JP2006514749A - コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、コリオリの角速度計（１´）におけるゼロ点エラーの決定方法に関するものである。本発明では、共振器（２）の励起振動および読み取り振動とは異なる、共振器（２）における少なくとも１つの固有振動を励起するように、外乱力をコリオリの角速度計（１´）の共振器（２）に供給し、少なくとも１つの固有振動を励起させる、読み取り振動を示す読み取り信号の変化を、ゼロ点エラーの指標として決定する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定方法に関するものである。

コリオリの角速度計（振動ジャイロともいう）は、ナビゲーションを目的として（zu Navigationszwecken）ますます広範囲に使用されている。コリオリの角速度計は、振動する質点系（Massensystem）を有している。この振動（Schwingung）は、通常、複数の単一振動が重畳したものである。質点系のこれらの単一振動は、最初は相互に独立しており、それぞれは概念的には「共振器」のことである。振動ジャイロの操作には、少なくとも２つの共振器が必要である。これらの共振器の一方（第１共振器）を、人工的に励起させて振動させる。この振動を、以下では「励起振動」（Anregungsschwingung）と呼ぶ。他方の共振器（第２共振器）を、振動ジャイロを動かす／回転させる場合にのみ励起させて振動させる。このとき、コリオリの力が発生する。これらのコリオリの力は、第１共振器を第２共振器と連結し、第１共振器の励起振動からエネルギーを取り出し、このエネルギーを第２共振器の読み取り振動へ転送する。第２共振器の振動を、以下では「読み取り振動」（Ausleseschwingung）と呼ぶ。コリオリの角速度計の動き（特に回転）を検出するために、読み取り振動をタップオフし（abgegriffen）、対応する読み取り信号（例えば、読み取り振動タップオフ信号）を調べて、コリオリの角速度計における回転指標を表す読み取り振動の振幅に変化が生じたか否かを判定する。コリオリの角速度計は、開ループ系（Open-Loop-Systern）としても、閉ループ系（Closed-Loop-System）としても実現できる。閉ループ系では、各制御回路を介して、読み取り振動の振幅を常に固定値（好ましくは０）にリセットする。

コリオリの角速度計の操作方法をさらに明確にするために、図２を参照しながら、閉ループ形態として実施したコリオリの角速度計の一例について以下に説明する。

このようなコリオリの角速度計１は、振動可能な質点系２を有している。この質点系を以下では「共振器」とも呼ぶ。この呼び方は、「本当の」共振器の個々の振動を示す上述の概念的な「共振器」とは区別しなければならない。既述のとおり、共振器２を２つの「共振器」（第１共振器３と第２共振器４）を含むシステムとする。第１および第２共振器３、４は、それぞれ原動機（Kraftgeber）（図示せず）とタッピングシステム（図示せず）とに連結されている。原動機とタッピングシステムとによって生成されるノイズを、ここではノイズ１（参照番号５）とノイズ２（参照番号６）とによって概略的に示す。

コリオリの角速度計１は、さらに、４つの制御回路を有している。

第１制御回路は、励起振動（すなわち、第１共振器３の周波数）を固定周波数（共振周波数）で制御する役割を果たす。第１制御回路は、第１復調器７、第１ローパスフィルター（Tiefpassfilter）８、周波数制御器９、ＶＣＯ（「電圧制御発振器；Voltage Controlled Oscillator」）１０および第１変調器１１を備えている。

第２制御回路は、励起振動を一定振幅に制御する役割を果たし、第２復調器１２、第２ローパスフィルター１３および振幅制御器１４を備えている。

第３および第４制御回路は、読み取り振動を励起する力をリセットする役割を果たす。この場合、第３制御回路は、第３復調器１５、第３ローパスフィルター１６、直交制御器１７および第２変調器１８を備えている。第４制御回路は、第４復調器１９、第４ローパスフィルター２０、回転速度制御器２１および第３変調器２２を備えている。

