專利名稱：使用最低自由度加速度計測量傾斜的系統(tǒng)和方法
使用最低自由度加速度計測量傾斜的系統(tǒng)和方法本發(fā)明總體上涉及使用感測最小數(shù)量的自由度的加速度計測量傾斜的裝置和方 法。加速度計和陀螺儀屬于稱為運動檢測慣性傳感器的一類設(shè)備。通常，運動檢測慣 性傳感器提供有關(guān)設(shè)備的運動/取向的信息。加速度計通過與測量遠(yuǎn)程設(shè)備的加速度相反 地測量設(shè)備自身的加速度來提供有關(guān)該設(shè)備的運動/取向的信息。加速度計在慣性導(dǎo)航和 制導(dǎo)系統(tǒng)中經(jīng)常與陀螺儀一起使用。加速度計的常見用途在于用于汽車的氣囊部署系統(tǒng)。 加速度計的另一常見用途是用于檢測設(shè)備的傾斜。取決于感興趣的信息，可以將2D或3D 加速度計用于檢測傾斜。在很大程度上，加速度計的成本和尺寸取決于加速度計可以測量的總軸數(shù)。例如， 對Z軸(垂直于硅芯片的平面)上的加速度敏感的加速度計成本將比僅測量X和Y加速度 (在與硅管芯相同的平面內(nèi))的加速度計高得多。而且，Z軸的噪聲水平典型地比X和Y軸 的噪聲水平高得多，降低該噪聲水平會增大成本。因此，應(yīng)當(dāng)清楚明白的是，為了降低成本， 希望在加速度計的構(gòu)造中消除盡可能多的傳感器軸。因此，存在對于用于測量1D、2D和3D傾斜的加速度計和關(guān)聯(lián)的方法的需要，其感 測僅僅最小數(shù)量的自由度以便最小化成本。因此，鑒于上述問題而做出本發(fā)明。相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種用于根據(jù)最小的測 量集合計算傾斜的系統(tǒng)和方法。在所描述的實施例中，一個或多個加速度計用來以比其他 情況下在常規(guī)測量裝置中需要的自由度更少的自由度感測傾斜。在這個方面，降低了加速 度計的成本和尺寸。在一個實施例中，單軸加速度計通過考慮大體垂直于地面的方向上的 地球引力場的常數(shù)值而測量2D傾斜。所述裝置的部件可以單獨地能夠慣性感測或確定引力方向。所述加速度計之一可 以例如有利地為MEMS加速度計。本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點通過考慮以下結(jié)合附圖考慮的本發(fā)明的詳 細(xì)描述將是清楚明白的，在附圖中

圖1為依照現(xiàn)有技術(shù)的用于相對于地球3-D坐標(biāo)系統(tǒng)測量設(shè)備10的方法的圖示；圖2為以相對于ζ軸成任意角度α取向的設(shè)備的圖示，其用于說明依照一個實施 例的相對于地球3-D坐標(biāo)系統(tǒng)測量設(shè)備10的方法；圖3a&圖3b為分別使用現(xiàn)有技術(shù)的水準(zhǔn)儀(leveling instrument)和本發(fā)明的 水準(zhǔn)儀的圖示。圖4為反余弦(arccos)函數(shù)的曲線圖，其示出了傳感器軸的精度與豎直對齊 (alignment)之間的關(guān)系。在下面的討論中，闡述了許多特定細(xì)節(jié)以便提供對于本發(fā)明的徹底理解。然而，本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在沒有這樣的特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實施本發(fā)明。在其他情況 下，以示意圖或框圖的形式示出了公知的元件以便不以不必要的細(xì)節(jié)使本發(fā)明模糊難懂。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明可以以許多方式實現(xiàn)，包括作為過程、裝置、系統(tǒng)、設(shè)備和方 法而實現(xiàn)。
圖1為依照現(xiàn)有技術(shù)的用于相對于地球3-D坐標(biāo)系統(tǒng)測量設(shè)備10的方法的圖示。 每個軸具有與其關(guān)聯(lián)的設(shè)備10可能經(jīng)歷的特定傾斜“類型”。例如，在“y方向”上，傾斜“類 型”稱為“俯仰(Pitch) ”在χ和ζ方向上，傾斜“類型”分別稱為“搖擺(roll)，，和“航偏 (heading) ”。測量依照圖例中所示的右手坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行。為了進(jìn)行說明，假設(shè)在圖1的設(shè)備10中存在“俯仰”和“搖擺”方面的傾斜。這可 以利用3D加速度計來測量。通過3D加速度計分別測量y軸、χ軸和ζ軸上的加速度。于 是，根據(jù)這些加速度測量可以容易地如下計算俯仰傾斜角和搖擺傾斜角 其中sAffly :y軸上的測量的加速度。sAfflx :χ軸上的測量的加速度。