专利名称：二维/三维角速度检测装置、方法、姿态感知设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及角速度检测技术领域，特别涉及一种二维/三维角速度检测装置、方法、姿态感知设备。
背景技术：
目前，计算机鼠标指针的定位大多数都依靠光学传感器或激光传感器来实现，这些传感器都基于物理光学原理，使得传感器需要依靠桌面等平台来实现。但是随着人们对办公环境和操作便捷性要求的日益提高，用户希望鼠标可以脱离对桌面的依赖，升级为空间鼠标，可以实现悬空三维操作，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，轻松控制电脑等设备。 因此，基于陀螺仪的空间鼠标应运而生。陀螺仪技术经历了相当一段时间的发展，经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子， 依靠自身的性能可以捕获自身的姿态。它最早是用于航海导航，后来在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪的基本原理是运用物体高速旋转时，强大的角动量使旋转轴一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。当运动方向与转轴指向不一致时，会产生相应的偏角，再根据偏角与运动的关系，得到目前运动件的运动轨迹和位置，从而实现定位的功能。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，利用角动量守恒原理，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。为此，微电子机械系统 (Micro-electromechanical Systems, MEMS)陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力(Coriolisforce)来实现了设备的小型化。科里奥利力也就是常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性。专利公开号为CN102043475A的中国专利申请中提供了一种空间鼠标，包括本体、X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、主处理芯片、信号发射单元；所述本体上设置有鼠标左、中、右键、滑动条、信号发射窗口，所述滑动条可以向主处理芯片发出指令对X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪的移动信息进行微调；所述鼠标左、中、右键可以向主处理芯片发出指令对X轴陀螺仪、Y 轴陀螺仪的移动信息进行确认和处理；然后，确认/处理信息经主处理芯片处理，给所述发射单元发出发射指令；所述发射单元设置在信号发射窗口内部，发射信号从所述信号发射窗口发出。上述陀螺仪是单轴陀螺仪，为了采集空间两个平面的角速度信息，需要两个陀螺仪垂直放置。此外，还存在两轴陀螺仪和三轴陀螺仪，一个两轴陀螺仪就可以得到空间两个平面的角速度信息，一个三轴陀螺仪就可以得到空间三个平面的角速度信息。当陀螺仪发生旋转，即有绕输出轴(X轴)角速度(rad/s)输入时，X轴方向上受科里奥利力作用而使陀螺仪在该方向产生振动，此时陀螺仪在X轴上的位移X(t)为X(t) = Acos(cozt4c)
其中
权利要求
1.一种二维角速度检测装置，其特征在于，包括两个陀螺仪，所述两个陀螺仪分别包括检测臂；位于所述检测臂两侧的第一驱动臂和第二驱动臂； 连接所述检测臂中心、第一驱动臂中心和第二驱动臂中心的连接部； 驱动电路，用于驱动所述第一驱动臂和所述第二驱动臂进行振动； 检测电路，用于检测所述检测臂的输出电压，所述检测臂的输出电压与陀螺仪所在平面的角速度相关；所述两个陀螺仪的检测臂相互垂直；所述陀螺仪静止时，第一驱动臂和第二驱动臂相对振动，检测臂静止；所述陀螺仪运动时，第一驱动臂、第二驱动臂和检测臂均同向振动。
2.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述检测电路包括数据采集卡，与所述检测臂连接，用于输出所述检测臂上的电压模拟值；模数转换器，与所述数据采集卡连接，用于将所述电压模拟值转换为电压数字值。