第１共振器３を、その共振周波数ω１で励起する。その結果として生成される励起振動をタップオフし、第１復調器７を用いて位相を復調し、復調された信号成分を第１ローパスフィルター８に供給する。この第１ローパスフィルター８は、上記供給された信号成分から合計周波数を濾過処理する。タップオフ信号を、以下では、励起振動タップオフ信号とも呼ぶ。第１ローパスフィルター８から出力される信号を周波数制御器９へ入力する。この周波数制御器９は、周波数制御器９に供給される信号に応じて、同位相成分がほぼ０になるようにＶＣＯ１０を制御する。そのために、ＶＣＯ１０は第１変調器１１へ信号を供給する。第１変調器１１は、第１共振器３に励起力が入力されるように原動機を制御する。同相成分が０であれば、第１共振器３は、その共振周波数ω１で振動する。すべての変調器および復調器を、この共振周波数ω１に基づいて操作する。

励起振動タップオフ信号を、さらに第２制御回路へ供給し、第２復調器１２を介して復調する。第２復調器１２の出力は、第２ローパスフィルター１３を通過する。第２ローパスフィルター１３から出力される信号を振幅制御器１４へ供給する。振幅制御器１４は、この信号および基準振幅器（Soll-Amplitudengebers）２３に応じて第１変調器１１を制御し、第１共振器３を一定の振幅で振動させる（すなわち、励起振動を一定の振幅にする）。

既述のように、コリオリの角速度計１が動く／回転する場合に、コリオリの力（図では、用語ＦＣ・ｃｏｓ（ω１・ｔ）で示す）が発生する。これらのコリオリの力は、第１共振器３を第２共振器４と連結し、これにより、第２共振器４を振動させる。その結果として生成される周波数ω２の読み取り振動が、タップオフされる。その結果、上記読み取り振動の読み取り振動タップオフ信号（読み取り信号）が、第３および第４制御回路に供給される。第３制御回路では、この信号を第３復調器１５を介して復調し、合計周波数を第３ローパスフィルター１６を介して濾過処理し、濾過処理された信号を直交制御器１７に供給する。直交制御器１７から出力される信号を、読み取り振動の直交成分がリセットされるように第３変調器２２に入力する。これと同様に、第４制御回路では、読み取り振動タップオフ信号を第４復調器１９によって復調し、第４ローパスフィルター２０を介して濾過処理し、その濾過処理された信号を、一方では回転速度制御器２１に入力する。回転速度制御器２１から出力される信号は瞬間回転速度に比例しており、回転速度計測結果として回転速度出力部２４に供給される。また、上記の濾過処理された信号を、他方では第２変調器１８に入力する。第２変調器１８は読み取り振動のその回転速度成分をリセットする。

上記のようなコリオリの角速度計１を、二重共振（doppelresonant）としても非二重共振（nichtdoppelresonant）としても操作できる。コリオリの角速度計１を二重共振として操作する場合、読み取り振動の周波数ω２は励起振動の周波数ω１にほぼ等しい。これに対して、非二重共振では、読み取り振動の周波数ω２は励起振動の周波数ω１とは異なっている。回転速度に関する情報を含んでいるのは、二重共振では第４ローパスフィルター２０から出力される信号である。これに対して、非二重共振では第３ローパスフィルター１６から出力される信号である。異なる操作方法の間で二重共振／非二重共振を切り替えるために、二重切り替え器２５が備えられている。この二重切り替え器２５は、第３および第４ローパスフィルター１６、２０の出力部を、回転速度制御器２１および直交制御器１７に選択的に接続する。

