惯性测量模块及其惯性测量方法与流程

本发明涉及一种测量模块及测量方法，特别是一种惯性测量模块及惯性测量方法。

背景技术：

为了记录电子装置的运动状态，并为电子装置进行定位，现有的电子装置通常配置有惯性测量装置，用以测量电子装置的惯性数据。

常见的惯性测量装置例如加速度计与陀螺仪，可用以测量电子装置于三轴上的运动加速度与旋转角度等惯性数据。然而，现有的惯性测量装置在测量行为上实受到很多的限制，例如，陀螺仪必须感测地磁信号才能够产生角度变化数据。

具体地，现有陀螺仪必须在可以稳定地感测地磁信号的环境下才能够运作，当地磁信号不稳定时(例如受到周遭的其他电子零件或是外在的环境磁场变化的影响)，陀螺仪测量所得的惯性数据将会相当不准确。另外，当无法感测地磁信号时(例如位于太空中)，陀螺仪甚至无法感测惯性数据。

另外，现有的惯性测量装置皆是被动式元件，例如陀螺仪是被动地感测地磁信号。因此，惯性数据的准确率会随着地磁信号的强度变化而改变，使用者无法通过对惯性测量装置的调整来提高惯性数据的准确率。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题本发明提供一种惯性测量模块及其惯性测量方法，可通过外部环境相对于本体的深度信息来运算本体因运动而生的惯性数据，借此得到比一般惯性测量装置更为准确且不易受到干扰的测量结果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种惯性测量模块，包括：

一深度测量单元，于一时间区间内持续对一外部环境进行深度测量，以得到该外部环境中的多个检测点于该时间区间内的坐标变化值；及

一惯性数据运算单元，连接该深度测量单元，对该多个检测点的坐标变化值进行一转换运算以得到该惯性测量模块于该时间区间中运动而生的一惯性数据，并且输出该惯性数据，其中该惯性数据包括一旋转角度及一位移量。

如上所述，其中该深度测量单元包括：

一信号发送单元，于该时间区间内持续对该外部环境发送一测量信号；

一信号接收单元，于该时间区间内持续接收该外部环境针对该测量信号的一反射信号；及

一处理单元，连接该信号发送单元及该信号接收单元，驱动该信号发送单元发送该测量信号，通过该信号接收单元接收该反射信号，并依据该反射信号判断该多个检测点的坐标变化值。

如上所述，其中该惯性数据运算单元包括：

一转换单元，由该深度测量单元接收该多个检测点的坐标变化值，并对该多个检测点的坐标变化值进行该转换运算以得到该惯性数据；及

一输出单元，输出该转换单元计算产生的该惯性数据。

如上所述，其中深度测量单元为可调整该测量信号的发送功率的一主动式感测器。

如上所述，其中该深度测量单元为雷达深度感测器或光学深度感测器。

如上所述，其中该惯性数据运算单元通过一转换公式将该多个检测点的坐标变化值转换为该惯性数据：pit2＝r(pit1)+d,pit1＝[p1t1～pnt1],pit2＝[p1t2～pnt2],n≥4；其中pit1为该多个检测点中的一特定检测点于一第一时间的坐标数据，pit2为该特定检测点于一第二时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量，r为包含多个该旋转角度的一旋转矩阵，d为包含多个该位移量的一位移矩阵。

如上所述，其中该惯性数据运算单元通过一第一公式、一第二公式、一第三公式、一第四公式、一第五公式及一第六公式计算该惯性数据，其中：

该第一公式为：其中为该多个检测点于一第一时间的一第一质量中心，pit1为各该检测点于该第一时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量；

该第二公式为：其中为该多个检测点于一第二时间的一第二质量中心，pit2为各该检测点于该第二时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量；

该第三公式为：其中h为一协方差矩阵，pit1为各该检测点于该第一时间的坐标数据，为该第一质量中心，pit2为各该检测点于该第二时间的坐标数据，为该第二质量中心，n为该多个检测点的数量，t为矩阵转置(transpose)；

