KR20170030618A

KR20170030618A - 진동 자이로스코프 보정 방법

Info

Publication number: KR20170030618A
Application number: KR1020177003922A
Authority: KR
Inventors: 이삭 오콘; 알래인 레나울트; 조세 베이티아
Original assignee: 인나랩스 리미티드
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-03-17
Also published as: RU2687101C2; RU2017104812A; US9671247B2; EP3169976A1; US20160018243A1; WO2016008936A1; EP3169976B1; KR102045982B1; RU2017104812A3

Abstract

본 발명은 진동 자이로스코프(1)의 보정 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 공진 구조체의 여기 축(excitation axis)을 따르는 진동을 여기하는 단계로서, 상기 여기 축은 제1 각 위치(first angular position)에 배치되는 상기 단계; 상기 여기 축이 상기 제1 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계; 상기 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하는 단계; 제2 각 위치까지 상기 여기 축을 상기 공진 구조체 주위로 연속적인 방식으로 회전시키는 단계; 상기 여기 축이 상기 제2 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계; 상기 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하는 단계; 및 상기 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하는 단계를 포함한다.

Description

진동 자이로스코프 보정 방법{METHOD FOR CALIBRATING A VIBRATORY GYROSCOPE}

본 발명은 진동 자이로스코프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진동 자이로스코프를 보정(calibrating)하는 방법에 관한 것이다.

자이로스코프는 회전 각속도(rate of angular rotation)를 측정하는 데 사용할 수 있는 장치이다. 회전 각속도의 측정은 자이로스코프의 각도 배향(angular orientation)의 변화를 결정하기 위해 시간에 대해 적분될 수 있다. 자이로스코프의 초기 배향이 알려지면, 자이로스코프의 각도 배향의 변화를 결정하여 각도 배향의 변경 후 어떤 시각에서 자이로스코프의 배향을 도출할 수 있다. 자이로스코프는, 예를 들어 관성 항법 시스템(inertial navigation systems, INS), 지상 차량 안정화, 항공기, 선박 및/또는 다른 응용물들과 같은 응용물들에 사용될 수 있다.

진동 자이로스코프는 공진 구조체가 진동하게 되는 종류의 자이로스코프이다. 진동 자이로스코프는 진동 구조 자이로스코프 및/또는 코리올리 진동 자이로스코프(Coriolis vibrating gyroscope, CVG)로 지칭될 수 있다. 링(rings), 실린더, 반구(hemispheres), 튜닝 포크(tuning forks) 및 빔(beams)을 포함하는 다양한 공진 구조체가 진동 자이로스코프를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 진동 자이로스코프는 전통적인 자이로스코프(회전 질량체(spinning mass)를 기반으로 함)와 광섬유 및/또는 기타 광학 기술을 기반으로 하는 자이로스코프에 비해 많은 장점이 있다. 예를 들어, 진동 자이로스코프는 광섬유 자이로스코프보다 저렴할 수 있으며 회전 질량체 자이로스코프보다 작은 부품을 포함할 수 있다.

진동 자이로스코프가 회전 각속도를 정확하게 측정하기 위해서는 보정되어야 한다. 본 발명의 목적은 공지된 보정 방법과 관련된 단점을 제거하거나 완화시키는 것이다.

제1 측면에 따르면, 진동 자이로스코프의 보정 방법이 제공되며, 상기 방법은, 공진 구조체의 여기 축(excitation axis)을 따르는 진동을 여기하는 단계로서, 상기 여기 축은 제1 각 위치(first angular position)에 배치되는 상기 단계; 상기 여기 축이 상기 제1 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계; 상기 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하는 단계; 제2 각 위치까지 상기 여기 축을 상기 공진 구조체 주위로 연속적인 방식으로 회전시키는 단계; 상기 여기 축이 상기 제2 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계; 상기 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하는 단계; 및 상기 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하는 단계를 포함한다.

상기 방법에 따르면 자이로스코프의 회전 속도를 결정하는 동시에 자이로스코프가 보정될 수 있다. 자이로스코프가 보정되고 있는 동안 자이로스코프의 회전 속도가 연속적으로 모니터링 될 수 있다. 이는 자이로스코프의 회전 속도의 측정에 큰 방해 없이 사용 중에 자이로스코프가 보정되는 것을 유리하게 허용한다. 예를 들어, 이에 따르면 동일한 회전 속도를 측정하는 여러 개의 자이로스코프를 제공할 필요가 없어질 수 있다.

상기 여기 축의 상기 제1 각 위치는 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치로부터 약 45° 이격될 수 있다.

상기 제1 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제1 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬될 수 있다.

상기 제2 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬될 수 있다.

상기 방법은 상기 여기 축이 회전되는 동안 상기 자이로스코프의 회전 속도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 자이로스코프의 회전 속도는 상기 제1 감지 신호와 상기 제2 감지 신호로부터 결정될 수 있다.

상기 자이로스코프의 결정된 회전 속도는 상기 자이로스코프의 바이어스를 결정하는 데 사용될 수 있다.

상기 방법은 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

결정된 스케일 팩터는 상기 자이로스코프의 바이어스를 결정하는 데 사용될 수 있다.

상기 스케일 팩터를 결정하는 단계는, 각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키는 단계; 상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호(first scale factor sensing signal)를 생성하는 단계; 상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키는 단계; 상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하는 단계; 및 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 감지 축은 상기 각 위치로부터 약 45° 만큼 이격될 수 있다.

상기 제1 시각과 상기 제2 시각의 차이는 약 50 밀리초(milliseconds)보다 작을 수 있다.

제2 측면에 따르면, 자이로스코프가 제공되는데, 상기 자이로스코프는, 공진 구조체; 상기 공진 구조체의 여기 축을 따라 진동을 여기시키도록 구성된 제1 및 제2 쌍의 액추에이터로서, 제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 연속적인 방식으로 상기 여기 축을 회전시키도록 동작 가능한 상기 제1 및 제2 쌍의 액추에이터; 상기 여기 축이 상기 제1 각 위치에 있는 동안 상기 제1 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 쌍의 센서; 상기 여기 축이 상기 제2 각 위치에 있는 동안 제2 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 쌍의 센서; 및 상기 진동 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하도록 구성된 제어기를 포함한다.

상기 여기 축의 상기 제1 각 위치는 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치로부터 약 45° 만큼 이격될 수 있다.

상기 제어기는 또한 상기 여기 축이 회전되는 동안 상기 자이로스코프의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어기는 상기 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호로부터 상기 자이로스코프의 상기 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어기는 상기 자이로스코프의 상기 바이어스를 결정하기 위해 상기 자이로스코프의 결정된 회전 속도를 사용하도록 구성될 수 있다.

상기 자이로스코프는 상기 제1 쌍의 센서에 의해 감지된 진동의 진폭을 제1 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제1 쌍의 액추에이터를 조절하도록 구성된 제1 피드백 루프를 더 포함할 수 있다.

상기 자이로스코프는 상기 제2 쌍의 센서에 의해 감지된 진동의 진폭을 제2 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제2 쌍의 액추에이터를 조절하도록 구성된 제2 피드백 루프를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 각 위치와 상기 제2 각 위치 사이에서 상기 여기 축을 회전시키는 단계는, 상기 제1 기준 진폭 신호 및 제2 기준 진폭 신호를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 피드백 루프 및/또는 상기 제2 피드백 루프는 아날로그 전자 장치(analogue electronics)를 포함할 수 있다.

상기 제어기는 또한 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어기는 상기 자이로스코프의 상기 바이어스를 결정하기 위해 상기 결정된 스케일 팩터를 사용하도록 구성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 쌍의 액추에이터는, 각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키도록, 그리고 상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키도록, 구성될 수 있다. 상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성될 수 있다. 상기 제1 쌍의 센서는, 또한 상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성될 수 있다. 상기 제어기는, 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하도록, 구성될 수 있다.

상기 제1 시각과 상기 제2 시각 사이의 차이는 대략 50 밀리초보다 작을 수 있다.

제3 측면에 따르면, 자이로스코프가 제공되며, 상기 자이로스코프는, 공진 구조체; 여기 축(excitation axis)을 따라 진동을 여기시키도록 구성된 제1 및 제2 쌍의 액추에이터; 제1 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 쌍의 센서; 상기 제1 감지 신호를 제1 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제1 쌍의 액추에이터를 구동하도록 구성된 아날로그 전자 장치를 포함하는 제1 피드백 루프; 제2 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 쌍의 센서; 상기 제2 감지 신호를 제2 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제2 쌍의 액추에이터를 구동하도록 구성된 아날로그 전자 장치를 포함하는 제2 피드백 루프; 및 상기 제1 기준 진폭 신호를 상기 제1 피드백 루프에 제공하고 상기 제2 기준 진폭 신호를 상기 제2 피드백 루프에 제공하도록 구성된 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 공진 구조체 주위로의 상기 여기 축의 회전을 일으키기 위해 상기 제1 기준 진폭 신호와 상기 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 작동 가능하다.

상기 제1 감지 신호를 상기 제1 기준 진폭 신호와 비교하는 단계는, 상기 제1 감지 신호를 제1 진동 위상 기준 신호(first oscillating phase reference signal)에 대해 복조하는 단계와, 복조된 신호와 상기 제1 기준 진폭 신호의 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 감지 신호를 상기 제2 기준 진폭 신호와 비교하는 단계는, 상기 제2 감지 신호를 제2 진동 위상 기준 신호(second oscillating phase reference signal)에 대해 복조하는 단계와, 복조된 신호와 상기 제2 기준 진폭 신호의 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 진동 위상 기준 신호와 상기 제2 진동 위상 기준 신호는 동일한 주파수 및 위상을 가질 수 있다.

상기 제어기는, 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호가 시간에 대하여 정현파 신호들(sinusoidal signals)이 되게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 동작 가능할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 정현파 신호들이 실질적으로 일정한 위상차 π/2 를 갖게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 동작 가능할 수 있다.

상기 제어기는, 상기 정현파 신호들이 실질적으로 동일한 진폭을 갖게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호들을 변화시키도록 동작 가능할 수 있다.

