀀스를 도시한다;
[0031] 도 6은 본 교시들에 따라, 자이로스코프의 바이어스를 결정하기 위해 모드 스위칭을 사용하여 자이로스코프 출력을 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한다; 그리고
[0032] 도 7은 본 교시들에 따라, 바이어스 보상에 대한 모드 스위치를 제공하기 위한 CVG 제어에 대한 예시적 폐루프 제어 루프를 도시한다.
[0033] 이제, 본 교시들의 예시적 실시예들이 상세히 언급될 것이며, 예시적 실시예들은 첨부된 도면들에서 예시된다. 가능하다면, 도면들 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부분들을 나타내기 위해 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다.
[0034] CVG들 성능을 개선시키기 위한 결정적인 작업들 중 하나는, CVG 구조의 기계적 및 전자적 트리밍(trimming)이다. 재료 비-균일성, 매스 프로퍼티 불균형(mass property imbalance), 구조 형상 오차들, 및 작동/감지 디바이스 배치 오차들 전부가 강성도(stiffness) 비대칭성 및 주축 오정렬들에 기여할 수 있다. 재료 댐핑 및 잔류 공기로 유도되는 댐핑 비대칭성은, CVG 댐핑 비대칭성 및 주축 오정렬들에 기여할 수 있다. 열적 조건들 및 히스테리시스가 그러한 불일치들을 시간 가변적 오차들로 만들 수 있고, 공장 교정만으로는 만족스럽게 되기가 어렵게 만들 수 있다. 본 특허에서, 우리는 자가-교정을 위해 CVG의 모달 스위칭의 몇몇 고유한 특성들을 활용할 것이다. 특히, 우리는, CVG의 대역폭을 열화(degrade)시키지 않는, CVG 바이어스 인-시투(in-situ) 및 실시간 자가-교정을 위한 방법들을 찾는데 관심이 있다.
[0035] 통상적인 CVG는, 재평형 힘(FTR) 루프가 관성 레이트를 검출하는 동안, 일정한 모드 진동을 유지시키기 위해 자동 이득 제어(AGC) 루프를 사용한다. 다양한 인자들이 자이로 바이어스에 기여하는데, 이 자이로 바이어스는 통상적으로, 외부 도움을 사용하여 교정된다. 이에 따라, 본 개시물은, 특정한 원인 제공자들로부터의 바이어스의 부호(sign)를 반전시키기 위해 CVG의 모드 스위칭(또는 반전)을 사용하는 CVG를 설명하고, 그리고 자가-교정된 바이어스와 네이티브 CVG 대역폭에서의 자이로 출력(감지된 관성 레이트)을 동시에 생성하기 위한 방법을 설명한다. 방법은, 어떠한 외부 도움도 요구하지 않으며, 지정된 자이로 교정 시간 동안이나 또는 인-시투 동작 동안이나 사용될 수 있고, 코리올리 진동식 자이로스코프의 네이티브 대역폭을 유지시킨다. 일반적으로, 자가-교정된 바이어스와 네이티브 코리올리 진동식 자이로스코프 대역폭에서의 자이로 출력(감지된 관성 레이트)을 동시에 생성하기 위한 본 방법은, 미리결정된 시간 간격들로 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이에서 스위칭하는 단계, 모드 스위칭이 발생할 때마다 새로운 바이어스 추정치를 계산하는 단계, 및 원시(raw) 자이로 측정치들과 새로운 및 지속적으로 업데이트된 바이어스 추정치 전부를 사용하여, 자이로 출력을 계산하는 단계를 포함할 것이다.
[0036] 일반적으로, 자이로스코프 센서는 오브젝트의 회전 레이트를 측정한다. 진동 자이로스코프들은 통상적으로, 각도 레이트 센서들로서 기능하기 위하여 공진 시 구동된다. 이 방향은 구동 방향으로 지칭된다. 디바이스가 회전 축을 따라서 회전될 때, 코리올리 힘이 감지 방향에서 공진 모드로 유도된다. 감지 방향은 구동 축 및 회전 축 둘 다에 직교한다. 따라서, 자이로스코프는, 제1 자유도가 구동 방향이고, 제1 자유도에 직교하는 제2 자유도가 감지 방향인 2-자유도(2 DOF(two-degrees-of freedom)) 매스 스프링 댐퍼 시스템으로서 보일 수 있다.
[0037] 이제, 도 1을 참조하면, 예시적 실시예에 따라, 자이로스코프에 대한 기능 모델의 예시가 도시된다. 이 예시적 예에서, 모델(100)은 엘리먼트(102) 및 프레임(103)을 포함한다. 물론, 다른 예시적 예들에서는, 모델(100)이 도 1에 설명된 컴포넌트들 이외에도 자이로스코프에 대한 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
[0038] 엘리먼트(102)는 x-축(106) 방향을 따르는 스프링들(104)의 제1 세트에 의해 프레임(103)과 연관된다. 엘리먼트(102)는 y-축(110) 방향을 따르는 스프링들(108)의 제2 세트에 의해 프레임(103)과 연관된다. 도시된 바와 같이, x-축(106) 및 y-축(110)은 평면(112)을 형성하는데 사용된다. 엘리먼트(102)는 엘리먼트(102)에 대한 다수의 공진 주파수들에서 진동 또는 공진하도록 구성될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 공진 주파수들의 개수는 실질적으로, 엘리먼트(102)에 대한 고유 주파수(natural frequency)들의 개수와 동일할 수 있다. 고유 주파수들의 개수 중 일 고유 주파수는, 실질적으로 연속적인 외력이 엘리먼트(102)에 적용되고 있지 않을 때 엘리먼트(102)가 특정한 축을 따라서 진동하는 주파수일 수 있다. 이 예시적 예에서, 엘리먼트(102)는 몇몇 예시적 예들에서는 공진기 또는 "프루프 매스(proof mass)"로 지칭될 수 있다.
