DE69007795T2 - Schaltung zur entfernung eines oszillations-schwingungssignales bei einem oszillierend betriebenen ringlaserkreisel. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Schwing- Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1, wobei eine Schwingvorspannung benutzt wird, um die solchen Sensoren anhaftenden Verriegelungseffekte auf ein Minimum zu bringen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf einen Mechanismus für die Entfernung des Schwingsignales aus dem Rotations-Ausgangssignal des Sensors.
Hintergrund der Erfindung
• Das Verhalten von Ringlaser-Winkelgeschwindigkeitssensoren, die gewöhnlicherweise als Ringlaserkreisel bezeichnet werden, ist wohlbekannt. Solchen Sensoren haftet das Phänomen an, welches als Verriegelung bekannt ist, wobei die gegenläufigen Laserstrahlen das Bestreben haben, sich gegenseitig auf einer gemeinsamen Frequenz zu verriegeln. Das Verriegelungsphänomen ruft Leistungsfehler hervor, die störende Einflüsse in Navigationssystemen besitzen.
• Um den Einfluß der Verriegelung zu vermeiden oder zu vermindern, kann der Ringlaserkreisel durch eine Wechsel- Vorspannungstechnik vorgespannt werden, wie dies in dem US-Patent Nr. 3 373 650 dargestellt und beschrieben ist.
• Die Wechsel-Vorspannungstechnik wird allgemein als Zittertechnik bezeichnet und kann auf einer Vielzahl von Wegen verwirklicht werden, einschließlich elektrooptischer und mechanischer Schematas. Da die Zitterbewegung durch irgendeine dieser erwähnten Techniken und durch ähnliche Techniken direkt das Verhalten der gegenläufigen Laserstrahlen beeinflußt, wird das Auslesesignal des Sensors nicht nur Inertialgeschwindigkeitsinformation enthalten, sondern es wird ebenfalls eine Signalkomponente enthalten, die direkt auf die Zitterbewegung (Wechsel-Vorspannung) des Sensors bezogen ist.
• In Situationen, in denen der Kreisel auf einer inertialen Plattform oder auf einer Montagebasis montiert ist und eine mechanische Zitterbewegung zugeführt wird, wird das Ausgangssignal des Kreisels aus der Summe der zugrundeliegenden Winkelbewegung und der Kreisel-Zitterbewegung, bezogen auf die Montagebasis bestehen. Dies gilt unabhängig davon, ob die Sensor-Auslesevorrichtung direkt an dem Sensor angeordnet ist (am Laserblock montiert) oder relativ zu der Montagebasis des Sensors befestigt ist (am Gehäuse befestigt), wie dies in dem zuvor erwähnten Patent gezeigt ist.
• Der Signalbeitrag in dem Auslesesignal des Sensors auf Grund der Wechsel-Vorspannung wird hier als Zitter- Signalkomponente bezeichnet. Bei Navigationssystemen mit geringem Rauschen muß im allgemeinen die Zitter-Signalkomponente in dem Auslesesignal auf ein Minimum gebracht werden oder entfernt werden, um Steuerprobleme zu vermeiden, insbesondere bei blockmontierten Auslesesystemen.
• Bekannte Lösungen zur Entfernung der Zitter- Signalkomponente umfassen unter anderem Kerbfilter. Solche Kerbfilter erzeugen jedoch Verstärkungs- und Phasenverschiebungs-Störungen, welche die Stabilität irgendwelcher Steuerschleifen oder irgendwelcher Auslesesignal-Verarbeitungssysteme beeinflussen können. Eine andere Lösung benutzt eine digitale Impuls- Subtraktionstechnik, wie dies in dein US-Patent Nr. 4 248 534 gelehrt wird.
• Eine wünschenswerte Lösung liegt in der Entfernung der Zitter-Signalkomponente durch Erzeugung eines Korrektursignales, welches im wesentlichen der Zitter-Signalkomponente äquivalent ist. Diese letztere Lösung wird in dem US-Patent Nr. 4 344 706 gelehrt. Dort wird die Verwendung eines Nachführungsschaltkreises zur Nachführung der Komponenten der Zitterrotation im Uhrzeiger- und im Gegenuhrzeigersinn gelehrt.
• Diese Zitterkomponenten werden von dem üblichen Auslesesignal subtrahiert, welches von den gegenläufigen Laserstrahlen des Sensors herrührt, wodurch ein korrigiertes Auslesesignal vorgegeben wird.
• Eine weitere Technik liegt in der Abstreifung der Zitter- Signalkomponente durch einen elektronischen Zitterkompensator, wie dies in dem US-Patent Nr. 4 610 543 gelehrt wird.
• Dieses Patent veranschaulicht eine Auf/Abwärts-Zähltechnik für einen Ringlaserkreisel-Auslesemechanismus, bei dem Auslese-Ausgangszählstände auf Grund der Zitterbewegung von dem Auslesezählstand subtrahiert werden, um einen korrigierten Auslesezählstand vor zugeben.
• Dieses Patent zeigt ferner ein geschlossenes Rückführungsverfahren zur Verminderung der Zitterkomponente in dem Auslesesignal des Systems. Dort wird ein Zitter- Korrektursignal von dem Kreisel-Auslesesignal subtrahiert, um ein korrigiertes Sensor-Ausgangssignal herzuleiten. Die Korrektur in einer geschlossenen Schleife wird vorgegeben durch Erzeugung des Zitter- Korrektursignales als eine Funktion eines Zitter- Referenzsignales entsprechend der Zitterbewegung bzw. der Wechsel-Vorspannung und die Beziehung zwischen dem Korrektursignal und dem Zitter-Referenzsignal wird in Abhängigkeit von irgendeiner Zitter-Signalkomponente in dem korrigierten Sensor-Ausgangssignal gesteuert.
