光纤陀螺仪的异常检测装置

摘要

通过采样器检测在预定采样持续时间内光纤陀螺仪的CW信号的脉冲数和CCW信号的脉冲数。如果所述脉冲数中至少一个大于或等于阈值，则异常判定器判定光纤陀螺仪是正常的。如果两个脉冲数都小于阈值，则异常判定器判定发生了诸如断路、连接不良等异常，且将判定结果输出至输出单元。异常判定器可以基于量化噪声的存在/不存在来判定异常。

权利要求

1.一种光纤陀螺仪的异常检测装置，包括：

采样器，其在预定时间内对光纤陀螺仪的顺时针信号和逆时针信号中分别包含的脉冲进行采样，并对各信号的脉冲数进行计数，所述脉冲的周期与顺时针方向上的角速度和逆时针方向上的角速度相应；

角速度变换器，其通过将所述脉冲数乘以预定系数而将所述脉冲数变换为所述角速度并输出所述角速度；

角速度合并器，其对所述顺时针方向上的所述角速度和所述逆时针方向上的所述角速度进行合并，其特征在于：

所述采样器检测所述光纤陀螺仪的所述顺时针信号和所述逆时针信号中分别包含的脉冲的量化噪声，所述脉冲的周期与所述顺时针方向上的所述角速度和所述逆时针方向上的所述角速度相应；并且所述光纤陀螺仪的所述异常检测装置进一步包括根据所述量化噪声的存在/不存在来判定所述光纤陀螺仪异常的异常判定器(28)。

2.一种光纤陀螺仪的异常检测装置，包括：

采样器，其在预定时间内对光纤陀螺仪的顺时针信号和逆时针信号中分别包含的脉冲进行采样，并对各信号的脉冲数进行计数，所述脉冲的周期与顺时针方向上的角速度和逆时针方向上的角速度相应；

角速度变换器，其通过将所述脉冲数乘以预定系数而将所述脉冲数变换为所述角速度并输出所述角速度；

角速度合并器，其对所述顺时针方向上的所述角速度和所述逆时针方向上的所述角速度进行合并，其特征在于：

所述采样器检测所述光纤陀螺仪的所述顺时针信号和所述逆时针信号中分别包含的脉冲的量化噪声，所述脉冲的周期与所述顺时针方向上的所述角速度和所述逆时针方向上的所述角速度相应；并且所述光纤陀螺仪的所述异常检测装置进一步包括异常判定器(28)，如果所述顺时针信号的所述脉冲数和所述逆时针信号的所述脉冲数各比预定阈值小且所述量化噪声不存在，则所述异常判定器(28)判定所述光纤陀螺仪异常。

3.根据权利要求2所述的光纤陀螺仪的异常检测装置，其特征在于还包括可变地设置预定时间的设置单元。

说明书

光纤陀螺仪的异常检测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及检测光纤陀螺仪的异常的装置。

背景技术

[0002] 加速度传感器和角速度传感器被用于控制诸如机器人的可移动体的姿态。机器人彼此正交的三轴被称为X轴、Y轴、和Z轴。在X轴、Y轴、和Z轴的延伸方向上的加速度由相应的三个加速度传感器进行检测。关于X轴、Y轴、和Z轴的角速度由相应的三个角速度传感器进行检测。通过对角速率传感器的输出进行时间积分来获取关于轴的角度或姿态角，并计算侧倾角、俯仰角和横摆角。

[0003] 公开号为2004-268730的日本专利申请描述了使用关于加速度的数据和关于从陀螺仪传感器传送的姿态的数据来执行姿态控制的技术。

[0004] 但是，由于姿态角是通过对角速度进行时间积分而求得的，因而角速度传感器的偏移和漂移将逐渐累加。因此，如果偏移等较大，其将逐渐形成非常大的值，该值随着时间增加和偏离。如果使用光纤陀螺仪，则可以实现带有较小漂移量的高准确度的角速度探测。但是，由于光纤陀螺仪使用光路，很难提取内信号，这提出了难于检测异常的问题。