[0039] 엘리먼트(102)는 x-축(106)을 따라서 제1 고유 주파수에서 진동할 수 있다. 추가로, 엘리먼트(102)는 y-축(110)을 따라서 제2 고유 주파수에서 진동할 수 있다. 구현에 따라, 제1 고유 주파수는 제2 고유 주파수와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. x-축(106)을 따르는 엘리먼트(102)의 진동이 제1 모드일 수 있는 반면에, y-축(110)을 따르는 엘리먼트(102)의 진동은 제2 모드일 수 있다. 제1 모드 및 제2 모드는, 예컨대, 구동 모드 및 감지 모드로 각각 지칭될 수 있다.
[0040] 이 예시적 예에서, 엘리먼트(102)는 프레임(103)의 이동과는 독립적으로 x-축(106) 및/또는 y-축(110)을 따라서 진동할 수 있다. 특히, 스프링들(104)의 제1 세트 및 스프링들(108)의 제2 세트는, 프레임(103)의 이동과는 독립적으로 엘리먼트(102)가 x-축(106) 및 y-축(110)을 따라서 이동하도록 허용할 수 있다.
[0041] 이 예시적 예에서, 엘리먼트(102)의 운동은 평면(112) 내로 제한된다. 일 예시적 예에서, 제어 유닛(130)은, x-축(106) 방향을 따라서 진동하도록 엘리먼트(102)를 구동할 수 있다. 프레임(103)은, 평면(112)에 실질적으로 수직인 z-축(111)을 중심으로 회전될 수 있다. 엘리먼트(102)가 x-축(106) 방향을 따라서 이동되는 동안 z-축(111)을 중심으로 하는 프레임(103)의 회전은, 코리올리 힘을 생성하고, 이 코리올리 힘은 이 엘리먼트(102)로 하여금 y-축(110) 방향을 따라서 진동하게 한다.
[0042] 예컨대, 도 1을 참조하면, 프레임(103)이 z-축(111)을 중심으로 화살표(116) 방향으로 회전되는 동안 엘리먼트(102)가 화살표(114) 방향으로 x-축(106)을 따라서 이동된다면, 엘리먼트(102)는 화살표(118) 방향으로 y-축(110)을 따라서 이동될 수 있다. 프레임(103)이 z-축(111)을 중심으로 화살표(116) 방향으로 회전되는 동안 엘리먼트(102)가 화살표(120) 방향으로 x-축(106)을 따라서 이동된다면, 엘리먼트(102)는 화살표(122) 방향으로 y-축(110)을 따라서 이동될 수 있다.
[0043] 유사하게, 프레임(103)이 z-축(111)을 중심으로 화살표(124) 방향으로 회전되는 동안 엘리먼트(102)가 화살표(114) 방향으로 x-축(106)을 따라서 이동된다면, 엘리먼트(102)는 화살표(122) 방향으로 y-축(110)을 따라서 이동될 수 있다. 프레임(103)이 z-축(111)을 중심으로 화살표(124) 방향으로 회전되는 동안 엘리먼트(102)가 화살표(120) 방향으로 x-축(106)을 따라서 이동된다면, 엘리먼트(102)는 화살표(118) 방향으로 y-축(110)을 따라서 이동될 수 있다.
[0044] 제어 유닛(130)은 제2 축, 즉, y-축(110)을 따르는 엘리먼트(102)의 진동들의 진폭이 실질적으로 제로가 되게 하기 위해 하나 또는 그 초과의 힘 재평형 신호들을 사용한다. 다시 말해, 제어 유닛(130)은, 제1 모드 운동으로부터 코리올리 커플링으로 인한 측정된 제2 모드 운동에 기초하여, 제2 축, 즉, y-축(110)을 따르는 엘리먼트(102)의 이동을 실질적으로 무효로 하기 위해 하나 또는 그 초과의 힘 재평형 신호들을 사용한다. 제어 유닛(130)은 하나 또는 그 초과의 힘 재평형 신호들의 하나 또는 그 초과의 측정치들을 생성한다. 힘 재평형 신호들의 하나 또는 그 초과의 측정치들은 각속도를 결정하는데 사용될 수 있다.
[0045] 자이로스코프의 바이어스가 하나 또는 그 초과의 측정치들에 기여할 때, 하나 또는 그 초과의 측정치들은 원해지는 것보다 덜 정확할 수 있다. 바이어스는 자이로스코프에 대한 오차이다. 예컨대, 바이어스는 하나 또는 그 초과의 측정치들과, 실제로 생성되어야 하는 하나 또는 그 초과의 측정치들 간의 차이일 수 있다. 각속도가 실질적으로 제로일 때, 바이어스는 하나 또는 그 초과의 측정치들에 대한 원인 제공일 수 있다. 이러한 방식으로, 바이어스는 제로-레이트 바이어스로 지칭될 수 있다. 바이어스는 다수의 상이한 인자들에 의해 유발될 수 있다. 이들 인자들은, 예컨대, 온도, 엘리먼트(102)에 대한 상이한 컴포넌트들의 제작 시의 불일치들, 엘리먼트(102)의 특징들, 자이로스코프의 감지 시스템의 특징들, 제어 유닛(130)의 특징들, 및 다른 적절한 인자들을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 또한, 이들 인자들은, 두 개의 댐핑 주축들과 강성도 주축들 사이의 댐핑 및 강성도 비대칭성, 공칭 구동 축 및 감지 축 정렬, 제1 축 및 제2 축과 상이하다면 구동 축 및 감지 축 내에서의 작동/픽오프 축 오정렬들, 및/또는 다른 적절한 타입들의 비대칭성을 포함할 수 있다.
[0046] 보상 시스템(136)은 바이어스를 전자적으로 보상하는데 사용될 수 있다. 보상 시스템(136)은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이 둘의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 보상 시스템(136)은 컴퓨터 시스템(138) 내에 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(138)은 다수의 컴퓨터들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(138)이 하나보다 많은 컴퓨터를 포함할 때, 이들 컴퓨터들은 서로 통신할 수 있다.
