用于三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于H軸磁力計(jì)和H軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合的方法和裝置
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 要求于2012年8月2日遞交的"帶智能自動(dòng)校準(zhǔn)的6-軸磁力計(jì)和加速度計(jì)融合 方法（Methodfor6-AxisMagnetometerandAccelerometerFusionwithIntelligent Autonomous化libration)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/678, 638的優(yōu)先權(quán)。
【背景技術(shù)】
[0003] 低成本和小微機(jī)電系統(tǒng)（MEM巧加速度計(jì)的可用性創(chuàng)造了納入到智能手機(jī)和其他 手持設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備的各種新的商業(yè)應(yīng)用。例如，與其他類型的MEMS加速度計(jì)技術(shù)相比， 基于測(cè)量由于施加加速的對(duì)流傳熱的內(nèi)部變化的原理的熱MEMS加速度計(jì)，對(duì)消費(fèi)者應(yīng)用 具有優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，包括低成本的制造過程、高可靠性和很好的抗震動(dòng)性或抗沖擊性。
[0004] 此外，磁力計(jì)技術(shù)的進(jìn)步也使人們有可能（成本、尺寸和功率消耗）在移動(dòng)設(shè)備中 將=軸磁力計(jì)與=軸加速度計(jì)緊密結(jié)合W形成電子羅盤，W提供準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)和航向信息， 用于使新的應(yīng)用（例如，基于位置的服務(wù)）可用。
[0005] 其中部署了磁力計(jì)或加速度計(jì)的當(dāng)?shù)丨h(huán)境可W導(dǎo)致測(cè)量波動(dòng)。作為一個(gè)示例，溫 度變化可W影響測(cè)量，就像其他因素。
[0006] 磁羅盤的原理是通過測(cè)量地球的磁場(chǎng)來確定磁航向。然而，在移動(dòng)設(shè)備（例如智 能電話）的內(nèi)部，具有干擾磁場(chǎng)測(cè)量的部件一-傳統(tǒng)上被稱為"硬"鐵和"軟"鐵失真/干 擾。硬鐵的示例是永久磁鐵，例如在智能手機(jī)上的揚(yáng)聲器中或智能手機(jī)的皮套上找到的永 久磁鐵。軟鐵是例如由鋼制成的部件，例如在智能手機(jī)中找到的Effl屏蔽或螺釘或電池接 觸件。鋼提供了比周圍的空氣"更低阻力"的路徑到磁場(chǎng)，因此磁場(chǎng)被偏離，并且需要補(bǔ)償 該偏離。硬鐵失真表現(xiàn)得像磁力計(jì)偏移的變化。軟鐵失真表現(xiàn)得像磁力計(jì)的比例因子的變 化。需要考慮硬鐵和軟鐵W準(zhǔn)確地確定航向。
[0007] 用于在移動(dòng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)=軸磁力計(jì)和=軸加速度計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：處理傳感器 的誤差源（包括偏移、比例因子和軸的偏差）、w及地球磁場(chǎng)的失真（例如，硬鐵和軟鐵）， 其促成了姿態(tài)和航向的誤差。由于成本通常是（例如在智能手機(jī)中的那些）消費(fèi)者應(yīng)用中 最大的關(guān)注，因此，復(fù)雜和昂貴的磁力計(jì)和加速度計(jì)的工廠校準(zhǔn)在商業(yè)上是不實(shí)用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)融合，即組合從傳感器獲得的數(shù)據(jù)，W精確地 確定設(shè)備的航向和方位。
[0009] =軸磁力計(jì)和=軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合提供了姿態(tài)和航向、在線校準(zhǔn)的磁力計(jì)和 加速度計(jì)數(shù)據(jù)、W及角速率的解決方案。其結(jié)果是，提供了磁力計(jì)傳感器校準(zhǔn)W消除隨時(shí)間 和溫度的傳感器誤差源，并且從硬鐵和軟鐵失真恢復(fù)地球磁場(chǎng)測(cè)量。
[0010] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于=軸磁力計(jì)和=軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合的方法和裝 置，W提供姿態(tài)和航向、在線校準(zhǔn)的磁力計(jì)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)、W及角速率的解決方案，其中， 所述磁力計(jì)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)首先被濾波W排除離群值（outlier)和抑制噪聲；基于由在線 加速度計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)估算的誤差源，經(jīng)濾波的加速度計(jì)數(shù)據(jù)被進(jìn)一步校正；基于由在線磁 力計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)估算的硬鐵和軟鐵失真，經(jīng)濾波的磁力計(jì)數(shù)據(jù)被進(jìn)一步校正；經(jīng)校正加速 度計(jì)數(shù)據(jù)被用于計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)滾轉(zhuǎn)和俯仰角；滾轉(zhuǎn)和俯仰角被用于形成從體化ody)到水平 (level)坐標(biāo)系的變換矩陣。經(jīng)校正的磁力計(jì)數(shù)據(jù)被從體坐標(biāo)系變換為水平坐標(biāo)系，W生 成水平磁場(chǎng)向量，磁航向可W使用水平磁場(chǎng)向量來計(jì)算；滾轉(zhuǎn)、俯仰、航向被用于推導(dǎo)角速 率；經(jīng)校準(zhǔn)的加速度計(jì)數(shù)據(jù)和所導(dǎo)出的角速率被用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)狀態(tài)而被依次用于幫 助在線磁力計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)和加速度計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0011] 下面參照附圖公開了本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的各個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)理解的是，為了 簡(jiǎn)單和清楚地說明，在附圖中顯示的元件不一定精確地繪制或按比例繪制。例如，為了清楚 起見，一些元件的尺寸相對(duì)于其他元件可能被擴(kuò)大了，或幾個(gè)物理部件可能被包括在在一 個(gè)功能塊或元件中。此外，在認(rèn)為合適的情況下，附圖中重復(fù)出現(xiàn)的參考標(biāo)記指示相應(yīng)的或 類似的元件。然而為了清楚起見，可能不會(huì)在每個(gè)附圖中標(biāo)記每個(gè)部件。提供該些附圖的 目的是解釋和說明，并且不旨在作為對(duì)本發(fā)明的限制定義。在附圖中：
