用于三轴磁力计和三轴加速度计的数据融合的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于H轴磁力计和H轴加速度计的数据融合的方法和装置
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 要求于2012年8月2日递交的"带智能自动校准的6-轴磁力计和加速度计融合 方法（Methodfor6-AxisMagnetometerandAccelerometerFusionwithIntelligent Autonomous化libration)"的美国临时专利申请序列号61/678, 638的优先权。
【背景技术】
[0003] 低成本和小微机电系统（MEM巧加速度计的可用性创造了纳入到智能手机和其他 手持设备或移动设备的各种新的商业应用。例如，与其他类型的MEMS加速度计技术相比， 基于测量由于施加加速的对流传热的内部变化的原理的热MEMS加速度计，对消费者应用 具有优越的优势，包括低成本的制造过程、高可靠性和很好的抗震动性或抗冲击性。
[0004] 此外，磁力计技术的进步也使人们有可能（成本、尺寸和功率消耗）在移动设备中 将=轴磁力计与=轴加速度计紧密结合W形成电子罗盘，W提供准静态姿态和航向信息， 用于使新的应用（例如，基于位置的服务）可用。
[0005] 其中部署了磁力计或加速度计的当地环境可W导致测量波动。作为一个示例，温 度变化可W影响测量，就像其他因素。
[0006] 磁罗盘的原理是通过测量地球的磁场来确定磁航向。然而，在移动设备（例如智 能电话）的内部，具有干扰磁场测量的部件一-传统上被称为"硬"铁和"软"铁失真/干 扰。硬铁的示例是永久磁铁，例如在智能手机上的扬声器中或智能手机的皮套上找到的永 久磁铁。软铁是例如由钢制成的部件，例如在智能手机中找到的Effl屏蔽或螺钉或电池接 触件。钢提供了比周围的空气"更低阻力"的路径到磁场，因此磁场被偏离，并且需要补偿 该偏离。硬铁失真表现得像磁力计偏移的变化。软铁失真表现得像磁力计的比例因子的变 化。需要考虑硬铁和软铁W准确地确定航向。
[0007] 用于在移动设备中实现=轴磁力计和=轴加速度计的技术挑战包括：处理传感器 的误差源（包括偏移、比例因子和轴的偏差）、w及地球磁场的失真（例如，硬铁和软铁）， 其促成了姿态和航向的误差。由于成本通常是（例如在智能手机中的那些）消费者应用中 最大的关注，因此，复杂和昂贵的磁力计和加速度计的工厂校准在商业上是不实用的。
【发明内容】
[000引本发明的实施例实现了传感器数据融合，即组合从传感器获得的数据，W精确地 确定设备的航向和方位。
[0009] =轴磁力计和=轴加速度计的数据融合提供了姿态和航向、在线校准的磁力计和 加速度计数据、W及角速率的解决方案。其结果是，提供了磁力计传感器校准W消除随时间 和温度的传感器误差源，并且从硬铁和软铁失真恢复地球磁场测量。
[0010] 本发明的实施例提供了用于=轴磁力计和=轴加速度计的数据融合的方法和装 置，W提供姿态和航向、在线校准的磁力计和加速度计数据、W及角速率的解决方案，其中， 所述磁力计和加速度计数据首先被滤波W排除离群值（outlier)和抑制噪声；基于由在线 加速度计的自动校准估算的误差源，经滤波的加速度计数据被进一步校正；基于由在线磁 力计的自动校准估算的硬铁和软铁失真，经滤波的磁力计数据被进一步校正；经校正加速 度计数据被用于计算准静态滚转和俯仰角；滚转和俯仰角被用于形成从体化ody)到水平 (level)坐标系的变换矩阵。经校正的磁力计数据被从体坐标系变换为水平坐标系，W生 成水平磁场向量，磁航向可W使用水平磁场向量来计算；滚转、俯仰、航向被用于推导角速 率；经校准的加速度计数据和所导出的角速率被用于检测动态和静态状态而被依次用于帮 助在线磁力计的自动校准和加速度计的自动校准。
【附图说明】
