ES2341760T3 - Metodo y dispositivo para la determinacion de un angulo de rotacion o de un desplazamiento. - Google Patents

Metodo y dispositivo para la determinacion de un angulo de rotacion o de un desplazamiento. Download PDF

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Abstract

Método para la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento, el cual presenta las siguientes etapas: - formación de al menos dos valores de fase αi (i = 1,2... N) a través del muestreo digital de sensores (10), los cuales son asignados respectivamente a los valores de fase y los cuales presentan diferentes números de períodos ni, - cálculo de un valor operativo k, el cual puede ser representado como un número entero en base a los valores de fase αi medidos y a los números de períodos ni asignados respectivamente a éstos, - cálculo de al menos dos valores de estimación normalizados Φsi/2π en base a los valores de fase αi, a los números de períodos ni, al valor operativo k y valores operativos integrales ki, los cuales colocan a los números de períodos ni, en una relación de normalización de unos con otros, y - sumatoria ponderada de los valores de estimación Φsi/2π para la obtención de un valor de estimación promedio Φmess/2π, el cual representa el ángulo de rotación o el desplazamiento a determinar.

Description

Método y dispositivo para la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento.
La presente invención hace referencia a un método y a un dispositivo para la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento, conforme a los preámbulos de la reivindicación 1, así como 9, del estado de la técnica.
En diferentes aplicaciones, en particular en dispositivos, con cuya ayuda debe poder establecerse la posición angular de un eje de rotación, se presenta la necesidad de conocer la posición angular exacta del eje. Esta exigencia puede realizarse con la ayuda de sensores angulares analógicos, por ejemplo potenciómetros, los cuales, en cada posición después de la conexión proporcionan de inmediato el valor de posición angular válido en forma de una
tensión.
Si estos dispositivos de medición angular son empleados para áreas angulares mayores a 360º, se presenta el problema de que ya no puede establecerse en qué vuelta de la rotación se encuentra el eje. Para evaluar áreas angulares mayores a 360º pueden, si embargo, utilizarse detectores incrementales, en los cuales la posición angular es establecida a través de cuentas progresivas y cuentas regresivas de impulsos.
Con tales detectores incrementales no puede, sin embargo, llevarse a cabo una medición angular absoluta, puesto que sólo pueden contarse los incrementos que producen movimiento delante de un captador.
En el caso de algunas tareas de medición, al emplear detectores incrementales, se originan valores de medición de fases, a partir de los cuales pueden determinarse las magnitudes a medir propiamente dichas, como por ejemplo un ángulo, un desplazamiento o una distancia. Para ampliar la gama inequívoca (correspondiente a un área de la fase de 0 - 2 \pi) es posible emplear al menos un canal de medición adicional con otra elevación de las fases y, a partir de una combinación adecuada de los valores de medición, deducir una gama inequívoca mayor.
La medición a distancia con radar o con luz láser modulada constituyen ejemplos para ello. De este modo, se llevan a cabo mediciones - N con diferentes frecuencias f_{1}..., f_{N}. Las señales reflectadas desde un objetivo en una distancia x presentan, en el lugar de emisión, los desplazamientos de fases (c = velocidad de la luz)
1
Los desplazamientos de las fases son, por tanto, proporcionales con respecto a las magnitudes a medir y a la frecuencia utilizada. Sin embargo, los valores concretos de medición de las fases se ubican siempre dentro del rango de 0 a 2\pi, es decir que siempre se encuentran determinados sólo hasta múltiplos integrales de 2\pi.
Como otro ejemplo puede mencionarse un detector de ángulos óptico. En este caso tiene lugar un muestreo digital de N gratículas ópticas, con lo cual se producen trazas con gratículas ópticas sobre un disco o un cilindro. En una vuelta de rotación se efectúan respectivamente n_{1} períodos, así como líneas. Si se miden las longitudes de las fases de las trazas con la ayuda de detectores optoelectrónicos en forma relativa a una ventana de medición establecida, se obtienen entones las longitudes de las fases.
