高速率旋转感测的制作方法
高速率旋转感测的制作方法
【专利说明】高速率旋转感测
对相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2014年10月4日提交的美国临时专利申请序列号62/059,878的权益，所述专利申请由此通过引用被并入本文中。
【背景技术】
[0002]三维陀螺仪能够测量绕横滚(roll)、俯仰(pitch)以及偏转(yaw)坐标轴中每一个的旋转。对于在三个轴中每一个中可以测量的旋转速率，这样的三维陀螺仪具有给定的操作范围。在一些这样的陀螺仪中，操作范围可以由用户通过陀螺仪的配置改变(例如编程)来选择。不管陀螺仪是具有多个配置还是单个配置，在给定的配置中，陀螺仪额定(rated)感测绕横滚轴、俯仰轴和偏转轴中每一个的旋转的最大速率。例如，一个陀螺仪额定感测绕横滚轴的高达2000度每秒(dps)，绕俯仰轴的2000dps，以及绕偏转轴的2000dps。值得注意地，横滚、俯仰和偏转轴是关于陀螺仪本身的轴。
【发明内容】
[0003]—个实施例的目的在于惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元用于测量绕输入轴的输入旋转速率。IMU包括第一三维陀螺仪，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪被布置使得第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜(skew)角而取向，所述参考平面垂直于所述输入轴。頂U还包括耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备。IMU还包括耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
【附图说明】
[0004]下面的示例性各图意图帮助理解示例性实施例的所撰写的描述，并且不应被认为在范围方面进行限制。
[0005]图1是具有用于高速率旋转感测的偏斜的陀螺仪的示例性惯性测量单元(IMU)的框图。
[0006]图2是具有用于高速率旋转感测的两个偏斜的陀螺仪的另一示例性IMU的框图。
[0007]图3A-3C是图1或图2的頂U的相应视图，其示出了印刷电路板上的组件和IMU的壳体。
[0008]图4是确定比图1或图2的偏斜的陀螺仪的最大额定旋转速率更高的旋转速率的方法的流程图。
[0009]根据惯例，各种显示的特征不一定按比例绘制，而是被绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。
【具体实施方式】
[0010]本文描述的主题提供惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元被配置成以以下的方式来使用一个或多个陀螺仪:所述方式使得IMU能够确定比一个或多个陀螺仪的最大额定旋转速率更高的旋转速率。
[0011]图1是这样的IMU 100的示例的横截面视图。IMU 100包括两个陀螺仪102、104、加速度计106和磁力计108。在示例中，传感器102、104、106、108中的每一个都是三维(即三轴)传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的相应现象。然而，在任何情况下，陀螺仪102、104中的至少一个是被配置成感测绕横滚、俯仰和偏转轴中每一个的旋转的三维陀螺仪。在示例中，传感器102、104、106、108中的每一个被布置在装配到印刷电路板(未示出)的管芯(die)内。这样的管芯可以通过被直接附连到电路板而装配至电路板，或者管芯可以附连至中间构件，诸如无引线芯片载体(LCC)或平面栅格阵列(LGA)，其进而附连至电路板。印刷电路板装配在MU 100的壳体110中。在示例中，陀螺仪是基于MEMS的陀螺仪，然而，在其它示例中，可以使用其它类型的陀螺仪。
[0012]如图1中所示，第二陀螺仪104以相对于输入轴112的偏斜关系而被布置，绕所述输入轴112期望测量高速率旋转。第二陀螺仪104的偏斜关系使得IMU能够测量比第二陀螺仪104额定感测的最大旋转速率更高的绕输入轴112的旋转速率。例如，如果第二陀螺仪104(在其被使用的配置中)额定感测绕其横滚轴114的、为2000度每秒(dps)的最大旋转速率，绕其俯仰轴116的、为2000dps的最大旋转速率和绕其偏转轴118的、为2000dps的最大旋转速率，则第二陀螺仪104可以相对于输入轴112偏斜，以使得IMU 100能够测量绕输入轴112的、为9100dps的旋转速率。2000dps和9100dps的值仅是示例，也可以使用具有其它最大旋转速率和其它IMU测量的旋转速率的陀螺仪。
[0013]通过使得绕输入轴112的旋转能够被俯仰轴116、偏转轴118或这两个轴116、118感测，偏斜使得能够测量更高的旋转速率。在示例中，第二陀螺仪104被布置使得第一轴118取向为远离参考平面124的偏斜角120，其中，参考平面124是垂直于输入轴112的平面。作为示例，第一轴在本文中被描述和示出为偏转轴118，然而，应该理解的是，可以使用适当取向的第二陀螺仪104的任何轴114、116、或118。在本文中为了清楚，偏斜角120称为按度的角；然而，可以使用弧度来执行计算，因此具有对应的调整。此外，应该理解的是，偏斜角120可以指在参考平面124的任一侧上(例如，上方或下方)的角。
[0014]偏转轴118相对于参考平面124偏斜的偏斜角120被选择成在使得能够测量绕输入轴112的所期望的旋转速率(例如，9100dps)的角范围内。如上所提及的，偏斜角120是在垂直于输入轴112的参考平面124与第二陀螺仪104的轴(在本示例中，是偏转轴118)之间的角。如果第二陀螺仪104完全不偏斜(偏斜角120为O度)，则横滚轴114将与输入轴112平行，并且偏转轴118和俯仰轴116将与参考平面124平行。在非偏斜的取向上，第二陀螺仪104可以在横滚轴114上感测绕输入轴112的旋转，但不能以俯仰轴116或偏转轴118来感测绕输入轴112的旋转。另外，由于在非偏斜的取向上横滚轴114与输入轴112平行，因此可以用第二陀螺仪104测量的最大旋转速率是针对横滚轴114的最大额定旋转速率。
[0015]然而，如果第二陀螺仪104相对于输入轴112是偏斜的，那么绕输入轴112的旋转除了以横滚轴114之外还可以以俯仰轴116和偏转轴118中的任一个或者两者来感测。在图1中所示的示例中，第二陀螺仪104取向成使得偏转轴118以远离参考平面124的偏斜角120，并因此可以感测绕输入轴112的旋转。然而，在该示例中，俯仰轴116取向成平行于参考平面124，并且因此不能感测绕输入轴112的旋转。在此示例中由于俯仰轴116垂直于输入轴112，因此俯仰轴116不能感测绕输入轴112的旋转。然而，偏转轴118并不与输入轴112垂直。因此，由偏转轴118所感测的旋转中，一部分对应于绕输入轴112的旋转。IMU 100被配置成计算由第二陀螺仪104的偏转轴118所感测的与输入轴112对应的旋转部分。基于此计算，IMU 100可以基于由第二陀螺仪104所感测的、绕其偏转轴118的旋转而确定绕输入轴112的旋转速率。
[0016]偏斜角120可以从大于O度(在零度，偏转轴118与参考平面124平行)直到并且包括最大偏斜的角中选择，其中最大偏斜为偏斜常量的反正弦，其中偏斜常量等于第二陀螺仪104绕偏转轴118能够感测的最大额定旋转速率除以绕输入轴112将测量的最大期望的旋转速率。在上面讨论的示例中，第二陀螺仪104绕偏转轴118能够感测的最大额定旋转速率为2000dps，并且绕输入轴112将测量的最大期望的旋转速率为9100dps。因此，最大偏斜为2000/9100的反正弦，其大约为12.7度。 考虑到第二陀螺仪104的该示例性操作范围，如果偏转轴118远离参考平面124多于12.7度，则由IMU 100可测量的最大速率将小于9100dps。因此，在该示例中，偏斜角120可以是大于0、直到并且包括12.7度的角。如果偏斜角120小于12.7度，则IMU 100将能测量大于9100dps的最大速率，然而，随着偏斜角距零越靠近，测量的灵敏性将降低。在这样的示例的实现方式中，针对第二陀螺仪104的偏斜角120被设置成以最大偏斜(例如，12.7度)。
