专利名称：确定振动陀螺中零点误差的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定科式陀螺中零点误差的方法。
背景技术：
科式陀螺(也被称为振动陀螺)正在越来越多地用于导航的目的。科式陀螺具有可被导致振荡的质量系统。这种振荡一般情况下是大量独立振荡的叠加。质量系统的这些独立振荡初始时是互相独立的，每个振荡都可被抽象地称为“谐振器”。振动陀螺的运行至少需要两个谐振器其中的一个(第一谐振器)由人工激励进行振荡，下文中称之为“激励振荡”。另一个谐振器(第二谐振器)仅当振动陀螺被移动/旋转的时候被激励以进行振荡。这是因为这种情况下会出现科式力，科式力使第一振荡器耦合于第二振荡器，吸收来自第一振荡器的激励振荡的能量，并将该能量传输至第二振荡器的读出振荡(read oscillation)。第二振荡器的振荡在下文中使用“读出振荡”进行指代。为了确定科式陀螺的运动(尤其是旋转运动)，读出振荡被分接(tap off)，相应的读出信号(例如读出振荡分接信号)经检验以确定是否在读出振荡的振幅中出现任何变化，所述变化即表示对科式陀螺的旋转进行的测量。科式陀螺可实现为开环系统和闭环系统。在闭环系统中，读出振荡的振幅经由相应的控制回路被持续重设为固定值-优选为0。
科式陀螺的闭环方案的一个实例将在下文中参照图2进行说明，从而进一步示出科式陀螺运行的方法。
诸如此类的科式陀螺1具有质量系统2，该系统可用于引起振荡，在下文中也被称为“谐振器”。必须在这一表述和上述“抽象”谐振器之间找出不同之处的，这一不同表示“真实”谐振器的独立振荡。如已经描述的，谐振器2可被视为由两个“谐振器”组成的系统(第一谐振器3和第二谐振器4)。第一和第二谐振器3、4都连接于力传感器(未示出)和分接系统(未示出)。由力传感器和分接系统产生的噪声在这里使用噪声1(附图标记5)和噪声2(附图标记6)示意性地表示。
科式陀螺1还具有四个控制回路第一控制回路用于将激励振荡(也就是说第一振荡器3的频率)控制于固定频率(谐振频率)。第一控制回路具有第一解调器7、第一低通滤波器8、频率调节器9、VCO(电压控制振荡器)10和第一调制器11。
第二控制回路用于将激励振荡控制为常数幅值，并具有第二解调器12、第二低通滤波器13和振幅调节器14。
第三和第四控制回路用于重设那些对读出振荡进行激励的力。在这种情况下，第三控制回路具有第三解调器15、第三低通滤波器16、正交调节器17和第三调制器22。第四控制回路包括第四解调器19、第四低通滤波器20、旋转速度调节器21和第二调制器18。
第一谐振器3以其谐振频率1被激励。合成激励振荡被分接，并借助第一解调器7进行相位解调，解调信号分量被提供到第一低通滤波器8，该滤波器将和频从其中移除。分接信号在下文中也称为激励振荡分接信号。第一低通滤波器8的输出信号输入频率调节器9，该调节器作为输入它的信号的函数控制VCO 10，从而使同相分量基本上趋向于零。为了实现这一目的，VCO 10将信号传输至第一调制器11，该调制器本身控制力传感器从而使激励力施加于第一谐振器3。如果同相分量是0，那么第一谐振器3以其谐振频率1进行振荡。注意，所有的调制器和解调器都是在该谐振频率1的基础上工作。
激励振荡分接信号也输入第二控制回路并且通过第二解调器12进行解调，其输出传入第二低通滤波器13，滤波器的输出又进入振幅调节器14。振幅调节器14作为该信号以及名义振幅传感器23的函数控制第一调制器11，从而使第一振荡器3以恒定振幅进行振荡(也就是说激励振荡具有恒定幅值)。
