專利名稱：通過轉(zhuǎn)動慣性裝置來確定航向的方法
通過轉(zhuǎn)動慣性裝置來確定航向的方法本發(fā)明涉及借助于慣性裝置來確定航向的方法，該慣性裝置適于用作陀螺羅盤，例如用于尋找北方。已知借助于具有三個角傳感器(速率陀螺儀或自由陀螺儀)和兩個或三個加速度計的陀螺羅盤型慣性裝置來確定航向，以便測量和定位地球的旋轉(zhuǎn)。為了提高確定航向的精確度，已知利用慣性裝置在相對于垂直軸的兩個不同角位置上來進(jìn)行航向測量。該方法稱為二位置對準(zhǔn)。還已知通常在用于導(dǎo)航的慣性系統(tǒng)中使用的振動陀螺儀，例如在適用于提供相對于參考方向的角測量的陀螺羅盤中，該參考方向即地理北方(航向)。振動陀螺儀軸向?qū)ΨQ 并且依賴于科里奧利效應(yīng)，被稱為科里奧利振動陀螺儀(CVG)，例如，具有半球形的、稱為半球共振陀螺儀(HRG)的共振器，并且在Andrei M. Shkel的文獻(xiàn)“Type I and type IImicro-machined vibratorygyroscopes (I 型和 II 型微加工振動陀螺儀)”第 586-593 頁ΙΕΕΕ/Ι0Ν (“電氣與電子工程師協(xié)會/導(dǎo)航協(xié)會”)PLANS 2006，圣地亞哥，CA，USA中，它們更一般地稱為I型。這些陀螺儀具體地以開環(huán)工作，并且它們用于基于所測量的角來測量絕對旋轉(zhuǎn)角，所測量的角稱為“電”角，表示陀螺儀相對于測量電極振動的位置。由這些振動陀螺儀提供的測量可能遭受誤差，該誤差實(shí)質(zhì)上是相對于測量電極的振動位置的函數(shù)。這些誤差因此作為由電角表示的振動位置的函數(shù)而變化。本發(fā)明的目的是提供用于在使用設(shè)置有振動陀螺儀的慣性裝置時進(jìn)一步改進(jìn)航向確定方面的性能的裝置。為此，本發(fā)明提供一種借助于慣性裝置確定航向的方法，該慣性裝置借助于至少一個振動陀螺儀提供測量，該方法包括以下步驟·以陀螺儀靠近基本上水平的平面延伸的方式定位慣性裝置；·在預(yù)定數(shù)量的關(guān)于垂直軸的取向上連續(xù)定向慣性裝置，該預(yù)定數(shù)量大于I。·對于每個取向，將振動陀螺儀的電角調(diào)節(jié)至預(yù)定值，該電角的預(yù)定值對于慣性裝置的所有取向均是相同的，并進(jìn)行測量；以及·根據(jù)測量以及取向之間的角確定航向。因此，通過考慮多個測量以及慣性裝置關(guān)于垂直軸的取向之間的角，在不管慣性裝置的角位置如何都將電角調(diào)節(jié)為相同值的情況下，并且通過在自由陀螺模式下進(jìn)行測量，有可能在確定航向時獲得較好的精確度。以自由陀螺模式控制角傳感器使得尤其是忽略可能是在速率陀螺模式下操作時引入的增益誤差成為可能。當(dāng)慣性裝置不僅包括所述陀螺還包括諸如至少一個其它陀螺儀和/或至少一個加速度計之類的另一個傳感器時，使用由所有傳感器提供的測量以便確定航向。在第一實(shí)現(xiàn)中，裝置具有至少兩個陀螺儀，并且定位成使得兩個陀螺儀在水平平面附近延伸，并且預(yù)定數(shù)量的取向不小于2，且優(yōu)選的是，取向之間的角為180°。關(guān)于每個角傳感器測量的漂移對于每個取向是相同的，且將它們定位在兩個相反的角位置使得測量(在電角的預(yù)定值下)中包含的諧波誤差能被消除，因?yàn)樗鼈冊谌∑骄禃r抵消。該實(shí)現(xiàn)特別簡單并且該回轉(zhuǎn)(about-turn)表示最佳配置，因?yàn)樗沟迷谒狡矫嬷械拿總€陀螺儀的測量缺陷能夠通過取平均來消除，因此使得有可能獲得與兩個水平陀螺儀的漂移誤差無關(guān)的航向。沿兩個取向進(jìn)行測量的該實(shí)現(xiàn)表示測量操作的持續(xù)時間和所獲得的性能之間的最佳折衷。在第二實(shí)現(xiàn)中，裝置僅具有一個陀螺儀，且預(yù)定數(shù)量的取向不小于2，且優(yōu)選不小于3。必須具有兩個取向以便確定航向，且附加的取向用于標(biāo)識漂移。