一种使用基于姿态生成的设备来降低数据速率和功率消耗的方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用基于姿态生成的设备来降低数据速率和功率消耗的方法。该方法包括通过从陀螺仪传感器接收陀螺仪数据、使用所述陀螺仪数据来执行积分以及使用第一处理器来生成积分陀螺仪数据而生成运动数据。该方法进一步包括从除所述陀螺仪传感器以外的一个或多个传感器接收数据，以及使用所述积分陀螺仪数据和所述数据来执行传感器融合以使用第二处理器来生成运动数据。
【专利说明】一种使用基于姿态生成的设备来降低数据速率和功率消耗 的方法
[0001] 相关申请的夺叉引用 本申请要求由Keal等人于2013年3月15日提交的标题为"A Method to Reduce Data Rates and Power Consumption Using Device Based 3, 6, 9 Axis Quaternion Generation"的美国临时申请No. 61/786,414的优先权，其公开内容通过引用结合在本文 中好像被全文阐述。
【背景技术】
[0002] 本发明的各种实施例一般地涉及运动传感器数据，并且特别地涉及陀螺仪 (gyroscope)数据的积分以生成运动数据。
[0003] 在使用陀螺仪的应用中，来自陀螺仪的陀螺仪数据连同来自罗盘仪和/或加速度 计和其他传感器的数据一起被收集。所收集到的数据然后被融合在一起以确定设备的移 动。所收集到的数据还随着时间的推移并且以高速率被积分以降低误差。这样的高速率数 据典型地被从半导体设备（或集成电路）发送到处理器。由于与积分数据相关联的高速率， 将高速率数据传送到处理器引起增加的功率。因此存在对陀螺仪数据在系统功率的减少情 况下的高效传输的需要。
【发明内容】
[0004] 简要地，本发明的方法包括通过从陀螺仪接收陀螺仪数据、使用所述陀螺仪数据 执行积分以及使用第一处理器生成积分陀螺仪数据来生成运动数据。所述方法进一步包括 从除所述陀螺仪以外的一个或多个传感器接收数据，以及使用已积分陀螺仪数据和所述数 据来执行传感器融合以使用第二处理器来生成运动数据。
[0005] 本文中所公开的特定实施例的本质和优点的进一步理解可以通过本说明书和附 图的剩余部分的参考来实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1示出了依照本发明的实施例正被从设备14传递到设备10的较低速率四元数 (quaternion)数据。
[0007] 图2示出了图1的实施例的相关步骤和/或数据通路的框图。
[0008] 图3a示出了数据通过常规陀螺仪的积分的比较和本发明的各种实施例。
[0009] 图3b示出了依照本发明的方法的陀螺仪信息的处理的相关步骤中的一些。
[0010] 图4a-c示出了与在402和404处的本发明的各种实施例的处理相比在400处的 原始陀螺仪数据的常规处理。
[0011] 图5a-d示出了本发明的各种实施例502、504、506以及508,其中每个都具有MPU 14。
[0012] 图6至12分别示出了本发明的各种实施例600至1200。
[0013] 图13示出了依照本发明的实施例。
【具体实施方式】
[0014] 在实施例的以下描述中，对形成其一部分并且其中通过在其中可以实践本发明的 特定实施例的说明的方式被示出的附图进行参考。应当理解的是，可以利用其他实施例，因 为在不背离本发明的范围的情况下可以做出结构改变。应该注意的是，本文中所讨论的图 未必按比例绘制并且线的厚度不指示实际尺寸。
[0015] 依照本发明的实施例和方法，陀螺仪数据的积分在单个设备中被执行，所述单个 设备诸如单个半导体设备。陀螺仪积分被以高于已积分输出数据速率的速率执行以降低设 备内处理要求。在本发明的实施例中，陀螺仪数据的积分使用曲线拟合来执行以降低设备 内处理要求。在更高速率下随着时间的推移的积分引起较少误差。然而，已积分数据被以 较低数据速率发送从而降低功率消耗。已积分陀螺仪数据还能够被与陀螺仪数据相同的速 率传递以降低第二处理器上的计算并且维持正被发送的数据类型的一致性。在所描述的实 施例中，已积分陀螺仪数据还被称为低功率四元数（LPQ)。