• Schließlich offenbart die EP-A-0 222 909 einen im Zitterbetrieb arbeitenden Ringlaser-Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem die Auslesesignale durch einen Signal-Kombinationsschaltkreis verarbeitet werden, der einen Teil eines Zittersignal-Entfernungsschemas in einer geschlossenen Schleife bildet. Der Ausgang des Signal- Kombinationsschaltkreises wird in Abhängigkeit von der dem Ringlasersensor zugeführten Zitterbewegung demoduliert und nachfolgend benutzt, um ein Korrektursignal zu steuern. Der Signal-Kombinationsschaltkreis kombiniert das Auslesesignal und das Korrektursignal, um zu einem Ausgangssignal zu führen, das im wesentlichen von jeglichen Zittersignalkomponenten befreit ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
• Ausgehend von dem oben aufgezeigten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Zittersignal-Kompensator für einen Ringlaserkreisel vorzugeben, der jegliche Zittesignalkomponente in dein gewöhnlichen Auslesesignal des Ringlaserkreisels entfernt, um einen korrigierten Kreiselausgang vorzugeben, was durch digitale Signalverarbeitungstechniken verwirklicht werden kann.
• In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines gezitterten Ringlaserkreisels gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Zitter-Referenzsignal vorgegeben, um Information entsprechend dem Zitterwinkel und der Zitter-Winkelgeschwindigkeit zu liefern. Diese Information wird durch einen Signalprozessor verarbeitet, um ein Korrektursignal zu erzeugen, welches die Summe von (i) einer ersten Funktion des Zitter-Referenzsignales gemäß dem Zitterwinkel multipliziert mit einem ersten Koeffizienten und (ii) eine zweite Funktion des Zitter-Referenzsignales gemäß der Zitter-Winkelgeschwindigkeit multipliziert mit einem zweiten Koeffizienten ist. Der zuvor erwähnte Koeffizient kann entweder ausgewählt werden oder basierend auf vergangenen Daten erzeugt werden, die aus dem Zitter-Referenzsignal und dem üblichen Sensor- Ausgangssignal hergeleitet werden. Danach wird das Korrektursignal von dem üblichen Ringlaserkreisel- Ausgangssignal subtrahiert, um ein korrigiertes Sensor- Ausgangssignal vorzugeben.
Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Ringlaserkreisels gemäß dem Stand der Technik.
• Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung zur Entfernung der Zitter- Signalkomponente aus dem Kreisel-Auslesesignal.
• Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ein Ringlaserkreisel dargestellt, der denjenigen in den zuvor erwähnten Patenten entspricht. Der Kreisel 10 umfaßt einen Laserblock 12, der die Stützstruktur für einen Fortpflanzungspfad von gegenläufigen Laserstrahlen vorgibt.
• Der Sensor 10 umfaßt einen Zittermechanismus (micht dargestellt), der auf ein Zitter-Ansteuersignal 14 anspricht, das im allgemeinen sinusförmig ist, um die Zitterbewegung bzw. die Wechsel-Vorspannung, wie zuvor beschrieben, vorzugeben. Beispielsweise kann der Block 10 rotierend hin- und herbewegt werden, wie dies in den zuvor erwähnten Patenten gezeigt ist. Eine Zitterfeder (nicht dargestellt) mit daran befestigten piezoelektrischen Einrichtungen kann auf Grund des Zitter- Ansteuersignales 14 betrieben werden, um ein Ausbiegen der Feder hervorzurufen und den Block 12 zu veranlassen, drehend in Bezug auf eine Montagebasis (nicht dargestellt) hin- und herzuschwingen, wobei diese allgemein als inertiale Plattform bezeichnet wird. Ferner kann ebenfalls eine piezoelektrische Einrichtung mit der Feder befestigt werden, uin ein Zitter-Referenzsignal vorzugeben, das als Signal "D(t)" auf der Signalleitung 19 bezeichnet ist und das eine Signalcharakteristik aufweist, die direkt auf die tatsächliche Zitterbewegung des Sensors bezogen ist.
• Das gerade erwähnte piezoelektrische Ausgangssignal "D(t)" wird manchmal als "Zitter-Abgriffsignal" bezeichnet. Das Signal D(t) kann entweder dem Drehwinkel oder der Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Ausgangsschaltkreis entsprechen, der durch den piezoelektrischen Abgriff angesteuert wird, zeigt jedoch hier vorzugsweise den Drehwinkel des Sensorblockes, bezogen auf die Montagebasis an. Das Zitter-Referenzsignal kann durch eine Vielzahl von Techniken erhalten werden, die von dem Zitterschema abhängen, das ausgewählt wird (d.h. optisch oder mechanisch).
• Das US-Patent 3 373 650, das für Killpatrick ausgegeben wurde, beschreibt einen Zittermechanismus für Drehschwingungen des Sensorblockes, einem Schema, das allgemein durch die meisten heutigen Ringlaserkreisel mit einer Rotations-Zitterbewegung verwendet wird. Ein verbesserter Zitterfeder- und Antriebsmechanismus ist in dem US-Patent 4 344 706 dargestellt und beschrieben, das für Ljung et al ausgegeben wurde. Das letztere Patent veranschaulicht ferner einen Mechanismus für die Erzielung eines Zitter-Referenzsignales entsprechend den Sensordrehungen, die durch die Rotationsschwingung oder Zitterbewegung des Sensorblockes hervorgerufen werden.