[0047] 이제, 도 2를 참조하면, 예시적 실시예에 따라, 자이로스코프에 대한 엘리먼트의 궤도의 예시가 도시된다. 이 예시적 예에서, 엘리먼트, 예컨대, 도 1의 엘리먼트(102)의 궤도(200)가 x-축(202) 및 y-축(204)에 대해 도시된다. x-축(202)은 도 1의 x-축(106)과 동일하다. y-축은 도 1의 y-축(110)과 동일하다.
[0048] 엘리먼트(102)는 x-축(202)과 y-축(204)의 교차 지점에 있는 원점(205)을 중심으로 오실레이팅할 수 있다. 엘리먼트(102)의 오실레이션은 진자-타입 동작(pendulum-type behavior)의 뒤를 이을 수 있다. 이러한 방식으로, 궤도(200)는 이 예시적 예에서 진자 궤도일 수 있다.
[0049] 궤도(200)에 대한 파라미터들은 진자 각도(206), 주요 진폭(208), 직각 진폭(210), 및 위상(212)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 진자 각도(206), 즉
Figure pat00001
은 x-축(202)에 대한 각도이고, 그리고 x-축(202)에 대한 축을 정의하는데, 이 축을 따라 엘리먼트(102)가 진동할 수 있다. 주요 진폭(208), 즉
Figure pat00002
은 진자 각도(206)에 의해 정의된 축을 따르는 엘리먼트(102)에 대한 진동들의 진폭이다.
[0050] 직각 진폭(210), 즉
Figure pat00003
은 진자 각도(206)에 의해 정의된 축에 직각인 축을 따르는 엘리먼트(102)에 대한 진동들의 진폭이다. 다시 말해, 직각 진폭(210)은 진자 각도(206)에 의해 정의된 축에 실질적으로 직교하는 축을 따르는 엘리먼트(102)에 대한 진동들의 진폭이다. 추가로, 위상(212), 즉
Figure pat00004
은 궤도(200)에 대한 위상이다.
[0051] 제어 유닛, 예컨대, 도 1의 제어 유닛(130)은 진자 각도(206), 주요 진폭(208), 직각 진폭(210), 및 위상(212)을 제어하기 위해 도 1의 엘리먼트(102) 및/또는 프레임(103)에 적용되는 외력 컴포넌트들을 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제어 유닛은 엘리먼트(102) 상에 가해지는 힘들을 제어하여, 이들 힘들이 엘리먼트(102)에 대한 고유 주파수의 위상과 동일한 위상을 갖게 할 수 있다.
[0052] 추가로, 자이로스코프의 동작 동안 주요 진폭(208), 즉
Figure pat00005
가 임의의 댐핑 힘들에 반대하여 실질적으로 일정하게 유지되도록, 제어 유닛은 엘리먼트(102) 상에 가해지는 힘들을 제어할 수 있다. 주요 진폭(208), 즉
Figure pat00006
가 댐핑 때문에 감소하는 레이트는
Figure pat00007
에 비례하는데, 여기서 τ는 댐핑 시간 상수이다. 부가하여, 자이로스코프의 동작 동안 진자 각도(206) 및 직각 진폭(210)이 선택된 허용오차들로 실질적으로 제로로 유지되도록, 제어 유닛은 엘리먼트(102) 상에 가해지는 힘들을 제어할 수 있다.
[0053] 도 3은 본 교시들에 따른 예시적 CVG 모델을 도시한다. 제1 좌표계에서, +x는 오른쪽을 향하고, +y는 위쪽을 향하며, +z는 면의 안에서 밖으로 향한다(회전 축이다). 모달 공간(모달 기준 프레임 또는 모달 좌표계로서 또한 알려짐)에서 모달 좌표들(일반화된 또는 주요 좌표들로서 또한 알려짐)로 표현된 CVG 모델이 도시되는데, 여기서 구동(x-축)을 중심으로 하는 진동 모드, 즉 ω1 및 감지(y-축)를 중심으로 하는 CVG의 회전의 결과로서 초래되는 진동 모드, 즉 ω2은 90°만큼 오프셋된다. 물리적 공간(미도시)에서는, 두 개의 진동 모드들, 즉 ω1 및 ω2이 45°만큼 오프셋될 것이다. 예컨대, 구동 및 감지 축들의 공칭 축들은 구동 및 감지 축들의 픽오프 축들로서 정의될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, CVG는 2 DOF 매스 스프링 댐퍼 시스템으로서 표현될 수 있다. (
Figure pat00008
및
Figure pat00009
으로 표현된) 댐핑된 시스템 때문에, CVG는 일정한 진동 모드에서 진동하는 CVG의 진동 부재를 유지시키기 위한 입력 힘을 요구한다. 구동 축 주위의 작동기들이 이러한 필요한 입력을 제공한다. 폐-루프 FTR 제어를 이용하여, 감지 축 주위의 작동기들은 각속력에 관련된 정보를 포함한다. CVG가 z-축을 중심으로 하는 회전을 겪고 있지 않을 동안, 진동 부재의 진동은 ω1 방향으로 유지되는 경향이 있다. 그러나, CVG가 회전한다면, ω1 방향으로의 진동은 ω2 방향으로 커플링되는 경향이 있고, 이후, 이는 감지 축 주위에 위치된 센서에 의해 검출될 수 있다. 부가하여 또는 대안적으로, 회전 레이트가 프로세스에 의해 측정될 수 있고, 이 프로세스에서 ω2 운동을 제로 아웃(zero out)하기 위한 제어 신호(재평형 힘)가 제공되고 이 제어 신호는 ω2 방향으로의 힘에 반대이다. 제조 동안 ω1 및 ω2가 가능한 한 가까이 있게, 예컨대, 서로 약 5% 내, 또는 3% 내, 또는 2% 내, 또는 1% 내에 있게 만들어지도록 CVG가 설계될 수 있다. CVG의 다양한 작동기들의 어레인지먼트에서의 내재적인 어려움들 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 작동기들에 제공되는 AGC(
Figure pat00010
)에 대한 힘은 구동 축의 픽오프 방향으로부터 오프셋된다. 마찬가지로, 도 3에 또한 도시된 바와 같이, FTR(
Figure pat00011
)이 또한, 감지 축의 픽오프 방향으로부터 오프셋된다.