[0016] 在本发明的其他实施例和方法中，传感器融合被以比陀螺仪数据积分的速率更低 的速率执行。仅陀螺仪四元数数据的输出被保存在寄存器中。在另一实施例中，四元数数 据被存储在先进先出（FIFO)中，所述先进先出（FIFO)驻留在包括陀螺仪（gyro)的相同设 备中的。在半导体的情况下，如本文中所用的"相同设备"指的是相同芯片。在一些实施例 中，三轴陀螺仪的积分在与陀螺仪传感器相同的封装中。
[0017] 在本发明的又一个实施例和方法中，已知陀螺仪偏差的去除在积分之后被执行。 在又一个实施例中陀螺仪偏差在积分之前被去除。
[0018] 在又一些其他实施例中，9轴（陀螺仪、加速度计以及罗盘仪）运动跟踪在各种传 感器平台架构中被采用，所述各种传感器平台架构中的一些在本文中被公开，并且其其余 部分太多而不能列举但可以预期。
[0019] 在所描述的实施例中，还被称为运动处理单元（MPU)的运动跟踪设备除电子电路 之外还包括至少一个传感器。诸如本领域中已知的陀螺仪、罗盘仪、加速度计、麦克风、压力 传感器、接近、环境光传感器等等之类的传感器被预期。一些实施例包括加速度计、陀螺仪 以及磁强计，其每个都沿着相对于彼此正交的三个轴提供测量被称为9轴设备。其他实施 例可以不包括所有传感器或者可以沿着一个或多个轴提供测量。传感器被形成在第一衬底 上。其他实施例可以包括固态传感器或任何其他类型的传感器。运动跟踪设备中的电子电 路从一个或多个传感器接收测量输出。在一些实施例中，电子电路处理传感器数据。电子 电路被实现在第二硅衬底上。第一衬底在单个设备中被垂直地堆叠并且附着到第二衬底。
[0020] 在本发明的实施例中，第一衬底通过如同时地提供电连接并且封闭地密封MEMS 设备的共同拥有的美国专利No. 7, 104, 129 (通过引用结合在本文中）中所描述的晶片键 合而被附着到第二衬底。这个制作技术有利地使得能实现允许高性能、多轴、惯性传感器在 非常小且经济封装中的设计和制造的技术。在晶片级的整合最小化寄生电容，相对于分立 解决方案允许改进的信噪比。在晶片级的这种整合同样使得能实现最小化对外部放大的需 要的丰富特征集的结合。
[0021] 在所描述的实施例中，原始数据指的是尚未被处理的来自传感器的测量输出。运 动数据指的是处理的原始数据。处理可以包括去除误差的校准或应用传感器融合算法或应 用任何其他算法。在传感器融合算法的情况下，来自一个或多个传感器的数据被组合以提 供设备的定向。在所描述的实施例中，运动处理单元（MPU)可以在结构之中包括处理器、存 储器、控制逻辑以及传感器。
[0022] 现参考图1，示出了依照本发明的实施例的设备10。设备10被示出成包括处理器 12和运动处理单元（MPU) 14。处理器12驻留在MPU 14外面并且可以是通用处理器或专 用处理器。在一些实施例中，处理器12被称为应用处理器（AP)。MPU 14可以包括2或3 轴陀螺仪或3轴加速度计或6轴传感器，即3轴加速度计和3轴陀螺仪，或9轴传感器，即3 轴加速度计、3轴陀螺仪以及3轴磁强计（或罗盘仪）。在另一实施例中，MPU 14可以包括 众多3轴加速度计，其中加速度计通过确定角速度的3-自由度来提供陀螺仪数据的3轴。 MPU 14可以包括数字运动处理器（DMP) 3 (诸如专用处理器）、存储器、模拟至数字转换器 (ADC)或控制器。
[0023] 在操作中，MPU 14 -般地在DMP 3中处理由陀螺仪18所传送的陀螺仪数据9 ("陀 螺仪测量输出"或"陀螺仪数据"）并且以积分陀螺仪数据9a的形式输出陀螺仪的定向。 MPU 14可以传送来自其他传感器的数据7,所述其他传感器诸如但不限于加速度计和/或 罗盘仪。MPU 14生成到处理器12的陀螺仪数据输出5。数据5具有低于陀螺仪数据输出 9的速率的数据速率。由MPU 14所执行的处理的一部分是DMP 3中的四元数和/或积分。
[0024] 类似地，MPU 14从加速度计20和罗盘仪22接收原始运动数据11并且在传送到 处理器12之前将原始运动数据11存储在FIFO 24中。
[0025] 在图1中，处理器12被示出成包括从MPU 14接收数据输出并且生成运动数据的 传感器融合。
