(57)【要約】      （修正有）【課題】検出信号のノイズ、ドリフトを最小にする角度測定の方法を提供する。【解決手段】既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて一組の推定された信号を算出するために状態観測器２３１を構成し、ジャイロスコープ２１に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出し、算出されたゲインに基づいて、推定された一組のパラメータを算出する。一組の検出信号は、検出モジュール２２によって生成され、これと推定された一組のパラメータから推定された信号が算出される。また、状態観測器２３１によって算出された推定されたパラメータにおける位置および速度に基づいて前記ジャイロスコープ２１の回転角φを算出するための角度計算機２３３とを含む。【選択図】図３
2011017688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度測定ジャイロシステム（２）のジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）を算出するための角度測定の方法であって、前記ジャイロスコープ（２１）は、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス（２１１）を含み、前記角度測定ジャイロシステム（２）は、検出モジュール（２２）、状態観測器（２３１）、および角度計算機（２３３）を含み、前記検出モジュール（２２）は、前記プルーフマス（２１１）の運動を検出し、その結果、検出された前記プルーフマス（２１１）の前記運動に対応し、ならびに、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される、前記角度測定の方法であって、前記角度測定の方法は、
Ａ）既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて一組の推定された信号を算出するために前記状態観測器（２３１）を構成するステップであって、前記既定の算出され推定されたパラメータは、前記角度測定ジャイロシステム（２）の一組のシステムパラメータに対応し、前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分、前記プルーフマス（２１１）の速度のｘおよびｙの成分、前記検出モジュール（２２）のエラーのｘおよびｙの成分、ならびに前記ｘおよびｙ軸に直交するｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の角速度を含む、構成するステップと、
Ｂ）前記ジャイロスコープ（２１）に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出するための前記状態観測器（２３１）を構成するステップと、
Ｃ）ステップＢ）において算出された前記ゲインに基づいて前記ジャイロスコープ（２１）に関連した前記動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために前記状態観測器を構成するステップであって、前記検出信号は、前記検出モジュール（２２）によって生成され、そして前記推定された信号は、ステップＡ）において算出される、構成するステップと、
Ｄ）ステップＣ）において算出された前記現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づく前記ｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の弾性係数を算出するための前記角度計算機（２３３）を構成するステップとを含む、角度測定の方法。
【請求項２】
ステップＣ）において算出された前記現在の算出され推定されたパラメータは、ステップＡ）において算出された前記推定された信号からの前記既定の算出され推定されたパラメータに対応する、請求項１に記載の角度測定の方法。
【請求項３】
2011017688.tif 000020
【請求項４】
2011017688.tif 000021
【請求項５】
ステップＢ）において、前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）を使用して算出される、請求項１に記載の角度測定の方法。
【請求項６】
ステップＢ）において、前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、フェーディングメモリー技術を使用して算出される、請求項５に記載の角度測定の方法。
【請求項７】
角度測定ジャイロシステム（２）であって、
相互に直交するｘおよびｙによって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス（２１１）を含む、ジャイロスコープ（２１）と、
前記ジャイロスコープ（２１）に連結され、そして前記プルーフマス（２１１）の運動を検出し、その結果、検出された前記プルーフマス（２１１）の前記運動に対応し、ならびに前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される、検出モジュール（２２）と、
計算モジュール（２３）であって、
前記検出モジュール（２２）に連結され、および既定の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成される、状態観測器（２３１）であって、前記既定の算出され推定されたパラメータは、前記角度測定ジャイロシステム（２）の一組のシステムパラメータに対応し、前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分、前記プルーフマス（２１１）の速度のｘおよびｙの成分、前記検出モジュール（２２）のエラーのｘおよびｙの成分、ならびに前記ｘおよびｙの軸に直交するｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の角速度であり、前記状態観測器（２３１）は、さらに、前記ジャイロスコープ（２１）に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出し、およびその結果、算出された前記ゲインに基づき前記ジャイロスコープ（２１）に関連した前記動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成され、前記検出信号は、前記検出モジュール（２２）によって生成され、そして前記推定された信号は、その結果、算出される、前記状態観測器（２３１）と、