[0054] 도 4a-도 4d는 본 교시들에 따라, 바이어스를 추정하는데 사용될 수 있는 CVG의 구동 축 및 감지 축에 대한 예시적 모드 스위칭을 도시한다. 도 4a는 구동 축을 따르는 제1 진동 모드(ω1)(AGC)를 도시하고, 도 4b는 감지 축을 따르는 제2 진동 모드(ω2)(FTR)를 도시한다. 구동 축을 따르는 작동기 및 감지 축을 따르는 작동기에 제공되는 제어 신호가 반전될 수 있어, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2 진동 모드(ω2)(FTR)가 구동 축을 따르고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제1 진동 모드(ω1)가 감지 축을 따른다.
[0055] 도 5a-도 5c는 본 교시들에 따라, 모드 스위칭을 위한 예시적 시간 시퀀스를 도시한다. 도 5a에서는,
Figure pat00012
= 0으로 표현된 제1 모드, 즉 ACG 모드와
Figure pat00013
= 90으로 표현된 제2 모드, 즉 FTR 모드 사이에서 전이되는 구형파로서 시간 시퀀스가 도시된다. 제1 동작 모드 동안, x-축은 AGC 루프에 의해 제어되는 구동 축으로서 동작하고 있고, y-축은 FTR 루프에 의해 제어되는 감지 축으로서 동작하고 있다. 제2 동작 모드 동안, y-축은 AGC 루프에 의해 제어되는 구동 축으로서 동작하고 있고, x-축은 FTR 루프에 의해 제어되는 감지 축으로서 동작하고 있다. 각각의 모드의 시간 기간, 즉 T는, 각각의 모드에 대해 동일하다(일반적으로, 그들은 상이할 수 있다). 도 5b에서는, 도 5a의 시간 축을 따라서, 관성 회전 레이트, Ω(t), 및 바이어스, 즉 β(t)의 플롯이 도시된다. 바이어스, 즉 β(t)는, 시간상 더욱 느리게 변하는 파라미터인 경향이 있다. 도 5c에서는, 바이어스, 즉 β(t)의 플롯이 모드 전이 카운트 값, 즉 j에 대해 +β(t)의 값과 -β(t)의 값 사이에서 도시된다.
[0056] 도 6은 자이로스코프의 바이어스를 결정하기 위해 모드 스위칭을 사용하여 자이로스코프 출력을 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한다. 방법(600)은 605에서 시작하는데, 여기서 초기
Figure pat00014
가 획득된다. 610에서, 최종 스위치 기간(T)의 평균 원시 측정치가 획득된다. 615에서, 스위치 시간이 발생했는지의 여부에 관한 결정이 이루어진다. 615에서의 결정이 포지티브라면, 방법은 620으로 진행하는데, 여기서 최종 스위치 기간(T)의 평균 원시 측정치가 획득된다. 625에서, 스위치가 0°부터 90°가 되었는지의 여부에 관한 결정이 이루어진다. 625에서의 결정이 포지티브라면, 방법은 630으로 진행하는데, 여기서 (새롭게 계산된 평균이 0°일 경우) 바이어스 측정치는 ½ * (새로운 평균 - 최종 평균)와 동일하고, 이는 635에서 바이어스 추정기에 제공되고, 640에서 새로운 바이어스가 추정된다. 625에서의 결정이 네거티브라면, 즉 스위치가 90°부터 0°가 되었다면, 방법은 645로 진행하는데, 여기서 (새롭게 계산된 평균이 90°일 경우) 바이어스 측정치 = ½ * (최종 평균 - 새로운 평균)이고, 이는 635에서 바이어스 추정기에 제공되고, 640에서 새로운 바이어스가 추정된다. 615에서의 결정이 네거티브라면, 640로부터의 새로운 바이어스 추정치가 650에서
Figure pat00015
= 0°인지의 여부에 관한 결정에 대한 입력으로서 제공된다. 650에서의 결정이 포지티브라면, 655에서 자이로 레이트 측정치 = 원시 측정치 - 추정된 바이어스이다. 650에서의 결정이 네거티브라면, 660에서 자이로 레이트 측정치 = 원시 측정치 + 추정된 바이어스이다. 이후, 655 또는 660의 결과는 665에서 자이로 출력으로서 제공되고, 이 자이로 출력은 615에서의 스위치 시간의 결정에 대한 입력으로서 제공된다.
[0057] 도 7은 본 교시들에 따라, 바이어스 보상에 대한 모드 스위치를 제공하기 위한 CVG 제어에 대한 예시적 폐루프 제어 루프를 도시한다. CVG는, 제1 진동 모드(ω1)에서 일정한 진폭으로 진동하게 CVG의 진동 부재를 유지시키기 위해 제1 작동기에 적용되는 자동 이득 제어("AGC" 모드)에 관련된 제1 입력, 및 z-축(회전 축)을 중심으로 하는 CVG의 회전에 의해 유발되는 코리올리 효과로 인한 힘을 오프셋시키기 위해 제2 작동기에 적용되는 재평형 힘("FTR") 모드에 관련된 제2 입력을 수신한다.
