CN101051055A - 倾斜角运算方法以及倾斜角运算装置 - Google Patents

Abstract

本发明以提供在对空间内的对象物的姿态进行测定时，能够精度更好地检测倾斜角的倾斜角运算装置或倾斜角运算方法，并提供更准确地测定空间内的对象物的姿态的技术为目的。为此，本发明的倾斜角运算装置包括，传感器部，具有将加速度分解成第一轴、第二轴和第三轴各自的分量来进行检测的三轴加速度传感器；以及运算部，对加速度在第一轴方向至第三轴方向上所分解的第一轴分量至第三轴分量的绝对值进行比较，利用具有加速度的分量的绝对值之中最大的绝对值的轴上所赋予的加速度分量和其以外的一个轴上所赋予的加速度分量来计算第一倾斜角，并利用最大的加速度的分量的绝对值的轴上所赋予的加速度分量和其以外的另一个轴上所赋予的加速度分量来计算第二倾斜角。

Description

倾斜角运算方法以及倾斜角运算装置

技术领域

本发明提供一种在对空间内的对象物的姿态进行测定时，能够精度更好地检测倾斜角的倾斜角运算装置或者倾斜角运算方法，并提供一种更准确地测定空间内的对象物的姿态的技术。

背景技术

作为检测三维空间内的对象物的倾斜的手段，众所周知利用例如三轴加速度传感器等采用了MEMS(Micro-Electrical-Mechanical-System)技术的微机械传感器。例如三轴加速度传感器具有：如果在空间内对三轴加速度传感器赋予加速度则将该加速度分别分解成X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度以及Z轴方向的加速度来进行检测的能力。利用这一点，就能够基于重力加速度通过三维加速度传感器在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向中的哪个方向上被如何分解而得以检测，并运算该三轴加速度传感器相对于重力方向如何倾斜，而求出搭载了该三轴加速度传感器的被搭载物在空间内如何倾斜。

以下，使用图3～图5就以往的采用了三轴加速度传感器的倾斜角的测定进行说明。

如图3所示那样，在xyz空间内搭载了三轴加速度传感器的被搭载物300被水平配置。xyz空间将方向与重力加速度的方向相一致的轴设为z轴，将垂直于z轴的面设为xy平面。x轴以及y轴被定义成在xy平面上分别正交。此时，图3所示的X轴、Y轴、Z轴以被搭载物300上所搭载的三轴加速度传感器为基准而定义。亦即，如前述那样三轴加速度传感器将加速度分解成X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向来进行检测，图3所示的X轴、Y轴、Z轴与加速度经过分解的X轴、Y轴、Z轴相对应。进而，为了说明上的方便，在这里X轴、Y轴、Z轴被配置成与xyz空间的x轴、y轴、z轴相一致。在这里，被水平地配置是指在被搭载物300上所搭载的三轴加速度传感器中，X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的加速度之中仅Z轴方向检测重力加速度的状态。

如图4所示那样，就从图3的状态开始以Y轴为旋转轴使被搭载物300旋转的情况进行说明。此时，将以Y轴为中心使之旋转的被搭载物300的XZ平面的X轴向xyz空间的xz平面投影而得到的轴与xyz空间的x轴所成的角度设为倾侧角(roll angle：滚转角)。在这里，就倾侧角例如为30度的情况进行说明。

由于从图3到图4的旋转是以Y轴为中心的旋转，所以在旋转后的图4中也在Y轴上检测不到重力加速度。亦即在这里，由于被搭载物300的XZ平面和xyz空间的xz平面重合，所以X轴的旋转角就为倾侧角。另外，由于XZ平面相对于xz平面旋转，所以在图3中仅Z轴上检测到的重力加速度就在图4中分别在X轴和Z轴上被分解而得以检测。此时，倾侧角通过利用从X轴检测出的加速度和从Z轴检测出的加速度，例如使用三角函数进行运算而得到。此外，在这里，由于是以Y轴为中心使之旋转30度，所以就得到倾侧角为30度这样的结果。

