专利名称：加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统，具体地说， 涉及一种可测定从垂直方向输入的加速度量及角速度量的加速度仪、 角速度仪一体型的驱动系统。
背景技术：
通常检测惯性物理量的惯性传感器，大致分为加速度仪和角速度 仪，被开发为独立的惯性传感器个别元件在巿场上销售。因此，近来 开始研究促进加速度仪和角速度仪同时使用的方案，如在测定惯性力 或计算位置、姿势等方面。
另外，如飞行体、潜水艇等测定3轴惯性力的惯性测定单元需要 各三个以上的加速度仪及角速度仪，制造这样的惯性测定单元需要对 3轴在相互垂直方向进行轴间排列。但是，这样的轴间排列在惯性测 定单元制造过程中消耗很多费用和时间，而且，与加速度仪相比角速 度仪的垂直排列需要更复杂的步骤。
如上所述，在同时使用2轴以上的加速度及角速度的领域，使用 独立的加速度仪和角速度仪不仅在其体积、费用方面不合适，而且还 需花费时间和精力根据传感器个数在传感器输入轴间进行相互排列。
因此，为测定从多个轴输入的惯性力，使用多个加速度仪和角速 度仪时，迫切地需要开发利用具备单一机械构造来系统的相互排列传 感器输入角的传感器驱动系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种为解决上述问题，可测定从垂直方向输 入的加速度量及角速度量的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统。 另外，本发明涉及加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统，具有， 利用连接驱动电压维持质量体(M) —定振幅，检出加速度轴及角速 度轴方向振动信号的一体型加速度仪、角速度仪；取得从上述一体型 加速度仪、角速度仪检出的加速度轴方向振动信号的加速度轴振动信
号获取单元；利用从上述加速度轴振动信号获取单元取得的振动信 号，输出具有一定振动幅度加速度轴振动维持控制信号的振幅维持控 制单元；通过上述振幅维持控制单元将电压信号连接到一体型加速度 仪、角速度仪的加速度轴驱动输入单元；取得从上述一体型加速度仪、 角速度仪检出的角速度轴方向振动信号的角速度轴振动信号获取单 元；利用从上述角速度轴振动信号获取单元取得的振动信号，输出具 有一定振动幅度角速度轴振动维持控制信号的力平衡控制单元；通过 上述力平衡控制单元将电压信号连接到上述一体型加速度仪、角速度 仪上的角速度轴驱动输入单元。
图l是本发明加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统的动作原理 示意图2是本发明加速度仪、角速度仪 一体型的驱动系统的全体组成
图3是本发明振幅维持控制单元的详细组成图4是本发明力平衡控制单元的详细组成图5是通过本发明加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统连接加 速度时振动幅度的变化曲线图6是本发明加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统连接角速度 时控制器运转的结果曲线图。
其中110:加速度仪、角速度仪；120:加速度轴振动信号获取
单元；130:振幅维持控制单元；140:加速度轴驱动输入单元；150: 角速度轴振动信号获取单元；160力平衡控制单元；170:角速度轴驱 动输入单元；111:加速度轴驱动电极；112:角速度轴驱动电极；113: 速度轴振动电极；114:角速度轴振动电极；131:缓冲器；132:包 络线检测器；133:基准值输入器；134控制器；135乘法器；161:缓 冲器；162:包络线检测器；163:基准值输入器；164:控制器；165: 单位增益基准频率输出器；166:乘法器。
具体实施例方式
本发明的特征及优点通过下列附图及详细说明做进 一 步阐述。 首先，本发明说明书及权利要求书中使用的术语及词汇是立足于 发明人为了以最佳的方式说明本发明而可以定义其术语概念的原则 下，解释为符合本发明技术思想意义及概念。另外，有关本发明公知