[0058] 제1 입력(705)은, CVG(715)의 진동 부재로 하여금 제 1 진동 모드(ω1)에서 진동하게 하는 힘을 생성하기 위해 구동 작동기에 인가되는 전압이다. 제2 입력(710)은, z-축을 중심으로 하는 회전의 영향을 받을 때 진동 부재로 하여금 제2 진동 모드(ω2)에서 진동하게 하는 코리올리 효과에 의해 생성되는 힘에 맞대응하는 힘을 생성하기 위해 감지 작동기에 인가되는 전압이다. 전압(720)은 구동 축에 대한 픽오프에서 측정되고, 그리고 705에서 입력으로서 제공되도록, AGC(735)에 제공된다. 전압(725)은 감지 축에 대한 픽오프에서 측정되고, 그리고 710에서 입력들로서 제공되도록, FTR(740)에 제공된다. 제1 스위치(730) 및 제2 스위치(745)는 전압들(720 및 725)을 수신 및 스위칭하기 위해 그 사이에 배열될 수 있고, 이 전압들(720 및 725)은 모드 스위칭 기능을 제공하기 위해 출력된다. 구동 축에 대한 픽오프에서 측정된 전압(720)의 위상이 이상(out of phase)이라면, 위상 모듈(750)은 전압의 위상 오프셋들을 정정할 수 있다. 복조 모듈(755)은 위상 모듈(750)로부터의 위상 정보 및 FTR(740)로부터의 전압을 획득하여, 복조된 전압을 생성하고, 이후, 이 복조된 전압은 필터(760)에 의해 필터링된다. 이후, CVG의 각속도가 획득되어 출력(765)될 수 있다.
[0059] 동작 시, 진동식 부재로 하여금 제1 오실레이션 모드에서 진동하게 하고 이를 유지시키는데 충분한 전압을 제공하기 위해, 제어기로부터 제1 제어 신호가 획득될 수 있다. 이후, 회전 축을 중심으로 하는 CVG의 회전에 의해 유발되는, 진동식 부재의 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압이 검출될 수 있다. 이후, 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 널링시키는데 충분한 카운터-밸런싱 신호가 제공될 수 있다. 이후, 카운터-밸런싱 전압에 부분적으로 기초하여, CVG의 회전 레이트가 결정될 수 있다.
[0060] 스위칭 가능한 구동/픽오프 방향들을 갖는 레이트 바이어스는 하기와 같이 결정될 수 있다. 레이트 측정 바이어스 공식은 주파수 및 댐핑 비대칭성들의 경우에 결정될 수 있다. 우리가 하기와 같이 구동/픽오프 축들의 회전 각도를 도입한다면:
Figure pat00016
(1)
그리고, 회전된 측정 신호들로부터 구성되는 대응하는 제어 입력들을 하기로서 도입한다면
Figure pat00017
(2)
[0061] 회전된 제어 입력들을 갖는, 회전된 이차원 진동 방정식들은 하기가 된다
Figure pat00018
(3)
여기서, 행렬들 D 및 S는 비대칭 진동 역학(asymmetric vibratory dynamics)의 댐핑 및 강성도 행렬들로서 정의된다
Figure pat00019
[0062] 동일한 완전한 AGC 및 FTR 루프들의 아규먼트에 따라, 우리는 하기를 갖는다
Figure pat00020
(4)
[0063] 하나의 즉각적인 관찰은 하기와 같다
Figure pat00021
(5)
이는, 구동 모드와 픽오프 모드가 반전된다면 CVG의 바이어스가 자신의 부호를 또한 반전시킴을 암시하며, 이는 참조문헌 "K. Hayworth, "Continuous tuning and calibration of vibratory gyroscopes," NASA Tech Brief, Vol. 27, No. 10, 2003"에서 처음으로 관찰되었다.
[0064] 부호 스위치는, 어떠한 외부 도움 없이도, CVG 레벨에서 바이어스를 추정하는 자가-교정 방식의 가능성을 유도한다.
[0065] 실시간 레이트 바이어스 자가-교정
[0066] (3)의 넌-제로 관성 레이트 경우를 고려하라. 완전한 AGC 및 FTR을 가정하면, 구동/픽오프 회전 각도와 커플링되는 간단한 대수적 조작이 하기의 FTR 공식을 유도한다:
Figure pat00022
(6)
[0067] (진동 운동 레이트 신호
Figure pat00023
에 의해) 로우-패스 필터링된 변조된 FTR 신호는 하기가 된다
Figure pat00024
(7)
[0068] 측정된 관성 레이트는 레이트 추정치와 바이어스 항의 결합으로서 추출될 수 있고:
Figure pat00025
(8)
여기서, 하기와 같다
Figure pat00026
(9)
[0069] 댐핑 비대칭성 및 댐핑 축 오정렬 둘 다가 본질적으로, 열적 및 형상 변동들의 영향을 받을 수 있는 진공 조건들 및 CVG의 CVG 구조 레이아웃의 특성들이기 때문에, 구동 축과 픽오프 축 사이의 모드 각도 스위치를 이용한 바이어스의 부호 플립의 특징들은, 실시간 바이어스 자가-교정을 이용하여, 관성 레이트 추정치에 대해 하기의 필터 기반 추정량을 유도한다.
[0070] 바이어스 항이 느리게 변하고 있고 마르코프(Markov) 프로세스로서 모델링될 수 있음을 가정하라. 모달 반전(modal reversing) 기술과 함께, 동일한 0-도 및 90-도 스위칭 각도
Figure pat00027
길이 기간(T)을 가정하라. 평균 두 개의 연속적인 0°측정치와 90°측정치가 사용된다면, 관성 레이트 측정 바이어스는 대체로 제거될 수 있다. 평균하기 위해 요구되는 2T의 시간으로 인한 자이로 센서의 크게 감소되는 대역폭, 및 특정한 T 기간 내의, 그리고 두 개의 연속적인 스위칭 기간들 사이의 무시되는 바이어스 변동들로 인한 자이로의 감소된 정확성을 비롯해, 평균 접근법의 많은 단점들이 존재한다. 이들 단점들을 극복하기 위해, 0°기간 및 90°기간 둘 다 내의 모든 측정치들을 지속적으로 사용하는 필터 기반 추정량이 제안될 수 있다. 예로서, 바이어스가 하기와 같이 마르코프 프로세스로서 모델링될 수 있음을 가정하라
Figure pat00028
(10)
여기서, β(t)는 (9)에서 정의된 (시간-가변적) 부호-불변 트루 바이어스(true bias)이고,
Figure pat00029
은 프로세스 시간 상수이며, 그리고
Figure pat00030
은 알려진 분산, 즉
Figure pat00031
을 갖는 제로-평균 가우시안 화이트 잡음(zero-mean Gaussian white noise)이다. 샘플 시간 tk에서의 정정된 관성 레이트 측정치는 하기에 의해 주어진다
Figure pat00032
(11)
[0071] CVG로부터의 측정치들의 시간 시퀀스는, 하기와 같이 T의 각각의 스위칭 기간의 끝에서 새로운 샘플을 갖도록, 하기와 같이 배열될 수 있다. t0가 90-도
Figure pat00033
각도 스위칭 기간의 시작이라고 가정하라. 우리는 하기를 갖는다
Figure pat00034
(12)
[0072] 우리는 하기와 같이 각각의 스위칭 기간의 끝에서 바이어스의 측정치들을 배열할 수 있다:
Figure pat00035
(13)
[0073] 이후, 바이어스 측정 샘플들에 기초한 바이어스의 추정량이 구성될 수 있다.