前記状態観測器（２３１）に連結され、そして前記状態観測器（２３１）によって算出された前記現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づく前記ｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の弾性係数を算出するために構成される、角度計算機（２３３）と、を含む前記計算モジュール（２３）とを含む、角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項８】
前記現在の算出され推定されたパラメータは、前記推定された信号を算出する前記状態観測器（２３１）からの前記既定の算出され推定されたパラメータに対応する前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項７に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項９】
前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）を使用することにより前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項７に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項１０】
前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、フェーディングメモリー技術を使用することにより前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項９に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項１１】
角度測定ジャイロシステム（２）のジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）を算出するための角度測定の方法であって、前記ジャイロスコープ（２１）は、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス（２１１）を含み、前記角度測定ジャイロシステム（２）は、検出モジュール（２２）、駆動モジュール（２４）、状態観測器（２３１）、制御信号計算機（２３２）、および角度計算機（２３３）を含み、前記検出モジュール（２２）は、前記プルーフマス（２１１）の運動を検出し、その結果、検出された前記プルーフマス（２１１）の前記運動に対応し、ならびに、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成され、前記駆動モジュール（２４）は、前記プルーフマス（２１１）の振動を制御するための一組の制御信号に基づいて一組の制御力を生成するために構成される、前記角度測定の方法であって、前記角度測定の方法は、
Ａ）既定の算出され推定された一組パラメータに基づいて一組の推定された信号を算出するために前記状態観測器を構成するステップであって、前記既定の算出され推定されたパラメータは、前記角度測定ジャイロシステム（２）の一組のシステムパラメータに対応し、前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分、前記プルーフマスの速度のｘおよびｙの成分、前記ｘおよびｙ軸に直交するｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の角速度、前記ジャイロスコープ（２１）の弾性係数のｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の連成効果の弾性係数、および前記ジャイロスコープ（２１）の減衰係数のｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の連成効果の減衰係数を含む、構成するステップと、
Ｂ）前記ジャイロスコープ（２１）に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出する前記状態観測器を構成するステップと、
Ｃ）前記既定の算出され推定されたパラメータにおける弾性係数、減衰係数、位置および速度、ならびに所定の対象の弾性係数を算出するための前記制御信号計算機（２３２）を構成するステップと、
Ｄ）ステップＢ）において算出された前記ゲインに基づいて前記ジャイロスコープ（２１）に関連した前記動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために前記状態観測器（２３１）を構成するステップであって、前記検出信号は、前記検出モジュール（２２）によって生成され、そして前記推定された信号は、ステップＡ）において算出される、構成するステップと、
Ｅ）ステップＤ）において算出された前記現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づいて前記ｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）、ならびに前記所定の対象の弾性係数を算出するための前記角度計算機を構成するステップとを含む、角度測定の方法。
【請求項１２】
ステップＤ）において算出された前記現在の算出され推定されたパラメータは、ステップＡ）において算出された前記推定された信号からの前記既定の算出され推定されたパラメータに対応する、請求項１１に記載の角度測定の方法。
