用于移动装置中的传感器的使用中自动校准方法
【专利摘要】披露了一种用于校准便携装置中的加速度计的方法、系统和计算机可读介质。该方法、系统和计算机可读介质包括从该加速度计接收数据，以及基于一个或多个自适应地选择满足某些标准的数据的选择规则提供来自该数据的加速度计样本。该方法、系统和计算机可读介质还包括使这些加速度计样本适应一个数学模式。该方法、系统和计算机可读存储介质进一步包括基于该数学模型的一个中心提供该加速度计的一个偏置。
【专利说明】用于移动装置中的传感器的使用中自动校准方法 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求在美国专利法第119(e)项35条款下2012年1月26日提交的标 题为"用于移动装置中的加速度计（和/或磁力计）的使用中自动校准方法（IN-USE AUTOMATIC CALIBRATION METHODOLOGY FOR ACCELEROMETERS(AND/OR MAGNETOMETERS) IN MOBILE DEVICES)"的美国临时专利申请号61/590, 924的权益，本申请通过引用以 其全文结合于此。本申请与2012年8月10日提交的标题为"磁力计偏置和异常探测器 (MAGNETOMETER BIAS AND ANOMALY DETECTOR)" 的美国专利申请号 13/572,441(案卷号 #IVS-170/5046P)和2011年6月20日提交的标题为"快速传感器运动确定（RAPID SENSOR MOTION DETERMINATION) "的美国专利申请号13/164, 136(案卷号#IVS-158)有关，所有这 些申请通过引用以其全文结合在此。 发明领域
[0002] 本发明总体上涉及用于加速度计的校准方法，并更具体地涉及一种用于移动装置 中的加速度计的使用中校准方法。 发明背景
[0003] 由于电子学和力学的本质，基于MEMS的加速度计趋向于具有偏置（偏差）和灵敏 度误差。这些误差可能由于温度、湿度、组装应力和外部条件的其他变化而漂移和或变化。 不精确的偏置导致传感器融合、姿态（倾斜、滚动、和偏转）估计、航向基准和取决于传感器 输出的精度的其他参数中的问题。具体地，如果需要对原始数据进行求积分，例如从加速度 到速度或从角速率到角度，偏置漂移问题被显著地放大。
[0004] 常规的解决方案是在工厂线中针对每个单元的每个轴校准每个传感器。然而，此 解决方案增加了额外成本，因为需要单独地校准单元上的每个传感器。该校准还可能需要 由于各种原因（如温度）随着时间而变化。
[0005] 对于加速度计而言，常规的校准解决方案是将传感器板放置在平坦的、绝对水平 的台上，当朝上的单元完全静止时测量其输出，并且然后当在同一非移动条件下朝下时再 次对其进行测量。对于三个不同的轴重复此解决方案。然而，在实践中，这些假设（平面、 水平台、绝对不移动）的任何偏离都会使校准的精确度下降。另外，此校准方法仅适合实验 室使用或工厂校准。最终用户不能将便携装置（如智能电话、平板计算机、或兼容装置）放 置在平坦的、水平的不移动的台上。
[0006] 对于两种基于MEMS的加速度计而言，偏置漂移在传感器的使用期内可以是初始 值的较大部分。随着时间逝去或随着环境条件变化（如温度），它们从工厂校准值显著地变 化。
[0007] 相应地，希望提供用于使用中加速度计校准的系统和方法。 发明概述
[0008] 披露了一种用于校准便携装置中的加速度计的方法、系统和计算机可读介质。该 方法、系统和计算机可读介质包括从该加速度计接收数据，以及基于一个或多个自适应地 选择满足某些标准的数据的选择规则提供来自该数据的加速度计样本。该方法、系统和计 算机可读介质还包括使这些加速度计样本适应一个数学模型。该方法、系统和计算机可读 存储介质进一步包括基于该数学模型的一个中心提供该加速度计的一个偏置。该数学模型 包括但不限于球体和椭球。
[0009] 根据本发明的方法、系统和计算机可读介质解决了移动装置上的加速度计校准的 问题。该方法是后台的使用中校准过程，从而使得当其运行时用户注意不到它。根据本发 明的方法、系统和计算机可读介质消除了对实验室设备和对平坦的、水平的且静止的表面 的需要。 附图简要说明
[0010]图1是根据一个实施例的利用加速度计校准算法的系统的框图。
[0011] 图2是加速度计校准算法100的一个实施例的框图。
[0012] 图3展示了适应来自装置的移动的加速度计数据的3-D球体模型的示例。
[0013] 图4展示了投影到X-Y平面中的图2的加速度计数据的3-D球体模型的示例。
[0014] 图5示出了用户手中的装置的正常移动下的装置11的取向的数据点
[0015] 图6是在用户的手的正常移动下的装置的运动的实施例的图解。
[0016] 图7是展示了已经使球体模型适应该数据之后的加速度计测量结果上的噪声的 图解。
[0017] 图8示出了手快速翻转之后的数据。
[0018] 图9示出了电话90度的快速旋转。
[0019] 图IOA示出了单个偏置估计算法的操作数据流。
[0020] 图IOB示出了球体的x-y平面上的16(4X4)个网格。
[0021] 图11示出了所有样本离所估计的偏置的距离的曲线图。
[0022] 图12示出了加速度计参数学习管理器中的四个状态。
[0023] 图13示出了拒绝线性加速度和向心加速度的样本选择规则。
[0024] 图14示出了使用中自动校准的四个阶段的典型流程。
[0025] 图15示出了不同阶段的加速度计偏置估计。 详细说明
