基于多传感器融合的虚拟陀螺及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于多传感器融合的虚拟陀螺及方 法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 随着当下对惯性传感器的需求越来越大，对陀螺仪(角速度传感器）的精度、功耗 等要求也越来越高。MEMS陀螺仪虽然有成本低、易于数字化等优点，但是与加速度计以及其 他传感器相比，功耗明显偏高。于此同时，随着应用的丰富，对高精度陀螺的需求也越来越 高。当下的MEMS陀螺仪的精度要求渐渐不能满足其需求。
[0004] 为了弥补MEMS陀螺仪在这些方面的不足，有若干方法被提出，曾有人提出利用一 种多陀螺的数据融合方法来实现利用低成本陀螺组建高精度陀螺的方案。但是其缺点为多 陀螺系统的功耗太高。也有方案提出，利用加速度计的解算来组建无陀螺惯性系统，其缺点 为其加速度布置需要立体布置，不仅对加速度计布置的位置精度要求高，而且整个系统的 体积大。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中虚拟陀螺仪的高功耗，且精度不够 的缺陷，提供一种基于多传感器融合的虚拟陀螺技术，通过加速度计组合和陀螺仪的输出 进行数据融合，得到优化后角速度值的输出，可以大幅提升整个系统的角速度测量精度。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 提供一种基于多传感器融合实现虚拟陀螺的方法，包括以下步骤： 设置检测方向在同一平面内正交的第一加速度计； 在该平面内，设置与其中一个检测方向平行、但不共位置的第二加速度计，以及与另一 个检测方向平行、但不共位置的第三加速度计，形成加速度组合传感器； 输出加速度组合传感器以及陀螺仪的测量值。
[0008] 本发明所述的方法中，还包括步骤： 根据输出的测量值，构建状态更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波。
[0009] 本发明所述的方法中，所述第一加速度计为共位置、检测方向在同一平面内正交 的双轴加速度计或者两个单轴加速度计。
[0010] 本发明所述的方法中，第一加速度计的两个检测方向分别沿预设的坐标系的X轴 方向和Y轴方向，第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离为dl的位置，方向与Y 轴平行，第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离为d2的位置，方向与X轴平行，陀 螺仪的检测方向沿Z轴方向。
[0011] 本发明所述的方法中，设置dl等于d2。
[0012] 本发明还提供一种基于多传感器融合的虚拟陀螺，包括基板，其上设置加速度组 合传感器和陀螺仪； 加速度组合传感器包括：第一加速度计，其检测方向在同一平面内正交；第二加速度 计，在该平面内，与第一加速度计的一个检测方向平行、但不共位置；第三加速度计，在该平 面内，与第一加速度计的另一个检测方向平行、但不共位置； 所述陀螺仪，设置在该平面任一位置，其检测方向与该平面垂直； 本发明所述的虚拟陀螺中，该虚拟陀螺还包括： 计算单元，用于根据加速度组合传感器的测量值计算角加速度，并结合陀螺的输出，构 建状态更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波。
[0013] 本发明所述的虚拟陀螺中，所述第一加速度计为共位置、检测方向在同一平面内 正交的两个单轴加速度计，或者双轴加速度计。
[0014] 本发明所述的虚拟陀螺中，所述第二加速度计和第三加速度计均为单轴加速度 计。
[0015] 本发明所述的虚拟陀螺中，第一加速度计的两个检测方向分别沿预设的坐标系的 X轴方向和Y轴方向，第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离为dl的位置，方向与 Y轴平行，第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离为d2的位置，方向与X轴平行， 陀螺仪的检测方向沿Z轴方向。
[0016] 本发明所述的虚拟陀螺中，第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离与第 三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离相等。
[0017] 本发明产生的有益效果是：本发明通过在同一平面内布置一对加速度计共位置、 检测方向正交，两对加速度计检测方向平行但不共位置，以及一个陀螺仪，并根据输出构建 状态更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波，结合加速度计和陀螺仪的输出特性，选择适合 的协方差矩阵，即可达到优化的角速度输出，其精度会大大增加，同时因为加速度计的功耗 较低，又仅使用一个陀螺仪，相比于现有技术中使用多个陀螺仪的功耗明显降低。
[0018]
【附图说明】
[0019] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 图1是本发明实施例基于多传感器融合实现虚拟陀螺的方法流程图； 图2是本发明实施例基于多传感器融合的虚拟陀螺结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0021] 本发明利用加速度计组合与陀螺仪进行数据融合，得到优化后角速度值的输出， 提高了角速度测量精度。