[0017]针对第二陀螺仪104的偏斜角120可以通过以相对于第二陀螺仪104所装配到的印刷电路板的角(偏斜角120)装配第二陀螺仪104而实现。印刷电路板然后可以用典型的方式被装配在壳体110中，使得印刷电路板与参考平面124平行。在这样的装配中，输入轴112正常地延伸穿过印刷电路板和典型地作为整体的IMU 100，并且第二陀螺仪104以相对于印刷电路板的偏斜角120而取向。特别地，可以选择第二陀螺仪104的取向使得俯仰轴116垂直于输入轴112并且偏转轴118相对于印刷电路板按偏斜角120偏斜。第二陀螺仪104的这样的成角度的装配可以通过在第二陀螺仪104和印刷电路板之间布置楔形物来实现。在可替代的示例中，第二陀螺仪104可以以偏斜角120取向，这通过以正常的方式(即，平行于印刷电路板)将第二陀螺仪104装配到印刷电路板，并且以相对于壳体110的偏斜角120将印刷电路板装配在壳体110中。
[0018]在可替代的示例中，第二陀螺仪104可以被布置成使得偏转轴118和俯仰轴116二者均以相对于参考平面124的偏斜角120而取向。这样的取向可以以上文讨论的方式中的任一种来实现，诸如，通过在第二陀螺仪104与印刷电路板之间布置楔形物，或通过相对于壳体110而偏斜印刷电路板。在这样的取向中，由俯仰轴116感测的旋转部分对应于绕输入轴112的旋转。IMU 100被配置成计算由第二陀螺仪104的俯仰轴116感测的与输入轴112对应的旋转部分。为了清楚，由偏转轴118感测的、与如由IMU 100计算的绕输入轴112的旋转对应的旋转部分可以被称为第一旋转速率，并且由俯仰轴116感测的、与如由IMU 100计算的绕输入轴112的旋转对应的旋转部分可以称为第二旋转速率。在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者均以偏斜角120取向的示例中，頂UlOO可以基于第一旋转速率和第二旋转速率二者而确定绕输入轴112的旋转速度。特别地，IMU 100可以被配置成组合(例如，求平均)第一旋转速率与第二旋转速率，改善绕输入轴112的旋转速率确定的信噪比。
[0019]在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者都以偏斜角120取向的示例的第一实现方式中，第二陀螺仪104被布置使得俯仰轴116和偏转轴118 二者均被布置在参考平面124的相同侧上(例如，上方)。在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者都以偏斜角120取向的示例的第二实现方式中，第二陀螺仪管芯被布置使得俯仰轴116或偏转轴118中之一被布置在参考平面124的一侧上(例如，上方)，并且另一个轴(偏转118或俯仰116)被布置在另一侧上(例如，参考平面124的下方)。当组合第一旋转速率与第二旋转速率时，这样的在参考平面124的任一侧上具有相应的轴116、118的取向可以使得能够消除一些共模误差。
[0020]在图1中所示的示例中，第一陀螺仪102取向成使得它的轴中的一个122与输入轴112基本上平行。第一陀螺仪102可以以任何合适的方式被装配来实现该取向。例如，如果印刷电路板被布置在IMU 100中使得输入轴112正常地延伸穿过IMU 100和印刷电路板，则第一陀螺仪102能够正常地装配到印刷电路板的表面上(即，与其平行)。
[0021]图2是另一示例性IMU 200的横截面视图，所述IMU 200具有两个陀螺仪202、204，加速度计206和磁力计208。在示例中，传感器202、204、206和208中的每一个是三维传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的相应现象。然而，在任何情况下，两个陀螺仪202、204是被配置成感测绕横滚、俯仰和偏转轴中每一个的旋转的三维陀螺仪。在示例中，传感器202、204、206、208中的每一个是管芯，并且以上文关于图1所述的任何方式而装配到印刷电路板(未示出)。印刷电路板装配在IMU 200的壳体210中。
[0022]类似于图1中所示的示例，第二陀螺仪204相对于输入轴212偏斜，其中输入轴212是绕其将由頂U 200测量所期望的高旋转速率的轴。第二陀螺仪204可以以如上关于第二陀螺仪104所讨论的相同方式偏斜。然而，在图2中所示的示例中，第一陀螺仪202也相对于输入轴212偏斜。第一陀螺仪202可以以与第二陀螺仪204相同的方式偏斜。因此，如果第一和第二陀螺仪管芯202、204具有绕其各自的偏转轴所可以感测的为2000dps的最大额定旋转速率并且绕输入轴212将测量的所期望的最大旋转速率为9100dps，则第一和第二陀螺仪管芯202、204可以被布置使得它们各自的偏转轴具有相对于参考平面224的为12.7度的偏斜角220，其中参考平面224垂直于输入轴112。在以相对于输入轴212的偏斜角220而布置的多于一个陀螺仪202、204的情况下，IMU 200可以被配置成组合(例如，求平均)由相应陀螺仪202、204所感测的每个(例如两个)偏转轴的分量以改善测量的信噪比。
[0023]在示例中，第一陀螺仪202和第二陀螺仪204可以被布置使得它们各自的偏转轴彼此平行。在另一示例中，第一陀螺仪202的偏转轴可以以与第二陀螺仪204的偏转轴218不同的方向而取向，而同时这两个偏转轴均以偏斜角220取向。以不同的方向来取向陀螺仪202、204可以使得IMU 100能够标识和过滤出来自陀螺仪202、204的信号中的共模噪声。为有助于过滤出信号中的共模噪声的能力，在实现方式中，多个(例如，两个)陀螺仪202、204基本上是相同的。在其中多个陀螺仪202、204以不同的方向而取向的示例的实现方式中，第一陀螺仪202相对于第二陀螺仪204旋转180度使得第一陀螺仪220的正偏转轴通常指向(尽管有偏斜角220)与第二陀螺仪204的正偏转轴相反的方向上。这样的实现在图2中所图示。
[0024]在一些示例中，多个陀螺仪202、204中一个或多个陀螺仪的两个轴(例如俯仰和偏转轴)可以以如上关于第二陀螺仪104所讨论的相同的方式、以相对于参考平面224的偏斜角220取向。
[0025]第一和第二陀螺仪202、204可以以上文关于以偏斜角120来取向第二陀螺仪104所讨论的任何方式而以偏斜角220来取向。例如，楔形物可以放置在陀螺仪202、204中的一个或两者之下，和/或陀螺仪202、204所装配到的印刷电路板可以以相对于壳体210的角而取向。在其它示例中，多于两个的陀螺仪可以以相对于输入轴212的偏斜角220而取向，并且頂U 200可以被配置成因此组合(例如，求平均)来自所述多于两个的陀螺仪管芯中的每一个管芯的输出。
[0026]图3A-3C是示例图解，其示出了 IMU 300的组件，IMU 300可以是IMU 100或IMU200或者两者。如所示的，IMU 300包括印刷电路板310，所述印刷电路板具有装配在其第一侧上的两个陀螺仪管芯302、304、加速度计管芯306和磁力计管芯308。如应当理解的，在其它示例中，可以使用其它数量的陀螺仪管芯、加速度计管芯和磁力计管芯。印刷电路板310可以装配在壳体312内部(图3C中所示)。在示例中，陀螺仪管芯302、304、加速度计管芯306以及磁力计管芯308被装配在印刷电路板3 10的第一侧上(图3A中所示)，并且其上具有一个或多个处理设备连同一个或多个数据存储设备的一个或多个管芯322装配在印刷电路板310的相反侧上(图3B中所示)。所述一个或多个数据存储设备可以包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备实现上述IMU 100,200的功能性以便测量绕输入轴112、212的高旋转速率。
[0027]图4是通过使用IMU 100、200而确定绕输入轴112、212的旋转的示例性方法400的流程图，所述IMU 100、200具有以相对于输入轴112、212的偏斜关系而布置的一个或多个陀螺仪104、202、204。如上所述，所述一个或多个陀螺仪管芯104、202、204是三维(例如三轴)传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的旋转。