상기 제어기는, 또한 상기 진동 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하도록 구성될 수 있다.

상기 제어기는, 각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키기 위해 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록, 그리고 상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키도록 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록, 구성될 수 있다. 상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성될 수 있다. 상기 제1 쌍의 센서는, 또한 상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성될 수 있다. 상기 제어기는, 또한 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하도록, 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 단지 예시로서 설명될 것이다.
도 1은 자이로스코프의 개략도이다.
도 2는 진동 중 상이한 위치에서의 공진 구조체의 개략도이다.
도 3은 제어 시스템의 개략도이다.
도 4는 제어 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.

도 1은 진동 자이로스코프(1)의 개략도이다. 자이로스코프(1)는 공진 구조체(resonant structure, 2)를 포함한다. 도 1의 공진 구조체(2)는, 예를 들어, 실린더를 포함할 수 있다. 공진 구조체(2)는, 그 전체가 본원에 참조에 의해 결합된 유럽 특허 출원 EP2669629에 기술된 바와 같은 형태를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 형상을 갖는 공진 구조체(2)가 사용될 수 있다. 공진 구조체(2)는 임의의 축 방향 대칭(axially symmetric) 구조체일 수 있다. 예를 들어, 공진 구조체(2)는 평면 링(planar ring), 반구(hemisphere) 또는, 커페이슨(quapason)으로 지칭될 수 있는, 네 갈래 튜닝 포크(four-pronged tuning fork)를 포함할 수 있다. 공진 구조체(2)는 하나 이상의 범위의 다른 물질들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 공진 구조체(2)는 금속, 압전 세라믹, 용융 석영(fused silica) 및/또는 박막 실리콘 층으로 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 구성에서, 복수의 액추에이터 및 센서(3-6)가 공진 구조체(2) 주위에 배치된다. 액추에이터 및 센서(3-6)는, 예를 들어 압전 소자 또는 정전(electrostatic) 소자를 포함할 수 있다. 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)는, 공진 구조체(2)를 가로 질러 연장하는 안티노드 여기 축(antinode excitation axis, 13)의 대향 단부에 배치된다. 제1 쌍의 센서(4a, 4b)는, 공진 구조체(2)를 가로 질러 연장되는 안티노드 감지 축(antinode detection axis, 14)의 대향 단부에 배치되어, 안티노드 여기 축(13)과 90°의 각도를 이룬다. 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)는, 공진 구조체(2)를 가로 질러 연장하는 노드 여기 축(node excitation axis, 15)의 대향 단부에 배치되어, 안티노드 여기 축(13) 및 안티노드 감지 축(14) 모두와 45°의 각도를 형성한다. 제2 쌍의 센서(6a, 6b)는, 공진 구조체(2)를 가로 질러 연장되는 노드 감지 축(16)의 대향 단부에 배치되어 안티노드 여기 축(13) 및 안티노드 감지 축(14)과 45°의 각도를 형성한다. 노드 감지 축(16)은 노드 여기 축(15)과 90°의 각도를 형성한다.

제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)는 안티노드 여기 축(13)을 따라 진동을 일으킨다. 진동은 공진 구조체(2)의 공진 주파수에 있을 수 있다. 도 2는, 안티노드 여기 축(13)을 따라 일어나는 진동 동안 상이한 위치에서의 공진 구조체(2)의 개략도이다. 설명을 용이하게 하기 위해, 액추에이터 및 센서(3-6)는 도 2에서 생략된다. 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)는 공진 구조체(2)에 힘을 가하여, 공진 구조체(2)가 제1 위치(23)(여기서 공진 구조체(2)는, 반-장축(semi-major axis)이 실질적으로 안티노드 여기 축(13)에 정렬된, 타원으로 연장됨) 및 제2 위치(24)(여기서 공진 구조체(2)는, 반-장축이 실질적으로 안티노드 감지 축(14)에 정렬된, 타원으로 연장됨) 사이에서 진동(oscillate)하게 한다. 진동하는 동안, 공진 구조체(2)는, 공진 구조체(2)가 진동하도록 힘을 받지 않을 때 공진 구조체(2)가 이완되는 위치인 제3 위치 (22)를 통해 전이한다.

진동 자이로스코프(1)가 정지된 경우, 공진 구조체(2)의 진동은 공진 구조체(2)가 실질적으로 정지하는 4 개의 노드(21a 내지 21d)가 존재하게 한다. 노드(21a 내지 21d)는 실질적으로 노드 감지 축(15) 및 노드 여기 축(16) 상에 배치된다. 공진 구조체(2)가 안티노드 여기 축(13) 및 안티노드 감지 축(14)과 교차하는 지점들은 안티노드들로 지칭될 수 있는데, 이는 이 지점들이 공진 구조체(2)의 진동의 진폭이 최대가 되는 점들을 나타내기 때문이다.

자이로스코프(1)가 회전하면, 안티노드 여기 축(13)이 회전하고, 공진 구조체(2)의 진동은, 회전 전에 그것이 이루어졌던 방향과 다른 방향을 따라 (제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)에 의해) 이루어진다. 그러나, 공진 구조체(2)의 진동은 관성을 가지며, 이는 자이로스코프(1)가 회전하기 전에 진동이 일어나고 있었던 방향과 동일한 방향으로 진동이 지속되게 한다. 공진 구조체(2)의 진동은 자이로스코프(1)의 회전에 따라 회전하지만, 진동의 관성은 진동의 회전이 자이로스코프(1)의 회전에 뒤처지게 한다. 따라서, 자이로스코프(1)의 회전은, 안티노드 여기 축(13) 또는 안티노드 감지 축(14)에 정렬되지 않은 방향에서 진동이 일어나게 한다. 노드(21a 내지 21d)에 힘이 가해지지 않으면, 이 효과는 공진 구조체(2)의 운동이 노드(21a 내지 21d)에서 유도되게 한다.

자이로스코프(1)의 회전 속도를 측정하기 위해, 노드(21a 내지 21d)에서 공진 구조체(2)의 변위가 실질적으로 발생하지 않도록 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)가 노드(21a 내지 21d)를 상쇄하도록(null) 작용할 수 있다. 아래에서 더 설명하는 바와 같이, 노드(21a 내지 21d)를 상쇄하기 위해 인가된 힘은 자이로스코프(1)의 회전 속도에 정비례하므로, 이 힘의 측정은 자이로스코프(1)의 회전 속도를 측정하는데 사용될 수 있다.

도 3은 액추에이터(3 내지 6)를 제어하고 자이로스코프(1)의 회전을 측정하는 데 사용될 수 있는 제어 시스템 (100)의 블록도이다. 설명의 용이함을 위해, 공진 구조체(2) 주위의 액추에이터 및 센서(3 내지 6)의 배치는 도시되지 않은 대신, 공진 구조체(2)는, 액추에이터 및 센서(3 내지 6)이 공진 구조체(2)로의 입력과 출력으로 작용하는 블록 형태로 도시된다. 일 실시예에서, 제어 시스템 (100)은 아날로그 전자 장치(analog electronics)를 사용하여 구현된다.

제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)는 안티노드 피드백 루프(antinode feedback loop, 61)에 의해 제어된다. 안티노드 감지 신호(34)는 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되고 안티노드 피드백 루프(61)로의 입력 신호로서 작용한다. 제1 쌍의 센서(4a, 4b)는, 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동을 측정하고, 진동을 나타내는 안티노드 감지 신호(34)를 출력한다. 안티노드 감지 신호(34)는 복조기(demodulator, 41) 및 위상 동기 루프(phase locked loop, 42)에 입력된다. 위상 동기 루프(42)는 안티노드 감지 신호(34)의 주파수 및 위상에 기초하여 여기 위상 기준 신호(excitation phase reference signal, 51) 및 감지 위상 기준 신호(detection phase reference signal, 52)를 출력한다. 여기 위상 기준 신호(51)는 공진 구조체(2)가 진동하게 되는 주파수에서 진동하고(oscillates), 안티노드 여기 축(13)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동과 동위상(in phase) 관계에 있다. 위상 동기 루프(42)는 공진 구조체(2)가 공진 상태에 있도록 유지한다.

감지 위상 기준 신호(52)는 여기 위상 기준 신호(51)와 일정한 위상차

를 갖는 진동(oscillating) 신호이다. 따라서, 감지 위상 기준 신호(52)는 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동과 동위상 관계에 있다. 감지 위상 기준 신호(52)는 복조기(41)에 입력되어 복조기(41)는, 감지 위상 기준 신호(52)와 동위상 관계에 있는, 안티노드 감지 신호(34)의 성분의 진폭을 나타내는 DC 신호(53)를 출력한다. DC 신호(53)는 감산기(subtractor)에서 제1 기준 진폭 신호(A1)로부터 감산된다. 이 경우, 제1 기준 진폭 신호(A1)는, 공진 구조체(2)의 진동의 요구되는(desired) 진폭인 진동 진폭 신호(A1)와 동일하다. 제1 기준 진폭 신호(A1)와 DC 신호(53)의 차이는 조절기(regulator, 44)에 입력된다. 조절기(44)는 제1 제어 신호(C1)를 출력한다. 양호한 근사치로서, 제1 제어 신호(C1)은 수학식 1에 의해 주어진다.

C₁ = G₁Ak (1)

여기서, G₁은 자이로스코프(1)의 제1 이득(gain)이고, k는 공진 구조체(2)의 감쇠(damping) 계수이며, A는 공진 구조체(2)에서의 여기된(excited) 진동의 진폭이다. 제1 이득(G₁)은 무엇보다도 액추에이터 및 센서(3 내지 6)의 전자 이득(electronic gains) 및 제어 시스템(100)의 이득에 의존한다.

제1 제어 신호(C₁)는 여기 위상 기준 신호(51)에 의해 (변조기(modulator, 45)에 의해) 변조되어, 그것이 안티노드 여기 축(13)을 따르는 진동과 일정한 위상차

를 가지며 안티노드 여기 신호(33)로서 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)에 입력되게 된다. 안티노드 여기 신호(33)는 공진 구조체(2)의 감쇠력을 극복하도록 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)을 구동한다. 안티노드 피드백 루프(61)는 안티노드 축(13, 14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동을 원하는 진폭, 주파수 및 위상으로 유지하기 위해 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)를 구동한다.

