專利名稱：基于傳感器的定向系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來說涉及定向系統(tǒng)，且更特定來說涉及一種用于感測移動體中的滾動、俯仰及偏航以及所述體在三維空間中的線性平移的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
存在各種各樣可供用于檢測或測量物理?xiàng)l件或現(xiàn)象的傳感器。一種通常部署在許多工業(yè)、商業(yè)或科學(xué)環(huán)境中的傳感器為線性加速度計(jì)。通過檢測地球重力向量的方向，可使用“3D”加速度計(jì)的線性來測量物體的平移(沒有角旋轉(zhuǎn)的線性移動)，且其也可感測“傾斜”(例如與“滾動”或“俯仰”相關(guān)聯(lián)的角加速度)、自由降落及沖擊。不同類型及靈敏度的加速度計(jì)可通過采用各種物理現(xiàn)象中的任一者來起作用，例如小球的滾動、導(dǎo)電或重質(zhì)液體的移位/流動、鐘擺的擺動或具有不同準(zhǔn)確性及靈敏度的其它機(jī)械裝置。更精密的已知線性加速度計(jì)可通過地球磁場或采用其它磁或光學(xué)現(xiàn)象來感測移動。然而，目前使用常規(guī)的具有成本效益的線性加速度計(jì)來區(qū)分線性運(yùn)動(相對于普通笛卡爾坐標(biāo)系的加速度)與裝置定向的變化及滾動或俯仰的對應(yīng)變化(即，角加速度) 是困難的或不可能的。通過常規(guī)的線性加速度計(jì)完全不能感測到移動物體的“航向”或偏航的變化。相對昂貴、復(fù)雜且精巧的陀螺儀通常用作用于感測旋轉(zhuǎn)自由度的移位或變化(例如，可移動物體的偏航、滾動或俯仰)的裝置。通常地，使用三個(gè)陀螺儀，其中每旋轉(zhuǎn)軸一個(gè)，盡管微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMQ技術(shù)中的近期發(fā)展允許兩軸陀螺儀的發(fā)展。因此，所屬技術(shù)領(lǐng)域中需要一種使用相對簡單的加速度計(jì)傳感器可靠地測量物體的全部六個(gè)自由度的移動(其中包含偏航以及滾動和俯仰的變化)的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本文所揭示實(shí)施例通過提供一種用于測量實(shí)際上任何可移動物體的全部六個(gè)自由度的移動的過程及設(shè)備來滿足上述需要。三個(gè)線性加速度計(jì)產(chǎn)生這一測量所需要的所有數(shù)據(jù)。兩個(gè)加速度計(jì)提供需用于檢測與那些加速度計(jì)相關(guān)聯(lián)的共線的兩個(gè)點(diǎn)的位置的變化，而與前兩個(gè)加速度計(jì)非共線設(shè)置的第三加速度計(jì)產(chǎn)生足以計(jì)量連接前兩個(gè)加速度計(jì)的虛軸方向或定向的變化(如果存在)的數(shù)據(jù)。


圖1是所顯示關(guān)于局部水平平面且具有所描繪的選定坐標(biāo)軸的現(xiàn)有技術(shù)加速度計(jì)或“傾斜”傳感器的透視圖；圖2顯示本發(fā)明的一方面，其中在度量板上有三個(gè)加速度計(jì)傳感器以用于測量關(guān)于六個(gè)自由度的運(yùn)動的加速度。圖3顯示四個(gè)垂直對準(zhǔn)的加速度計(jì)傳感器的陣列及對應(yīng)于每一傳感器的軸的輸出數(shù)據(jù)，且還顯示兩個(gè)水平對準(zhǔn)的傳感器，其中一個(gè)相對于另一個(gè)是反向的且具有對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)；圖4是圖解說明對對應(yīng)于既定傾斜角τ的坐標(biāo)系的X軸上加速度的變化的確定的幾何圖；圖5圖解說明度量板上經(jīng)歷線性平移的兩個(gè)加速度計(jì)型傳感器的輸出感測；圖6圖解說明經(jīng)歷繞軸S-S的旋轉(zhuǎn)的度量板上兩個(gè)加速度計(jì)型傳感器的相對輸出感測；圖7是顯示三個(gè)加速度計(jì)傳感器與時(shí)鐘和MPROC組合之間的操作連接的簡圖；且圖8是描繪本發(fā)明方法的一方面的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所揭示方法準(zhǔn)許感測及測量物體的定向及線性運(yùn)動，預(yù)期，所揭示方法將發(fā)現(xiàn)各種各樣的領(lǐng)域及環(huán)境中的有益應(yīng)用，其包含但不限于航空及陸地運(yùn)輸、電信、遠(yuǎn)程感測及攝影、對人或貨物的電子追蹤及監(jiān)視、人、產(chǎn)品及消費(fèi)者電子產(chǎn)品的安全。