另外，如图5所示那样，就从图3的状态开始以X轴为旋转轴使被搭载物300旋转的情况进行说明。此时，将以X轴为中心使之旋转的被搭载物300的YZ平面的Y轴向xyz空间的xz平面投影而得到的轴与xyz空间的y轴所成的角度设为俯仰角(pitch angle)。在这里，就俯仰角例如为30度的情况进行说明。

由于从图3到图5的旋转是以X轴为中心的旋转，所以在旋转后的图5中也在X轴上检测不到重力加速度。亦即在这里，由于被搭载物300的YZ平面和xyz空间的yz平面重合，所以Y轴的旋转角就为俯仰角。另外，由于YZ平面相对于yz平面旋转，所以在图3中仅Z轴上检测到的重力加速度就在图5中分别在Y轴和Z轴上被分解而得以检测。此时，俯仰角通过利用从Y轴检测出的加速度和从Z轴检测出的加速度，例如使用三角函数进行运算而得到。在这里，由于是以X轴为中心使之旋转30度，所以就得到俯仰角为30度这样的结果。

这样一来，通过求解倾侧角、俯仰角这两个倾斜角就能够对搭载加速度传感器的被搭载物300在空间内为怎样的姿态进行检测。此时，倾侧角使用在X轴上检测出的重力加速度和在Z轴上检测出的重力加速度而求得，俯仰角使用在Y轴上检测出的重力加速度和在Z轴上检测出的重力加速度而求得。

实际上，在被搭载物300上被复合赋予倾侧角和俯仰角的情况为较多。在这种情况下也能够分别使用重力加速度的X轴方向分量和Z轴方向分量来计算倾侧角，使用重力加速度的Y轴方向分量和Z轴方向分量来计算俯仰角。

但是，在这样求解各自的倾斜角的情况下，就存在以下问题：例如在俯仰角为0度附近的情况下测定倾侧角时误差不会变大，但例如俯仰角越接近90度误差将变得越大。同样如此，例如在倾侧角接近90度的情况下求解俯仰角时也同样存在误差将会变大的问题。

针对这样的问题，例如在专利文献1中，设定与俯仰角、倾侧角相应的校正系数并随着角度变大而减小校正系数，由此来解决上述课题(专利文献1：特开2000-180462号，段落[0017]～[0020])。

但是，在将倾斜角分割成若干区域，并分别设定适当的校正系数的方法中，对于经过分割的区域内的误差依然没有得到改善，另外，增加进行分割的区域的数量而相应地要多设定校正系数，就会发生招致存储容量的增加、运算速度的低下等问题。

发明内容

本发明申请就是鉴于这些课题而完成的。亦即，本发明的倾斜角运算方法以及倾斜角运算装置表示出如下特征。

本发明的倾斜角运算装置包括：具有三轴加速度传感器的传感器部，该三轴加速度传感器将加速度分解成第一轴的分量、与第一轴正交的第二轴的分量、以及与由第一轴和第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测；以及运算部，该运算部对加速度在第一轴方向上所分解的第一轴分量的绝对值、加速度在第二轴方向上所分解的第二轴分量的绝对值、和加速度在第三轴方向上所分解的第三轴分量的绝对值进行比较，利用具有加速度的分量的绝对值之中、最大的绝对值的轴上所赋予的加速度分量和其以外的一个轴上所赋予的加速度分量来计算第一倾斜角，并利用具有最大的加速度的分量的绝对值的轴上所赋予的加速度分量和其以外的另一个轴上所赋予的加速度分量来计算第二倾斜角。

