移動(dòng)方向置信區(qū)間估計(jì)的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)要求在2013年3月14日由Zheng提交的題為"移動(dòng)方向置信區(qū)間估計(jì)"的 美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/783,220的優(yōu)先權(quán)，并且要求在2013年3月13日由Zheng提交的題 為"移動(dòng)方向置信區(qū)間估計(jì)"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/780, 475的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的各種實(shí)施例一般涉及慣性測(cè)量系統(tǒng)，并且尤其是涉及慣性測(cè)量系統(tǒng)中所 采用的定向的準(zhǔn)確度的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0004] 慣性測(cè)量系統(tǒng)中所采用的或包括慣性測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使用運(yùn)動(dòng)傳感器。 運(yùn)動(dòng)傳感器一般是陀螺儀傳感器、加速度計(jì)傳感器以及磁強(qiáng)儀傳感器。移動(dòng)方向數(shù)據(jù)或世 界坐標(biāo)系中的偏航定向角是來(lái)自應(yīng)用諸如車輛導(dǎo)航或手機(jī)羅盤中的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵 輸出中的一個(gè)。從運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的若干運(yùn)動(dòng)傳感器計(jì)算移動(dòng)方向輸出，運(yùn)動(dòng)傳感器如下 所示：3軸陀螺儀傳感器、3軸加速度計(jì)以及3軸磁強(qiáng)儀。每個(gè)傳感器具有互相正交的3軸 (x、y、z)測(cè)量輸出。3軸測(cè)量元件（偏航、橫搖和俯仰）在三個(gè)傳感器之間對(duì)齊。
[0005] 在三個(gè)傳感器之間，加速度計(jì)數(shù)據(jù)被看作是重力方向的參考（推測(cè)上當(dāng)裝置移動(dòng) 慢時(shí)為加速度計(jì)數(shù)據(jù)的主導(dǎo)分量）并且磁強(qiáng)儀被看作是對(duì)地球磁場(chǎng)方向的參考（假定沒(méi)有 磁擾）。理論上，通過(guò)將磁強(qiáng)儀數(shù)據(jù)投影到垂直于重力向量的平面上可獲得移動(dòng)方向向量， 即指向磁北的向量。然而，實(shí)際上，因?yàn)楫?dāng)裝置處于運(yùn)動(dòng)中時(shí)，磁強(qiáng)儀遭受環(huán)境磁擾并且加 速度計(jì)感測(cè)到連同重力的其它形式的加速，所以磁強(qiáng)儀-加速度計(jì)組合經(jīng)常導(dǎo)致大的移動(dòng) 方向誤差。通常，用于傳感器融合（運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的一部分）的算法通過(guò)調(diào)控陀螺儀來(lái)補(bǔ) 救擾動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)動(dòng)態(tài)地跟蹤定向改變時(shí)，陀螺儀免受磁擾和線性加速干擾，并同時(shí)將磁強(qiáng)儀 和加速度計(jì)數(shù)據(jù)用作長(zhǎng)期參考以取消來(lái)自陀螺儀缺點(diǎn)的潛在角漂移。
[0006] 換句話說(shuō)，運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通常使用具有失真的運(yùn)動(dòng)傳感器。運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)包含運(yùn) 動(dòng)跟蹤信號(hào)，該信號(hào)因運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)被模擬為隨機(jī)系統(tǒng)，所以特別地具有一些不確定性。例 如，在計(jì)算定向中，計(jì)算到誤差，因?yàn)橐坏┱`差已知，它可用作所計(jì)算定向中的置信度的量 度。當(dāng)前，基本算法用于計(jì)算角誤差的估計(jì)。算法僅是置信度的標(biāo)度諸如離散指示符1、2、 3、4,其中例如指示低置信度的1至指示在加或減5度內(nèi)的最大置信度的4。這明顯不是誤 差的精確估計(jì)。進(jìn)一步地，在當(dāng)前系統(tǒng)中，誤差的估計(jì)不可放入卡爾曼濾波器中，因?yàn)樾枰?