CN102016605A - 加速计和用于误差补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种加速计具有加速度传感器，其产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号。误差校正系统连接到加速度传感器以接收未校正的模拟加速度信号。所述误差校正系统包括：用于生成多个校正系数的系统控制器；模数转换器，其将未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号；滤波器，其用于对未校正的数字加速度信号滤波；误差补偿电路，其接收校正系数以补偿未校正的数字加速度信号；以及数模转换器，其将校正后的数字加速度信号转换为校正后的模拟加速度信号。误差补偿电路校正偏移的偏置、横轴对准误差、缩放比例误差和热偏置。系统控制器将多个校准测量布置为矩阵并求该矩阵的逆以计算校正系数。

Description

加速计和用于误差补偿的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2008年5月8日提交的美国专利申请12/117,538的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及加速计，并且更具体地，涉及用于3轴加速计的改进的方法和设备。

背景技术

许多飞行器要求具有飞行器上的飞行记录器，例如飞行数据记录器(FDR)、驾驶舱话音记录器(CVR)和视频记录器。人们熟知的是用于空难或意外事故分析的黑匣子，这些单元还用于研究空气安全问题、材料老化、不安全飞行过程和喷气发动机性能。

在许多航线意外事故中或其他飞行器意外事故中，这些飞行记录器的坠毁可保全存储器单元(CSMU)是以可用形式保留下来的唯一系统。飞行数据记录器使用CSMU记录具体的飞行器性能参数，例如空速、高度、垂直加速度、时间、磁艏向、操纵杆位置、方向舵脚蹬位置、操纵轮位置、水平稳定器和燃料流量。为了记录这些参数，与每个参数相关联的物理条件必须首先被感测。作为飞行记录器系统一部分的多个感测器中的一个是加速计，或者更具体地，是可以在三个正交轴中感测加速度的3轴加速计，所述三个正交轴为：垂直轴(与重力矢量平行)、横轴和纵轴。

在飞行记录器系统中使用的已知加速计的一个示例包括加速度感测器，其具有悬浮在流体中的摆锤重量以及相关联的电子器件和磁性器件。这些装置在其机械细节上相当复杂，并且因此制造起来相当昂贵，并且因为这些装置包括流体，所以其不是真正的固态并且因此具有关于可靠性的问题。

已知的是固态加速度微机电系统(MEMS)感测器，其包括在公用的硅基底上通过微细加工技术集成的机械元件和电子器件。虽然所述电子器件通常使用例如CMOS、双极或BICMOS工艺等集成电路(IC)工艺步骤加工，但微机械组件则使用兼容的微细机械加工(micromachining)工艺或例如电镀等其他工艺加工，所述电镀工艺选择性地蚀刻掉部分硅晶片或添加新的结构层以形成机械和机电装置。

这种装置在美国专利No.6000287中进行了说明并且通常包括感测元件芯片、接口电子芯片、空白基底、陶瓷芯片载体和围绕所述感测元件芯片、接口电子器件和基底的外罩。这些加速度感测器使用电容桥以感测因加速度引起的电容变化。除了比流体中的摆锤重量型加速度感测器更可靠外，这种电容性方法在与压阻加速度感测器相比时也能提供一些益处。这种气态电介质电容器对温度相当不敏感。许多具有低热膨胀系数的材料可以产生比掺杂硅的热电阻系数小大约2个数量级的热电容系数。因此，与压阻感测相比，电容感测具有对于给定误差提供更宽的操作温度范围而不需补偿的潜力。同样，与要求一些最小频率的动态输入以生成响应的压电型加速计相比，一些电容性感测装置允许对DC加速度以及动态振动做出响应，这允许电容性加速计被潜在地用于更广泛的应用范围。

MEMS加速度感测器具有其自身的一些挑战。例如，在感测元件芯片和空白基底之间、空白基底和陶瓷芯片载体之间、陶瓷芯片载体和其所安装的电路板之间以及电路板和板安装件之间会具有对准误差。对于三轴加速计，具有在三个轴(垂直轴、横轴、纵轴)的每个轴中感测加速度的加速度感测器，这些未对准可以影响读取的准确度。例如，严格垂直的加速度应仅由垂直加速度感测器表示；然而，加速计的未对准可以使其他加速度感测器感测横向加速度以及纵向加速度，该横向加速度和纵向加速度的量值取决于在相应轴中的未对准的量和方向。