该第四公式为：[u,s,v]＝svd(h)；其中svd为奇异值分解运算，h为该协方差矩阵，u、s、v分别为奇异值分解运算产生的三个矩阵；

该第五公式为：r＝uv^t；其中r为包含多个该旋转角度的一旋转矩阵；

该第六公式为：其中d为包含多个该位移量的一位移矩阵，r为该旋转矩阵，为该第一质量中心，为该第二质量中心。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种惯性测量方法，运用于具有一深度测量单元及一惯性数据运算单元的一惯性测量模块，该惯性测量方法包括：

a)通过该深度测量单元的一信号发送单元于一时间区间内持续对一外部环境发送一测量信号，其中该测量信号用于对该外部环境中的多个检测点进行深度测量；

b)通过该深度测量单元的一信号接收单元于该时间区间内持续接收该外部环境针对该测量信号的一反射信号；

c)该深度测量单元的一处理单元依据该反射信号判断该多个检测点于该时间区间内的坐标变化值；

d)通过该惯性数据运算单元对该多个检测点的坐标变化值进行一转换运算，以取得该惯性测量模块于该时间区间中运动而生的一惯性数据，其中该惯性数据包括一旋转角度及一位移量；及

e)输出该惯性数据。

如上所述，其中该步骤d是通过一转换公式进行该转换运算：pit2＝r(pit1)+d,pit1＝[p1t1～pnt1],pit2＝[p1t2～pnt2],n≥4；其中pit1为该多个检测点中的一特定检测点于一第一时间的坐标数据，pit2为该特定检测点于一第二时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量，r为包含多个该旋转角度的一旋转矩阵，d为包含多个该位移量的一位移矩阵。

如上所述，其中该步骤d包括下列步骤：

d1)计算该多个检测点于一第一时间的一第一质量中心；

d2)计算该多个检测点于一第二时间的一第二质量中心；

d3)依据该多个检测点的坐标变化值、该第一质量中心及该第二质量中心计算一协方差矩阵；

d4)对该协方差矩阵进行奇异值分解运算，以得到一u矩阵、一s矩阵及一v矩阵；

d5)依据该u矩阵与该v矩阵计算包含多个该旋转角度的一旋转矩阵；及

d6)依据该旋转矩阵、该第一质量中心及该第二质量中心计算包含多个该位移量的一位移矩阵。

如上所述，其中该步骤d1通过一第一公式计算该第一质量中心：

其中为该第一质量中心，pit1为各该检测点于该第一时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量；该步骤d2通过一第二公式计算该第二质量中心：

其中为该第二质量中心，pit2为各该检测点于该第二时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量。

如上所述，其中该步骤d3通过一第三公式计算该协方差矩阵：其中h为该协方差矩阵，pit1为各该检测点于该第一时间的坐标数据，为该第一质量中心，pit2为各该检测点于该第二时间的坐标数据，为该第二质量中心，n为该多个检测点的数量，t为矩阵转置(transpose)。

如上所述，其中该步骤d4通过一第四公式计算该u矩阵、该s矩阵及该v矩阵：[u,s,v]＝svd(h)；其中svd为奇异值分解运算，h为该协方差矩阵。

如上所述，其中该步骤d5通过一第五公式计算该旋转矩阵：r＝uv^t；其中r为该旋转矩阵。

如上所述，其中该步骤d6通过一第六公式计算该位移矩阵：其中d为该位移矩阵，r为该旋转矩阵，为该第一质量中心，为该第二质量中心。

本发明相对于现有技术所能达到的技术功效在于，通过对深度测量单元的测量数值的转换运算以得到惯性数据，可避免产生一般的惯性测量装置在进行测量时，容易受到地磁信号的强弱，或是周遭的其他电子元件或外部环境磁场的影响而使得测量结果不准确的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块示意图；

图2为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块框图；

图3为本发明的第一具体实施例的测量流程图；

图4a为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块运动示意图；

图4b为本发明的第二具体实施例的惯性测量模块运动示意图；

图5为本发明的第一具体实施例的转换运算流程图；

图6为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块运用示意图；

图7为本发明的第二具体实施例的惯性测量模块运用示意图；

图8为本发明的第一具体实施例的防手震流程图。

其中，附图标记：

1惯性测量模块

10外壳体

11深度测量单元

111信号发送单元

112信号接收单元

113处理单元

12惯性数据运算单元

121转换单元

122输出单元

2外部环境

3重叠区域

31检测点

4相机

40相机外壳

5智能型手机

50手机外壳

s10～s18测量步骤

s160～s170运算步骤

s20～s28防手震步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参阅图1，为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块示意图。如图1所示，本发明公开一种惯性测量模块1，该惯性测量模块1包括一深度测量单元11及与该深度测量单元11连接的一惯性数据运算单元12。

本发明的主要技术特征在于，通过该深度测量单元11对一外部环境(如图4a所示的外部环境2)进行深度测量，再由该惯性数据运算单元12对深度测量所得的深度信息进行一转换运算，以得出该惯性测量模块1于该外部环境2中运动所生的惯性数据。借此，该惯性测量模块1可输出与一般惯性测量装置(例如三轴加速度计、三轴陀螺仪等)相同的惯性数据，进而可取代该些惯性测量装置。