发明内容

[0005] 本发明提供能够容易地检测光纤陀螺仪中的异常的装置。

[0006] 本发明的第一方案包含：采样器，其在预定的时间内对光纤陀螺仪的顺时针信号和逆时针信号中分别包含的脉冲进行采样，并对各信号的脉冲数进行计数，所述脉冲的周期与顺时针方向上的角速度和逆时针方向上的角速度相应；及异常判定器，其基于所述顺时针信号的脉冲数和所述逆时针信号的脉冲数是否各小于预定的阈值来判定所述光纤陀螺仪的异常。

[0007] 光纤陀螺仪输出周期与角速度相应的脉冲。利用了如果光纤陀螺仪中发生诸如断路等异常则不输出本应正常输出的脉冲的事实，本发明的第一方案通过比较脉冲数与预定阈值的量，容易且可靠地判定光纤陀螺仪的异常。当移动体顺时针(CW)旋转时，脉冲在顺时针信号中产生。当移动体逆时针(CCW)旋转时，脉冲在逆时针信号中产生。如果任一信号的脉冲数大于或等于预定阈值，则能够判定光纤陀螺仪正常运行。如果各信号的脉冲数小于预定值，则能够判定光纤陀螺仪中发生了某种异常。本发明的第一方案使用现有的脉冲数计数回路用以检测角速度，而不对回路作任何本质上的修改，且通过利用脉冲数计数回路的计数结果完成异常检测。

[0008] 另外，本发明的第二方案包含：检测器，其检测光纤陀螺仪的顺时针信号和逆时针信号中分别包含的脉冲的量化噪声，所述脉冲的周期与顺时针方向上的角速度和逆时针方向上的角速度相应；及异常判定器，其基于所述量化噪声的存在/不存在来判定所述光纤陀螺仪的异常。

[0009] 本发明的第二方案中，从光纤输出与角速度相应的脉冲。因此，当移动体不旋转而是处于静止时，不输出脉冲，即得不到用以检测光纤陀螺仪的正常/异常的脉冲数。但是，光纤陀螺仪产生源自光相位差的脉冲输出，该光相位差是基于萨尼亚克(Sagnac)效应由与旋转相关的光路差引起的。当该相位差被变换为脉冲输出时，经常发生与光的抖动等相关的量化噪声。因此，尽管当移动物体处于静止时，通过检测该量化噪声，也可以检测光纤陀螺仪的异常。

[0010] 根据本发明的各个方案，可以容易地检测光纤陀螺仪的异常。

附图说明

[0011] 从下文参照附图对示例的实施方式的说明，本发明的上述的和其他的目的、特性和优点将显而易见，其中相同或相应的部分将以相同的数字标记，其中：

[0012] 图1是第一实施方式的结构框图；

[0013] 图2是第二实施方式的结构框图；及

[0014] 图3是第三实施方式的结构框图。

具体实施方式

[0015] 下面参照附图对本发明的实施方式进行描述。

[0016] 第一实施方式

[0017] 图1表示第一实施方式的结构框图。光纤陀螺仪(FOG)10设置在诸如机器人等移动体中的预定位置上。

[0018] 光纤陀螺仪10输出CW信号，即顺时针信号，和CCW信号，即逆时针信号。下面简要描述光纤陀螺仪10。在光纤陀螺仪10中，光纤围绕线轴缠绕，促使来自光源的激光进入光纤且在其中顺时针地和逆时针地传播。光速是与光纤的移动无关的常数，因此，如果光纤的出口移动，则激光到达出口所需的时间与光纤的旋转速率成比例变化。通过检测所需时间的变化而检测光纤的旋转速率，即，移动体的角速度。当移动体顺时针旋转时，光纤陀螺仪10输出脉冲各与例如约4.5秒的角对应的CW信号(脉冲信号)。当移动体逆时针旋转时，光纤陀螺仪10输出脉冲各与例如约4.5秒的角对应的CCW信号(脉冲信号)。如果移动体的角速度增加，则脉冲的周期缩短。因此，通过计算CW信号中包含的脉冲数获得该时间内的旋转角，即，顺时针角速度。同样地，通过计算CCW信号中包含的脉冲数，获得逆时针角速度。通过CW方向上的角速度和CCW方向上的角速度之间的差值来获得移动体的净角速度。光纤陀螺仪10将CW信号和CCW信号输出至采样器12、18。