[0028]方法400包括感测绕陀螺仪104、204的第一轴118的旋转(框402)，其中第一轴118是陀螺仪104、204的、以相对于参考平面124、224的偏斜角120、220而取向的轴。在其中陀螺仪104、204取向成使得第二轴116和第一轴118 二者均以相对于参考平面124、224的偏斜角120、220而取向的示例中，还可以感测绕第二轴116的旋转(框404)。绕第三轴114的旋转也可以被感测并用于其它目的，但是在此示例中，它不帮助测量绕输入轴112、212的高旋转速率。
[0029]在其中使用了多个陀螺仪102、104、202、204的示例中，可以用附加陀螺仪102、202中的每一个来感测旋转(框406)。例如，如果这样的附加陀螺仪102被布置成使得其轴中的一个122平行于输入轴112，那么绕平行于输入轴112的轴122的旋转可以被感测，然而，该测量不能用于确定绕输入轴112的高旋转速率。如果这样的附加陀螺仪202以与输入轴212的偏斜关系而被布置，则可以以上文关于框402和404所述的方式、用附加陀螺仪管芯202的轴中的一个或两个轴来感测旋转。总之，利用以与输入轴的偏斜关系而布置的两个陀螺仪202、204，可以获得来自多达四个陀螺仪轴的高旋转速率测量。
[0030]一旦感测了绕相应轴的旋转，頂U 100、200中的一个或多个处理设备可以基于陀螺仪102、104、202、204感测的旋转而计算绕输入轴112、212的旋转速率。在其中一个陀螺仪104的一个轴118相对于参考平面124偏斜的示例中，计算绕输入轴112的旋转速率可以包括将绕陀螺仪104的第一轴118 (即以偏斜角120的轴)的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦(框408)。该计算的结果是绕输入轴112的旋转速率。
[0031]在其中一个陀螺仪的两个轴116、118以相对于参考平面124的偏斜角120偏斜的示例中，计算绕输入轴112的旋转速率可以包括通过将绕陀螺仪104的第一偏斜轴118的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦而计算第一旋转速率以及通过将绕陀螺仪104的第二偏斜轴116的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦而计算第二旋转速率(框408)。然后可以通过组合(例如，求平均)第一旋转速率与第二旋转速率而计算输入旋转速率，当两个轴116、118在参考平面124的相对侧上时，确保考虑在实现方式中的任何符号差异(框410)。
[0032]在其中多个陀螺仪202、204具有以相对于参考平面224的偏斜角120偏斜的一个或多个轴的示例中，计算绕输入轴212的旋转速率可以包括计算针对每个偏斜的轴的相应旋转速率(框408)，并且然后将全部旋转速率组合在一起(例如，求平均)(考虑任何符号差异)以确定针对输入轴212的旋转速率(框410)。应当理解的是，多个陀螺仪可以包括两个、三个、四个或更多陀螺仪，所述陀螺仪每一个都具有偏斜的一个或多个轴。
[0033]在一些示例中，在从IMU 100输出旋转速率之前，可以执行对针对输入轴212的经确定的旋转速率的另外的处理，如对于本领域技术人员已知的那样。
[0034]应当理解的是，针对相应的陀螺仪管芯102、104、202、204的轴的“横滚”、“俯仰”、和“偏转”的指定只是示例性的。因此，在一些实现方式中，如在给定实现方式中指定的“俯仰”或“偏转”轴可以如在本文中针对“横滚”轴114、214所已经描述的那样被取向和使用。也就是说，如在给定实现方式中指定的“俯仰”或“偏转”轴可以以相对于第一 /期望的轴的偏斜角而取向，并且可以使用以上的方法400、通过分别用“俯仰”或“偏转”轴来替换如本文中所描述的“横滚”轴而确定绕第一 /期望的轴的旋转。也将发生在“横滚”、“俯仰”、和“偏转”轴之间的其它对应的替换。
示例性实施例
[0035]示例I包括惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元用于测量绕输入轴的输入旋转速率，頂U包括:第一三维陀螺仪，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个互相正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，所述参考平面垂直于输入轴；耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备；以及耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕所述第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
[0036]示例2包括示例I的頂U，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0037]示例3包括示例1-2中任一个的IMU，其包括:被布置成与参考平面对准的印刷电路板，其中所述第一陀螺仪以相对于所述印刷电路板的偏斜角而装配在所述印刷电路板上。
[0038]示例4包括示例3的IMU，其包括被布置在所述印刷电路板和所述第一陀螺仪之间的、用来以相对于所述印刷电路板的偏斜角布置所述第一陀螺仪的楔形物。
[0039]示例5包括示例1-2中任一个的頂U，其包括:壳体；和装配在壳体中的印刷电路板，所述第一陀螺仪装配到所述印刷电路板，其中所述印刷电路板以相对于所述参考平面的偏斜角而被装配。
[0040]示例6包括示例1-5中任一个的IMU，其包括:第二三维陀螺仪，所述第二陀螺仪额定感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第二陀螺仪被布置使得所述第二组的三个轴中的第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦是第一旋转速率，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第二轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
[0041]示例7包括示例6的頂U，其中所述第二陀螺仪被取向成使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪的所述第一轴的相反方向来取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0042]示例8包括示例1-7中任一个的MU，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一组的三个轴中的第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角来取向；其中所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦是第一旋转速率，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第三轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率而计算输入旋转速率。
[0043]示例9包括确定绕输入轴的输入旋转速率的方法，所述方法包括:感测绕第一三维陀螺仪的第一轴的第一旋转速率，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一 轴在所述第一组的三个轴中，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，所述参考平面垂直于输入轴；以及基于将第一旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
[0044]示例10包括示例9的方法，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0045]示例11包括示例9-10中任一个的方法，其中计算输入旋转速率包括将输入旋转速率设置为等于第一旋转速率除以偏斜角的正弦。