[0026] 在一些实施例中，处理器12和MPU 14被形成在不同的衬底上并且在其他实施例 中它们驻留在相同的衬底上。在又一些其他实施例中，传感器融合在处理器12和MPU 14 外部被执行。在再一些其他实施例中，传感器融合由MPU 14来执行。
[0027] 仍然参考图1，MPU 14被示出成包括高速率和低功率四元数块16。块16被示出 成从陀螺仪18接收输入并且使用处理器3 (和硬件逻辑）处理该输入以及输出四元数9a。 陀螺仪18的输出实际上是陀螺仪的输出。来自罗盘仪22和加速度计20的原始数据连同四 元数输出9a -起被传送到处理器。在一些实施例中，由块16所执行的四元数是积分。在 这点上，块16包括以高速率对陀螺仪18的输出进行积分的积分器。在一些实施例中，这个 高速率是在高于200 Hz的速率下。块16在执行积分时，将积分（或四元数）的输出提供 给总线、存储器以及寄存器26。
[0028] 寄存器26和FIFO 24每个都将低速率输出提供给处理器12。处理器12进一步通 过基于已积分3轴陀螺仪数据5以及加速度计和罗盘仪数据7执行6或9轴传感器融合来 执行处理。在块16处在高速率下的数据积分有利地提高数据可靠性，然而MPU 14与处理 器12之间的低速率有利地降低功率消耗。值得注意的是，块16、陀螺仪18、罗盘仪22以及 加速度计20在本发明的实施例中驻留在相同的封装上并且在本发明的另一实施例中驻留 在相同的衬底上。
[0029] MPU 14和处理器12的分离允许MPU 14的用户灵活地使用MPU 14的输出。例如， 设备10的不同用户可以选择使用各种传感器融合算法同时仍然降低来自降低的传输速率 的功率的灵活性。
[0030] 可以使用从陀螺仪测量输出开始的采样来执行积分。在本发明的其他实施例中， 采样在预定数目的采样之后启动并且在预定时间段期间内继续。在本发明的又一些其他实 施例中，在其中积分器或四元数的输入（陀螺仪数据）接近于零的死区期间，输出被做出成 保持不变。
[0031] 图2示出了图1的实施例的相关步骤和/或数据通路的框图。在图2中，在200处 以其原始形式的陀螺仪数据被提供给积分和四元数块206,其是图1中块16的一部分。在 下面稍后提供四元数的进一步细节。如上面所指示的在206处的积分被以高速率执行并且 206的输出被提供给FIFO/寄存器24以用于存储。FIFO/寄存器24的输出是被提供给传 感器融合208的四元数。在本发明的实施例中，传感器融合208是应用处理器（AP) 12的 一部分。在本发明的另一实施例中，传感器融合208是MPU 14的一部分。
[0032] FIFO/寄存器24还配备有在210处请求的数据速率，并且在210处请求的数据速 率使用传感器融合208的输出中的一个来确定在连同这个信息一起传递到FIFO/寄存器24 之前正被请求的数据速率。传感器融合208的另一输出被示出为在216处的运动数据。
[0033] 传感器融合208被示出成进一步从加速度计数据202和罗盘仪数据240接收测量 输出。如果所有三种类型的数据即陀螺仪数据、加速度计数据以及罗盘仪数据被传感器融 合208采用了，则输出216是9轴四元数。在另一实施例中，传感器融合208可以从诸如压 力传感器或麦克风之类的其他传感器接收测量输出。在一些实施例中，传感器融合块108 可以是MPU 14的一部分或AP 12的一部分。
[0034] 在一些实施例中，偏差去除块214用于去除陀螺仪中的固有偏差。例如，在200处 的陀螺仪数据被提供之后，偏差去除214能够被用来去除陀螺仪的固有偏差。可替换地，能 够在将陀螺仪数据积分在传感器融合208中之后应用偏差去除214。如不久将显然的那样， 可以在除在200处的输出处以外的级处采用偏差去除。
[0035] 图3a在300处示出了数据通过常规方法的积分的比较，并且在302处示出了本发 明的各种实施例。图3b示出了依照本发明的方法的陀螺仪信息的处理的相关步骤中的一 些。
