基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方 法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 隨著當下對慣性傳感器的需求越來越大，對陀螺儀(角速度傳感器）的精度、功耗 等要求也越來越高。MEMS陀螺儀雖然有成本低、易于數(shù)字化等優(yōu)點，但是與加速度計以及其 他傳感器相比，功耗明顯偏高。于此同時，隨著應用的豐富，對高精度陀螺的需求也越來越 高。當下的MEMS陀螺儀的精度要求漸漸不能滿足其需求。
[0004] 為了彌補MEMS陀螺儀在這些方面的不足，有若干方法被提出，曾有人提出利用一 種多陀螺的數(shù)據(jù)融合方法來實現(xiàn)利用低成本陀螺組建高精度陀螺的方案。但是其缺點為多 陀螺系統(tǒng)的功耗太高。也有方案提出，利用加速度計的解算來組建無陀螺慣性系統(tǒng)，其缺點 為其加速度布置需要立體布置，不僅對加速度計布置的位置精度要求高，而且整個系統(tǒng)的 體積大。
[0005]

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術中虛擬陀螺儀的高功耗，且精度不夠 的缺陷，提供一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺技術，通過加速度計組合和陀螺儀的輸出 進行數(shù)據(jù)融合，得到優(yōu)化后角速度值的輸出，可以大幅提升整個系統(tǒng)的角速度測量精度。
[0007] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是： 提供一種基于多傳感器融合實現(xiàn)虛擬陀螺的方法，包括以下步驟： 設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計； 在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一 個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器； 輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。
[0008] 本發(fā)明所述的方法中，還包括步驟： 根據(jù)輸出的測量值，構建狀態(tài)更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0009] 本發(fā)明所述的方法中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內正交 的雙軸加速度計或者兩個單軸加速度計。
[0010] 本發(fā)明所述的方法中，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預設的坐標系的X軸 方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl的位置，方向與Y 軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方向與X軸平行，陀 螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
[0011] 本發(fā)明所述的方法中，設置dl等于d2。
[0012] 本發(fā)明還提供一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺，包括基板，其上設置加速度組 合傳感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直； 本發(fā)明所述的虛擬陀螺中，該虛擬陀螺還包括： 計算單元，用于根據(jù)加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構 建狀態(tài)更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0013] 本發(fā)明所述的虛擬陀螺中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內 正交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計。
[0014] 本發(fā)明所述的虛擬陀螺中，所述第二加速度計和第三加速度計均為單軸加速度 計。
[0015] 本發(fā)明所述的虛擬陀螺中，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預設的坐標系的 X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl的位置，方向與 Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方向與X軸平行， 陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
[0016] 本發(fā)明所述的虛擬陀螺中，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離與第 三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
[0017] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明通過在同一平面內布置一對加速度計共位置、 檢測方向正交，兩對加速度計檢測方向平行但不共位置，以及一個陀螺儀，并根據(jù)輸出構建 狀態(tài)更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出特性，選擇適合 的協(xié)方差矩陣，即可達到優(yōu)化的角速度輸出，其精度會大大增加，同時因為加速度計的功耗 較低，又僅使用一個陀螺儀，相比于現(xiàn)有技術中使用多個陀螺儀的功耗明顯降低。
[0018]
【附圖說明】
[0019] 下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中： 圖1是本發(fā)明實施例基于多傳感器融合實現(xiàn)虛擬陀螺的方法流程圖； 圖2是本發(fā)明實施例基于多傳感器融合的虛擬陀螺結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0021] 本發(fā)明利用加速度計組合與陀螺儀進行數(shù)據(jù)融合，得到優(yōu)化后角速度值的輸出， 提高了角速度測量精度。
[0022] 本發(fā)明實施例的基于多傳感器融合的虛擬陀螺，包括基板，以及設置在基板上的 加速度組合傳感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直。
[0023] 該虛擬陀螺還包括計算單元，可設置在基板上，與加速度組合傳感器和陀螺儀分 別連接，用于根據(jù)加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構建狀態(tài) 更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0024] 該計算單元也可以設在虛擬陀螺外部，如通過外部的單片機實現(xiàn)，或者通過上位 機實現(xiàn)。
[0025] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內正 交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計；所述第二加速度計和第三加速度計均為單軸 加速度計。
[0026] 本發(fā)明的一個實施例中，如圖1所示，雙軸加速度計1布置在基板4的一個角落， 兩個軸的方向分別沿預設的坐標系的X軸方向和Y軸方向。單軸加速度計2a布置于X軸 上距雙軸加速度計1距離為dl的位置,方向與Y軸平行。單軸加速度計2b布置于Y軸上 距雙軸加速度計1距離為d2的位置，方向與X軸平行。陀螺儀3布置在與各個加速度計共 面的任意位置，其檢測方向為Z軸方向。
[0027] 本發(fā)明的一個實施例中，可設置第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離 與第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
[0028] 在上述布置方案下，假設雙軸加速度計1在X軸方向和Y軸方向的輸出分別為Al、 A2,單軸加速度計2a的輸出為A3,單軸加速度計2b的輸出為A4,通過如下公式解算得到角 加速度? :
【主權項】
1. 一種基于多傳感器融合實現(xiàn)虛擬陀螺的方法，其特征在于，包括以下步驟： 設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計； 在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一 個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器； 在該平面任一位置設置陀螺儀，其檢測方向與該平面垂直； 輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟： 根據(jù)輸出的測量值，構建狀態(tài)更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在 同一平面內正交的雙軸加速度計或者兩個單軸加速度計。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預 設的坐標系的X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl 的位置，方向與Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方 向與X軸平行，陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
5. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，設置dl等于d2。
6. -種基于多傳感器融合的虛擬陀螺，其特征在于，包括基板，其上設置加速度組合傳 感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直。
7. 根據(jù)權利要求6所述的虛擬陀螺，其特征在于，該虛擬陀螺還包括： 計算單元，用于根據(jù)加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構 建狀態(tài)更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
8. 根據(jù)權利要求5所述的虛擬陀螺，其特征在于，所述第一加速度計為共位置、檢測方 向在同一平面內正交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計；所述第二加速度計和第三 加速度計均為單軸加速度計。
9. 根據(jù)權利要求5所述的虛擬陀螺，其特征在于，第一加速度計的兩個檢測方向分別 沿預設的坐標系的X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離 為dl的位置,方向與Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位 置，方向與X軸平行，陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
10. 根據(jù)權利要求8所述的虛擬陀螺，其特征在于，第二加速度計置于X軸上距第一加 速度計的距離與第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方法，其中方法包括以下步驟：設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計；在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器；在該平面任一位置設置陀螺儀，其檢測方向與該平面垂直；輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。通過加速度計組合和陀螺儀的輸出進行數(shù)據(jù)融合，得到優(yōu)化后角速度值的輸出?？梢源蠓嵘麄€系統(tǒng)的角速度測量精度。
【IPC分類】G01C21-16
【公開號】CN104677355
【申請?zhí)枴緾N201510099336
【發(fā)明人】羅璋, 劉勝, 劉超軍, 余帥, 張生志, 王小平
【申請人】九江飛恩微電子有限公司, 武漢大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月6日