2
Las fases son, por tanto, proporcionales al ángulo de torsión \Phi y a los números de períodos. También en este caso, los valores de medición concretos de las fases se ubican en un rango de 0 a 2\pi.
Finalmente se hace referencia a la interferometría de longitudes de ondas múltiples. También en este caso se miden, por ejemplo, desplazamientos x mediante el empleo de al menos dos longitudes de ondas luminosas \lambda_{i}, con lo cual se obtiene una gama inequívoca ampliada. Además, se produce aquí, en el dimensionamiento correspondiente, un desarrollo de las fases como el anteriormente mencionado.
3
La valoración de las señales obtenidas mediante métodos semejantes, es decir, la determinación de x, así como de \Phi, se efectúa, por ejemplo, mediante el método nonius de determinación del horóptero longitudinal.
En el método nonius clásico, es formada la diferencia de dos señales de las fases, con lo cual, en el caso de que esta diferencia sea menor a cero, es adicionado 2\pi. Este método presenta grandes limitaciones, puesto que errores de medición en las fases se traspasan por completo al resultado final. Por otra parte, un método semejante sólo funciona cuando ambos números de períodos observados se diferencian exactamente en 1.
Por la solicitud DE-OS 195 06 938 se conoce un método nonius modificado, en el cual se determina, a través de adición ponderada y de la medición adicional, una constante del valor de una de las magnitudes a medir, la cual es dependiente del área angular. Este método se caracteriza porque los errores de medición en las señales de las fases pueden reducirse en forma manifiesta. Para este método es también necesario que ambos números de períodos observados se diferencien exactamente en 1.
Finalmente, por la solicitud DE-P 1004260, se conoce un método para determinar un ángulo de rotación o distancia a través de la evaluación de valores de medición de las fases. En este método, los valores de las fases medidos en un espacio dimensional N son reproducidos, mediante una transformación A lineal, en N-1 señales nuevas S_{1}. Estas señales S_{1} son transformadas, mediante un dispositivo de cuantificación, en valores integrales W_{i} correspondientes y, mediante una reproducción lineal C, convertidas en N valores reales Z_{i}. A estos valores se adicionan valores ponderados de las fases \alpha_{i} módulo 2\pi, por lo cual se obtienen N valores de estimación para los ángulos \pi a medir. Los N valores de estimación son, dado el caso, corregidos en sus puntos discontinuos y, adicionados ponderadamente, considerando su ángulos de las fases.
Es objeto de la presente invención el facilitar, del modo más sencillo posible, valores de medición para desplazamientos x, así como ángulos \Phi, sobre la base de al menos dos valores de medición de las fases. En este caso, ya no es imprescindible la condición presente en los métodos tradicionales, la cual exige que ambos números de períodos deben diferenciarse exactamente en 1.
Este objeto se alcanzará mediante un método con las características de la reivindicación 1, así como mediante un dispositivo con las características de la reivindicación 9.
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Ventajas de la invención
Conforme a la invención, se proporciona un método particularmente sencillo, con el cual, valores a determinarse, por ejemplo un ángulo \Phi o un desplazamiento, así como un tramo x, pueden determinarse en forma confiable. En comparación con los métodos tradicionales, se dispone de una amplia libertad en la elección de los números de períodos para la determinación de al menos dos señales de las fases. La ponderación prevista de los valores de medición por separado, conforme a la invención, se evidencia, en cuanto a los cálculos, como realizable de manera particularmente sencilla.
Conformaciones ventajosas del método conforme a la invención, así como del dispositivo conforme a la invención, son objeto de las reivindicaciones dependientes.
Conforme a una primera forma preferente de ejecución del método conforme a la invención, para el caso de la formación de dos valores de las fases \alpha_{1}, \alpha_{2}, el valor operativo k, el cual es empleado dentro del marco de la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento, se calcula mediante un redondeo de la expresión
4
En este caso son evaluados dos valores de las fases \alpha_{1}, \alpha_{2}, los cuales se obtienen respectivamente de sensores, así como de detectores que presentan períodos n_{1}, n_{2}. La formación y utilización de un valor operativo semejante, sobre la base de dos valores de las fases es realizable de manera sencilla en cuanto a los cálculos. Como redondeo se comprende, en este caso, el reemplazo del valor calculado por el número entero siguiente menor o mayor. La divergencia de la expresión calculada por el siguiente número entero representa una medida para la exactitud que puede obtenerse mediante el método.