【請求項１３】
前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、さらに、前記検出モジュール（２２）のエラーのｘおよびｙの成分を含む、請求項１１に記載の角度測定の方法。
【請求項１４】
前記ジャイロスコープ（２１）の前記弾性係数の前記ｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記弾性係数、前記ジャイロスコープ（２１）の前記減衰係数の前記ｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記減衰係数は、規格化されたパラメータであり、そして前記プルーフマス（２１１）の質量を使用して規格化される、請求項１１に記載の角度測定の方法。
【請求項１５】
前記ジャイロスコープ（２１）の前記弾性係数の前記ｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記弾性係数、前記ジャイロスコープ（２１）の前記減衰係数の前記ｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記減衰係数は、非規格化パラメータである、請求項１１に記載の角度測定の方法。
【請求項１６】
2011017688.tif 000022
【請求項１７】
2011017688.tif 000023
【請求項１８】
ステップＢ）において、前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）を使用することにより算出される、請求項１１に記載の角度測定の方法。
【請求項１９】
ステップＢ）において、前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、フェーディングメモリー技術を使用することにより算出される、請求項１８に記載の角度測定の方法。
【請求項２０】
角度測定ジャイロシステム（２）であって、
相互に直交するｘおよびｙによって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス（２１１）を含む、ジャイロスコープ（２１）と、
前記ジャイロスコープ（２１）に連結され、そして前記プルーフマス（２１１）の運動を検出し、その結果、検出された前記プルーフマスの前記運動に対応し、ならびに、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される、検出モジュール（２２）と、
計算モジュール（２３）であって、
前記検出モジュール（２２）に連結され、および既定の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成される、状態観測器（２３１）であって、前記既定の算出され推定されたパラメータは、前記角度測定ジャイロシステム（２）の一組のシステムパラメータに対応し、前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、前記プルーフマス（２１１）の位置のｘおよびｙの成分、前記プルーフマス（２１１）の速度のｘおよびｙの成分、前記ｘおよびｙの軸に直交するｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の角速度、前記ジャイロスコープ（２１）の弾性係数のｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の連成効果の弾性係数、前記ジャイロスコープ（２１）の減衰係数のｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の連成効果の減衰係数であり、前記状態観測器（２３１）は、さらに、前記ジャイロスコープ（２１）に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出し、およびその結果、算出された前記ゲインに基づき前記ジャイロスコープ（２１）に関連した前記動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成され、前記検出信号は、前記検出モジュール（２２）によって生成され、そして前記推定された信号は、その結果、算出される、前記状態観測器（２３１）と、
前記状態観測器（２３１）に連結され、そして前記既定の算出され推定されたパラメータにおける弾性係数、減衰係数、位置および速度に基づく一組の制御信号、ならびに所定の対象の弾性係数を算出するために構成される、制御信号計算機（２３２）と、
前記状態観測器（２３１）に連結され、そして前記状態観測器（２３１）によって算出された前記現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づく前記ｚ軸についての前記ジャイロスコープ（２１）の回転角（φ）、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の弾性係数を算出するために構成される、角度計算機（２３３）と、を含む、前記計算モジュール（２３）と、
前記計算モジュール（２３）の前記制御信号計算機（２３２）および前記ジャイロスコープ（２１）に連結され、そして前記ジャイロスコープ（２１）の前記プルーフマス（２１１）の振動を制御するための前記制御信号計算機（２３２）によって算出される前記制御信号に基づいて一組の制御力を生成するために構成される、駆動モジュール（２４）とを含む、角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２１】
前記状態観測器（２３１）によって算出された前記現在の算出され推定されたパラメータは、前記推定された信号を算出する前記状態観測器（２３１）からの前記既定の算出され推定されたパラメータに対応する前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項２０に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２２】