sAfflz =Z軸上的測量的加速度。TiltAnglePitch 關(guān)于 y 軸的角度TiltAngleRoll 關(guān)于 χ 軸的角度如上所述，相對于三坐標(biāo)軸的傾斜的測量需要常規(guī)3D加速度計。如在以下描述中 將變得清楚明白的是，本發(fā)明提供了使用更少的自由度在三坐標(biāo)軸上進(jìn)行測量的方法和裝 置。通過這種方式，可以實現(xiàn)測量裝置的成本、功率和空間的節(jié)省。第一實施例依照如上所述使用比其他情況下在常規(guī)測量裝置中需要的自由度更少的自由度 感測傾斜的第一實施例，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，世界坐標(biāo)系的ζ軸上的測量的加速度°Aez是 常數(shù)并且等于9. 8m/s2。換言之，本發(fā)明人認(rèn)識到，公認(rèn)的是，引力場總是基本上垂直于地 面，即俯仰和搖擺方向的傾斜的豎直分量。該信息可以有利地用于上面的方程1和2，這允 許降低進(jìn)行傾斜測量所需的感測度的數(shù)量。在該實施例中，常規(guī)3D加速度計可以由兩個分 別用于測量χ和y軸上的傾斜的單軸加速度計替換。因此，實現(xiàn)了從單個3D加速度計到兩 個單軸加速度計的感測度的降低。相應(yīng)地，測量χ和y軸上的傾斜的方法通過使用第一加 速度計測量χ軸上的傾斜來實現(xiàn)。然后，使用第二加速度計并且使用下面的方程3和4中 的兩個測量結(jié)果測量1軸上的傾斜 其中sAffly :y軸上的測量的加速度。sAfflx :χ軸上的測量的加速度。\ 常數(shù) 9.81m/s2TiltAnglePitch 關(guān)于 y 軸的角度
TiltAngleRoll 關(guān)于 χ 軸的角度第二實施例前面的實施例描述了分別在χ和y方向上的設(shè)備10的搖擺和俯仰的單獨的計算。 這兩個結(jié)果在上面的方程3和4中量化。在當(dāng)前實施例中，考慮計算代表設(shè)備10的搖擺和 俯仰的單個傾斜角α。現(xiàn)在參照圖2，示出了以相對于ζ軸成任意角度α取向的設(shè)備10，其中α代表設(shè) 備10的搖擺和俯仰。為了計算角度α，首先考慮Z方向上的加速度測量結(jié)果常數(shù)且 等于9. 8m/s2這一事實如方程(5)中所示計算法向矢量
如下描述的圖3a和圖3b而示出?，F(xiàn)在參照圖3a，示出了處于兩個不同取向30a和30b的用于測量頂部40的俯仰 (即傾斜角α)的常規(guī)水準(zhǔn)儀30。為了利用儀器30測量傾斜角α，儀器30必須放置在頂 部40上以便形成相對于水平方向的最陡的斜坡。應(yīng)當(dāng)理解的是，形成最陡的斜坡是實踐中 不容易實現(xiàn)的嚴(yán)格要求。例如，用于形成相對于水平方向的最陡斜坡的理想取向被示出處 于取向30a。較不理想的取向被示為取向30b。這個缺陷通過本發(fā)明以與水準(zhǔn)設(shè)備30的取 向無關(guān)的方式計算傾斜角α而被克服。特別地，方程5-8提供了一種與設(shè)備取向無關(guān)地計 算代表設(shè)備30的搖擺和俯仰的單個傾斜角α的方式。有益地，通過按照上面描述的方式 計算傾斜角α，傳感器的放置不是關(guān)鍵的。即操作者不再需要以形成相對于水平方向最陡 的斜坡的方式精確地對準(zhǔn)(point)水準(zhǔn)儀30。這是因為通過以上面參照方程5-8描述的方 式計算傾斜角α，該計算與正被測量的平面內(nèi)水準(zhǔn)儀30的旋轉(zhuǎn)無關(guān)?，F(xiàn)在，應(yīng)當(dāng)變得清楚明白的是，這個優(yōu)點轉(zhuǎn)移到其他的應(yīng)用，包括例如附接到患者
V = ^sAmxVAmy2W-Sl2 方程[5]
方程(6)_(8)描述了用于根據(jù)法向矢量V計算角度α的計算步驟，
V_
M
,0、 0
= Cos α方程[6]
這可以重新寫成
arccosJl-(^)2-(^)2 方程[了] V 0Ae 0Ae
其等于
IsAsA
arcsin (^)2= 方程[8]
V AeAe
其中
sAmy :y軸上的測量的加速度。 sAmx :x軸上的測量的加速度 0Ae:常數(shù) 9.81m/s2
α 平面的法線與引力場(實際的地球的ζ)之間的角度。 產(chǎn)生單個傾斜角α的優(yōu)點在于，它代表設(shè)備10的搖擺和俯仰。這通過實例參照