[0046]示例12包括示例9-11中任一个的方法，其包括:感测绕第二三维陀螺仪的第二轴的第二旋转速率，所述第二陀螺仪被配置成感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第二轴在所述第二组的三个轴中，其中所述第二陀螺仪被布置使得所述第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中计算输入旋转速率包括:基于将第二旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率；以及基于组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
[0047]示例13包括示例12的方法，其中所述第二陀螺仪被取向使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪的所述第一轴的相反方向而取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0048]示例14包括示例9-13中任一个的方法，其包括:感测绕所述第一陀螺仪的所述第一组的三个轴中的第三轴的第三旋转速率，其中所述第一陀螺仪被配置使得所述第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中计算输入旋转速率包括:基于将第三旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率；以及基于组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率而计算输入旋转速率。
[0049]示例15包括用于测量绕输入轴的输入旋转速率的惯性测量单元(MU)，所述IMU包括:壳体；装配在所述壳体中的印刷电路板；装配至所述印刷电路板的第一三维陀螺仪管芯，所述第一陀螺仪管芯被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪管芯被布置使得所述第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角来取向，所述参考平面垂直于输入轴；装配到所述印刷电路板的第二三维陀螺仪管芯，所述第二陀螺仪管芯被配置成感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转；装配到所述印刷电路板并耦合到所述第一陀螺仪管芯和第二陀螺仪管芯的一个或多个处理设备；以及耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时，使得所述一个或多个处理设备:通过将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第一旋转速率；以及基于所述第一旋转速率和基于由第二陀螺仪、绕所述第二组的三个相互正交的轴中的第二轴所感测的旋转速率而计算输入旋转速率。
[0050]示例16包括示例15的頂U，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0051]示例17包括示例15-16中任一个的MU，其中所述第二陀螺仪管芯被布置使得所述第二轴与参考平面平行。
[0052]示例18包括示例15-17中任一个的MU，其中所述第二陀螺仪管芯被取向使得所述第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备:基于将所感测的绕第二轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率；其中计算输入旋转速率包括组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率。
[0053]示例19包括示例18的頂U，其中所述第二陀螺仪管芯被取向使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪管芯的所述第一轴的相反方向而取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0054]示例20包括示例15-19中任一个的MU，其中所述第一陀螺仪管芯被布置使得所述第一组的三个轴中的第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中所述指令使得所述一个或多个处理设备:基于将所感测的绕第三轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率；其中计算输入旋转速率包括组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率。
【主权项】
1.用于测量绕输入轴(112,212)的输入旋转速率的惯性测量单元(IMU)(100,200,.300)，所述 MJ (100、200、300)包括: 第一三维陀螺仪(104、204、304)，所述第一陀螺仪(104、204、304)被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴(114、116、118、214、216、218)的旋转，其中所述第一陀螺仪(104)被布置使得所述第一组的三个轴(114、116、118、214、216、218)中的第一轴(118、.218)以远离参考平面(124、224)的按度的偏斜角(120、220)而取向，所述参考平面(124、.224)垂直于输入轴(I 12、212); 耦合到所述第一陀螺仪(104、204、304)的一个或多个处理设备(322);和 耦合到所述一个或多个处理设备(322)的一个或多个数据存储设备(322)，所述一个或多个数据存储设备(322)包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备(322)执行时使得所述一个或多个处理设备(322)基于将所感测的绕第一轴(I 18、218)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦而计算输入旋转速率。2.权利要求1所述的頂1](100、200、300)，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪(104、.204、304)绕所述第一轴(I 18、218)所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴(I 12、212)将测量的最大旋转速率， 其中所述偏斜角(120、220)是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。3.权利要求1或2中任一项所述的頂U(100、200、300)，其中所述第一陀螺仪(104、.204、304)被布置使得所述第一组的三个轴(I 14、116、118、214、216、218)中的第二轴(116，.216)以远离参考平面(124、224)的按度的偏斜角(120、220)而取向； 其中所感测的绕第一轴(118、218)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦是第一旋转速率， 其中所述指令使得所述一个或多个处理设备(322)基于将所感测的绕第二轴(116、.216)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦而计算第二旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
【专利摘要】本发明涉及高速率旋转感测。一个实施例的目的在于用于测量绕输入轴的输入旋转速率的惯性测量单元(IMU)。所述IMU包括：第一三维陀螺仪，其被布置使得其三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所述参考平面垂直于输入轴。所述IMU还包括耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备。所述IMU还包括耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
【IPC分类】G01C19/00
【公开号】CN105486294
【申请号】CN201510783681
【发明人】T·J·汉森, T·特罗斯克, D·S·维利茨