質点系２（共振器）は、通常、複数の自然共振を有している。つまり、質点系２の様々な固有振動が励起される。この固有振動のうちの１つは、生成させた励起振動である。他の固有振動は、コリオリの角速度計１が回転する際にコリオリの力によって励起する読み取り振動である。機械的構造および回避できない製造上の許容誤差のために、励起振動および読み取り振動とともに、質点系２における、時としてそれらの共振から進んでいる他の固有振動の励起を回避できない。また、不要に励起されたこれらの固有振動により、読み取り振動タップオフ信号が変化してしまう。これは、これらの固有振動も、読み取り振動信号タップにおいて部分的にしか読み取られない（mitausgelesen）からである。それゆえ、この読み取り振動タップオフ信号は、コリオリの力によって生じる部分と共振の励起から不必要に生じる部分とから構成されている。この不必要な部分に起因して、コリオリの角速度計のゼロ点エラーが（その大きさは知られていないが）生じてしまい、読み取り振動タップオフ信号をタップオフする際に上記部分同士を区別できなくなってしまう。

本発明の目的は、「第３」形態（”dritter” Moden）の共振における上記の影響を測定する（bestimmt）方法、およびこれにより上記ゼロ点エラーを決定する方法を提供することである。この目的は、特許請求項１における特徴部分の記載の方法によって達成される。さらに、本発明は、特許請求項７に記載のコリオリの角速度計を提供する。本発明のアイデアの有利な実施形態および発展形態を、それぞれ従属請求項に記載する。

本発明のコリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定方法では、共振器の励起振動および読み取り振動とは異なる、共振器における少なくとも１つの固有振動を励起するように、外乱力（Stoerkraft）をコリオリの角速度計の上記共振器に供給する。ここで、少なくとも１つの固有振動を励起させる、読み取り振動を示す読み取り信号の変化をゼロ点エラーの指標として決定する。

「共振器」とは、ここでは、振動させることのできる、コリオリの角速度計の全質点系、つまり、図２の参照番号２に示したコリオリの角速度計の部分のことである。

本発明のアイデアは、共振器の不必要な固有振動（つまり、励起振動でも読み取り振動でもない固有振動）を励起させ、読み取り振動タップオフ信号への固有振動の影響を観察するということである。不必要な固有振動の励起により、ここでは共振器に外乱力が供給される。読み取り振動タップオフ信号に対するこのような外乱の「通過強度（Durchschlagsstaerke）」は、コリオリの角速度計のゼロ点エラー（「バイアス」）の指標となる。それゆえ、もし、読み取り振動タップオフ信号に含まれる外乱成分の強さを決定して、この強さと外乱成分が生成される外乱力の強さとを比較したとすると、ゼロ点エラーが得られる。

コリオリの角速度計が動作している間に固有振動を励起させ、それらの読み取り振動タップオフ信号への「通過（Durchschlags）」を決定することが好ましい。しかし、ゼロ点エラーの決定を励起振動が存在しない状態で行ってもよい。

外乱力は、固有の外乱周波数を有する交流電力（Wechselkraefte）、例えば、正弦電力と余弦電力（Sinus- bzw.Kosinuskraeften）との重畳（Ueberlagerung）であることが好ましい。ここで、外乱周波数は共振器の固有振動周波数と同じ、または、ほぼ同じであることが好ましい。読み取り信号を外乱周波数に基づいて復調する（Demodulationsprozess）ことによって、読み取り信号（外乱成分）の変化を検出（erfasst）することができる。

読み取り信号の変化の力と固有振動の共振のＱ値（Resonanzguete）とを決定して、決定された力および共振のＱ値とを計算する（Verrechnen）ことによって、少なくとも１つの固有振動のうちの１つ（つまり「第３」形態のうちの１つ）によって生成されるゼロ点エラー寄与（Nullpunktfehlerbeitrags）を決定することが好ましい。

