[發(fā)明專利]陀螺儀傳感器的標(biāo)定設(shè)備和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201180053684.6
• 申請日: 2011-11-08
• 公開（公告）號(hào): CN103221788A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: V·庫澤金;N·達(dá)瓦斯;A·M·洛克申
• 申請（專利權(quán)）人: 阿爾派回放股份有限公司
• 主分類號(hào): G01C25/00
• 分類號(hào): G01C25/00;G01P21/00
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 張榮海

相關(guān)申請

本申請要求2010年11月8日提交的申請?zhí)枮?1/456,467的美國臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，因此通過全文引用將其內(nèi)容并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及裝有磁傳感器的設(shè)備，并且更具體地涉及包括慣性陀螺儀傳感器的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

低成本的慣性傳感器和其他傳感器在各種消費(fèi)類電子設(shè)備例如智能手機(jī)、游戲控制器和多種其他產(chǎn)品中已經(jīng)變得非常普及。這就對(duì)開發(fā)人員提出了很有挑戰(zhàn)性的要求。產(chǎn)品越便宜，其用戶能夠接受的技術(shù)復(fù)雜程度就越低，并且產(chǎn)品即使在使用低成本低精度的傳感器時(shí)也應(yīng)該提供可靠耐用和輕松簡便的操作體驗(yàn)。

在設(shè)備制造中的慣用做法是在設(shè)備制造時(shí)就標(biāo)定由設(shè)備使用的所有傳感器，然后再將設(shè)備運(yùn)送給用戶。因此，所謂的出廠標(biāo)定可以利用特定設(shè)備、可控的環(huán)境和專業(yè)人員來非常準(zhǔn)確地完成。但是，到產(chǎn)品被用戶使用時(shí)，傳感器的標(biāo)定會(huì)由于溫度改變、電池電壓的不同以及設(shè)計(jì)工程師難以控制的其他影響因素而失效。

該準(zhǔn)確標(biāo)定的問題對(duì)于傳感器來說特別重要，為了在導(dǎo)航或姿態(tài)確定的解決方案中使用，傳感器需要針對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分。由于積分，標(biāo)定誤差會(huì)隨著時(shí)間而增大并且很快就會(huì)使得到的結(jié)果無法接受。

這就意味著為了確保設(shè)備操作準(zhǔn)確，對(duì)于在設(shè)備中使用的每一個(gè)傳感器都應(yīng)該有合適的軟件和算法以允許自主實(shí)時(shí)標(biāo)定例如在設(shè)備正常運(yùn)行期間由于上述環(huán)境因素而產(chǎn)生的信號(hào)漂移和有效增益改變這樣的影響。換句話說，實(shí)用的設(shè)計(jì)必須加入自主監(jiān)測并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)傳感器標(biāo)定參數(shù)的內(nèi)部算法。

這還意味著應(yīng)該有允許降低傳感器積分誤差影響的方法。

因此，本公開的一個(gè)目標(biāo)是通過提供一種在設(shè)備正常運(yùn)行期間實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)陀螺儀傳感器標(biāo)定參數(shù)的方法來解決一個(gè)或多個(gè)上述難題。

本公開還有一個(gè)目標(biāo)是提供一種允許減小陀螺儀積分誤差的方法。

當(dāng)前典型的系統(tǒng)具有全套的傳感器例如3軸加速度計(jì)、3軸磁傳感器和3軸陀螺儀傳感器。所有這些傳感器都需要標(biāo)定以允許有效使用。最常見的加速度計(jì)標(biāo)定方法是利用系統(tǒng)靜止時(shí)的時(shí)間點(diǎn)和利用重力矢量作為固有標(biāo)準(zhǔn)以確定加速度計(jì)的偏置和增益。這些靜止的情形可以由用戶在用戶標(biāo)定期間設(shè)定或者在實(shí)時(shí)操作期間來檢測，例如通過美國專利US5991692中介紹的“靜止?fàn)顟B(tài)檢測器”，原因就是在靜止的位置只有重力矢量才能影響加速度計(jì)的讀數(shù)。利用設(shè)備在不同方位的多個(gè)測量值即可執(zhí)行完整的加速度計(jì)標(biāo)定。作為一個(gè)示例可參見美國專利US6729176。

磁傳感器通常利用天然的地球磁場進(jìn)行標(biāo)定。正如公開號(hào)為20090070056的美國專利申請中所述，標(biāo)定可以通過記錄幾種預(yù)定設(shè)備方位下的測量值來完成，或者作為后臺(tái)進(jìn)程利用計(jì)算或用戶標(biāo)定的設(shè)備三維運(yùn)動(dòng)來完成。這樣的過程在每一次執(zhí)行標(biāo)定時(shí)都會(huì)構(gòu)建新的標(biāo)定參數(shù)。

由于GPS傳感器已得到廣泛應(yīng)用并且在使用了磁傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)中十分常見，因此經(jīng)常通過比較GPS速度矢量的方向和由磁傳感器獲取的方向而將GPS傳感器用于磁傳感器的標(biāo)定。然后使用卡爾曼濾波器的直接計(jì)算過程來得出所需用于磁傳感器的標(biāo)定參數(shù)。

需要付出大量的體力勞動(dòng)才能允許本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過使用天然和固有的已為公知且在地球上的任何位置都已用高精度列表的地球重力和地球磁場以及通過使用另外的傳感器例如GPS傳感器和溫度傳感器來得出準(zhǔn)確標(biāo)定設(shè)備內(nèi)使用的磁傳感器和加速度計(jì)傳感器的適當(dāng)過程。

正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，在根據(jù)精確標(biāo)定的磁傳感器和重力傳感器的測量值得出設(shè)備方位時(shí)，每一種姿態(tài)的確定都是獨(dú)立的。因此，在確定磁場和重力矢量的方向中不可避免的誤差并不隨著時(shí)間而累積。恰恰相反，通過平滑處理得到的軌跡就能夠減小每一個(gè)軌跡點(diǎn)中的方位誤差。

但是，在設(shè)備經(jīng)歷未知加速的情況下，內(nèi)部加速度計(jì)無法被用于確定跟地球重力矢量相關(guān)的設(shè)備方位。單獨(dú)用磁場矢量不足以恢復(fù)設(shè)備方位，單根GPS天線也不能被用于恢復(fù)主體方位。在這樣的情況下我們沒有其他的可選手段而只能使用陀螺儀傳感器來確定設(shè)備的三維方位。

陀螺儀傳感器測量圍繞其自身坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)速。在準(zhǔn)確積分時(shí)，這就可以提供偏離其初始方位的三維主體總旋轉(zhuǎn)量。但是，由于陀螺儀信號(hào)必須被積分以獲得方位，因此陀螺儀偏置或增益中的任何誤差都會(huì)隨著時(shí)間而快速增大。

假設(shè)能夠檢測不存在旋轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)，那么陀螺儀偏置就可以通過觀測這種時(shí)間點(diǎn)時(shí)的陀螺儀信號(hào)來確定。但是，為了標(biāo)定陀螺儀增益，我們需要圍繞每一根軸線執(zhí)行非常準(zhǔn)確和已知的旋轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)即使在出廠設(shè)置下也很難實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)于現(xiàn)場實(shí)時(shí)標(biāo)定來說更是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。