(57)【要約】【課題】  ＩＩ型のコリオリ振動ジャイロにおいて、スケール・ファクタを自己較正すること。【解決手段】  本発明によるスケール・ファクタの自己較正方法は、２つの共振子の一方を閉ループ・モードで他方を開ループ全角度モードで動作させるステップ（５０１）と、２つの共振子のそれぞれによって角速度を感知するステップ（５０２）と、閉ループ共振子のスケール・ファクタを較正し開ループ共振子によって測定されたのと同じ積分された全角度を生じるステップ（５０３）と、２つの共振子の動作を反転させるステップ（５０４）と、２つの共振子の開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行させ、２つの共振子のスケール・ファクタをそれぞれ自己較正するステップ（５０５）と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩ型コリオリ振動ジャイロの２つの共振子の一方を閉ループ・モードで動作させ、前記２つの共振子の他方を開ループ全角度モードで動作させるステップと、
前記２つの共振子のそれぞれによる角速度を感知するステップと、
前記閉ループ共振子のスケール・ファクタを較正し、前記開ループ共振子によって測定されたのと同じ積分された全角度を生じるステップと、
前記２つの共振子の動作を反転させることにより、前記２つの共振子の前記一方が開ループ・モードで動作され、前記２つの共振子の前記他方が閉ループ全角度モードで動作されるようにするステップと、
前記２つの共振子の開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行させ、前記２つの共振子のスケール・ファクタをそれぞれ自己較正するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記２つの共振子はデュアル共振子ジャイロを形成することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記２つの共振子は２つの別個のジャイロの中にあることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、第１の時間間隔の間は、前記２つの共振子の中の第１の共振子は閉ループ・モードにあり、前記２つの共振子の中の第２の共振子は開ループ・モードにあることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、第２の時間間隔の間は、前記２つの共振子の中の前記第１の共振子は開ループ・モードにあり、前記２つの共振子の中の前記第２の共振子は閉ループ・モードにあることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項２記載の方法において、前記ジャイロの共振子は前記閉ループ・モードと前記開ループ・モードとの間で交互に動作されることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、スケール・ファクタ自己較正は前記２つの共振子のバイアス自己較正と交互になされ、動作モードは慣性系の運動の関数であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記慣性系の低角度運動の期間の間はバイアス自己補償が実行され、他方で、前記慣性系の増加した角度運動の期間の間はスケール・ファクタ自己較正が実行されることを特徴とする方法。
【請求項９】
入力において角速度を受け取る第１の共振子と、
入力において角速度を受け取る第２の共振子と、
前記第１及び第２の共振子に動作的に結合されたスケール・ファクタ較正ユニットと、
前記第１の共振子が閉ループ・モードで動作され前記第２の共振子が開ループ全角度モードで動作される第１の時間間隔と、
前記第１の共振子が開ループ・モードで動作され前記第２の共振子が閉ループ・モードで動作される第２の時間間隔と、
を備えており、開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行することにより、前記第１及び第２の共振子のスケール・ファクタはそれぞれが自己較正されることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、前記２つの共振子はデュアル共振子ジャイロを形成することを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、全角度モードでは、前記ジャイロは高度に正確なスケール・ファクタを有する角度変位センサであることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項９記載の装置において、第１の時間間隔の間は、前記２つの共振子の中の第１の共振子は閉ループ・モードにあり、前記２つの共振子の中の第２の共振子は開ループ・モードにあることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置において、第２の時間間隔の間は、前記２つの共振子の中の前記第１の共振子は開ループ・モードにあり、前記２つの共振子の中の前記第２の共振子は閉ループ・モードにあることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の装置において、前記ジャイロの共振子は前記閉ループ・モードと前記開ループ・モードとの間で交互に動作されることを特徴とする装置。
