陀螺儀傳感器的標定設備和方法技術

本公開的實施例涉及一種用于在產品正常運行期間通過利用磁傳感器測量值和后臺計算來標定陀螺儀傳感器的方法和裝置。在一個實施例中，磁傳感器測量值被用于通過比較測量的磁場矢量方位及其由陀螺儀積分算出的預期方位來調節陀螺儀的增益。后臺處理針對陀螺儀增益的各種數值不斷地比較這種不一致并選擇在平均意義上使這種誤差最小化的一種。在一個實施例中，由陀螺儀積分獲得的設備方位通過使用磁傳感器測量值來改進。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開涉及裝有磁傳感器的設備，并且更具體地涉及包括慣性陀螺儀傳感器的系統。
技術介紹
低成本的慣性傳感器和其他傳感器在各種消費類電子設備例如智能手機、游戲控制器和多種其他產品中已經變得非常普及。這就對開發人員提出了很有挑戰性的要求。產品越便宜，其用戶能夠接受的技術復雜程度就越低，并且產品即使在使用低成本低精度的傳感器時也應該提供可靠耐用和輕松簡便的操作體驗。在設備制造中的慣用做法是在設備制造時就標定由設備使用的所有傳感器，然后再將設備運送給用戶。因此，所謂的出廠標定可以利用特定設備、可控的環境和專業人員來非常準確地完成。但是，到產品被用戶使用時，傳感器的標定會由于溫度改變、電池電壓的不同以及設計工程師難以控制的其他影響因素而失效。該準確標定的問題對于傳感器來說特別重要，為了在導航或姿態確定的解決方案中使用，傳感器需要針對時間進行積分。由于積分，標定誤差會隨著時間而增大并且很快就會使得到的結果無法接受。這就意味著為了確保設備操作準確，對于在設備中使用的每一個傳感器都應該有合適的軟件和算法以允許自主實時標定例如在設備正常運行期間由于上述環境因素而產生的信號漂移和有效增益改變這樣的影響。換句話說，實用的設計必須加入自主監測并實時調節傳感器標定參數的內部算法。這還意味著應該有允許降低傳感器積分誤差影響的方法。因此，本公開的一個目標是通過提供一種在設備正常運行期間實時自動調節陀螺儀傳感器標定參數的方法來解決一個或多個上述難題。本公開還有一個目標是提供一種允許減小陀螺儀積分誤差的方法。當前典型的系統具有全套的傳感器例如3軸加速度計、3軸磁傳感器和3軸陀螺儀傳感器。所有這些傳感器都需要標定以允許有效使用。最常見的加速度計標定方法是利用系統靜止時的時間點和利用重力矢量作為固有標準以確定加速度計的偏置和增益。這些靜止的情形可以由用戶在用戶標定期間設定或者在實時操作期間來檢測，例如通過美國專利US5991692中介紹的“靜止狀態檢測器”，原因就是在靜止的位置只有重力矢量才能影響加速度計的讀數。利用設備在不同方位的多個測量值即可執行完整的加速度計標定。作為一個示例可參見美國專利US6729176。磁傳感器通常利用天然的地球磁場進行標定。正如公開號為20090070056的美國專利申請中所述，標定可以通過記錄幾種預定設備方位下的測量值來完成，或者作為后臺進程利用計算或用戶標定的設備三維運動來完成。這樣的過程在每一次執行標定時都會構建新的標定參數。由于GPS傳感器已得到廣泛應用并且在使用了磁傳感器的導航系統中十分常見，因此經常通過比較GPS速度矢量的方向和由磁傳感器獲取的方向而將GPS傳感器用于磁傳感器的標定。然后使用卡爾曼濾波器的直接計算過程來得出所需用于磁傳感器的標定參數。需要付出大量的體力勞動才能允許本領域普通技術人員通過使用天然和固有的已為公知且在地球上的任何位置都已用高精度列表的地球重力和地球磁場以及通過使用另外的傳感器例如GPS傳感器和溫度傳感器來得出準確標定設備內使用的磁傳感器和加速度計傳感器的適當過程。