計(jì)算大矩陣的反函數(shù)，從而使計(jì)算太過(guò)復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)。因此，在當(dāng)前系統(tǒng)中未有效地提供 誤差測(cè)量，而是提供了對(duì)誤差的描述。因此，希望更準(zhǔn)確地估計(jì)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的移動(dòng)方 向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 簡(jiǎn)要地，本發(fā)明的實(shí)施例包含具有產(chǎn)生已校正加速度計(jì)數(shù)據(jù)的加速度計(jì)處理單元 的慣性測(cè)量系統(tǒng)。慣性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包含產(chǎn)生已校正磁強(qiáng)儀數(shù)據(jù)的磁強(qiáng)儀處理單元。慣 性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包含產(chǎn)生已校正陀螺儀數(shù)據(jù)的陀螺儀處理單元。使用已校正加速度計(jì)數(shù) 據(jù)，已校正磁強(qiáng)儀數(shù)據(jù)以及已校正陀螺儀數(shù)據(jù)，慣性測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生移動(dòng)方向角和指示角誤 差的準(zhǔn)確度的誤差。
[0008] 通過(guò)參考說(shuō)明書的其余部分和附圖可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步理解本文公開(kāi)的具體實(shí)施例 的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)105。
[0010] 圖2a至2f示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的系統(tǒng)105的示例性應(yīng)用。
[0011] 圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)處理單元的相關(guān)特征的框圖。
[0012] 圖3b示出運(yùn)動(dòng)處理單元的輸出與變化的磁場(chǎng)的關(guān)系。
[0013] 圖4示出關(guān)于方框316的磁異檢測(cè)的由系統(tǒng)300執(zhí)行的步驟的流程圖400。
[0014] 圖5示出移動(dòng)方向統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
[0015] 圖6示出由加速度計(jì)偏移估計(jì)誤差引起的潛在移動(dòng)方向誤差。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 在所述實(shí)施例中，也被稱為運(yùn)動(dòng)處理單元（MPU)的運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置包含除電子電路 之外的至少一個(gè)傳感器?？紤]這樣的傳感器，諸如陀螺儀、磁強(qiáng)儀、加速度計(jì)、麥克風(fēng)、壓力 傳感器、近程光傳感器，環(huán)境光傳感器，尤其是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。一些實(shí)施例包含加 速度計(jì)、陀螺儀以及磁強(qiáng)儀，其每個(gè)都提供沿相對(duì)于彼此正交的三軸的測(cè)量，被稱為9軸裝 置。其它實(shí)施例可以不包含所有傳感器或可提供沿一或多個(gè)軸的測(cè)量。傳感器形成于第一 襯底上。其它實(shí)施例可包含固態(tài)傳感器或任何其它傳感器類型。運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置中的電子電 路接收來(lái)自一或多個(gè)傳感器的測(cè)量輸出。在一些實(shí)施例中，電子電路處理傳感器數(shù)據(jù)。而 在其它實(shí)施例中，在不同芯片上的處理器上處理傳感器數(shù)據(jù)。電子電路實(shí)施于第二硅襯底 上。第一襯底垂直地堆疊、附著并且電連接至單個(gè)半導(dǎo)體芯片中的第二襯底。