【請求項１５】
入力において角速度を受け取る第１の共振子と、
入力において角速度を受け取る第２の共振子と、
前記第１及び第２の共振子に動作的に結合されたスケール・ファクタ較正ユニットと、
前記第１の共振子が閉ループ・モードで動作され前記第２の共振子が開ループ全角度モードで動作される第１の時間間隔と、
前記第１の共振子が開ループ・モードで動作され前記第２の共振子が閉ループ・モードで動作される第２の時間間隔と、
前記第１及び第２の共振子に動作的に結合されており、慣性系の運動を示す信号を受け取る入力を有するバイアス自己較正ユニットと、
を備えており、開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行することにより、前記第１及び第２の共振子のスケール・ファクタはそれぞれが自己較正され、ある動作モードに対してスケール・ファクタ自己較正はバイアス自己較正と組み合わされることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の装置において、スケール・ファクタ自己較正は前記２つの共振子のバイアス自己較正と交互になされ、動作モードは慣性系の運動の関数であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の装置において、前記慣性系の低角度運動の期間の間はバイアス自己補償が実行され、他方で、前記慣性系の増加した角度運動の期間の間はスケール・ファクタ自己較正が実行されることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１５記載の装置において、前記２つの共振子はデュアル共振子ジャイロを形成することを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の装置において、全角度モードでは、前記ジャイロは高度に正確なスケール・ファクタを有する角度変位センサであることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１８記載の装置において、前記ジャイロの共振子は前記閉ループ・モードと前記開ループ・モードとの間で交互に動作されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【関連発明】
【０００１】
この出願は、以下の米国特許出願の内容と関連する内容を含むが、これら以下の米国特許出願は本出願と同じ被譲渡人に譲渡されている。
２００６年８月７日に出願され発明の名称が“Bias and Quadrature Reduction in Class II Coriolis Vibratory Gyros”である米国特許出願第１１／４９９，９５７号（NGC-279/001039-199）。
【０００２】
２００６年８月７日に出願され発明の名称が“Method for Modifying the Location of Nodal Points of a Vibrating Beam”である米国特許出願第１１／４９９，９５６号（NGC-282/001047-199）。
【０００３】
２００５年２月１１日にロバート・Ｅ・スチュアート（Robert E. Stewart）によって出願され発明の名称が“Oscillation of Vibrating Beam in a First Direction for a First Time Period and a Second Direction for a Second Time Period to Sense Angular Rate of the Vibrating Beam”である米国特許出願第１１／０５７，３２４号（NGC-0167/000602-199）。
【技術分野】
【０００４】
本発明は、ＩＩ型（クラスＩＩ）のコリオリ震動ジャイロに関し、更に詳しくは、クラスのＩＩ型のコリオリ震動ジャイロのスケール・ファクタ（倍率、scale factor）の自己較正に関する。
【背景技術】
【０００５】