제어 시스템(100)은 또한 노드 피드백 루프(node feedback loop, 62)를 포함한다. 노드 감지 신호(36)는 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 출력되고 노드 피드백 루프(62)로의 입력 신호로서 작용한다. 제2 쌍의 센서(6a, 6b)는 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동을 측정하고 이들 진동을 나타내는 노드 감지 신호(36)를 출력한다. 노드 감지 신호(36)는 제1 복조기(71) 및 제2 복조기(72)에 입력된다. 복조기(71)는 노드 감지 위상 기준 신호(node detection phase reference signal, 81)를 기준으로 노드 감지 신호(36)를 복조한다. 노드 감지 위상 기준 신호(81)는 감지 위상 기준 신호(52)와 동위상 관계에 있는 진동(oscillating) 신호이다. 실제로 동일한 신호가 노드 감지 위상 기준 신호(81)와 감지 위상 기준 신호(52)로 이용될 수 있다. 복조기(71)는, 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)에 의해 여기되는 진동으로 인한 노드(21a 내지 21d)에서의 진동의 진폭을 나타내는, DC 신호를 출력한다. 전술한 바와 같이, 노드(21a 내지 21d)에서의 진동은 자이로스코프(1)의 회전에 의해 야기될 수 있다.

DC 신호(83)는 감산기(73)에서 제2 기준 진폭 신호(A2)로부터 감산된다. 제2 기준 진폭 신호(A2)는 노드 축(15, 16)을 따르는 공진 구조체의 진동의 원하는 진폭을 나타낸다. 자이로스코프(1)의 정상 작동 동안에, 노드 축(15, 16)을 따라 실질적으로 진동이 발생하지 않도록 노드(21a 내지 21d)를 상쇄하는 것이 바람직하다. 따라서 제2 기준 진폭 신호(A2)는 영(zero)으로 설정된다. 제1 기준 진폭 신호(A2)와 DC 신호(83)의 차이는 조절기(74)에 입력된다. 조절기(74)는 제2 제어 신호(C2)를 출력한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 제어 신호(C2)는 자이로스코프(1)의 회전 속도에 의존한다. 제2 제어 신호(C2)는 노드 여기 위상 기준 신호(82)에 의해 (변조기(76)를 사용하여) 변조된다. 노드 여기 위상 기준 신호(82)는 노드 감지 위상 기준 신호(81)에 대해 일정한 위상차

를 갖는다. 변조기(76)로부터 출력되는 신호(85)는, 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)에 의해 인가될 때, 안티노드 축(13, 14)을 따라 여기되는 진동 및 자이로스코프(1)의 회전에 의해 야기되는 노드 축(15, 16)을 따르는 진동을 상쇄하는 힘을 나타낸다.

노드 감지 신호(36)는 또한 제2 복조기(72)에 입력된다. 복조기(72)는 노드 감지 위상 기준 신호(82)를 기준으로 노드 감지 신호(36)를 복조한다. 노드 감지 위상 기준 신호(82)는, 안티노드 축(13, 14)을 따라 여기되는 진동들에 의해 야기되되 노드 축(15, 16)을 따라 발생하는 진동들과 일정한 위상차

를 갖는다. 복조기(72)는, 안티노드 여기 축(13)을 따라 여기된 진동에 대해 위상차가 π/2 인, 노드 감지 축(16)을 따르는 진동의 진폭을 나타내는, DC 신호(84)를 출력한다. 이 DC 신호(84)는 오차(error) 신호로 간주될 수 있다. 오차 신호는 공진 구조체(2)의 진동 모드들의 주파수들 간의 부조화(mismatch)로 인해 발생할 수 있다. 진동 모드들 사이의 주파수 부조화는 진동 모드들이 안티노드 여기 축(13) 및/또는 안티노드 감지 축(14)으로부터 이탈하도록(driven away) 하고 따라서 노드(21a 내지 21d)에서의 공진 구조체(2)의 진동을 유도할 수 있다. 이들은 구적 진동(quadrature vibrations)이라고 지칭될 수 있다.

DC 신호(84)는 조절기(75)에 입력되고, 조절기(75)의 출력은 노드 감지 위상 기준 신호(81)에 의해 변조된다. 변조기(77)로부터 출력되는 신호(86)는, 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)에 의해 인가될 때 노드(21a-21c)에서의 구적 진동을 상쇄하는 힘을 나타낸다. 복조기(72), 조절기(75) 및 변조기(77)는, 구적 진동을 상쇄하고 구적 루프(quadrature loop)로 지칭될 수 있는 피드백 루프를 형성한다.

변조기들(76, 77)로부터 출력된 신호들(85, 86)은, 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)에 입력되는 노드 여기 신호(35)를 생성하기 위해, 합산기 (78)에 의해 합산된다. 노드 여기 신호(35)는 제2 쌍의 액추에이터 (5a, 5b)를 구동하여 그것들이 노드(21a 내지 21d)에서의 진동을 상쇄하도록 한다. 따라서, 노드 피드백 루프(62)는, 노드(21a 내지 21d)에서 공진 구조체(2)의 변위가 실질적으로 발생하지 않도록, 노드(21a 내지 21d)를 상쇄하기 위해 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)를 구동한다.

전술한 바와 같이, 제2 제어 신호(C2)는 자이로스코프(1)의 회전 속도에 의존하기 때문에 자이로스코프(1)의 회전 속도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 제2 제어 신호(C2)와 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω) 간의 관계는 수학식 2에 의해 주어질 수 있다.

C₂ = 2G₂A(αΩ - b sin β) (2)

여기서, G2는 액추에이터 및 센서(3-6)와 제어 시스템(100)의 전자 이득에 또한 의존하는 제2 이득이고, α는 자이로스코프 결합 계수(coupling coefficient)이고, b는 자이로스코프(1)의 고조파 바이어스 오차(harmonic bias error)의 진폭이며, β는 자이로스코프(1)의 고조파 바이어스 오차에 대응하는 위상이고, A는 공진 구조체(2)에서 여기되는 진동의 진폭이다. 자이로스코프 결합 계수(α)는 공장 보정(factory calibration)을 통해 확인될 수 있으며, 일반적으로 시간과 온도 모두의 변화에 대해 안정적일 수 있다.

수학식 1 및 수학식 2의 제1 이득(G1) 및 제2 이득(G2)은 시간과 온도의 변화에 따라 변할 수 있으므로 자이로스코프(1)의 작동 중에 변할 수 있다. 자이로스코프(1)가 대칭인 실시예에서(예를 들어 공진 구조체(2)가 링, 실린더, 반구 또는 다른 대칭 형상인 경우), 제1 이득(G1) 및 제2 이득(G2)은 수학식 3에 따라 서로 관련되는 것으로 간주될 수 있다.

G₁ = G = G₂(1+ε) (3)

여기서, G는 기준 이득이고, ε은 이득 오차 파라미터로서 일반적으로 작다(예를 들어, |ε| << 1). 이득 오차 파라미터(ε)는 공장 보정을 통해 결정될 수 있으며 일반적으로 시간 및 온도 모두의 변화에 대해 안정적일 수 있다.

제2 제어 신호(C2)를 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)에 관련시키는 수학식 2는 종종 자이로스코프(1)의 스케일 팩터(scale factor, S)와 바이어스 (B)로 표현되며, 여기서 스케일 팩터(S)와 바이어스(B)는 수학식 4 및 5에 의해 주어진다.

S = 2GA (4)

B = b sin β (5)

그러므로 수학식 2는 수학식 6으로 다시 쓰여질 수 있다(수학식 3 내지 5를 사용하고, |ε|은 매우 작다고 가정함).

C₂ = SαΩ - B (6)

스케일 팩터(S)는 자이로스코프 결합 계수(α)를 포함하도록 정의될 수 있다. 그러나, 본원 전반에 걸쳐 언급되는 스케일 팩터(S)는 자이로스코프 결합 계수(α)를 포함하지 않으며, 그것은 아래에 설명된 보정 절차에서 발견되어 사용되는 스케일 팩터(S)(수학식 4에 의해 정의되는 것)이다. 자이로스코프 결합 계수(α)를 포함하는 스케일 팩터(S)는 스케일 팩터(S)와 자이로스코프 결합 계수(α)의 단순한 곱셈에 의해 수학식 4에 의해 정의된 바와 같은 스케일 팩터(S)로부터 용이하게 도출될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

수학식 6으로부터, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)를 정확하게 결정하기 위해서는, 스케일 팩터(S)와 바이어스(B)가 결정될 필요가 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 전형적으로, 스케일 팩터(S) 및/또는 바이어스(B)는 자이로스코프(1)가 사용되지 않을 때 자이로스코프(1)의 보정을 수행함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 자이로스코프(1)는 알려진 속도로 회전하는 보정 테이블 상에 장착될 수 있다. 제2 제어 신호(C2)는 자이로스코프(1)가 알려진 회전을 하는 동안 측정될 수 있고, 양(quantity) Sα 및/또는 바이어스(B)가 계산될 수 있다. 양 Sα가 결정되면 스케일 팩터(S)가 결정될 수 있다. 그러나, 전술한 보정 방법은 자이로스코프(1)가 예를 들어 공장 또는 실험실에서 보정 테이블 상에 배치될 때에만 수행될 수 있다. 이는 자이로스코프(1)가 회전을 측정하도록 구성된 장치로부터 자이로스코프(1)를 제거할 것을 요구할 수 있고 현장에서 자이로스코프(1)가 보정되는 것을 허용하지 않는다.