[0019] 采样器12、18在预定持续时间内分别对CW信号和CCW信号进行采样，并计算脉冲数。该预定持续时间由采样时间发生器22设置。采样器12、18分别将脉冲数输出至角速度变换器14、20。采样器12、18也将脉冲数输出至异常判定器28。

[0020] 角速度变换器14、20对从采样器12、18输入的脉冲数进行变换，即，通过将脉冲数乘以预定系数，分别将预定持续时间内的脉冲数变换为CW方向上的角速度和CCW方向上的角速度。例如，如果在100ms的采样持续时间内采样到1000个脉冲，则获得4.5(角度秒/脉冲)*1000(脉冲)/0.1(秒)＝45000(角度秒/秒)＝12.5(度/秒)作为角速度。角速度变换器14、20将经过计算得到的角速度输出至角速度合并器16。

[0021] 角速度合并器16合并CW方向上的角速度和CCW方向上的角速度(计算它们之间的差值)，从而检测角速度。角速度合并器16将经过计算得到的角速度输出至滤波器24。

[0022] 滤波器(低通滤波器)24从由角速度合并器16输入的角速度中消除所包含的噪声，且输出消除了噪声的角速度至输出单元26。

[0023] 输出单元26，根据控制机器人姿态的主处理机(main/hostprocessor)的命令，将检测的角速度或由角速度积分得到的姿态角传送至主处理机。

[0024] 同时，预定采样持续时间内的脉冲数也输出至上述的异常判定器28。异常判定器28将CW信号的脉冲数和CCW信号的脉冲数分别与阈值进行比较。如果光纤陀螺仪10有异常，诸如断路、光路切断、连接不良等，CW信号或CCW信号的脉冲数变成零，或显著地小。因此，如果CW信号的脉冲数和CCW信号的脉冲数中的至少一个大于或等于阈值，则异常判定器28判定光纤陀螺仪10正常。如果CW信号的脉冲数和CCW信号的脉冲数都小于阈值，则异常判定器28判定光纤陀螺仪10异常，且将判定结果输出至输出单元26。因此，异常判定器28应用预定采样持续时间内检测的脉冲数来判定异常的存在/不存在。但是，CW信号和CCW信号混有与脉冲变换相关的随机量化噪声。该量化噪声通常对于信号处理是不必要的因此被消除。如果存在诸如电路断路或类似情况的异常，则量化噪声也不存在。因此，可以检测CW信号和CCW信号中的量化噪声的存在/不存在来判定异常。基于量化噪声的存在/不存在的异常判定可以结合或辅助基于比较脉冲数和阈值的量的异常判定。例如，在移动体的旋转或运动的过程中，异常判定的进行是基于脉冲数和阈值的量的比较。当移动体静止时，异常判定转变为基于量化噪声的存在/不存在的判定。当移动体处于静止时，CW信号或CCW信号中不产生脉冲；但是，不管移动体是否移动或静止，如上所述的对量化噪声的存在/不存在的检测使其可能检测异常。尽管在CW信号和CCW信号中都包含有量化噪声，但足够长的采样持续时间提供两信号中的量化噪声的基本相等的脉冲数，以至于在计算CW信号和CCW信号之间的差值中噪声脉冲数彼此相消。因此，通过在采样器12、18后监测CW信号脉冲数和CCW信号脉冲数，能够检测光纤陀螺仪的异常。

