CN101881617A - 陀螺仪空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺仪空间定位方法，在利用陀螺仪的相对位置定位的基础上，通过引入磁传感器获得俯仰角和平面指向角，其中俯仰角也可以通过加速度传感器获得，补偿陀螺仪相对位移偏差引起的实际指向偏差，从而进行绝对位置定位，提高定位系统的指向性。

Description

陀螺仪空间定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术，特别涉及一种陀螺仪空间定位方法。

背景技术

目前，随着MEMS(微机电系统)技术在消费类电子产品中广泛的应用，涌现出许多新生电子产物，比如空中鼠标、模仿人体动作的游戏手柄等。陀螺仪与加速度传感器的结合，使得类似空中鼠标等产品成为现实。

现有的陀螺仪空间定位方法是采用陀螺仪定位方式，陀螺仪定位方式是基于角速度检测的原理而设计，通过一系列的运算，得到的定位位置是相对于上次定位的一个相对值。现有的陀螺仪空间定位方法虽然已经使得空中指向定位成为可能，但由于得到的定位位置只是相对于上次定位的一个相对值，指向性存在一定的偏差，当长时间偏差得不到补偿时，偏差就会在一定程度上进行累加，以至于操作的体验越来越差，在某些特定场合，它还不能完全满足需要。如图1所示，现有的陀螺仪空间定位方法，实际的定位点2同期望定位点存在有偏差。

比如，教学用的空中鼠标中，当教师需要指出屏幕上显示的教案的一部分，有可能鼠标的光标已经移到了待指定对象，而手的指向并没有指向该对象，而当手指向该对象后，光标又指向了其他的地方；又如，在射击游戏中，经常会觉得手的指向和射击的对象不一致，从而使用户的体验变差，常常需要有一个重新定位的处理(比如：通过按键触发定位等)。虽然通过在屏幕前放置一定的光源，通过用户手中设备上的摄像头拍摄前方的光点实现定位，这种方法实现的指向性好了许多，但设计复杂，系统需要几个部分组成，同时还要保证屏幕前光源的位置和角度，而且容易受到外界光源的影响，并且很难通过一般的手段进行滤除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种陀螺仪空间定位方法，能够实现定位同指向的一致。

为解决上述技术问题，本发明的种陀螺仪空间定位方法，运动控制器件中固定有陀螺仪，其特征在于，运动控制器件中还固定有三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器，包括以下步骤；

一.定位系统初始化；

二.初始化完成后，采集陀螺仪原始数据；

三.进行定位算法，根据陀螺仪原始数据及上一定位点位置数据计算出运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移；

四.采集获取三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器的数据；

五.利用三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器的组合得到的数据，计算出目前运动控制器件的俯仰角和平面指向角，获得运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量；

六.根据计算获得的相对位移误差补偿量，补偿步骤三得到的运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移，获得运动控制器件当前定位点绝对位置数据。

本发明的陀螺仪空间定位方法，还保存步骤五获得的运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量，同以前保存的相对位移误差补偿量组成一相对位移误差补偿量曲线表，根据位移误差补偿量曲线表的相对位移误差补偿量变化规律，确定误差补偿量变化的趋势，计算产生出定位相对误差，作为对下次获得的陀螺仪原始数据进行数据修正的相对位移前端补偿数据，在对下次采集的陀螺仪原始数据进行定位算法之前，先对下次采集的陀螺仪原始数据进行数据修正，提前补偿相对位移误差，然后再根据进行数据修正后的陀螺仪原始数据及上一定位点位置数据进行定位算法。

本发明的陀螺仪空间定位方法，在利用陀螺仪的相对位置定位的基础上，通过引入磁传感器获得俯仰角和平面指向角(其中，俯仰角也可以通过加速度传感器获得)补偿由陀螺仪相对位移偏差引起的实际指向偏差，从而进行绝对位置定位，提高定位系统的指向性。还进一步通过一段时间的相对位移误差补偿量的变化，分析出位移误差补偿量变化的趋势，计算产生出定位相对误差，作为对下次采集的陀螺仪原始数据进行数据修正的相对位移前端补偿数据，对下次采集的陀螺仪数据进行数据修正，提前补偿陀螺仪的相对位移定位与三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)绝对定位之间产生的差异(相对位移误差)，这样可以使相对定位的结果与绝对定位结果之间的偏差减小，这样在进行下次三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)指向性补偿时，不会造成较大的跃变。

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是现有的陀螺仪空间定位方法指向性存在一定的偏差示意图；

图2是本发明的陀螺仪空间定位方法一实施方式流程图；

图3是本发明的陀螺仪空间定位方法一实施方式磁传感器俯仰角和平面指向角补偿区域示意图；

图4是本发明的陀螺仪空间定位方法一实施方式引入磁传感器进行俯仰角和平面指向角补偿示意图；

图5是三轴磁传感器坐标方向图。

具体实施方式

三轴磁传感器坐标方向如图5所示，它的方向参考是地磁场，固定在运动控制器件中的三轴磁传感器，当运动控制器件的指向发生变化时，它都会相对于地磁场有一定的变化。如图5所示，三轴磁传感器分别指向相互垂直的角度(如图中所示的磁传感器X轴、磁传感器Y轴、磁传感器Z轴)。实际地磁场的指向为图中标示的“实际地磁场北极方向”。当运动控制器件指向任何方向时，地磁场产生的作用会分配在磁传感器的三轴上，他们之间的关系如下：

