专利名称：校准在移动装置上的传感器测量的制作方法
技术领域：
一般地，本发明涉及校准在移动装置上的传感器測量。
背景技术：
角速度传感器被用来測量没有用于參考固定点的对象的旋转速度。因其体积小、重量轻且成本低，微电子机械系统(MEMS)角速度传感器(或MEMS陀螺仪)可以被纳入移动装置中。操作原理基于Coriolis效应。MEMS谐振器被按照某ー频率(如，约IOkHz)驱动。由于存在角速度，Coriolis效应激发垂直于第一振荡的第二振荡。所述振荡与角速度成正比并可以使用电容方式进行测量。应用的实施例包括但不限于图像稳定(如，在相机或移动电话中)；用于虚拟现实应用的输入装置；平台稳定；用于游戏控制台的传感器以及用于导航系统的传感器。 MEMS陀螺仪容易受到偏差、标度因子误差和轴线交叉灵敏度以及高频噪音的影响。交叉轴线灵敏度受安装应カ的強烈影响，而偏差和标度因子误差的幅度(magnitude)与外部温度相关。例如，陀螺仪偏差的变化近似线性于外部温度的变化。为减轻陀螺仪偏差的影响，可使用已知的数学公式来估计陀螺仪偏差和减去原始的陀螺仪数据。使用已知角速率处的测量的校准可以被用于确定交叉轴线灵敏度。不幸的是，在处理速度、功耗和内存上的限制可以使得这些数学公式对于运行在具有有限资源的移动装置上的应用是不实际的。
发明内容
传感器測量被用来检测纳入传感器的装置何时是静止的。当装置静止时，在当前装置温度处的传感器测量被用来估计模型參数。模型參数可以被用于状态估计器中以提供可以被提供给其他应用的估计姿态。在一些实施方式中，估计的姿态可以被用于减轻在其他传感器测量中的干扰。与磁强计和角速度传感器耦合的装置使用磁强计数据可以确定装置的航向。当装置接收到磁强计数据可能不精确的指示时，装置可以使用角速度数据确定装置的航向。当装置确定磁强计数据精确时，装置可以恢复使用磁强计数据确定装置的航向。校准在移动设备上的传感器测量的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的说明书中提及。在说明书、附图和权利要求中，将对校准在移动设备上的传感器测量的其它特征、方面和优点进行详细描述。
图I是示范性传感器測量校准系统的方框图。图2是描述由图I的状态估计器所实施的各种示范性过程的流程图。图3是用于估计模型參数并基于模型參数确定估计姿态的示范性过程的流程图。图4A描述了依照一些实施方式说明地球磁场的示范性Cartesian坐标系。图4B描述了依照一些实施方式的示范性ニ轴磁强计。
图4C是用于使用磁强计数据和角速度数据确定航向的示范性系统的方框图。图4D是使用磁强计数据和角速度数据确定航向的示范性过程的流程图。图5是用于实施參照图I-图4的系统和过程的示范性硬件结构的方框图。在各个图中的相同參考标记指示相同的元件。
具体实施例方式示范性传感器测量校准系统图I是示范性传感器測量校准系统100的方框图。在一些实施方式中，系统100可以包括角速度传感器102 (如，MEMS陀螺仪)、运动监测器104、模型參数估计器106、状态估计器108、校准数据库110、加速度计112和可选的干扰减轻模块114。系统100可以被 板、网络设备、数码相机、视频摄像机、智能电话、增强的通用分组无线服务(EGPRS)移动电话、媒体播放器、导航装置、电子邮件装置、游戏控制台，或者这些装置中的任何两种或更多的组合。在一些实施方式中，系统100的组件的ー些或全部可以被包括在ー个或多个集成电路(IC)芯片中。在一些实施方式中，可以使用体角速度更新装置的姿态。体角速度可以被表示为角速度矢量# 角速度矢量#的分量分别表示在装置的局部坐标系中在x、y和z轴中的角速度。在一些实施方式中，可以使用三个MEMS陀螺仪测量角速度矢量# ,姆ー个用于局部坐标系的X、y和z轴的姆ー个轴上。一般地，装置姿态可以被表示为如下的參考四元数 <5qmf = [fv qy qz qj,Cl)qw=cos (f/2)qx=Jx sin (f/2)qy=Jy sin (f/2Vq=Jz sin (f/2)其中
J=沿着旋转轴的笮元矢量f=整个旋转角度。基于小角度近似的參考四元数变化率公式为
XI—も—仏-γ -ι
.- ωχf- w q-x di(2)
4 2 qy qx qw ■
L-1 ^ ι:」公式(2)可以以离散时间被集成，以获得由參考四元数I,表示的装置的最終姿态。角速度矢量湯被输出自角度传感器102并被输入到运动检测器104中。另外，装置的当前温度T被输入到运动检测器104。当前温度T可以由角度传感器102内或位于装置内的温度传感器提供。在一些实施方式中，角速度矢量禮在被输入到运动检测器104之前可以被校正規模。在一些实施方式中，运动检测器104识别装置何时静止。令句…4为来自三轴角度传感器102的角速度的最新η个样本，使用角度每秒来表示。令T1. ..Tn为对应于角速度碎…黾的最新角度传感器温度样本。在每ー个新的校准时间t处，下列数量被按照轴进行更新
ιιτ = ^Τω,,(3)
V1=-Ywl2 ,(4)
"TtF = -Yrc(5)
η i-Λ从方程(3)和(4)处，每轴方差为
