一种角速度测量装置及运动控制装置的制作方法

本发明实施例涉及自动控制领域，尤其涉及一种角速度测量装置及运动控制装置。

背景技术：

陀螺仪是一种能够测量载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。

随着人工智能与电子控制技术的发展，陀螺仪作为一种角速度测量的传感器装置，在多种消费品的运动控制方面已经得到了广泛应用。但是在实际应用中，角速度的测量精度是用户考虑的重要因素，角速度的测量精度受实际应用中噪声和漂移的影响较大，尤其是其中的随机漂移误差，成为了提高mems陀螺仪精度的关键。并且，随着客户对高精密度产品的进一步要求，陀螺仪的精度越来越满足不了市场的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种角速度测量装置及运动控制装置，以减少角速度测量的随机漂移误差，提高角速度测量精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种角速度测量装置，包括：

多个陀螺仪，用于采集原始角速度数据；

数据处理单元，分别与所述多个陀螺仪连接，用于接收所述多个陀螺仪采集的多个原始角速度数据，确定角速度的期望值，并以所述期望值作为目标角速度输出。

可选地，所述数据处理单元确定角速度的期望值，包括：

以所述多个原始角速度数据的频数构造角速度概率密度函数，拟合形成正态分布曲线，确定所述正态分布曲线的期望值，以所述正态分布曲线的期望值作为角速度的期望值。

可选地，所述数据处理单元确定角速度的期望值，包括：

确定所述多个原始角速度数据的样本平均值，以所述样本平均值作为角速度的期望值。

可选地，所述角速度测量装置还包括校正单元，所述校正单元与所述数据处理单元和所述多个陀螺仪电连接，所述校正单元用于根据所述数据处理单元输出的目标角速度校正所述多个陀螺仪。

可选地，所述多个陀螺仪的个数为100～1000个。

可选地，所述多个陀螺仪呈阵列排布。

可选地，所述陀螺仪为微机械陀螺仪。

可选地，所述陀螺仪为单轴陀螺仪或多轴陀螺仪。

第二方面，本发明实施例还提供了一种运动控制装置，包括至少一个如第一方面任一项所述的角速度测量装置。

可选地，所述运动控制装置还包括：控制单元、电源管理单元以及电机；所述控制单元分别与所述电源管理单元、所述电机以及所述角速度测量装置电连接；

所述控制单元用于接收所述角速度测量装置输出的目标角速度，并根据所述目标角速度驱动所述电机，所述电源管理单元用于为所述控制单元、所述电机以及所述角速度测量装置供电。

可选地，所述运动控制装置还包括制冷单元，所述制冷单元与所述控制单元电连接，所述制冷单元用于为所述角速度测量装置制冷。

可选地，所述控制单元控制所述制冷单元使所述陀螺仪芯片的工作温度为0度到零下20度。

本发明实施例提供的角速度测量装置及运动控制装置，通过设置多个陀螺仪，并根据多个陀螺仪采集的原始角速度的期望值，实现目标角速度的输出，可以有效减少单个陀螺仪的角速度输出时存在的随机漂移误差，解决了现有技术中陀螺仪存在较大的噪声和漂移的问题，提高了角速度测量的精度，同时可以改善了运动控制装置对角速度参数的采集，有助于运动装置的精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种角速度测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的角速度数据与频数比例的拟合正态分布曲线示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种角速度测量装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的陀螺仪的排布方式示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种陀螺仪的排布方式示意图

图6是本发明实施例提供的一种运动控制装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种运动控制装置的控制面板的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种运动控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种角速度测量装置的结构示意图，参考图1，该角速度测量装置包括：多个陀螺仪11，用于采集原始角速度数据；数据处理单元12，分别与多个陀螺仪11连接，用于接收多个陀螺仪11采集的多个原始角速度数据，确定角速度的期望值，并以期望值作为目标角速度输出。