另外，本发明的倾斜角运算方法是一种运算xyz空间内的被搭载物的倾斜的倾斜角运算方法，其特征在于，包括：从将被搭载物的重力加速度分解成第一轴的分量、与第一轴正交的第二轴的分量、以及与由第一轴和第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测的被搭载物上所搭载的三轴加速度传感器，输出重力加速度在第一轴方向上所分解的第一轴分量、重力加速度在第二轴方向上所分解的第二轴分量、以及重力加速度在第三轴方向上所分解的第三轴分量的第一步骤；利用第一轴分量的绝对值和第二轴分量的绝对值来运算第一倾斜角，并利用第二轴分量的绝对值和第三轴分量的绝对值来运算第二倾斜角的第二步骤；以及在与第一轴分量的绝对值相比第二轴分量的绝对值一方较小的情况下，利用第一轴分量的绝对值和第三轴分量的绝对值来再次运算第一倾斜角，在与第二轴分量的绝对值相比第三轴分量的绝对值一方较小的情况下，利用第一轴分量的绝对值和第三轴分量的绝对值来再次运算第二倾斜角的第三步骤。

根据本申请发明的倾斜角运算装置以及倾斜角运算方法，与以往的运算装置相比还能够抑制存储容量的增加以及运算速度的低下，且能够精度良好地求解被搭载加速度传感器的被搭载物的倾斜角。

附图说明

图1是表示本发明实施例1中的半导体器件的概略图。

图2是表示本发明实施例2中的半导体器件的概略图。

图3是说明现有问题的图。

图4是说明现有问题的图。

图5是说明现有问题的图。

具体实施方式

以下，参照附图就本发明的实施方式进行说明。

【实施例1】

如图1所示那样，实施例1的本申请的倾斜角运算装置100具有：传感器部110、运算部120和输出部130。倾斜角运算装置100被搭载于求解倾斜角的被搭载物上(未图示)。在这里，被搭载物是指诸如便携式电话、照相机、头置式显示器等电子设备或者车辆、船舶、飞机等交通工具等那样，以获知实际上倾斜何种程度为目的的东西。

传感器部110具有：检测加速度的三轴加速度传感器111；输出三轴加速度传感器111检测出的X轴方向的加速度的第1输出部112；输出三轴加速度传感器111检测出的Y轴方向的加速度的第2输出部113；以及输出三轴加速度传感器111检测出的Z轴方向的加速度的第3输出部114。本实施例的三轴加速度传感器110是由台座部、压铁部(重锤部)、以及连接台座部与压铁部并具有压电电阻元件的检测部组成的三轴加速度传感器，依照加速度压铁部变位且检测部挠曲，据此压电电阻元件的电阻值变化。伴随此压电电阻元件的电阻值的变化电压变化由此来检测加速度。另外，该加速度传感器能够分别在X轴、与X轴正交的Y轴、以及与由X轴与Y轴组成的XY平面正交的Z轴的三个轴的方向分解加速度来进行检测。在这里，本实施例1的三轴加速度传感器111作为具有压电电阻元件的加速度传感器来进行说明，但并不限定于此，只要是可以将所赋予的加速度在三轴方向上分别进行分解并输出的三轴加速度传感器即可。若举出例子，则还有如借助于经过离间的电极间的电容来检测加速度的、所谓的电容式三轴加速度传感器或、压电式三轴加速度传感器那样加速度的检测手段不同的加速度传感器。另外，传感器部也可以具有对来自第1输出部112、第2输出部113以及第3输出114部的信号分别进行放大的放大器部。

运算部120具有：第1输入部121、第2输入部122、第3输入部123和倾斜角运算部124。第1输入部121以电气方式连接到第1输出部112，第2输入部122以电气方式连接到第2输出部113，第3输入部123以电气方式连接到第3输出部114。倾斜角运算部124分别与第1输入部121、第2输入部122以及第3输入部123以电气方式连接起来。还可以具有用于将来自第1输入部121、第2输入部122以及第3输入部123的信号进行放大后提供给倾斜角运算部124的放大器部。

在这里就倾斜角的运算进行说明。为了说明的简化，就在xyz空间的x轴正方向且y轴正方向且z轴正方向上搭载倾斜角运算装置100的被搭载物的姿态变化的情况进行说明。由于对xyz空间全体的应用能够根据在X轴、Y轴、Z轴上所赋予的重力加速度分量的符号的正负而容易地进行扩展，所以在这里有时省略说明。