在加速计中还可以存在其他误差，例如温度影响和电子器件偏置。这些误差不限于MEMS加速度感测器而是可以在一定程度上存在于其他类型的加速计中，例如压电薄膜或压电感测器/加速度传感器、悬臂梁或检测质量(还被称作地震质量)加速计、剪切模式加速计、热加速计、体微细机械加工电容性加速计、体微细机械加工压阻加速计、基于电容性弹簧质量的加速计、机电伺服加速计、零位平衡加速计、应变计-PCB压电器件加速计、共振加速计、磁感应加速计、光学加速计、表面声波(SAW)加速计和激光加速计。

本领域需要的是具有误差补偿的改进的加速计方法和设备。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种加速计，其包括加速度传感器和误差校正系统，所述加速度传感器产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号，所述误差校正系统接到加速度传感器以接收所述未校正的模拟加速度信号。所述误差校正系统包括用于生成多个校正系数的系统控制器，将所述未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号的模数转换器，接收所述校正系数以补偿所述未校正的数字加速度信号并产生校正后的数字加速度信号的误差补偿电路。

在另一个实施例中，本发明提供一种基于加速计的系统，该系统包括飞行记录器和连接到所述飞行记录器的加速度传感器。所述加速度传感器产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号。误差校正系统连接到加速度传感器以接收所述未校正的模拟加速度信号。所述误差校正系统包括用于生成多个校正系数的系统控制器，将所述未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号的模数转换器，接收所述校正系数以补偿所述未校正的数字加速度信号并产生校正后的数字加速度信号的误差补偿电路。

在另一个实施例中，本发明提供一种加速计，其包括产生未校正的加速度信号的加速度传感器以及连接到加速度传感器以接收所述未校正的加速度信号的误差校正系统。所述误差校正系统包括用于生成多个校正系数的系统控制器和接收所述校正系数以补偿所述未校正的加速度信号并产生校正后的加速度信号的误差补偿电路。

在另一个实施例中，本发明提供一种补偿加速计中的误差的方法，所述方法包括以下步骤：提供产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号的加速度传感器，生成多个校正系数，将未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号，以及以所述校正系数补偿所述未校正的数字加速度信号以产生校正后的数字加速度信号。

附图说明

图1说明了具有飞行记录器系统的飞行器，所述飞行记录器系统具有加速计；

图2是图1中的飞行记录器的透视剖开图；

图3是图2中的加速计在校准/制造环境和操作环境中的框图；

图4说明了MEMS电容性加速度感测器的进一步的细节；

图5是用在加速计中的三个正交安装的加速度传感器的透视图；

图6A-6C是加速计的框图；

图7是加速计的环境框图；

图8是加速计的整体数据流框图；

图9是加速计应用的更详细的数据流框图；

图10是加速计应用中的处理命令的更详细的数据流框图；

图11是传感器的热校准的图示；

图12是加速计应用中的处理加速计通道的更详细的数据流框图；

图13是加速计的校准和测试模式的流程图；

图14是加速计的常规操作模式的流程图；

图15是作为重力单元中的加速度的函数的理想化的加速度传感器输出的图示；

图16是说明了单个传感器轴A和理想化的X-Y-Z基准框之间的角度的矢量图；

图17是在加速度输入范围上偏离理想化的加速度传感器输出的测量后的加速度传感器输出的图示；

图18A-18B是软件的启动装载器分区的框图；以及

图19是应用软件的功能树。

具体实施方式

参考附图在下文的说明书的一个或多个实施例中描述本发明，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件。虽然本发明是根据实现本发明的最佳模式进行说明的，但本领域技术人员将意识到本发明意在覆盖可能包括在由所附权利要求及其由以下公开和附图支持的等价物限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等价物。

现在参考附图，并且更具体地参考图1，示出了一种飞行器10，其大致包括机头部分12、驾驶员座舱14、机身16、机尾部分18、机翼20和发动机22。机身16包括具有多个组件的机身骨架。飞行数据采集单元24可以定位在机头12或其他位置中以从遍及飞行器10的相应的感测器采集例如空速、高度、垂直加速度、时间、磁艏向、操纵杆位置、方向舵脚蹬位置、操纵轮位置、翼瓣位置、水平稳定器、燃料流量和起落架位置等飞行信息。飞行数据采集单元24可以连接到飞行记录器26，该飞行记录器26将在以下进行更详细的讨论。飞行记录器26可以连接到扩音器28或其他类型的声音感测器以记录例如乘务员和乘客谈话等声音数据。类似地，飞行记录器26可以连接到照相机30或其他类型的视频感测器以记录例如乘务员和乘客动作等视频数据。虽然扩音器28和照相机30被显示为定位在驾驶员座舱14中，但该扩音器28和照相机30能够可替换地定位在飞行器10的内部或外部的多个位置中，例如主客舱区域、货舱和起落架舱。