• Ferner zeigt das US-Patent 4 445 779, das für Johnson ausgegeben wurde, ein Zitter-Ansteuersignal und eine Einrichtung für die Erzielung eines entsprechenden Zitter-Referenzsignales.
• Es sei vermerkt, daß ein Schema, entsprechend dem in Fig. 1, geeignet ist, um ein elektrooptisches Wechsel- Vorspannungssystem unter Verwendung einer Faraday-Zelle oder einer ähnlichen Einrichtung zu beschreiben.
• Eine Ausleseanordnung 11 ist an dem Laserblock 12 angeordnet und umfaßt eine Einrichtung für die Kombination eines Teiles der gegenläufigen Laserstrahlen, um ein Interferenz-Beugungsmuster in bekannter Weise vorzugeben. Die Ausleseanordnung 11 umfaßt ferner ein Paar von Photodetektoren (nicht dargestellt) zur Bildung von Ausgangssignalen auf Signalleitungen 13 und 15, die in Bezug aufeinander außer Phase sind und im allgemeinen um 90º phasenverschoben sind. Diese Signale werden durch einen Signaldecodierer 20 verarbeitet, welcher seinerseits Impulse entweder auf der Signalleitung 21 zur Anzeige einer Drehbewegung im Uhrzeigersinn oder Impulse auf einer Signalleitung 23 zur Anzeige einer Drehbewegung im Gegenuhrzeigersinn für den Sensor 10 liefert. Diese zuletzt erwähnten Impulse werden in einem Impulsakkumulator 30 gesammelt, der ein Ausgangssignal S entsprechend dem Drehwinkel des Sensors 10 liefert.
• Alternativ kann der Decodierer 20 ebenfalls so aufgebaut sein, daß er Ausgangsimpulse liefert, die die inkrementale Drehwinkeländerung und ferner ein getrenntes Richtungssignal anzeigen. Danach kann sodann ein einzelner Zähler auf- oder abwärts gesteuert werden, in Abhängigkeit von dem Ausgang des Richtungsindikators. Diese Signale können sodann einer Signalverarbeitung unterzogen werden, um eine Kreisel-Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Winkel-Drehinformation entweder in aufsummierter oder inkrementaler Form vorzugeben.
• Hierbei ist das Signal S die Digitaldarstellung der Drehung des Sensors 10, die direkt aus dem Sensorausgangssignal, nämlich aus den Interferenz- Beugungsstreifen des Kreisel-Auslesesignales abgeleitet wird. Es versteht sich, daß sowohl die mechanische, als auch die optische Zitterbewegung der gegenläufigen Laserstrahlen direkt die Zahl und Geschwindigkeit der Beugungsstreifen beeinflußt, die an den Auslese- Photodetektoren vorbei laufen und somit direkt das Auslesesignal S beeinflussen. Wenn daher der Sensor in irgendeiner Weise einer Zitterbewegung unterzogen wird, wie dies bereits beschrieben wurde, so wird das Signal S eine Zitter-Signalkomponente enthalten.
• In der folgenden Darstellung wird der Index "a" benutzt, um einen Drehwinkel anzuzeigen und der Index "r" wird benutzt, um eine Winkelgeschwindigkeit anzuzeigen.
• Der Zittersignal-Komponentenentferner gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Blockdiagramm gemäß Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt in weiteren Einzelheiten ein Zitter-Antriebssystem-Blockdiagramm für die Drehschwingung des Kreiselblocks 12, wie er in Fig. 1 veranschaulicht ist. Insbesondere erteilt eine Zitterfeder 202 dem Kreiselblock 12 eine Drehbewegung. Die Zitterfeder 202 wird mechanisch durch einen piezoelektrischen Treiberwandler 204 angesteuert. Zur gleichen Zeit liefert ein piezoelektrischer Auslesewandler 206 ein analoges Ausgangssignal Da(t) entsprechend einer analogen Messung des Drehwinkels des Kreiselblocks 12, bezogen auf die Montagebasis. Danach wird das Zitter-Referenzsignal Da(t) als ein Rückführungseingang dem Treiberschaltkreis 208 angeboten, welcher das Steuer-Eingangssignal für den piezoelektrischen Treiber 204 vorgibt. Das zuvor erwähnte System soll den Kreiselblock 12 in Bezug auf die Montagebasis mit einer Drehgeschwindigkeit hin- und herbewegen, die mit Br bezeichnet ist und zur gleichen Zeit wird die Montagebasis durch die inertiale Eingangsgeschwindigkeit Ir gedreht, die zu messen ist.
• Die Kreisel-Auslesevorrichtung 11 erzeugt daher ein Ausgangssignal auf der Signalleitung 210 entsprechend der Summe von Ir und Br, d.h. die Drehgeschwindigkeit Gr, die durch den Kreisel 10 erfaßt wird. Danach gibt der Signalprozessor 220 für das Kreisel-Auslesesignal ein Ausgangssignal S(n) auf der Signalleitung 222 vor entsprechend der Drehwinkelgeschwindigkeit bzw. dem Drehwinkel des Kreisels 10 während der letzten Abtastperiode "n", wie dies noch weiter vollständig beschrieben wird.