3.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述检测电路包括数据采集卡，与所述检测臂连接，用于输出所述检测臂上的电压模拟值；放大器，与所述数据采集卡连接，用于对所述检测臂上的电压模拟值进行放大处理；低通滤波器，与所述放大器连接，用于对放大处理后的电压模拟值进行滤波处理，且将滤波后的电压模拟值传送给所述模数转换器；模数转换器，与所述低通滤波器连接，用于将滤波后的所述电压模拟值转换为电压数字值。
4.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述驱动电路使每个所述陀螺仪的第一驱动臂和第二驱动臂的振动频率均相同。
5.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述驱动电路使其中一个陀螺仪的第一驱动臂和第二驱动臂以第一振动频率振动，使另一个陀螺仪的第一驱动臂和第二驱动臂以第二振动频率振动，所述第一振动频率和所述第二振动频率不相同。
6.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述驱动电路使所述陀螺仪的第一驱动臂和第二驱动臂的振动频率为40KHz 60KHz。
7.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述陀螺仪的材料为水晶。
8.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，所述两个陀螺仪不接触。
9.如权利要求1所述的二维角速度检测装置，其特征在于，还包括开关，用于控制所述驱动电路的开启和关闭，所述驱动电路开启时，所述二维角速度检测装置正常工作；所述驱动电路关闭时，所述二维角速度检测装置不工作。
10.一种包括权利要求1至9中任一项所述的二维角速度检测装置的二维姿态感知设备。
11.如权利要求10所述的二维姿态感知设备，其特征在于，所述二维姿态感知设备为空间鼠标。
12.如权利要求10所述的二维姿态感知设备，其特征在于，所述二维角速度检测装置设置在所述二维姿态感知设备的前端。
13.一种用权利要求1至9任一项所述的二维角速度检测装置检测角速度的方法，其特征在于，包括对于每一个所述陀螺仪，分别驱动第一驱动臂和第二驱动臂进行振动；获取其基准电压，所述基准电压为所述陀螺仪静止时检测臂的输出电压； 检测所述陀螺仪运动时检测臂的输出电压；根据基准电压与所述陀螺仪运动时的输出电压获得所述陀螺仪所在平面对应的角速度，其中所述陀螺仪运动时的输出电压与所述基准电压之差与所述角速度呈线性关系。
14.一种三维角速度检测装置，其特征在于，包括三个陀螺仪，所述三个陀螺仪分别包括检测臂；位于所述检测臂两侧的第一驱动臂和第二驱动臂； 连接所述检测臂中心、第一驱动臂中心和第二驱动臂中心的连接部； 驱动电路，用于驱动所述第一驱动臂和所述第二驱动臂进行振动； 检测电路，用于检测所述检测臂的输出电压，所述检测臂的输出电压与陀螺仪所在平面的角速度相关；所述三个陀螺仪的检测臂分别相互垂直；所述陀螺仪静止时，第一驱动臂和第二驱动臂相对振动，检测臂静止；所述陀螺仪运动时，第一驱动臂、第二驱动臂和检测臂均同向振动。
15.一种包括权利要求14所述的三维角速度检测装置的三维姿态感知设备。
16.如权利要求15所述的三维姿态感知设备，其特征在于，所述三维角速度检测装置设置在所述三维姿态感知设备的前端。
17.一种用权利要求14所述的三维角速度检测装置检测角速度的方法，其特征在于， 包括对于每一个所述陀螺仪，分别驱动第一驱动臂和第二驱动臂进行振动；获取其基准电压，所述基准电压为所述陀螺仪静止时检测臂的输出电压； 检测所述陀螺仪运动时检测臂的输出电压；根据基准电压与所述陀螺仪运动时的输出电压获得所述陀螺仪所在平面对应的角速度，其中所述陀螺仪运动时的输出电压与所述基准电压之差与所述角速度呈线性关系。
全文摘要
一种二维/三维角速度检测装置、方法、姿态感知设备，所述二维角速度检测装置，包括两个陀螺仪，所述两个陀螺仪分别包括检测臂；位于所述检测臂两侧的第一驱动臂和第二驱动臂；连接所述检测臂、第一驱动臂和第二驱动臂中心的连接部；驱动电路，用于驱动所述第一驱动臂和所述第二驱动臂进行振动；检测电路，用于检测所述检测臂的输出电压，所述检测臂的输出电压与陀螺仪所在平面的角速度相关；所述两个陀螺仪的检测臂相互垂直；所述陀螺仪静止时，第一驱动臂和第二驱动臂相对振动，检测臂静止；所述陀螺仪运动时，第一驱动臂、第二驱动臂和检测臂均同向振动。本发明具有较高的耐冲击和振动性，且可以简单地得到角速度。
文档编号G06F3/033GK102331512SQ20111023486
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者严松, 刘正东, 唐元浩, 龙江, 龙涛 申请人:江苏惠通集团有限责任公司