En forma conveniente, se selecciona una relación de normalización entre los números de períodos n_{1}, n_{2} como ecuación de la forma
5
De modo ventajoso, de una infinidad de pares de solución k_{1}, k_{2}, es utilizado aquel que presente los menores valores numéricos.
Conforme a una forma de ejecución especialmente preferente del método conforme a la invención, son calculados al menos los dos valores de estimación normalizados en la forma
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donde i = 1, 2 ... N, k = valor operativo.
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A su vez, es preferente que la sumatoria ponderada de al menos dos valores de estimación normalizados sea llevada a cabo para la obtención de un valor de estimación promedio \Phi_{mess} en la forma
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con lo cual los g_{i} (i = 1, 2 ... N) representan factores de ponderación, para los cuales es válido \Sigma g_{i} =1.
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La suma calculada se toma del módulo 1 (es decir, que sólo se consideran los números decimales). El valor de estimación así obtenido para el ángulo \Phi_{mess} a determinar se evidencia como realizable de manera precisa y confiable.
En el caso de dos valores de medición de las fases es conveniente colocar los factores de ponderación g_{1}, g_{2} respectivamente iguales en 0,5. Esta fijación se presenta como suficientemente precisa para numerosas aplicaciones.
Una mejora de la exactitud del valor de estimación \Phi_{mess} en el caso de errores de medición de adición igualmente probables en \alpha_{1} y \alpha_{2} se produce cuando, conforme a otra forma preferente de ejecución del método conforme a la invención, los factores de ponderación son provistos en la forma
8
Esta ponderación es óptima en el sentido del error cuadrático mínimo. Esta ponderación se presenta como muy apropiada especialmente para sistemas con más de dos señales de las fases a ser evaluadas, es decir, para N > 2.
Conforme a otra forma preferente de ejecución, los factores de ponderación son provistos en la forma
9
con lo cual w_{i} representa números enteros, y son seleccionados de modo tal, que las ponderaciones g'_{i} se aproximan a la ponderación ideal g_{i}. El número natural q determina en este caso la exactitud que puede ser obtenida. Esta selección de los factores de ponderación se presenta, en cuanto a los cálculos, como realizable de manera particularmente sencilla, ya que la formación de factores de ponderación semejantes suprime la división por la expresión
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así como la multiplicación con el inverso multiplicativo de esta expresión. En este caso sólo es necesaria una división por la potencia de dos 2^{q}, lo cual, en cuanto a los cálculos, puede realizarse en una representación en complemento a dos, a través de un simple desplazamiento alrededor de q lugares hacia la derecha. La sumatoria es calculada con q dígitos binarios, de manera conveniente, sin tomar en cuenta excesos en los subtotales.
Conformaciones preferentes de la presente invención son explicadas a continuación en referencia a los dibujos anexados. Las figuras muestran:
Figura 1: un diagrama para representar un valor de estimación \Phi_{mess} formado por dos señales de las fases \alpha_{1}, \alpha_{2}, mediante el método conforme a la invención,
Figura 2: un diagrama de bloques de una primera forma de ejecución del dispositivo conforme a la invención, así como el circuito mediante el cual puede ejecutarse el método conforme a la invención,
Figura 3: una forma preferente de ejecución de un circuito para la formación de sumas ponderadas para un sistema con señales de las fases N, y
Figura 4: un diagrama de flujo para otra explicación de una forma preferente de ejecución del método conforme a la invención.
Mediante la figura 1 se explica en primer lugar el método conforme a la invención a través del ejemplo de dos valores de medición de las fases \alpha_{1}, \alpha_{2} (N = 2) observados simultáneamente.