以兩個取向，兩個測量及兩個相關(guān)聯(lián)的漂移等式可用然后有可能通過對測量取平均來計算航向，由此還對漂移誤差取平均，并且再次將所計算出的航向代入兩個等式之一。因此有可能獲得漂移誤差的近似值并且改進(jìn)所計算的航向值。以三個取向，操作更簡單，因?yàn)槿齻€測量和三個相關(guān)聯(lián)的等式可用于確定三個未知數(shù)航向、平面中的測量轉(zhuǎn)動及測量陀螺儀漂移。以三個取向，取向之間的角度較佳的是120°。因此，本發(fā)明的方法適用于僅具有一個陀螺儀的慣性裝置，且它能獲得良好的性 倉泛。根據(jù)本發(fā)明的具體特性，慣性裝置借助于旋轉(zhuǎn)平臺在其取向之間移動，該選擇平臺使得它能夠轉(zhuǎn)動通過預(yù)先調(diào)節(jié)的角度。慣性裝置因此更簡單，因?yàn)樗辉傩枰_定慣性裝置的兩個角位置之間的角度，所述角度被預(yù)先調(diào)節(jié)為已知值。有利地，所使用的慣性裝置具有與陀螺儀關(guān)聯(lián)的至少一個加速度計或與至少兩個陀螺儀關(guān)聯(lián)的至少兩個加速度計，處理加速度計的測量以確定慣性裝置相對于水平的定位誤差，由此確定系統(tǒng)的任何干擾旋轉(zhuǎn)。慣性裝置因此以更精確的方法相對于水平平面定位。這使得在場中定位慣性裝置更簡單。加速度計可使系統(tǒng)能相對于水平(重力)定位并且測量系統(tǒng)的任何干擾旋轉(zhuǎn)。有利地，選擇電角以具有盡可能小的相關(guān)聯(lián)漂移值。這使得能夠進(jìn)一步提高確定的精確度。在閱讀以下本發(fā)明的特定、非限制性實(shí)施例的描述時會發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。參考附圖，在附圖中圖I是在第一實(shí)現(xiàn)中用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的慣性裝置的圖示；以及圖2是類似于圖I的適用于第二實(shí)現(xiàn)的慣性裝置的視圖。參考

圖1，該方法借助于慣性裝置(給予總的標(biāo)記I)來實(shí)現(xiàn)，該慣性裝置包括平臺
2(由點(diǎn)劃線示意性表示)，平臺2以已知方式設(shè)置有三個振動角傳感器或陀螺儀(給予標(biāo)記3)，并且設(shè)置有三個加速度計(給予標(biāo)記4)。陀螺儀3和加速度計4被安排在參考框的三個相互正交軸上。陀螺儀3和加速度計4的結(jié)構(gòu)本身是已知的。在本文中僅略微詳細(xì)地描述陀螺儀3的結(jié)構(gòu)以便描述本發(fā)明的方法。每個陀螺儀3包括軸向?qū)ΨQ的共振器，該共振器由二氧化硅材料制成且配備有電極，電極使得有可能在激發(fā)模式下，以共振器的振動相對于與陀螺儀3的參考軸垂直的軸對稱且具有關(guān)于參考軸的角位置的方式，將共振器設(shè)置為振動，關(guān)于參考軸的角位置可通過控制單元5經(jīng)由電極的適當(dāng)電控制調(diào)節(jié)，稱為進(jìn)動控制。振動的角位置被稱為電角。電極還被用于檢測模式以確定振動的角位置。在本發(fā)明的方法中實(shí)現(xiàn)的測量模式中，關(guān)于軸的振動的取向是自由的，且振動相對于最初位置的移動能用于獲得關(guān)于傳感器的角移動的信息。陀螺儀3和加速度計4連接到控制單元5，該控制單元5配置成控制陀螺儀3，回收并處理來自陀螺儀3和加速度計4的信號。此處的慣性裝置I是用于導(dǎo)航的常規(guī)慣性單
J Li ο控制單元5被配置成在陀螺羅盤模式下執(zhí)行用于控制慣性裝置的程序。該程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明用于確定航向——具體地為朝北——的方法。該方法包括如下步驟