• Die Signalleitung 222 wird als ein Eingang dem Schaltkreis 225 zugeführt, der ein Ausgangssignal Gc(n) entsprechend dem Signal S(n) weniger einem inkrementalen Korrektursignal C(n) liefert, welches auf der Signalleitung 255 durch den Signalprozessor 250 vorgegeben wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Zitter- Referenzsignal Da(t) entsprechend dem Winkel der Zitterdrehung durch einen Differenzierschaltkreis 260 geführt, um ein analoges Ausgangssignal Dr(t) auf der Signalleitung 261 entsprechend der momentanen Geschwindigkeit der Zitterdrehung vorzugeben, wie sie durch den piezoelektrischen Auslesewandler 206 gemessen wird. Danach werden die analogen Signale Da(t) und Dr(t) abgetastet und gespeichert durch eine entsprechende Abtast- und Speichereinrichtung 262 und 264. Die Abtast- und Speichereinrichtung 262 liefert ein Digitalsignal Da(n) entsprechend dem Signal Da(t) zum Abtastzeitpunkt "n" unter der Steuerung des Synchronisiertaktes 270. In gleicher Weise liefert die Abtast- und Speichereinrichtung 264 ein Digitalsignal Dr(n) entsprechend dem Signal Dr(t) zum Abtastzeitpunkt "n" ebenfalls unter der Steuerung durch den Synchronisiertakt 270. Beispielsweise können die Abtast- und Speichereinrichtungen 262 und 264 durch einfache analoge oder digitale Abtast- und Speicherschaltkreise oder ähnliche Einrichtungen vorgegeben sein, um die beabsichtigte Funktion vorzugeben.
• Die Signale Da(n) und Dr(n) werden dem Signalprozessor 250 für die Verarbeitung von wenigstens der laufenden Werte Da(n) und Dr(n) angeboten, um ein Korrektursignal C(n) in einer Weise herzuleiten, wie dies nun beschrieben wird.
• Die Kreisel-Ausgangs-Drehgeschwindigkeit Gr kann folgendermaßen beschrieben werden.
• (1) Gr = Ir + Br
• wobei:
• Gr = Kreisel-Ausgangs-Drehgeschwindigkeit, bezogen auf den Inertialrahmen,
• Ir = inertiale Drehgeschwindigkeit der Montagebasis, bezogen auf einen Inertialrahmen, und
• Br = Zitter-Drehgeschwindigkeit des Kreiselblocks, bezogen auf die Montagebasis.
• Gleichung (1) kann neu geordnet und neu wie folgt in Ausdrücken von Drehwinkeln angeschrieben werden:
• (2) Ia = Ga - Ba
• wobei der Index "r" die Geschwindigkeit und der Index "a" den Winkel wie zuvor erwähnt, anzeigt.
• Der tatsächliche Zitter-Drehwinkel des Blockes Ba kann als eine Funktion des gemessenen Zitterwinkels ausgedrückt werden, der durch die piezoelektrische Auslesung erhalten wird:
• (3) Ba(t) = k&sub1; * Da(t) + k&sub2; * Dr(t)
• wobei K&sub1; und K&sub2; die Charakteristiken der Einrichtungen bzw. der Meßtechnik wiedergeben, um das Zitter-Referenzsignal zu erzeugen. Beispielsweise können K&sub1; und K&sub2; die piezoelektrischen Elementcharakteristiken eines PCT-Zitter-Abgriffs eines in Drehschwingungen versetzten Kreisels wiedergeben.
• Unter der Annahme, daß die Konstanten k&sub1; und k&sub2; bekannt sind und unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) kann das korrigierte Kreisel-Ausgangssignal wie folgt ausgedrückt werden:
• (4) Gc(n) = S(n) - k&sub1;[(Da(n) - Da(n-1)] - k&sub2;[(Dr(n) - Dr(n-1)]
• wobei
• S(n) = inkrementale Kreisel-Drehänderung, die über dem n.ten Berechnungsintervall aus der Ausgangsänderung der Kreisel- Auslesung abgeleitet wird, Gc(n) = inkrementales Kreisel-Ausgangssignal, das von der Zitterkomponente über dem n.ten Berechnungsintervall befreit ist,
• Da(n) = Zitterwinkel des Blockes, bezogen auf die Montagebasis im n.ten Berechnungsintervall,
• Dr(n) = Zitter-Winkelgeschwindigkeit des Blockes, bezogen auf die Montagebasis im n.ten Berechnungsintervall, und
• k&sub1;,k&sub2; = Koeffizienten entsprechend den Charakteristiken der Zitter- Referenzsignal-Meßtechnik.
• Die Koeffizienten können entweder gewählt werden oder sie können durch Kalibrierung unter Benutzung von Rohdaten festgelegt werden. Beispielsweise kann die Bestimmung oder Kalibrierung der Werte k&sub1; und k&sub2; erhalten werden durch die Anwendung des Kriteriums der kleinsten Fehlerquadrate oder eines anderen Algorithmus, basierend auf den beobachteten Messungen von Gc(n), S(n), Da(n) und Dr(n). Ein Beispiel für das Kriterium der kleinsten Fehlerquadrate zur Erzielung von k&sub1; und k&sub2; kann mathematisch wie folgt beschrieben werden:
• wobei
• "i" der i.te Kreisel einer inertialen Meßeinheit (zwei oder mehr Kreisel) ist,
• Δαi = Da(n) - Da(n-1), und
• Δi = Dr(n) - Dr(n-1),
• ΔΘi = S(n) - S(n-1), und
• ΔΘd = die durch die Zitterbewegung induizerte Bewegung der inertialen Plattform ist.
• Die durch die Zitterbewegung induzierte Bewegung der inertialen Plattform kann aus der Vektorgleichung hergeleitet werden:
• ΔΘd = [J] [Δα]
• Für drei Kreisel ist die Matrix [J] eine 3x3-Kontantenmatrix, die die inertiale Verteilung der Masse des Gesamtsystems beschreibt, was manchmal als das Moment der Inertialmatrix bezeichnet wird und [α] ist der Vektor, bestehend aus einer 3x1-Matrix, die die Zitterwinkelbelastung der drei Kreisel beschreibt.