Un sensor, por ejemplo un sensor angular óptico con dos trazas, proporciona dos valores medidos de las fases \alpha_{1} y \alpha_{2}. Las dos trazas presentan una estructura periódica n_{1}, así como n_{2}. Los valores n_{1} y n_{2} son los números de los períodos de las trazas separadas. En primer lugar, debe suponerse que n_{1} y n_{2} son números primos entre sí. Estas estructuras son, por ejemplo, realizables con gratículas. Los valores de las fases \alpha_{1} y \alpha_{2}, en las dos líneas superiores en la figura 1, por ejemplo n_{1} = 13 y n_{2} = 17, en oposición a los propiamente dichos, son aplicados para la medición del ángulo \Phi (respectivamente, normalizados mediante la división de 2\pi sobre 1). Cuando los ángulos de rotación mecánicos \Phi a determinar sobrepasan una vuelta de rotación (360º, así como 2\pi), los valores de las fases \alpha_{1} y \alpha_{2} recorren dos veces su respectiva área de medición.
De los valores de las fases \alpha_{1}, \alpha_{2} que, por lo general, se presentan en forma digital, se establece en una primera etapa como valor operativo, un número entero k conforme a
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Como "redondear" se comprende aquí el redondear hacia arriba o hacia abajo el siguiente número entero. En una segunda etapa se determinan dos valores de estimación \Phi_{s1}/2\pi y \Phi_{s2}/2\pi para las magnitudes \Phi a determinar:
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Para este caso, k_{1} y k_{2} son factores fijos, los cuales son determinados sólo una vez para los números de períodos indicados. Más precisamente, k_{1} y k_{2} son soluciones integrales arbitrarias de la ecuación
13
De la infinidad de soluciones puede, por ejemplo, tomarse aquella que presente el menor valor numérico. A modo de ejemplo, para los números de los períodos n_{1} = 13 y n_{2} = 17, k_{1} = 3 y k_{2} = 4 son soluciones razonables.
En una tercera etapa tiene lugar una sumatoria ponderada de los valores de estimación normalizados con los factores ponderados g_{1}, g_{2}, con lo cual, después de la sumatoria, puede tomarse el resultado módulo 1 (es decir, sólo los números decimales). El valor de estimación \Phi_{mess} definitivo para el ángulo \Phi a determinar resulta conforme a
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Para los factores de ponderación debe ser válido g_{1} + g_{2} = 1. En muchas aplicaciones, factores de ponderación semejantes son colocados en 0,5. Una mejora, en el caso de errores de medición de adición igualmente probables en \alpha_{1} y \alpha_{2}, se produce cuando la ponderación óptima es empleada en el sentido del error cuadrático mínimo conforme a
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N es la cantidad de valores de medición de las fases observados en forma simultánea, en el presente ejemplo es válido N = 2.
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Las dos primeras líneas de la figura 1 ya fueron explicadas. La tercera línea muestra un valor de estimación \Phi_{mess} determinado mediante el método conforme a la invención para el ya mencionado ejemplo n_{1} = 13 y n_{2} = 17 sobre el ángulo mecánico \Phi.
La ponderación mencionada presenta la ventaja de que la determinación de los valores de estimación normalizados \Phi_{s1}/2\pi y \Phi_{s2}/2\pi no debe ser llevada a cabo explícitamente. Es suficiente con determinar respectivamente los numeradores de las fracciones sobre el lado derecho de la ecuación (2). La división por n_{1}, así como por n_{2} se suprime, ya que los factores de ponderación g_{i} en la ecuación (5) contienen la expresión n_{1}^{2}, así como n_{2}^{2} en el
numerador.
Una realización particularmente sencilla se obtiene cuando los factores de ponderación experimentan una leve variante, de modo que también la división por
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así como la multiplicación por el inverso multiplicativo igualmente se suprime. Con respecto a esto se selecciona
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con números enteros w_{i}, de modo tal, que las nuevas ponderaciones g'_{i}, conforme a la ecuación (5), se aproximan tan exactamente como sea posible a la ponderación ideal g_{i}. El número natural q determina así la exactitud que puede alcanzarse.
