基于传感器的定向系统技术方案

本发明专利技术涉及基于传感器的定向系统。本发明专利技术揭示一种使用线性加速度计测量物体的位置变化的方法，所述位置变化包含绕任一或全部三个轴的旋转。揭示一种使用一线性加速度计整合其它两个3D线性加速度计以测量并提供六维信息(即，三维平移及绕三个轴的旋转)以供进一步使用的方法。使用两个线性加速度计传感器来确定六个自由度中除一个之外的所有变量。来自第三加速度计的输出产生确定第六旋转自由度所需的数据。因此可避免需要陀螺仪来检测航向上的变化(即，偏航或方位)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体来说涉及定向系统，且更特定来说涉及一种用于感测移动体中的滚动、俯仰及偏航以及所述体在三维空间中的线性平移的方法及设备。
技术介绍
存在各种各样可供用于检测或测量物理条件或现象的传感器。一种通常部署在许多工业、商业或科学环境中的传感器为线性加速度计。通过检测地球重力向量的方向，可使用“3D”加速度计的线性来测量物体的平移(没有角旋转的线性移动)，且其也可感测“倾斜”(例如与“滚动”或“俯仰”相关联的角加速度)、自由降落及冲击。不同类型及灵敏度的加速度计可通过采用各种物理现象中的任一者来起作用，例如小球的滚动、导电或重质液体的移位/流动、钟摆的摆动或具有不同准确性及灵敏度的其它机械装置。更精密的已知线性加速度计可通过地球磁场或采用其它磁或光学现象来感测移动。然而，目前使用常规的具有成本效益的线性加速度计来区分线性运动(相对于普通笛卡尔坐标系的加速度)与装置定向的变化及滚动或俯仰的对应变化(即，角加速度) 是困难的或不可能的。通过常规的线性加速度计完全不能感测到移动物体的“航向”或偏航的变化。相对昂贵、复杂且精巧的陀螺仪通常用作用于感测旋转自由度的移位或变化(例如，可移动物体的偏航、滚动或俯仰)的装置。通常地，使用三个陀螺仪，其中每旋转轴一个，尽管微电子机械系统(MEMQ技术中的近期发展允许两轴陀螺仪的发展。因此，所属
中需要一种使用相对简单的加速度计传感器可靠地测量物体的全部六个自由度的移动(其中包含偏航以及滚动和俯仰的变化)的方法及装置。
技术实现思路
本文所揭示实施例通过提供一种用于测量实际上任何可移动物体的全部六个自由度的移动的过程及设备来满足上述需要。三个线性加速度计产生这一测量所需要的所有数据。两个加速度计提供需用于检测与那些加速度计相关联的共线的两个点的位置的变化，而与前两个加速度计非共线设置的第三加速度计产生足以计量连接前两个加速度计的虚轴方向或定向的变化(如果存在)的数据。附图说明图1是所显示关于局部水平平面且具有所描绘的选定坐标轴的现有技术加速度计或“倾斜”传感器的透视图；图2显示本专利技术的一方面，其中在度量板上有三个加速度计传感器以用于测量关于六个自由度的运动的加速度。图3显示四个垂直对准的加速度计传感器的阵列及对应于每一传感器的轴的输出数据，且还显示两个水平对准的传感器，其中一个相对于另一个是反向的且具有对应的输出数据；图4是图解说明对对应于既定倾斜角τ的坐标系的X轴上加速度的变化的确定的几何图；图5图解说明度量板上经历线性平移的两个加速度计型传感器的输出感测；图6图解说明经历绕轴S-S的旋转的度量板上两个加速度计型传感器的相对输出感测；图7是显示三个加速度计传感器与时钟和MPROC组合之间的操作连接的简图；且图8是描绘本专利技术方法的一方面的流程图。具体实施例方式本专利技术所揭示方法准许感测及测量物体的定向及线性运动，预期，所揭示方法将发现各种各样的领域及环境中的有益应用，其包含但不限于航空及陆地运输、电信、远程感测及摄影、对人或货物的电子追踪及监视、人、产品及消费者电子产品的安全。通过本专利技术所揭示方法，可以可靠地测量选定物体的线性运动及三维定向。然后可以任何适当方式向其它系统组件或处理器传输所述运动及由此产生的位置数据。例如， 可将对三维位置上不期望的变化的测量提供给(例如)姿势控制系统以准许矫正从适当的定向(例如，相对于垂直)的偏离。或者，通过进一步实例，如果物体的加速度及定向经测量同时落到预定参数之外，则可发信号通知并激励警告系统。在消费者电子产品中，可使用六维信息来控制例如操纵杆的游戏装置，允许输入及菜单选择方面的用户交互作用，并提供数字照相机及摄相机的图像稳定性。各种不同类型及功能的线性加速度计广泛地用于科学及工业应用的宽广范围中。 三维加速度计通常可以若干不同等级的精密度及费用来使用，且属于最广泛使用的微机械系统(MEMQ传感器。