스케일 팩터(S)와 바이어스(B) 둘 다는, 제어 시스템(100)과 액추에이터 및 센서(3-6)의 전자 이득, 공진 구조체(2)의 기계적 특성 및 자이로스코프(1)의 바이어스 및 위상 오차와 같은 다양한 인자에 의존한다. 이들 요소 중 일부 또는 전부는 시간 및/또는 온도의 변화에 따라 변할 수 있고, 따라서 스케일 팩터(S) 및/또는 바이어스(B)는 시간 및/또는 온도에 따라 변할 수 있다. 따라서, 실험실 보정 절차에서 결정되는 바이어스(B) 및/또는 스케일 팩터(S)는 보정이 수행되었던 온도와 다른 온도에서 및/또는 나중에 구한 측정치에 대해서는 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 이는 자이로스코프(1)가 구한 측정치에 오차를 발생시킬 수 있다.

따라서, 현장에서 수행될 수 있는, 바이어스(B) 및/또는 스케일 팩터(S)를 결정하기 위해 자이로스코프(1)를 보정하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 스케일 팩터(S)를 결정하기 위해 현장에서 자이로스코프(1)를 보정하는 방법들이 알려져 있지만, 이 방법들은 바이어스(B)에 대한 고려를 무시한다. 일반적으로, 바이어스(B)는 노드 감지 축(16)을 따르는 진동들과 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω) 사이의 관계의 오프셋(offset)으로 간주될 수 있다. 따라서, 바이어스(B)의 오차는 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)를 결정할 때의 오차로 변환된다. 따라서 바이어스(B)를 결정하도록 자이로스코프(1)를 보정하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 자이로스코프(1)가 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)의 측정값들을 제공하는 동시에 수행될 수 있는, 바이어스(B)를 결정하기 위한 자이로스코프(1)를 보정하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

자이로스코프(1)를 보정하기 위해, 그것을 따라 진동이 여기되는 안티노드 여기 축(13)은 공진 구조체(2)에 상대적으로 회전될 수 있다. 이는 어떤 측면에서는, 안티노드 여기 축(13)을 공진 구조체(2)에 대해 고정시킨 채 자이로스코프(1)를 보정 테이블 상에 배치하고 자이로스코프(1)를 회전시키는 것에 유사하다. 예를 들어, 안티노드 여기 축(13)이 공진 구조체(2) 주위로 회전될 때, 공진 구조체(2)의 진동은 축(13)의 회전을 따른다. 그러나, 공진 구조체(2)의 진동은 관성을 가지므로 이 때문에 진동의 회전이 안티노드 여기 축(13)의 회전보다 늦어진다. 이것은 자이로스코프(1)가 회전될 때 발생하는 효과와 유사하고, 자이로스코프의 진동의 회전이 자이로스코프(1)의 회전보다 늦어진다.

유리하게는, 공진 구조체(2)에 상대적으로 액추에이터 및 센서(3-6)을 물리적으로 회전시키지 않고도 안티노드 여기 축(13)이 공진 구조체(2) 주위로 회전될 수 있다. 그 대신, 제1 기준 진폭 신호(A1)와 제2 기준 진폭 신호(A2)는 공진 구조체(2) 주위의 안티노드 여기 축(13)의 각 위치(angular position)에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 기준 진폭 신호는 수학식 7 및 8에 따라 설정될 수 있다.

A₁ = A cosθ (7)

A₂ = A sinθ (8)

여기서, θ는 2λ와 같고, λ는 도 1 및 도 2에 도시된 위치에 상대적으로 안티노드 여기 축(13)이 배치되는 물리적 각도이다. 제1 및 제2 기준 진폭 신호들(A₁, A₂)는 예를 들어 제어기(도시되지 않음)에 의해 설정될 수 있다. 안티노드 여기 축(13)이 배치되는 각도(λ)는 수학식 7 및 수학식 8의 θ의 값을 변화시킴으로써 회전될 수 있다.

일 실시예에서, 제어 시스템(100)은 아날로그 전자 장치를 사용하여 실현될 수 있다. 이는, 기존의 하드웨어를 사용하고 피드백 루프(61, 62)에 입력되는 기준 진폭 신호(A₁, A₂)를 단순히 변경함으로써 안티노드 여기 축(13)을 용이하게 회전할 수 있게 한다. 일반적으로 아날로그 전자 장치의 사용은 기존 하드웨어를 최소한으로 변경하면서 간단한 방식으로 본 발명이 구현되게 할 수 있다.

각도 θ는 속도

로 변화될 수 있는데, 여기서

은 θ의 1차 시간 도함수이다(즉,

). 이 경우 제1 제어 신호(C₁) 및 제2 제어 신호(C₂)는 수학식 9 및 10에 의해 주어질 수 있다.

자이로스코프(1)를 보정하는 방법의 일 실시예에서, 안티노드 여기는 초기에 제1 각 위치(first angular position)에 배치된다. 예를 들어, 각도 θ는 θ = 0 에서 시작할 수 있고, 제1 여기 축(13)의 제1 각 위치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같다. 이어서 안티노드 여기 축(13)은 연속적인 방식으로 제2 각 위치까지 회전된다. 예를 들어, 각도 θ는 θ = 0으로부터, 회전이 중지되는 지점인 θ =

까지 회전될 수 있다. 이 예에서, 안티노드 여기 축(13)이 배치되는 지점인 물리적 각도 λ는 제1 각 위치(θ = 0 이고 λ = 0 일 때)와 제2 각 위치(θ =

이고 λ = 45° 일 때) 사이에서 약 45 °의 각도를 통해 연속적인 방식으로 회전한다.

θ의 회전 및 그에 따른 공진 구조체(2) 주위로의 축(13 내지 16)의 회전 동안, 액추에이터 및 센서(3-6)는 공진 구조체(2)에 대해 정지 상태로 유지된다. 각도 θ 및 축(13 내지 16)이 회전될 때, 제1 제어 신호(C1) 및 제2 제어 신호(C2)는 안티노드 축(13, 14) 및 노드 축(15, 16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동의 조합을 나타낸다. 안티노드 축(13, 14)을 따르는 진동으로 인한 각 제어 신호(C1, C2)의 비율과, 노드 축(15, 16)을 따르는 진동으로 인한 각 제어 신호 (C1, C2)의 비율은 각도 θ에 의존한다. 예를 들어, θ = 0 일 때, 안티노드 감지 축(14)은, 그 출력 신호(34)가 제1 제어 신호(C1)을 형성하는 데 사용되는 제1 쌍의 센서(4a, 4b) 사이에서 연장하므로, 제1 제어 신호(C1)는 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동에만 의존한다. θ = 0 일 때, 노드 감지 축(16)은, 그 출력 신호(36)가 제2 제어 신호(C2)를 형성하는 데 사용되는 제2 쌍의 센서(6a, 6b) 사이로 연장하므로, 제2 제어 신호(C2)는 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동에만 의존한다. θ =

일 때, 노드 감지 축(16)은 제1 쌍의 센서(4a, 4b) 사이로 연장하므로, 제1 제어 신호(C1)는 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동에만 의존한다. θ =

일 때, 안티노드 감지 축(14)은 제2 쌍의 센서(6a, 6b) 사이로 연장하므로, 제2 제어 신호(C2)는 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동에만 의존한다.

도 3에 도시된 제어 시스템(100)의 실시예에서, 제1 쌍의 센서(4a, 4b) 사이로의 연장(θ = 0 일 때)으로부터 제2 쌍의 센서(6a, 6b) 사이로의 연장(θ =

일 때)까지의 안티노드 감지 축(14)의 회전은, θ가

에 근접함에 따라 위상 동기 루프(42)로의 입력이 0에 근접하게 한다. 이는 θ가

에 근접함에 따라 위상 동기 루프(42)로의 입력이, 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동이 아니라, 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동에 강하게 의존하게 되기 때문이다. 많은 조건 하에서, 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체의 진동(16)은 작고, 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동보다 현저히 작을 수 있다. 따라서, 각도 θ가

에 근접함에 따라 (그리고 노드 감지 축(16)이 제1 쌍의 센서(4a, 4b) 사이로의 연장에 근접함에 따라), 위상 동기 루프(42)로의 입력의 진폭은 작아질 수 있다. 위상 동기 루프(42)로의 작은 입력은 위상 동기 루프를 불안정하게 할 수 있고 위상 기준 신호(51, 52)의 안정성에 영향을 줄 수 있다.

도 4는 θ의 변화에 의해 야기된 위상 동기 루프(42)로의 작은 입력 문제를 극복할 수 있는 제어 시스템(100)의 개략도이다. 도 4의 제어 시스템(100)은 도 3의 제어 시스템(100)의 모든 구성 요소들을 포함한다. 이 구성 요소들은 동일한 참조 번호로 표시되어 있으며 여기에서 도 4를 참조하여 다시 설명하지는 않는다.

도 4의 제어 시스템(100)은, 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되는 감지 신호(34)와 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 출력되는 감지 신호(36) 사이에서 위상 동기 루프(42)로의 입력을 스위칭 하도록 구성된 스위치(46)를 더 포함한다. 스위치(46)는 θ = 0 일 때 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터의 감지 신호(34)를 위상 동기 루프(42)에 연결할 수 있고, θ =

일 때 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터의 감지 신호(36)를 위상 동기 루프(42)에 연결할 수 있다. 위상 동기 루프(42)로의 입력은 θ = 0 과 θ =

사이의 임의의 각도에서 감지 신호(34)로부터 감지 신호(36)로 스위칭 될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 스위치(46)는 θ =

일 때, 감지 신호(34)로부터 감지 신호(36)로 위상 동기 루프(42)로의 입력을 스위칭 할 수 있다. 이것은 위상 동기 루프(42)로의 입력이 위상 동기 루프(42)의 안정적인 동작을 위한 충분한 진폭을 항상 가지도록 보장할 수 있다.

또한, 피드백 루프(62)의 제2 복조기(72)로의 입력을 스위칭 하는 것이 바람직할 수 있다. 안티노드 여기 축(13)이 공진 구조체(2) 주위로 회전함에 따라, 안티노드 감지 축(14)은 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 멀어져서 제2 쌍의 센서(6a, 6b)을 향해 회전한다. 한편, 노드 감지 축(16)은 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 멀어져서 제1 쌍의 센서(4a, 4b)을 향하여 회전한다. 그러므로, 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되는 감지 신호(34)는 노드 감지 축(16)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동을 점점 더 나타내게 되고 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 출력되는 감지 신호(36)는 안티노드 감지 축(14)을 따르는 공진 구조체(2)의 진동을 점점 더 나타내게 된다.