·將慣性裝置I連續(xù)地置于關(guān)于垂直軸Z的兩個角取向；·對于每個取向，將水平平面陀螺儀3的電角調(diào)節(jié)至預(yù)定值，并進(jìn)行相應(yīng)測量；以及·根據(jù)測量以及取向之間的角確定航向。兩個取向彼此偏移180°。電角的預(yù)定值對于慣性裝置的所有角位置是相同的。此處的電角值有利地被選擇成具有盡可能小的值的漂移。對于每個取向，通過位于水平平面的X和y軸上的振動角傳感器3來控制預(yù)定電角。通過按照進(jìn)動命令行動將電角設(shè)置成對于測量均相同的值(在改變慣性裝置的取向期間和/或之后)。然后測量來自角傳感器和加速度計的信號以便確定航向，有可能借助于關(guān)于系統(tǒng)緯度的知識。該計算以常規(guī)方式執(zhí)行，例如，借助于回歸和三角公式或者通過對導(dǎo)航模式和卡爾曼濾波器中的測量進(jìn)行積分。在第一取向下進(jìn)行測量之后，將慣性裝置移動到第二取向。使用陀螺儀3測量兩個取向之間的偏移。然后在位于水平平面中的陀螺儀3 二者上，將電角調(diào)節(jié)至與第一測量相同的值。檢測來自傳感器的信號，然后如前地確定航向。然后通過計算兩個航向的平均值來確定航向的最終值，因此有可能對與測量相關(guān)聯(lián)的誤差取平均值。利用導(dǎo)航模式以及例如卡爾曼濾波器的實(shí)現(xiàn)直接執(zhí)行該操作。對于偏移角度不是180°的兩個取向，航向精確度也能提高。在一變型中，如圖2所示，本發(fā)明的方法可借助于慣性裝置I來實(shí)現(xiàn)，該慣性裝置I具有平臺2，該平臺2僅設(shè)置有一個用于在水平平面中定位的陀螺儀3。慣性裝置安裝在具有支承在樞軸底座12上的轉(zhuǎn)盤11的旋轉(zhuǎn)裝置10上，該樞軸底座12使轉(zhuǎn)盤11能關(guān)于與之垂直的軸轉(zhuǎn)動。樞軸底座12包含用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤關(guān)于轉(zhuǎn)軸的角度的系統(tǒng)13。這種類型的角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身是已知的且例如在機(jī)床的分度盤中能夠找到。例如，角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可包括用于將轉(zhuǎn)盤鎖定在預(yù)定位置的部件(該鎖定部件包括例如固定到轉(zhuǎn)盤11且適于配合在旋轉(zhuǎn)裝置的樞軸底座12的固定外殼的預(yù)定位置處形成的凹槽中的徑向螺栓)。轉(zhuǎn)盤11應(yīng)水平定位，例如，借助于固定到旋轉(zhuǎn)裝置10的水準(zhǔn)儀。在一變型中，如果慣性裝置I包括加速度計，則它們可用于確定旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)盤的傾斜角及固定到旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)盤的慣性裝置的傾斜角，從而能夠以已知方式考慮所述傾斜角以便確定慣性裝置相對于水平的定位誤差或確定航向。該方法包括使轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)從而將慣性裝置連續(xù)地定位在三個取向上的步驟。三個取向彼此間隔開120°。在一變型中，有可能使用90°的四個取向，或者甚至更多。在將轉(zhuǎn)盤固定地保持在每個取向上的情況下，使電角重新設(shè)置在預(yù)定位置上并進(jìn)行測量。如上所述地處理該測量。自然，本發(fā)明不限于所述的特定實(shí)現(xiàn)，且還覆蓋在權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的任何變型。具體地，慣性裝置可具有一些其它數(shù)量的陀螺儀或加速度計，但慣性裝置必須包括至少一個陀螺儀。在第一實(shí)現(xiàn)中取向的預(yù)定數(shù)量可大于2，且差可以是任意的。在第二實(shí)現(xiàn)中，取向之間的差可以是任意的。實(shí)現(xiàn)可一般化為不具有垂直軸的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)可一般化為具有兩個軸的振動陀螺儀。實(shí)現(xiàn)可以是連續(xù)型(具體為卡爾曼濾波器)或不連續(xù)型。權(quán)利要求