【申请人】霍尼韦尔国际公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月30日
【公告号】EP3002553A1, US20160097640
【专利说明】高速率旋转感测
对相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2014年10月4日提交的美国临时专利申请序列号62/059,878的权益，所述专利申请由此通过引用被并入本文中。
【背景技术】
[0002]三维陀螺仪能够测量绕横滚(roll)、俯仰(pitch)以及偏转(yaw)坐标轴中每一个的旋转。对于在三个轴中每一个中可以测量的旋转速率，这样的三维陀螺仪具有给定的操作范围。在一些这样的陀螺仪中，操作范围可以由用户通过陀螺仪的配置改变(例如编程)来选择。不管陀螺仪是具有多个配置还是单个配置，在给定的配置中，陀螺仪额定(rated)感测绕横滚轴、俯仰轴和偏转轴中每一个的旋转的最大速率。例如，一个陀螺仪额定感测绕横滚轴的高达2000度每秒(dps)，绕俯仰轴的2000dps，以及绕偏转轴的2000dps。值得注意地，横滚、俯仰和偏转轴是关于陀螺仪本身的轴。
【发明内容】
[0003]—个实施例的目的在于惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元用于测量绕输入轴的输入旋转速率。IMU包括第一三维陀螺仪，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪被布置使得第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜(skew)角而取向，所述参考平面垂直于所述输入轴。頂U还包括耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备。IMU还包括耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
【附图说明】
[0004]下面的示例性各图意图帮助理解示例性实施例的所撰写的描述，并且不应被认为在范围方面进行限制。
[0005]图1是具有用于高速率旋转感测的偏斜的陀螺仪的示例性惯性测量单元(IMU)的框图。
[0006]图2是具有用于高速率旋转感测的两个偏斜的陀螺仪的另一示例性IMU的框图。
[0007]图3A-3C是图1或图2的頂U的相应视图，其示出了印刷电路板上的组件和IMU的壳体。
[0008]图4是确定比图1或图2的偏斜的陀螺仪的最大额定旋转速率更高的旋转速率的方法的流程图。
[0009]根据惯例，各种显示的特征不一定按比例绘制，而是被绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。
【具体实施方式】
[0010]本文描述的主题提供惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元被配置成以以下的方式来使用一个或多个陀螺仪:所述方式使得IMU能够确定比一个或多个陀螺仪的最大额定旋转速率更高的旋转速率。
[0011]图1是这样的IMU 100的示例的横截面视图。IMU 100包括两个陀螺仪102、104、加速度计106和磁力计108。在示例中，传感器102、104、106、108中的每一个都是三维(即三轴)传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的相应现象。然而，在任何情况下，陀螺仪102、104中的至少一个是被配置成感测绕横滚、俯仰和偏转轴中每一个的旋转的三维陀螺仪。在示例中，传感器102、104、106、108中的每一个被布置在装配到印刷电路板(未示出)的管芯(die)内。这样的管芯可以通过被直接附连到电路板而装配至电路板，或者管芯可以附连至中间构件，诸如无引线芯片载体(LCC)或平面栅格阵列(LGA)，其进而附连至电路板。印刷电路板装配在MU 100的壳体110中。在示例中，陀螺仪是基于MEMS的陀螺仪，然而，在其它示例中，可以使用其它类型的陀螺仪。
[0012]如图1中所示，第二陀螺仪104以相对于输入轴112的偏斜关系而被布置，绕所述输入轴112期望测量高速率旋转。第二陀螺仪104的偏斜关系使得IMU能够测量比第二陀螺仪104额定感测的最大旋转速率更高的绕输入轴112的旋转速率。例如，如果第二陀螺仪104(在其被使用的配置中)额定感测绕其横滚轴114的、为2000度每秒(dps)的最大旋转速率，绕其俯仰轴116的、为2000dps的最大旋转速率和绕其偏转轴118的、为2000dps的最大旋转速率，则第二陀螺仪104可以相对于输入轴112偏斜，以使得IMU 100能够测量绕输入轴112的、为9100dps的旋转速率。2000dps和9100dps的值仅是示例，也可以使用具有其它最大旋转速率和其它IMU测量的旋转速率的陀螺仪。
[0013]通过使得绕输入轴112的旋转能够被俯仰轴116、偏转轴118或这两个轴116、118感测，偏斜使得能够测量更高的旋转速率。在示例中，第二陀螺仪104被布置使得第一轴118取向为远离参考平面124的偏斜角120，其中，参考平面124是垂直于输入轴112的平面。作为示例，第一轴在本文中被描述和示出为偏转轴118，然而，应该理解的是，可以使用适当取向的第二陀螺仪104的任何轴114、116、或118。在本文中为了清楚，偏斜角120称为按度的角；然而，可以使用弧度来执行计算，因此具有对应的调整。此外，应该理解的是，偏斜角120可以指在参考平面124的任一侧上(例如，上方或下方)的角。
[0014]偏转轴118相对于参考平面124偏斜的偏斜角120被选择成在使得能够测量绕输入轴112的所期望的旋转速率(例如，9100dps)的角范围内。如上所提及的，偏斜角120是在垂直于输入轴112的参考平面124与第二陀螺仪104的轴(在本示例中，是偏转轴118)之间的角。如果第二陀螺仪104完全不偏斜(偏斜角120为O度)，则横滚轴114将与输入轴112平行，并且偏转轴118和俯仰轴116将与参考平面124平行。在非偏斜的取向上，第二陀螺仪104可以在横滚轴114上感测绕输入轴112的旋转，但不能以俯仰轴116或偏转轴118来感测绕输入轴112的旋转。另外，由于在非偏斜的取向上横滚轴114与输入轴112平行，因此可以用第二陀螺仪104测量的最大旋转速率是针对横滚轴114的最大额定旋转速率。
[0015]然而，如果第二陀螺仪104相对于输入轴112是偏斜的，那么绕输入轴112的旋转除了以横滚轴114之外还可以以俯仰轴116和偏转轴118中的任一个或者两者来感测。在图1中所示的示例中，第二陀螺仪104取向成使得偏转轴118以远离参考平面124的偏斜角120，并因此可以感测绕输入轴112的旋转。然而，在该示例中，俯仰轴116取向成平行于参考平面124，并且因此不能感测绕输入轴112的旋转。在此示例中由于俯仰轴116垂直于输入轴112，因此俯仰轴116不能感测绕输入轴112的旋转。然而，偏转轴118并不与输入轴112垂直。因此，由偏转轴118所感测的旋转中，一部分对应于绕输入轴112的旋转。IMU 100被配置成计算由第二陀螺仪104的偏转轴118所感测的与输入轴112对应的旋转部分。基于此计算，IMU 100可以基于由第二陀螺仪104所感测的、绕其偏转轴118的旋转而确定绕输入轴112的旋转速率。
[0016]偏斜角120可以从大于O度(在零度，偏转轴118与参考平面124平行)直到并且包括最大偏斜的角中选择，其中最大偏斜为偏斜常量的反正弦，其中偏斜常量等于第二陀螺仪104绕偏转轴118能够感测的最大额定旋转速率除以绕输入轴112将测量的最大期望的旋转速率。在上面讨论的示例中，第二陀螺仪104绕偏转轴118能够感测的最大额定旋转速率为2000dps，并且绕输入轴112将测量的最大期望的旋转速率为9100dps。因此，最大偏斜为2000/9100的反正弦，其大约为12.7度。 考虑到第二陀螺仪104的该示例性操作范围，如果偏转轴118远离参考平面124多于12.7度，则由IMU 100可测量的最大速率将小于9100dps。因此，在该示例中，偏斜角120可以是大于0、直到并且包括12.7度的角。如果偏斜角120小于12.7度，则IMU 100将能测量大于9100dps的最大速率，然而，随着偏斜角距零越靠近，测量的灵敏性将降低。在这样的示例的实现方式中，针对第二陀螺仪104的偏斜角120被设置成以最大偏斜(例如，12.7度)。