感测器及其定位的其他示例包括发动机速度感测器35、翼瓣位置感测器36、副翼位置感测器37和舵位感测器38。感测器34-38可以通过主电传操纵(fly-by-wire)数据总线40或无线信道连接到飞行数据采集单元24。虽然扩音器28和照相机30被显示为直接连接到飞行记录器26，但是其能够可替换地经由数据总线40或无线通信连接到飞行记录器26。

现在参考图2，飞行器10可以包括具有加速计34、飞行数据采集单元24和飞行记录器26的飞行记录器系统32。飞行记录器26被描述为组合的飞行数据记录器、声音记录器和视频记录器。可替换地，这些功能可以被分离为三个独立的单元，包括独立的飞行数据记录器、独立的声音记录器和独立的视频记录器。飞行记录器26可以包括例如连接器42等信息输入装置，该信息输入装置接收来自前述或其他感测器、扩音器28、照相机30、飞行数据采集单元24和数据总线40中的任意一个或多个的信息。连接器42可以连接到采集处理器板44，该采集处理器板44可以连接到音频压缩板46、视频压缩板48和飞行器接口板50。坠毁可保全存储器单元(CSMU)52经由存储器接口电缆53连接到板44、46、48、50。飞行记录器26可以进一步包括板壳体55和水下信标57或其他信标，从而在坠毁或其他灾难中帮助重获飞行记录器26。

CSMU 52包括热敏装置，其可以具有非易失性存储器单元54的形式，该非易失性存储器单元54在坠毁或其他失电事件的情况下保留存储于其中的飞行信息。非易失性存储器单元54被描述为其上具有计算机存储器芯片的存储器卡的堆栈。然而，非易失性存储器单元54可以包括其他存储器技术，例如磁性、光学以及其他存储器技术。CSMU 52被电连接到信息输入装置42。

CSMU 52可以包括至少部分围绕非易失性存储器单元54的壳体56。在一个实施例中，壳体56由例如不锈钢等外部保护性材料58和例如铝等内部保护性材料60制成。绝缘材料62可以为存储器单元54提供更多的热保护。高温绝缘材料62可以是干硅石(dry-silica)材料或其他高温绝缘材料。

加速计34以框图的形式显示在图3中。当加速计34被安装在飞行器10中时，其被连接到飞行器电源64和飞行数据采集单元24。加速计34被描述为三轴加速计。对于图3中的实施例，加速计34向飞行数据采集单元24提供垂直加速度输出66、横向加速度输出68和纵向加速度输出70，这些是由加速计34感测的各个加速度的测量。在安装在飞行器10中之前，加速计34被连接到测试和校准系统72。

测试和校准系统72可以包括用于对加速计34应用测试条件的多个校准测试固定装置74。诊断/校准计算机76可以用于控制和监视各种测试条件。测试和校准系统72协助计算各种校正系数，但是在所显示的实施例中，所述校正系数由加速计34专门计算。在将加速计34安装到飞行器10中之前，测试和校准系统72与加速计34断开。

图4和5说明了加速度感测器/传感器78的一些机械封装方面。典型的加速度感测器/传感器78可以包括电容性感测元件芯片80、接口电子芯片82、空白基底84、陶瓷芯片载体86和围绕所述感测元件芯片80、接口电子芯片82和空白基底84的外罩88。在所显示的实施例中，感测元件芯片80可以是与在专利6000287中公开的MEMS装置类似的电容性MEMS装置。

加速度感测器/传感器78可以安装在各自的电路板90、92和94上，该电路板可以包括其他接口电子芯片并且被正交地配置在安装件98上。参考图5并且使用垂直为Z轴方向、纵向为X轴方向以及横向为Y轴方向的惯例，当这样配置时，元件100具有正的垂直加速度传感器，元件102具有负的横向加速度传感器，并且元件104具有负的纵向加速度传感器。

图6A-6C给出了加速计34的更详细的框图。传感器34将三个MEMS 78与专用信号处理器(ASSP)121和校准存储器134、136、138集成。集成封装为飞行器仪器系统提供校准后的、高准确度的线性接口。对因偏置、非线性和温度漂移引起的感测器误差的全部校正由ASSP处理器121操控。加速计34接受飞行器电源(28伏)作为输入并为每个轴(垂直、横向和纵向)提供0.2-5V模拟输出。加速度传感器100、102、104分别在106、108、110处提供未校正的加速度信号。加速度传感器100、102、104还提供分别来自温度感测器的温度信号112、114、116，所述温度感测器通常是接口电子芯片82的一部分。温度信号112、114、116被提供到多路复用器118，之后被提供到ASSP处理器121的模数(A/D)转换器120和总线122。ASSP处理器可以是具有64Kb可编程闪存的8位微控制器。还可以使用许多其他类型的处理器/微控制器、ASIC、场可编程门阵列和电子逻辑/存储器装置。