其中，多个陀螺仪11同时进行角速度的数据采集，其采集的原始角速度数据是各陀螺仪11测量的该角速度测量装置当前所处的角速度，各原始角速度数据由于采集时存在随机误差，因而相互之间可能存在差别，各原始角速度数据组成的一组离散数据通过计算数学期望值，可获得精确的目标角速度数据。其中，图1所示的陀螺仪数量为5仅仅用于示意，陀螺仪的数量会受到空间的限制，从统计学的角度来讲，设置的陀螺仪越多，对应地原始角速度数据的数量越多，即采集的离散数据越丰富，则通过该离散数据计算的期望值越接近角速度测量装置当前的角速度。

本发明实施例提供的角速度测量装置，通过设置多个陀螺仪采集原始角速度数据，并根据统计学的方法计算原始角速度数据的期望值，以该期望值作为目标角速度数据输出，可以有效减少单个陀螺仪的角速度输出时存在的随机漂移误差，解决了现有技术中陀螺仪存在较大的噪声和漂移的问题，提高了角速度测量的精度。

根据原始角速度数据计算期望值的方式有多种，由于存在随机误差的原始角速度数据服从正态分布，且该正态分布函数的均值即为角速度的期望值，也即目标角速度，因此，数据处理单元确定角速度的期望值可包括：以多个原始角速度数据的频数构造角速度概率密度函数，拟合形成正态分布曲线，确定正态分布曲线的期望值，以正态分布曲线的期望值作为角速度的期望值。

其中，因随机的角速度数据服从正态分布，角速度概率密度函数即为正态分布概率密度函数，示例性地，该拟合的正态分布曲线，求取期望值的步骤包括：一、将各原始角速度数据按从小到大排序，并统计各原始角速度数据的频数，计算各原始角速度数据频数占总数据数量的比例，即获得各原始角速度的数据的概率；二、利用最小二乘法下正态分布概率密度函数拟合频数比例与角速度数据，得到角速度数据的模型函数；三、利用正态分布概率密度函数f(ω,μ,σ)曲线确定该正态分布曲线的均值μ，以该均值μ作为原始角速度数据的期望值。

图2是本发明实施例提供的角速度数据与频数比例的拟合正态分布曲线示意图，参考图2，通过将离散的原始角速度数据与频数比例拟合形成正态分布概率密度函数曲线c，再通过计算正态分布函数的均值，从而可以较为精确地得到角速度期望值的近似值。

除上述拟合原始角速度数据形成正态分布曲线外，数据处理单元确定角速度的期望值的方式还包括：确定多个原始角速度数据的样本平均值，以样本平均值作为角速度的期望值。

以角速度陀螺仪采集的有限的原始角速度数据作为离散样本数据，计算该离散样本数据的样本平均值，其中，样本平均值近似等于角速度的期望值，以样本平均值作为目标角速度并输出。

陀螺仪由于随机噪声或温度变化导致测量漂移时，该漂移的结果会产生累加，影响后续的数据采集，此时需要使陀螺仪进行自我校正。图3是本发明实施例提供的另一种角速度测量装置的结构示意图，参考图3，可选地，角速度测量装置还包括校正单元13，校正单元13与数据处理单元12和多个陀螺仪11电连接，校正单元13用于根据数据处理单元12输出的目标角速度校正多个陀螺仪11。

其中，校正单元13利用数据处理单元12运算出的角速度期望值，对应每一个陀螺仪11输出的原始角速度，进而修正每一个陀螺仪的零速率输出值，即没有被施加角速率时的信号值，进一步地，可以设置校正阈值，如果陀螺仪的原始角速度与目标角速度的差值超过校正阈值，则对该陀螺仪进行校正。

以上通过有限地陀螺仪采集原始角速度数据，获得离散的样本数据，进而求取样本数据的期望值作为目标角速度的方式，其目标角速度的准确性很大程度上受计算方式影响的同时，还跟样本数据的容量有关，也即与陀螺仪的数量有关，考虑到陀螺仪的空间占用及数量的范围，可选地，多个陀螺仪的个数为100～1000个。