前記角度測定ジャイロシステム（２）の前記システムパラメータは、さらに、前記検出モジュール（２２）のエラーのｘおよびｙの成分を含む、請求項２０に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２３】
前記ジャイロスコープ（２１）の前記弾性係数の前記ｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記弾性係数、前記ジャイロスコープ（２１）の前記減衰係数の前記ｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記減衰係数は、規格化されたパラメータであり、そして前記プルーフマス（２１１）の質量を使用して規格化される、請求項２０に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２４】
前記ジャイロスコープ（２１）の前記弾性係数の前記ｘおよびｙの成分、前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記弾性係数、前記ジャイロスコープ（２１）の前記減衰係数の前記ｘおよびｙの成分、ならびに前記ジャイロスコープ（２１）の前記連成効果の前記減衰係数は、非規格化パラメータである、請求項２０に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２５】
前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）を使用することにより前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項２０に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【請求項２６】
前記状態観測器（２３１）の前記ゲインは、さらに、フェーディングメモリー技術を使用することにより前記状態観測器（２３１）によって算出される、請求項２５に記載の角度測定ジャイロシステム（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角度測定の方法、およびそれを実施するための角度測定ジャイロシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、ジャイロスコープ１１、検出モジュール１２および計算モジュール１３を含む、従来の角度測定ジャイロシステム１を示す。
【０００３】
図２Ａおよび２Ｂにおいて図示したように、ジャイロスコープ１１は、ｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス１１１を含む。ジャイロスコープ１１が、ｘ−ｙ平面に直交する軸について回転する場合、プルーフマス１１１の振動軸（Ｖ）は摂動する。
【０００４】
検出モジュール１２は、プルーフマス１１１の運動を検出して、その結果、検出されるプルーフマス１１１の運動に対応する一組の検出信号を生成する。
【０００５】
計算モジュール１３は、直接検出信号に基づくか、または角速度を集積することにより以下に示す検出信号に基づく最初の角速度を算出することによって、ジャイロスコープ１１の回転角（φ）を算出する。
【０００６】
しかしながら、従来の角度測定ジャイロシステム１によって算出された回転角（φ）は、不正確である。これは、ジャイロスコープ１１および検出モジュール１２における欠陥、ならびに検出信号のノイズおよび信号ドリフトに起因する。
【０００７】
いくつかの技術は、上述した課題を軽減するために提案された。しかしながら、これらの従来の技術には、欠点がある。例えば、米国特許番号６，４８１，２８５および６，９２８，８７４において開示されているような技術は、複雑な構造を必要とし、ジャイロスコープにおける欠陥がもたらす影響を最小にするためにキャリブレーションする。さらに、例えば、「１ミリワットのワット損を有するＣＭＯＳ−ＭＥＭＳジャイロスコープのための低いノイズの容量検出アンプ（Ａ  ｌｏｗ  ｎｏｉｓｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  ＣＭＯＳ−ＭＥＭＳ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  ｗｉｔｈ  １  ｍｉｌｌｉ−ｗａｔｔ  ｐｏｗｅｒ  ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）」，ネットワークセンシングシステムにおける第２国際ワークショップの会議（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ），１１９−１２３頁，２００５において開示されているような技術は、複雑な回路設計を必要とする。さらに、米国特許番号６，４８１，２８５、６，９２８，８７４および６，９３４，６６０、ならびに「ＭＥＭＳジャイロスコープのための新規な適応動作モード（Ｎｅｗ  ａｄａｐｔｉｖｅ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ＭＥＭＳ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）」，ダイナミックシステム学会誌（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ），第４四半期，第１２６巻，８００−８１０頁，２００４および「ＭＥＭＳ角度測定ジャイロスコープの力学および制御（Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  ＭＥＭＳ  ａｎｇｌｅ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」，センサーおよびアクチュエーター（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ），第１四半期，１４４巻，５６−６３頁，２００８において開示されている技術は、検出モジュールにおける欠陥がもたらす影響および前記検出信号の信号ドリフトを最小にするために減少し、その結果、ジャイロスコープにおける欠陥がもたらす影響を補填するために、プルーフマスの振動を制御するために一組の検出信号に基づいて一組の制御信号を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許Ｎｏ．６，４８１，２８５