技能及其构造的具体说明对本发明的主旨产生混淆时，请留意本发明 省略了对其的详细的说明。
以下结合附图详细说明本发明。
图1是本发明加速度仪、角速度仪 一体型的驱动系统100的动作原 理示意图。X轴表示角速度输入轴，Y轴表示角速度检出轴，也表示 科里奥利力的方向，Z轴表示加速度检出轴及角速度仪驱动轴。
首先，为说明加速度仪的原理，应考虑加速度检出轴方向(Z轴) 的振动动力学方程式。此时，引导质量体(M) Z轴方向振动的是
因质量体和检出轴电极之间电位差而发生的静电力。如果质量体和检 出轴电极间距离因在Z轴方向连接的加速度而发生变化时，引导的两
个电极的静电力也发生变化，对于一定的驱动电压信号，质量体的振 幅也发生变化。此时，在输入的加速度电极间距离改变的情况下也会 维持一定质量体的振动幅度，具有利用此振动幅度控制电压检出连接
的信号的原理。
另外，角速度仪的动作原理是首先以不受输入加速度信号的影 响，在Z轴具有一定振幅的振动特性为基础。即，Z轴方向一定振幅 的振动起共振型角速度仪驱动轴动力学的作用。因此具有从角速度输 入轴(X轴)输入角速度时，将科里奥利力向角速度检出轴(Y)方 向引导的动作原理。
图2是本发明加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统100(以下简 称"驱动系统")的组成图，如图所示，由一体型加速度仪、角速度 仪110;加速度轴振动信号获取单元120;振幅维持控制单元130;加 速度轴驱动输入单元140;角速度轴振动信号获取单元150;力平衡控 制单元160及角速度轴驱动输入单元170组成。
一体型加速度仪、角速度仪110利用连接的电压使质量体(M) 维持 一定振幅，执行检出加速度轴及角速度轴方向振动信号的功能， 包括连接加速度轴驱动电压及角速度轴驱动电压的加速度轴驱动电 极111及角速度轴驱动电极112,检出加速度轴方向振动信号及角速度 轴方向振动信号的加速度轴振动电极113和角速度轴振动电极114。
加速度轴振动信号获取单元120执行从上述加速度轴振动电极 113检出的加速度轴方向振动信号的功能。
振动维持控制单元130利用从上述加速度轴振动信号获取单元 120取得的振动信号，输出具有一定振动幅度的加速度轴振动维持控 制信号的功能，如图3所示，包括利用包络线检测器132和乘法器135 分离输出从上述加速度轴振动信号获取单元120取得的振动信号的缓 冲器131;检出上述缓冲器131输出信号的包络线，输出包络线信号的 包络线检测器132;为决定振动幅度，不受连接加速度量的限制引导 生成一定大小振动的基准信号的基准值输入器133;利用上述包络线 检测器132输出的包络线信号和上述基准值输入器133输出的基准信
号，输出使加速度仪按照一定振幅振动的加速度轴振动维持控制信号
的控制器134;执行上述缓冲器131输出的振动信号和上述控制器134 输出的控制信号的乘法运算后，将运算后的电压信号通过乘法器135 输入到上述加速度轴驱动输入单元140。
加速度轴驱动输入单元140执行将上述乘法器135输入的连接电
压信号连接到上述加速度轴驱动电极lll上的功能。
即，质量体(M)通过加速度轴驱动电极lll连接的正弦波的驱 动电压进行振动，从而维持一定的振幅。
另外，角速度从与加速度轴垂直的方向输入时，为检出两轴的矢 量积方向发生的科里奥利力组成角速度轴振动电极114和角速度轴振 动信号获取单元150，将角速度轴振动信号获取单元150输出的角速度 轴振动信号输入到力平衡控制单元160,控制因输入角速度量而引发
的角速度轴的振动特性。
具体地说，角速度轴振动信号获取单元150执行取得从上述角速 度轴振动电极114检出的角速度轴方向振动信号的功能。
力平衡控制单元160执行利用从上述角速度轴振动信号获取单元 150取得的振动信号，输出使其具有一定振动幅度的角速度轴振动维 持控制信号的功能，如图4所示，具有利用包络线检测器162和乘法 器166将上述角速度轴振动信号获取单元150得到的振动信号分离输 出的缓冲器161;检出从上述缓冲器161输出信号的包络线，而输出包 络线信号的包络线检测器162;为了决定振动体的振幅，不受连接的 加速度量的影响，生成引导一定大小振动基准信号的基准值输入器 163;利用从上述包络线检测器162输出的包络线信号和上述基准值输 入器163输出的基准信号，输出使角速度仪按照一定的振幅振动的角 速度轴振动维持控制信号的控制器164;对上述缓冲器161输入的振动 信号增益为l，输出具有同一频率及同一位相正弦波信号的单位增益