ジャイロには、駆動軸と感知軸とが交互に交換されるとジャイロ・バイアスが極性を反転するような特定クラスのジャイロがある。この特定のクラスのジャイロが、ＩＩ型（クラスＩＩ）のコリオリ振動ジャイロであり、内在的に平衡的であり、入力軸に関して対称であり、直交的な縮退（degenerate）振動モードを有することを特徴とする。ジャイロ・バイアスの自己較正は、ジャイロを用いて角速度を測定しシーケンシャルにジャイロ・バイアスを反転させることによって達成される。ジャイロからの一連のデータは、あるアルゴリズムにおいて処理されて、ジャイロ・バイアスが求められ、求められたジャイロ・バイアスが測定された速度から減算される。これら２つの自己較正された角速度の測定値は、平均が求められ、角度ランダムウォークが縮小される。
【０００６】
動的な動作条件の下でのジャイロ・バイアスの自己較正は、１対のＩＩ型のコリオリ振動ジャイロ（ＣＶＧ）又はデュアルの感知要素を有する単一のジャイロによる角速度の同時的な測定を必要とする。ＩＩ型のＣＶＧは、その駆動モードと感知モードとを相互に交換することによってジャイロ・バイアスの極性を反転させることができることにより、選択される。アルゴリズムが、４本の方程式からなる連立方程式を解いて、ジャイロ・バイアスを評価し、それを測定された角速度から減算する。デュアル共振子ジャイロ（ＤＲＧ）は、１対のジャイロにより、角速度の同時的な測定を容易にすることができる。系統的なシミュレーションによると、ジャイロ・バイアスの不確実性が慣性ナビゲーション・システムの位置誤差の成長に寄与する度合いは、ジャイロ・バイアスの自己較正を用いると、ほぼ大きさの３つのオーダー分だけ減少させることが可能である。
【０００７】
ジャイロのスケール・ファクタの不確実性は、慣性系における別の誤差の原因である。位置誤差がスケール・ファクタの不確実性に寄与する度合いは、経験される角速度の大きさに依存する。ジャイロのスケール・ファクタの補償することにより、慣性ナビゲーション・システムの性能を更に向上させることができる。
【０００８】
従って、ジャイロのスケール・ファクタを自己較正する必要性がこの技術分野において必要とされている。
【発明の概要】
【０００９】
本発明による方法及び装置のある実施例は、装置を含む。この装置は、入力において角速度を受け取る第１の共振子と、入力において角速度を受け取る第２の共振子と、前記第１及び第２の共振子に動作的に結合されたスケール・ファクタ較正ユニットと、前記第１の共振子が閉ループ・モードで動作され前記第２の共振子が開ループ全角度モードで動作される第１の時間間隔と、前記第１の共振子が開ループ・モードで動作され前記第２の共振子が閉ループ・モードで動作される第２の時間間隔と、を備えており、開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行することにより、前記第１及び第２の共振子のスケール・ファクタはそれぞれが自己較正される。
【００１０】
本発明の方法及び装置の別の実施例は、方法を含む。この方法は、ＩＩ型（class II）コリオリ振動ジャイロの２つの共振子の一方を閉ループ・モードで動作させ、前記２つの共振子の他方を開ループ全角度モードで動作させるステップと、前記２つの共振子のそれぞれによる角速度を感知するステップと、前記閉ループ共振子のスケール・ファクタを較正し、前記開ループ共振子によって測定されたのと同じ積分された全角度を生じるステップと、前記２つの共振子の動作を反転させることにより、前記２つの共振子の前記一方が開ループ・モードで動作され、前記２つの共振子の前記他方が閉ループ全角度モードで動作されるようにするステップと、前記２つの共振子の開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行させ、前記２つの共振子のスケール・ファクタをそれぞれ自己較正するステップと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の方法及び装置の実施例の特徴は、特許請求の範囲に記載されている。これらの実施例は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより最もよく理解することができる。図面においては、複数の図面にわたる場合であっても、類似する構成要素には、類似の参照番号が付されている。
【００１２】
震動ジャイロは、コリオリの加速度を様々な態様で用いて回転を感知する機械的デバイスの総称であるといえる。これらのジャイロは、非常に多くの形状をしており、音叉（チューニング・フォーク）、振動ディスク共振子、振動半球共振子などとしても知られている。多くの応用例において、振動ジャイロは非常に小さく、ＭＥＭＳ技術（マイクロマシン加工された電気機械システム）を用いることにより、大量に製造されている。例えば自動車の安全システムなどのマスマーケット向けの応用により、それぞれの応用例に対してジャイロを設計することが可能となり、従って、そのようなジャイロの形状は著しく多様でありうるがこれらのジャイロはほとんどすべてがコリオリ加速度を用いて回転を感知する。コリオリ加速度は、回転と直交する方向の直線運動の結果として生じる。
【００１３】
