具有传感器偏差消除的惯性测量系统和方法技术方案

一种惯性测量系统和方法，其中基座根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转，绕输入轴的旋转用一个或多个角速率传感器来感测，通过抖动围绕垂直于它们的感测轴的轴的传感器来以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位，以消除固定偏差偏移，而来自传感器的信号以抖动频率解调。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及惯性测量，以及，更具体地，涉及一种惯性测量系统和方法，在其中消除了速率传感器或者陀螺仪的固定偏差偏移。
技术介绍
角速率传感器或者陀螺仪(gyroscope)，通常统称为陀螺(gyro)，对固定偏移或者偏差敏感，所述固定偏移或者偏差是惯性测量中重要的误差来源。这些固定偏移误差的幅度取决于所使用的传感器或者陀螺仪的类型。在对偏移误差具有严格限制的应用中，通常必须使用具有很低的残留偏移误差的更昂贵的传感器，而那些传感器往往是相对大而且重的。迄今为止，通过恒定旋转的应用已经去除了偏移误差。例如，水平惯性仪器，诸如陀螺仪和加速计，已经以转盘(carousel)方式绕垂直轴连续地旋转。然而，应用恒定旋转并不总是可行的或者甚至并不是希望的。对于环形激光陀螺，通过抖动(dither)围绕输入轴的传感器，最小化由众所周知的频率锁定效应所引起的误差。然而，不希望绕其输入轴来旋转传感器，因为除了将要检测的那一个之外，它提供角速率输入。在已有技术的惯性系统中，还需要依靠复数模型来预测偏移随时间以及由于诸如温度的因素的变化。这些模型在一些应用中能够是非常有用的，但是往往需要把偏移消除到比模型所能够提供的精度更高的级别。
技术实现思路
总体上，本专利技术的一个目的是提供一种用于惯性测量的新的且改进的系统和方法，在其中消除了固定偏差偏移。本专利技术的另一目的是提供一种具有以上特征的系统和方法，其克服了已有技术的局限性和缺点。根据本专利技术，通过提供一种惯性测量系统和方法实现了这些及其它目的，在该系统和方法中，基座(base)根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转，绕-->输入轴的旋转用一个或多个角速率传感器感测，通过抖动围绕与它们的感测轴垂直的轴的传感器来以振动(oscillatory)的方式改变感测轴相对于基座的方位，来消除固定偏差偏移，而来自传感器的信号以抖动频率解调。附图说明图1是根据本专利技术的速率传感器系统的一个实施例的示意透视图。图2是图1的实施例的俯视图。图3是在图1的实施例中用于处理来自传感器的信号的系统的框图。图4是在包含本专利技术的速率传感器系统的另一实施例中用于处理来自传感器的信号的系统的框图。图5是包含本专利技术的速率传感器系统的另一实施例的俯视图，一定程度上是示意图。具体实施方式如图1所示，系统包括安装基座(mounting base)11和安装在基座上的调制器12上的两个角速率传感器或者陀螺仪Gx和Gy，传感器的输入轴名义上与基座的x和y轴对齐。调制器绕z轴旋转传感器，该z轴垂直于传感器的输入轴并垂直于基座。该旋转在本质上是振动或者抖动的，频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，而振幅在几毫弧度至几度的数量级。传感器13监测调制器的位置并且提供与调制器和速率传感器的瞬时角位移相对应的信号。如以下更完全地讨论的，该信号允许系统解调或者去除与陀螺输出信号的处理有关的调制效应。调制器可以是合适的已知的设计，包括振动机械挠曲(flexure)或弹簧、压电致动器、电机、或者基于MEMS的结构。调制的振幅应该足够大以提供陀螺输出信号的足够分辨率，而频率应该高于将要测量的旋转。除此之外，调制器必须在传感器轴的平面内提供稳定的运动。该运动可以具有任意合适的类型，包括简单的周期波形，诸如正弦波或者方波、或者更复杂的运动。调制传感器13还可以是传统的设计，诸如线圈和磁铁、光学传感器、或者编码器。调制器的旋转使速率传感器或者陀螺的输入轴相对于基座的固定轴旋转，在任意给定时刻在传感器轴和基座轴之间对齐中的差等于调制器的瞬时-->角度位置。不同于绕输入轴旋转传感器从而施加角速率输入到传感器的已有技术器件，调制器旋转它们自己的输入轴，而没有乱真(spurious)速率输入。输入轴的方位以抖动的方式随着相对快的振动运动而改变，并且在没有其它外部施加的角度输入的情况下，传感器轴的旋转不产生旋转速率信号。在图2中，速率传感器或者陀螺的输入轴x′、y′示出为相对于基座的固定基准轴x、y旋转角度θm。z轴垂直于图平面，并且向包括基座的整个系统施加绕y轴旋转的外部速率Ω。调制器围绕z轴振动，振幅典型地在2-50毫弧度的数量级，而频率在20-500Hz的数量级，更高的振动频率典型地与更小的振动振幅相关联。传感器13检测θm的瞬时值，并且提供在处理来自陀螺的输出信号中所使用的信号。该信号允许系统补偿速率传感器Gx和Gy的时变输入轴以及用于解调陀螺输出。速率传感器或者陀螺在输入轴调制的频率处应该具有用于测量的适当带宽，并且它们在接近于调制频率的频率范围内还应该具有足够低的噪声，以允许充分地分辨陀螺调制信号。在解调之前，每个速率传感器或者陀螺的输出包括传感器固定偏移和外部施加的角速率的组合。