三軸加速度計的精度調整裝置與調整方法

2023-07-09 15:01:11 5

專利名稱：：三軸加速度計的精度調整裝置與調整方法第1/10頁三軸加速度計的精度調整裝置與調整方法
技術領域：
：本發明涉及一種提高加速度計的精確度的裝置與方法，尤其涉及一種調整三軸加速度計的Og輸出與靈壽丈度的裝置與方法。
背景技術：
：加速度計是用來感應並測量加速度的裝置。通常的加速度計包括一個毫米至微米量級的感應單元以及一個信號處理集成電路。三軸加速度計可以測量到一個加速度矢量在三維方向上的三個分量大小。使用時，在三維方向^、、&上的加速度分量大小可以通過加速度計所輸出的三路輸出電壓&、^、p;來體現。當某分量的加速度發生變化時，對應的輸出電壓就會成比例地發生變化。所述輸出電壓與加速度分量的比值被定義為加速度計的"靈敏度"，通常以mV/g來計量。另一方面，對應於Og的加速度的輸出電壓定義為加速度計的0g輸出，一般此輸出電壓以mV計量。由於初始量測的誤差、溫度、溼度的差異，生產條件的差異，商用的加速度計說明書上所列的靈敏度及Og的特徵值與實際值往往存在一定的差異。
發明內容基於此，有必要提供一種可以調整三軸加速度計的精度的裝置與方法，通過該裝置與方法可以實現三軸加速度計的參數的實時調整，從而提高三軸加速度計的精度。一種調整三軸加速度計的精度的方法，其中所述加速度計感應並測量其所處加速度在三軸上的分量，包括監測所述加速度計的輸出信號，並據此判斷所述加速度計是否相對地面靜止；記錄所述加速度計保持靜止時的輸出信號；根據所述記錄的信號計算所述加速度計的靈萄文度與Og輸出；及根據所述靈敏度與Og輸出利用方程^=64(^-^。)調整所述加速度計的後續輸出信號，其中itH;c,y，力，^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，&為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，K。為該軸向的Og輸出大小。利用上述調整三軸加速度計的精度的方法，可以利用加速度計的輸出信號計算得到更為精確的參數，據此進行調整可以提高三軸加速度計的精度。在優選的實施方式中，所述靈敏度與所述Og輸出由以下方程確定l=飢-。2+飢力)2+-。2。上述調整三軸加速度計的精度的方法在加速度計的三個軸向上分別調整靈敏度與Og輸出，比各軸上使用相同的參數而言可以更進一步提高其精度。在優選的實施方式中，所述記錄的輸出信號至少有一組，所述加速度計的所述靈敏度參數與所述Og輸出參數由遞歸最小二乘法計算而得。利用該方法，可以用較少的數據量即可計算確定所述加速度計的靈敏度參數與Og輸出參數，可以節省計算時所需的軟硬體容量。一種調整三軸加速度計的精度的方法，其中所述加速度計感應並測量其所處加速度在三軸上的分量，包括採用所述加速度計的典型值為初始值；監視所述加速度計的輸出，並據此確定所述加速度計是否處於靜止狀態；提取所述加速度計處於靜止狀態時的一組輸出信號；根據所述一組輸出信號及所述初始值計算所述加速度計的靈敏度與Og輸出；根據所述靈敏度與Og輸出利用方程^=<^(^-^。)調整所^口速度計的後續輸出信號，其中A-"j,"，^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，《為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，K。為該軸向的Og輸出大小。利用上述調整三軸加速度計的精度的方法，可以利用少量的加速度計的輸出信號即可計算得到更為精確的參數，據此進行調整可以提高三軸加速度計的精度。在優選的實施方式中，所述靈敏度與所述Og輸出由以下方程確定l=飢-。2+飢-、。)2+GZ2(FZ-。2。上述調整三軸加速度計的精度的方法在加速度計的三個軸向上分別調整靈敏度與Og輸出，比各軸上使用相同的參數而言可以更進一步提高其精度。