外乱周波数の離調（Verstimmen）によって生じた読み取り信号の変化を計測している間に、１つの固有振動における共振のＱ値を決定することが好ましい。

不必要な固有振動の読み取り振動タップオフ信号への影響を調べるために、固有振動のうちのいくつかを同時に励起でき、それらの読み取り振動タップオフ信号への「共通の」影響を検出できる。好ましくは、関係する（interessierenden）不要な全ての固有振動を個々に励起し、それらの読み取り振動タップオフ信号への影響を個別に観察する。そして、こうして得られた個々の固有振動のゼロ点エラー寄与を足すことができる。これにより、固有振動によって生成された「全ゼロ点エラー」（ここでは「ゼロ点エラー」と称する）を決定できる。

外乱成分を、読み取り振動タップオフ信号から直接決定できる。

さらに、本発明は、コリオリの角速度計におけるゼロ点エラーの決定装置であることを特徴とするコリオリの角速度計を提供する。この装置は、共振器における共振器の励起振動および読み取り振動とは異なる、少なくとも１つの固有振動を励起するように、コリオリの角速度計の上記共振器に外乱力を供給する外乱ユニットと、読み取り振動を示す読み取り信号に含まれ、かつ、少なくとも１つの固有振動の励起によって生じた外乱成分をゼロ点エラーの指標として決定する外乱信号決定ユニットとを備えている。

外乱力が、規定された外乱周波数を有する交流電力によって与えられている場合、外乱信号決定ユニットは、読み取り信号を復調（（外乱周波数との同期復調（synchrone Demodulation））する復調ユニットを備えている。このように、外乱成分が、読み取り信号から決定される。

また、外乱信号決定ユニットは、互いに直交して駆動する２つの復調器と、２つのローパスフィルターと、制御・評価ユニットとを備えていることが好ましい。ここで、復調器に読み取り振動タップオフ信号を供給し、２つの復調器から出力される信号をローパスフィルターによってそれぞれ濾過処理し、上記ローパスフィルターから出力される信号を制御・評価ユニットに供給する。上記ユニットは、これに基づいてゼロ点エラーを決定する。

この制御・評価ユニットは、該制御・評価ユニットに供給された信号に基づいて、外乱ユニットに作用する。そして、外乱力の周波数は、制御・評価ユニットによって制御される。

ゼロ点エラーを決定するために、読み取り信号の外乱成分の力だけでなく、その固有振動の共振のＱ値をも決定する必要がある。さらに、ゼロ点エラーを得るために、これらの値を計算する。共振のＱ値を決定するために、外乱ユニットの周波数を、外乱信号決定ユニットを用いて同時に計測している間に共振から離調する必要がある。このことを、以下の機能を有するソフトウェアを用いて実現することが好ましい。
・「主要な」第３の（不要な）自然共振を探す。
・関連の（zugehoerigen）共振曲線から離れる。
・共振のＱ値および励起力、および読み取りチャネルのこの第３振動の「視程（Sichtbarkeit）」を算定する。
・共振のＱ値、力および「視程」に基づいてバイアスするために、この第３振動の寄与を算定する。

このバイアスを、ソフトウェアを用いて計算することにより補償できる。

以下に、添付図面に基づいて、本発明を例証的な実施形態によって詳述する。
図１は、本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。
図２は、従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

上記図面において、図２の部品または装置に対応するものには、同じ参照番号を付けており、説明を省略する。以下では、図１を参照しながら、本発明の方法を例証的な実施形態を用いて詳述する。