本实施例中，该深度测量单元11主要是在一时间区间内持续对该外部环境2进行深度测量，以得到该外部环境2中的多个检测点(如图4b所示的检测点31)于该时间区间内的深度变化。具体地，是得到该多个检测点31于该时间区间内的坐标变化值。更详细地，该惯性测量模块1移动后(旋转或位移)，该多个检测点31相对于该惯性测量模块1的深度改变(即，相对坐标改变)，因此该深度测量单元11可以经计算后得出该多个检测点31的坐标变化值。

该惯性数据运算单元12从该深度测量单元11接收该多个检测点31的坐标变化值，并对该些坐标变化值进行该转换运算，以得到包含该惯性测量模块1于该时间区间内的一旋转角度及一位移量在内的该惯性数据。借此，该惯性测量模块1可通过该惯性数据运算单元12输出转换所得的该惯性数据。

请同时参阅图2，为本发明的第一具体实施例的惯性测量模块框图。该深度测量单元11主要包括一信号发送单元111、一信号接收单元112及连接该信号发送单元111与该信号接收单元112的一处理单元113。

如图1所示，该深度测量单元11还包括一外壳体10，包覆该信号发送单元111、该信号接收单元112及该处理单元113。值得一提的是，本实施例中该深度测量单元11为一主动式感测器，通过信号发送与接收来测量该外部环境2中各个物件的深度。因此，该信号发送单元111与该信号接收单元112主要是裸露于该外壳体10之外。

当该惯性测量模块1运作时，该信号发送单元111于该时间区间内持续对该外部环境2发送一测量信号。本实施例中，该测量信号可为无线电信号、红外线信号或激光信号，该深度测量单元11可为雷达深度感测器，或是红外线深度感测器或激光深度感测器等光学深度感测器，但不加以限定。

该信号接收单元112于该时间区间内持续接收该外部环境2针对该测量信号的一反射信号。更具体而言，该多个感测点会在接触该测量信号进行反射，以产生该反射信号。该处理单元113由该信号接收单元112接收该反射信号，并依据该反射信号判断该多个检测点31的该坐标变化值(即，深度改变)。

该惯性数据运算单元12包括一转换单元121及一输出单元122。具体地，该转换单元121由该深度测量单元11的该处理单元113接收该多个检测点31的该坐标变化值，并对该坐标变化值进行该转换运算，以得到该惯性数据。借此，该输出单元122可于该转换单元121取得转换所得的该惯性数据，并对外输出。

本发明中，该转换单元121可经由硬件模块方式实现(如电子电路或集成电路)，亦可经由软件模块方式实现(如程序(program)或应用程序界面(applicationprogramminginterface，api))，并且该转换单元121内部储存有执行该转换运算所需的程序码。当该转换单元121接收该坐标变化值后，可通过该程序码的执行来实现该转换运算，以产生该惯性数据。

请参阅图3，为本发明的第一具体实施例的测量流程图。本发明同时公开一种惯性测量方法，运用于图1、图2所述的该惯性测量模块1。具体地，该惯性测量方法用以于该惯性测量模块1运动时，通过该深度测量单元11测得的深度信息来运算产生该惯性测量模块1相对于时间的惯性数据。

首先，该惯性测量模块1通过该信号发送单元111于该时间区间内持续对该外部环境2发送该测量信号(步骤s10)，其中，该测量信号用于对该外部环境2中的该多个检测点31进行深度测量。接着，该惯性测量模块1通过该信号接收单元112于该时间区间内持续接收该外部环境2针对该测量信号的该反射信号(步骤s12)。更具体地，该信号接收单元112是接收该多个检测点31所反射的信号。

接着，该处理单元113依据该反射信号判断该多个检测点31于该时间区间内的坐标变化值(步骤s14)。该步骤s14后，该惯性测量模块1通过该惯性数据运算单元12对该多个检测点31的该坐标变化值进行该转换运算，以取得该惯性测量模块1于该时间区间中运动而生的该惯性数据(步骤s16)。其中，该惯性数据主要包括该惯性测量模块1于该时间区间内的一旋转角度及一位移量。最后，该惯性测量模块1输出该惯性数据(步骤s18)。

值得一提的是，若该惯性测量模块1运动后，无法再接收到该多个检测点31中的一特定检测点的反射信号，该处理单元113就无法计算该特定检测点的坐标变化值。于此情况下，该惯性数据运算单元12无法依据该特定检测点的深度信息来运算产生该惯性数据。然而，由于本发明中该惯性测量模块1采用的量测时间间隔小，因此此种状况的发生机率微乎其微。