通過本發(fā)明所揭示方法，可以可靠地測量選定物體的線性運(yùn)動及三維定向。然后可以任何適當(dāng)方式向其它系統(tǒng)組件或處理器傳輸所述運(yùn)動及由此產(chǎn)生的位置數(shù)據(jù)。例如， 可將對三維位置上不期望的變化的測量提供給(例如)姿勢控制系統(tǒng)以準(zhǔn)許矯正從適當(dāng)?shù)亩ㄏ?例如，相對于垂直)的偏離?；蛘?，通過進(jìn)一步實(shí)例，如果物體的加速度及定向經(jīng)測量同時(shí)落到預(yù)定參數(shù)之外，則可發(fā)信號通知并激勵(lì)警告系統(tǒng)。在消費(fèi)者電子產(chǎn)品中，可使用六維信息來控制例如操縱桿的游戲裝置，允許輸入及菜單選擇方面的用戶交互作用，并提供數(shù)字照相機(jī)及攝相機(jī)的圖像穩(wěn)定性。各種不同類型及功能的線性加速度計(jì)廣泛地用于科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用的寬廣范圍中。 三維加速度計(jì)通?？梢匀舾刹煌燃壍木芏燃百M(fèi)用來使用，且屬于最廣泛使用的微機(jī)械系統(tǒng)(MEMQ傳感器。圖1顯示用作傾斜傳感器的常規(guī)線性加速度計(jì)。加速度計(jì)傳感器可感測線性運(yùn)動(也就是任何平面中的平移，例如局部水平平面)；可參照至少兩個(gè)軸(例如，Xh 與Xy)來測量所述平移。這一加速度計(jì)也可提供對物體的傾斜(如圖1所示滾動或俯仰) 的測量。因此，使用單個(gè)3D加速度計(jì)可感測笛卡爾坐標(biāo)空間(x，y，z)中的物體運(yùn)動，且可感測重力的方向以估計(jì)物體的滾動(τ)及俯仰(φ)。本發(fā)明方法及設(shè)備的顯著優(yōu)點(diǎn)是，三個(gè)一組的此類普遍可用且相對可負(fù)擔(dān)得起的3D加速度計(jì)的可在功能上組合以感測偏航的第六變量的變化，也常常稱為方位或“航向”(Ψ)。請參照圖2。根據(jù)本發(fā)明，兩個(gè)優(yōu)選地但不必要相同的3D加速度計(jì)20、20'以間隔關(guān)系部署在與所關(guān)注物體(例如，汽車、電信、無線或照相裝置、飛機(jī)等等)相關(guān)聯(lián)的度量板22上。只要兩個(gè)加速度計(jì)20、20'的線性間隔距離相對于經(jīng)搜索以被監(jiān)視的運(yùn)動程度的距離是固定的且有效的，則其在三維空間中的精確部署就不是關(guān)鍵的。在一個(gè)實(shí)施例中，加速度計(jì)20、20'位于平面板22的近似對角的角處?？烧J(rèn)為每一加速度計(jì)均具有局部水平平面25、25'，其中平面25、25'可含納于度量板22中或與其平行。板22可固定在將要感測及監(jiān)視其平移及旋轉(zhuǎn)的物體或裝置(未顯示)上。本發(fā)明提供一種將第一 20及第二 20'加速度計(jì)的輸出與第三加速度計(jì)23整合在一起以提供所搜索的“六維”數(shù)據(jù)矩陣(Χ，Υ，ζ,τ,φ，Ψ)的方法。由于線性加速度計(jì)提供第二動量測量，所以必須對由加速度計(jì)20、20'、23做出的運(yùn)動測量一次求積分以獲得變化的速率(線性或角速度上的)，且然后第二次求積分以獲得絕對測量，也就是位置的變化或傾斜。對圖2的考慮表明，不可只由兩個(gè)加速度計(jì)20、20'完全檢測的唯一運(yùn)動程度是繞連接那兩個(gè)加速度計(jì)20、20'的線所界定的虛軸R-R的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)板22相對于所關(guān)注物體的定向，這一旋轉(zhuǎn)可對應(yīng)于滾動(τ)、俯仰(φ)或偏航(ψ)的變化，以致于兩感測器裝置不足以可靠地檢測所有三種類型的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明揭示了一種集成兩個(gè)三維線性加速度計(jì)以測量和提供六維(x，y,z,τ, φ,ψ)信息的方法，兩個(gè)三維加速度計(jì)在平面板上對角布置可以感測線性移動-傳感器產(chǎn)生類似輸出(參見圖幻，和感測定向變化-傳感器產(chǎn)生相對輸出 (參見圖6)。