[0012] 圖1A、1B和1C是相對(duì)于S軸加速度計(jì)和其載體的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)體坐標(biāo)系炬）和當(dāng)?shù)?水平坐標(biāo)系（L)系統(tǒng)的表示；
[0013] 圖2A和2B是本發(fā)明的實(shí)施例的功能框圖；
[0014] 圖3是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的功能框圖；
[0015] 圖4是示出了本發(fā)明的磁力計(jì)校準(zhǔn)的實(shí)施例的功能框圖；
[0016] 圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)磁力計(jì)校準(zhǔn)方案的功能框圖；
[0017] 圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一磁力計(jì)校準(zhǔn)方案的功能框圖；
[001引圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的卡爾曼濾波的功能框圖；
[0019] 圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的濾波的功能流程圖；
[0020] 圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的準(zhǔn)靜態(tài)檢測(cè)的功能框圖；
[0021] 圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁場(chǎng)干擾檢測(cè)的功能框圖擬及
[0022] 圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)機(jī)械化的可變結(jié)構(gòu)的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[002引為所有目的，通過引用將遞交于2012年8月2日名稱為"帶智能自動(dòng)校準(zhǔn)的6-軸 磁力計(jì)和加速度計(jì)融合方法（Methodfor6-AxisMagnetometerandAccelerometer F^isionwithIntelligentAutonomous化libration)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào) 61/678, 638整體包括在本文內(nèi)。
[0024] 本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)融合，即為了精確地確定設(shè)備的航向和方位， 從加速度計(jì)和磁力計(jì)傳感器可得的數(shù)據(jù)的組合。=軸磁力計(jì)和=軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合提 供了姿態(tài)和航向、經(jīng)過在線校準(zhǔn)的磁力計(jì)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)、W及角速率的解決方案。其結(jié)果 是，提供了磁力計(jì)傳感器校準(zhǔn)W消除時(shí)間和溫度的傳感器誤差源并且從硬鐵和軟鐵失真中 恢復(fù)地球磁場(chǎng)測(cè)量。
[0025] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了用于各種應(yīng)用的提供了同時(shí)帶有硬鐵和軟鐵校準(zhǔn)能 力的六軸磁場(chǎng)/加速度計(jì)傳感器的方法。該些應(yīng)用包括設(shè)有準(zhǔn)靜態(tài)滾轉(zhuǎn)、俯仰、w及磁航向 信息的電子羅盤應(yīng)用。軟巧螺儀功能提供偽九軸解決方案，包括：例如，動(dòng)態(tài)滾轉(zhuǎn)/俯仰/ 航向角、動(dòng)態(tài)角速率和加速度測(cè)定。
[0026] 為了更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例，現(xiàn)在將參考圖1A-1C，其中相對(duì)于載體10W及 附著在或禪合到載體10的=軸加速度計(jì)12和=軸磁力計(jì)14,使用在航空電子學(xué)中公知的 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)體坐標(biāo)系炬）和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系（L)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，=軸加 速計(jì)12可W包含相對(duì)于彼此正交定位的=個(gè)單獨(dú)的加速度計(jì)，W及=軸磁力計(jì)14可W包 含類似布置的磁力計(jì)。
[0027] 載體10的主體軸線炬）被定義為坐標(biāo)系炬)，其中有通過所述載體的向前方向上 的正XB軸，如箭頭F所顯示的，通過向右方向上的正YB軸，如在圖中所顯示的，W及用于完 成右旋的S軸結(jié)構(gòu)的指向下的正ZB軸。加速度計(jì)12和磁力計(jì)14的XYZ軸可W與該設(shè)備 的體坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)或具有恒定偏差（即，偏置），其對(duì)本文所描述的本發(fā)明的教導(dǎo)和實(shí)施例沒 有影響。
[002引如圖1A-1C中所顯示的體坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系之間的關(guān)系。當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系 被數(shù)學(xué)地定義W使得滾轉(zhuǎn)角4和俯仰角0也被定義。當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系（L)被定義為如下： 體坐標(biāo)系炬）的X軸XB投影到當(dāng)?shù)厮狡矫孀鳛楫?dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系（L)的X軸Xt;當(dāng)?shù)厮?平面的Y軸滬垂直于X軸XW及當(dāng)?shù)厮狡矫娴腪軸Zt向下。
[0029] 來自S軸磁力計(jì)14的原始磁場(chǎng)測(cè)量和對(duì)應(yīng)的經(jīng)校準(zhǔn)的測(cè)量之間的關(guān)系可W按照 下面的方式建模：
[0030] Magc= mmisAiign*msf*(Magm-bias) (1-1)其中，
[00引]Magm=來自S軸磁力計(jì)14的XYZ原始測(cè)量；
[00對(duì) Bias=來自S軸磁力計(jì)14的XYZ原始測(cè)量的偏差；
[0033] m,f=比例因子誤差矩陣；