【特許文献２】米国特許Ｎｏ．６，９２８，８７４
【特許文献３】米国特許Ｎｏ．６，９３４，６６０
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「１ミリワットのワット損を有するＣＭＯＳ−ＭＥＭＳジャイロスコープのための低いノイズの容量検出アンプ（Ａ  ｌｏｗ  ｎｏｉｓｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  ＣＭＯＳ−ＭＥＭＳ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  ｗｉｔｈ  １  ｍｉｌｌｉ−ｗａｔｔ  ｐｏｗｅｒ  ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）」，ネットワークセンシングシステムにおける第２国際ワークショップの会議（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ），１１９−１２３頁，２００５
【非特許文献２】「ＭＥＭＳジャイロスコープのための新規な適応動作モード（Ｎｅｗ  ａｄａｐｔｉｖｅ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ＭＥＭＳ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）」，ダイナミックシステム学会誌（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ），第４四半期，第１２６巻，８００−８１０頁，２００４
【非特許文献３】「ＭＥＭＳ角度測定ジャイロスコープの力学および制御（Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  ＭＥＭＳ  ａｎｇｌｅ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」，センサーおよびアクチュエーター（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ），第１四半期，１４４巻，５６−６３頁，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、既知の発明の上述した欠点を解決することができる角度測定の方法を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、角度測定の方法を実施する角度測定ジャイロシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、角度測定ジャイロシステムのジャイロスコープの回転角を算出するための角度測定の方法を提供することである。ジャイロスコープは、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマスを含む。角度測定ジャイロシステムは、検出モジュール、状態観測器、および角度計算機を含む。検出モジュールは、プルーフマスの運動を検出し、その結果、検出されたプルーフマスの運動に対応し、そしてプルーフマスの位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される。角度測定の方法は、Ａ）既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて一組の推定された信号を算出するために状態観測器を構成するステップであって、既定の算出され推定されたパラメータは、角度測定ジャイロシステムの一組のシステムパラメータに対応し、角度測定ジャイロシステムのシステムパラメータは、プルーフマスの位置のｘおよびｙの成分、プルーフマスの速度のｘおよびｙの成分、検出モジュールのエラーのｘおよびｙの成分、ならびにｘおよびｙ軸に直交するｚ軸についてのジャイロスコープの角速度を含む、構成するステップと、Ｂ）ジャイロスコープに関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出する状態観測器を構成するステップと、Ｃ）ステップＢ）において算出されたゲインに基づいてジャイロスコープに関連した動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために状態観測器を構成するステップであって、検出信号は、検出モジュールによって生成され、そして推定された信号は、ステップＡ）において算出される、構成するステップと、Ｄ）ステップＣ）において算出された現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づくｚ軸についてのジャイロスコープの回転角、ならびにジャイロスコープの弾性係数を算出するための角度計算機を構成するステップとを含む。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、角度測定ジャイロシステムは、ジャイロスコープ、検出モジュール、および計算モジュールを含む。ジャイロスコープは、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマスを含む。検出モジュールは、プルーフマスの運動を検出し、その結果、検出されたプルーフマスの運動に対応し、そしてプルーフマスの位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される。計算モジュールは、状態観測器および角度計算機を含む。