使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法
专利名称：使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法
使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法本发明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发明。相应地，本发明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。本发明的这些和其他目的、特征和优点通过考虑以下结合附图考虑的本发明的详 细描述将是清楚明白的，在附图中
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)和本发明的 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发明的彻底理解。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发明。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发明模糊难懂。应当理解的是，本发明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，本发明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，本发明人已经认识到，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，本发明人认识到，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。这个缺陷通过本发明以与水准设备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[5]
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[6]
这可以重新写成
arccosJl-(^)2-(^)2 方程[了] V 0Ae 0Ae
其等于
IsAsA
arcsin (^)2= 方程[8]
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/s2
α 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、倾斜、旋转等等而不影响倾斜角α的测量。 因此，可以在很大程度上忽略传感器放置的不精确性。第三实施例回忆计算法向矢量V以便导出角度α的前面的实施例，所述角度是由设备10相 对于ζ轴形成的角度。在当前实施例中，代替计算法向矢量V的是，其以要描述的方式计算。再次参照图2，其示出了以相对于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。在当前实施例中，为了导出α，代替首先计算需要分别在χ和y方 向上的两个加速度测量的法向矢量V的是，使用ζ轴方向上的单个加速度计测量Amz测量法 向矢量V。使用该单个ζ轴测量，于是可以将表示平面法线与引力场ζ之间的角度的、代表 设备10的摇摆和俯仰的角度α计算为 这种方法的一个缺点在于，角度α的精度受到设备10相对于引力场的实际角度 的影响。这进一步参照图4的曲线图进行解释，图4为arcos的曲线图。如果设备10相对 于引力场的实际角度大约为Π/2，那么灵敏度最高。这导致方程(9)的精度变化。在曲线 图的Π/2范围(例如中心部分)内，所述角度愈加依赖于ζ轴加速度计的噪声。最后，上面的讨论意在仅仅说明本发明并且不应当被视为将所附权利要求限制到 任何特定的实施例或实施例组。所利用的每一种系统也可以结合另外的系统加以利用。因 此，尽管参照了其特定示例性实施例特别详细地描述了本发明，但是同样应当理解的是，在 不脱离下面的权利要求书中阐述的本发明的更宽的和预期的精神和范围的情况下，可以对 其做出许多修改和变化。因此，说明书和附图应当以说明性的方式来理解，并不预期限制所 附权利要求书的范围。在解释所附权利要求书时，应当理解的是a)措词“包括/包含”并没有排除存在给定权利要求中未列出的其他元件或动作；b)元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件；c)权利要求中的任何附图标记仅用于说明目的并且并没有限制其保护范围；d)若干“装置”可以由相同的项目或者硬件或软件实现的结构或功能来表示；以 及e)所公开的每个元件可以包括硬件部分(例如分立电子电路系统)、软件部分 (例如计算机编程)或者其任意组合。
8
权利要求
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。
2.依照权利要求1的方法，还包括显示根据分别在步骤(a)和(b)中沿着所述第一 和第二轴做出的加速度测量而得到的沿着所述第一、第二和第三轴的倾斜角。
3.依照权利要求1的方法，其中所述第一和第二传感器是加速度计。
4.依照权利要求1的方法，其中沿着所述第三轴的所述已知加速度为9.8m/s2。
5.依照权利要求1的方法，其中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的所述步骤(c)计算为sA第一轴倾斜角zarcsinj! Affly为沿着所述第一轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
6.依照权利要求1的方法，其中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的所述步骤(d)计算 为第二轴倾斜角=arCSinI^L Affl为沿着所述第二轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
7.依照权利要求1的方法，其中所述第一运动传感器是单轴传感器。
8.依照权利要求1的方法，其中所述第二运动传感器是单轴传感器。
9.一种用于感测最小数量的自由度测量物体的倾斜的倾斜传感器系统，该系统包括 用于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的装置；用于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 斜的装置；用于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的装置；用于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的装置。
10.依照权利要求9的倾斜传感器系统，还包括根据分别由所述用于测量第一运动传 感器的倾斜的装置以及所述用于测量第二运动传感器的倾斜的装置沿着所述第一和第二轴做出的加速度测量而得到的沿着所述第一、第二和第三轴的倾斜角的显示器。
11.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述第一和第二传感器是加速度计。
12.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中沿着所述第三轴的所述已知加速度为 9. 8m/s2。
13.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中用于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的装置包括 将该倾斜角计算为 第一轴倾斜角 Affly为沿着所述第一轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
14.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述用于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 角的装置包括将该倾斜角计算为第二轴倾斜角 Affl为沿着所述第二轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
15.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述第一和第二运动传感器是单轴传感ο
16. 一种用于通过感测最小数量的自由度测量相对于竖直平面成角度α取向的物体 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；以及c)根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计 算所述角度α。
17.依照权利要求16的方法，其中所述用于根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以 及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计算所述角度α的装置还包括a)将角度α的法向矢量V计算为 Amy为y轴上的测量的加速度， Afflx为χ轴上的测量的加速度，并且 Ae 为常数 9.81m/s2b)根据法向矢量V计算角度α。
18.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
19.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
20.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
21.依照权利要求16的方法，其中所述用于根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以 及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计算所述角度α的装置还包括 测量运动传感器沿着垂直于水平面的轴的倾斜；以及 将所述角度《计算为
全文摘要
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。
文档编号G01C9/00GK101910788SQ200880123358
