[发明专利]陀螺仪传感器的标定设备和方法

说明书

相关申请

本申请要求2010年11月8日提交的申请号为61/456,467的美国临时申请的优先权权益，因此通过全文引用将其内容并入本文。

技术领域

本公开涉及装有磁传感器的设备，并且更具体地涉及包括惯性陀螺仪传感器的系统。

背景技术

低成本的惯性传感器和其他传感器在各种消费类电子设备例如智能手机、游戏控制器和多种其他产品中已经变得非常普及。这就对开发人员提出了很有挑战性的要求。产品越便宜，其用户能够接受的技术复杂程度就越低，并且产品即使在使用低成本低精度的传感器时也应该提供可靠耐用和轻松简便的操作体验。

在设备制造中的惯用做法是在设备制造时就标定由设备使用的所有传感器，然后再将设备运送给用户。因此，所谓的出厂标定可以利用特定设备、可控的环境和专业人员来非常准确地完成。但是，到产品被用户使用时，传感器的标定会由于温度改变、电池电压的不同以及设计工程师难以控制的其他影响因素而失效。

该准确标定的问题对于传感器来说特别重要，为了在导航或姿态确定的解决方案中使用，传感器需要针对时间进行积分。由于积分，标定误差会随着时间而增大并且很快就会使得到的结果无法接受。

这就意味着为了确保设备操作准确，对于在设备中使用的每一个传感器都应该有合适的软件和算法以允许自主实时标定例如在设备正常运行期间由于上述环境因素而产生的信号漂移和有效增益改变这样的影响。换句话说，实用的设计必须加入自主监测并实时调节传感器标定参数的内部算法。

这还意味着应该有允许降低传感器积分误差影响的方法。

因此，本公开的一个目标是通过提供一种在设备正常运行期间实时自动调节陀螺仪传感器标定参数的方法来解决一个或多个上述难题。

本公开还有一个目标是提供一种允许减小陀螺仪积分误差的方法。

当前典型的系统具有全套的传感器例如3轴加速度计、3轴磁传感器和3轴陀螺仪传感器。所有这些传感器都需要标定以允许有效使用。最常见的加速度计标定方法是利用系统静止时的时间点和利用重力矢量作为固有标准以确定加速度计的偏置和增益。这些静止的情形可以由用户在用户标定期间设定或者在实时操作期间来检测，例如通过美国专利US5991692中介绍的“静止状态检测器”，原因就是在静止的位置只有重力矢量才能影响加速度计的读数。利用设备在不同方位的多个测量值即可执行完整的加速度计标定。作为一个示例可参见美国专利US6729176。

磁传感器通常利用天然的地球磁场进行标定。正如公开号为20090070056的美国专利申请中所述，标定可以通过记录几种预定设备方位下的测量值来完成，或者作为后台进程利用计算或用户标定的设备三维运动来完成。这样的过程在每一次执行标定时都会构建新的标定参数。

由于GPS传感器已得到广泛应用并且在使用了磁传感器的导航系统中十分常见，因此经常通过比较GPS速度矢量的方向和由磁传感器获取的方向而将GPS传感器用于磁传感器的标定。然后使用卡尔曼滤波器的直接计算过程来得出所需用于磁传感器的标定参数。

需要付出大量的体力劳动才能允许本领域普通技术人员通过使用天然和固有的已为公知且在地球上的任何位置都已用高精度列表的地球重力和地球磁场以及通过使用另外的传感器例如GPS传感器和温度传感器来得出准确标定设备内使用的磁传感器和加速度计传感器的适当过程。

正如本领域技术人员所知的那样，在根据精确标定的磁传感器和重力传感器的测量值得出设备方位时，每一种姿态的确定都是独立的。因此，在确定磁场和重力矢量的方向中不可避免的误差并不随着时间而累积。恰恰相反，通过平滑处理得到的轨迹就能够减小每一个轨迹点中的方位误差。

但是，在设备经历未知加速的情况下，内部加速度计无法被用于确定跟地球重力矢量相关的设备方位。单独用磁场矢量不足以恢复设备方位，单根GPS天线也不能被用于恢复主体方位。在这样的情况下我们没有其他的可选手段而只能使用陀螺仪传感器来确定设备的三维方位。

陀螺仪传感器测量围绕其自身坐标轴的转速。在准确积分时，这就可以提供偏离其初始方位的三维主体总旋转量。但是，由于陀螺仪信号必须被积分以获得方位，因此陀螺仪偏置或增益中的任何误差都会随着时间而快速增大。

假设能够检测不存在旋转的时间点，那么陀螺仪偏置就可以通过观测这种时间点时的陀螺仪信号来确定。但是，为了标定陀螺仪增益，我们需要围绕每一根轴线执行非常准确和已知的旋转，这一点即使在出厂设置下也很难实现，并且对于现场实时标定来说更是几乎不可能实现。