Con una ponderación semejante, se suprimen divisiones completas, sólo es imprescindible una división por la potencia de dos 2^{q}, lo cual puede realizarse en una representación en complemento a dos, a través de un simple desplazamiento alrededor de q lugares hacia la derecha. La sumatoria es calculada con q dígitos binarios sin tomar en cuenta excesos en los subtotales.
En el ejemplo de ejecución antes mencionado (n_{1} = 13, n_{2} = 17) pueden emplearse para q = 12 dígitos binarios, los números enteros w_{1} = 115 y w_{2} = 153. Los factores de ponderación divergen alrededor de 1% del valor ideal según la ecuación (5). Es válido exactamente
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Si n_{1} y n_{2} no son números primos entre sí, de modo que presentan un divisor común L con
19
el método descrito puede ser utilizado de todos modos. En lugar de los números de períodos, deben utilizarse entonces los valores divididos por L. Como resultado se obtiene en este caso un valor de estimación para las L-veces del valor del ángulo \Phi.
Un circuito preferente para la ejecución del método conforme a la invención se representa en la figura 2. Para mayor claridad se hace referencia aquí a la figura 4, en la cual se encuentra representado un diagrama de flujo de la forma de ejecución, con el circuito, del método conforme a la invención.
El sensor 10 representado en la figura 2 proporciona los dos valores de las fases \alpha_{1} y \alpha_{2} (etapa 401). Estas señales de medición normalizadas a través de división por 2\pi son multiplicadas por los números de períodos de las trazas separadas del sensor 10 n_{2}, así como n_{1}, en el elemento de la multiplicación 11, así como 12 (etapa 402). En un elemento de la suma tiene lugar la formación de la suma conforme a la ecuación (1) (etapa 403). El redondeo conforme a la ecuación (1) se efectúa a continuación en un elemento de redondeo 14 (etapa 404). El valor operativo k, formado mediante el elemento de redondeo 14 es, en primer lugar, multiplicado por los valores k_{1}, así como k_{2}, para la obtención de ambos valores de estimación normalizados \Phi_{s1}/2\pi, así como \Phi_{s12}/2\pi. k_{1} y k_{2}, tal como se mencionó, pueden seleccionarse conforme a la ecuación (3). Para la obtención de los respectivos numeradores del lado derecho de la ecuación (2) se adicionan los valores de las fases \alpha_{1}/2\pi y \alpha_{2}/2\pi en elementos de la suma 17, así como 18, a los resultados de los elementos de la multiplicación 15, así como 16. La ejecución de la etapa de cálculo, conforme a la ecuación (2), tiene lugar en el diagrama de flujo en la etapa 405.
En los elementos de la multiplicación 19, así como 20, se efectúa la multiplicación por las ponderadas g1 conforme a la ecuación (5) (etapa 406). Los valores originales de los elementos de la multiplicación 19, así como 20, son llevados a un adicionador 21, mediante el cual puede establecerse el valor \Phi_{mess}/2\pi conforme a la ecuación (4) (etapa 407).
En la figura 3 se representa un circuito para la formación de una sumatoria ponderada con la ponderación g'_{i} según la ecuación (7) para un sistema con N señales de las fases. Se reconoce que los respectivos valores de estimación normalizados \Phi_{si}/2\pi son multiplicados en primer lugar por los números de los períodos n_{i}. En los elementos de la multiplicación 30 subsiguientes tiene lugar la respectiva multiplicación por los números enteros w_{i}. Los valores originales de los elementos de la multiplicación 30 son adicionados en un elemento de la suma 31, la suma así obtenida (según la ecuación (7)) es multiplicada en un elemento de la multiplicación 32 por el valor 2^{-q}. El valor así obtenido es el valor \Phi_{mess}/2\pi conforme a la ecuación (4) con las ponderaciones g'_{i} conforme a la ecuación (7).
Mediante el método conforme a la invención pueden realizarse las ventajas del método nonius modificado, mencionado en la introducción de la descripción, y dichas ventajas son mejoradas aún más a través de la ponderación propuesta conforme a la invención.