[0017] 在所述實(shí)施例中，"原始數(shù)據(jù)"指來(lái)自傳感器的尚未被處理的測(cè)量輸出。"運(yùn)動(dòng)數(shù) 據(jù)"指已處理傳感器數(shù)據(jù)。處理可包含應(yīng)用傳感器融合算法或應(yīng)用任何其它算法，諸如計(jì)算 置信區(qū)間。在傳感器融合算法的情況下，來(lái)自一或多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)組合以提供裝置的 定向。在實(shí)施例中，定向包含移動(dòng)方向角和/或置信值。在所述實(shí)施例中，MPU可包含結(jié)構(gòu) 中的處理器、存儲(chǔ)器、控制邏輯和傳感器。在實(shí)施例中，置信區(qū)間指示了移動(dòng)方向不確定性 的范圍，該范圍指示誤差，并因此指示了移動(dòng)方向估計(jì)的值的置信度，在所述實(shí)施例中，世 界坐標(biāo)中的預(yù)定義參考指這樣的坐標(biāo)系：其中坐標(biāo)系的一個(gè)軸與地球重力對(duì)齊，坐標(biāo)系坐 標(biāo)的第二軸指向磁北并且第三坐標(biāo)正交于第一坐標(biāo)和第二坐標(biāo)。
[0018] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)105。示出的系統(tǒng)105包含MPU 110、應(yīng)用處理器114、應(yīng)用存儲(chǔ)器112以及外部傳感器108。在實(shí)施例中，MPU 110包含處 理器102、存儲(chǔ)器104以及傳感器106。示出的存儲(chǔ)器104存儲(chǔ)算法、原始數(shù)據(jù)和/或來(lái)自 傳感器106和/或外部傳感器108的已處理傳感器數(shù)據(jù)。在實(shí)施例中，傳感器106包含加 速度計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)儀、壓力傳感器、麥克風(fēng)和其它傳感器。外部傳感器108可包含加速度 計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)儀、壓力傳感器、麥克風(fēng)、近程傳感器、觸覺(jué)傳感器和環(huán)境光傳感器，以及其 它傳感器。
[0019] 在一些實(shí)施例中，處理器102、存儲(chǔ)器104和傳感器106形成于不同芯片上，并且在 其它實(shí)施例中，處理器102、存儲(chǔ)器104和傳感器106駐留于相同芯片上。在另外的其它實(shí) 施例中，在計(jì)算定向中采用的傳感器融合算法在處理器102和MPU 110外部執(zhí)行。在還有 的其它實(shí)施例中，傳感器融合和置信區(qū)間由MPU 110確定。
[0020] 在實(shí)施例中，處理器102根據(jù)存儲(chǔ)器104中的算法執(zhí)行代碼，以處理存儲(chǔ)器104中 的數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)用處理器發(fā)送至應(yīng)用存儲(chǔ)器112或從中檢索，并且耦合至處 理器102。處理器102根據(jù)處理器114中的應(yīng)用執(zhí)行存儲(chǔ)器104中的算法。應(yīng)用的實(shí)例如 下：導(dǎo)航系統(tǒng)、羅盤準(zhǔn)確度、遙控、三維照相機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化或任何其它運(yùn)動(dòng)跟蹤應(yīng)用。在3 維應(yīng)用的情況下，通過(guò)處理器102估計(jì)偏移誤差或靈敏度誤差。應(yīng)當(dāng)理解，這不是應(yīng)用的詳 盡列表，并且考慮其它的應(yīng)用。
[0021] 圖2a至2f示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的系統(tǒng)105的示例性應(yīng)用。圖2a示出 包含系統(tǒng)105的汽車。系統(tǒng)105計(jì)算汽車的定向以輸出移動(dòng)方向和置信區(qū)間。類似地，在 圖2b中，計(jì)步器示出為包含用于計(jì)算計(jì)步器的定向的系統(tǒng)105。圖2c示出用戶腕部上的 可佩帶傳感器，該可佩帶傳感器采用系統(tǒng)105。在一些實(shí)施例中，可佩帶傳感器可佩戴在身 體的任何部分。系統(tǒng)105計(jì)算可佩帶傳感器的定向。在圖2d中，智能手機(jī)/平板計(jì)算機(jī)示 出為采用系統(tǒng)105。系統(tǒng)105計(jì)算智能手機(jī)/平板計(jì)算機(jī)的定向，諸如用于全球定位應(yīng)用。 圖2e示出3維照相機(jī)，其采用系統(tǒng)105以用于計(jì)算照相機(jī)的定向。圖2f示出導(dǎo)航系統(tǒng)，其 采用系統(tǒng)105以用于計(jì)算導(dǎo)航系統(tǒng)的定向。應(yīng)當(dāng)理解，圖2a到圖2f的應(yīng)用僅是太過(guò)詳盡 以至于難以枚舉的一系列其它應(yīng)用的實(shí)例。
[0022] 圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例