状態観測器は、検出モジュールと連結され、既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて一組の推定されたパラメータを算出するために構成される。既定の算出され推定されたパラメータは、角度測定ジャイロシステムの一組のシステムパラメータに対応する。角度測定ジャイロシステムのシステムパラメータは、プルーフマスの位置のｘおよびｙの成分、プルーフマスの速度のｘおよびｙの成分、検出モジュールのエラーのｘおよびｙの成分、ならびにｘおよびｙの軸に直交するｚ軸についてのジャイロスコープの角速度を含む。さらに、状態観測器は、ジャイロスコープに関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出し、その結果、算出されたゲインに基づきジャイロスコープに関連した動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成され、検出信号は、検出モジュールによって生成され、そして推定された信号は、その結果、算出される。角度計算機は、状態観測器に連結され、そして状態観測器によって算出された現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づくｚ軸についてのジャイロスコープの回転角、ならびにジャイロスコープの弾性係数を算出するために構成される。
【００１４】
本発明の第３の態様によれば、角度測定ジャイロシステムのジャイロスコープの回転角を算出するための角度測定の方法を提供することである。ジャイロスコープは、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマスを含む。角度測定ジャイロシステムは、検出モジュール、駆動モジュール、状態観測器、制御信号計算機、および角度計算機を含む。検出モジュールは、プルーフマスの運動を検出し、その結果、検出されたプルーフマスの運動に対応し、そしてプルーフマスの位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される。駆動モジュールは、プルーフマスの振動を制御するための一組の制御信号に基づいて一組の制御力を生成するために構成される。角度測定の方法は、Ａ）既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて一組の推定された信号を算出するために状態観測器を構成するステップであって、既定の算出され推定されたパラメータは、角度測定ジャイロシステムの一組のシステムパラメータに対応し、角度測定ジャイロシステムのシステムパラメータは、プルーフマスの位置のｘおよびｙの成分、プルーフマスの速度のｘおよびｙの成分、ｘおよびｙ軸に直交するｚ軸についてのジャイロスコープの角速度、ジャイロスコープの弾性係数のｘおよびｙの成分、ジャイロスコープの連成効果の弾性係数、およびジャイロスコープの減衰係数のｘおよびｙの成分、ならびにジャイロスコープの連成効果の減衰係数を含む、構成するステップと、Ｂ）ジャイロスコープに関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出する状態観測器を構成するステップと、Ｃ）既定の算出され推定されたパラメータにおける弾性係数、減衰係数、位置および速度、ならびに所定の対象の弾性係数を算出するための制御信号計算機を構成するステップと、Ｄ）ステップＢ）において算出されたゲインに基づいてジャイロスコープに関連した動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために状態観測器を構成するステップであって、検出信号は、検出モジュールによって生成され、そして推定された信号は、ステップＡ）において算出される、構成するステップと、Ｅ）ステップＤ）において算出された現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づいてｚ軸についてのジャイロスコープの回転角、ならびに所定の対象の弾性係数を算出するための角度計算機を構成するステップとを含む。
【００１５】
本発明の第４の態様によれば、角度計測ジャイロシステムは、ジャイロスコープ、検出モジュール、計算モジュール、および駆動モジュールを含む。ジャイロスコープは、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマスを含む。検出モジュールは、ジャイロスコープに連結され、プルーフマスの運動を検出し、その結果、検出されたプルーフマスの運動に対応し、そしてプルーフマスの位置のｘおよびｙの成分を示す一組の検出信号を生成するために構成される。計算モジュールは、状態観測器、制御信号計算機、および角度計算機を含む。状態観測器は、検出モジュールに連結され、既定の算出され推定された一組のパラメータに基づき一組の推定された信号を算出するために構成される。既定の算出され推定されたパラメータは、角度計測ジャイロシステムの一組のシステムパラメータに対応する。角度計測ジャイロシステムのシステムパラメータは、プルーフマスの位置のｘおよびｙの成分、プルーフマスの速度のｘおよびｙの成分、ｘおよびｙ軸に対して直交するｚ軸についてのジャイロスコープの角速度、ジャイロスコープの弾性係数のｘおよびｙの成分、ジャイロスコープの連成効果の弾性係数、ジャイロスコープの減衰係数のｘおよびｙ成分、ならびにジャイロスコープの連成効果の減衰係数を含む。さらに、状態観測器は、ジャイロスコープに関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出し、その結果、算出された現在の算出され推定された一組のパラメータを算出するために構成され、検出信号は、検出モジュールによって生成され、そして推定された信号は、その結果、算出される。制御信号計算機は、状態観測器に連結され、既定の算出され推定されたパラメータにおける弾性係数、減衰係数、位置、および速度、ならびに所定の対象の弾性係数を算出するために構成される。角度計算機は、状態観測器に連結され、そして状態観測器によって算出された現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づくｚ軸についてのジャイロスコープの回転角、ならびにジャイロスコープの弾性係数を算出するために構成される。駆動モジュールは、計算モジュールおよびジャイロスコープの制御信号計算機に連結され、そしてジャイロスコープのプルーフマスの振動を制御するための制御信号計算機によって算出された制御信号に基づく一組の制御力を生成するために構成される。