[0036] 现参考图3a，在常规方法300中，来自陀螺仪的原始数据被以低数据速率传送到 主机处理器以用于数据积分。陀螺仪数据的精度能够在这个过程中丢失并且以更高速率传 送数据消耗更多功率。在本发明的各种实施例中，在302处，原始陀螺仪数据由于处理功率 的可用性而被以比在常规方法中所做的更高速率积分。积分数据然后被以较慢速度传送到 主机处理器以用于通过后者进一步处理同时保持陀螺仪数据的精度以及消耗较低功率。图 表304示出了现有技术积分与在306处的图表中示出的更高精度相比的精度损失。
[0037] 图4a_c示出了与在402和404处的本发明的各种实施例的处理相比在400处的 原始陀螺仪数据的常规处理。在400中，陀螺仪数据速率和传感器融合速率可以是相同的。 在402处，采样速率像在400处所示出的那样是相同的，除了因为数据被缓冲在402处的读 取速率等于较低速率，诸如屏幕刷新速率。在404处，采样速率等于屏幕刷新速率例如60 Hz。通过以低于在400处所示出的速率来传送3轴低功率四元数（LPQ)数据，功率被节省 了。3轴指的是正被积分成四元数的陀螺仪的3轴。402具有缺点，因为存在比404更多的 数据业务量。图4中的水印（watermark)指的是每预定数目的采样而不是每个采样发送中 断。
[0038] 图5a、5b、5c以及5d示出了本发明的各种实施例502、504、506以及508,其中每个 都具有用于从传感器接收测量输出的MPU 14和以可替换的方式经由总线从可替换的源接 收其输入的应用处理器10 (AP)。可选地外部传感器可以从诸如压力、麦克风、接近以及环 境光传感器之类的各种外部传感器520提供测量数据。在图5a中，在第一实施例502中， MPU 14从传感器接收测量输出，对原始陀螺仪数据执行低功率四元数并且经由总线以低于 陀螺仪数据的速率将传感器数据传送到其中传感器融合算法被执行的AP 10。可选地，可以 对来自MPU 14以及来自外部传感器520的数据执行传感器融合算法。在实施例中，总线可 以是I2C总线或任何其他总线。
[0039] 在图5b中，在第二实施例504中，AP 10通过总线从微控制器单元（MCU) 522接 收其输入。在实施例中，MCU 22包括处理器和存储器。在这个实施例中，MPU 14执行其中 它将陀螺仪数据积分到四元数中的低功率四元数算法并且MCU 522执行传感器融合算法。 MCU 522以较低速率将处理的运动数据传送到AP 10。
[0040] 在图5c中，在另一实施例506中，MPU 14以更高速率将原始传感器数据传送到 MCU 522JCU 522执行其中它将陀螺仪数据积分到四元数中的低功率四元数算法。MCU 522 可选地连同来自外部传感器的原始数据一起以较低速率将MPU 14数据传送到AP 10。在这 个实施例中，传感器融合算法在AP 10中被执行。
[0041] 在图5d中，在另一实施例508中，MPU 14对陀螺仪数据执行其中它对陀螺仪数据 进行积分并且将数据传送到MCU 522的低功率四元数算法。MCU 522将数据传送到其中传 感器融合算法被执行的AP 10。可选地，MCU 522传送来自外部传感器520的数据。
[0042] 图6至12分别示出了本发明的各种实施例600至1200。更具体地，这些图具有设 备的各种配置。应理解的是，这些配置仅仅是示例性的并且其他配置被预期。图6示出了 包括与MPU 604通信的AP 602的设备600,所述MPU 604包括加速度计和陀螺仪。MPU 604 生成被发送到602的集成的陀螺仪数据。在AP 602中陀螺仪偏差在609中使用已集成陀 螺仪数据而被确定。陀螺仪偏差能够通过使用通过取集成陀螺仪数据的导数或者通过利用 卡尔曼滤波器所得到的陀螺仪数据来确定。陀螺仪偏差被从陀螺仪积分的数据去除以用于 在6轴传感器融合中使用。
[0043] 图7示出了 MPU 700被示出成包括陀螺仪、加速度计以及罗盘仪并且生成9轴运 动数据以及6轴运动数据。
[0044] 图8示出了包括馈送到传感器融合中的陀螺仪、加速度计以及罗盘仪的另一 MPU 800,所述传感器融合输出运动数据。陀螺仪的输出被积分并且偏差校被执行。
[0045] 图9示出了包括通过MCU与MPU通信的AP的设备900。偏差校正由AP来执行并 且被提供给MPU的陀螺仪、加速度计以及罗盘仪。AP被示出成输出运动数据。在这个实施 例中，MCU当作馈通设备。