[0025] 下面说明异常判定算法的具体例子。首先，将采样持续时间设置为预定持续时间，且将阈值设为足够小的值。然后，将CW信号和CCW信号的脉冲数与阈值进行比较。如果脉冲数中至少一个大于或等于阈值，则判定光纤陀螺仪10是正常的。但是，如果两个信号的脉冲数都小于阈值，则随后判定量化噪声是否存在。如果两个脉冲数都小于阈值但量化噪声存在，则判定光纤陀螺仪10是正常而没有任何断路或类似的情况。如果两个脉冲数都小于阈值且量化噪声不存在，则判定光纤陀螺仪10是异常的。

[0026] 在本实施方式中，只要光纤陀螺仪10的光路保持为现有的技术，就能够容易检测到光纤陀螺仪10的异常。因此，可以改进使用光纤陀螺仪10的角速度检测系统、姿态角检测系统和姿态控制系统的可靠性。

[0027] 第二实施方式

[0028] 图2表示第二实施方式的结构框图。图2所示的结构与图1所示的结构的不同之处在于设置了分别将假信号加入CW信号和CCW信号的假信号添加单元30、32，以及在于设置了分别向角速度变换器14、20提供用于计算角速度的系数的系数乘法器34、36。

[0029] 假信号添加单元30、32产生低频脉冲信号作为假脉冲信号，并将其分别加入CW信号和CCW信号。由于采样器12、22在预定采样持续时间内对脉冲数进行计数，采样器12、22检测假脉冲数和原始CW和CCW信号的脉冲，且将计数的脉冲数输出至异常判定器28。异常判定器28判定是否检测到已知周期的假脉冲。如果假脉冲信号不存在，则异常判定器28判定异常，诸如已发生断路、连接不良等。由于假脉冲以相同的频率在CW信号和CCW信号上叠加，通过异常判定器28可检测假脉冲，但由于角速度合并器16计算差值，因而不影响输出。可以独立地调整假脉冲信号的周期和脉冲数，直至在采样持续时间内CW和CCW信号中的脉冲数被视为相等。

[0030] 系数乘法器34、36为角速度变换器14、20提供系数(变换系数)以分别从CW信号和CCW信号的脉冲数计算角速度。通过独立设置系数乘法器34、36的系数，能够调节CW和CCW信号之间的灵敏度差值。

[0031] 第三实施方式

[0032] 图3表示第三实施方式的结构框图。图3所示的结构与图1所示的结构不同之处在于设置了为采样时间发生器22设定预定采样持续时间的寄存器38，为异常判定器28设定判定阈值的寄存器42，和为角速度变换器14、20设定变换系数的系数乘法器34、36，以及在于提供了输入单元40，用户使用该输入单元40可以将上述值设定为期望值。通过输入单元40和寄存器38可变地设定采样持续时间，可以适当地设定采样持续时间使其与移动体的移动特性相应，因而可以实现适合移动体的响应。即，对于以低速率运动的移动体，将采样持续时间设定得相对长，因为移动体的脉冲周期变长。对于以高速率运动的移动体，将采样持续时间设定得相对短，因为移动体的脉冲周期变短。通过使用输入单元40和寄存器42调节用于异常判定器28的阈值，也可以使异常判定与移动体的移动特征相应。特别地，这种调节的例子包括减小用于以低速率运动的移动体的阈值，以及增大用于以高速率移动的移动体的阈值，等。

[0033] 图3所示的结构还提供了用于可变地设定滤波器(低通滤波器)24的截止频率fc的fc(截止频率)调节器48和寄存器50，和用于可变地设定衰减因数的数级(接头数)调节器44和寄存器46，上述滤波器(低通滤波器)24消除包含在从角速度合并器16输入的角速度中的噪声。该fc和数级由寄存器50、46设定，而用户通过使用输入单元40能够将寄存器50、46的值设为期望值。因此，动态处理响应和频带变成可能。