【００１６】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、従来の角度測定ジャイロシステムの回路ブロック図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、ジャイロスコープのプルーフマスの振動を例示している従来の角度測定ジャイロシステムのジャイロの動的モデルである。
【図３】図３は、本発明による角度測定ジャイロシステムの好ましい実施例の回路ブロック図である。
【図４】図４は、ジャイロスコープのプルーフマスの好ましい実施例を例示している振動のジャイロスコープの動的モデルである。
【図５】図５は、好ましい実施例の感知モジュールの検出インタフェースを例示している概要図である。
【図６】図６は、好ましい実施例の感知モジュールの検出インタフェースを例示している概要図である。
【図７】図７は、好ましい実施例の検出モジュール検出回路を例示している回路図である。
【図８】図８は、図３に示される角度測定ジャイロシステムを使用して行うために本発明による角度測定の方法の好ましい実施例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図３を参照し、本発明による角度測定ジャイロシステム２の好ましい実施例は、ジャイロスコープ２１、検出モジュール２２、計算モジュール２３、および駆動モジュール２４を含む。
【００１９】
図４において図示しているように、ジャイロスコープ２１は、相互に直交するｘおよびｙ軸によって定義されるｘ−ｙ平面において振動するプルーフマス２１１を含む。本実施例において、ジャイロスコープ２１は、単一の軸の検出ジャイロスコープ２１である。
【００２０】
実施形態によっては、ジャイロスコープ２１は、複数の軸の検出ジャイロスコープ２１である。
【００２１】
2011017688.tif 000003
【００２２】
2011017688.tif 000004
【００２３】
2011017688.tif 000005
【００２４】
検出モジュール２２は、プルーフマス２１１の運動を検出し、その結果、検出されたプルーフマスの運動に対応する検出信号を生成するために構成される。特に、検出モジュール２２は、検出インタフェース２２１および検出回路２２２を含む。検出インタフェース２２１は、ジャイロスコープ２１に接続され、プルーフマス２１１の運動をキャパシタンスに変換するために構成される。
【００２５】
図５および６において図示したように、検出インタフェース２２１は、櫛形可変コンデンサ構造を使用する。すなわち、検出インタフェース２２１は、ｘ軸において、ディファレンシャル可変コンデンサ２２１１、２２１２の対を形成し、ｙ軸において、他のディファレンシャル可変コンデンサを形成する。ディファレンシャル可変コンデンサ２２１１、２２１２は、直列に、ならびに正および負の直流（ｄｃ）バイアス電圧ソース（＋Ｖ，−Ｖ）接続される。
【００２６】
2011017688.tif 000006
【００２７】
2011017688.tif 000007
【００２８】
他の実施態様において、検出インタフェース２２１は、プルーフマス２１１の運動を、例えば、ピエゾ抵抗、または圧電効果を使用することによってトンネル電流、光学像、または抵抗に変換する。
【００２９】
検出回路２２２は、検出インタフェース２２１に接続され、検出インタフェース２２１によって変換されたキャパシタンスを検出信号に変換するために構成される。検出信号は、電圧の形式であり、二つの検出信号（以下、第１および第２検出信号という）は、それぞれ、プルーフマス２１１の位置のｘおよびｙの成分を示す。
【００３０】
2011017688.tif 000008
【００３１】
2011017688.tif 000009
【００３２】
2011017688.tif 000010
【００３３】
2011017688.tif 000011
【００３４】
検出インタフェース２２１によって使用される構造（すなわち、櫛形可変コンデンサ構造）および検出回路２２２によって使用される構造（すなわち、電荷積分構造）は、ひとつの典型的な例であり、他の構造も使用される。
【００３５】
計算モジュール２３は、以下に記載する方法で、ジャイロスコープ２１の回転角（φ）を算出するために構成される。
【００３６】
2011017688.tif 000012
【００３７】
2011017688.tif 000013
【００３８】
2011017688.tif 000014
【００３９】
2011017688.tif 000015
【００４０】
いくつかの反復の後、システムパラメータが得られることによる推定されたパラメータは、次第に正確になることに留意する。同時に、ジャイロスコープ２１の弾性係数は、対象の弾性係数に近似し、ジャイロスコープ２１の減衰係数は、対象の減衰係数に近似、すなわち、ゼロに近似する。これらを簡略化すると、方程式（２）は、以下のようになる。
2011017688.tif 000016
【００４１】
回転角（φ）は、Ｂ．フリートラントおよびＭ．ハットン（１９７８）によって提案されたように、方程式（１１）を使用して導き出すことができ、以下のように定義される。
2011017688.tif 000017
【００４２】
本実施例において、計算モジュール２３は、状態観測器２３１、制御信号計算機２３２、および角度計算機２３３を含む。状態観測器２３１は、検出モジュール２２の検出回路２２２に接続され、方程式（９）を使用して推定された一組のパラメータを算出するために構成される。制御信号計算機２３２は、状態観測器２３１に接続され、方程式（１０）を使用して一組の制御信号を算出するために構成される。角度計算機２３３は、状態観測器２３１に接続され、方程式（１２）を使用してジャイロスコープ２１の回転角を算出するために構成される。