因为调制影响施加的角速率，而不是固定偏移，所以系统能够区别它们。由于两个信号受输入轴调制的影响不同，所以能够使用相对简单的信号处理来分离两个信号，产生实质上不受陀螺偏移误差或者偏差的典型影响的陀螺输出。与轴的瞬时方位相对应的来自调制传感器的信号与处理电路中的输入轴解调器结合使用，来去除机械调制效应。时变调制角θm能够写为恒定角θ0和调制振幅m的和，该调制振幅m例如正弦地以角频率ω随时间t改变。因此，θm＝θ0+msin(ωt)。由外部施加的旋转Ω而产生的陀螺Gx的输出信号Sx给出如下：Sx＝Ωsin(θm)＝Ωsin[θ0+msin(ωt)]。对角度之和的正弦使用三角恒等式，保持m的二次和更低的项并且增加偏差偏移Bx，关系变为：Sx＝Ω[sin(θ0)(1-(1/2)m2sin2(ωt))+cos(θ0)msin(ωt)]+Bx。固定偏移Bx不被调制，如果对Sx以频率f＝ω/2π执行同步解调，则仅仅剩余与Ωmcos(θ0)成正比的项。因为m值从调制器截止(pickoff)信号获知，所以沿着陀螺Gx的输入轴作为外部施加的旋转的分量的Ωcos(θ0)的值被确定。-->如果外部施加旋转Ω的幅度也是已知的，则方位角θ0也是确定的。关于这些计算，对于沿着x′轴的旋转分量和相对于施加旋转的方位角两者，固定偏差偏移Bx清除或者消除。类似的分析适用于陀螺Gy和输出信号Sy。对于Gy也计算外部施加的旋转的分量，如果该施加的旋转的值已知，则Gy相对于输入旋转的方位角能够确定。用这样的方法，以与用于陀螺Gx的固定偏差相同的方式，也能消除陀螺Gy的固定偏差By。用来自两个陀螺的解调输出，能够确定施加的旋转Ω和方位角θ0两者的值。如果两个陀螺的解调输出信号指定为Sxd和Syd，则因为Sxd∝Ωcos(θ0)，以及Syd∝-Ωsin(θ0)，所以<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>xd</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>yd</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>&Proportional;</mo>&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性测量系统，包括：基座，根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转；角速率传感器，响应于绕感测轴的旋转，由该基座承载；调制器，用于围绕与感测轴垂直的轴抖动该传感器来按调制频率以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位；以及装置，用于按该调制频率来解调来自传感器的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-3-4 11/072,0641.一种惯性测量系统，包括：基座，根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转；角速率传感器，响应于绕感测轴的旋转，由该基座承载；调制器，用于围绕与感测轴垂直的轴抖动该传感器来按调制频率以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位；以及装置，用于按该调制频率来解调来自传感器的信号。2.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制器安装在该基座上，该传感器安装在该调制器上。3.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫弧度至几度的数量级。4.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。5.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，用于解调来自传感器的信号的该装置还包括装置，用于以该调制频率的两倍来解调来自该传感器的信号。6.一种惯性测量方法，包括步骤：根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转基座；用具有感测轴的角速率传感器来感测绕该输入轴的旋转；围绕与感测轴垂直的轴抖动该传感器来按调制频率以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位；以及以该调制频率来解调来自该传感器的信号。7.根据权利要求6所述的方法，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫弧度至几度的数量级。8.根据权利要求6所述的方法，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。9.根据权利要求6所述的方法，包括步骤：以该调制频率的两倍来解调来自该传感器的信号。10.一种惯性测量系统，包括：基座，根据将要测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰德尔贾菲，
申请(专利权)人：定制传感器及技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]