一種調整三軸加速度計的精度的裝置，包括加速度計，用於感應並測量其所受的加速度在三維方向上的分量大小，所述加速度計在三個軸向分別具有靈敏度參數與Og輸出參數，並分別輸出對應於三個軸向的加速度分量大小的三個輸出信號；精度調整單元，用於接收所述加速度計的輸出信號，並計算至少一個所述靈敏度參數與Og輸出參數；處理器，用於輸出根據所述處理器所計算的所述至少一個所述靈敏度參數與Og輸出參數而調整的輸出信號。在優選的實施方式中，所述輸出信號的調整利用以下方程&=《(K-K。)進行，其中*=&,:^},^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，c^為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，^。為該軸向的Og輸出大小。利用上述調整三軸加速度計的精度的裝置，可以利用加速度計的在被認為是靜止時刻的輸出信號計算得到更為精確的參數，據此進行調整可以提高三軸加速度計的輸出信號的精確度。在優選的實施方式中，所述靈敏度與所述Og輸出由以下方程確定formulaseeoriginaldocumentpage7上述調整三軸加速度計的精度的方法在加速度計的三個軸向上分別調整靈敏度與Og輸出，比各軸上使用相同的參數而言可以更進一步提高其精度。一種調整三軸加速度計的精度的裝置，包括連接三軸加速度計的接口；計算三軸加速度計的靈敏度參數與Og輸出參數的精度調整單元；將所述三軸加速度計的輸出信號送至所述精度調整單元的接口；根據所述精度調整單元計算而得的靈敏度參數與Og輸出參數調整所述三軸加速度計的輸出信號的處理器。在優選的實施方式中，所述輸出信號的調整利用以下方程&=Gfe(^-K。)進行，其中A:={a:，>^},^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，S為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，K。為該軸向的Og輸出大小。利用上述調整三軸加速度計的精度的裝置，可以利用加速度計的輸出信號計算得到更為精確的參數，據此進行調整可以提高三軸加速度計的輸出信號的精確度。圖1為一個三軸加速度計的三維座標及其可能的幾種朝向的示意圖。圖2為一個加速度矢量在各軸上的分量示意圖。圖3為本發明一個實施方式的精度調整裝置的示意圖。圖4為利用本發明一個實施方式的精度調整裝置的一個便攜裝置的結構示意圖。圖5為本發明一種實施方式的精度調整方法的流程圖。具體實施方式下面結合具體的實施例進行詳細的描述。圖1示出一個三軸加速度計的三維座標及其可能的幾種朝向。三軸加速度計可以測量出一個加速度矢量在三維方向上的分量大小。使用時，該加速度矢量在三維方向上的分量大小(A、"""z)分別由三個輸出信號(K、^、來表示。加速度計的設計可以使得各加速度分量的變化可以由對應輸出信號的成比例變化來體現；這種比例被稱為該加速度計的"靈敏度"。當加速度計處於Og的加速度時，對應的輸出信號可能不會是OV，這種非OV的輸出被稱為"Og輸出"。因此，各軸方向的加速度分量(ax、、az)與對應的輸出電壓(Fx、^、^)的關係可以表示為formulaseeoriginaldocumentpage9(1b)"jG,廣。(1C)其中，G,、G"《是相應的靈敏度的倒數，^。、。、^。是各軸向所對應的Og輸出。表1分別列出了飛思卡爾的MMA7361L三軸加速度計的最小、典型、最大的靈敏度與Og輸出。由於感應單元的物理特性隨環境變化而變化，加之元件老化等頑固，靈敏度與Og輸出可能會發生變化。因此，加速度計需要經常調整以保證精密性與有效性。表1tableseeoriginaldocumentpage9加速度計在使用中，各軸向的靈敏度與Og輸出不盡相同。因此，對三軸加速度計而言，調整便意味著要分別找到在三個軸上的G,、G"《與k。、&。、r2。，亦即六個參數。