使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法技术方案

提供了用于根据最小的测量集合计算物体的倾斜的系统和方法。在所描述的实施例中，一个或多个加速度计用来以比其他情况下在常规测量装置中需要的自由度更少的自由度感测倾斜。在一个实施例中，单轴加速度计通过考虑大体垂直于地面的方向上的地球引力场的常数值而测量２Ｄ倾斜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术总体上涉及使用感测最小数量的自由度的加速度计测量倾斜的装置和方 法。加速度计和陀螺仪属于称为运动检测惯性传感器的一类设备。通常，运动检测惯 性传感器提供有关设备的运动/取向的信息。加速度计通过与测量远程设备的加速度相反 地测量设备自身的加速度来提供有关该设备的运动/取向的信息。加速度计在惯性导航和 制导系统中经常与陀螺仪一起使用。加速度计的常见用途在于用于汽车的气囊部署系统。 加速度计的另一常见用途是用于检测设备的倾斜。取决于感兴趣的信息，可以将2D或3D 加速度计用于检测倾斜。在很大程度上，加速度计的成本和尺寸取决于加速度计可以测量的总轴数。例如， 对Z轴(垂直于硅芯片的平面)上的加速度敏感的加速度计成本将比仅测量X和Y加速度 (在与硅管芯相同的平面内)的加速度计高得多。而且，Z轴的噪声水平典型地比X和Y轴 的噪声水平高得多，降低该噪声水平会增大成本。因此，应当清楚明白的是，为了降低成本， 希望在加速度计的构造中消除尽可能多的传感器轴。因此，存在对于用于测量1D、2D和3D倾斜的加速度计和关联的方法的需要，其感 测仅仅最小数量的自由度以便最小化成本。因此，鉴于上述问题而做出本专利技术。相应地，本专利技术提供了一种用于根据最小的测 量集合计算倾斜的系统和方法。在所描述的实施例中，一个或多个加速度计用来以比其他 情况下在常规测量装置中需要的自由度更少的自由度感测倾斜。在这个方面，降低了加速 度计的成本和尺寸。在一个实施例中，单轴加速度计通过考虑大体垂直于地面的方向上的 地球引力场的常数值而测量2D倾斜。所述装置的部件可以单独地能够惯性感测或确定引力方向。所述加速度计之一可 以例如有利地为MEMS加速度计。本专利技术的这些和其他目的、特征和优点通过考虑以下结合附图考虑的本专利技术的详 细描述将是清楚明白的，在附图中附图说明图1为依照现有技术的用于相对于地球3-D坐标系统测量设备10的方法的图示；图2为以相对于ζ轴成任意角度α取向的设备的图示，其用于说明依照一个实施 例的相对于地球3-D坐标系统测量设备10的方法；图3a&图3b为分别使用现有技术的水准仪(leveling instrument)和本专利技术的 水准仪的图示。图4为反余弦(arccos)函数的曲线图，其示出了传感器轴的精度与竖直对齐 (alignment)之间的关系。在下面的讨论中，阐述了许多特定细节以便提供对于本专利技术的彻底理解。然而，本 领域技术人员应当理解，在没有这样的特定细节的情况下也可以实施本专利技术。在其他情况 下，以示意图或框图的形式示出了公知的元件以便不以不必要的细节使本专利技术模糊难懂。应当理解的是，本专利技术可以以许多方式实现，包括作为过程、装置、系统、设备和方 法而实现。图1为依照现有技术的用于相对于地球3-D坐标系统测量设备10的方法的图示。 每个轴具有与其关联的设备10可能经历的特定倾斜“类型”。例如，在“y方向”上，倾斜“类 型”称为“俯仰(Pitch) ”在χ和ζ方向上，倾斜“类型”分别称为“摇摆(roll)，，和“航偏 (heading) ”。测量依照图例中所示的右手坐标系统进行。为了进行说明，假设在图1的设备10中存在“俯仰”和“摇摆”方面的倾斜。这可 以利用3D加速度计来测量。通过3D加速度计分别测量y轴、χ轴和ζ轴上的加速度。于 是，根据这些加速度测量可以容易地如下计算俯仰倾斜角和摇摆倾斜角 其中sAffly :y轴上的测量的加速度。sAfflx :χ轴上的测量的加速度。sAfflz =Z轴上的测量的加速度。TiltAnglePitch 关于 y 轴的角度TiltAngleRoll 关于 χ 轴的角度如上所述，相对于三坐标轴的倾斜的测量需要常规3D加速度计。如在以下描述中 将变得清楚明白的是，本专利技术提供了使用更少的自由度在三坐标轴上进行测量的方法和装 置。