1.一種借助于慣性裝置(I)確定航向的方法，該慣性裝置(I)借助于至少一個振動陀螺儀(3)提供測量，該方法包括以下步驟 以陀螺儀靠近基本上水平的平面延伸的方式定位慣性裝置； 在預(yù)定數(shù)量的關(guān)于垂直軸的取向上連續(xù)定向慣性裝置，該預(yù)定數(shù)量大于I ; 對于每個取向，將振動陀螺儀的電角調(diào)節(jié)至預(yù)定值，該電角的預(yù)定值對于慣性裝置的所有取向均是相同的，并進(jìn)行測量；以及 根據(jù)測量以及取向之間的角確定航向。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述慣性裝置具有單個陀螺儀，其中取向的預(yù)定數(shù)量不小于2，且優(yōu)選為不小于3。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，取向之間的角為120°。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述裝置具有至少兩個陀螺儀，所述陀螺儀定位成使得兩個陀螺儀在水平平面附近延伸，且取向的預(yù)定數(shù)量不小于2。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，取向之間的角為180°。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，慣性裝置借助于旋轉(zhuǎn)平臺(11)在其取向之間移動，使得它能夠轉(zhuǎn)動通過預(yù)先調(diào)節(jié)的角度。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所使用的慣性裝置(I)包括與陀螺儀關(guān)聯(lián)的至少一個加速度計或與至少兩個陀螺儀關(guān)聯(lián)的至少兩個加速度計，處理來自加速度計的測量以確定慣性裝置相對于水平的定位誤差，以及系統(tǒng)的任何干擾旋轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電角被選擇為具有與之相關(guān)聯(lián)的盡可能小的漂移值。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過計算測量的平均值來確定航向。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過對導(dǎo)航模式和卡爾曼濾波器中的測量進(jìn)行積分來確定導(dǎo)航。
全文摘要
一種借助于慣性裝置(1)確定航向的方法，該慣性裝置(1)借助于至少一個振動陀螺儀(3)提供測量，該方法包括以下步驟·以陀螺儀靠近基本上水平的平面延伸的方式定位慣性裝置；·在預(yù)定數(shù)量的關(guān)于垂直軸的取向上連續(xù)定向慣性裝置，該預(yù)定數(shù)量大于1；·對于每個取向，將振動陀螺儀的電角調(diào)節(jié)至預(yù)定值，該電角的預(yù)定值對于慣性裝置的所有取向均是相同的，并進(jìn)行測量；以及·根據(jù)測量以及取向之間的角確定航向。
文檔編號G01C21/16GK102648391SQ201080055316
公開日2012年8月22日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者A·戈里, D·羅伯弗洛德, J-B·尤迪爾 申請人:薩甘安全防護(hù)公司