[0046] 图10示出了待耦合到MCU 522的AP 10,所述MCU 522被耦合到MPU 14。偏差校 正/去除由MCU 522来执行并且结果被提供给MPU 14。MPU包括陀螺仪、加速度计以及罗 盘仪。
[0047] 图11a示出了包括被耦合到MCU的AP的设备1100a。MCU被示出为耦合到MPU。 MPU除陀螺仪、加速度计以及罗盘仪之外还包括其输出被用于通过MCU偏差去除的LPQ。MCU 具有在它被耦合到偏差校正块以在将LPQ发送到传感器融合6轴块之前去除偏差时与偏差 一起取得LPQ的块。
[0048] 图lib示出了除了设备1100b的MCU的LPQ未被耦合到偏差校正块类似于图11a 的实施例的设备1100b。偏差由MCU来提供，但校正发生在MPU中。
[0049] 图12示出了包括被耦合到MCU的AP的设备1200。MCU被示出为耦合到MPU，所述 MPU包括陀螺仪、加速度计以及罗盘仪。不是对陀螺仪的输出进行积分，而是偏差校正块和 LPQ (两者都在MPU中）被耦合到彼此并且偏差校正块被耦合到陀螺仪。LPQ生成到MCU 的输出。MPU生成6轴和9轴校正。
[0050] 本发明的各种实施例的传感器融合依照下面的算法和关系来计算四元数。
[0051] 图13示出了其中传感器数据在1310处被生成并且传递到处理器1 1302的实施 例。传感器数据包括陀螺仪数据以及其他传感器数据。处理器1 1302将陀螺仪数据积分 到四元数中并且将四元数传送到其中已积分陀螺仪和其他传感器数据的传感器融合发生 所在的另一处理器2 1303。在实施例中，传感器1301、处理器1 1302以及处理器2 1303 可以是在相同的半导体芯片上或者在三个不同的半导体芯片上。在另一实施例中，传感器 1301和处理器1 1302可以是在相同的半导体芯片上。在另一实施例中，传感器处理器1 1302以及处理器2 1303是在相同的半导体芯片上。
[0052] 还被称为"四元数"的单位四元数是描述如何从一个定向转向另一定向的4元素 向量。用来描述从一个定向转向另一定向的其他等效方式包括旋转矩阵和欧拉（Euler) 角。对于四元素向量来说单位四元数具有一个标量项和3个虚数项并且大小为一。出于本 文中讨论的目的，标量项被首先放置后面是虚数项。本领域的技术人员将能够使用四元数 的不同定义来计算略微不同的公式。欧拉角描述了如何通过绕3个不同的旋转轴旋转3个 不同的角度而从一个定向转向另一定向。代替绕3个不同的旋转轴移动3个角度，相同的 旋转运动能够通过绕单个向量旋转一个角度来描述。在下面的方程1中，对于四元数，角度 Θ是绕单位向量& wj旋转的量。
【权利要求】
1. 一种生成运动数据的方法，其包括： 从陀螺仪传感器接收陀螺仪数据； 使用所述陀螺仪数据来执行积分并且使用第一处理器来生成积分陀螺仪数据； 从除所述陀螺仪传感器以外的一个或多个传感器接收数据；以及 使用所述积分陀螺仪数据和所述数据来执行传感器融合以使用至少一个第二处理器 来生成运动数据。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述陀螺仪数据在一段时间期间内包括一个或多 个陀螺仪数据。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述数据在一段时间期间内包括一个或多个数 据。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括加速度计。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括磁强计。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括压力传感器、麦克风、 接近传感器或光传感器。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述陀螺仪数据是在第一数据速率下，所述积分 陀螺仪数据是在第二数据速率下并且所述第一数据速率高于所述第二数据速率。
8. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在执行积分步骤之前执行偏差去除。
9. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在执行积分步骤之后执行偏差去除。
10. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括执行偏差去除并且其中所述传感器融合 具有输出，以及执行偏差去除步骤使用当前的积分陀螺仪数据和先前的积分陀螺仪数据以 及当前的传感器融合输出和先前的传感器融合输出。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述陀螺仪传感器是在第一设备上，所述第一处 理器是在第二设备上并且所述至少一个第二处理器在第三设备上。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一处理器和所述陀螺仪传感器是在第一 设备上。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述陀螺仪传感器、所述第一处理器以及所述至 少一个第二处理器是在第一设备上。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中如果所述陀螺仪数据的绝对值小于阈值则所述 陀螺仪数据被设置为零。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中所述积分陀螺仪数据是四元数的形式。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述四元数是归一化的。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中所述积分陀螺仪数据的至少一部分被压缩。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中执行积分步骤被从初始数据开始执行。
19. 根据权利要求1所述的方法，其中执行积分步骤具有与它相关联的积分时间周期， 并且所述积分时间周期与所述积分陀螺仪数据速率相同。
20. 根据权利要求1所述的方法，其中执行积分步骤包括从两个连续的陀螺仪数据和 先前的积分陀螺仪数据生成所述积分陀螺仪数据。
21. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括： 从所述陀螺仪传感器接收至少两个连续的陀螺仪数据； 求所述至少两个连续的陀螺仪数据的平均以生成平均数据； 计算所述至少两个连续的陀螺仪数据的叉积以生成叉积数据；并且 执行积分步骤进一步包括使用所述平均数据和所述叉积数据在一个时间间隔期间内 执行积分。
22. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述至少一个第二处理器来执行所 述积分的数据的求导以生成等效陀螺仪数据，其中陀螺仪偏差使用所述等效陀螺仪数据来 计算。
23. 生成运动数据的所述方法， 从陀螺仪传感器接收至少两个连续的陀螺仪数据； 求所述至少两个连续的陀螺仪数据的平均以生成平均数据； 计算所述至少两个连续的陀螺仪数据的叉积以生成叉积数据；以及 使用所述平均数据和所述叉积数据在一个时间间隔期间内执行积分。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中执行积分包括所述陀螺仪数据的余弦和正弦。
25. -种用于生成运动数据的装置，其包括： 提供陀螺仪数据的陀螺仪传感器，所述陀螺仪数据使其与第一数据速率相关联； 一个或多个传感器，其可操作来生成数据； 积分器，其响应所述陀螺仪数据并且可操作来生成使其与第二数据速率相关联的积分 陀螺仪数据；以及 传感器融合，其响应所述积分陀螺仪数据和所述数据并且可操作来生成运动数据。
26. 根据权利要求25所述的装置，其中第一处理器包括所述积分器并且第二处理器包 括所述传感器融合。
【文档编号】G01C21/20GK104048658SQ201410094451
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】W.K.基尔, J.B.林, S.卡拉罕 申请人:应美盛股份有限公司