σ2 =m2 - ( ο)2 o(,6)如果装置静止，角速度理论上应为零，如果σ 2小于阈值可被用作在当前温度f处角速度偏差的估计。m， It(共同地，被称作“校准点”)和校准时间t可以被存储在校准数据库110中。存储在校准数据库110中的具有接近于f的温度 ，F的旧值可以被移除。校准数据库110可以随着装置年限被更新。例如，可以将年龄算法用于基于计划或响应于触发事件将最旧的校准点移除于校准数据库110处。例如，校准数据库110可以被修剪所有除了在每ー个1° C温度库中的N个最新校准点。另外，可以被输入到状态估计器108中作为当前角度传感器偏差的測量值。在一些实施方式中，模型參数估计器106可以跟踪被存储在校准数据库110中的校准点的线性近似。例如，当校准点被增加到校准数据库110时，模型參数估计器106可在每轴上跟踪下列数量YdTi(7)
1=1Σぐ，(8)
ι—IηΣ, ,(9)
i=tΣ ,/； ο( 10)
Γ”|角速度偏差对温度斜率，m，可以根据方程(7)- (10)按照每轴计算为m = I アI]2 —(アTi)2 ”ア(ω,I]) — (YT1 )(Υcot) 0(II)
1=11 = 1j[ J=I1=1ι~ 角速度偏差对温度偏移，b，可以根据方程(7)- (10)按照每轴计算为
权利要求
1.ー种由移动装置的一个或多个处理器实施的计算机实施方法，包括 从装载在移动装置上的传感器处接收传感器测量值； 基于所述传感器測量值确定装置是否静止； 如果装置静止，则从所述传感器測量值针对当前温度计算ー个或多个模型參数；以及 使用所述ー个或多个模型參数估计装置的姿态，其中所述估计包括独立地估计温度和測量偏差。
2.根据权利要求I所述的方法，进ー步包括 使用所估计的姿态减轻在其他传感器测量值中的干扰。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述传感器測量值是角速度，并且所述模型參数包括测量偏差和温度斜率。
4.根据权利要求I所述的方法，其中确定装置是否静止包括 从窗ロ平均传感器測量值计算方差；以及 确定所述方差是否超出阈值。
5.根据权利要求I所述的方法，其中计算ー个或多个模型參数包括 计算校准点和温度斜率的线性拟合。
6.根据权利要求I所述的方法，其中估计姿态包括 使用具有包括温度和温度速率的滤波器状态的第一估计滤波器估计温度；以及使用具有包括本地姿态误差和測量偏差的滤波器状态的第二估计滤波器估计装置的姿态。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第一和第二估计滤波器是Kalman滤波器公式。
8.根据权利要求I所述的方法，进ー步包括 维护温度补偿角速度的运动平均值作为測量偏差的估计。
9.根据权利要求8所述的方法，其中维护运动平均值包括 使用具有基于角速度幅度而选择的动态更新速度的低通滤波器对角速度进行滤波。
10.一种用于估计移动装置的姿态的系统，包括 传感器，该传感器装载在移动装置上；和 处理器，该处理器耦合到所述传感器并被配置用来执行指令，所述指令使得所述处理器基于传感器測量值确定装置是否静止，以及如果装置静止，则从所述传感器測量值针对当前温度计算ー个或多个模型參数，并使用所述ー个或多个模型參数估计装置的姿态，其中所述估计包括独立地估计温度和測量偏差。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令以使用所估计的姿态减轻在其他传感器测量值中的干扰。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述传感器測量值是角速度，并且所述模型參数包括测量偏差和温度斜率。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令以从窗ロ平均传感器测量值计算方差，并确定方差是否超出阈值。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令以计算校准点和温度斜率的线性拟合。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令，以使用具有包括温度和温度速率的滤波器状态的第一估计滤波器估计温度，和使用具有包括本地姿态误差和測量偏差的滤波器状态的第二估计滤波器估计装置的姿态。
16.根据权利要求15所述的系统，其中第一和第二估计滤波器是Kalman滤波器公式。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令，以维护温度补偿角速度的运动平均值作为測量偏差的估计。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述处理器被配置为执行指令，以使用具有基于角速度幅度而选择的动态更新速度的低通滤波器对角速度进行滤波。