如上所述，科式力-在附图中使用项FC·cos(l·t)示出-在科式陀螺1运动/旋转时出现，该力使第一谐振器3耦合于第二谐振器4，因此导致第二谐振器4振荡。处于频率2的合成读出振荡被分接，从而使相应的读出振荡分接信号(读出信号)输入第三和第四控制回路中。在第三控制回路中，该信号被第三解调器15解调，和频被第三低通滤波器16移除，并且低通滤波信号输入正交调节器17中，其输出信号输入第三调制器22从而重新设定读出振荡的相应正交分量。与此类似，在第四控制回路中，读出振荡分接信号被第四解调器19解调，通过第四低通滤波器20，并且相应的低通滤波信号一方面输入旋转速度调节器21，其输出信号与瞬时旋转速度成比例，然后作为旋转速度测量结果传入旋转速度输出24，另一方面该信号输入第二调制器18，该调制器对读出振荡的相应的旋转速度分量进行重新设置。
如上所述的科式陀螺1可以双谐振的形式和非双谐振的形式运转。如果科式陀螺1以双谐振形式运转，那么读出振荡的频率2就大概等于激励振荡的频率1，同时，相反，在非双谐振的情况下，读出振荡的频率2与激励振荡的频率1不同。在双谐振的情况下，第四低通滤波器20的输出信号包含关于旋转速度的相应信息，同时，在非双谐振的情况下，第三低通滤波器16的输出信号不包括上述信息。为了在不同的双谐振/非双谐振运转模式之间进行转换，设置有双向开关25，该开关可选择性地将第三和第四低通滤波器16、20的输出与旋转速度调节器21和正交调节器17相连接。
质量系统2(谐振器)一般具有两个或者多个自然谐振，也就是说，质量系统2的不同的自然振荡可被激励。这些自然振荡中的一个是人工制造的激励振荡。另一个自然振荡由读出振荡表示，该振荡是在科式陀螺1旋转期间由科式力激励得到的。由于机械结构的原因，也由于不可避免的制造公差，所以不可能防止质量系统2的其他自然振荡，除了激励振荡和读出振荡，在某些远离谐振的情况下，系统也可被激励。不过，不想要的激励自然振荡会到导致读出振荡分接信号的变化，由于这些自然振荡也至少是由读出振荡信号分接所读出的。因此读出振荡分接信号的组成一部分是由科式力引起的，另一部分是来自对不想要的谐振进行的激励。不想要的部分会在科式陀螺中引起零点误差，其振幅是未知的，在这种情况下，当读出振荡分接信号被分接时，不可能区分这两部分。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，借助该方法，可建立上述“第三”模式振荡的影响并且因此也可确定零点误差。
这一目的是通过权利要求1所述的特征实现的。本发明也提供了一种科式陀螺，如权利要求7所述。相应的附属权利要求中也包含了对本发明思想的有利提炼和改善。
根据本发明，一种用于确定科式陀螺零点误差的方法，科式陀螺的谐振器具有输入其中的适当扰动力，从而使谐振器的至少一个自然振荡被激励，该自然振荡与谐振器的激励振荡和读出振荡不同，在这种情况下，读出信号表示读出振荡并且由对至少一个自然振荡的激励而引起，读出信号中的变化被确定为对零点误差进行的测量。
在这种情况下，术语“谐振器”表示被引起振荡的科式陀螺的整个质量系统，也就是说，参照图2，是由附图标记2表示的科式陀螺的部分。
本发明的本质就在于对不想要的谐振器自然振荡(也就是说，既不是激励振荡也不是读出振荡的自然振荡)进行人工激励并且观察它们对读出振荡分接信号的影响。不想要的自然振荡在这种情况下是通过将适当的扰动力施加于谐振器而被激励的。这种扰动对于读出振荡分接信号的“穿透力”就表示对科式陀螺的零点误差(偏差)进行的测量。因此，如果读出振荡分接信号中包含的扰动分量的强度被确定并且与产生该扰动分量的扰动力的强度相比较，那么就可从中获得零点误差。
自然振荡的人工激励和自然振荡对读出振荡分接信号的“穿透力”的确定最好在科式陀螺的运转期间进行。不过，零点误差也可在没有任何激励振荡存在的情况下得到。
扰动力优选是具有适当扰动频率的交变力，例如正弦和余弦的力的叠加。在这种情况下，扰动频率比较有利地等于，或者基本上等于，谐振器的自然振荡频率。读出信号的变化(扰动分量)可通过在扰动频率基础上使读出信号经历解调过程而记录。
由至少一个自然振荡中的一个(也就是说“第三”振荡模式中的一个)引起的零点误差贡献(zero error contributions)优选通过确定读出信号中的相应变化的强度，确定自然振荡的相应谐振Q因数，并且对确定的强度和谐振Q因素进行计算而得以确定。