首先，使用X轴方向的重力加速度分量AX的绝对值|AX|与Z轴方向的重力加速度分量AZ的绝对值|AZ|，并利用ATAN(ア一クタンジエント)函数通过R＝ATAN(|AX|/|AZ|)来计算倾侧角R。此时在|AX|＞|AZ|的情况下，则通过R＝90-ATAN(|AZ|/|AX|)来进行倾侧角R的计算。

其次，使用Y轴方向的重力加速度分量AY的绝对值与Z轴方向的重力加速度分量AZ的绝对值|AZ|，并利用ATAN函数通过P＝ATAN(|AY|/|AZ|)来计算俯仰角P。此时，在|AY|＞|AZ|的情况下，则通过P＝90-ATAN(|AZ|/|AY|)来计算俯仰角。

进而，在倾侧角R大于等于45度的情况下，对俯仰角P进行重新计算。俯仰角P的重新计算通过P＝ATAN(|AY|/|AX|)来进行计算。亦即，利用X轴方向的重力加速度分量和Y轴方向的重力加速度分量对俯仰角P进行重新计算。

另外，俯仰角P大于等于45度的情况下，对倾侧角R进行重新计算。倾侧角的重新计算通过R＝ATAN(|AY|/|AX|)来进行计算。亦即，利用X轴方向的重力加速度分量和Y轴方向的重力加速度分量对倾侧角R进行重新计算

在这里，虽然在本实施例中在倾斜角的运算上使用ATAN进行了计算，但本申请发明并不限定于此，还可以使用ASIN(ア一クサイン)、ACOS(ア一クコサイン)来进行倾斜角的运算。

在本申请发明的倾斜角运算装置100中，由于是对被搭载物在哪个方向上偏斜的倾斜进行检测，所以上述两个重新计算不会同时得以使用。换言之本申请发明的重新计算的条件是用于在通过具有各轴的重力加速度分量的绝对值之中的最大值的轴以外的两轴来运算倾斜角的情况下误差将会变大，因此在运算倾侧角、俯仰角时，不论在运算哪个倾斜角的情况下都是使用具有重力加速度分量的绝对值之中最大值的轴来使之进行运算。例如，在X轴方向的重力加速度分量的绝对值具有最大值的情况下，不论在运算哪个倾斜角的情况下都是使用X轴方向的重力加速度来进行。此外，不言而喻例如在两轴具有相同值且最大值的情况或者三轴均为相同值的情况下，适宜选择任意一个即可。进而，在本申请发明的倾斜角运算装置100中最好是以加速度传感器的倾斜角与被搭载物的倾斜角相一致的方式进行搭载，在加速度传感器的倾斜角与被搭载物的倾斜角不一致的情况下，最好是将其差分加在经过运算后的加速度传感器的倾斜角上来进行输出。

这样经过运算后的被搭载物的倾斜角就从输出部130被输出。在这里，输出部130既可以为多个，也可以依照被运算的倾斜角的数量来进行设置。

这样一来，根据实施例1的本申请发明的倾斜角运算装置以及倾斜角运算方法，就可以进行倾斜角的运算而不用将倾斜角分割成若干区域，并分别设定适当的校正系数，所以就能够高精度地求解全部范围的倾斜角，而不会招致因使用校正系数造成的存储容量的增加、运算速度的低下。另外，如倾侧角是使用X轴方向的重力加速度分量与Z轴方向的重力加速度分量，俯仰角是使用Y轴方向的重力加速度和Z轴方向的重力加速度分量来分别进行计算等那样，由于是根据输出的精度来决定倾侧角、俯仰角的运算所需要的轴方向，而不用对运算倾斜角的轴进行固定，所以就能够运算精度更高的倾斜角。

【实施例2】

如图2所示那样，实施例2的本申请的倾斜角运算装置200具有：传感器部210、运算部220和输出部230。倾斜角运算装置200被搭载于求解倾斜角的被搭载物上(未图示)。在这里，由于被搭载物与实施例1相同，所以省略详细的说明。