基准频率输出器165;执行上述单位增益基准频率输出器165输出的正 弦波信号和执行上述控制器164输出的控制信号的乘法运算后，将运 算的电压信号通过乘法器166输入给上述角速度轴驱动输入单元170。
角速度轴驱动输入单元170执行输入将上述乘法器166连接的电 压信号到上述角速度轴驱动电极112的功能。
本实施例中，将振幅维持控制单元130的控制器134及力平衡控制 单元160的控制器164设定为比例积分微分控制器，但是本发明不受其 限制，可进行多样的设计变更。
另外，本实施例中，设定为单位增益基准频率的输出器165设定 为由利用运算放大器(op-amp)组成的将输入信号增幅到高增益率的 增益单元；输出与输入信号具有相同位相的矩形波信号的限制器；角 速度仪的共振频率相同的频率为中心频率的带通滤波器组成，但上述 限制器具有适当边沿斜率(slewrate)的利用运算(op-amp)比较器 (comparator)或根据噪音信号的大小可变更为施密特触发器(schmit trigger)等，本发明不限制在此范围上。
另外，图5是显示本发明通过加速度仪、角速度仪一体型的驱动 系统100加速度连接时振动幅度的变化曲线图，t-0秒时连接约5g (g 为重力加速度)相当的加速度，振动幅度信号迅速收敛成正常状态， 此时正常状态下的振动幅度与加速度连接前的振动幅度信号相同。因 此，解调维持这种一定振动幅度的控制信号，可计算连接的加速度信 号。
图6是本发明加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统1 OO连接角速 度时控制器164动作的结果曲线图，t 〈0的领域为控制器164未运行的 开环试验结果；t〉 0的领域未控制器164运行的试验结果。并且，a信 号为角速度仪轴方向输出的变位信号，b为控制器164的输出信号。
即，控制器164运转的瞬间角速度仪的检出轴变位信号控制在接
近0的值域范围，此时为了控制变位信号的控制信号以对比变位信号 的值输出，调制这样的控制信号，可计算角速度。
如上所述，通过附图和具体实施方式
对本发明进行描述，但本发 明不限于以上具体说明及附图组成及作用，在不偏离本发明的思想和 范围内，本领域普通技术人员可进行各种变化和修改，但是前述的变 化及修改、及其他变通仍落入本发明的保护范围。
发明效果
根据本发明所述加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统，包括对 质量体构造物的加速度轴达到一定振幅的振动控制的振动型加速度 仪，包括对与振动轴垂直的角速度检出矢量积方向发生的科里奥利力 的振动型角速度仪，可达到利用单一的机械式构造提供具备构造上相 互排列的传感输入角系统的效果。
权利要求
1、一种加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统，其特征在于，具有利用连接驱动电压使质量体(M)维持一定振幅，检出加速度轴方向及角速度轴方向振动信号的一体型加速度仪、角速度仪(110)；取得从所述一体型加速度仪、角速度仪(110)检出的加速度轴方向振动信号的加速度轴振动信号获取单元(120)；利用从上述加速度轴振动信号获取单元(120)取得的振动信号，输出具有一定振动幅度的加速度轴振动维持控制信号的振幅维持控制单元(130)；通过上述振幅维持控制单元(130)将电压信号连接到一体型加速度仪、角速度仪的加速度轴驱动输入单元(140)；取得从上述一体型加速度仪、角速度仪(110)检出的角速度轴方向振动信号的角速度轴振动信号获取单元(150)；利用从上述角速度轴振动信号获取单元(150)取得的振动信号，输出具有一定振动幅度角速度轴振动维持控制信号的力平衡控制单元(160)；通过上述力平衡控制单元(160)将电压信号连接到上述一体型加速度仪、角速度仪(110)上的角速度轴驱动输入单元(170)。