通过这种方式，可以实现测量装置的成本、功率和空间的节省。第一实施例依照如上所述使用比其他情况下在常规测量装置中需要的自由度更少的自由度 感测倾斜的第一实施例，本专利技术人已经认识到，世界坐标系的ζ轴上的测量的加速度°Aez是 常数并且等于9. 8m/s2。换言之，本专利技术人认识到，公认的是，引力场总是基本上垂直于地 面，即俯仰和摇摆方向的倾斜的竖直分量。该信息可以有利地用于上面的方程1和2，这允 许降低进行倾斜测量所需的感测度的数量。在该实施例中，常规3D加速度计可以由两个分 别用于测量χ和y轴上的倾斜的单轴加速度计替换。因此，实现了从单个3D加速度计到两 个单轴加速度计的感测度的降低。相应地，测量χ和y轴上的倾斜的方法通过使用第一加 速度计测量χ轴上的倾斜来实现。然后，使用第二加速度计并且使用下面的方程3和4中 的两个测量结果测量1轴上的倾斜 其中sAffly :y轴上的测量的加速度。sAfflx :χ轴上的测量的加速度。\ 常数 9.81m/s2TiltAnglePitch 关于 y 轴的角度TiltAngleRoll 关于 χ 轴的角度第二实施例前面的实施例描述了分别在χ和y方向上的设备10的摇摆和俯仰的单独的计算。 这两个结果在上面的方程3和4中量化。在当前实施例中，考虑计算代表设备10的摇摆和 俯仰的单个倾斜角α。现在参照图2，示出了以相对于ζ轴成任意角度α取向的设备10，其中α代表设 备10的摇摆和俯仰。为了计算角度α，首先考虑Z方向上的加速度测量结果常数且 等于9. 8m/s2这一事实如方程(5)中所示计算法向矢量 如下描述的图3a和图3b而示出。现在参照图3a，示出了处于两个不同取向30a和30b的用于测量顶部40的俯仰 (即倾斜角α)的常规水准仪30。为了利用仪器30测量倾斜角α，仪器30必须放置在顶 部40上以便形成相对于水平方向的最陡的斜坡。应当理解的是，形成最陡的斜坡是实践中 不容易实现的严格要求。例如，用于形成相对于水平方向的最陡斜坡的理想取向被示出处 于取向30a。较不理想的取向被示为取向30b。这个缺陷通过本专利技术以与水准设备30的取 向无关的方式计算倾斜角α而被克服。特别地，方程5-8提供了一种与设备取向无关地计 算代表设备30的摇摆和俯仰的单个倾斜角α的方式。有益地，通过按照上面描述的方式 计算倾斜角α，传感器的放置不是关键的。即操作者不再需要以形成相对于水平方向最陡 的斜坡的方式精确地对准(point)水准仪30。这是因为通过以上面参照方程5-8描述的方 式计算倾斜角α，该计算与正被测量的平面内水准仪30的旋转无关。现在，应当变得清楚明白的是，这个优点转移到其他的应用，包括例如附接到患者V = ^sAmxVAmy2W-Sl2 方程方程(6)_(8)描述了用于根据法向矢量V计算角度α的计算步骤，V_M,0、 0= Cos α方程这可以重新写成arccosJl-(^)2-(^)2 方程 V 0Ae 0Ae其等于IsAsAarcsin (^)2= 方程V AeAe其中sAmy :y轴上的测量的加速度。 sAmx :x轴上的测量的加速度 0Ae:常数 9.81m/s2α 平面的法线与引力场(实际的地球的ζ)之间的角度。 产生单个倾斜角α的优点在于，它代表设备10的摇摆和俯仰。这通过实例参照7四肢的无线传感器。这些无线传感器可以平移、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测最小数量的自由度测量物体的倾斜的方法，该方法包括：ａ）通过第一轴的方向上的测量的加速度测量第一运动传感器沿着所述第一轴的倾斜；ｂ）通过第二轴的方向上的测量的加速度测量第二运动传感器沿着所述第二轴的倾斜；ｃ）根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以及沿着第三轴的已知加速度计算所述物体相对于所述第一轴的倾斜角；ｄ）根据沿着所述第二轴的所述测量的倾斜以及沿着所述第三轴的已知加速度计算所述物体相对于所述第二轴的另一倾斜角。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：EGJM邦格斯，VMG范阿克特，N拉姆伯特，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]