圖3以圖的方式圖解說明加速度計(jì)傳感器的輸出響應(yīng)與相對于重力的定向的關(guān)系。如果注明每一傳感器的個(gè)別定向，則相對于每一軸對傳感器陣列中的每一傳感器的靈敏度來測量重力加速度。圖中所顯示的是四個(gè)傳感器的陣列(或者是在不同時(shí)間在四個(gè)不同位置處描繪的單個(gè)傳感器)，其定向是可觀察的(注意傳感器上的白色拐角標(biāo)記的位置)。傳感器的χ-y坐標(biāo)平面(由χ與y軸靈敏度界定)平行于重力向量，因此最上方的傳感器指示零輸出，除非因沿χ軸的重力而導(dǎo)致加速度。陣列中最下方的傳感器同樣僅顯示重力加速度，除非因χ軸相對于最上方傳感器的顛倒而以相反的“感測”輸出加速度測量。 所述陣列的兩側(cè)傳感器產(chǎn)生協(xié)調(diào)的輸出，其中重力加速度分別沿兩個(gè)平行但相反方向的y 靈敏度軸。應(yīng)注意，所有傳感器軸在設(shè)計(jì)上都是互相垂直的且任何未對準(zhǔn)都會導(dǎo)致加速度測量誤差。在下文論述中，假設(shè)傳感器軸極佳地對準(zhǔn)并互相垂直且傳感器本身以這樣的方式定位于平面22中傳感器20的X，y，ζ軸與傳感器20'的x，y，ζ軸極佳地對準(zhǔn)。圖3還圖解說明單個(gè)傳感器將如何輸出有關(guān)傳感器ζ軸靈敏度的數(shù)據(jù)。在圖的右下方，單個(gè)傳感器的χ-y坐標(biāo)平面垂直于重力向量。因此，對應(yīng)于χ與y軸靈敏度的輸出是零，但沿ζ靈敏度軸的加速度等于重力加速度常數(shù)g，或當(dāng)使傳感器反向以顛倒傳感器ζ靈敏度軸的方向“感測”時(shí)為-g。圖5表示，兩個(gè)3D加速度計(jì)20、20'可感測線性移動，例如平行于ζ軸40 (也可能是重力向量)的“降落”。在這種情況下，加速度計(jì)20、20'在沿大體平行向量(如圖中方向箭頭所指示)的相同方向上移動，且因此產(chǎn)生類似輸出。相反，且如圖6所指示，兩個(gè)加速度計(jì)20、20'可感測定向(例如，有關(guān)任何既定假想旋轉(zhuǎn)軸S-S的定向)，因?yàn)槠溲胤较蛳喾吹南蛄恳苿忧乙虼水a(chǎn)生相反輸出。為克服兩加速度計(jì)系統(tǒng)的感測缺陷，提供第三線性加速度計(jì)23。第三加速度計(jì)傳感器23設(shè)置在分別距離一號傳感器20及距離二號傳感器20 ‘固定的間隔距離處且遠(yuǎn)離由傳感器20、20'的位置(即，三個(gè)傳感器20、20'及23位于相同假想平面內(nèi)但不共線布置)界定的虛軸R-R。額外的傳感器組件23準(zhǔn)許觀察及區(qū)分“六軸”運(yùn)動；線性的(X，y, ζ)及旋轉(zhuǎn)的(τ,φ,ψ)。因此，圖2中顯示的三個(gè)傳感器的陣列可有效地檢測并描述由三個(gè)加速度計(jì)20、20'、23的布置界定的平面(例如，度量板22)的所有六個(gè)運(yùn)動度。由于加速度計(jì)根據(jù)安裝加速度計(jì)的物體的定向(圖幻來測量重力，所以本發(fā)明設(shè)備的不同軸感測并報(bào)告對重力及所述物體所經(jīng)歷的任何其它加速度的測量。應(yīng)注意，在本發(fā)明中重力是一直存在的。如圖4所圖解說明，根據(jù)角τ的正弦與重力的乘積確定傾斜加速度。例如，如果相對于加速度計(jì)20、20'或23的χ靈敏度軸的加速度指定為ax，則sine x = ax/g，其中g(shù)是因重力而產(chǎn)生的加速度( 9.8m/s2)。因此，對于χ軸上一度(1° )的傾斜來說，存在相對于χ軸的加速度變化Δ ax = sin (1° ) g 17. 45mg。因此，如果將觀察并報(bào)告約為1°的傾斜，則由加速度產(chǎn)生的測量的質(zhì)量必須優(yōu)于17.45mg。再次參照圖5，兩個(gè)3D加速度計(jì)或傳感器20、20'各自具有三個(gè)靈敏度軸(x，y, ζ)。如果ζ軸40與重力向量對準(zhǔn)，則在不存在任何移動時(shí)，一號傳感器20分別經(jīng)歷并報(bào)告相對于靈敏度軸的加速度0g、0g及l(fā)g，二號傳感器20'類似地經(jīng)歷及報(bào)告。如果僅存在沿 ζ軸40的線性運(yùn)動，則傳感器20、20'兩者均報(bào)告加速度0g、0g及az+lg，其中az表示由于沿ζ軸40的運(yùn)動而產(chǎn)生的加速度。在相同的概念框架中分析相對于其它χ與y軸的線性運(yùn)動及加速度。同樣檢測并計(jì)算角運(yùn)動。