• Der Kalibrierbetrieb kann zwischen drei Kreiseln des Systems einer inertialen Meßeinheit hin- und hergeschaltet werden, vorausgesetzt, daß die Werte von k&sub1; und k&sub2; sich langsam verändern, was hier vorausgesetzt wird. Eine Kalibrierzeit von einer Sekunde oder weniger sollte geeignet sein, um einen einzelnen Kreisel zu kalibrieren. Wenn die durch die Zitterbewegung induzierte Basisbewegung vernachlässigbar ist auf Grund eines sehr großen Verhältnisses der Masse der Montagebasis zur Masse des Kreisels, so kann der Ausdruck ΔΘd in der Gleichung 4 eliminiert werden.
• Die Piezo-Kalibrierkoeffizienten k&sub1; und k&sub2; können im Vordergrund und im Hintergrund festgelegt werden. Wenn es im Vordergrund geschieht, so kann man mit Vorteil von der Tatsache Gebrauch machen, daß die Elemente der Matrix auf der linken Seite von Gleichung (4) sich sehr langsam verändern und nur eine Funktion von der Zitteramplitude und der Frequenz sind. Daher müssen diese Summierungen nicht über das gleiche Zeitintervall wie die beiden Summierungen auf der rechten Seite von Gleichung (4) ausgeführt werden. Dies erlaubt eine erhöhte Leistung bei der Ausführung der Gleichung (4), indem zwei oder möglicherweise drei Stufen definiert werden können, um den vollständigen Satz von Berechnungen auszuführen, der für die Kalibrierung eines einzelnen Kreisels erforderlich ist. Es ist nur wichtig, daß die zwei Summierungen auf der rechten Seite von Gleichung (4) gleichzeitig ausgeführt werden unter Verwendung der gleichen Sensordaten für beide Summierungen.
• Fig. 3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ähnlich demjenigen in Fig. 2. In Fig. 3 wird der Ausgang des piezoelektrischen Auslesewandlers 206 zuerst einem Analog/Digital-Wandler 307 zugeführt. Danach wird der Ausgang des A/D-Wandlers 307 als ein Eingang der Abtast- und Speichereinrichtung 310 und einem Eingang der Schaltkreiseinrichtung 315 zugeführt, deren anderer Eingang durch den Ausgang der Abtast- und Speichereinrichtung 310 gebildet wird. Danach wird der Ausgang der Schaltkreiseinrichtung 315 einer zweiten Abtast- und Speichereinrichtung 325 zugeführt. Der Ausgang der Schaltkreiseinrichtung 315 und der Abtast- und Speichereinrichtung 325 werden dem Signalprozessor 350 zugeführt.
• Ähnlich wie in Fig. 2 liefert die Synchronisations- Takteinrichtung 270 ein Taktsignal an den Wandler 307, die Abtast- und Speichereinrichtung 310 und 325 und ebenfalls an den Signalprozessor 350. Daher entspricht das Ausgangssignal der Schaltkreiseinrichtung 315 der Änderung in dem gemessenen Zitterwinkel während einer Taktperiode:
• (6) Δαn = Da(n) - Da(n-1)
• Der Ausgang der Abtast- und Speichereinrichtung 325 ist daher das resultierende Δαn bei dem vorangegangenen Taktzyklus, nämlich Δαn-1.
• Das in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine Annäherung für den Wert der Zittergeschwindigkeit. Es vermeidet das Erfordernis eines Integrators bzw. eines Differentiators, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. In Fig. 3 verwendet der Zittersignal-Komponentenabstreifer ein digital hergeleitetes Δ . Für eine rein sinusförmige Zitterbewegung wird Δ ohne Annäherung durch eine gewichtete Summe der Form vorgegeben
• (7) Δ n = a Δαn + bΔαn-1
• wobei a und b Konstanten sind, die durch die Frequenz Ω eines sinusförmigen Zitter-Ansteuersignales und die Dauer ΔT des Berechnungsintervalles in der folgenden Weise definiert sind:
• a = Ω[cosΩΔT/sinΩΔT] b=[Ω/sinΩΔT]
• Aus den Definitionen von a und b ist die durch die Gleichung (7) definierte Beziehung solange gültig, wie ΩΔT nicht ein Mehrfaches von π ist. Das heißt, die Abtastfrequenz 1/ΔT muß größer als die doppelte Frequenz Ω des sinusförmigen Signales sein.
• Unter der Annahme, daß die Formel (7) den Ausdruck Δ n in der durch die Gleichung (4) definierten Zitter- Abstreifgleichung definiert, kann die folgende alternative Form der Gleichung (4) unter Verwendung der Gleichung (7) hergeleitet werden:
• (8)
• Δ n = Δθn - κ&sub1; Δαn - Δ n
• = Δθn - κ&sub1; Δαn - κ&sub2; (a Δαn + b Δαn-1)
• = Δθn - M&sub1; Δαn - M&sub2; Δαn-1
• wobei
• M&sub1; = κ&sub1; + κ&sub2; a
• M&sub2; = κ&sub2; b
• Die Verwirklichung der Entfernung des Zittersignales unter Verwendung eines digital hergeleiteten Δ n erfolgt wie in Fig. 3 gezeigt. Die Zitterkomponente wird entfernt durch Anwendung der Korrektur, wie sie durch Gleichung (8) definiert ist. Die Piezo-Koeffizienten M&sub1; und M&sub2; können durch die Anpaßkalibrierung der kleinsten Fehlerquadrate festgelegt werden, die folgendermaßen definiert ist:
• Wie früher vermerkt, kann, wenn die durch die Zitterbewegung induzierte Basisbewegung sehr klein ist, auf Grund eines sehr kleinen Kreiselsgegenüber der Masse der Montagebasis der Ausdruck ΔΘd in dem Piezo-Kalibrierverfahren mit den kleinsten Fehlerquadraten vernachlässigt werden.