전술한 바와 같이, 위상 동기 루프(42)로의 입력은 감지 신호(34)로부터 감지 신호(36)로 스위칭 될 수 있다. 이 스위칭 후에 제2 쌍의 센서(6a, 6b)에 의해 감지되는 임의의 구적 진동(quadrature vibrations)은 피드백 루프(61)에 의해 상쇄될(nulled) 수 있는데, 이는 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 출력되는 감지 신호(36)가 이제 위상 동기 루프(42)에 입력되고 있기 때문이다. 감지 신호(36)가 제2 복조기(72)에 계속 입력된다면, 제2 쌍의 센서(6a, 6b)에 의해 감지되는 구적 진동을 피드백 루프(61)가 상쇄하고 있기 때문에, 제2 복조기(72)의 출력은 0에 근접할 수 있다. 그러나, 감지 신호(34)가 위상 동기 루프(42)에 더 이상 입력되고 있지 않기 때문에, 더 이상 상쇄되고 있지 않은 구적 진동을 제1 쌍의 센서(4a, 4b)가 감지할 수 있다. 그러므로 피드백 루프(62)의 제2 복조기(72)로의 입력은, 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되는 감지 신호(34)로 스위칭 되어, 제1 쌍의 센서(4a, 4b)에 의해 감지되는 구적 진동을 피드백 루프(62)가 상쇄하도록 작용하게 한다.

복조기(72)로의 입력은 도 4에 도시된 바와 같이 스위치(79)를 사용하여 스위칭 될 수 있다. 스위치(79)는 제2 복조기(72)로의 입력을 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터의 감지 신호(36)와 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터의 감지 신호(34) 사이에서 스위칭 하도록 구성된다. 스위치(79)는, 스위치(46)가 위상 동기 루프로의 입력을 스위칭 함과 동시에(예를 들어, θ =

일 때) 제2 복조기(72)로의 입력을 감지 신호(36)로부터 감지 신호(34)로 스위칭 할 수 있다. 제2 복조기(72)에 입력되는 신호의 갑작스러운 점프(jump)를 피하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 스위치(79) 이전에 감지 신호(34)에 -1을 곱한다. 이것은 제2 복조기(72)로의 입력이 감지 신호들(34, 36) 사이에서 스위칭 될 때 발생하는 제2 복조기(72)로의 입력의 임의의 점프를 감소시키도록 작용하고, 제2 복조기(72)로의 입력의 부호 변화를 피할 수도 있다.

제2 복조기(72)로의 입력이 스위치(79)에 의해 스위칭 될 때, 변조기(77)의 출력(86)이 가산되는 여기 신호 또한 스위칭 된다. 이는 제1 쌍의 센서(4a, 4b)에 의해 감지되는 공진 구조체(2)의 변위는 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)에 의해 상쇄되는 반면, 제2 쌍의 센서(6a, 6b)에 의해 감지되는 변위는 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)에 의해 상쇄되기 때문이다. 스위치(79)가 제2 복조기(72)로의 입력을 감지 신호(36)로부터 감지 신호(34)로 스위칭 할 때, 스위치(48)는 변조기(77)의 출력(86)을 스위칭 함으로써, 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)를 작동시키는 여기 신호(33)에 출력(86)이 가산되게 하는데 이는 출력(86)이 이제 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되는 감지 신호(34)의 함수이기 때문이다. 변조기(77)로부터의 출력(86)은 도 4에 도시된 가산기 (adder, 47)에 의해 여기 신호(33)에 가산된다. 변조기(77)로부터의 출력(86)이 여기 신호(33)에 가산되기 전에, 도 4에 도시된 바와 같이 그것에는 먼저 -1이 곱해진다. 이는 스위치(79) 이전에 감지 신호(34)에 -1을 곱하는 것의 효과를 반전시킨다.

일 실시예에서 안티노드 여기 축(13)은, θ = 0 일 때인 제1 각 위치와 θ =

일 때인 제2 각 위치 사이에서 회전된다. 스위치들(46, 48, 79)은 예를 들어 θ = 0 과 θ =

사이의 각도에서 모두 스위칭 될 수 있다. 예를 들어, 스위치들(46, 48, 79)은 θ =

일 때 모두 스위칭 될 수 있다. θ =

에 근접한 각도에서 스위치들(46, 48, 79)을 스위칭 하면, 스위치들(46, 48, 79)이 스위칭 될 때 피드백 시스템(100)의 구성 요소들이 수신하는 신호의 임의의 점프의 크기를 유리하게 감소시킬 수 있다.

대안적인 접근법에서, 안티노드 및 노드 피드백 루프(61, 62)의 역할은 각도 θ의 회전 동안 완전히 전환될(switched) 수 있다. 예를 들어, θ 값이 0 과

사이의 값일 때(예를 들어, θ =

인 경우), 안티노드 피드백 루프(61)로의 입력은 감지 신호(34)로부터 감지 신호(36)로 스위칭 될 수 있고, 노드 피드백 루프(62)로의 입력은 감지 신호(36)로부터 감지 신호(34)로 스위칭 될 수 있다. 피드백 루프(61, 62)로의 입력이 스위칭 됨에 따라, 제1 및 제2 쌍의 액추에이터를 구동하는 신호 또한 스위칭 될 수 있다. 예를 들어, 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)로의 입력은, 노드 피드백 루프(62)로부터의 출력이 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)를 구동하도록 스위칭 될 수 있고, 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)로의 입력은, 안티노드 피드백 루프(61)로부터의 출력이 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)를 구동하도록 스위칭 될 수 있다. 이러한 스위칭 후에, 안티노드 피드백 루프(61)는 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터의 감지 신호(36)에 기초하여 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)를 구동하고, 노드 피드백 루프(62)는 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터의 감지 신호(34)에 기초하여 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)를 구동한다.

안티 노드 및 노드 피드백 루프(61, 62)의 역할 전환(switch)은 또한 제1 및 제2 제어 신호 (C₁, C₂)에 의해 전송되는 정보를 변경한다는 점을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 피드백 루프(61, 62)의 역할 전환 후, 노드 피드백 루프(62)로부터 출력되는 제어 신호는 제1 제어 신호(C₁)가 되고, 안티노드 피드백 루프(61)로부터 출력되는 제어 신호는 제2 제어 신호(C₂)가 된다. 본 명세서 전체에서 제시된 수학식들에서, 제1 제어 신호는, 제1 쌍의 센서(4a, 4b)로부터 출력되는 감지 신호(34)에 따라 설정된 제어 신호로 취해지며, 제2 제어 신호는, 제2 쌍의 센서(6a, 6b)로부터 출력되는 감지 신호(36)에 따라 설정된 제어 신호로 취해진다.

바이어스(B)는, 안티노드 여기 축(13)이 제1 각 위치에 있을 때(예를 들어 θ = 0 일 때) 제2 제어 신호(C₂)를 고려함으로써, 또한 안티노드 여기 축(13)이 제2 각 위치에 있을 때(예를 들어 θ =

일 때) 제1 제어 신호(C₁)를 고려함으로써 계산될 수 있다. 안티노드 여기 축(13)이 (제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b) 사이에서 연장되는) 제1 각 위치에 있고 θ = 0 일 때, 각도 θ는, θ'= 0 이 되도록 정지될 수 있다. 이 값들을 수학식 10에 삽입하면, 수학식 11이 도출된다.

C₂(0) = 2GA(1+ε)(αΩ - b sin β) (11)

제2 제어 신호(C₂(0))는, 수학식 11에 의해 주어진 바와 같이, 안티노드 여기 축(13)이 제1 각 위치에 있을 때, 보정 절차의 제1 감지 신호(first sensing signal)로 간주될 수 있다. 제1 감지 신호(C₂(0))는, 안티노드 여기 축(13)이 제1 각 위치에 있을 때 공진 구조체(2)의 제1 감지 축 상의 공진 구조체(2)의 진동을 나타낸다. 이 예에서, 제1 감지 축은, θ = 0 일 때 제2 쌍의 센서(6a, 6b) 사이에서 연장하는 노드 감지 축(16)이다.

회전이 발생한 후, 안티노드 여기 축(13)은 (제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b) 사이에서 연장되는) 제2 각 위치에 있고 θ =

이다. 각도　θ 는 θ' = 0 이 되도록 다시 정지될 수 있다. 이 값들을 수학식 9에 삽입하면 수학식 12가 도출된다.

C₁(

) = -2GA(αΩ + b sin β) (12)

제1 제어 신호(C₁(

))는, 수학식 12에 의해 주어진 바와 같이, 안티노드 여기 축(13)이 제2 각 위치에 있을 때, 보정 절차의 제2 감지 신호로 간주될 수 있다. 제2 감지 신호(C₁(

))는, 안티노드 여기 축(13)이 제2 각 위치에 있을 때 공진 구조체(2)의 제2 감지 축 상의 공진 구조체(2)의 진동을 나타낸다. 이 예에서, 제2 감지 축은, θ =

일 때 제1 쌍의 센서(4a, 4b) 사이에서 연장하는 노드 감지 축(16)이다.

제1 감지 신호를 제2 감지 신호에 가산하여 자이로스코프(1)의 바이어스(B)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 감지 신호와 제2 감지 신호는, 바이어스(B)를 결정하기 위해 제1 감지 신호와 제2 감지 신호의 합을 사용할 수 있는 제어기(도시되지 않음)에 의해 함께 더해질 수 있다. 수학식 11과 수학식 12를 함께 더하면 수학식 13이 도출된다.

C₂(0) + C₁(

) = 2GA((1+ε)(αΩ - b sin β) - (αΩ + b sin β)) (13)

어떤 경우들에서, 이득 오차는 무시할 만하다고 간주될 수 있으며, 따라서 이득 오차 파라미터(ε)은 0과 동일하다고 간주될 수 있다. 이 경우 수학식 13은 축소되어 수학식 14를 도출한다.