如果如圖6中所示繞S-S軸(其可或可不平行于傳感器靈敏度軸中的一者)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則兩個(gè)傳感器20及20'報(bào)告具有相反“感測”的變化，如圖 6的直線方向箭頭所示。繞軸S-S的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致一號傳感器20分別經(jīng)歷并報(bào)告相對于傳感器靈敏度軸的加速度0g、0g及az+lg。反之，二號傳感器20'分別經(jīng)歷并報(bào)告相對于傳感器靈敏度軸的加速度0g、0g及-az+lg，其中從重力加速度中減去了沿ζ軸的加速度。應(yīng)注意，旋轉(zhuǎn)及線性運(yùn)動兩者的組合將導(dǎo)致沿ζ軸的加速度的量級不平衡。因此，如果各自的加速度az的量級由傳感器20、20'報(bào)告為不相同，則所述裝置指示旋轉(zhuǎn)與線性運(yùn)動的組合。 同樣，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)立即了解，相同的概念應(yīng)用于繞其它垂直軸的旋轉(zhuǎn)。通過應(yīng)用前述概念，并因傾斜穿過與傳感器的既定靈敏度軸呈τ關(guān)系(sine τ = ax/g (或ay/g)等)而使用加速度公式，每一傳感器20、20 ‘、23產(chǎn)生發(fā)信號表示特定傳感器在選定的時(shí)間間隔期間已經(jīng)線性或旋轉(zhuǎn)地移動了多少的輸出。如上文提及，可進(jìn)而由CPU 測量及比較及對比各自的加速度計(jì)傳感器輸出的方向及量級，以計(jì)算位置將被監(jiān)視的物體的整體運(yùn)動。僅來自加速度計(jì)20、20'的輸出即可準(zhǔn)許使用已知算法計(jì)算整體物體已經(jīng)受的穿越3D空間的瞬時(shí)非旋轉(zhuǎn)移動的程度，此外，由于可由產(chǎn)生相反方向“感測”的輸出的兩個(gè)傳感器20、20'檢測及測量繞一個(gè)選定軸的旋轉(zhuǎn)，所以也可計(jì)算在3D空間中的兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)(例如，“滾動”及“俯仰”)。遠(yuǎn)離軸“連接”前兩個(gè)傳感器的軸R-R的第三傳感器23產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)，所述輸出數(shù)據(jù)足以確定軸R-R本身是否已經(jīng)受旋轉(zhuǎn)-也就是說，未經(jīng)測量的度量板22的(且因此所關(guān)注物體的)第三自由度中是否已存在旋轉(zhuǎn)的變化(例如，“偏航”或“方位”)。一種監(jiān)視全部六個(gè)自由度(x,y,z,τ,φ,ψ)的變化的方法包括在時(shí)間零(tQ)處向三個(gè)加速度計(jì)傳感器20、20'及23中的每一者指派初始坐標(biāo)(Xtl, Y0, ，且然后基于任何適當(dāng)選定的坐標(biāo)系計(jì)算坐標(biāo)的變化。根據(jù)所述方法，初始化每一傳感器20、20'及23的3D坐標(biāo)，且然后準(zhǔn)許所關(guān)注物體經(jīng)受將被監(jiān)視的運(yùn)動。接收加速度計(jì)傳感器20、20'及23中的每一者的輸出并將其用作到二重積分等式中的輸入以產(chǎn)生每一傳感器相對于選定的坐標(biāo)系的位置變化。一種用于估算位置變化(也就是確定與后續(xù)時(shí)間、處單個(gè)既定傳感器相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo))的算法為(1) (X1, Y1, Z1) = (X0, Y0, Z0)+ f f (ax, ay, az) (t_t0)其中\(zhòng)為特定傳感器在時(shí)間零(、)處的χ坐標(biāo)。Y0為所述傳感器在時(shí)間零處的 y坐標(biāo)，且A為所述傳感器同樣在時(shí)間零處的ζ坐標(biāo)。關(guān)于所有三個(gè)坐標(biāo)軸的加速度的積分是可由運(yùn)行所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員編程能力內(nèi)的程序的處理單元執(zhí)行的微積分。