【００４３】
さらに、状態観測器２３１は、ジャイロスコープ２１、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）およびフェーディングメモリー技術に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出するために構成される。
【００４４】
拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）を使用することにより、ノイズの影響は、最小化される。さらに、フェーディングメモリー技術を用いて、システムパラメータとして供給する正確な推定されたパラメータは、システムパラメータのその時系列変化から算出されえる。
【００４５】
ＥＫＦおよびフェーディングメモリー技術は、Ｙ．バー−シャローム（Ｂａｒ−Ｓｈａｌｏｍ）、Ｘ．Ｒ．リー（Ｌｉ）およびＴ．キルバラヤン（Ｋｉｒｕｂａｒａｊａｎ）著「（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ａｎｄ  ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ）、２００３年において詳細に記載されている。
【００４６】
駆動モジュール２４は、計算モジュール２３およびジャイロスコープ２１の制御信号計算機２３２に接続され、ジャイロスコープ２１における欠陥を補正するために、プルーフマス２１１の振動を制御するための制御信号に基づく一組の制御力を生成する。
【００４７】
システムの固定のパラメータが既知であれば、従来の状態観測器は、システムの一組の検出信号に基づいて、運動状態を示すシステムの動的パラメータを算出する。その一方、本発明の状態観測器２３１は、方程式（９）を使用して推定された一組のパラメータを簡単に算出する。それによって、システムにおける固定のパラメータ、例えば弾性および減衰係数、ならびに動的パラメータ、例えば位置、速度および角速度が得られる。
【００４８】
2011017688.tif 000018
【００４９】
2011017688.tif 000019
【００５０】
さらに、この発明によって上述した角度測定ジャイロシステム２によって実施される角度測定の方法の好ましい実施例は、図８を参照して記載される。
【００５１】
ステップ３１において、状態観測器２３１は、既定の算出され推定された一組のパラメータに基づいて推定された信号を算出するために構成される。
【００５２】
既定の算出され推定されたパラメータは、弾性係数、減衰係数、位置、および速度を含む。
【００５３】
ステップ３２において、状態観測器２３１は、ジャイロスコープ２１に関連した動的方程式を使用してそのゲインを算出するために構成される。
【００５４】
ステップ３３において、制御信号計算機２３２は、ステップ３１において推定された信号を算出するために使用される既定の算出され推定された信号における弾性係数、減衰係数、位置、および速度に基づく一組制御信号、ならびに対象の弾性係数を算出するために構成される。
【００５５】
ステップ３４において、状態観測器２３１は、ステップ３２おいて算出されるゲインに基づくジャイロスコープ２１に関連した動的方程式を使用して現在の算出され推定された一組のパラメータ、検出モジュール２２によって生成された検出信号、およびステップ３１において算出され推定された信号を算出するために構成される。
【００５６】
このステップにおいて算出された現在の算出され推定されたパラメータは、ステップ３１において算出され推定された信号から既定の算出され推定されたパラメータに対応する。
【００５７】
ステップ３５において、角度計算機２３３は、ステップ３４において算出された現在の算出され推定されたパラメータにおける位置および速度に基づくｚ軸周りについてのジャイロスコープ２１の回転角、ならびに対象の弾性係数を算出するために構成される。
【００５８】
上記の説明から、計算モジュール２３の状態観測器２３１は、ジャイロスコープ２１のパラメータおよび検出信号におけるエラーを算出する。このように、ジャイロスコープ２１の欠陥がもたらす影響、検出モジュール２２における欠陥がもたらす影響、および検出信号の信号ドリフトの影響が、最小化されえる。
【００５９】
本発明が、最も実際的な優先の実施形態と考慮されることと関連して記載されていた一方、本発明が開示された実施形態に限られず、すべてのこのような修正および等価な準備を含むために最も幅広い解釈の範囲内の含まれるさまざまな準備をカバーすることを目的とするものと理解される。
【符号の説明】
【００６０】
１  角度測定ジャイロシステム
１１  ジャイロスコープ
１１１  プルーフマス
１２  検出モジュール
１３  計算モジュール
２  角度測定ジャイロシステム
２１  ジャイロスコープ
２１１  プルーフマス
２２  検出モジュール
２２１  検出インタフェース
２２１１  ディファレンシャル可変コンデンサ
２２１２  ディファレンシャル可変コンデンサ
２２２  検出回路
２２２１  演算増幅器
２２２２  帰還コンデンサ
２２２３  フィードバック抵抗
２３  計算モジュール
２３１  状態観測器
２３２  制御信号計算機
２３３  角度計算機
２４  駆動モジュール
【図１】
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【図２】
2011017688.tif 000025
【図３】
2011017688.tif 000026
【図４】
2011017688.tif 000027
【図５】
2011017688.tif 000028
【図６】
2011017688.tif 000029
【図７】
2011017688.tif 000030
【図８】
2011017688.tif 000031