[0017]针对第二陀螺仪104的偏斜角120可以通过以相对于第二陀螺仪104所装配到的印刷电路板的角(偏斜角120)装配第二陀螺仪104而实现。印刷电路板然后可以用典型的方式被装配在壳体110中，使得印刷电路板与参考平面124平行。在这样的装配中，输入轴112正常地延伸穿过印刷电路板和典型地作为整体的IMU 100，并且第二陀螺仪104以相对于印刷电路板的偏斜角120而取向。特别地，可以选择第二陀螺仪104的取向使得俯仰轴116垂直于输入轴112并且偏转轴118相对于印刷电路板按偏斜角120偏斜。第二陀螺仪104的这样的成角度的装配可以通过在第二陀螺仪104和印刷电路板之间布置楔形物来实现。在可替代的示例中，第二陀螺仪104可以以偏斜角120取向，这通过以正常的方式(即，平行于印刷电路板)将第二陀螺仪104装配到印刷电路板，并且以相对于壳体110的偏斜角120将印刷电路板装配在壳体110中。
[0018]在可替代的示例中，第二陀螺仪104可以被布置成使得偏转轴118和俯仰轴116二者均以相对于参考平面124的偏斜角120而取向。这样的取向可以以上文讨论的方式中的任一种来实现，诸如，通过在第二陀螺仪104与印刷电路板之间布置楔形物，或通过相对于壳体110而偏斜印刷电路板。在这样的取向中，由俯仰轴116感测的旋转部分对应于绕输入轴112的旋转。IMU 100被配置成计算由第二陀螺仪104的俯仰轴116感测的与输入轴112对应的旋转部分。为了清楚，由偏转轴118感测的、与如由IMU 100计算的绕输入轴112的旋转对应的旋转部分可以被称为第一旋转速率，并且由俯仰轴116感测的、与如由IMU 100计算的绕输入轴112的旋转对应的旋转部分可以称为第二旋转速率。在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者均以偏斜角120取向的示例中，頂UlOO可以基于第一旋转速率和第二旋转速率二者而确定绕输入轴112的旋转速度。特别地，IMU 100可以被配置成组合(例如，求平均)第一旋转速率与第二旋转速率，改善绕输入轴112的旋转速率确定的信噪比。
[0019]在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者都以偏斜角120取向的示例的第一实现方式中，第二陀螺仪104被布置使得俯仰轴116和偏转轴118 二者均被布置在参考平面124的相同侧上(例如，上方)。在其中俯仰轴116和偏转轴118 二者都以偏斜角120取向的示例的第二实现方式中，第二陀螺仪管芯被布置使得俯仰轴116或偏转轴118中之一被布置在参考平面124的一侧上(例如，上方)，并且另一个轴(偏转118或俯仰116)被布置在另一侧上(例如，参考平面124的下方)。当组合第一旋转速率与第二旋转速率时，这样的在参考平面124的任一侧上具有相应的轴116、118的取向可以使得能够消除一些共模误差。
[0020]在图1中所示的示例中，第一陀螺仪102取向成使得它的轴中的一个122与输入轴112基本上平行。第一陀螺仪102可以以任何合适的方式被装配来实现该取向。例如，如果印刷电路板被布置在IMU 100中使得输入轴112正常地延伸穿过IMU 100和印刷电路板，则第一陀螺仪102能够正常地装配到印刷电路板的表面上(即，与其平行)。
[0021]图2是另一示例性IMU 200的横截面视图，所述IMU 200具有两个陀螺仪202、204，加速度计206和磁力计208。在示例中，传感器202、204、206和208中的每一个是三维传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的相应现象。然而，在任何情况下，两个陀螺仪202、204是被配置成感测绕横滚、俯仰和偏转轴中每一个的旋转的三维陀螺仪。在示例中，传感器202、204、206、208中的每一个是管芯，并且以上文关于图1所述的任何方式而装配到印刷电路板(未示出)。印刷电路板装配在IMU 200的壳体210中。
[0022]类似于图1中所示的示例，第二陀螺仪204相对于输入轴212偏斜，其中输入轴212是绕其将由頂U 200测量所期望的高旋转速率的轴。第二陀螺仪204可以以如上关于第二陀螺仪104所讨论的相同方式偏斜。然而，在图2中所示的示例中，第一陀螺仪202也相对于输入轴212偏斜。第一陀螺仪202可以以与第二陀螺仪204相同的方式偏斜。因此，如果第一和第二陀螺仪管芯202、204具有绕其各自的偏转轴所可以感测的为2000dps的最大额定旋转速率并且绕输入轴212将测量的所期望的最大旋转速率为9100dps，则第一和第二陀螺仪管芯202、204可以被布置使得它们各自的偏转轴具有相对于参考平面224的为12.7度的偏斜角220，其中参考平面224垂直于输入轴112。在以相对于输入轴212的偏斜角220而布置的多于一个陀螺仪202、204的情况下，IMU 200可以被配置成组合(例如，求平均)由相应陀螺仪202、204所感测的每个(例如两个)偏转轴的分量以改善测量的信噪比。
[0023]在示例中，第一陀螺仪202和第二陀螺仪204可以被布置使得它们各自的偏转轴彼此平行。在另一示例中，第一陀螺仪202的偏转轴可以以与第二陀螺仪204的偏转轴218不同的方向而取向，而同时这两个偏转轴均以偏斜角220取向。以不同的方向来取向陀螺仪202、204可以使得IMU 100能够标识和过滤出来自陀螺仪202、204的信号中的共模噪声。为有助于过滤出信号中的共模噪声的能力，在实现方式中，多个(例如，两个)陀螺仪202、204基本上是相同的。在其中多个陀螺仪202、204以不同的方向而取向的示例的实现方式中，第一陀螺仪202相对于第二陀螺仪204旋转180度使得第一陀螺仪220的正偏转轴通常指向(尽管有偏斜角220)与第二陀螺仪204的正偏转轴相反的方向上。这样的实现在图2中所图示。
[0024]在一些示例中，多个陀螺仪202、204中一个或多个陀螺仪的两个轴(例如俯仰和偏转轴)可以以如上关于第二陀螺仪104所讨论的相同的方式、以相对于参考平面224的偏斜角220取向。
[0025]第一和第二陀螺仪202、204可以以上文关于以偏斜角120来取向第二陀螺仪104所讨论的任何方式而以偏斜角220来取向。例如，楔形物可以放置在陀螺仪202、204中的一个或两者之下，和/或陀螺仪202、204所装配到的印刷电路板可以以相对于壳体210的角而取向。在其它示例中，多于两个的陀螺仪可以以相对于输入轴212的偏斜角220而取向，并且頂U 200可以被配置成因此组合(例如，求平均)来自所述多于两个的陀螺仪管芯中的每一个管芯的输出。
[0026]图3A-3C是示例图解，其示出了 IMU 300的组件，IMU 300可以是IMU 100或IMU200或者两者。如所示的，IMU 300包括印刷电路板310，所述印刷电路板具有装配在其第一侧上的两个陀螺仪管芯302、304、加速度计管芯306和磁力计管芯308。如应当理解的，在其它示例中，可以使用其它数量的陀螺仪管芯、加速度计管芯和磁力计管芯。印刷电路板310可以装配在壳体312内部(图3C中所示)。在示例中，陀螺仪管芯302、304、加速度计管芯306以及磁力计管芯308被装配在印刷电路板3 10的第一侧上(图3A中所示)，并且其上具有一个或多个处理设备连同一个或多个数据存储设备的一个或多个管芯322装配在印刷电路板310的相反侧上(图3B中所示)。所述一个或多个数据存储设备可以包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备实现上述IMU 100,200的功能性以便测量绕输入轴112、212的高旋转速率。
[0027]图4是通过使用IMU 100、200而确定绕输入轴112、212的旋转的示例性方法400的流程图，所述IMU 100、200具有以相对于输入轴112、212的偏斜关系而布置的一个或多个陀螺仪104、202、204。如上所述，所述一个或多个陀螺仪管芯104、202、204是三维(例如三轴)传感器，其被配置成感测绕三个互相正交的轴中每一个的旋转。