正如本領域技術人員所知的那樣，在根據精確標定的磁傳感器和重力傳感器的測量值得出設備方位時，每一種姿態的確定都是獨立的。因此，在確定磁場和重力矢量的方向中不可避免的誤差并不隨著時間而累積。恰恰相反，通過平滑處理得到的軌跡就能夠減小每一個軌跡點中的方位誤差。但是，在設備經歷未知加速的情況下，內部加速度計無法被用于確定跟地球重力矢量相關的設備方位。單獨用磁場矢量不足以恢復設備方位，單根GPS天線也不能被用于恢復主體方位。在這樣的情況下我們沒有其他的可選手段而只能使用陀螺儀傳感器來確定設備的三維方位。陀螺儀傳感器測量圍繞其自身坐標軸的轉速。在準確積分時，這就可以提供偏離其初始方位的三維主體總旋轉量。但是，由于陀螺儀信號必須被積分以獲得方位，因此陀螺儀偏置或增益中的任何誤差都會隨著時間而快速增大。假設能夠檢測不存在旋轉的時間點，那么陀螺儀偏置就可以通過觀測這種時間點時的陀螺儀信號來確定。但是，為了標定陀螺儀增益，我們需要圍繞每一根軸線執行非常準確和已知的旋轉，這一點即使在出廠設置下也很難實現，并且對于現場實時標定來說更是幾乎不可能實現。Tekawy等人的美國專利US7667645、US7393422利用多根GPS天線中來自不同GPS衛星的功率差來標定陀螺儀的漂移。Drag等人的美國專利US7657183將光學傳感器用作主要的標定方法。該專利提到了陀螺儀可以利用這些光學信號進行標定，但是并未解釋如何才能做到。Achkar等人的美國專利US5562266還使用了太陽和北極檢測器以通過卡爾曼濾波器來估算陀螺儀的漂移(偏置)，這也類似于由Basuthakur等人在美國專利US5452869中使用的方法。因此，現有的增益標定方法需要依賴于設備軌跡方位的外部確定，通常有用于車輛的GPS、用于衛星的尋星儀或者用于水下裝置的聲納等。但是，這些方法在設備經歷獨立于其自身軌跡的旋轉時無法工作，而這對于手持式設備來說是很常見的情況。本公開的一個目標是提供一種在設備正常運行期間實時自動調節陀螺儀傳感器標定參數的實用且有效的方法。本公開還有一個目標是提供一種提高設備方位確定精度的實用且有效的方法。
技術實現思路
本公開指導本領域技術人員在通過本領域技術人員已知的任何方法進行標定之前如何使用磁傳感器的測量值執行適當的實時計算并執行陀螺儀傳感器的積分以確定對陀螺儀傳感器增益的校正。本公開注意到如果陀螺儀傳感器被準確標定，那么通過陀螺儀信號的準確積分算出的設備旋轉就應該將磁場矢量的分量從其在積分開始的時間點時的方位轉動至其在陀螺儀積分結束的時間點時的觀測方位。因此在觀測和旋轉的磁場矢量之間任何測量到的不匹配都可以用于改進陀螺儀傳感器的標定。 通過建立這樣的測量值接近度，本公開的教導是陀螺儀標定誤差越大，這種不匹配的測量值就會變得越大，并且這種測量的最小值就對應于陀螺儀傳感器的最佳標定。因此，如果在使用的陀螺儀參數以及測量和估算的磁場矢量方位間的誤差之間建立起關聯，那么陀螺儀標定參數的正確值即可得出該水平下的最小值。本公開還教導本領域技術人員由陀螺儀積分計算出的設備方位可以通過確保算出的旋轉量跟磁場矢量的觀測方位相符而得到改進。本公開的一個實施例是一種設備，包括具有相關存儲器的微處理器；設備內的至少兩組獨立傳感器，能夠測量設備的三維方位和/或三維運動，其中至少一個傳感器組在設備運動開始時并未很好地標定；以及可以在微處理器內運行的微處理器程序。該程序執行以下步驟:a)以時間點序列t=0，I, -k讀取、存儲并處理來自傳感器的傳感器數據；b)利用t=0，I, -k時的傳感器數據估算t=k時的設備三維方位；c)通過使用針對先前時間點t=m,…k,0〈=m〈=k的傳感器測量值來預測一組上述傳感器在下一個時間點t=(k+l)的值；d)構建傳感器預測值和傳感器觀測值之間的差異；以及e)利用差異來連續地改進確定的上述估算設備三維方位和/或用于標定在設備運動開始時并未很好標定的傳感器組。