Figure pat00036
을
Figure pat00037
에서의 바이어스의 추정치로서 표시하라. 이 시간에서의 바이어스의 예측은 하기와 같다
Figure pat00038
(14)
[0074] 바이어스의 측정치 업데이트는 하기와 같다
Figure pat00039
(15)
여기서, Kj는 고정 필터 또는 칼만(Kalman) 필터로부터의 업데이트 이득일 수 있다. 칼만 필터 설계의 경우, 바이어스의 예측되는 공분산은 하기와 같다
Figure pat00040
(16)
[0075] 업데이팅 이득은 하기와 같이 계산될 수 있고
Figure pat00041
(17)
업데이트된 공분산은
Figure pat00042
에 의해 주어진다. 프로세스 잡음 분산 Q 및 측정 잡음 분산 R은, AGC 및 FTR 루프들의 실제 구현 품질에서 측정 프로세스 및 원시 데이터를 분석함으로써 결정될 수 있다.
필터 기반 바이어스 추정량을 이용하여, 바이어스 시간 상수가 바이어스 측정 샘플 기간보다 더 긴 한, 자이로 측정치 출력은 여전히, 바이어스가 정정된 채로 높은 레이트로 이루어질 수 있다. 완전한 경우는 자이로가 정지해 있을 때(실험실 환경에 있을 때 또는 때때로 운영 동안)이고, 이때에는 트루 관성 레이트(true inertial rate)가 상수이다. 이 경우, 평균들은 완전한 바이어스 추정을 산출한다. 일반적인 경우, 동적 트루 레이트는 평균들을 변질시킬 수 있고, 바이어스 추정치를 덜 정확하게 한다.
추가로, 본 개시물은 하기의 경우들에 따른 실시예들을 포함한다:
경우 1. 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법으로서, 방법은,
CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계;
이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계;
이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 바이어스 측정치들을 획득하는 단계;
주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계;
결정된 제1 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및
프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 포함한다.
경우 2. 경우 1의 방법으로서,
주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계; 결정된 제2 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및 계산된 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계를 더 포함한다.
경우 3. 경우 1의 방법으로서, 주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계를 더 포함한다.
경우 4. 경우 3의 방법으로서, 신호는 제1 작동기 제어 신호와 제2 작동기 제어 신호를 스위칭하도록 동작 가능하다.
경우 5. 경우 1의 방법으로서, 제1 바이어스는, 구동 축 및 감지 축 상에서 동작하는 재평형 힘 모드로부터의 하나 또는 그 초과의 재평형 힘 측정치들에 기초하여 계산된다.
경우 6. 경우 1의 방법으로서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 자동 이득 제어 모드로부터 재평형 힘 모드로의 전이이고, 방법은, 최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
경우 7. 경우 1의 방법으로서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 재평형 힘 모드로부터 자동 이득 제어 모드로의 전이이고, 방법은, 새로운 평균 바이어스로부터 최종 계산된 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
경우 8. 경우 1의 방법으로서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 자동 이득 제어 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치로부터 바이어싱된 관성 회전 레이트를 감산하는 단계를 더 포함한다.
경우 9. 경우 1의 방법으로서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 재평형 힘 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치에 바이어싱된 관성 회전 레이트를 가산하는 단계를 더 포함한다.
경우 10. 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")로서,
진동식 부재;
제어기;
진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, CVG의 구동 축을 중심으로 배열되며, 제어기로부터 제어 신호를 획득하도록 그리고 진동식 부재로 하여금 제1 오실레이션 모드에서 진동하게 하고 이를 유지시키는데 충분한 전압을 제공하도록 동작 가능한 제1 작동기; 및
진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, CVG의 감지 축을 중심으로 배열되며, 회전 축을 중심으로 하는 CVG의 회전에 의해 유발되는, 진동식 부재의 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 검출하도록 그리고 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 널링(nulling)시키는데 충분한 카운터-밸런싱 신호를 제공하도록 동작 가능한 제2 작동기를 포함하며,
모달 기준 프레임에서 감지 축은 구동 축에 직교하고,
제어기는,
CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계;
이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계;
이전 모드 전이 기간으로부터 평균 바이어스 측정치들을 획득하는 단계;
자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계;
결정된 제1 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및
프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
경우 11. 경우 10의 CVG로서, 제어기는 추가로,
주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계;
결정된 제2 전이 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및
계산된 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
경우 12. 경우 10의 CVG로서, 제어기는 추가로, 주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능하다.
경우 13. 경우 12의 CVG로서, 신호는 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위해 신호를 스위칭하도록 동작 가능하다.
경우 14. 경우 10의 CVG로서, 제1 바이어스는, 구동 축 및 감지 축 상에서 동작하는 재평형 힘 모드로부터의 하나 또는 그 초과의 재평형 힘 측정치들에 기초하여 계산된다.
경우 15. 경우 10의 CVG로서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 자동 이득 제어 모드로부터 재평형 힘 모드로의 전이이고, 방법은, 최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
경우 16. 경우 10의 CVG로서, 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 재평형 힘 모드로부터 자동 이득 제어 모드로의 전이이고, 방법은, 새로운 평균 바이어스로부터 최종 계산된 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
경우 17. 경우 10의 CVG로서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 자동 이득 제어 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치로부터 바이어싱된 관성 회전 레이트를 감산하는 단계를 더 포함한다.