[0028]方法400包括感测绕陀螺仪104、204的第一轴118的旋转(框402)，其中第一轴118是陀螺仪104、204的、以相对于参考平面124、224的偏斜角120、220而取向的轴。在其中陀螺仪104、204取向成使得第二轴116和第一轴118 二者均以相对于参考平面124、224的偏斜角120、220而取向的示例中，还可以感测绕第二轴116的旋转(框404)。绕第三轴114的旋转也可以被感测并用于其它目的，但是在此示例中，它不帮助测量绕输入轴112、212的高旋转速率。
[0029]在其中使用了多个陀螺仪102、104、202、204的示例中，可以用附加陀螺仪102、202中的每一个来感测旋转(框406)。例如，如果这样的附加陀螺仪102被布置成使得其轴中的一个122平行于输入轴112，那么绕平行于输入轴112的轴122的旋转可以被感测，然而，该测量不能用于确定绕输入轴112的高旋转速率。如果这样的附加陀螺仪202以与输入轴212的偏斜关系而被布置，则可以以上文关于框402和404所述的方式、用附加陀螺仪管芯202的轴中的一个或两个轴来感测旋转。总之，利用以与输入轴的偏斜关系而布置的两个陀螺仪202、204，可以获得来自多达四个陀螺仪轴的高旋转速率测量。
[0030]一旦感测了绕相应轴的旋转，頂U 100、200中的一个或多个处理设备可以基于陀螺仪102、104、202、204感测的旋转而计算绕输入轴112、212的旋转速率。在其中一个陀螺仪104的一个轴118相对于参考平面124偏斜的示例中，计算绕输入轴112的旋转速率可以包括将绕陀螺仪104的第一轴118 (即以偏斜角120的轴)的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦(框408)。该计算的结果是绕输入轴112的旋转速率。
[0031]在其中一个陀螺仪的两个轴116、118以相对于参考平面124的偏斜角120偏斜的示例中，计算绕输入轴112的旋转速率可以包括通过将绕陀螺仪104的第一偏斜轴118的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦而计算第一旋转速率以及通过将绕陀螺仪104的第二偏斜轴116的旋转速率除以按度的偏斜角的正弦而计算第二旋转速率(框408)。然后可以通过组合(例如，求平均)第一旋转速率与第二旋转速率而计算输入旋转速率，当两个轴116、118在参考平面124的相对侧上时，确保考虑在实现方式中的任何符号差异(框410)。
[0032]在其中多个陀螺仪202、204具有以相对于参考平面224的偏斜角120偏斜的一个或多个轴的示例中，计算绕输入轴212的旋转速率可以包括计算针对每个偏斜的轴的相应旋转速率(框408)，并且然后将全部旋转速率组合在一起(例如，求平均)(考虑任何符号差异)以确定针对输入轴212的旋转速率(框410)。应当理解的是，多个陀螺仪可以包括两个、三个、四个或更多陀螺仪，所述陀螺仪每一个都具有偏斜的一个或多个轴。
[0033]在一些示例中，在从IMU 100输出旋转速率之前，可以执行对针对输入轴212的经确定的旋转速率的另外的处理，如对于本领域技术人员已知的那样。
[0034]应当理解的是，针对相应的陀螺仪管芯102、104、202、204的轴的“横滚”、“俯仰”、和“偏转”的指定只是示例性的。因此，在一些实现方式中，如在给定实现方式中指定的“俯仰”或“偏转”轴可以如在本文中针对“横滚”轴114、214所已经描述的那样被取向和使用。也就是说，如在给定实现方式中指定的“俯仰”或“偏转”轴可以以相对于第一 /期望的轴的偏斜角而取向，并且可以使用以上的方法400、通过分别用“俯仰”或“偏转”轴来替换如本文中所描述的“横滚”轴而确定绕第一 /期望的轴的旋转。也将发生在“横滚”、“俯仰”、和“偏转”轴之间的其它对应的替换。
示例性实施例
[0035]示例I包括惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元用于测量绕输入轴的输入旋转速率，頂U包括:第一三维陀螺仪，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个互相正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，所述参考平面垂直于输入轴；耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备；以及耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕所述第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
[0036]示例2包括示例I的頂U，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0037]示例3包括示例1-2中任一个的IMU，其包括:被布置成与参考平面对准的印刷电路板，其中所述第一陀螺仪以相对于所述印刷电路板的偏斜角而装配在所述印刷电路板上。
[0038]示例4包括示例3的IMU，其包括被布置在所述印刷电路板和所述第一陀螺仪之间的、用来以相对于所述印刷电路板的偏斜角布置所述第一陀螺仪的楔形物。
[0039]示例5包括示例1-2中任一个的頂U，其包括:壳体；和装配在壳体中的印刷电路板，所述第一陀螺仪装配到所述印刷电路板，其中所述印刷电路板以相对于所述参考平面的偏斜角而被装配。
[0040]示例6包括示例1-5中任一个的IMU，其包括:第二三维陀螺仪，所述第二陀螺仪额定感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第二陀螺仪被布置使得所述第二组的三个轴中的第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦是第一旋转速率，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第二轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
[0041]示例7包括示例6的頂U，其中所述第二陀螺仪被取向成使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪的所述第一轴的相反方向来取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0042]示例8包括示例1-7中任一个的MU，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一组的三个轴中的第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角来取向；其中所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦是第一旋转速率，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第三轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率而计算输入旋转速率。
[0043]示例9包括确定绕输入轴的输入旋转速率的方法，所述方法包括:感测绕第一三维陀螺仪的第一轴的第一旋转速率，所述第一陀螺仪被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一 轴在所述第一组的三个轴中，其中所述第一陀螺仪被布置使得所述第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，所述参考平面垂直于输入轴；以及基于将第一旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
[0044]示例10包括示例9的方法，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0045]示例11包括示例9-10中任一个的方法，其中计算输入旋转速率包括将输入旋转速率设置为等于第一旋转速率除以偏斜角的正弦。