[0011] 下面参照附图公开了本发明的至少一个实施例的各个方面。应当理解的是，为了 简单和清楚地说明，在附图中显示的元件不一定精确地绘制或按比例绘制。例如，为了清楚 起见，一些元件的尺寸相对于其他元件可能被扩大了，或几个物理部件可能被包括在在一 个功能块或元件中。此外，在认为合适的情况下，附图中重复出现的参考标记指示相应的或 类似的元件。然而为了清楚起见，可能不会在每个附图中标记每个部件。提供该些附图的 目的是解释和说明，并且不旨在作为对本发明的限制定义。在附图中：
[0012] 图1A、1B和1C是相对于S轴加速度计和其载体的标准坐标体坐标系炬）和当地 水平坐标系（L)系统的表示；
[0013] 图2A和2B是本发明的实施例的功能框图；
[0014] 图3是示出了本发明的实施例的功能框图；
[0015] 图4是示出了本发明的磁力计校准的实施例的功能框图；
[0016] 图5是示出了根据本发明实施例的一个磁力计校准方案的功能框图；
[0017] 图6是示出了根据本发明实施例的另一磁力计校准方案的功能框图；
[001引图7是示出了根据本发明实施例的卡尔曼滤波的功能框图；
[0019] 图8是示出了根据本发明实施例的滤波的功能流程图；
[0020] 图9是示出了根据本发明实施例的准静态检测的功能框图；
[0021] 图10是示出了根据本发明实施例的磁场干扰检测的功能框图拟及
[0022] 图11是示出了根据本发明实施例的校准机械化的可变结构的功能框图。
【具体实施方式】
[002引为所有目的，通过引用将递交于2012年8月2日名称为"带智能自动校准的6-轴 磁力计和加速度计融合方法（Methodfor6-AxisMagnetometerandAccelerometer F^isionwithIntelligentAutonomous化libration)"的美国临时专利申请序列号 61/678, 638整体包括在本文内。
[0024] 本发明的实施例实现了传感器数据融合，即为了精确地确定设备的航向和方位， 从加速度计和磁力计传感器可得的数据的组合。=轴磁力计和=轴加速度计的数据融合提 供了姿态和航向、经过在线校准的磁力计和加速度计数据、W及角速率的解决方案。其结果 是，提供了磁力计传感器校准W消除时间和温度的传感器误差源并且从硬铁和软铁失真中 恢复地球磁场测量。
[0025] 本发明的一个实施例提供了用于各种应用的提供了同时带有硬铁和软铁校准能 力的六轴磁场/加速度计传感器的方法。该些应用包括设有准静态滚转、俯仰、w及磁航向 信息的电子罗盘应用。软巧螺仪功能提供伪九轴解决方案，包括：例如，动态滚转/俯仰/ 航向角、动态角速率和加速度测定。
[0026] 为了更好地理解本发明的实施例，现在将参考图1A-1C，其中相对于载体10W及 附着在或禪合到载体10的=轴加速度计12和=轴磁力计14,使用在航空电子学中公知的 标准坐标体坐标系炬）和当地水平坐标系（L)。本领域的普通技术人员将理解的是，=轴加 速计12可W包含相对于彼此正交定位的=个单独的加速度计，W及=轴磁力计14可W包 含类似布置的磁力计。
[0027] 载体10的主体轴线炬）被定义为坐标系炬)，其中有通过所述载体的向前方向上 的正XB轴，如箭头F所显示的，通过向右方向上的正YB轴，如在图中所显示的，W及用于完 成右旋的S轴结构的指向下的正ZB轴。加速度计12和磁力计14的XYZ轴可W与该设备 的体坐标系对准或具有恒定偏差（即，偏置），其对本文所描述的本发明的教导和实施例没 有影响。
[002引如图1A-1C中所显示的体坐标系和当地水平坐标系之间的关系。当地水平坐标系 被数学地定义W使得滚转角4和俯仰角0也被定义。当地水平坐标系（L)被定义为如下： 体坐标系炬）的X轴XB投影到当地水平平面作为当地水平坐标系（L)的X轴Xt;当地水平 平面的Y轴沪垂直于X轴XW及当地水平平面的Z轴Zt向下。
[0029] 来自S轴磁力计14的原始磁场测量和对应的经校准的测量之间的关系可W按照 下面的方式建模：
[0030] Magc= mmisAiign*msf*(Magm-bias) (1-1)其中，
[00引]Magm=来自S轴磁力计14的XYZ原始测量；
[00对 Bias=来自S轴磁力计14的XYZ原始测量的偏差；
[0033] m,f=比例因子误差矩阵；