デュアル共振子ジャイロ（ＤＲＧ）は、ＩＩ型のＣＶＧが閉ループ・モード又は開ループ全角度（whole angle）モードのどちらかで動作することができることに起因してジャイロのスケール・ファクタを自己較正する機会を提供する。全角度モードでは、ジャイロは、高度に正確なスケール・ファクタを有する角度変位センサでありうる。ＤＲＧの動作モードは、第１の共振子を閉ループ・モードで動作させ、第２の共振子を開ループ全角度モードで動作させるように、選択できる。両方の感知要素の共振子は同一の角速度を経験するのであるから、閉ループ共振子のスケール・ファクタを較正して、開ループ共振子によって測定されるのと同一の積分された全角度を生じることが可能である。第２の時間間隔では、２つの共振器の運転モードは、反転される。元の閉ループ共振子は今回は開ループであり、元の開ループ共振子は今度は閉ループである。開ループ動作と閉ループ動作とを交互に進行することにより、それぞれの共振子のスケール・ファクタは自己較正が可能である。スケール・ファクタ自己較正は、バイアス自己較正と組み合わせることが可能であり、動作モードは慣性系の運動の関数である。バイアスの自己補償は角運動が小さい期間の間に最もよく実行され、他方で、スケール・ファクタの自己較正は角運動が増加した期間の間に最もよく実行される。
【００１４】
一般に、ジャイロは、角速度すなわちどのくらい速く回転しているかに関する情報を与えるセンサである。ジャイロの出力は、物体がどのくらい速く回転しているかを示すのであるから、出力信号は時間経過に関して積分されなければならない。すなわち、時間経過に関して加算されなければならない。積分は、アナログ・デジタル・コンバータを用いてジャイロを周期的にサンプリングし、結果的に得られる数値とサンプリング感覚の間の秒数とを乗算し、角度をトラッキングする静的な変数に加えることを含む。
【００１５】
ジャイロ・バイアス・オフセットは、ゼロ速度出力としても知られているが、ジャイロがその感知軸の周囲を回転していないときに測定される電圧である。例えば、ジャイロは、約５度／時間のバイアス・オフセットを有する。バイアス・オフセットを超えるジャイロ出力の測定値は例えば時計回りなどの方向の回転を示し、出力測定値がバイアス・オフセットよりも小さいことは例えば反時計回りなど逆方向の回転を示す。
【００１６】
ジャイロは、閉ループ又は開ループで動作させることができる。閉ループとは、ジャイロ・ピックオフからのフィードバック・ループが、ジャイロの内部又は反回転のプラットフォームの運動の保存する機構を導入し、ジャイロのピックオフをゼロに維持することを意味する。開ループ動作では、ジャイロは、入力角速度に応答してそのゼロ位置からずれるように動作することが可能になる。
【００１７】
図１は、本発明による方法及び装置による１つの実施例の概略図である。ＤＲＧ１００の動作モードは、第１の共振子１０１が閉ループ・モードで動作し、第２の共振子１０２が開ループ全角度モードで動作するように、選択することができる。感知要素の共振子１０１及び１０２が両方とも同一の角速度１０３を経験するので、第１の時間間隔では閉ループ共振子１０１のスケール・ファクタをスケール・ファクタ較正ユニット１０４によって較正して、開ループ共振子１０２によって測定されたのと同一の積分された全角度を生じることができる。第２の時間間隔では、２つの共振子１０１及び１０２の動作モードは図２にあるように反転される。元の閉ループ共振子１０１は今回は開ループであり、元の開ループ共振子１０２は今回は閉ループである。開ループ動作と閉ループ動作との間を交互に進行することにより、それぞれの共振子のスケール・ファクタは自己較正される。
【００１８】
図２は、図１の実施例の概略図であり、ここでは、第１の共振子２０１が開ループ・モードで動作し、第２の共振子２０２が閉ループ・モードで動作している。感知要素の共振子２０１及び２０２が両方とも同一の角速度２０３を経験するので、閉ループ共振子２０２のスケール・ファクタをスケール・ファクタ較正ユニット２０４によって較正して、開ループ共振子２０１によって測定されたのと同一の積分された全角度を生じることができる。第２の時間間隔では、２つの共振子２０１及び２０２の動作モードは反転される。元の閉ループ共振子２０１は今回は開ループであり、元の開ループ共振子２０２は今回は閉ループである。開ループ動作と閉ループ動作との間を交互に進行することにより、それぞれの共振子のスケール・ファクタは自己較正される。
【００１９】