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月29日 优先权日2007年12月28日
发明者E·G·J·M·邦格斯, N·拉姆伯特, V·M·G·范阿克特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法本发明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发明。相应地，本发明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。本发明的这些和其他目的、特征和优点通过考虑以下结合附图考虑的本发明的详 细描述将是清楚明白的，在附图中
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)和本发明的 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发明的彻底理解。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发明。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发明模糊难懂。应当理解的是，本发明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，本发明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，本发明人已经认识到，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，本发明人认识到，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。这个缺陷通过本发明以与水准设备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[5]
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[6]
这可以重新写成
arccosJl-(^)2-(^)2 方程[了] V 0Ae 0Ae
其等于
IsAsA
arcsin (^)2= 方程[8]
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/s2
α 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、倾斜、旋转等等而不影响倾斜角α的测量。 因此，可以在很大程度上忽略传感器放置的不精确性。第三实施例回忆计算法向矢量V以便导出角度α的前面的实施例，所述角度是由设备10相 对于ζ轴形成的角度。在当前实施例中，代替计算法向矢量V的是，其以要描述的方式计算。再次参照图2，其示出了以相对于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。在当前实施例中，为了导出α，代替首先计算需要分别在χ和y方 向上的两个加速度测量的法向矢量V的是，使用ζ轴方向上的单个加速度计测量Amz测量法 向矢量V。使用该单个ζ轴测量，于是可以将表示平面法线与引力场ζ之间的角度的、代表 设备10的摇摆和俯仰的角度α计算为 这种方法的一个缺点在于，角度α的精度受到设备10相对于引力场的实际角度 的影响。这进一步参照图4的曲线图进行解释，图4为arcos的曲线图。如果设备10相对 于引力场的实际角度大约为Π/2，那么灵敏度最高。这导致方程(9)的精度变化。在曲线 图的Π/2范围(例如中心部分)内，所述角度愈加依赖于ζ轴加速度计的噪声。最后，上面的讨论意在仅仅说明本发明并且不应当被视为将所附权利要求限制到 任何特定的实施例或实施例组。所利用的每一种系统也可以结合另外的系统加以利用。因 此，尽管参照了其特定示例性实施例特别详细地描述了本发明，但是同样应当理解的是，在 不脱离下面的权利要求书中阐述的本发明的更宽的和预期的精神和范围的情况下，可以对 其做出许多修改和变化。因此，说明书和附图应当以说明性的方式来理解，并不预期限制所 附权利要求书的范围。在解释所附权利要求书时，应当理解的是a)措词“包括/包含”并没有排除存在给定权利要求中未列出的其他元件或动作；b)元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件；c)权利要求中的任何附图标记仅用于说明目的并且并没有限制其保护范围；d)若干“装置”可以由相同的项目或者硬件或软件实现的结构或功能来表示；以 及e)所公开的每个元件可以包括硬件部分(例如分立电子电路系统)、软件部分 (例如计算机编程)或者其任意组合。
8
权利要求
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。
2.依照权利要求1的方法，还包括显示根据分别在步骤(a)和(b)中沿着所述第一 和第二轴做出的加速度测量而得到的沿着所述第一、第二和第三轴的倾斜角。
3.依照权利要求1的方法，其中所述第一和第二传感器是加速度计。
4.依照权利要求1的方法，其中沿着所述第三轴的所述已知加速度为9.8m/s2。
5.依照权利要求1的方法，其中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的所述步骤(c)计算为sA第一轴倾斜角zarcsinj! Affly为沿着所述第一轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
6.依照权利要求1的方法，其中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的所述步骤(d)计算 为第二轴倾斜角=arCSinI^L Affl为沿着所述第二轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
7.依照权利要求1的方法，其中所述第一运动传感器是单轴传感器。
8.依照权利要求1的方法，其中所述第二运动传感器是单轴传感器。
9.一种用于感测最小数量的自由度测量物体的倾斜的倾斜传感器系统，该系统包括 用于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的装置；用于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 斜的装置；用于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的装置；用于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的装置。
10.依照权利要求9的倾斜传感器系统，还包括根据分别由所述用于测量第一运动传 感器的倾斜的装置以及所述用于测量第二运动传感器的倾斜的装置沿着所述第一和第二轴做出的加速度测量而得到的沿着所述第一、第二和第三轴的倾斜角的显示器。
11.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述第一和第二传感器是加速度计。
12.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中沿着所述第三轴的所述已知加速度为 9. 8m/s2。
13.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中用于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的装置包括 将该倾斜角计算为 第一轴倾斜角 Affly为沿着所述第一轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
14.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述用于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 角的装置包括将该倾斜角计算为第二轴倾斜角 Affl为沿着所述第二轴的测量的加速度， Ae 为常数 9.81m/s2。
15.依照权利要求9的倾斜传感器系统，其中所述第一和第二运动传感器是单轴传感ο
16. 一种用于通过感测最小数量的自由度测量相对于竖直平面成角度α取向的物体 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；以及c)根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计 算所述角度α。
17.依照权利要求16的方法，其中所述用于根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以 及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计算所述角度α的装置还包括a)将角度α的法向矢量V计算为 Amy为y轴上的测量的加速度， Afflx为χ轴上的测量的加速度，并且 Ae 为常数 9.81m/s2b)根据法向矢量V计算角度α。
18.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
19.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
20.依照权利要求17的方法，其中根据法向矢量V将角度α计算为
21.依照权利要求16的方法，其中所述用于根据沿着所述第一轴的所述测量的倾斜以 及沿着所述第二轴的所述测量的倾斜计算所述角度α的装置还包括 测量运动传感器沿着垂直于水平面的轴的倾斜；以及 将所述角度《计算为
全文摘要
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。
文档编号G01C9/00GK101910788SQ200880123358
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月29日 优先权日2007年12月28日
发明者E·G·J·M·邦格斯, N·拉姆伯特, V·M·G·范阿克特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
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