如圖2所示，假設加速度矢量在三軸上的分量分別是"，、、"z，則該加速度矢量的模可以表示為formulaseeoriginaldocumentpage9(2)將(1a)、(1b)、(1c)代入上式，可得formulaseeoriginaldocumentpage9(3)根據加速度計的設計與工作原理，多數的商用加速度計在相對地面保持靜止時，僅受到重力作用，因此其所受的加速度矢量的模為lo卜i。此時，(3)式變為formulaseeoriginaldocumentpage9(4)在上述(4)式中，G,、G"Gz、k。、f;。、^。是六個未知的需要確定的特徵值，而k、^、k是加速度計的輸出信號。記錄加速度計的若干組輸出信號後，即可形成一組方程組，從而解出G,、Gy、Gz、kq、^。、k。。(4)式可變換為++(5)=0令^=A:G,,5=Ky,dz=;tGz(6)其中"1V(gz。)2+(g力。)2+(g凡)2-1，從而可以得到+[-2《^k-2d，"p;-2《k。k]+1=0變換得《2+《2+《+《+,z=-1其中e=《V"(7)從而，在給定若干組輸出信號&、^、rzlk2、rz2........FOT、、、(其中"w)的情況下，求解&、gz、k。、p;。、k。的問題變為求解a、6、c、t/、e、/的問題。令formulaseeoriginaldocumentpage11其中角標r代表矩陣的轉置，3是一個/7xi的矩陣，其中的元素均為-1。根據上式(8)，可以得到1=5(9)根據(9)式求解出x,即可得到其中各元素fl、6、c、d、e、/，從而即可得到靈敏度的倒數與0g輸出。求解上述;r的方法有很多，在此不再贅述。例如，(9)式的最小二乘法方程為^(10)得到；r後，其中的元素"、6、c、J、"/即可得到，從而可以得到《、^、6、k。、&。、k。。再根據(6)式即可得到靈敏度的倒數&、Gy、Gz。上述根據本發明第一種實施方式的方法被稱為"滿秩處理"方法，該方法需要將矩陣^的行全部填滿且滿秩後方可進行計算，亦意味著若在實際調整中利用硬體計算時需要較大的存儲容量來存儲上述矩陣的各元素。根據本發明的第二種實施方式，可以利用一種步進的方式計算出上述參數。該方法僅需要一組數據即可利用遞歸最小二乘法來進行計算。所述遞歸最小二乘法在此不再贅述。若利用遞歸最小二乘法來求解上述參數，資料表中所列的特徵值可被當作最初的x。進行遞歸計算。令"。即(^2,^。2，^2,^,^。,^)為矩陣^的初始列向量，屍。為一個6x6的矩陣，其元素為極大值(利用雙精度計算值為1012),從而可以計算formulaseeoriginaldocumentpage11formulaseeoriginaldocumentpage12計算得出義M後，其中的元素"、6、c、t/、e、/可得，G,、Gy、Gz、K。、&。、^即可根據(6)和(7)計算得出。圖3示出根據本發明一個實施方式的精度調整裝置的示意圖。所述精度調整裝置10利用三軸加速度計(圖未示)的輸出信號^、r,、^進行計算。若三軸加速度計的輸入(即三軸加速度計所處的狀態)被認為是靜止時，其輸出即被送到遞歸最小二乘計算模塊102，用以計算靈敏度的倒數及所述Og輸出&、G"Gz、K。、&。、^。。所計算出的靈敏度的倒數及Og輸出隨即可用於調整加速度計的後續輸出。應當說明的是，所述靈敏度的倒數及所述Og輸出的計算不應限於上述兩種實施方式中所列的如遞歸最小二乘法等方法。所述遞歸最小二乘法僅為舉例說明，亦可用最小二乘法或其他算法代替上述方法來進行計算。利用了上述精度調整裝置，加速度計的精確度可以得到提高，而由於調整該加速度計的時間減少了，並且良品率得到顯著提高，因此生產加速度計的生產成本可以得到降低。圖4示出了利用了本發明而可進行精度調整的一種便攜裝置的示意圖。該便攜裝置可以被當作一種功能設備，其包括至少一個加速度計202、一個精度調整單元204及一個處理器206。精度調整單元202由加速度計202處接收至少一組數據F,、^、並由處理器206進行上述的精度調整的處理與計算，以調整加速度計的輸出精度。