[0022] 本发明实施例的基于多传感器融合的虚拟陀螺，包括基板，以及设置在基板上的 加速度组合传感器和陀螺仪； 加速度组合传感器包括：第一加速度计，其检测方向在同一平面内正交；第二加速度 计，在该平面内，与第一加速度计的一个检测方向平行、但不共位置；第三加速度计，在该平 面内，与第一加速度计的另一个检测方向平行、但不共位置； 所述陀螺仪，设置在该平面任一位置，其检测方向与该平面垂直。
[0023] 该虚拟陀螺还包括计算单元，可设置在基板上，与加速度组合传感器和陀螺仪分 别连接，用于根据加速度组合传感器的测量值计算角加速度，并结合陀螺的输出，构建状态 更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波。
[0024] 该计算单元也可以设在虚拟陀螺外部，如通过外部的单片机实现，或者通过上位 机实现。
[0025] 本发明的一个实施例中，所述第一加速度计为共位置、检测方向在同一平面内正 交的两个单轴加速度计，或者双轴加速度计；所述第二加速度计和第三加速度计均为单轴 加速度计。
[0026] 本发明的一个实施例中，如图1所示，双轴加速度计1布置在基板4的一个角落， 两个轴的方向分别沿预设的坐标系的X轴方向和Y轴方向。单轴加速度计2a布置于X轴 上距双轴加速度计1距离为dl的位置,方向与Y轴平行。单轴加速度计2b布置于Y轴上 距双轴加速度计1距离为d2的位置，方向与X轴平行。陀螺仪3布置在与各个加速度计共 面的任意位置，其检测方向为Z轴方向。
[0027] 本发明的一个实施例中，可设置第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离 与第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离相等。
[0028] 在上述布置方案下，假设双轴加速度计1在X轴方向和Y轴方向的输出分别为Al、 A2,单轴加速度计2a的输出为A3,单轴加速度计2b的输出为A4,通过如下公式解算得到角 加速度? :
【主权项】
1. 一种基于多传感器融合实现虚拟陀螺的方法，其特征在于，包括以下步骤： 设置检测方向在同一平面内正交的第一加速度计； 在该平面内，设置与其中一个检测方向平行、但不共位置的第二加速度计，以及与另一 个检测方向平行、但不共位置的第三加速度计，形成加速度组合传感器； 在该平面任一位置设置陀螺仪，其检测方向与该平面垂直； 输出加速度组合传感器以及陀螺仪的测量值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤： 根据输出的测量值，构建状态更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加速度计为共位置、检测方向在 同一平面内正交的双轴加速度计或者两个单轴加速度计。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一加速度计的两个检测方向分别沿预 设的坐标系的X轴方向和Y轴方向，第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离为dl 的位置，方向与Y轴平行，第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离为d2的位置，方 向与X轴平行，陀螺仪的检测方向沿Z轴方向。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，设置dl等于d2。
6. -种基于多传感器融合的虚拟陀螺，其特征在于，包括基板，其上设置加速度组合传 感器和陀螺仪； 加速度组合传感器包括：第一加速度计，其检测方向在同一平面内正交；第二加速度 计，在该平面内，与第一加速度计的一个检测方向平行、但不共位置；第三加速度计，在该平 面内，与第一加速度计的另一个检测方向平行、但不共位置； 所述陀螺仪，设置在该平面任一位置，其检测方向与该平面垂直。
7. 根据权利要求6所述的虚拟陀螺，其特征在于，该虚拟陀螺还包括： 计算单元，用于根据加速度组合传感器的测量值计算角加速度，并结合陀螺的输出，构 建状态更新与时间更新方程，进行卡尔曼滤波。
8. 根据权利要求5所述的虚拟陀螺，其特征在于，所述第一加速度计为共位置、检测方 向在同一平面内正交的两个单轴加速度计，或者双轴加速度计；所述第二加速度计和第三 加速度计均为单轴加速度计。
9. 根据权利要求5所述的虚拟陀螺，其特征在于，第一加速度计的两个检测方向分别 沿预设的坐标系的X轴方向和Y轴方向，第二加速度计置于X轴上距第一加速度计的距离 为dl的位置,方向与Y轴平行，第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离为d2的位 置，方向与X轴平行，陀螺仪的检测方向沿Z轴方向。
10. 根据权利要求8所述的虚拟陀螺，其特征在于，第二加速度计置于X轴上距第一加 速度计的距离与第三加速度计置于Y轴上距第一加速度计的距离相等。
【专利摘要】本发明公开了一种基于多传感器融合的虚拟陀螺及方法，其中方法包括以下步骤：设置检测方向在同一平面内正交的第一加速度计；在该平面内，设置与其中一个检测方向平行、但不共位置的第二加速度计，以及与另一个检测方向平行、但不共位置的第三加速度计，形成加速度组合传感器；在该平面任一位置设置陀螺仪，其检测方向与该平面垂直；输出加速度组合传感器以及陀螺仪的测量值。通过加速度计组合和陀螺仪的输出进行数据融合，得到优化后角速度值的输出。可以大幅提升整个系统的角速度测量精度。
【IPC分类】G01C21-16
【公开号】CN104677355
【申请号】CN201510099336
【发明人】罗璋, 刘胜, 刘超军, 余帅, 张生志, 王小平
【申请人】九江飞恩微电子有限公司, 武汉大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月6日