図３は、本発明による方法及び装置による１つの実施例の概略図である。ＤＲＧ３００の動作モードは、第１の共振子３０１が閉ループ・モードで動作し、第２の共振子３０２が開ループ全角度モードで動作するように、選択することができる。感知要素の共振子３０１及び３０２が両方とも同一の角速度３０３を経験するので、第１の時間間隔では閉ループ共振子３０１のスケール・ファクタをスケール・ファクタ較正ユニット３０４によって較正して、開ループ共振子３０２によって測定されたのと同一の積分された全角度を生じることができる。第２の時間間隔では、２つの共振子３０１及び３０２の動作モードは反転される。元の閉ループ共振子３０１は今回は開ループであり、元の開ループ共振子３０２は今回は閉ループである。開ループ動作と閉ループ動作との間を交互に進行することにより、それぞれの共振子のスケール・ファクタは自己較正される。スケール・ファクタの自己較正はバイアス自己較正とバイアス自己較正ユニット３０５によって組み合わせることができ、動作モードは慣性系の運動３０６の関数である。この時間期間では、バイアス自己較正が生じると、モード反転動作が生じる。この時間期間では、スケール・ファクタ動作が生じると、開ループから閉ループへの動作が生じる。バイアス自己補償は低い角運動の間に最良に実行され、他方で、スケール・ファクタ自己較正は増加した角運動の期間の間に最良に実行される。
【００２０】
図４は、図３の実施例の概略図であり、ここでは、第１の共振子４０１が開ループ・モードで動作し、第２の共振子４０２が閉ループ・モードで動作している。感知要素の共振子４０１及び４０２が両方とも同一の角速度４０３を経験するので、閉ループ共振子４０２のスケール・ファクタをスケール・ファクタ較正ユニット４０４によって較正して、開ループ共振子４０１によって測定されたのと同一の積分された全角度を生じることができる。第２の時間間隔では、２つの共振子４０１及び４０２の動作モードは反転される。元の閉ループ共振子４０１は今回は開ループであり、元の開ループ共振子４０２は今回は閉ループである。開ループ動作と閉ループ動作との間を交互に進行することにより、それぞれの共振子のスケール・ファクタは自己較正される。上述したように、スケール・ファクタの自己較正はバイアス自己較正とバイアス自己較正ユニット４０５によって組み合わせることができ、動作モードは慣性系の運動４０６の関数である。この時間期間では、バイアス自己較正が生じると、モード反転動作が生じる。この時間期間では、スケール・ファクタ動作が生じると、開ループから閉ループへの動作が生じる。バイアス自己補償は低い角運動の間に最良に実行され、他方で、スケール・ファクタ自己較正は増加した角運動の期間の間に最良に実行される。
【００２１】
図５は、本発明の方法による１つの実施例を示している。一般的な用語を用いると、この実施例は、下記のステップを有する。すなわち、２つの共振子の一方を閉ループ・モードで動作させ、前記２つの共振子の他方を開ループ全角度モードで動作させるステップ（５０１）と、前記２つの共振子のそれぞれによって角速度を感知するステップ（５０２）と、前記閉ループ共振子のスケール・ファクタを較正し、前記開ループ共振子によって測定されたのと同じ積分された全角度を生じるステップ（５０３）と、前記２つの共振子の動作を反転させることにより、前記２つの共振子の前記一方が開ループ・モードで動作され、前記２つの共振子の前記他方が閉ループ全角度モードで動作されるようにするステップ（５０４）と、前記２つの共振子の開ループ動作と閉ループ動作との間で交互に進行させ、前記２つの共振子のスケール・ファクタをそれぞれ自己較正するステップ（５０５）と、である。
【００２２】
本発明による装置は、ある例では、電子コンポーネントと、ハードウェア・コンポーネントと、コンピュータ・ソフトウェア・コンポーネントとの中の１又は複数など、複数のコンポーネントを含む。それらのコンポーネントの多くは、装置の中で、組み合わせることと分割することとが可能である。
【００２３】
本発明による方法及び装置は、以上で説明した特定の詳細に限定されることはなく、これ以外の修正及び応用が可能である。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上述の実施例を変更することができる。従って、以上で述べた内容は、例示であって制限を意味しないものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の方法及び装置による実施例の概略図であり、ＤＲＧの動作モードは、第１の共振子を閉ループ・モードで動作させ第２の共振子を開ループ全角度モードで動作させるように、選択することができる。
【図２】図１の実施例の概略図であって、第１の共振子は開ループ・モードで動作し、第２の共振子は閉ループ・モードで動作している。
【図３】本発明の方法及び装置による実施例の概略図であり、ＤＲＧの動作モードは、第１の共振子を閉ループ・モードで動作させ第２の共振子を開ループ全角度モードで動作させるように、選択することができる。
【図４】図３の実施例の概略図であって、第１の共振子は開ループ・モードで動作し、第２の共振子は閉ループ・モードで動作している。
【図５】本発明の方法による１つの実施例を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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