[发明专利]基于传感器的定向系统

说明书

相关申请交叉参考案

本申请案主张2006年3月15日提出申请的名称为“基于传感器的定向系统 (Sensor-based Orientation System)”的美国临时专利申请案第60/783,196号的优先权， 其受让于本发明受让人且以引用方式明确地并入本文中。

技术领域

本发明大体来说涉及定向系统，且更特定来说涉及一种用于感测移动体中的滚 动、俯仰及偏航以及所述体在三维空间中的线性平移的方法及设备。

背景技术

存在各种各样可供用于检测或测量物理条件或现象的传感器。一种通常部署在许 多工业、商业或科学环境中的传感器为线性加速度计。通过检测地球重力向量的方向， 可使用“3D”加速度计的线性来测量物体的平移(没有角旋转的线性移动)，且其也 可感测“倾斜”(例如与“滚动”或“俯仰”相关联的角加速度)、自由降落及冲击。 不同类型及灵敏度的加速度计可通过采用各种物理现象中的任一者来起作用，例如小 球的滚动、导电或重质液体的移位/流动、钟摆的摆动或具有不同准确性及灵敏度的其 它机械装置。更精密的已知线性加速度计可通过地球磁场或采用其它磁或光学现象来 感测移动。

然而，目前使用常规的具有成本效益的线性加速度计来区分线性运动(相对于普 通笛卡尔坐标系的加速度)与装置定向的变化及滚动或俯仰的对应变化(即，角加速 度)是困难的或不可能的。通过常规的线性加速度计完全不能感测到移动物体的“航 向”或偏航的变化。相对昂贵、复杂且精巧的陀螺仪通常用作用于感测旋转自由度的 移位或变化(例如，可移动物体的偏航、滚动或俯仰)的装置。通常地，使用三个陀 螺仪，其中每旋转轴一个，尽管微电子机械系统(MEMS)技术中的近期发展允许两 轴陀螺仪的发展。因此，所属技术领域中需要一种使用相对简单的加速度计传感器可 靠地测量物体的全部六个自由度的移动(其中包含偏航以及滚动和俯仰的变化)的方 法及装置。

发明内容

本文所揭示实施例通过提供一种用于测量实际上任何可移动物体的全部六个自 由度的移动的过程及设备来满足上述需要。三个线性加速度计产生这一测量所需要的 所有数据。两个加速度计提供需用于检测与那些加速度计相关联的共线的两个点的位 置的变化，而与前两个加速度计非共线设置的第三加速度计产生足以计量连接前两个 加速度计的虚轴方向或定向的变化(如果存在)的数据。

附图说明

图1是所显示关于局部水平平面且具有所描绘的选定坐标轴的现有技术加速度计 或“倾斜”传感器的透视图；

图2显示本发明的一方面，其中在度量板上有三个加速度计传感器以用于测量关 于六个自由度的运动的加速度。

图3显示四个垂直对准的加速度计传感器的阵列及对应于每一传感器的轴的输出 数据，且还显示两个水平对准的传感器，其中一个相对于另一个是反向的且具有对应 的输出数据；

图4是图解说明对对应于既定倾斜角τ的坐标系的X轴上加速度的变化的确定的 几何图；

图5图解说明度量板上经历线性平移的两个加速度计型传感器的输出感测；

图6图解说明经历绕轴S-S的旋转的度量板上两个加速度计型传感器的相对输 出感测；

图7是显示三个加速度计传感器与时钟和MPROC组合之间的操作连接的简图； 且

图8是描绘本发明方法的一方面的流程图。

具体实施方式

本发明所揭示方法准许感测及测量物体的定向及线性运动，预期，所揭示方法将 发现各种各样的领域及环境中的有益应用，其包含但不限于：航空及陆地运输、电信、 远程感测及摄影、对人或货物的电子追踪及监视、人、产品及消费者电子产品的安全。

通过本发明所揭示方法，可以可靠地测量选定物体的线性运动及三维定向。然后 可以任何适当方式向其它系统组件或处理器传输所述运动及由此产生的位置数据。例 如，可将对三维位置上不期望的变化的测量提供给(例如)姿势控制系统以准许矫正 从适当的定向(例如，相对于垂直)的偏离。或者，通过进一步实例，如果物体的加 速度及定向经测量同时落到预定参数之外，则可发信号通知并激励警告系统。在消费 者电子产品中，可使用六维信息来控制例如操纵杆的游戏装置，允许输入及菜单选择 方面的用户交互作用，并提供数字照相机及摄相机的图像稳定性。