較佳地，該便攜裝置可進一步包括存儲器(圖未示)來存儲數據，或至少一個輸入單元208和一個輸出單元210，用來作為人機介面。如圖4所示，根據方式A，該精度調整單元204可以與加速度計202集成在一起；根據方式B,該精度調整單元204可以與處理器206集成在一起。在其他實施方式中，該精度調整單元還可以單獨地以硬體或軟體的形式存在。以下說明根據本發明一種實施方式的精度調整方法。該方法以上述一精度調整裝置及一加速度計為例進行說明，該加速度計持續輸出模擬的電壓信號^、^;、k。如圖5所示，根據該實施方式的精度調整方法的流程中綜合了以上所述兩種計算方法。步驟S400，以觸發一個按鈕、一組按鈕組合或由時鐘觸發而開始所述精度調整方法。步驟S401,當接收到觸發信號後，精度調整裝置持續地監測並採樣加速度計的輸出信號。為了使加速度計的輸出達到前述的僅受重力作用下的1g輸出，作為一種實施方式，該裝置僅會採用加速度計在0.5秒鐘內保持瞬態靜止時所輸出的信號，而忽略掉其他信號。該精度調整裝置會一直採樣加速度計的輸出信號，直至用戶終止所述進程。作為步驟S401的一種實施方式，若需成功採樣在0.5秒種時間內保持瞬態靜止的數據，可以通過監控加速度計的若干組輸出信號而形成的窗口達到上述目的。計算所述若干組輸出信號的均值與標準差，並與預先設定的閾值進行比較，若不超過所述閾值則表明所述加速度計處於靜止狀態或恆定加速度狀態，即可釆樣一組輸出信號作為下一步驟的數據；若所述均值與標準差超過所述閾值，則捨棄該組輸出信號，並且繼續計算下一數據窗口的輸出信號是否符合要求。步驟S402,根據所接收到的數據計算在該組數據時加速度計所處的狀態，即當時該加速度計所處的加速度大小，並計算其與1g的偏值。若確定當時的加速度值與1g的偏值大於預定的閾值大小，則表明當時加速度計處於恆定加速度狀態，該組數據被捨棄；若確定當時的加速度值與1g的偏值小於預定的閾值大小，則認為當時加速度計處於靜止狀態，該組數據即被填入到前述矩陣j,用於隨後的計算。步驟S403,若矩陣^尚未填滿，則式(9)所需的系統尚未形成，從而此矩陣^中的數據尚不足以用來計算所述六個未知的參數。然而，在此情況下，可以利用資料表中所列的典型值作為樣本來進行前述的"步進"計算。步驟S411,利用前述"步進"的方式，利用式(11)、式(12)進行計算，並得到jrw中的各元素o、6、c、^、e、/。步驟S412,得到符合要求的％+1後，利用式(6)、式(7)計算得出所述六個參數&、G"Gz、K。、&。、乙。。步驟S404，若矩陣^已滿秩，則可以進行前述的"滿秩處理"計算方式。利用式(10)計算得到所述矩陣X，從而獲知其中的各元素fl、6、c、麼e、/。步驟S405，得到矩陣Z後，利用式(6)、式(7)計算得出所述六個參數《、G"Gz、F,0、&0、K0。表2示出了使用上述方法所計算得出的一個示例結果。由表2可以看出，無論是0g輸出還是靈敏度在各軸向都有不同的值，並與典型值均有不同程度的差異。由此可見，對各軸向的Og輸出及靈敏度進行分別的調整是必要的。表2tableseeoriginaldocumentpage14以上所述實施例《又表達了本發明的幾種實施方式，其描述4交為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。權利要求1、一種調整三軸加速度計的精度的方法，其中所述加速度計感應並測量其所處加速度在三軸上的分量，包括監測所述加速度計的輸出信號，並據此判斷所述加速度計是否相對地面靜止；記錄所述加速度計保持靜止時的輸出信號；根據所述記錄的輸出信號計算所述加速度計的靈敏度參數與0g輸出參數；及根據所述靈敏度參數與所述0g輸出參數利用方程ak＝Gk(Vk-Vk0)調整所述加速度計的後續輸出信號，其中k＝{x，y，z}，ak為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，Gk為對應軸向的靈敏度的倒數，Vk為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，Vk0為該軸向的0g輸出大小。