與另外兩個(gè)傳感器中的每一者相關(guān)聯(lián)的后續(xù)坐標(biāo)(XliYliZ1)是通過將相應(yīng)傳感器的輸出數(shù)據(jù)用作輸入來同樣地運(yùn)行方程式(1)的算法來計(jì)算的。由于具有對應(yīng)坐標(biāo)的每一傳感器描述位于板22上的點(diǎn)的3D移動(且通常其使用三個(gè)點(diǎn)來界定一平面)，所述三個(gè)傳感器及其依據(jù)時(shí)間計(jì)算的對應(yīng)坐標(biāo)描述界定為差的測量駐留期間板22的位置及定向上的變化。參照圖7。對所述方法的最佳執(zhí)行來說重要的是來自所有加速度計(jì)傳感器20、 20'、23的測量的同時(shí)或?qū)⒔瑫r(shí)的讀出。可借助數(shù)字信號處理器及適當(dāng)?shù)腄RAM來接收及記錄同時(shí)的輸出。在替代實(shí)施例中，可接收測量信號并對其“加時(shí)間戳”。隨后可使加時(shí)間戳的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)以在必要時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步處理且并入到各種已知運(yùn)動檢測算法中的任一者中，例如在航海或圖像穩(wěn)定系統(tǒng)中所采用的算法。圖7圖解說明，單獨(dú)的傳感器20、20'、 23可向與共用時(shí)鐘34在操作上相關(guān)聯(lián)的處理器32提供數(shù)據(jù)以提供對從傳感器20、20'、 23單獨(dú)接收的數(shù)據(jù)的經(jīng)協(xié)調(diào)“數(shù)據(jù)加時(shí)間戳”。通過具有單個(gè)參考時(shí)鐘，可實(shí)現(xiàn)精確的相對加時(shí)間戳。處理器32從傳感器20、20'、23請求及接收加速度測量數(shù)據(jù)。由于傳感器響應(yīng)中可能會存在相對延遲，所以處理器32根據(jù)參考時(shí)鐘34向來自傳感器20、20'及23的個(gè)別測量指派時(shí)間戳。然后使用這些時(shí)間戳使所述測量相關(guān)聯(lián)且視情況將個(gè)別加速度計(jì)測量從傳感器20、20'內(nèi)插到共用時(shí)間。視情況，處理器32還可執(zhí)行某一測量處理，例如對原始測量進(jìn)行低通濾波以減小測量噪聲，對原始傳感器測量求積分，被認(rèn)為有利于運(yùn)動檢測及傳播的內(nèi)插或任何其它函數(shù)。在前述實(shí)例中，可將個(gè)別的人視為運(yùn)動將被監(jiān)視的物體?？晒烙?jì)人的運(yùn)動在約 IOHz范圍內(nèi)。因此，以IOOHz的更新速率運(yùn)行傳感器20、20'、23可每隔10兆秒產(chǎn)生測量， 所述速率是測量及監(jiān)視運(yùn)動的帶寬的10倍。因此，應(yīng)以小于5兆秒的準(zhǔn)確度來完成加時(shí)間戳以適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)來自多個(gè)傳感器20、20'、23的測量。應(yīng)注意，絕對時(shí)間并不是關(guān)鍵的，因?yàn)槠渲械娜魏握`差對來自所有傳感器的測量都是常見的。被追蹤平臺的動態(tài)性越高，則感測及描述所述運(yùn)動需要的取樣速率越高，因此需要更好地加時(shí)間戳。但極優(yōu)選地，使用相同的時(shí)鐘為來自不同傳感器的測量加時(shí)間戳。圖8提供用于所揭示方法的典型應(yīng)用的調(diào)用流，例如可用于圖像穩(wěn)定例程中的調(diào)用流。在開始所述應(yīng)用時(shí)，重設(shè)時(shí)鐘34來起始所述系統(tǒng)的共用定時(shí)。在重設(shè)時(shí)鐘的同時(shí)或緊隨其后，將時(shí)鐘重設(shè)在某一選定時(shí)間零Utl)處，初始化所有傳感器20、20'、23的坐標(biāo)， 例如，將一號傳感器20的坐標(biāo)初始化為(X，y，ζ) 1O且將二號傳感器20'的坐標(biāo)起始為(X， y，^2tl，且將三號傳感器23的坐標(biāo)起始為(χ,γ,ζ)^。所述應(yīng)用運(yùn)行，且檢測、測量一號傳感器20的Ml角及線性運(yùn)動(如果存在)并將其傳輸給處理器32，借以對一號傳感器20的數(shù)據(jù)加時(shí)間戳并記錄。同樣地檢測、測量二號傳感器20'的完成運(yùn)動(如果存在)并將其傳輸給處理器32，且同樣對二號傳感器20'的所接收數(shù)據(jù)加時(shí)間戳并記錄。