リセットされる（rueckgestellter）コリオリの角速度計には、さらに、制御・評価ユニット２６と、調節可能な周波数ωｍｏｄ、および好ましくは調節可能な振幅を有する変調器２７（外乱ユニット）と、周波数ωｍｏｄで直交して駆動する２つの復調器２８、２９と、第５および第６ローパスフィルター３０、３１とが備えられている。外乱ユニット２７は、周波数ωｍｏｄを有する交流信号（Wechselsignal）を生成する。交流信号は、励起振動の力入力（Krafteingang）（第１共振器３）に加算される。さらに、この信号を指標信号として復調器２８、２９に供給する。したがって、共振器２には、さらに、交流信号に相当する交流電力を供給する。この交流電力は、さらに励起振動するために共振器２の他の固有振動（「第３」固有形態と称する）を励起する。これらの影響を読み取り振動タップオフ信号の外乱成分として観察できる。この例では、読み取り振動タップオフ信号を、変調器２７によって生成される励起に対して、同相におよび直交して復調する。この復調は、周波数ωｍｏｄ（外乱周波数）で復調器２８、２９によって実行される。これにより得られた信号を、（第５および第６ローパスフィルター３０、３１を用いて）ローパスフィルターにかけ、制御・評価ユニット２６に供給する。この制御・評価ユニット２６は、「主要な」第３固有形態の周波数および力、およびそれらの共振のＱ値を継続的に決定するように、周波数ωｍｏｄ、および場合によっては変調器２７によって生成される交流信号の励起振幅を制御する。したがって、制御・評価ユニット２６は、実際のバイアスエラー（バイアス修正信号）を算定し、角速度計バイアスを修正するために上記バイアスエラーを供給する。

本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。 従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

Claims (9)

1. コリオリの角速度計（１´）におけるゼロ点エラーの決定方法であって、
   共振器（２）の励起振動および読み取り振動とは異なる、共振器（２）における少なくとも１つの固有振動を励起するように、外乱力をコリオリの角速度計（１´）の共振器（２）に供給し、
   少なくとも１つの固有振動を励起させる、読み取り振動を示す読み取り信号の変化を、ゼロ点エラーの指標として決定する方法。
2. 上記外乱力が外乱周波数を有する交流電力であり、上記外乱周波数が共振器（２）の固有振動周波数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記読み取り信号を外乱周波数に基づいて復調することによって、上記読み取り信号の変化を検出することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 上記読み取り信号の変化の力と固有振動の共振のＱ値とを決定して、決定された力と共振のＱ値とを計算することによって、少なくとも１つの固有振動のうちの１つにより生成されるゼロ点エラー寄与を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. １つの固有振動の共振のＱ値の決定は、外乱周波数の離調によって生成された、読み取り信号の変化を計測している間に行なうことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 上記共振器（２）における連続する複数の固有振動を励起することによって、読み取り信号の変化を検出し、ゼロ点エラー寄与を決定し、
   決定されたゼロ点エラー寄与を加算することによって、コリオリの角速度計（１´）のゼロ点エラーを決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. コリオリの角速度計（１´）は、ゼロ点エラーを決定するための装置であって、
   上記共振器（２）の励起振動および読み取り振動とは異なる、該共振器（２）における少なくとも１つの固有振動を励起するように、コリオリの角速度計（１´）の共振器（２）に外乱力を供給する外乱ユニット（２７）と、
   読み取り振動を示す読み取り信号に含まれ、かつ、少なくとも１つの固有振動の励起によって生成された外乱成分を、ゼロ点エラーの指標として決定する外乱信号決定ユニット（２６、２８、２９、３０、３１）とを備えていることを特徴とするコリオリの角速度計（１´）。
8. 上記外乱信号決定ユニットは、互いに直交して駆動する２つの復調器（２８、２９）と、２つのローパスフィルター（３０、３１）と、制御・評価ユニット（２６）とを備えており、
   復調器（２８、２９）に読み取り振動タップオフ信号を供給し、２つの復調器（２８、２９）から出力される信号をローパスフィルター（３０、３１）によってそれぞれ濾過処理し、ローパスフィルター（３０、３１）から出力される信号を制御・評価ユニット（２６）に供給し、制御・評価ユニット（２６）に供給された上記出力信号に基づいてゼロ点エラーを決定することを特徴とする請求項７に記載のコリオリの角速度計（１´）。
9. 上記制御・評価ユニット（２６）が、該制御・評価ユニット（２６）に供給された信号に基づいて外乱ユニットに作用し、
   外乱力の周波数が、制御・評価ユニット（２６）によって制御されることを特徴とする請求項８に記載のコリオリの角速度計（１´）。

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