C₂(0) + C₁(

) = -4GAb sin β = -4GAB = -2SB (14)

수학식 14로부터, 스케일 팩터(S)가 알려지고, 안티노드 여기 축(13)이 제1 각 위치에 있을 때의 제2 제어 신호(C₂)를, 안티노드 여기 축(13)이 제2 각 위치에 있을 때의 제1 제어 신호(C₁)에 가산하며, 이득 오차 파라미터(ε)를 무시하면, 바이어스(B)가 도출될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 바이어스(B)가 도출되는 정확도를 증가시키기 위해, 이득 오차 파라미터(ε)가 바이어스(B)의 결정에 포함될 수 있다. 이 경우, 수학식 13은 수학식 15를 도출하도록 재배열될 수 있다.

수학식 15로부터, 수학식 15를 사용하여 바이어스(B)를 도출하려면 스케일 팩터(S)와 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)를 알아야 한다는 점을 알 수 있을 것이다. 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)는, 수학식 13을 b sinβ에 대한 수학식을 도출하도록 재배열하고 이를 수학식 12에 대입함으로써 결정될 수 있다. 도출되는 수학식을 재배열하고, |ε| << 1 이라고 가정하면 수학식 16에 의해 주어지는, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)의 근사값이 도출된다.

따라서, 스케일 팩터(S)를 알게 되면, 수학식 16을 이용하여 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)를 계산할 수 있고, 이를 수학식 15에 대입하면 바이어스(B)를 도출할 수 있다. 이 방법은 이득 오차 파라미터(ε)에 대한 고려를 포함함으로써 더 정확하게 바이어스(B)를 계산할 수 있게 하는 이점이 있다. 이득 오차 파라미터(ε)는, 예를 들어, 공장 보정 절차에서 결정될 수 있으며, 시간 및/또는 온도의 변화에 대해 상대적으로 안정하다고 간주될 수 있다.

제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 각도 θ를 연속적으로 회전시키는 것은, 바이어스(B)를 결정하기 위한 보정 절차가 수행되는 동안 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)가 연속적으로 측정될 수 있게 하는 이점이 있다. 각도 θ가 회전되는 동안, 자이로스코프(1)에 의해 출력되는 회전 속도 측정값은 자이로스코프(1)의 실제 회전 속도(Ω)와 각도 θ의 회전 속도(θ')의 조합을 나타낸다. 각도 θ의 회전 속도(θ')는 알려져 있으므로, 이는 자이로스코프(1)의 실제 회전 속도(Ω)를 도출하기 위해 자이로스코프(1)에 의해 출력되는 회전 속도 측정값으로부터 감산될 수 있다. 수학식 16은, 바이어스(B)를 결정하는 보정 절차가 수행되는 동안 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)를 측정하는 데 동등하게(equivalently) 사용될 수 있다(회전 속도(Ω)가 제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 일정하다고 가정함).

자이로스코프(1)가 보정되고 있을 때 회전 속도(Ω)의 연속적인 모니터링을 허용하도록 제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 각도 θ를 연속적으로 회전시키는 것은, 회전 속도(Ω) 측정에 커다란 중단이 없는 것이 바람직한 응용물들에 유리하다. 어떤 응용물들에서는 동일한 회전을 측정하기 위해 여러 개의 자이로스코프를 배치할 수 있다. 이는 여분을 제공할 수 있으므로 한 자이로스코프가 보정되는 동안 다른 자이로스코프가 회전을 측정할 수 있게 한다. 그러나, 상술한 방법에 의하면, 보정이 수행되는 동시에 자이로스코프(1)의 회전 속도를 측정할 수 있기 때문에, 동일한 회전을 측정하도록 구성된 다중 자이로스코프의 필요성이 저감된다.

각도 θ가 0 으로부터

까지 연속적으로 회전되는, 바이어스(B)를 계산하는 방법의 특정 실시예가 위에서 설명되었지만, 각도 θ의 다른 회전들이 그 대신 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 바이어스(B)는 각도 θ가 초기에

와 같고

로부터 0 까지 회전되는 보정 절차에서 결정될 수 있다. 이 회전의 두 극단(θ = 0 일 때와 θ =

일 때)에서의 제1 및 제2 제어 신호(C₁, C₂)가 바이어스(B)를 결정하도록 수학식 13 내지 수학식 16에서 사용될 수 있다.　 보정 방법의 일 실시예에서, 각도 θ는 2 개의 각도 사이에서 연속적으로 회전될 수 있다. 예를 들어, 각도 θ는 θ = 0 으로부터 θ =

까지 회전될 수 있고 이어서 θ =

로부터 θ = 0 까지 되돌아가도록 회전될 수 있다.

각도 θ는 두 개의 각 위치 사이에서(예를 들어 θ = 0과 θ =

사이에서) 임의의 회전 속도 θ'로 회전될 수 있다. 예를 들어, 각도 θ는 두 개의 각 위치 사이에서 일정한 속도로 회전될 수 있다. 어떤 실시예에서 각도 θ의 회전 속도 θ'은 θ가 두 개의 각 위치 사이에서(예를 들어 θ = 0과 θ =

사이에서) 회전됨에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 각도 θ는 제2 제어 신호(C₂)가 제1 각 위치에서 측정될 수 있도록 제1 각 위치(예를 들어, θ = 0)에서 정지될 수 있다(즉, θ' = 0). 이어서 회전 속도 θ'는, θ가 제2 각 위치 (예를 들어, θ =

)를 향해 연속적으로 회전하도록 증가될 수 있다. 회전 속도 θ'는, 예를 들어, θ가 제1 각 위치와 제2 각 위치 사이의 중간에 있게 될 때까지 계속 증가할 수 있다. 이어서 회전 속도 θ'는, θ가 정지되는 지점인 제2 각 위치에 θ가 근접함에 따라 감소할 수 있고, 제1 제어 신호(C₁)는 제2 각 위치에서 측정될 수 있다. 이어서, 수학식 15를 참조하여 전술한 바와 같이 바이어스(B)를 도출하기 위해, 제2 각 위치에서의 제1 제어 신호(C₁)은 제1 각 위치에서의 제2 제어 신호(C₂)에 가산될 수 있다.

제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 각도 θ의 회전 속도 θ'를 증가시키고 감소시키는 것은, 각도 θ가 제1 각 위치와 제2 각 위치에서 정지될 수 있게 하는 한편, 바이어스(B)를 도출하기 위해 제1 각 위치와 제2 각 위치에서의 제1 제어 신호와 제2 제어 신호를 측정하는 것 사이의 시간의 양을 유리하게 감소시킬 수 있다. 각도 θ가 제1 각 위치와 제2 각 위치에서 정지되는 것은 제1 각 위치와 제2 각 위치에서 이루어지는 제1 제어 신호와 제2 제어 신호의 측정값의 정확도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 각도 θ는 제1 각 위치 및/또는 제2 각 위치에서 정지하지 않을 수 있다. 그 대신, 각도 θ는 제1 각 위치 및/또는 제2 각 위치를 통해 회전될 수 있고, 제1 제어 신호와 제2 제어 신호는, 바이어스(B)를 도출하기 위해 각도 θ가 제1 각 위치와 제2 각 위치를 통과할 때 측정될 수 있다. 그러나 각도 θ가 제1 각 위치 및/또는 제2 각 위치를 통해 회전될 때 제1 제어 신호 및/또는 제2 제어 신호를 측정하는 것은 바이어스(B)의 결정의 정확도를 불리하게 감소시킬 수 있다. 각도 θ가 제1 각 위치 및/또는 제2 각 위치에서 정지하지 않는 실시예에서, 각도 θ의 회전 속도 θ'는 바이어스(B)의 결정의 정확도를 증가시키기 위해 제1 각 위치 및/또는 제2 각 위치 부근에서 감소될 수 있다.

바이어스(B)를 도출하기 위해 (수학식 11 내지 수학식 16을 참조하여) 위에서 설명된 방법들은, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)가, 안티노드 여기 축(13)이 제1 각 위치에 있을 때(예를 들어, θ = 0 일 때)와 안티노드 여기 축(13)이 제2 각 위치에 있을 때(예를 들어, θ =

일 때) 같다는 가정에 의존한다. 이는, 예를 들어, 자이로스코프(1)가 정지된 것으로 알려진 시각에 보정이 수행된다면 참일 수 있다. 그러나 이것이 항상 실용적이지는 않을 수도 있으며, 자이로스코프(1)가 정지되어 있지 않을 때 보정을 수행하는 것이 바람직할 수도 있다. 낮은 회전 각속도와 낮은 각가속도 변화를 경험하는 선박과 같은 플랫폼에 자이로스코프가 배치된다면, 플랫폼의 회전은 보정에 미미한 영향을 미칠 것이다(예를 들어 보정이 50 밀리초(ms)의 시간에 걸쳐 수행된다면). 자이로스코프가 항공기나 미사일과 같은 플랫폼에 배치되어 있다면 회전 각속도와 각가속도 변화가 보정에 큰 영향을 줄 수 있다(예를 들어 보정이 50 밀리초(ms)의 시간에 걸쳐 수행된다면). 이것이 성립하는 경우, 보정의 시간 간격이 현저하게 감소되어 회전 속도의 변화가 원하는 보정 정확도보다 작아질 수 있다. 보정 중의 회전 속도의 임의의 변화는 바이어스 오차로 직접 나타날 것이다. 일반적으로, 전술한 보정은, 자이로스코프의 회전 속도(Ω)의 임의의 변화가 원하는 보정 정확도보다 작아지도록, 충분히 짧은 시간 간격에서 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 바이어스(B)를 계산하려면, 스케일 팩터(S)를 어느 정도 알아야 할 수 있다. 실제로, 자이로스코프(1)의 동작 사용 중에 값 Sα 를 알 필요가 있을 수 있다. 그러나 자이로스코프 결합 계수(α)는 시간 및 온도의 변화에 대해 안정적일 수 있고, 공장 보정을 통해 확인될 수 있다. 따라서 스케일 팩터(S)가 결정되면 값 Sα가 결정될 수 있다. 스케일 팩터(S)는 공장 보정 절차에서 결정될 수 있다. 그러나 스케일 팩터(S)는 시간 및/또는 온도에 따라 변할 수 있다. 이는 자이로스코프(1)가 나중에 및/또는 다른 온도에서 현장에서 사용될 때 스케일 팩터의 공장 보정 값에 의존한다면, 스케일 팩터(S)에 약간의 불확실성을 초래할 수 있다. 상기한 방법을 사용하여 바이어스를 결정할 때, 스케일 팩터(S)의 불확실성은 바이어스(B)의 불확실성에 기여할 수 있다. 스케일 팩터(S)의 불확실성은, 예를 들어, 바이어스(B)의 불확실성에 대한 가장 큰 기여 중 하나일 수 있다. 따라서, 바이어스(B)가 결정되는 시간 및/또는 온도에 유사한 시간 및/또는 온도에서 현장에서 수행될 수 있는, 보정 절차에서 스케일 팩터(S)를 결정하는 방법을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로 결정된 스케일 팩터(S)는 바이어스(B)의 결정의 정확도를 향상시키는 데 사용될 수 있다.