• Die durch die Gleichung (8) definierte Piezo-Kalibriergleichung führt selbst entweder zu einer Hintergrundoder einer Vordergrundlösung. Wenn die Lösung im Hintergrund erfolgt, so wird eine Gruppe von ΔΘ-Werten und Δα-Werten mit der Kreiseldaten-Eingangsrate gesammelt und über eine Zeitperiode von ungefähr einer Sekunde oder weniger gespeichert; sodann werden im Hintergrundverfahren die definierten Summierungen unter Verwendung der gespeicherten Daten und der Koeffizienten M&sub1; und M&sub2;, die durch Umkehrung der Gleichung (9) berechnet werden, ausgeführt. Bei der Vordergrundlösung erfolgen die Summierungen ΣΔα2i und ΣΔαiΔαi-1 in Echtzeit mit der Kreiseldaten-Eingangsfrequenz über eine Zeitperiode von einer Sekunde oder weniger. Sodann erfolgen die Summierungen ΣΔθiΔαi und ΣΔθiΔαi-1 über ein nachfolgendes Zeitintervall entsprechend demjenigen, das bei der Ausführung der ersten Gruppe von Summierungen benutzt wurde. Schließlich werden die Piezokoeffizienten gefunden, indem in der Gleichung (9) zunächst ΣΔα2i-1 = ΣΔα2i gesetzt wird und sodann invertiert wird, um M&sub1; und M&sub2; zu erhalten. Sowohl die Hintergrund- als auch die Vordergrund-Piezokalibrierlösungen sollen zu einem Zeitpunkt auf einen einzelnen Kreisel angewendet werden.
• In dem Fall, wo die Zeitverzögerung des Piezos und seiner Ausleseelektronik als vernachlässigbar bekannt ist, reduziert sich die Zitter-Abstreifgleichung, wie sie durch Gleichung (6) definiert ist folgendermaßen:
• Δ n = Δθn - M Δαn (7)
• und der Piezo-Kalibrierkoeffizient M wird durch die vereinfachte Gleichung für die kleinsten Fehlerquadrate wie folgt festgelegt:
• M = Σi [Δθi - Δθd(i)] Δ i/ΣiΔ 2i
• Der durch die Zitterbewegung induzierte Ausdruck ΔΘd(i) in der Lösung für die piezoelektrischen charakteristischen Konstanten, wie sie in Gleichung (4) oder Gleichung (8) veranschaulicht sind, ist besonders wichtig, wenn mehr als ein drehschwingender oder gezitterter Kreisel auf einer gemeinsamen Montagebasis angeordnet ist. Dies ist deswegen so, weil die Oszillationsbewegungen eines Kreisels sich als ein Eingang einem anderen Kreisel mitteilen. Der Ausdruck ΔΘd(i) berücksichtigt die gekoppelte Bewegung von irgendeinem anderen gezitterten Kreisel auf den i.ten Kreisel. Der Ausdruck ΔΘd(i) kann als eine Funktion des Moments der inertialen Systemmatrix "J" und der inkrementalen Veränderungen in dem Zitterwinkel- Ausgangssignal ausgedrückt werden.
• Somit können die charakteristischen piezoelektrischen Koeffizienten kalibriert werden, um die Einflüsse der anderen Kreisel des Systems der inertialen Meßeinheit zu umfassen.
• Die Verwirklichung der Zitter-Abstreiftechnik gemäß der vorliegenden Erfindung ist in hohem Maße kostenwirksam bezüglich der Hardware und der erforderlichen Computerleistung. Lediglich zwei Multiplikationen und zwei Additionen sind pro Kreisel über jedem Kreisel-Eingangsdatenintervall erforderlich mit einem einfachen Satz an Berechnungen im Hintergrund bzw. im Vordergrund, um die Verstärkungen der Kreisel-Auslesepiezos zu kalibrieren. Eine Lösung der Piezokalibrierung im Vordergrund ist wahrscheinlich die bevorzugte Lösung, da kein Computerspeicher zugeteilt werden muß, um die Sensordaten zu speichern, wie dies der Fall ist, wenn die Piezokalibrierung im Hintergrund ausgeführt wird. Das Schema führt ferner selbst in einfacher und natürlicher Weise zu einer durch die Zitterbewegung induzierten Basisbewegung und es liefert ferner zusätzlich zu seiner anhaftenden Einfachheit ein hohes Maß an Felxibilität, um einen großen Bereich von Werten für das Vehältnis der Kreisel- Dateneingangsfrequenz zu der Zitterfrequenz zu verarbeiten sowie auf einfache Weise den letztlichen Zeitverzögerungen in den Piezoelementen und ihren Elektroniken Rechnung zu tragen.
• Es sei durch den Fachmann vermerkt, daß viele Blöcke der Diagramme entweder in Fig. 2 oder in Fig. 3 in dem Signalprozessor 250 bzw. 350 entsprechend kombiniert werden können. Die Signalprozessoren 250 und 350 können aus einer Vielzahl ausgewählt werden, um die mathematischen Berechnungen gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen, wie dies von dem Fachmann verstanden wird.
• Somit wird von dem Fachmann verstanden, daß die vorliegende Erfindung durch Schaltkreise und Algorithmen ausgeübt werden kann, die außerhalb der hier offenbarten Schaltkreise und Algorithmen liegen.
• Insbesondere gibt es eine große Vielzahl von mathematischen Algorithmen für die Berechnung der piezoelektrischen Koeffizienten gegenüber dem hier aufgezeigten Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate. Ferner gibt es eine große Vielzahl von Schaltkreiskonfigurationen für die Erzielung der erforderlichen Daten, die aus dem piezoelektrischen Auslesewandler abgeleitet werden, neben den in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulichten Konfigurationen.