以處理器32控制下的取樣速率執(zhí)行所述測量記錄及加時(shí)間戳。仍參照圖8，可看出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理需要優(yōu)選地考慮獲得各自的測量所需的時(shí)間。 因此，處理器32在一段時(shí)間周期(其中可發(fā)生平移及/或旋轉(zhuǎn)移動)期間計(jì)算一號傳感器 20的測量駐留的時(shí)間間隔或“增量”，以及二號傳感器20'的測量駐留。所述測量駐留由測量取樣速率界定且等于，其中、是先前測量的時(shí)間戳且、是當(dāng)前測量的時(shí)間戳。整個(gè)觀察周期由若干駐留周期組成，且必須在整個(gè)觀察周期中對位置及旋轉(zhuǎn)變化求積分以解釋此時(shí)間周期期間發(fā)生的任何運(yùn)動。例如，在IOOHz的取樣速率下，可對每一 10兆秒持續(xù)時(shí)間的一百個(gè)駐留求積分以在1秒觀察周期內(nèi)產(chǎn)生物體的線性及旋轉(zhuǎn)位置的變化。然后在時(shí)間、處使用上文中的方程式(1)計(jì)算一號傳感器20的位置坐標(biāo)。計(jì)算二號傳感器20'的位置坐標(biāo)。最后，可同樣地處理由三號傳感器23提供的運(yùn)動檢測及測量來用于六個(gè)自由度觀察及處理。使用(x，y，z，T,φ,ψ)中的任何變化來計(jì)算、更新及記錄由一號及二號傳感器20、 20'及三號傳感器23的坐標(biāo)界定的平面22的位置，從而準(zhǔn)許在時(shí)間^處對傳感器20、20' 及23的“新”坐標(biāo)(即，(χ,γ,ζΛ、(χ,γ,ζΛ)的完整確定。當(dāng)需要觀察所述運(yùn)動以用于下面的應(yīng)用時(shí)重復(fù)此過程。然后可以時(shí)鐘重設(shè)重新開始新的應(yīng)用，且重新初始化傳感器20、20'及23的坐標(biāo)，且視需要重復(fù)所述方法。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，可使用各種不同的技術(shù)及技法中的任一者來表示信息及信號。例如，上文說明通篇可提及的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號、位、符號及芯片均可由電壓、電流、電磁波、磁場或粒子、光場或粒子或其任一組合表示。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步了解，結(jié)合本文所揭示實(shí)施例而描述的各種說明性邏輯塊、模塊、電路及算法步驟可實(shí)施為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或二者的組合。為清楚地說明硬件與軟件的這種可互換性，上文就其功能性大體描述了各種說明性組件、塊、模塊、電路及步驟。這一功能性實(shí)施為硬件還是軟件取決于施加于整體系統(tǒng)上的特定應(yīng)用及設(shè)計(jì)約束條件。對于每一特定應(yīng)用，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員均可以不同方式實(shí)施所述功能性，但這種實(shí)施決策不應(yīng)視為導(dǎo)致背離本發(fā)明范圍。結(jié)合本文所揭示實(shí)施例所述的各種說明性邏輯塊、模塊及電路可以下列裝置實(shí)施或執(zhí)行通用處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)或其它可編程邏輯裝置、離散門或晶體管邏輯、離散硬件組件、或經(jīng)設(shè)計(jì)以執(zhí)行本文所述功能的以上任一組合。通用處理器可以是微處理器，但另一選擇為，所述處理器可以是任何常規(guī)處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機(jī)。處理器也可實(shí)施為計(jì)算裝置的組合，例如DSP 與微處理器的組合、多個(gè)微處理器的組合、一個(gè)或一個(gè)以上微處理器與DSP核心的聯(lián)合，或任何其它這種配置。結(jié)合本文所揭示實(shí)施例所述的方法或算法的步驟可直接實(shí)施于硬件中、實(shí)施于由處理器執(zhí)行的軟件模塊中，或?qū)嵤┯诙叩慕M合中。