$\sqrt{{\mathrm{axisX}}^2+{\mathrm{axisY}}^2+{\mathrm{axisZ}}^2}=\mathrm{Cgnd}$

标注：

axisX：地磁场向量在传感器X轴上的分量；

axisY：地磁场向量在传感器Y轴上的分量；

axisZ：地磁场向量在传感器Z轴上的分量；

Cgnd：地磁场向量目前作用于运动控制器件的磁场强度。

axisX、axisY、axisZ是目前地磁传感器三轴采集的磁场强度值，进行必要的数据处理后，可以计算出平面指向角α和俯仰角δ：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{\mathrm{axisY}}{\mathrm{axisX}}$

$\mathrm{\δ}=\arctan \frac{\mathrm{axisZ}}{\sqrt{{\mathrm{axisX}}^2+{\mathrm{axisY}}^2}}$

加速度传感器可以为陀螺仪在垂直方向定位提供补偿的基础是重力加速度的存在，并且重力加速度方向在某一固定位置时固定的。根据重力加速度在多轴加速度传感器上的分量，计算出此时设备的俯仰角。

本发明的陀螺仪空间定位方法一实施方式如图2所示，包括以下步骤：

1.运动控制器件中固定有陀螺仪、三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)，定位系统初始化；

2.初始化完成后，采集用于运动控制器件定位的两轴陀螺仪(或三轴陀螺仪)原始数据；进行陀螺仪原始数据的稳定性处理，主要包含有滤波处理、多轴之间去交叉干扰处理、温度补偿处理等；

3.进行定位算法，根据陀螺仪原始数据及上一定位点位置数据计算出运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移；

4.采集获取三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)的数据，对这些数据作数据稳定性处理；

5.利用三轴磁传感器或两轴磁传感器与加速度传感器的组合得到的数据，计算目前运动控制器件的俯仰角和平面指向角，获得运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量；

6.根据计算获得的相对位移误差补偿量，补偿步骤三得到的运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移，获得运动控制器件当前定位点绝对位置数据。

三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)俯仰角和平面指向角补偿区域如图3所示；引入三轴磁传感器(或二轴磁传感器和加速度传感器)进行俯仰角和平面指向角补偿后定位如图4所示，定位同指向一致。

本发明的陀螺仪空间定位方法，在利用陀螺仪的相对位置定位的基础上，通过引入磁传感器获得俯仰角和平面指向角(其中，俯仰角也可以通过加速度传感器获得)，补偿由陀螺仪相对位移偏差引起的实际指向偏差，从而进行绝对位置定位，提高定位系统的指向性。

但绝对位置定位与相对位置定位在一定程度上存在某些矛盾，比如，当陀螺仪的相对位移定位与三轴磁场传感器(或二轴磁场传感器与加速度传感器)绝对定位之间产生较大的差异时，如果这时引入三轴磁场传感器(或二轴磁场传感器和加速度传感器)的指向补偿，可能会造成定位点的跳跃，从而导致定位的稳定性较差。

为了提高定位的稳定性，本发明的陀螺仪空间定位方法，还进一步保存步骤5获得的运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量，同以前保存的相对位移误差补偿量组成一相对位移误差补偿量曲线表，根据位移误差补偿量曲线表的相对位移误差补偿量变化规律，确定误差补偿量变化的趋势，计算产生出定位相对误差，作为对下次获得的陀螺仪原始数据进行数据修正的相对位移前端补偿数据，在对下次采集的陀螺仪原始数据进行定位算法之前，先对下次采集的陀螺仪数据进行数据修正，提前补偿相对位移误差，然后再进行定位算法。

本发明的陀螺仪空间定位方法进一步通过一段时间的相对位移误差补偿量的变化，分析出位移误差补偿量变化的趋势，计算产生出定位相对误差，作为对下次采集的陀螺仪原始数据进行数据修正的相对位移前端补偿数据，对下次采集的陀螺仪数据进行数据修正，提前补偿陀螺仪的相对位移定位与磁场传感器(或加速度传感器)绝对定位之间产生的差异(相对位移误差)，这样可以使得步骤3进行定位算法计算出的相对定位的结果与步骤6获得的绝对定位结果之间的偏差减小，这样在进行下次磁传感器(或加速度传感器)指向性补偿时，不会造成较大的跃变。

Claims (3)

1.一种陀螺仪空间定位方法，运动控制器件中固定有陀螺仪，其特征在于，运动控制器件中还固定有三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器，包括以下步骤；

一.定位系统初始化；

二.初始化完成后，采集陀螺仪原始数据；

三.进行定位算法，根据陀螺仪原始数据及上一定位点位置数据计算出运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移；

四.采集获取三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器的数据；

五.利用三轴磁传感器，或二轴磁传感器和加速度传感器的组合得到的数据，计算出目前运动控制器件的俯仰角和平面指向角，获得运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量；

六.根据计算获得的相对位移误差补偿量，补偿步骤三得到的运动控制器件目前定位点相对于上一定位点的相对位移，获得运动控制器件当前定位点绝对位置数据。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪空间定位方法，其特征在于，保存步骤五获得的运动控制器件当前定位点绝对位置的相对位移误差补偿量，同以前保存的相对位移误差补偿量组成一相对位移误差补偿量曲线表，根据位移误差补偿量曲线表的相对位移误差补偿量变化规律，确定误差补偿量变化的趋势，计算产生出定位相对误差，作为对下次获得的陀螺仪原始数据进行数据修正的相对位移前端补偿数据，在对下次采集的陀螺仪原始数据进行定位算法之前，先对下次采集的陀螺仪原始数据进行数据修正，提前补偿相对位移误差，然后再根据进行数据修正后的陀螺仪原始数据及上一定位点位置数据进行定位算法。

3.根据权利要求1所述的陀螺仪空间定位方法，其特征在于，对采集的陀螺仪原始数据、磁传感器或加速度传感器的数据进行稳定性处理。

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