Claims (7)

1. Schwing-Winkelgeschwindigkeitssensor, aufweisend:

a) eine Stützeinrichtung (12) zur Abstützung eines Paares von gegenläufigen Lichtwellen entlang einer geschlossenen Wegstrecke, wobei jede der Lichtwellen eine auf die Drehung des Sensors bezogene Frequenz aufweist;

b) eine Einrichtung (202) für die Drehoszillation der Stützeinrichtung in Bezug auf die Abstützbasis, um der Frequenz des Paares von Lichtwellen eine Schwingung zu überlagern;

c) eine Einrichtung (202) zur Erzeugung einer Schwing-Referenzsignalmessung bezogen auf die Schwingung der Abstützeinrichtung;

d) eine auf die Lichtwellen ansprechende Auslesevorrichtung (220) zur Erzeugung eines Auslesesignales S(n) zur Anzeige der Sensorrotation bezogen auf einen Inertial-Bezugsrahmen, wobei das Auslesesignal eine Schwingsignalkomponente auf Grund der Schwingung der Stützeinrichtung, bezogen auf die Abstützbasis enthält; und

e) eine Einrichtung (225) zur Kombination eines Schwing-Korrektursignales und des Auslese- signales, um ein korrigiertes Kreisel- Ausgangssignal vorzugeben, dem im wesentlichen jegliche Schwingsignalkomponente fehlt, gekennzeichnet durch

f) eine auf das Schwing-Referenzsignal ansprechende Einrichtung (206,260) zur Herleitung einer Information enstsprechend dem Schwingwinkel Da und der Schwing- Winkelgeschwindigkeit Dr der Abstützeinrichtung (12), bezogen auf die Abstützbasis; und

g) eine Signalverarbeitungseinrichtung (250) zum Einwirken auf die Schwingwinkel- und Schwingwinkelgeschwindigkeits-Information zur Vorgabe des Korrektursignales im wesentlichen gemäß folgender Funktion:

c = k&sub1; * Da + k&sub2; * Dr

wobei k&sub1;, k&sub2; von Null abweichende Konstanten entsprechend den Charakteristiken der Schwing- Referenzsignaleinrichtung sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch:

Eine Einrichtung (262) zur Herleitung eines ersten Inkrementalwertes aus dem Schwing-Referenzsignal entsprechend der Änderung des Schwingwinkels während einer ersten Taktsignal-Abtastperiode; und

eine Einrichtung (264) zur Herleitung eines zweiten Inkrementalwertes aus dem Schwing-Referenzsignal entsprechend der Änderung der Schwing-Winkelgeschwindigkeit während der ersten Taktsignal-Abtastperiode; und

wobei Da(n) der besagte erste Inkrementalwert ist, und Dr(n) der besagte zweite Inkrementalwert ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (250) in der Weise auf die Schwingwinkel- und Schwingwinkelgeschwindigkeits-Information einwirkt, um ein Korrektursignal im wesentlichen gemäß folgender Funktion vorzugeben:

C(n) = k&sub1; [Da(n) - Da(n-1)] + k&sub2; [(Dr(n) - Dr(n-1)]

wobei

Da(n), Da(n-1) dem Schwingwinkel des Blockes bezogen auf die Abstützbasis beim n'ten und (n-1)ten Taktzyklus entsprechen.,

Dr(n) und Dr(n-1) der Schwingwinkelgeschwindigkeit des Blockes bezogen auf die Abstützbasis beim n'ten und (n-1)ten Taktzyklus entsprechen, und k&sub1;, k&sub2; = von Null abweichende Konstanten entsprechend den Charakteristiken der Schwing-Referenzsignaleinrichtung sind;

C(n) dem Inkrementalfehler in dem Kreisel-Ausgangssignal entspricht; und

daß die Einrichtung (225) zur Kombination des Schwing-Korrektursignales und des Auslesesignales in der Weise angeordnet ist, daß sie ein korrigiertes Kreisel-Ausgangssignal liefert, das im wesentlichen frei von jeder Schwingsignalkomponente ist und im wesentlichen beschrieben wird durch:

Gc(n) = S(n) - C(n)

wobei

S(n) = die inkrementale Kreisel-Rotationsänderung ist, die aus der Ausgangssignaländerung der Kreisel- Auslesevorrichtung beim n'ten Taktzyklus- Zeitintervall abgeleitet wird,

Gc(n) = die Kreisel-Ausgangsänderung über dem n'ten Taktzyklus-Zeitintervall ist, das der Schwingkomponente nach dem n'ten Taktzyklus entnommen wird.

4. Sensor nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch:

Eine Einrichtung (260) für die zeitliche Differenzierung des Schwing-Referenzsignales und für die Vorgabe eines entsprechenden Ausgangssignales; und

eine Einrichtung (262,264) für die Abtastung und Speicherung von Werten des Schwing-Referenzsignales entsprechend dem Schwingwinkel, und für die Abtastung und Speicherung von Werten des Ausgangssignales der Differenziereinrichtung entsprechend der Schwing-Winkelgeschwindigkeit, die im Augenblick des Taktsignales auftritt, und Vorgabe hierdurch der entsprechenden Werte von Da(n) und Dr(n), wobei "n" die augenblickliche Taktzyklus- Abtastzeit ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf das Ausgangssignal des Kreisels und auf entsprechende Werte von Da und Dr anspricht, die in mehreren Abtastzeitpunkten auftreten, um empirisch die genannten Koeffizienten K&sub1; und K&sub2; zu bestimmen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten eine Schwingung berücksichtigen, die durch die Bewegung eines Sensors in einen anderen Sensor übertragen wird, der auf der gleichen Intertialplattform angeordnet ist.

7. Schwing-Winkelgeschwindigkeitssensor, aufweisend:

a) eine Stützeinrichtung (12) zur Abstützung eines Paares von gegenläufigen Lichtwellen entlang einer geschlossenen Wegstrecke, wobei jede der Lichtwellen eine auf die Drehung des Sensors bezogene Frequenz aufweist;

b) eine Einrichtung (202) für die Drehschwingung der Abstützeinrichtung bezogen auf eine Abstützbasis, um der Frequenz des Paares von Lichtwellen eine Schwingung zu überlagern;

c) eine Einrichtung (202,206) zur Erzeugung einer Schwingungs-Referenzsignalmessung bezogen auf die Schwingung der Abstützeinrichtung;

d) eine auf die Wellen ansprechende Auslesevorrichtung (220) zur Erzeugung eines Auslesesignales zur Anzeige der Sensorrotation, wobei das Auslesesignal eine Schwingsignalkomponente auf Grund der genannten Schwingung enthält; und

e) eine Einrichtung zur Kombination eines Schwingkorrektursignales und des Auslesesignales, um ein korrigiertes Kreisel- Ausgangssignal vorzugeben, das im wesentlichen frei von jeder Schwingsignalkomponente ist, gekennzeichnet durch

f) eine Analog/Digital-Wandlereinrichtung (307), die auf das Schwingreferenzsignal anspricht, um ein erstes Digitalsignal entsprechend dem Schwingreferenzsignal vorzugeben;

g) eine Einrichtung (310) zur Abtastung des ersten Digitalsignales in Übereinstimmung mit einem Taktsignal;

h) eine Einrichtung (325) für die Bestimmung einer inkrementalen Abtaständerung der ersten digitalen Signalabtastung während eines n'ten Intervalles des Taktsignales; und

i) eine Signalverarbeitungseinrichtung (250), die auf die inkrementalen Änderungen in der genannten inkrementalen Abtaständerung und wenigstens einen vergangenen Wert der genannten inkrementalen Abtaständerung anspricht, um das Korrektursignal zu bestimmen, das mathematisch ausgedrückt ist durch:

C(n) = M&sub1; - Δαn - M&sub2; Δαn-1

wobei

Δαn die inkrementale Abtaständerung des ersten Digitalsignales während des n'ten Intervalles ist, und

Δαn-1 die inkrementale Änderung des ersten Digitalsignales während des (n-1)ten Intervalles ist;

M&sub1;, M&sub2; = von Null abweichende Konstanten entsprechend den Charakteristiken der Schwing- Referenzsignaleinrichtung sind.