軟件模塊可駐存于隨機(jī)存取存儲器(RAM)、快閃存儲器、只讀存儲器(ROM)、電子可編程ROM(EPROM)、電子可擦除可編程 ROM(EEPROM)、寄存器、硬磁盤、可裝卸磁盤、CD-ROM或所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的任一其它形式的存儲媒體中。例示性存儲媒體耦合到處理器，以使所述處理器可從所述存儲媒體中讀取信息并將信息寫入其中。另一選擇為，存儲媒體可與處理器成一體。處理器及存儲媒體可駐存于ASIC中。ASIC可駐存于用戶終端中。另一選擇為，處理器及存儲媒體可作為離散組件駐存于用戶終端中。 提供上文對所揭示實(shí)施例的說明旨在使所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的各種修改對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，且本文所界定的一般原理可適用于其它實(shí)施例而不背離本發(fā)明精神或范圍。因此，本發(fā)明并不打算限定為本文所示實(shí)施例，而應(yīng)符合與本文所揭示原理及新穎特征相一致的最大范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物體六個(gè)自由度中的定向變化的方法，其包括以下步驟 提供設(shè)置在與所述物體相關(guān)的虛軸上的第一及第二線性加速度計(jì)；使用所述第一線性加速度計(jì)測量所述物體相對于χ y ζ坐標(biāo)系的第一線性移動； 使用所述第二線性加速度計(jì)測量所述物體相對于χ y ζ坐標(biāo)系的第二線性移動； 使用所述第一、第二線性加速度計(jì)測量所述物體相對于三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的角度旋轉(zhuǎn)； 依據(jù)所述第一、第二線性加速度計(jì)的測量確定所述物體的位置變化； 依據(jù)所述第一、第二線性加速度計(jì)的測量確定所述物體的定向變化； 在所述χ y ζ坐標(biāo)系中，在第一時(shí)間指派初始坐標(biāo)OCtl，Y0, Z0)給所述加速度計(jì)的每一者；計(jì)算所述加速度計(jì)的每一者在所述第一時(shí)間和第二時(shí)間之間由初始坐標(biāo)所產(chǎn)生的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定定向變化的步驟包括比較所述第、第二線性加速度計(jì)各自相對于加速度計(jì)靈敏度軸的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定定向變化的步驟包括比較所述第一、第二線性加速度計(jì)各自相對于每一加速度計(jì)靈敏度軸的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括進(jìn)一步計(jì)算所述加速度計(jì)相對于靈敏度軸的至少一個(gè)傾斜加速度的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括進(jìn)一步檢測所述第一和第二線性加速度計(jì)各自沿所述χ y ζ坐標(biāo)系的一個(gè)軸的加速度數(shù)值的不平衡的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算所述加速度計(jì)的每一者由初始坐標(biāo)所產(chǎn)生的變化的步驟包括從所述加速度計(jì)的每一者接收數(shù)據(jù)；及將來自所述加速度計(jì)的每一者的數(shù)據(jù)輸入到方程式 (X1, Y1, Z1) = (X0, Y0, Z0)+ / / (ax, ay, az) (t_t0)其中a為相對于軸的加速度，X0為加速度計(jì)在第一時(shí)間處的χ坐標(biāo)，Y0為所述加速度計(jì)在所述第一時(shí)間處的y坐標(biāo)，Z0為所述加速度計(jì)在所述第一時(shí)間處的ζ坐標(biāo)，且(X1, Y1, Z1)定義所述加速度計(jì)在所述χ y ζ坐標(biāo)系中第二時(shí)間處的位置。