19.ー种由移动装置的一个或多个处理器实施的计算机实施方法，包括 使用磁强计数据确定移动装置的航向； 接收所述磁强计数据可能不精确的指示； 响应于接收到的指示，使用角速度数据确定所述移动装置的航向； 确定所述磁强计数据在精度范围内是精确的；以及 在确定所述磁强计数据在所述精度范围内是精确的后，恢复使用所述磁强计数据确定所述移动装置的航向。
20.根据权利要求19所述的方法，进ー步包括将估计磁场矢量存入參考全局坐标系中，所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量是使用被确定为精确的历史磁强计数据和在时间上对应于该精确的历史磁强计数据的历史角速度数据而生成的。
21.根据权利要求20所述的方法，进ー步包括使用在所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量和当前角速度数据生成合成磁强计数据。
22.根据权利要求21所述的方法，其中确定磁强计数据在精度范围内是精确的包括确定在所述合成磁强计数据的矢量和磁强计数据的矢量之间的角度的方差满足阈值。
23.根据权利要求21所述的方法，其中使用角速度数据确定移动装置的航向包括使用合成磁强计数据确定所述移动装置的航向。
24.根据权利要求19所述的方法，其中接收磁强计数据可能不精确的指示包括接收将出现磁干扰的通知。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述磁干扰是从至少汲取了阈值电流量的移动装置的组件生成的。
26.根据权利要求24所述的方法，其中从所述移动装置的组件生成磁干扰，所述组件包括扬声器、相机和振动器中的至少ー个。
27.根据权利要求19所述的方法，其中接收磁强计数据可能不精确的指示包括 确定在磁强计数据的样本中磁矢量的多个幅度；以及 确定所述幅度的方差满足阈值。
28.根据权利要求19所述的方法，其中接收磁强计数据可能不精确的指示包括 确定在磁强计数据的样本中磁矢量的多个内倾角；以及 确定所述内倾角的方差满足阈值。
29.根据权利要求28所述的方法，其中每个所述内倾角是基于磁矢量和重力加速度矢量之间的角度而确定的。
30.ー种有形地存储在移动装置上的计算机程序产品，可操作用来使得所述移动装置实施操作，所述操作包括使用磁强计数据确定所述移动装置的航向； 接收所述磁强计数据可能不精确的指示； 响应于接收到的指示，使用角速度数据确定所述移动装置的航向； 确定所述磁强计数据在精度范围内是精确的；以及 在确定所述磁强计数据在所述精度范围内是精确的后，恢复使用所述磁强计数据确定所述移动装置的航向。
31.根据权利要求30所述的产品，所述操作进ー步包括将估计磁场矢量存入參考全局坐标系中，所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量是使用被确定为精确的历史磁强计数据和在时间上对应于该精确的历史磁强计数据的历史角速度数据而生成的。
32.根据权利要求31所述的产品，所述操作进ー步包括使用在所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量和当前角速度数据生成合成磁强计数据。
33.根据权利要求32所述的产品，其中确定磁强计数据在精度范围内是精确的包括确定在所述合成磁强计数据的矢量和磁强计数据的矢量之间的角度的方差满足阈值。
34.根据权利要求32所述的产品，其中使用角速度数据确定移动装置的航向包括使用所述合成磁强计数据确定所述移动装置的航向。
35.根据权利要求30所述的产品，其中接收磁强计数据可能不精确的指示包括接收将出现磁干扰的通知。
36.一种系统,包括 移动装置，该移动装置被配置用来实施操作，所述操作包括 使用磁强计数据确定所述移动装置的航向； 接收所述磁强计数据可能不精确的指示； 响应于接收到的指示，使用角速度数据确定所述移动装置的航向； 确定所述磁强计数据在精度范围内是精确的；以及 在确定所述磁强计数据在所述精度范围内是精确的后，恢复使用 所述磁强计数据确定所述移动装置的航向。
37.根据权利要求36所述的系统，所述操作进ー步包括将估计磁场矢量存入參考全局坐标系中，所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量是使用被确定为精确的历史磁强计数据和在时间上对应于该精确的历史磁强计数据的历史角速度数据而生成的。
38.根据权利要求37所述的系统，所述操作进ー步包括使用在所述參考全局坐标系中的估计磁场矢量和当前角速度数据生成合成磁强计数据。
全文摘要
一种耦合磁强计和角速度传感器的装置可使用磁强计数据确定装置的航向。当装置接收到磁强计数据可能不精确的通知时，装置可以使用角速度数据确定装置的航向。当装置确定磁强计数据精确时，装置可以恢复使用磁强计数据确定装置的航向。
文档编号G01C17/38GK102822626SQ201080065972
公开日2012年12月12日 申请日期2010年9月24日 优先权日2010年3月30日
发明者克里斯托弗·莫尔, 布莱恩·迈克尔·金, 威廉·马修·维亚塔, 晓源·涂, 帕特里克·皮埃蒙特 申请人:苹果公司