스케일 팩터(S)는, 예를 들어, 그 전체가 본원에 참조로 인용된 공개된 PCT 특허출원 WO2013055253에 개시된 하나 이상의 방법을 사용하여 결정될 수 있다. WO2013055253은 스케일 팩터(S)를 결정하는 2 가지 주요 방법을 개시한다. WO2013055253에 개시된 제1 방법은 노드 여기 축(15)을 따라 구적 진동을 인가하는 것을 포함한다. 구적 진동은 제2 쌍의 액추에이터(5a, 5b)를 구동하는 신호(35)에 변조를 부가함으로써 인가될 수 있다. 구적 진동은 피드백 루프(62)의 대역폭 밖에 있는 주파수를 가질 수 있고, 따라서 구적 진동은 피드백 루프(62)에 의해 상쇄되지 않을 수 있다. 구적 진동은 제2 쌍의 센서(6a, 6b)에 의해 출력되는 감지 신호(36)에서 감지될 수 있다. 감지 신호(36)는 스케일 팩터(S)에 비례하는 출력을 제공할 수 있다. 감지 신호(36)는 측정될 수 있고, 감지 신호(36)의 변화는 스케일 팩터(S)의 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다.

WO2013055253에 개시된 제2 방법은 안티노드 여기 축(13)을 따라 구적 진동을 인가하는 것을 포함한다. 구적 진동은 제1 쌍의 액추에이터(3a, 3b)를 구동하는 신호(33)에 변조를 부가함으로써 인가될 수 있다. 구적 진동은 피드백 루프(61)의 대역폭 밖에 있는 주파수를 가질 수 있고, 따라서 구적 진동은 피드백 루프(61)에 의해 상쇄되지 않을 수 있다. 구적 진동은 제1 쌍의 센서(4a, 4b)에 의해 출력되는 감지 신호(34)에서 감지될 수 있다. 감지 신호(34)는 스케일 팩터(S)에 비례하는 출력을 제공할 수 있다. 감지 신호(34)는 측정될 수 있고, 감지 신호(34)의 변화는 스케일 팩터(S)의 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다.

WO2013055253은 또한 전술한 제1 방법 및 제2 방법에 대한 부가적인 방법 및 변형을 개시한다. WO2013055253에 개시된 하나 이상의 방법은 스케일 팩터(S)를 결정하기 위해 사용될 수 있으며, 스케일 팩터(S)의 값은 바이어스(B)를 도출하기 위해 사용될 수 있다.

대안적으로, 스케일 팩터(S)는 제1 방향으로 그리고 제1 회전 속도 θ'로 각도 θ를 θ의 주어진 값(예를 들어, θ = 0 또는 θ =

)까지 회전시킴으로써 결정될 수 있다.　 이어서 각도 θ의 회전 방향이 역전될 수 있고, 각도 θ는 제1 회전 속도와 실질적으로 동일한 크기를 갖는 제2 회전 속도 θ'로 회전될 수 있다.

각도 θ의 회전 동안 제1 및 제2 제어 신호들(C₁, C₂)은 수학식 17에 따라 θ 회전 속도 θ' 및 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)에 관련될 수 있다.

스케일 팩터(S)는, 예를 들어, 각도 θ를 보정 회전 속도 θ' = - θc 로 각도 θ = 0을 향해 회전시킨 다음, 각도 θ가 보정 회전 속도 θ' = θc 로 각도 θ = 0 으로부터 멀어지게 회전하도록 각도 θ의 회전을 역전시킴으로써 결정될 수 있다. 수학식 17은 각도 θ가 0에 도달하기 직전의 시각에 평가(evaluate)될 수 있다. 그러한 시각에서 θ = Δ₁ 이며, 여기서 Δ₁은 0에 가까운 작은 각도이고 θ'= -θ_C 이다. 이 값들을 수학식 17에 대입하고 Δ₁이 0에 가깝다고 가정하면 수학식 18이 도출된다.

수학식 17은 또한 각도 θ가 0을 지난 직후의 시각에 평가될 수 있다. 그 시각에서 θ = Δ₂ 이고, 여기서 Δ₂는 0에 가까운 작은 각도이고 θ' = θ_C이다. 이 값들을 수학식 17에 대입하고 Δ₂가 0에 가깝다고 가정하면 수학식 19가 도출된다.

예를 들어, 각도 Δ₁ 및 Δ₂ 는 약 1° 일 수 있고, 보정 회전 속도 θ_C 는 초당 약 100° 일 수 있다. 이 경우, θ = Δ₁ 일 때와 θ = Δ₂ 일 때의 시간 차이는 대략 20 밀리초(milliseconds)일 수 있다. 그러한 시간 간격 동안, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω), 스케일 팩터(S) 및 바이어스(B)는 모두 일정하다고 간주되어, Ω(Δ₁) = Ω(Δ₂) 이고, S(Δ₁) = S(Δ₂) 이며 B(Δ₁) = B(Δ₂)일 수 있다. 이러한 가정들을 이용하고 수학식 19로부터 수학식 18을 빼면, 스케일 팩터(S)에 관한 수학식이 도출될 수 있다. 이 수학식은 하기 수학식 20으로 나타낼 수 있다.

따라서, 수학식 20은 바이어스(B)를 도출하기 위해 수학식 15 및 수학식 16에 대입될 수 있는 스케일 팩터(S)를 도출하는 데 사용될 수 있다. 수학식 20을 사용하여 스케일 팩터(S)가 도출될 수 있는 정확도는 보정 절차 동안의 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)의 안정성에 의존할 수 있다. 예를 들어, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)의 값이 θ = Δ₁ 일 때와 θ = Δ₂ 일 때 사이에서 초당 약 0.025° 만큼 변화하면, 스케일 팩터(S)는 약 0.01%의 정확도로 결정될 수 있다. 보정 절차 동안 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)가 초당 0.025° 보다 많이 변화하면 스케일 팩터가 결정되는 정확도가 감소할 수 있다. 보정 절차 중에 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)가 초당 0.025° 미만으로 변화하면 스케일 팩터가 결정되는 정확도가 증가할 수 있다.

일 실시예에서, θ = Δ₁ 일 때와 θ = Δ₂ 일 때 사이의 시간 간격은 대략 50 밀리초 미만(예를 들어, 대략 20 밀리초)일 수 있다. 그러한 시간 간격 동안, 자이로스코프(1)의 회전 속도(Ω)는 초당 약 0.025° 이하만큼 변할 것으로 합리적으로 예상될 수 있으므로, 스케일 팩터(S)는 약 0.01% 이하의 정확도로 도출될 수 있다. 일부 실시예에서, 자이로스코프에 의해 출력되는 회전 속도(Ω)는, 초당 0.025° 미만의 회전 속도의 변화가 언제 발생하는지, 따라서 스케일 팩터(S)가 대략 0.01% 이하의 정확도로 언제 도출될 수 있는지를 결정하기 위해 모니터링 될 수 있다. 자이로스코프 출력의 무작위 변화가 모니터링 될 수 있으며, 무작위 변화가 초당 0.025°보다 현저하게 작을 때는, 스케일 팩터(S)가 결정될 수 있다.

(수학식 18 내지 수학식 20을 참조하여) 상술된 스케일 팩터(S)를 도출하는 방법은, θ = 0 을 향하도록 그리고 그로부터 멀어지도록 각도 θ 를 회전시키는 것을 포함한다. 그러나 θ = 0 이 아닌 θ의 값을 향하도록 그리고 그로부터 멀어지도록 각도 θ가 회전될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 각도 θ는 θ =

을 향하도록 그리고 그로부터 멀어지도록 회전될 수 있다. θ =

전과 후에 도달되고 θ =

에 근접한 각도를 고려함으로써 수학식 18 및 수학식 19와 동등한 수학식이 도출될 수 있다. 이 두 수학식들의 차이를 취함으로써, 수학식 20에 동등한 수학식을 발견할 수 있다. 이러한 수학식은 수학식 20이 의존하는 제2 제어 신호(C₂)가 아니라 제1 제어 신호(C₁)에 의존할 것임을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 제1 제어 신호(C₁)의 값들은 각도 θ =

주위에서 스케일 팩터(S)를 도출하도록 취해질 수 있다.

일부 실시예들에서, 각도 θ는 θ = 0 및 θ =

외의 θ의 값들을 향하도록 그리고 그로부터 멀어지도록 회전될 수 있다. 그러나 θ = 0 및 θ =

인 값들은 수학식 17을 유리하게 단순화하는데 이는 sin θ 와 cos θ 의 값들(instances)이 0 또는 1이 되기 때문이다. 그러므로 θ = 0 및 θ =

외의 θ의 값들을 사용하면 스케일 팩터(S)의 도출에 복잡성을 더할 수 있다.

