CN101619978A - 基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，在运动件上同时固定有陀螺仪和加速度传感器，利用1G重力加速度对运动件自态坐标的动态校准，从而实现运动件在自身状态不定的情况下，根据陀螺仪角加速度信号准确地输出运动件定位信号。采用该方法对运动件定位准确稳定。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术，特别涉及基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法。
背景技术
陀螺仪技术经历了相当一段时间的发展，经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，依靠自身的性能可以捕获自身的姿态。它最早是用于航海导航，后来在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪基本原理是运用物体高速旋转时，强大的角动量使旋转轴一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。当运动方向与转轴指向不一致时，会产生相应的偏角，再根据偏角与运动的关系，得到目前运动件的运动轨迹和位置，从而实现定位的功能。
加速度传感器技术是惯性与力的检测综合体，目前在汽车电子和消费电子领域有较多的应用。加速度传感器通过实时采集运动件加速度信号，通过二阶积分的方式得到运动的轨迹实现定位。另外，在器件处于相对稳定的状态下，通过分析传感器件自身重力加速度，得到目前器件的自身姿态。
随着现代生活水平的日益提高和MEMS(微机电系统)技术的发展，陀螺仪技术应用开始进入人们的日常生活当中。
目前游戏中定位的方式主要有以下几种：鼠标定位(含机械式、光电和激光等)，CMOS影像感测器通过拍摄光点定位等等。由于自身的局限性，限制了他们在一定场合的应用，比如，鼠标必须在一个平面上移动，CMOS影像感测器定位成本较高，并且对外界的条件(杂光等)要求较高。
然而，对于运动件定位而言，陀螺仪技术及加速度传感器技术都存在运动体自态与运动状态很难完全体现的不足。运动件在自态不断变化的情况下，单独利用陀螺仪或加速度传感器进行定位存在真实性和稳定性问题。比如，如果仅仅有三轴的陀螺仪，在运动件的姿态保持不变的情况下，定位是正常的。但当自身姿态发生变化后，由于陀螺仪无法检测到自身姿态的变化，造成分析得到的器件运动方向和实际方向完全不同的现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于陀螺仪和加速度传感器的空间定位方法，采用该方法对运动件定位准确稳定。
为解决上述技术问题，本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的空间定位方法采用的技术方案，包括以下步骤：
(1).在运动件上固定有陀螺仪和加速度传感器；
(2).陀螺仪采集各轴对应的角加速度信号，加速度传感器采集各轴对应的线性加速度信号及1G重力加速度信号；
(3).根据加速度传感器采集的各轴线性加速度信号及1G重力加速度信号，确定目前运动件的状态；
(4).如果目前运动件处于稳定态，根据线性加速度各轴上的数据大小，求得目前处于稳定态的运动件1G重力引起的重力加速度方向，从而确定目前运动件的自态；如果目前运动件处于非稳定态，进行步骤(6)；
(5).根据步骤(4)求得的运动件自态，校准陀螺仪的角加速度信号坐标，使运动件的运动方向与陀螺仪的角加速度信号坐标相对应；
(6).在校准后的陀螺仪的角加速度信号坐标的基础上，对陀螺仪采集的角加速度信号处理，得到运动件的即时定位。
步骤(3)确定目前运动件的状态的方法可以是，当各轴线性加速度合成值同1G重力加速度的差值在设定的范围内时，确定目前运动件的状态处于稳定态，否则处于非稳定态。
步骤(5)可以通过陀螺仪坐标与重力加速度坐标恒定的保持一定的关系，得到目前运动件的运动方向在目前陀螺仪坐标中的偏移，从而根据该偏移校准陀螺仪角加速度信号坐标。
本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，在运动件上同时固定有陀螺仪和加速度传感器，利用1G重力加速度对运动件自态坐标的动态校准，从而实现运动件在自身状态不定的情况下，根据陀螺仪角加速度信号准确地输出运动件定位信号。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法一实施方式流程图；
图2是一实施本发明的方法的空间定位系统结构框图；
图3是本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法定位过程示意图；
图4是运动件自态同陀螺仪角加速度信号坐标一致时对应的运动关系示意图；
图5是运动件自态同陀螺仪角加速度信号坐标不一致时对应的运动关系示意图。
具体实施方式
本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的空间定位方法，实施方式如图1所示，包括以下步骤：
(1).在运动件上固定有陀螺仪和加速度传感器，
(2).陀螺仪采集各轴对应的角加速度信号，加速度传感器采集各轴对应的线性加速度信号及1G重力加速度信号；
(3).对采集的角加速度信号、线性加速度信号及1G重力加速度信号进行信号滤波以及信号稳定性处理；
(4).根据加速度传感器采集的各轴线性加速度信号及1G重力加速度信号，确定目前运动件的状态。根据加速度传感器采集的线性加速度信号，确定目前运动件的状态，当各轴线性加速度合成值同1G重力加速度的差值在设定的范围内时(包括差值为零时)，确定目前运动件的状态处于稳定态，否则处于非稳定态。