为了节省大量陀螺仪的空间占用，且保证每个陀螺仪采集角速度数据的环境标准相同，可选地，多个陀螺仪呈阵列排布，图4是本发明实施例提供的陀螺仪的排布方式示意图，参考图4，示例性地，不同数量的陀螺仪可以按照行列的阵列进行排布。除此之外，还可以根据实际角速度测量装置中的数据处理单元的位置，将多个陀螺仪进行分组并阵列排布，图5是本发明实施例提供的另一种陀螺仪的排布方式示意图，参考图5，可将陀螺仪分成四组，每组4个陀螺仪按照阵列排布。

微机械陀螺仪作为一种角速度测量的传感器装置，在多种消费品的运动控制方面已经得到了广泛应用。可选地，陀螺仪可采用为微机械(micro-electro-mechanicalsystem，mems)陀螺仪。mems陀螺仪相对于高精度的光纤陀螺仪和激光陀螺仪来说，具有极大的成本优势，又能基本满足多数运动控制的要求。同时，mems陀螺仪也存在使用过程漂移产生的误差的问题，每小时漂移10-100度，越来越满足不了市场的要求，因此，采用微机械陀螺仪可以在保证高精度角速度测量的同时降低成本。

可选地，该陀螺仪可以采用单轴陀螺仪或多轴陀螺仪，对于单轴陀螺仪，则每一个陀螺仪输出某一维度的一个原始角速度数据，而对于多轴陀螺仪，可以输出多个维度的原始角速度数据，通过确定某一维度的一个原始角速度或多个维度的原始角速度数据的期望值，进而可以获得某一维度或多个维度较为精确的目标角速度。

本发明实施例还提供了一种运动控制装置，图6是本发明实施例提供的一种运动控制装置的结构示意图，参考图6，该运动控制装置包括如上实施例的任一的角速度测量装置110。运动控制装置通过上述实施例的角速度测量装置进行角速度数据的采集，进而对运动装置进行控制。

本发明实施例提供的运动控制装置，通过采用设置有多个陀螺仪的角速度测量装置，并根据多个陀螺仪采集的原始角速度的期望值，实现目标角速度的输出，可以有效减少单个陀螺仪的角速度输出时存在的随机漂移误差，解决了现有技术中陀螺仪存在较大的噪声和漂移的问题，提高了角速度测量的精度，从而改善了运动控制装置对角速度参数的采集，有助于运动装置的精确控制。

继续参考图6，该运动控制装置还包括控制单元120、电源管理单元130以及电机140；控制单元120分别与电源管理单元130、电机140以及角速度测量装置110电连接；控制单元120用于接收角速度测量装置110输出的目标角速度，并根据目标角速度驱动电机140，电源管理单元130用于为控制单元120、电机140以及角速度测量装置110供电。

其中，角速度测量装置110为运动控制装置的一个运动参数测量装置，图7是本发明实施例提供的一种运动控制装置的控制面板的结构示意图，参考图7，运动控制装置是一个较为复杂的控制系统，其中还可以包括多种运动参数测量装置以及通讯装置，例如可以包括全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)、指南针、超声波定位装置、图传装置、雷达装置、wifi通讯装置以及无线发射接收装置。图5中并未示出运动控制装置的电机，而电机在运动控制器中可以起到提供动力的作用，以飞行器为例，在飞行器的飞行过程中，电机起到很重要的作用，例如可以控制飞行器的主翼、舵机以及尾翼，从而为飞行器提供飞行的动力、改变飞行姿态以及提供扭力等。

温度变化对陀螺仪的角速度数据采集存在较大的影响，为了降低陀螺仪的漂移，可以对运动控制器中的角速度测量装置进行温度补偿。图8是本发明实施例提供的另一种运动控制器的结构示意图，参考图8，可选地，运动控制器还包括制冷单元150，制冷单元150与控制单元120电连接，制冷单元150用于为角速度测量装置110制冷。

制冷单元150可采用电子制冷器如电子制冷片进行制冷，具体地，可以设置角速度测量装置的外壳为导热性能良好的金属材质，以将制冷片贴合在金属外壳上，方便制冷片对角速度测量装置进行制冷。为了使角速度测量装置实现更好地温度补偿，可选地，控制单元控制制冷单元使角速度测量装置的工作温度在0度到零下20度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。