경우 18. 경우 10의 CVG로서, 업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 재평형 힘 모드 동안에 계산된 바이어스의 제1 추정치에 바이어싱된 관성 회전 레이트를 가산하는 단계를 더 포함한다.
[0077] 설명된 단계들은 논의된 동일한 시퀀스로 또는 동일한 분리 정도로 수행될 필요가 없다. 동일한 또는 유사한 목표들 또는 개선들을 달성하기 위하여 필요에 따라, 다양한 단계들이 생략, 반복, 결합, 또는 분할될 수 있다. 이에 따라, 본 개시물은 위에서 설명된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 대신에, 첨부된 청구항들에 의해 그들의 전체 범위의 등가물들을 고려하여 정의된다. 추가로, 위의 설명에서 그리고 하기의 청구항들에서, 달리 특정되지 않는 한, 용어 "실행하다" 및 그 변형들은, 컴파일링되든, 인터프리팅되든, 또는 다른 기술들을 사용하여 실행되든 간에, 디바이스 상의 명령들 또는 프로그램 코드의 임의의 동작에 관련되는 것으로서 해석되어야 한다.
[0078] 본 개시물은 본 출원에서 설명된 특정 실시예들에 관하여 제한되지 않을 것이며, 이 실시예들은 다양한 양상들의 예시들로서 의도된다. 당업자들에게 명백할 바와 같이, 본 출원의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고, 많은 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있다. 본원에 열거된 것들 이외에, 본 개시물의 범위 내의 기능적으로 등가의 방법들 및 장치들은, 전술된 설명들로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 이러한 수정들 및 변형들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 본 개시물은, 첨부된 청구항들의 표현들과 아울러 이러한 청구항들에 부여되는 등가물들의 전체 범위로만 제한되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어가 특정한 실시예들을 설명하는 목적만을 위한 것이고, 제한하는 것으로 의도되지 않음이 이해되어야 한다.
[0079] 본원에서 실질적으로 임의의 복수형 및/또는 단수형 용어들의 사용에 대해, 당업자들은, 맥락 및/또는 애플리케이션에 적절하게, 복수형으로부터 단수형으로 그리고/또는 단수형으로부터 복수형으로 번역할 수 있다. 본원에서는, 명료성을 위해, 다양한 단수형/복수형 치환들이 명시적으로 제시될 수 있다.
[0080] 일반적으로, 본원에서 그리고 특히 첨부된 청구항들(예컨대, 첨부된 청구항들의 본문들)에서 사용된 용어들이 일반적으로 "비제한적인" 용어들로서 의도됨이 당업자들에 의해 이해될 것이다(예컨대, 용어 "포함하는"은 "~을 포함하지만, ~로 제한되지는 않는"으로서 해석되어야 하고, 용어 "갖는"은 "적어도 ~를 갖는"으로서 해석되어야 하며, 용어 "포함한다"는 "~을 포함하지만, ~로 제한되지는 않는다"로서 해석되어야 하는 식이다). 추가로, 도입되는 청구항 인용의 특정 번호가 의도된다면, 이러한 의도는 청구항에서 명시적으로 인용될 것이고 이러한 인용의 부재시에는 이러한 의도가 존재하지 않음이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 예컨대, 이해를 돕기 위해, 하기의 첨부된 청구항들은, 청구항 인용들을 도입하기 위해, 서두 문구들 "적어도 하나" 및 "하나 또는 그 초과"의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 문구들의 사용은, 심지어 동일한 청구항이 서두 문구들 "하나 또는 그 초과" 또는 "적어도 하나" 그리고 단수형(예컨대, 단수형은 "적어도 하나" 또는 "하나 또는 그 초과"를 의미하는 것으로 해석되어야 함)을 포함할 때에도, 단수형의 청구항 인용의 도입이 이러한 도입되는 청구항 인용을 포함하는 임의의 특정한 청구항을 단 한 개의 이러한 인용을 포함하는 실시예들로 제한시킴을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 하고; 동일한 내용이, 청구항 인용들을 도입하는데 사용되는 수식어들의 사용에도 적용된다. 부가하여, 도입되는 청구항 인용의 특정 번호가 명시적으로 인용되더라도, 당업자들은, 이러한 인용이 적어도, 인용된 번호를 의미하는 것으로 해석되어야 함을 인식할 것이다(예컨대, 다른 수식어들 없이 "두 개의 인용들"의 기본적인 인용은 적어도 두 개의 인용들 또는 둘 또는 그 초과의 인용들을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 그러한 실례들에서, 일반적으로, 이러한 구성은, 당업자가 이 관례를 이해할 것이라는 의미로 의도된다(예컨대, "A, B, 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 및/또는 A, B, 그리고 C 함께 등을 갖는 시스템들을 포함할 것이지만, 이들로 제한되지는 않을 것이다.). "A, B, 또는 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 그러한 실례들에서, 일반적으로, 이러한 구성은, 당업자가 이 관례를 이해할 것이라는 의미로 의도된다(예컨대, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 및/또는 A, B, 그리고 C 함께 등을 갖는 시스템들을 포함할 것이지만, 이들로 제한되지는 않을 것이다.). 추가로, 둘 또는 그 초과의 대안적 용어들을 제시하는 사실상 임의의 이접적인 단어 및/또는 문구가, 설명에서든, 청구항들에서든, 또는 도면들에서든 간에, 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 한 쪽, 또는 용어들 둘 다를 포함할 가능성들을 고려하도록 이해되어야 함이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 예컨대, 문구 "A 또는 B"는 "A" 또는 "B" 또는 "A와 B"의 가능성들을 포함하도록 이해될 것이다.
[0081] 부가하여, 본 개시물의 특징들 또는 양상들이 마쿠쉬(Markush) 그룹들 면에서 설명되는 경우, 당업자들은, 본 개시물이 또한, 이로써 마쿠쉬 그룹의 임의의 개별 멤버 또는 서브그룹의 멤버들 면에서 설명됨을 인식할 것이다.