[0046]示例12包括示例9-11中任一个的方法，其包括:感测绕第二三维陀螺仪的第二轴的第二旋转速率，所述第二陀螺仪被配置成感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第二轴在所述第二组的三个轴中，其中所述第二陀螺仪被布置使得所述第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中计算输入旋转速率包括:基于将第二旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率；以及基于组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
[0047]示例13包括示例12的方法，其中所述第二陀螺仪被取向使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪的所述第一轴的相反方向而取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0048]示例14包括示例9-13中任一个的方法，其包括:感测绕所述第一陀螺仪的所述第一组的三个轴中的第三轴的第三旋转速率，其中所述第一陀螺仪被配置使得所述第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中计算输入旋转速率包括:基于将第三旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率；以及基于组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率而计算输入旋转速率。
[0049]示例15包括用于测量绕输入轴的输入旋转速率的惯性测量单元(MU)，所述IMU包括:壳体；装配在所述壳体中的印刷电路板；装配至所述印刷电路板的第一三维陀螺仪管芯，所述第一陀螺仪管芯被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴的旋转，其中所述第一陀螺仪管芯被布置使得所述第一组的三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角来取向，所述参考平面垂直于输入轴；装配到所述印刷电路板的第二三维陀螺仪管芯，所述第二陀螺仪管芯被配置成感测绕第二组的三个相互正交的轴的旋转；装配到所述印刷电路板并耦合到所述第一陀螺仪管芯和第二陀螺仪管芯的一个或多个处理设备；以及耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时，使得所述一个或多个处理设备:通过将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第一旋转速率；以及基于所述第一旋转速率和基于由第二陀螺仪、绕所述第二组的三个相互正交的轴中的第二轴所感测的旋转速率而计算输入旋转速率。
[0050]示例16包括示例15的頂U，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪绕所述第一轴所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴将测量的最大旋转速率，其中所述偏斜角是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。
[0051]示例17包括示例15-16中任一个的MU，其中所述第二陀螺仪管芯被布置使得所述第二轴与参考平面平行。
[0052]示例18包括示例15-17中任一个的MU，其中所述第二陀螺仪管芯被取向使得所述第二轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所述指令使得所述一个或多个处理设备:基于将所感测的绕第二轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第二旋转速率；其中计算输入旋转速率包括组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率。
[0053]示例19包括示例18的頂U，其中所述第二陀螺仪管芯被取向使得所述第二轴通常以所述第一陀螺仪管芯的所述第一轴的相反方向而取向，使得组合所述第一旋转速率和所述第二旋转速率消除共模误差。
[0054]示例20包括示例15-19中任一个的MU，其中所述第一陀螺仪管芯被布置使得所述第一组的三个轴中的第三轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向；其中所述指令使得所述一个或多个处理设备:基于将所感测的绕第三轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算第三旋转速率；其中计算输入旋转速率包括组合所述第一旋转速率与所述第三旋转速率。
【主权项】
1.用于测量绕输入轴(112,212)的输入旋转速率的惯性测量单元(IMU)(100,200,.300)，所述 MJ (100、200、300)包括: 第一三维陀螺仪(104、204、304)，所述第一陀螺仪(104、204、304)被配置成感测绕第一组的三个相互正交的轴(114、116、118、214、216、218)的旋转，其中所述第一陀螺仪(104)被布置使得所述第一组的三个轴(114、116、118、214、216、218)中的第一轴(118、.218)以远离参考平面(124、224)的按度的偏斜角(120、220)而取向，所述参考平面(124、.224)垂直于输入轴(I 12、212); 耦合到所述第一陀螺仪(104、204、304)的一个或多个处理设备(322);和 耦合到所述一个或多个处理设备(322)的一个或多个数据存储设备(322)，所述一个或多个数据存储设备(322)包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备(322)执行时使得所述一个或多个处理设备(322)基于将所感测的绕第一轴(I 18、218)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦而计算输入旋转速率。2.权利要求1所述的頂1](100、200、300)，其中偏斜常量等于所述第一陀螺仪(104、.204、304)绕所述第一轴(I 18、218)所额定感测的最大旋转速率除以绕输入轴(I 12、212)将测量的最大旋转速率， 其中所述偏斜角(120、220)是小于或等于偏斜常量的反正弦的角。3.权利要求1或2中任一项所述的頂U(100、200、300)，其中所述第一陀螺仪(104、.204、304)被布置使得所述第一组的三个轴(I 14、116、118、214、216、218)中的第二轴(116，.216)以远离参考平面(124、224)的按度的偏斜角(120、220)而取向； 其中所感测的绕第一轴(118、218)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦是第一旋转速率， 其中所述指令使得所述一个或多个处理设备(322)基于将所感测的绕第二轴(116、.216)的旋转速率除以偏斜角(120、220)的正弦而计算第二旋转速率，以及基于组合所述第一旋转速率与所述第二旋转速率而计算输入旋转速率。
【专利摘要】本发明涉及高速率旋转感测。一个实施例的目的在于用于测量绕输入轴的输入旋转速率的惯性测量单元(IMU)。所述IMU包括：第一三维陀螺仪，其被布置使得其三个轴中的第一轴以远离参考平面的按度的偏斜角而取向，其中所述参考平面垂直于输入轴。所述IMU还包括耦合到所述第一陀螺仪的一个或多个处理设备。所述IMU还包括耦合到所述一个或多个处理设备的一个或多个数据存储设备，所述一个或多个数据存储设备包括指令，所述指令当由所述一个或多个处理设备执行时使得所述一个或多个处理设备基于将所感测的绕第一轴的旋转速率除以偏斜角的正弦而计算输入旋转速率。
【IPC分类】G01C19/00
【公开号】CN105486294
【申请号】CN201510783681
【发明人】T·J·汉森, T·特罗斯克, D·S·维利茨
【申请人】霍尼韦尔国际公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月30日
【公告号】EP3002553A1, US20160097640
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