图1显示用作倾斜传感器的常规线性加速度计。加速度计传感器可感测线性运动(也就是任何平面中的平移，例如局部水平平面)；可参照至少两个轴(例如，Xh 与Xy)来测量所述平移。这一加速度计也可提供对物体的倾斜(如图1所示滚动或俯仰) 的测量。因此，使用单个3D加速度计可感测笛卡尔坐标空间(x，y，z)中的物体运动，且可感测重力的方向以估计物体的滚动(τ)及俯仰(φ)。本专利技术方法及设备的显著优点是，三个一组的此类普遍可用且相对可负担得起的3D加速度计的可在功能上组合以感测偏航的第六变量的变化，也常常称为方位或“航向”(Ψ)。请参照图2。根据本专利技术，两个优选地但不必要相同的3D加速度计20、20'以间隔关系部署在与所关注物体(例如，汽车、电信、无线或照相装置、飞机等等)相关联的度量板22上。只要两个加速度计20、20'的线性间隔距离相对于经搜索以被监视的运动程度的距离是固定的且有效的，则其在三维空间中的精确部署就不是关键的。在一个实施例中，加速度计20、20'位于平面板22的近似对角的角处。可认为每一加速度计均具有局部水平平面25、25'，其中平面25、25'可含纳于度量板22中或与其平行。板22可固定在将要感测及监视其平移及旋转的物体或装置(未显示)上。本专利技术提供一种将第一 20及第二 20'加速度计的输出与第三加速度计23整合在一起以提供所搜索的“六维”数据矩阵(Χ，Υ，ζ,τ,φ，Ψ)的方法。由于线性加速度计提供第二动量测量，所以必须对由加速度计20、20'、23做出的运动测量一次求积分以获得变化的速率(线性或角速度上的)，且然后第二次求积分以获得绝对测量，也就是位置的变化或倾斜。对图2的考虑表明，不可只由两个加速度计20、20'完全检测的唯一运动程度是绕连接那两个加速度计20、20'的线所界定的虚轴R-R的旋转。根据板22相对于所关注物体的定向，这一旋转可对应于滚动(τ)、俯仰(φ)或偏航(ψ)的变化，以致于两感测器装置不足以可靠地检测所有三种类型的旋转。本专利技术揭示了一种集成两个三维线性加速度计以测量和提供六维(x，y,z,τ, φ,ψ)信息的方法，两个三维加速度计在平面板上对角布置可以感测线性移动-传感器产生类似输出(参见图幻，和感测定向变化-传感器产生相对输出 (参见图6)。图3以图的方式图解说明加速度计传感器的输出响应与相对于重力的定向的关系。如果注明每一传感器的个别定向，则相对于每一轴对传感器阵列中的每一传感器的灵敏度来测量重力加速度。图中所显示的是四个传感器的阵列(或者是在不同时间在四个不同位置处描绘的单个传感器)，其定向是可观察的(注意传感器上的白色拐角标记的位置)。传感器的χ-y坐标平面(由χ与y轴灵敏度界定)平行于重力向量，因此最上方的传感器指示零输出，除非因沿χ轴的重力而导致加速度。阵列中最下方的传感器同样仅显示重力加速度，除非因χ轴相对于最上方传感器的颠倒而以相反的“感测”输出加速度测量。 所述阵列的两侧传感器产生协调的输出，其中重力加速度分别沿两个平行但相反方向的y 灵敏度轴。应注意，所有传感器轴在设计上都是互相垂直的且任何未对准都会导致加速度测量误差。在下文论述中，假设传感器轴极佳地对准并互相垂直且传感器本身以这样的方式定位于平面22中传感器20的X，y，ζ轴与传感器20'的x，y，ζ轴极佳地对准。图3还本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于确定物体六个自由度中的定向变化的方法，其包括以下步骤：提供设置在与所述物体相关的虚轴上的第一及第二线性加速度计；使用所述第一线性加速度计测量所述物体相对于ｘ～ｙ～ｚ坐标系的第一线性移动；使用所述第二线性加速度计测量所述物体相对于ｘ～ｙ～ｚ坐标系的第二线性移动；使用所述第一、第二线性加速度计测量所述物体相对于三个旋转轴的角度旋转；依据所述第一、第二线性加速度计的测量确定所述物体的位置变化；依据所述第一、第二线性加速度计的测量确定所述物体的定向变化；在所述ｘ～ｙ～ｚ坐标系中，在第一时间指派初始坐标（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）给所述加速度计的每一者；计算所述加速度计的每一者在所述第一时间和第二时间之间由初始坐标所产生的变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：利奥尼德·谢恩布拉特，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US