传感器部220具有：检测加速度的三轴加速度传感器211；输出三轴加速度传感器211检测出的X轴方向的加速度的第1输出部212；输出三轴加速度传感器211检测出的Y轴方向的加速度的第2输出部213；以及输出三轴加速度传感器211检测出的Z轴方向的加速度的第3输出部214。由于传感器部220是与本申请实施例1的传感器部110相同的构成，所以在这里省略详细的说明。

运算部220具有：第1输入部221、第2输入部222、第3输入部223、比较部224和倾斜角运算部225。关于第1输入部221、第2输入部222、第3输入部223，由于是与本申请实施例1的第1输入部121、第2输入部122、第3输入部123相同的构成，所以在这里省略详细的说明。

比较部224接受来自第1输入部221、第2输入部222以及第3输入部223的信号，对X轴方向的重力加速度分量的绝对值、Y轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值进行比较，并选择一个具有各自的绝对值之中的最大值的轴。倾斜角运算部225利用比较部224所选择的轴的重力加速度分量的绝对值和其它的一个轴的重力加速度的绝对值来运算第一倾斜角，并利用比较部224所选择的轴的重力加速度分量的绝对值和其它的另一个轴的重力加速度的绝对值来运算第二倾斜角。例如在X轴方向的重力加速度分量的绝对值为最大的情况下，在比较部224中选择X轴，并利用X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Y轴方向的重力加速度分量的绝对值、以及X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值来运算各自的倾斜角。

这里，在X轴方向的重力加速度的绝对值为最大的情况下，倾侧角R使用X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过R＝ATAN(|AZ|/|AX|)来进行计算。俯仰角P使用X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Y轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过P＝ATAN(|AY|/|AX|)来进行计算。

在Y轴方向的重力加速度的绝对值为最大的情况下，倾侧角R使用X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Y轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过R＝ATAN(|AX|/|AY|)来进行计算。俯仰角P使用Y轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过P＝ATAN(|AZ|/|AY|)来进行计算。

在Z轴方向的重力加速度的绝对值为最大的情况下，倾侧角R使用X轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过R＝ATAN(|AX|/|AZ|)来进行计算。俯仰角P使用Y轴方向的重力加速度分量的绝对值和Z轴方向的重力加速度分量的绝对值，并利用ATAN函数通过P＝ATAN(|AY|/|AZ|)来进行计算。

此外，与实施例1的本申请发明相同，不言而喻例如在两轴具有相同值且最大值的情况或者三轴均为相同值的情况下，适宜选择任意一个即可。进而，在本申请发明的倾斜角运算装置中最好是以加速度传感器的倾斜角与被搭载物的倾斜角相一致的方式进行搭载，在加速度传感器的倾斜角与被搭载物的倾斜角不一致的情况下，最好是将其差分加在经过运算后的加速度传感器的倾斜角上来进行输出。

这样经过运算后的被搭载物的倾斜角就从输出部230被输出。在这里，输出部230既可以为多个，也可以依照被运算的倾斜角的数量来进行设置。

这样一来，根据实施例2的本申请发明的倾斜角运算装置以及倾斜角运算方法，就能够具有与实施例1相同的效果，同时与实施例1相比还能够减少倾斜角的运算次数，由此就能够高速地进行运算处理。

Claims (9)

1.一种倾斜角运算装置，其特征在于包括：

具有三轴加速度传感器的传感器部，该三轴加速度传感器将加速度分解成第一轴的分量、与该第一轴正交的第二轴的分量、以及与由该第一轴和该第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测；以及

运算部，该运算部对上述加速度在上述第一轴方向上所分解的第一轴分量的绝对值、该加速度在上述第二轴方向上所分解的第二轴分量的绝对值、和该加速度在上述第三轴方向上所分解的第三轴分量的绝对值进行比较，利用具有该加速度的分量的绝对值之中、最大的绝对值的轴上所赋予的该加速度分量和其以外的一个轴上所赋予的该加速度分量来计算第一倾斜角，并利用该具有最大的该加速度的分量的绝对值的轴上所赋予的该加速度分量和其以外的另一个轴上所赋予的该加速度分量来计算第二倾斜角。