7四肢的無線傳感器。這些無線傳感器可以平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)等等而不影響傾斜角α的測量。 因此，可以在很大程度上忽略傳感器放置的不精確性。第三實施例回憶計算法向矢量V以便導(dǎo)出角度α的前面的實施例，所述角度是由設(shè)備10相 對于ζ軸形成的角度。在當(dāng)前實施例中，代替計算法向矢量V的是，其以要描述的方式計算。再次參照圖2，其示出了以相對于ζ軸成任意角度α取向的設(shè)備10，其中α代表 設(shè)備10的搖擺和俯仰。在當(dāng)前實施例中，為了導(dǎo)出α，代替首先計算需要分別在χ和y方 向上的兩個加速度測量的法向矢量V的是，使用ζ軸方向上的單個加速度計測量Amz測量法 向矢量V。使用該單個ζ軸測量，于是可以將表示平面法線與引力場ζ之間的角度的、代表 設(shè)備10的搖擺和俯仰的角度α計算為 這種方法的一個缺點在于，角度α的精度受到設(shè)備10相對于引力場的實際角度 的影響。這進(jìn)一步參照圖4的曲線圖進(jìn)行解釋，圖4為arcos的曲線圖。如果設(shè)備10相對 于引力場的實際角度大約為Π/2，那么靈敏度最高。這導(dǎo)致方程(9)的精度變化。在曲線 圖的Π/2范圍(例如中心部分)內(nèi)，所述角度愈加依賴于ζ軸加速度計的噪聲。最后，上面的討論意在僅僅說明本發(fā)明并且不應(yīng)當(dāng)被視為將所附權(quán)利要求限制到 任何特定的實施例或?qū)嵤├M。所利用的每一種系統(tǒng)也可以結(jié)合另外的系統(tǒng)加以利用。因 此，盡管參照了其特定示例性實施例特別詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是同樣應(yīng)當(dāng)理解的是，在 不脫離下面的權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的更寬的和預(yù)期的精神和范圍的情況下，可以對 其做出許多修改和變化。因此，說明書和附圖應(yīng)當(dāng)以說明性的方式來理解，并不預(yù)期限制所 附權(quán)利要求書的范圍。在解釋所附權(quán)利要求書時，應(yīng)當(dāng)理解的是a)措詞“包括/包含”并沒有排除存在給定權(quán)利要求中未列出的其他元件或動作；b)元件之前的措詞“一”或“一個”并沒有排除存在多個這樣的元件；c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記僅用于說明目的并且并沒有限制其保護(hù)范圍；d)若干“裝置”可以由相同的項目或者硬件或軟件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能來表示；以 及e)所公開的每個元件可以包括硬件部分(例如分立電子電路系統(tǒng))、軟件部分 (例如計算機(jī)編程)或者其任意組合。
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權(quán)利要求
一種用于感測最小數(shù)量的自由度測量物體的傾斜的方法，該方法包括a)通過第一軸的方向上的測量的加速度測量第一運動傳感器沿著所述第一軸的傾斜；b)通過第二軸的方向上的測量的加速度測量第二運動傳感器沿著所述第二軸的傾斜；c)根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以及沿著第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第一軸的傾斜角；d)根據(jù)沿著所述第二軸的所述測量的傾斜以及沿著所述第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第二軸的另一傾斜角。
2.依照權(quán)利要求1的方法，還包括顯示根據(jù)分別在步驟(a)和(b)中沿著所述第一 和第二軸做出的加速度測量而得到的沿著所述第一、第二和第三軸的傾斜角。
3.依照權(quán)利要求1的方法，其中所述第一和第二傳感器是加速度計。
4.依照權(quán)利要求1的方法，其中沿著所述第三軸的所述已知加速度為9.8m/s2。
5.依照權(quán)利要求1的方法，其中根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以及沿著第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第一軸的傾斜角的所述步驟(c)計算為sA第一軸傾斜角zarcsinj! Affly為沿著所述第一軸的測量的加速度， Ae 為常數(shù) 9.81m/s2。
6.依照權(quán)利要求1的方法，其中根據(jù)沿著所述第二軸的所述測量的傾斜以及沿著所述 第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第二軸的另一傾斜角的所述步驟(d)計算 為第二軸傾斜角=arCSinI^L Affl為沿著所述第二軸的測量的加速度， Ae 為常數(shù) 9.81m/s2。
7.依照權(quán)利要求1的方法，其中所述第一運動傳感器是單軸傳感器。