[0082] 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 임의의 그리고 모든 목적들을 위해, 예컨대, 서면의 설명을 제공하는 것을 고려하여, 본원에 개시된 범위들 전부가 또한, 임의의 그리고 모든 가능한 하위범위들과 그 하위범위들의 조합들을 포함한다. 임의의 열거된 범위는, 동일한 범위가 적어도 동일한 절반들, 삼분의 일들, 사분의 일들, 오분의 일들, 십분의 일들 등으로 분해됨을 충분히 설명하고 이들을 가능하게 하는 것으로서 쉽게 인식될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 본원에 논의된 각각의 범위는 하부의 삼분의 일, 중간의 삼분의 일 그리고 상부의 삼분의 일 등으로 쉽게 분해될 수 있다. 또한, 당업자에 의해 이해될 바와 같이, "최대", "적어도", "~를 초과하여", "~미만의" 등과 같은 모든 언어는 언급된 수를 포함하고, 그리고 위에서 논의된 바와 같이 추후에 하위범위들로 분해될 수 있는 범위들을 지칭한다. 마지막으로, 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 범위는 각각의 개별 멤버를 포함한다.
[0083] 다양한 양상들 및 실시예들이 본원에서 개시되었지만, 다른 양상들 및 실시예들이 당업자들에게 명백할 것이다. 본원에 개시된 다양한 양상들 및 실시예들은 예시 목적들을 위한 것이고, 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 진정한 범위 및 사상은 하기의 청구항들에 의해 표시된다.

Claims (15)

  1. 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG(Coriolis vibratory gyroscope)")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계;
    이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계;
    상기 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 바이어스 측정치들을 획득하는 단계;
    주어진 축의 자동 이득 제어 모드와 재평형 힘(force-to-rebalance) 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계;
    결정된 상기 제1 전이 및 상기 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드와 상기 재평형 힘 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계;
    결정된 상기 제2 전이 및 상기 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드와 상기 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호는 제1 작동기 제어 신호와 제2 작동기 제어 신호를 스위칭하도록 동작 가능한,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 바이어스는, 구동 축 및 감지 축 상에서 동작하는 재평형 힘 모드로부터의 하나 또는 그 초과의 재평형 힘 측정치들에 기초하여 계산되는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드로부터 상기 재평형 힘 모드로의 전이이고,
    상기 방법은,
    최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 상기 재평형 힘 모드로부터 상기 자동 이득 제어 모드로의 전이이고,
    상기 방법은,
    새로운 평균 바이어스로부터 최종 계산된 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 상기 자동 이득 제어 모드 동안에 계산된 바이어스의 상기 제1 추정치로부터 바이어싱된 관성 회전 레이트를 감산하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    업데이트된 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하는 단계는, 상기 재평형 힘 모드 동안에 계산된 바이어스의 상기 제1 추정치에 바이어싱된 관성 회전 레이트를 가산하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")의 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 결정하기 위한 방법.
  10. 코리올리 진동식 자이로스코프("CVG")로서,
    진동식 부재;
    제어기;
    상기 진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, 상기 CVG의 구동 축을 중심으로 배열되며, 상기 제어기로부터 제어 신호를 획득하도록 그리고 상기 진동식 부재로 하여금 제1 오실레이션 모드에서 진동하게 하고 이를 유지시키는데 충분한 전압을 제공하도록 동작 가능한 제1 작동기; 및
    상기 진동식 부재에 전기적으로 커플링되고, 상기 CVG의 감지 축을 중심으로 배열되며, 회전 축을 중심으로 하는 상기 CVG의 회전에 의해 유발되는, 상기 진동식 부재의 제2 오실레이션 모드에 기초한 전압을 검출하도록 그리고 상기 제2 오실레이션 모드에 기초한 상기 전압을 널링(nulling)시키는데 충분한 카운터-밸런싱 신호를 제공하도록 동작 가능한 제2 작동기
    를 포함하며,
    모달 기준 프레임에서 상기 감지 축은 상기 구동 축에 직교하고,
    상기 제어기는,
    상기 CVG가 동작하고 있는 초기 모드를 결정하는 단계;
    이전 모드 전이 기간으로부터 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들을 획득하는 단계;
    상기 이전 모드 전이 기간으로부터 평균 바이어스 측정치들을 획득하는 단계;
    자동 이득 제어 모드와 재평형 힘 모드 사이의 제1 전이를 결정하는 단계;
    결정된 상기 제1 전이 및 상기 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 바이어스 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 바이어스의 제1 추정치를 계산하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 계산된 제1 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 제1 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능한,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 추가로,
    주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드와 상기 재평형 힘 모드 사이의 제2 전이를 결정하는 단계;
    결정된 상기 제2 전이 및 상기 이전 모드 전이 기간으로부터의 평균 비 보상 바이어스 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 바이어스의 제2 추정치를 계산하는 단계; 및
    계산된 제2 바이어스 및 이전 모드 전이 기간으로부터의 상기 평균 비 보상 관성 회전 레이트 측정치들에 기초하여, 상기 CVG의 제2 바이어스-보상된 관성 회전 레이트를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능한,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 추가로, 주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드와 상기 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위한 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법을 수행하도록 동작 가능한,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호는 상기 자동 이득 제어 모드와 상기 재평형 힘 모드 사이의 전이들을 제어하기 위해 신호를 스위칭하도록 동작 가능한,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 바이어스는, 상기 구동 축 및 상기 감지 축 상에서 동작하는 상기 재평형 힘 모드로부터의 하나 또는 그 초과의 재평형 힘 측정치들에 기초하여 계산되는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전이를 결정하는 단계의 결과는 주어진 축의 상기 자동 이득 제어 모드로부터 상기 재평형 힘 모드로의 전이이고,
    상기 방법은,
    최종 계산된 평균 바이어스로부터 새로운 평균 바이어스를 감산함으로써 바이어스의 업데이트된 추정치를 결정하는 단계
    를 더 포함하는,
    코리올리 진동식 자이로스코프("CVG").

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