参阅图4a与图4b，分别为图4a为本发明的第一具体实施例与第二具体实施例的惯性测量模块运动示意图。于图4a的实施例中，该惯性测量模块1于一第一时间(t1)位于一第一位置，并在对该外部环境2发送该测量信号，同时接收该外部环境2针对该测量信号所反射的该反射信号。

当该惯性测量模块1进行运动且于一第二时间(t2)位于一第二位置时，该惯性测量模块1同样对该外部环境2发送该测量信号，并接收该外部环境2针对该测量信号所反射的该反射信号。

如图4a所示，当该惯性测量模块1于该第一时间所接收的该反射信号与于该第二时间所接收的该反射信号中判断出有一重叠区域3时，即可于该重叠区域3中取得如图4b所示的该多个检测点31。于图4b的实施例中，以一检测点a、一检测点b、一检测点c、一检测点d与一检测点e为例，但不加以限定。

举例来说，该惯性测量模块1于该第一时间可接收到该检测点a的一第一反射信号，于该第二时间可接收到该检测点a的一第二反射信号，借此，可依据该第一反射信号与该第二反射信号计算该检测点a相对于该惯性测量模块1的该坐标变化值。当该惯性测量模块1分别得到多个该检测点31，如该检测点a至检测点e由该第一时间至该第二时间的该坐标变化值时，即可通过该转换运算来得出该惯性测量模块1于该第一时间至该第二时间中进行运动而生的该惯性数据。

于一实施例中，该惯性数据运算单元12可通过一转换公式来执行该转换运算，以将该多个检测点31的该坐标变化值转换为该惯性数据。该转换公式如下所示：

pit2＝r(pit1)+d,pit1＝[p1t1～pnt1],pit2＝[p1t2～pnt2],n≥4

转换公式

于上述该转换公式中，pit1为该多个检测点31中的一特定检测点(例如检测点a)于一第一时间的坐标数据，pit2为该特定检测点(例如该检测点a)于一第二时间的坐标数据，n为该多个检测点31的数量，r为包含多个该旋转角度的一旋转矩阵，d为包含多个该位移量的一位移矩阵。

如上所述，由于该惯性测量模块1在进行深度测量后可直接得知该多个检测点31于该第一时间的坐标数据(即，pit1)，也可直接得知该多个检测点31于该第二时间的坐标数据(即，pit2)，因此，只要该多个检测点31的数量为四个以上(即，该重叠区域3中包含四个以上的该检测点31)，该惯性数据运算单元12就可以通过对下述的联立方程序进行运算，以得出该旋转矩阵与该位移矩阵：

上述该转换公式为本发明的一个通解(generalsolution)，但并非以此为限。值得一提的是，本发明中该深度测量单元11主要为一主动式感测器，因此使用者可对该信号发送单元111用以发送该测量信号的一发送功率进行调整。借此，可通过提高该发送功率来增进该深度测量单元11对该外部环境2的探测范围，以提高该多个检测点31的该反射信号与该坐标变化值的准确率，进而提高依据该坐标变化值转换运算所得的该惯性数据的准确率。

参阅图5，为本发明的第一具体实施例的转换运算流程图。具体地，于图3的该步骤s16中，该惯性数据运算单元12除了可通过上述该转换公式来计算该惯性数据外，亦可通过图5所示的流程来运算该惯性数据。不同于该转换公式，图5所示的转换运算流程主要为本发明的一个快速解(fastsolution)。

如图5所示，该惯性数据运算单元12接收该多个检测点31的该坐标变化值后，先计算该多个检测点31于该第一时间的一第一质量中心(步骤s160)，并且再计算该多个检测点31于该第二时间的一第二质量中心(步骤s162)。接着，该惯性数据运算单元12依据该多个检测点31的该坐标变化值、该第一质量中心及该第二质量中心计算一协方差矩阵(covariancematrix)(步骤s164)。

具体地，该惯性数据运算单元12依据如下所示的一第一公式与一第二公

第二公式

于上述的该第一公式与该第二公式中，为该第一质量中心，为该第二质量中心，pit1为各该检测点31于该第一时间的坐标数据，pit2为各该检测点31于该第二时间的坐标数据，n为该多个检测点的数量。

并且，该惯性数据运算单元12依据如下所示的一第三公式计算该协方差矩阵：

第三公式

于上述该第三公式中，h为该协方差矩阵，pit1为各该检测点31于该第一时间的坐标数据，pit2为各该检测点于该第二时间的坐标数据，为该第一质量中心，为该第二质量中心，n为该多个检测点31的数量，t为矩阵转置运算(transpose)。