2、根據權利要求1所述的調整三軸加速度計的精度的方法，其特徵在於所述靈敏度參數與所述0g輸出參數由以下方程確定1=-K。)2+-&。)2+Gz2(Fz-K0)2。3、根據權利要求1所述的調整三軸加速度計的精度的方法，其特徵在於所述記錄的輸出信號至少有一組，所述加速度計的所述靈敏度參數與所述0g輸出參數由遞歸最小二乘法計算而得。4、一種調整三軸加速度計的精度的方法，其中所述加速度計感應並測量其所處加速度在三軸上的分量，包括採用所述加速度計的典型值為初始值；監視所述加速度計的輸出，並據此確定所述加速度計是否處於靜止狀態；提取所述加速度計處於靜止狀態時的一組輸出信號；根據所述一組輸出信號及所述初始值計算所述加速度計的靈敏度與0g輸出；根據所述靈敏度與0g輸出利用方程^=GA(^-^。)調整所述加速度計的後續輸出信號，其中*={;^,2}，^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，^為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，R。為該軸向的0g輸出大小。5、根據權利要求4所述的調整三軸加速度計的精度的方法，其特徵在於所述靈敏度與所述Og輸出由以下方程確定formulaseeoriginaldocumentpage36、一種調整三軸加速度計的精度的裝置，包括加速度計，用於感應並測量其所受的加速度在三維方向上的分量大小，所述加速度計在三個軸向分別具有靈敏度參數與Og輸出參數，並分別輸出對應於三個軸向的加速度分量大小的三個輸出信號；精度調整單元，用於接收所述加速度計的輸出信號，並計算至少一個所述靈敏度參數與Og輸出參數；處理器，用於輸出根據所述處理器所計算的所述至少一個所述靈敏度參數與Og輸出參數而調整的輸出信號。7、根據權利要求6所述的調整三軸加速度計的精度的裝置，其特徵在於所述輸出信號的調整利用以下方程&=Gt-K。)進行，其中JtHx,y力，^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，G為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，K。為該軸向的0g輸出大小。8、根據權利要求7所述的調整三軸加速度計的精度的裝置，其特徵在於所述靈敏度與所述Og輸出由以下方程確定formulaseeoriginaldocumentpage39、一種調整三軸加速度計的精度的裝置，包括連接三軸加速度計的接口；計算三軸加速度計的靈敏度參數與0g輸出參數的精度調整單元；將所述三軸加速度計的輸出信號送至所述精度調整單元的接口；根據所述精度調整單元計算而得的靈敏度參數與0g輸出參數調整所述三軸加速度計的輸出信號的處理器。10、根據權利要求9所述的調整三軸加速度計的精度的裝置，其特徵在於所述輸出信號的調整利用以下方程"t=-K。)進行，其中A:={;0,4,^為所述加速度計所受的加速度在軸向的分量大小，Gt為對應軸向的靈敏度的倒數，^為加速度計所輸出的對應於該軸向的信號，^。為該軸向的0g輸出大小。全文摘要一種調整三軸加速度計的精度的方法，包括如下步驟監測所述加速度計的輸出信號，並據此判斷所述加速度計是否相對地面靜止；記錄所述加速度計保持靜止時的輸出信號；根據所述記錄的信號計算所述加速度計的靈敏度與0g輸出；及根據所述靈敏度與0g輸出利用方程ak＝Gk(Vk-Vk0)調整所述加速度計的後續輸出信號。利用上述調整三軸加速度計的精度的方法，可以利用加速度計的輸出信號計算得到更為精確的參數，據此進行調整可以提高三軸加速度計的精度。此外，還提供了一種調整三軸加速度計的精度的裝置。文檔編號G01P21/00GK101685102SQ20091010672公開日2010年3月31日申請日期2009年4月17日優先權日2009年4月17日發明者陳繼健,馬楚天申請人:幻音科技(深圳)有限公司;幻音數碼有限公司