自然振荡的谐振Q因数优选通过对相应的扰动频率进行解调并且同时测量其在读出信号中产生的变化而进行确定。
为了研究不想要的自然振荡对读出振荡分接信号的影响，两个或多个自然振荡可被同时激励，它们对读出振荡分接信号的“共同”影向可被记录下来。不过，所有感兴趣的扰动自然振荡最好进行单独激励，并分别观察它们对读出振荡分接信号的相应影响。通过这种方式从独立自然振荡中获得的零点误差然后可相加从而得到由自然振荡产生的“整体零点误差”(这里称之为“零点误差”)。
扰动分量可直接从读出振荡分接信号中确定。
本发明也提供了一种科式陀螺，该陀螺的特征在于用于确定科式陀螺的零点误差的装置。该装置具有-扰动单元，该扰动单元向科式陀螺的谐振器施加适当的扰动力，从而对谐振器的至少一个自然振荡进行激励，该振荡与谐振器的激励振荡和读出振荡不同，并且-扰动信号检测单元，该扰动信号检测单元确定扰动分量，该分量包含于表示读出振荡的读出信号中，并且是通过对至少一个自然振荡进行激励而得到的，从而作为对零点误差进行的测量。
如果扰动力是由特定扰动频率的交变力而产生的，那么扰动信号检测单元包含解调单元，借助该解调单元，读出信号经历解调过程(以扰动频率同步解调)。该扰动分量以这种方式从读出信号中确定。
该扰动信号检测单元优选具有两个彼此正交工作的解调器，两个低通滤波器和控制与评估单元，读出振荡分接信号输入解调器，来自两个解调器的输出信号在低通滤波器中的每个中滤波，低通滤波器的输出信号供给于控制与评估单元，该控制与评估单元在此基础上确定零点误差。
该控制与评估单元在输入信号的基础上作用于扰动单元，借助于此，扰动力的频率可被控制与评估单元控制。
读出信号中的扰动分量的强度以及相应自然振荡的谐振Q因数必须确定从而确定零点误差。然后，这些值被计算从而获得零点误差。为了确定谐振Q因数，扰动元件的频率必须被在谐振频率上解谐，同时借助扰动信号检测器元件进行测量。这一过程最好通过软件实现，软件的功能如下-寻找“明显的”第三(扰动)自然谐振-从相关的谐振曲线移开-计算Q因数和激励强度，以及在读出通道中该第三振荡的“可见性”-在Q因数、强度和“可见性”的基础上计算该第三振荡对偏差的作用该偏差可借助软件通过计算进行补偿。
本发明将在下文中参照附图以示例性实施例的形式更详细地进行描述。
图1示出了基于根据本发明方法的科式陀螺的示意性设计图；图2示出了传统科式陀螺的示意性设计图。
具体实施例方式
与图2所对应的部件和装置在附图中使用相同的附图标记表示，在这里不再进行说明。根据本发明的方法将参照附图1在下文中使用示例性实施例进行详细地说明。
一种重置科式陀螺额外地设置有控制与评估单元26，具有可变频率ω�：陀叛】傻髡穹牡髦破�27(扰动元件)，两个解调器28、29，所述解调器以ω模的频率正交运转，以及第五和第六低通滤波器30和31。扰动元件27产生频率为ω模的交变信号，该信号被加入激励振荡(第一振荡器3)的力输入中。而且，该信号作为基准信号提供给解调器28、29。因此，对应于交变信号的交变力额外应用于振荡器2。该交变力除了激励振荡之外还激励了振荡器2的另一自然振荡(也被称为“第三”自然振荡模式)，其作用可以以读出振荡分接信号的扰动分量的形式被观察到。在该实例中，读出振荡分接信号相对于由调制器27产生的激励同相地并且正交地经历解调过程，该过程以ω模频率(扰动频率)由解调器28、29执行。以这种方式得到的信号是经过低通滤波的(由第五和第六低通滤波器30、31)，并输出于控制与评估单元26中。该控制与评估单元26以下述方式控制频率ω模，并且，如果适当的话，控制由调制器27产生的交变信号的激励振幅，该方式即持续确定“明显的”第三自然振荡模式的频率和强度以及其Q因数的方式。该控制与评估单元26使用这种方式计算相应的瞬时偏差误差，并将其输入以校正陀螺的偏差。
权利要求