于该协方差矩阵(h)计算完成后，该惯性数据运算单元12对该协方差矩阵进行矩阵分解运算(decompositionfactorization)中的一奇异值分解运算(singularvaluedecomposition,svd)，以得到一u矩阵、一s矩阵及一v矩阵(步骤s166)。上述该u矩阵、该s矩阵与该v矩阵的产生技术为矩阵分解运算中的通常知识，于此不再赘述。

更具体地，该惯性数据运算单元12依据如下所述的一第四公式对该协方差矩阵进行矩阵分解运算：

[u,s,v]＝svd(h)

第四公式

于上述该第四公式中，svd为该奇异值分解运算，h为该协方差矩阵，u为该u矩阵，s为该s矩阵，v为该v矩阵。

承上所述，于得出该u矩阵、该s矩阵与该v矩阵后，该惯性数据运算单元12进一步依据该u矩阵与该v矩阵计算包含多个该旋转角度的该旋转矩阵(步骤s168)，并且，再依据该旋转矩阵、该第一质量中心及该第二质量中心计算包含多个该位移量的该位移矩阵(步骤s170)。

具体地，该惯性数据运算单元12依据如下所述的一第五公式计算该旋转矩阵：

r＝uv^t

第五公式

如上所述的该第五公式，r为该旋转矩阵，u为该u矩阵，v为该v矩阵，t为矩阵转置运算。

并且，该惯性数据运算单元12依据如下所述的一第六公式计算该位移矩阵：

第六公式

于上述该第六公式中，d为该位移矩阵，r为该旋转矩阵，为该第一质量中心，为该第二质量中心。值得一提的是，该第六公式中的“×”为向量积运算(crossproduct)，而非相乘运算。

如上所述，通过该转换公式(即，该通解)的执行，或是通过该第一公式至该第六公式(即，该快速解)的执行，该惯性数据运算单元12可将该多个检测点31的该坐标变化值转换为该惯性测量模块1于该时间区间内(于上述实施例中为该第一时间至该第二时间)因运动而生的该惯性数据。

请参阅图6与图7，分别为本发明的第一具体实施例与第二具体实施例的惯性测量模块运用示意图。图6公开了一相机4，该惯性测量模块1设置于该相机4中。并且，该相机4具有一相机外壳40，该惯性测量模块1的该信号发送单元111与该信号接收单元112裸露于该相机外壳40之外。图7公开了一智能型手机5，该惯性测量模块1设置于该智能型手机5中。该智能型手机5具有一手机外壳50，该惯性测量模块1的该信号发送单元111与该信号接收单元112裸露于该手机外壳50之外。

如前文中所述，虽然本发明的该惯性测量模块1是用于对该外部环境2进行深度测量，但可经过该转换运算后，输出与一般的惯性测量装置相同格式与内容的数据，即，该惯性数据。因此，该惯性测量模块1可直接取代一般的惯性测量装置，例如三轴加速度计或三轴陀螺仪，设置于该相机4或该智能型手机5上，以对该相机4与该智能型手机5进行追踪与定位。更进一步，本发明的该惯性测量模块1还可协助该相机4与该智能型手机5实现防手震功能。

参阅图8，为本发明的第一具体实施例的防手震流程图。要实现上述的防手震功能，首先，该相机4或该智能型手机5(以该智能型手机5为例)启动一摄影模式(步骤s20)，接着，该惯性测量模块1可于该摄影模式下持续对外发送该测量信号，并持续接收该反射信号(步骤s22)。进一步，该惯性测量模块1依据该反射信号计算该多个检测点31的该坐标变化值，并经该转换运算后产生该惯性数据(步骤s24)。

值得一提的是，本发明中，该惯性数据的内容与数据格式，与一般的惯性测量装置的输出数据的内容与数据格式相同，因此该智能型手机5只需将内部的惯性测量装置替换为本发明的该惯性测量模块1即可，不需要对其他元件与电路进行任何修改，相当便利。

该惯性数据产生后，该惯性测量模块1输出该惯性数据至该智能型手机5内部的一处理器(图未标示)，借此该处理器可依据该惯性数据来执行一防手震运算(步骤s26)。具体地，该处理器可依据该惯性数据来执行现有的各种运算，并对该智能型手机5的各个元件进行调整，以令拍摄出来的照片不会因为该智能型手机5的晃动而模糊。

最后，该惯性测量模块1判断该智能型手机5是否离开该摄影模式(步骤s28)，并于离开该摄影模式前持续执行该步骤s22至该步骤s26，以持续协助该智能型手机5实现防手震功能。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。