在設備的一個實施例中，傳感器組是磁傳感器組和陀螺儀傳感器組。在一個實施例中，陀螺儀傳感器組在設備運動開始時并未很好地標定。在一個實施例中，一種標定陀螺儀傳感器組的方法包括:在預本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.11.08 US 61/456,4671.一種設備，包括: 設備中具有相關存儲器的微處理器； 設備中能夠測量設備三維方位和/或三維運動的至少兩組獨立傳感器，其中至少一個傳感器組在設備運動開始時并未很好地標定； 可以在微處理器內運行的微處理器程序，用于執行以下步驟: a)以時間點序列t=0，I,-k讀取、存儲并處理來自傳感器的傳感器數據； b)利用t=0,I, ---k時的傳感器數據估算t=k時的設備三維方位； c)通過使用針對先前時間點t=m,…k,0〈=m〈=k的傳感器測量值來預測一組上述傳感器在下一個時間點t=(k+l)的值； d)構建傳感器預測值和傳感器觀測值之間的差異； e)利用差異來連續地改進確定的上述估算設備三維方位和/或用于標定在設備運動開始時并未很好標定的傳感器組。2.如權利要求1所述的設備，其中傳感器組包括磁傳感器組和陀螺儀傳感器組。3.如權利要求2所述的設備，其中陀螺儀傳感器組在設備運動開始時并未很好地標定。4.如權利要求3所述的設備，其中一種標定陀螺儀傳感器組的方法包括: 在預定的時間段觀測陀螺儀傳感器信號； 通過應用未知陀螺儀標定參數的初估值或其標稱值之一來校正陀螺儀信號； 根據觀測的陀螺儀信號和這些校正的陀螺儀信號來確定該時間段期間感知的設備方位改變； 比較積分時段開始和結束時的磁傳感器數值，通過得出的設備方位改變進行適當校正；然后 通過應用由觀測和標稱的旋轉校正磁場信號之間的差異測量值得出的校正來校正陀螺儀標定參數的初始值。5.如權利要求4所述的設備，其中僅確定一個標定參數用于所有的陀螺儀信道。6.如權利要求5所述的設備，其中標定參數是對標稱值的未知陀螺儀增益校正。7.如權利要求5所述的設備，其中標定參數是對標稱值的未知陀螺儀偏置校正。8.如權利要求4所述的設備，其中所述時間段結束時的磁場信號和所述時間段開始時磁場矢量的旋轉校正值之間的差異測量值是這兩個矢量的矢量差的矢量范數。9.如權利要求4所述的設備，其中在相同的時間間隔下，多種可選的旋轉量通過標定時不同的陀螺儀參數假定值來確定。10.如權利要求4所述的設備，其中在不同的時間間隔下將不同的陀螺儀標定參數值用于旋轉量的確定。11.如權利要求4所述的設備，其中標定參數通過尋找能夠對算出的觀測和旋轉校正的磁場信號之間的差異測量值得到最小值的這種參數組合來確定。12.如權利要求2所述的設備，進一步包括通過以下步驟確定設備的旋轉量: 在預定的時間段觀測陀螺儀傳感器信號； 通過應用陀螺儀標定參數來校正陀螺儀信號； 根據觀測的陀螺儀信號和這些校正的陀螺儀信號來確定該時間段期間感知的設備方位改變； 觀測該時間段開始和結束時的磁傳感器信號； 通過應用磁場標定參數來校正磁傳感器信號； 確定該時間段期間跟標定校正的磁傳感器信號的觀測改變相符并且與根據陀螺儀信號確定的旋轉量最接近的設備方位感知改變；然后 將該時間間隔期間的設備旋轉量確定為由陀螺儀傳感器得出的旋轉量以及跟磁傳感器觀測值相符的旋轉量...

【專利技術屬性】
技術研發人員：V·庫澤金，N·達瓦斯，A·M·洛克申，
申請(專利權)人：阿爾派回放股份有限公司，
類型：
國別省市：