1.一种确定科式陀螺(1’)中的零点误差的方法，其中-所述科式陀螺(1’)的谐振器(2)被施加有适当的扰动力，从而使所述谐振器(2)中的至少一个自然振荡被激励，该振荡与所述谐振器(2)的激励振荡和读出振荡不同，并且-表示所述读出振荡并且由对至少一个自然振荡的激励而引起的读出信号中的变化被确定，作为所述零点误差的测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扰动力是在适当扰动频率下的交变力，所述扰动频率是所述振荡器(2)的自然振荡频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述读出信号中的变化通过基于所述扰动频率使所述读出信号经历解调过程而进行记录。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，由至少一个自然振荡中的一个产生的零点误差贡献通过确定所述读出信号中的相应变化的强度、确定所述自然振荡的相应谐振Q因数，并通过计算所确定的强度和谐振Q因数而进行确定。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，自然振荡的谐振Q因数通过对相应的扰动频率进行解谐并且同时测量其在所述读出信号中产生的变化而进行确定。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述谐振器(2)的两个或多个相继自然振荡被激励，所述读出信号中的相应变化被记录，并且相应的零点误差贡献被确定，所述科式陀螺(1’)的零点误差通过将所述零点误差贡献求和而被确定。
7.一种科式陀螺(1’)，其特征在于，具有确定所述科式陀螺(1’)的零点误差的装置，包括-扰动单元(27)，该扰动单元将适当的扰动力施加于所述科式陀螺(1’)的谐振器(2)，从而使所述谐振器(2)的至少一个自然振荡被激励，该振荡与所述振荡器(2)的激励振荡和读出振荡不同，以及-扰动信号检测单元(26、28、29、30、31)，该扰动信号检测单元确定扰动分量，该分量包含于表示所述读出振荡的读出信号中并且已经通过至少一个自然振荡的激励而产生，作为对所述零点误差进行的测量。
8.根据权利要求7所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述扰动信号检测元件包括两个解调器(28、29)，所述解调器相互正交运转、两个低通滤波器(30、31)、以及控制与评估单元(26)，所述解调器(28、29)被提供所述读出振荡分接信号，来自两个解调器(28、29)的输出信号被所述低通滤波器(30、31)中的每一个滤波，并且所述低通滤波器(30、31)的输出信号输入所述控制与评估单元(26)中，所述控制与评估单元(26)在此基础上确定所述零点误差。
9.根据权利要求8所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述控制与评估单元(26)在所述输入信号的基础上作用于所述扰动元件，通过这种方式，所述扰动力的频率可由所述控制与评估单元(26)控制。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定振动陀螺仪(1)的零点误差的方法。根据所述方法，振荡陀螺仪(1)的谐振器(2)以下述方式被适当的干涉力冲击，即谐振器(2)中与谐振器(2)的激励振动和读出振动不同的至少一个内在振荡被引起，并且由内在振动的激励而造成的、对表示读出振动的读出信号进行的修正确定为零点误差的值。
文档编号G01C19/56GK1774612SQ200480009731
公开日2006年5月17日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年4月14日
发明者沃纳·施罗德 申请人:利特夫有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