8.依照權(quán)利要求1的方法，其中所述第二運動傳感器是單軸傳感器。
9.一種用于感測最小數(shù)量的自由度測量物體的傾斜的傾斜傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 用于通過第一軸的方向上的測量的加速度測量第一運動傳感器沿著所述第一軸的傾斜的裝置；用于通過第二軸的方向上的測量的加速度測量第二運動傳感器沿著所述第二軸的傾 斜的裝置；用于根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以及沿著第三軸的已知加速度計算所述 物體相對于所述第一軸的傾斜角的裝置；用于根據(jù)沿著所述第二軸的所述測量的傾斜以及沿著所述第三軸的已知加速度計算 所述物體相對于所述第二軸的另一傾斜角的裝置。
10.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，還包括根據(jù)分別由所述用于測量第一運動傳 感器的傾斜的裝置以及所述用于測量第二運動傳感器的傾斜的裝置沿著所述第一和第二軸做出的加速度測量而得到的沿著所述第一、第二和第三軸的傾斜角的顯示器。
11.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，其中所述第一和第二傳感器是加速度計。
12.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，其中沿著所述第三軸的所述已知加速度為 9. 8m/s2。
13.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，其中用于根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的 傾斜以及沿著第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第一軸的傾斜角的裝置包括 將該傾斜角計算為 第一軸傾斜角 Affly為沿著所述第一軸的測量的加速度， Ae 為常數(shù) 9.81m/s2。
14.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，其中所述用于根據(jù)沿著所述第二軸的所述測 量的傾斜以及沿著所述第三軸的已知加速度計算所述物體相對于所述第二軸的另一傾斜 角的裝置包括將該傾斜角計算為第二軸傾斜角 Affl為沿著所述第二軸的測量的加速度， Ae 為常數(shù) 9.81m/s2。
15.依照權(quán)利要求9的傾斜傳感器系統(tǒng)，其中所述第一和第二運動傳感器是單軸傳感ο
16. 一種用于通過感測最小數(shù)量的自由度測量相對于豎直平面成角度α取向的物體 的傾斜的方法，該方法包括a)通過第一軸的方向上的測量的加速度測量第一運動傳感器沿著所述第一軸的傾斜；b)通過第二軸的方向上的測量的加速度測量第二運動傳感器沿著所述第二軸的傾斜；以及c)根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以及沿著所述第二軸的所述測量的傾斜計 算所述角度α。
17.依照權(quán)利要求16的方法，其中所述用于根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以 及沿著所述第二軸的所述測量的傾斜計算所述角度α的裝置還包括a)將角度α的法向矢量V計算為 Amy為y軸上的測量的加速度， Afflx為χ軸上的測量的加速度，并且 Ae 為常數(shù) 9.81m/s2b)根據(jù)法向矢量V計算角度α。
18.依照權(quán)利要求17的方法，其中根據(jù)法向矢量V將角度α計算為
19.依照權(quán)利要求17的方法，其中根據(jù)法向矢量V將角度α計算為
20.依照權(quán)利要求17的方法，其中根據(jù)法向矢量V將角度α計算為
21.依照權(quán)利要求16的方法，其中所述用于根據(jù)沿著所述第一軸的所述測量的傾斜以 及沿著所述第二軸的所述測量的傾斜計算所述角度α的裝置還包括 測量運動傳感器沿著垂直于水平面的軸的傾斜；以及 將所述角度《計算為
全文摘要
提供了用于根據(jù)最小的測量集合計算物體的傾斜的系統(tǒng)和方法。在所描述的實施例中，一個或多個加速度計用來以比其他情況下在常規(guī)測量裝置中需要的自由度更少的自由度感測傾斜。在一個實施例中，單軸加速度計通過考慮大體垂直于地面的方向上的地球引力場的常數(shù)值而測量2D傾斜。
文檔編號G01C9/00GK101910788SQ200880123358
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者E·G·J·M·邦格斯, N·拉姆伯特, V·M·G·范阿克特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司