[0026] 所描述的实施例总体上涉及用于加速度计的校准方法，并更具体地涉及一种用于 移动装置中的加速度计的使用中校准方法。以下描述被展示为使得本领域的普通技术人员 能够制作和使用本发明并提供了以下描述。对所描述的实施例和通用原理以及在此描述的 特征作出的各种修改对本领域技术人员而言将非常明显。因此，本发明并非旨在限定于所 示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广范围。 用于加谏度计参数柃准的常规方法
[0027] 用于加速度计的常规参数校准方法是要隔离轴测量结果并要在三个不同过程中 获得每个轴的加速度计偏置和灵敏度。
[0028] 首先，将传感器板定位在平台上，其中，Z轴朝上。因此，所有的重力都在Z轴上， 同时X轴和Y轴不具有重力分量。用此测量结果建立下列方程：
【权利要求】
1. 一种用于校准便携装置中的加速度计的方法，包括： 从该加速度计接收数据； 基于一个或多个自适应地选择满足某些标准的数据的选择规则提供来自该数据的多 个加速度计样本； 使这些加速度计样本适应一个数学模型；以及 基于该数学模型的一个中心提供该加速度计的一个偏置。
2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括从一个陀螺仪接收数据。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，该数学模型是一个球体。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，该数学模型是一个椭球。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，该椭球的每个轴的延伸等效于相应轴的缩放。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，这些选择规则选择该数据的一个子集来提供这些 加速度计样本。
7. 如权利要求2所述的方法，其中，这些选择规则包括一个运动中选择规则，其中，力口 速度的导数是该陀螺仪和该装置的取向的一个函数。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，这些选择规则包括：线性加速度的变化低于一个阈 值。
9. 如权利要求2所述的方法，其中，这些选择规则包括该装置的一个旋转速率。
10. 如权利要求9所述的方法，从该陀螺仪或四元数导数确定该旋转速率。
11. 如权利要求2所述的方法，其中，该陀螺仪数据用于确定该装置是否基本上稳定。
12. 如权利要求1所述的方法，其中，该便携装置被基本上保持稳定。
13. 如权利要求1所述的方法，其中，这些选择规则包括：使用一种最小平方法来估计 一个球体的一个三轴偏置和一个半径，如果这三个轴共享同一半径的话。
14. 如权利要求1所述的方法，进一步包括存储与这些加速度计样本相关的信息。
15. 如权利要求12所述的方法，该信息包括多种统计特征。
16. 如权利要求12所述的方法，该信息包括该数据的二阶、三阶和四阶。
17. 如权利要求1所述的方法，进一步包括当线性加速度在一个阈值以上并且该便携 装置基本上稳定时擦除所存储的信息。
18. 如权利要求1所述的方法，进一步包括选择一个轴以用于提供该偏置。
19. 如权利要求16所述的方法，进一步地，所述选择一个轴包括：当沿着一个第一轴的 数据的大小大于加速度计数据乘以一个阈值的大小时选择该第一轴，其中，加速度计数据 平方的大小是沿着该第一轴、第二轴和该第三轴的数据的平方和。
20. 如权利要求17所述的方法，当沿着该第一轴的数据的大小小于数据向量乘以该阈 值的大小时，并且当沿着一个第二轴的数据的大小大于数据向量乘以一个阈值的大小时， 选择该第二轴。
21. 如权利要求15所述的方法，当沿着该第二轴的数据的大小小于数据向量乘以一个 阈值的大小时，并且当沿着一个第三轴的数据的大小大于向量乘以一个阈值的大小时，选 择该第三轴。
22. 如权利要求1所述的方法，其中，与该第二轴相关的第二数据和与第三轴相关的一 个第三数据值较小，该第一轴的偏置被设置为1与沿着该第一轴的该第一数据的差。
23. 如权利要求1所述的方法，其中，选择一个轴包括感知该装置的超过一个第三阈值 角度的旋转。
24. -种用于校准便携装置中的加速度计的方法，包括： 从该加速度计接收数据； 基于一个或多个自适应地选择满足某些标准的数据的选择规则提供来自该数据的多 加速度计样本；以及 基于加速度计样本的数量提供该加速度计的一个偏置。
25. 如权利要求24所述的方法，其中，第一数量的加速度计样本确定该加速度计对于 一个第一测量轴的偏置。
26. 如权利要求25所述的方法，其中，第二数量的加速度计样本确定应用一种曲线拟 合算法来确定该加速度计的偏置，其中，该第二数量的加速度计样本大于该第一数量的加 速度计样本。
27. 如权利要求26所述的方法，其中，第三数量的加速度计样本确定应用一种具有多 个更严格阈值的曲线拟合算法来确定该加速度计的偏置，其中，该第三数量的加速度计样 本大于该第二数量的加速度计样本。
28. -种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括：计算机可读程序装置，用 于使一个计算机控制一个应用的执行，以完成一种用于校准便携装置中的加速度计的方 法，该方法包括 ： 从该加速度计接收数据； 基于一个或多个自适应地选择满足某些标准的数据的选择规则提供来自该数据的多 个加速度计样本；以及 基于加速度计样本的数量提供该加速度计的一个偏置。
【文档编号】G01C19/5776GK104246433SQ201280071583
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2012年1月26日
【发明者】威廉·凯丽·基尔, 源·郑, 谷安佳, 詹姆斯·利姆, 尚-鸿·林 申请人:因文森斯公司