2.按照权利要求1所述的倾斜角运算装置，其特征在于：

上述加速度是重力加速度。

3.按照权利要求1或2所述的倾斜角运算装置，其特征在于：

上述运算部计算被搭载了上述倾斜角运算装置的被搭载物的上述第一倾斜角以及上述第二倾斜角。

4.一种被搭载在被搭载物上的倾斜角运算装置，其特征在于，该倾斜角运算装置包括：

具有三轴加速度传感器的传感器部，该三轴加速度传感器在xyz空间内将上述被搭载物所受的重力加速度分解成第一轴的分量、与该第一轴正交的第二轴的分量、以及与由该第一轴和该第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测；以及

运算部，该运算部对上述加速度在上述第一轴方向上所分解的第一轴分量的绝对值、该加速度在上述第二轴方向上所分解的第二轴分量的绝对值、和该加速度在上述第三轴方向上所分解的第三轴分量的绝对值进行比较，利用具有该加速度的分量的绝对值之中、最大的绝对值的轴上所赋予的该加速度分量和其以外的一个轴上所赋予的该加速度分量来计算上述被搭载物的第一倾斜角，并利用该具有最大的该加速度的分量的绝对值的轴上所赋予的该加速度分量和其以外的另一个轴上所赋予的该加速度分量来计算该被搭载物的第二倾斜角。

5.按照权利要求3或4所述的倾斜角运算装置，其特征在于：

上述第一倾斜角是上述被搭载物的倾侧角，上述第二倾斜角是该被搭载物的俯仰角。

6.一种运算xyz空间内的被搭载物的倾斜的倾斜角运算方法，其特征在于，该倾斜角运算方法包括：

第一步骤，从将上述被搭载物的重力加速度分解成第一轴的分量、与该第一轴正交的第二轴的分量、以及与由该第一轴和该第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测的该被搭载物上所搭载的三轴加速度传感器，输出该重力加速度在该第一轴方向上所分解的第一轴分量、该重力加速度在该第二轴方向上所分解的第二轴分量、以及该重力加速度在该第三轴方向上所分解的第三轴分量；

第二步骤，利用上述第一轴分量的绝对值和上述第二轴分量的绝对值来运算第一倾斜角，并利用该第二轴分量的绝对值和上述第三轴分量的绝对值来运算第二倾斜角；以及

第三步骤，在与上述第一轴分量的绝对值相比上述第二轴分量的绝对值一方较小的情况下，利用该第一轴分量的绝对值和上述第三轴分量的绝对值来再次运算上述第一倾斜角，在与该第二轴分量的绝对值相比该第三轴分量的绝对值一方较小的情况下，利用该第一轴分量的绝对值和该第三轴分量的绝对值来再次运算上述第二倾斜角。

7.一种倾斜角运算方法，其特征在于包括：

第一步骤，从将重力加速度分解成第一轴的分量、与该第一轴正交的第二轴的分量、以及与由该第一轴和该第二轴组成的第一面正交的第三轴的分量来进行检测的三轴加速度传感器，输出该重力加速度在该第一轴方向上所分解的第一轴分量、该重力加速度在该第二轴方向上所分解的第二轴分量、以及该重力加速度在该第三轴方向上所分解的第三轴分量；

第二步骤，对上述第一轴分量的绝对值、上述第二轴分量的绝对值、和上述第三轴分量的绝对值分别进行比较，并选择具有最大的绝对值的轴；以及

第三步骤，利用具有上述最大的绝对值的轴和其以外的一个轴上所赋予的上述重力加速度的分量来运算第一倾斜角，并利用该具有最大的绝对值的轴和其以外的另一个轴上所赋予的该重力加速度的分量来运算第二倾斜角。

8.按照权利要求7所述的倾斜角运算方法，其特征在于：

上述第三步骤计算被搭载了上述加速度传感器的被搭载物的上述第一倾斜角以及上述第二倾斜角。

9.按照权利要求6或8所述的倾斜角运算方法，其特征在于：

上述第一倾斜角是上述被搭载物的倾侧角，上述第二倾斜角是该被搭载物的俯仰角。

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