[发明专利]使用最低自由度加速度计测量倾斜的系统和方法

说明书

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z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x和z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、x轴和z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：

TiltAnglePitch=arcsinAmysAmzs]]>方程[1]