(5).如果目前运动件处于定义的稳定态，根据线性加速度各轴上的数据大小，求得目前处于稳定态的运动件1G重力引起的重力加速度方向，从而确定目前运动件的自态；目前运动件处于非稳定态，则进行步骤(7)，在最近校准的陀螺仪角加速度信号坐标的基础上，对陀螺仪角加速度信号进行处理，得到目前运动件的定位；
(6).根据以上求得的运动件自态，校准陀螺仪采集的角加速度信号输出坐标，使运动件的运动方向与陀螺仪的角加速度信号坐标相对应；陀螺仪坐标与重力加速度坐标恒定的保持一定的关系(比如，在图3中，两坐标相同)，从而可得到目前运动件的运动方向在目前陀螺仪坐标中的偏移，从而可根据该偏移校准陀螺仪的信号坐标，达到运动件实际运动和根据陀螺仪角加速度信号确定的运动件定位信号输出之间的同步。
(7).在校准后的陀螺仪角加速度信号坐标的基础上，考虑到目前设备的自态量(是指稳定状态下对应设备自身的姿态，比如运动件是横着还是竖着等)，通过对陀螺仪输出的信号积分、分段稳定、圆点自校准以及增益补偿等处理，得到目前运动件的定位。
作为一实施例如图2所示，在一游戏手柄上固定有一个MEMS陀螺仪、一个MEMS加速度传感器和一微控制器。陀螺仪和加速度传感器可以产生模拟或数字信号，当产生的是模拟信号时，我们需要在信号进入微处理器进行模拟/数字信号转换。对于能够实现数字信号输出的传感器件，通过串并口直接将相关信号输送到微控制器或PC机进行算法处理，得到运动件定位输出。
下面以固定有一个3轴陀螺仪和一个3轴加速度传感器的运动件为例，详细说明实现空间定位的具体过程。
如图3所示，加速度传感器在感应运动件运动产生的加速度的同时，也可以检测到由重力引起的1G重力加速度信号，该信号与运动件运动产生的加速度信号一起作为采集的信号输入。在稳态或接近稳态的情况下，三轴采集的加速度合成值在与1G的重力加速度不断靠近。在设定的范围内，我们可以将该状态当成是运动件的稳定态，这时我们可以计算出重力加速度在目前加速度传感器坐标内的方向以及稳定态情况下对应的重力加速度和陀螺仪零点位置，通过稳定态下的重力加速度在加速度坐标下的投影，获得运动件与初始状态姿态的差异，之后调整陀螺仪的输出坐标和零点位置。
在稳态情况下可得到的1G重力加速度与加速度传感器坐标的关系，而陀螺仪坐标与重力加速度坐标恒定的保持一定的关系(比如，在图3中，两坐标相同)，从而可得到目前运动件的运动方向在目前陀螺仪坐标中的偏移，从而可根据该偏移校准陀螺仪的信号坐标，达到运动件实际运动和根据陀螺仪角加速度信号确定的运动件定位信号输出之间的同步。
坐标转换过程参考图4、图5。正常情况下，如果运动件的自态与陀螺仪的角加速度信号坐标一致的情况下，我们可以通过陀螺仪的算法获得目前运动件的运动方向和大小，如图4中的实线坐标所示。当运动件的自态与陀螺仪角加速度信号坐标不一致时，如果还按照前述算法得到运动件的运动方向，显然该运动方向与运动件实际的运动方向不一致，如图5中的实线坐标所示。通过坐标转换，得到图5中虚线坐标，这时，对应的输出运动方向与运动件实际方向一致。所以，在坐标校准的前提下，能达到运动件实际运动和根据陀螺仪角加速度信号确定的运动件空间定位信号输出之间的同步，运动件的自态不会影响运动件实际运动状态和根据陀螺仪角加速度信号确定的运动件定位信号输出之间的关系。
本发明的基于陀螺仪和加速度传感器的空间定位方法，在运动件上同时固定有陀螺仪和加速度传感器，利用1G重力加速度对运动件自态坐标的动态校准，从而实现运动件在自身状态不定的情况下，根据陀螺仪角加速度信号准确地输出运动件定位信号。本发明可以应用在游戏产品中，如可用于确定游戏手柄的空间位置或其它用于控制游戏的运动件的空间位置，从而可根据游戏手柄等控制游戏的运动件的移动来控制游戏光标定位、游戏人物空间定位等。
Claims (6)
1、一种基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).在运动件上固定有陀螺仪和加速度传感器；
(2).陀螺仪采集各轴对应的角加速度信号，加速度传感器采集各轴对应的线性加速度信号及1G重力加速度信号；
(3).根据加速度传感器采集的各轴线性加速度信号及1G重力加速度信号，确定目前运动件的状态；
(4).如果目前运动件处于稳定态，根据线性加速度各轴上的数据大小，求得目前处于稳定态的运动件1G重力引起的重力加速度方向，从而确定目前运动件的自态；如果目前运动件处于非稳定态，进行步骤(6)；
(5).根据步骤(4)求得的运动件自态，校准陀螺仪的角加速度信号坐标，使运动件的运动方向与陀螺仪的角加速度信号坐标相对应；
(6).在校准后的陀螺仪的角加速度信号坐标的基础上，对陀螺仪采集的角加速度信号处理，得到运动件的即时定位。
2、根据权利要求1所述的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，步骤(3)确定目前运动件的状态的方法是，当各轴线性加速度合成值同1G重力加速度的差值在设定的范围内时，确定目前运动件的状态处于稳定态，否则处于非稳定态。
3、根据权利要求1所述的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，步骤(5)通过陀螺仪坐标与重力加速度坐标恒定的保持一定的关系，得到目前运动件的运动方向在目前陀螺仪坐标中的偏移，从而根据该偏移校准陀螺仪角加速度信号坐标。
4、根据权利要求4所述的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，陀螺仪角加速度信号坐标与重力加速度坐标恒定的保持一致。
5、根据权利要求1所述的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，对步骤(2)采集的角加速度信号、线性加速度信号及1G重力加速度信号进行信号滤波以及信号稳定性处理后再进行步骤(3)。
6、根据权利要求1所述的基于陀螺仪和加速度传感器的定位方法，其特征在于，所述陀螺仪、加速度传感器为2轴或3轴。
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