2、 如权利要求l所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统， 其特征在于，上述一体型加速度仪、角速度仪(110)具有分别从加速度轴驱动电压及角速度轴驱动电压连接驱动电压的 加速度轴驱动电极(111)及角速度轴驱动电极(112);分别检出加速度轴方向振动信号及角速度轴方向振动信号的加 速度轴振动电极(113)及角速度轴振动电极(114)。
3、 如权利要求l所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统， 其特征在于，上述振幅维持控制单元(130)具有 利用包络线检测器(132 )和乘法器(135 )将上述加速度轴振动 信号获取单元(120)取得的振动信号分离输出的缓冲器(131);检出上述缓冲器(131)输出信号的包络线，输出包络线信号的 包络线检测器(132);不受连接加速度量的影响，引导生成一定大小振动基准信号的基 准值输入器(133 );利用从上述包络线检测器(132)输出的包络线信号和上述基准 值输入器(133)输出的基准信号，输出使加速度仪按照一定振幅振 动的加速度轴振动维持控制信号的控制器(134);执行上述缓冲器(131)输出的振动信号和上述控制器(134)输 出的控制信号的乘法运算后，将运算后的电压信号通过乘法器(135) 输入到上述加速度轴驱动输入单元(140)。
4、 如权利要求3所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统， 其特征在于，上述振幅维持控制单元(130)包括的控制器(134)为 比例积分微分控制器。
5、 如权利要求l所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统， 其特征在于，上述力平衡控制单元(160)具有利用包络线检测器(162)和乘法器(166)将上述角速度轴振动 信号获取单元(150)取得的振动信号分离输出的缓冲器(161);检出上述缓冲器(161)输出信号的包络线，输出包络线信号的 包络线检测器(162);不受连接加速度量的影响，引导生成一定大小振动基准信号的基 准值输入器(163);利用从上述包络线检测器(162)输出的包络线信号和上述基准 值输入器(163)输出的基准信号，输出使角速度仪按照一定振幅振 动的角速度轴振动维持控制信号的控制器(164);对上述缓冲器(161)中输入的振动增益为1，输出具有同一频 率及同一相位的正弦波信号的单位增益基准频率输出器(165);上述单位增益基准频率输出器(165)输出的正弦波信号和执行 上述控制器(164)输出的控制信号的乘法运算后，将运算的电压信 号通过乘法器(166)输入给上述角速度轴驱动输入单元(170)。
6、 如权利要求5所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统, 其特征在于，上述力平衡控制单元(160)的控制器(164)为比例积 分微分控制器。
7、 如权利要求5所述的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统, 其特征在于，上述单位增益基准频率输出器(165)具有将输入信号增幅到高增益率的利用运算放大器组成的增益单元； 输出与输入信号具有相同相位矩形波信号的限制器； 以角速度仪共振频率相同的频率为中心频率的带通滤波器。
全文摘要
本发明涉及一种加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统，具体地说，涉及一种可测定从垂直方向输入的加速度量及角速度量的加速度仪、角速度仪一体型的驱动系统。为达上述目的，本发明包括一体型加速度仪、角速度仪，加速度轴振动信号获取单元，振幅维持控制单元，加速度轴驱动输入单元，角速度轴振动信号取得单元，力平衡控制单元，角速度轴驱动输入单元。
文档编号G01P15/097GK101349707SQ200710188068
公开日2009年1月21日 申请日期2007年11月23日 优先权日2007年7月19日
发明者康泰三, 成常庆, 李永宰 申请人:建国大学校产学协力团