7.一種用于確定物體六個(gè)自由度中的定向變化的裝置，其包括以下步驟 第一線性加速度計(jì)；第二線性加速度計(jì)，其相對于所述第一線性加速度計(jì)設(shè)置以定義一個(gè)虛軸； 使用所述第一和第二線性加速度計(jì)測量所述物體相對于χ y ζ坐標(biāo)系的線性移動的裝置；使用所述第一和第二線性加速度計(jì)測量所述物體相對于三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的角度旋轉(zhuǎn)的裝置；處理單元，其藉由所述第一和第二線性加速度計(jì)的測量，確定所述裝置定向和位置變化，其中所述處理單元載第一時(shí)間處指派所述χ y ζ坐標(biāo)系中的初始坐標(biāo)給所述加速度計(jì)的每一者，并計(jì)算所述加速度計(jì)的每一者在所述第一時(shí)間和第二時(shí)間之間由初始坐標(biāo)所產(chǎn)生的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述使用所述第一和第二線性加速度計(jì)測量所述物體線性移動的裝置包括比較所述第一、第二線性加速度計(jì)各自相對于加速度計(jì)靈敏度軸的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述處理單元計(jì)算所述加速度計(jì)相對于靈敏度軸的至少一個(gè)傾斜加速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述處理單元檢測所述第一和第二線性加速度計(jì)各自沿所述χ y ζ坐標(biāo)系的一個(gè)軸的加速度數(shù)值的不平衡。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述處理單元接收來自所述加速度計(jì)的每一者的數(shù)據(jù)，并使用二重積分方程式計(jì)算所述加速度計(jì)在所述χ y ζ坐標(biāo)系中第二時(shí)間處的位置。
12.—種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其使計(jì)算機(jī)可以確定物體六個(gè)自由度中的定向變化，包括 使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)設(shè)的操作的軟件指令；所述預(yù)設(shè)的操作包括接收指示設(shè)置在與所述物體相關(guān)的虛軸上的第一及第二線性加速度計(jì)的信息； 使用指示所述第一線性加速度計(jì)的信息確定所述物體相對于χ y ζ坐標(biāo)系的第一線性移動；使用指示所述第二線性加速度計(jì)的信息確定所述物體相對于χ y ζ坐標(biāo)系的第二線性移動；使用所述第一、第二線性加速度計(jì)確定指示所述物體相對于三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的角度旋轉(zhuǎn)的 fn息；依據(jù)來自所述第一、第二線性加速度計(jì)的信息確定所述物體的位置變化； 依據(jù)來自所述第一、第二線性加速度計(jì)的信息確定所述物體的定向變化； 在所述X y Z坐標(biāo)系中，在第一時(shí)間指派初始坐標(biāo)OCtl, Y0, Z0)給所述加速度計(jì)的每一者；計(jì)算所述加速度計(jì)的每一者在所述第一時(shí)間和第二時(shí)間之間由初始坐標(biāo)所產(chǎn)生的變化，其中所述計(jì)算機(jī)確定所述物體在六個(gè)自由度中的定向變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于傳感器的定向系統(tǒng)。本發(fā)明揭示一種使用線性加速度計(jì)測量物體的位置變化的方法，所述位置變化包含繞任一或全部三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。揭示一種使用一線性加速度計(jì)整合其它兩個(gè)3D線性加速度計(jì)以測量并提供六維信息(即，三維平移及繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn))以供進(jìn)一步使用的方法。使用兩個(gè)線性加速度計(jì)傳感器來確定六個(gè)自由度中除一個(gè)之外的所有變量。來自第三加速度計(jì)的輸出產(chǎn)生確定第六旋轉(zhuǎn)自由度所需的數(shù)據(jù)。因此可避免需要陀螺儀來檢測航向上的變化(即，偏航或方位)。
文檔編號G01C21/16GK102269592SQ201110108929
公開日2011年12月7日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者利奧尼德·謝恩布拉特 申請人:高通股份有限公司