Claims (9)

1. Método para la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento, el cual presenta las siguientes etapas:
-
formación de al menos dos valores de fase \alpha_{i} (i = 1, 2... N) a través del muestreo digital de sensores (10), los cuales son asignados respectivamente a los valores de fase y los cuales presentan diferentes números de períodos n_{i},
-
cálculo de un valor operativo k, el cual puede ser representado como un número entero en base a los valores de fase \alpha_{i} medidos y a los números de períodos n_{i} asignados respectivamente a éstos,
-
cálculo de al menos dos valores de estimación normalizados \Phi_{si}/2\pi en base a los valores de fase \alpha_{i}, a los números de períodos n_{i}, al valor operativo k y valores operativos integrales k_{i}, los cuales colocan a los números de períodos n_{i}, en una relación de normalización de unos con otros, y
-
sumatoria ponderada de los valores de estimación \Phi_{si}/2\pi para la obtención de un valor de estimación promedio \Phi_{mess}/2\pi, el cual representa el ángulo de rotación o el desplazamiento a determinar.
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2. Método conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque, en el caso de dos valores de fase formados \alpha_{1}, \alpha_{2}, el valor operativo k es calculado a través del redondeo de la expresión
20
con lo cual n_{1} es el número de períodos del sensor (10) asignado al valor de fase \alpha_{1} y n_{2} es el número de períodos del sensor (10) asignado al valor de fase \alpha_{2}.
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3. Método conforme a una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque, en caso de dos valores de fase \alpha_{1}, \alpha_{2} formados, la relación de normalización de los números de períodos n_{1}, n_{2} y de los factores operativos k_{1}, k_{2} es seleccionada como k_{2} \cdot n_{1} - k_{1} \cdot n_{2}= 1.
4. Método conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, los valores de estimación normalizados \Phi_{si}/2\pi son calculados conforme a una ecuación de la forma
21
5. Método conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la sumatoria ponderada de al menos dos valores de estimación normalizados \Phi_{mess}/2\pi es calculada conforme a una ecuación de la forma
22
con lo cual g_{i} representa factores de ponderación, para los cual es válido
23
\newpage
6. Método conforme a la reivindicación 5, caracterizado porque, en caso de dos valores de fase \alpha_{1}, \alpha_{2} formados, los factores de ponderación son colocados como g_{1} = g_{2} = 0,5.
7. Método conforme a la reivindicación 5, caracterizado porque, los factores de ponderación son calculados conformes a una relación de la forma
24
8. Método conforme a la reivindicación 5, caracterizado porque, los factores de ponderación g_{i} son calculados conforme a una relación de la forma
25
con lo cual w_{i} representa números enteros, los cuales son seleccionados de modo tal, que los g'_{i} se aproximan tan exactamente como sea posible a los g_{i}.
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9. Dispositivo para la determinación de un ángulo de rotación o de un desplazamiento con
-
medios para la formación de al menos dos valores de fase \alpha_{i} (i = 1, 2... N) a través del muestreo digital de sensores (10), los cuales son asignados respectivamente a los valores de fase y los cuales presentan diferentes números de períodos n_{i},
-
medios (13, 14) para el cálculo de un valor operativo k, el cual puede ser representado como un número entero en base a los valores de fase \alpha_{i} medidos y a los números de períodos n_{i} asignados respectivamente a éstos,
-
medios (15, 16, 17, 18) para el cálculo de al menos dos valores de estimación normalizados \Phi_{si} /2\pi en base a los valores de fase \alpha_{i}, a los números de períodos n_{i}, al valor operativo k y valores operativos integrales k_{i}, los cuales colocan a los números de períodos n_{i}, en una relación de normalización de unos con otros, y
-
medios (21) para la sumatoria ponderada de los valores de estimación \Phi_{si}/2\pi para la obtención de un valor de estimación promedio \Phi_{mess}/2\pi, el cual representa el ángulo de rotación o el desplazamiento a determinar.
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