제어 시스템(100)의 특정 실시예들과 액추에이터 및 센서(3-6)의 구성들이 위에서 설명되고 도면에 도시되었지만, 다른 제어 시스템이 자이로스코프의 보정을 수행하는 데 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 센서 또는 액추에이터로서 기능할 수 있는 요소들(예를 들어, 압전 및/또는 정전 소자들)이 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 액추에이터가 센서로서 기능하거나 그 역이 성립할 수 있도록 그 요소들의 역할이 변경될 수 있다. 이는, 예를 들어, 진동을 여기시키는 요소들 및 공진 구조체(2)의 진동을 감지하는 요소들이 변경되게 할 수 있다. 이는 서로 다른 요소들이 서로 다른 역할들을 수행하게 하면서 다중 보정이 수행될 수 있게 한다. 다중 보정의 결과들의 평균이 취해질 수 있으며 이는 오차의 평균을 취할 수 있게 하고 보정의 정확도를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들이 상술되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적인 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위를 벗어나지 않고 설명된 바와 같이 본 발명을 변형할 수 있음은 통상의 기술자에게 명확할 것이다.

Claims

진동 자이로스코프를 보정하는 방법에서,
공진 구조체의 여기 축(excitation axis)을 따르는 진동을 여기하는 단계로서, 상기 여기 축은 제1 각 위치(first angular position)에 배치되는 상기 단계;
상기 여기 축이 상기 제1 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계;
상기 제1 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하는 단계;
제2 각 위치까지 상기 여기 축을 상기 공진 구조체 주위로 연속적인 방식으로 회전시키는 단계;
상기 여기 축이 상기 제2 각 위치에 배치되는 동안 상기 공진 구조체의 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하는 단계;
상기 제2 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하는 단계; 및
상기 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하는 단계
를 포함하는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제1항에서,
상기 여기 축의 상기 제1 각 위치는 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치로부터 약 45° 이격되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제1항 또는 제2항에서,
상기 제1 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제1 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
상기 제2 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
상기 여기 축이 회전되는 동안 상기 자이로스코프의 회전 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제5항에서,
상기 자이로스코프의 회전 속도는 상기 제1 감지 신호와 상기 제2 감지 신호로부터 결정되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제5항 또는 제6항에서,
상기 자이로스코프의 결정된 회전 속도는 상기 자이로스코프의 바이어스를 결정하는데 사용되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
상기 자이로스코프의 스케일 팩터(scale factor)를 결정하는 단계를 더 포함하는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제9항에서,
상기 결정된 스케일 팩터는 상기 자이로스코프의 바이어스를 결정하는 데 사용되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제8항 또는 제9항에서,
상기 스케일 팩터를 결정하는 단계는,
각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키는 단계;
상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호(first scale factor sensing signal)를 생성하는 단계;
상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키는 단계;
상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하는 단계; 및
상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하는 단계
를 포함하는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제10항에서,
상기 감지 축은 상기 각 위치로부터 약 45° 만큼 이격되는, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
제10항 또는 제11항에서,
상기 제1 시각과 상기 제2 시각의 차이는 약 50 밀리초(milliseconds)보다 작은, 진동 자이로스코프를 보정하는 방법.
자이로스코프에서,
공진 구조체;
상기 공진 구조체의 여기 축을 따라 진동을 여기시키도록 구성된 제1 및 제2 쌍의 액추에이터로서, 제1 각 위치와 제2 각 위치 사이에서 연속적인 방식으로 상기 여기 축을 회전시키도록 동작 가능한 상기 제1 및 제2 쌍의 액추에이터;
상기 여기 축이 상기 제1 각 위치에 있는 동안 상기 제1 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 쌍의 센서;
상기 여기 축이 상기 제2 각 위치에 있는 동안 제2 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 쌍의 센서; 및
상기 진동 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하도록 구성된 제어기
를 포함하는, 자이로스코프.
제13항에서,
상기 여기 축의 상기 제1 각 위치는 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치로부터 약 45° 만큼 이격되는, 자이로스코프.
제13항 또는 제14항에서,
상기 제1 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제1 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬되는, 자이로스코프.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
상기 제2 감지 축은 상기 여기 축의 상기 제2 각 위치에 대해 약 45°의 각도로 정렬되는, 자이로스코프.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에서,
상기 제어기는 상기 여기 축이 회전되는 동안 상기 자이로스코프의 회전 속도를 결정하도록 구성되는, 자이로스코프.
제17항에서,
상기 제어기는 상기 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호로부터 상기 자이로스코프의 상기 회전 속도를 결정하도록 구성되는, 자이로스코프.
제18항에서,
상기 제어기는 상기 자이로스코프의 상기 바이어스를 결정하기 위해 상기 자이로스코프의 결정된 회전 속도를 사용하도록 구성된, 자이로스코프.
제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에서,
상기 제1 쌍의 센서에 의해 감지된 진동의 진폭을 제1 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제1 쌍의 액추에이터를 조절하도록 구성된 제1 피드백 루프를 더 포함하는, 자이로스코프.
제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에서,
상기 제2 쌍의 센서에 의해 감지된 진동의 진폭을 제2 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제2 쌍의 액추에이터를 조절하도록 구성된 제2 피드백 루프를 더 포함하는, 자이로스코프.
제20항 및 제21항에서,
상기 제1 각 위치와 상기 제2 각 위치 사이에서 상기 여기 축을 회전시키는 단계는, 상기 제1 기준 진폭 신호 및 제2 기준 진폭 신호를 변경하는 단계를 포함하는, 자이로스코프.
제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에서,
상기 제1 피드백 루프 및/또는 상기 제2 피드백 루프는 아날로그 전자 장치(analogue electronics)를 포함하는, 자이로스코프.
제13항 내지 제23항 중 어느 한 항에서,
상기 제어기는 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 결정하도록 구성되는, 자이로스코프.
제24항에서,
상기 제어기는 상기 자이로스코프의 상기 바이어스를 결정하기 위해 상기 결정된 스케일 팩터를 사용하도록 구성된, 자이로스코프.
제24항 또는 제25 항에서,
상기 제1 및 제2 쌍의 액추에이터는, 각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키도록, 그리고 상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키도록, 구성되고;
상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성되며;
상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성되며;
상기 제어기는, 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하도록, 구성되는, 자이로스코프.
제26항에서,
상기 감지 축은 상기 각 위치로부터 약 45° 만큼 이격되는, 자이로스코프.
제26항 또는 제27항에서,
상기 제1 시각과 상기 제2 시각 사이의 차이는 대략 50 밀리초보다 작은, 자이로스코프.
자이로스코프에서,
공진 구조체;
여기 축(excitation axis)을 따라 진동을 여기시키도록 구성된 제1 및 제2 쌍의 액추에이터;
제1 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 쌍의 센서;
상기 제1 감지 신호를 제1 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제1 쌍의 액추에이터를 구동하도록 구성된 아날로그 전자 장치를 포함하는 제1 피드백 루프;
제2 감지 축을 따르는 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 쌍의 센서;
상기 제2 감지 신호를 제2 기준 진폭 신호와 비교하고 상기 비교에 따라 상기 제2 쌍의 액추에이터를 구동하도록 구성된 아날로그 전자 장치를 포함하는 제2 피드백 루프; 및
상기 제1 기준 진폭 신호를 상기 제1 피드백 루프에 제공하고 상기 제2 기준 진폭 신호를 상기 제2 피드백 루프에 제공하도록 구성된 제어기
를 포함하며,
상기 제어기는 상기 공진 구조체 주위로의 상기 여기 축의 회전을 일으키기 위해 상기 제1 기준 진폭 신호와 상기 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 작동 가능한, 자이로스코프.
제29항에서,
상기 제1 감지 신호를 상기 제1 기준 진폭 신호와 비교하는 단계는,
상기 제1 감지 신호를 제1 진동 위상 기준 신호(first oscillating phase reference signal)에 대해 복조하는 단계와, 복조된 신호와 상기 제1 기준 진폭 신호의 차이를 결정하는 단계를 포함하는, 자이로스코프.
제29항 또는 제30항에서,
상기 제2 감지 신호를 상기 제2 기준 진폭 신호와 비교하는 단계는,
상기 제2 감지 신호를 제2 진동 위상 기준 신호(second oscillating phase reference signal)에 대해 복조하는 단계와, 복조된 신호와 상기 제2 기준 진폭 신호의 차이를 결정하는 단계를 포함하는, 자이로스코프.
제30항을 인용하는 제31항에서,
상기 제1 진동 위상 기준 신호와 상기 제2 진동 위상 기준 신호는 동일한 주파수 및 위상을 갖는, 자이로스코프.
제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에서,
상기 제어기는, 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호가 시간에 대하여 정현파 신호들(sinusoidal signals)이 되게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 동작 가능한, 자이로스코프.
제33항에서,
상기 제어기는, 상기 정현파 신호들이 실질적으로 일정한 위상차
를 갖게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록 동작 가능한, 자이로스코프.
제33항 또는 제34항에서,
상기 제어기는, 상기 정현파 신호들이 실질적으로 동일한 진폭을 갖게 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호들을 변화시키도록 동작 가능한, 자이로스코프.
제29항 내지 제35항 중 어느 한 항에서,
상기 제어기는, 상기 진동 자이로스코프의 바이어스를 도출하기 위해 상기 제1 감지 신호를 상기 제2 감지 신호에 가산하도록 구성되는, 자이로스코프.
제29항 내지 제36항 중 어느 한 항에서,
상기 제어기는, 각 위치(angular position)를 향하도록 상기 여기 축을 제1 방향으로 그리고 제1 속도로 회전시키기 위해 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록, 그리고 상기 각 위치로부터 멀어지도록 상기 여기 축을 상기 제1 속도로 그리고 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키도록 상기 제1 및 제2 기준 진폭 신호를 변화시키도록, 구성되고;
상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치에 도달하기 직전의 제1 시각에 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제1 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성되며;
상기 제1 쌍의 센서는, 상기 여기 축이 상기 각 위치를 지난 직후의 제2 시각에 상기 감지 축 상의 상기 공진 구조체의 진동을 감지하고 감지된 진동을 나타내는 제2 스케일 팩터 감지 신호를 생성하도록, 구성되며;
상기 제어기는, 상기 자이로스코프의 스케일 팩터를 도출하기 위해 상기 제1 스케일 팩터 감지 신호와 상기 제2 스케일 팩터 감지 신호의 차이를 계산하도록, 구성되는, 자이로스코프.