未校正的加速度信号106、108、110首先由预采样的低通滤波器调整并且之后路由到各自的A/D转换器124、126、128以提供数字化的样本。这些样本被提供到各自的有限脉冲响应(FIR)滤波器125、127、129，所述有限脉冲响应(FIR)滤波器可以是与A/D转换器124、126、128结合的过采样抽取滤波器，所述样本之后被提供到ASSP处理器121的串行外围设备接口130。串行收发器132可以用于与诊断/校准计算机76通信，校正系数在诊断/校准计算机76中计算并且在ASSP处理器121、总线122和加速计34的其他元件内应用。

例如，在测试/校准阶段中计算的校正系数被存储在电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)134中，而用于计算校正系数的编程指令被存储在闪存136中，并且中间变量、程序数据和其他数据堆栈信息被存储在静态随机存取存储器(SRAM)138中。虽然计算机可读介质134、136、138被说明为EEPROM、闪存和SRAM存储器类型，但所述计算机可读介质还可以包括其他电存储器装置、磁性存储器装置和光学存储器装置。ASSP处理器121的其他一些嵌入式外围设备包括：用于上电重置和电力不足(brown-out)监视的电力管理单元140、用于频率控制的时钟发生器142、用于定时控制的三个定时器/计数器(T/C)144、用于软件错误恢复的看门狗定时器146、SPI 130和用于访问串行装置的两个有线接口(TWI)148、用于PC 76通信的通用异步接收器发射器(USARTO)150以及用于监视各个传感器100、102、104温度信号112、114、116和基准电压151的A/D转换器120。

系统接口包括在所述的ASSP处理器121以及其他软件可控装置上嵌入的外围设备接口。此外，存在与PC 76连接的用于测试和校准的外部通信接口152以及用于软件开发和编程的JTAG端口153。所述软件可控装置包括：用于生成A/D样本速率的分配器155；具有用于采样垂直、横向和纵向传感器100、102、104以及基准电压的集成FIR抽取滤波器125、127、129的三个A/D转换器124、126、128；用于生成校正后的输出信号156、158、160和相应的调整/校正后的输出信号66、68、70以及测试偏转电压162的4通道数模(D/A)转换器154，所述相应的调整/校正后的输出信号66、68、70被馈送到用于各自的垂直轴、横轴和纵轴的飞行数据采集单元24；用于PC 76通信并且构建在测试(BITE)装置164和LED状态指示器166中的串行收发器132。

ASSP处理器121操控软件控制的功能。加速计34还包括可以集成到A/D转换器124、126、128的三个FIR协处理器125、127、129，每个FIR协处理器用于一个传感器轴。FIR协处理器125、127、129提供基于传感器数据样本的抽取滤波器功能。ASSP处理器121实现以软件实现的可以具有4Hz的通带的额外的FIR低通滤波器。可通过控制A/D采样时钟、在所述装置中设置过采样率寄存器并且设置编程到ASSP处理器121中的系数表格，来选择低通滤波器的频率响应。

图7示出了与其环境交互的加速计34的顶层环境图示。加速计34被显示为在存在机械和热噪声的情况下将机械加速度变换为用于数据采集应用的电信号的3轴加速计(TAA)，所述噪声例如为由于带振动、垂直-横向-纵向加速度以及温度而产生的噪声。TAA由飞行器电源供电。通信(COMM)端口132提供仅用于测试/制造目的校准和诊断，并且其不作为飞行器安装的部件。内置测试装备(BITE)输出可用于监视系统状态。

图8使用数据流框图说明了软件/固件/硬件的控制以及数据流的实施方式。数据流(被显示为实线)用于说明信息包从系统的一部分到另一部分的移动。数据存储装置(被显示为开放的框体)用于对一些稳态数据包建模。终端表示与所述系统交互的外部实体。控制流是承载二进制信号、使控制处理能同步其他处理的管路。处理可以被分解为下层数据流框图以便显示额外的细节。处理被编号以反映其在数据流层级中的相对位置。

MEMS传感器(处理1)将其感测的机械加速度转换为AOP垂直、横向和纵向模拟信号以作为未校正的加速度信号，其相应于图6A中106、108、110处的信号。AOP模拟信号之后通过A/D转换采样(处理2)并基于SPI总线连同传感器温度信号、IT垂直信号、IT横向信号和IT纵向信号一起传递到加速度应用(处理3)。加速度应用将未校正的加速度信号与温度信号和来自校准数据存储装置的校正因数结合。所述结合产生补偿后的信号，该补偿后的信号滤除了外部机械噪声和热噪声作用并具有对与感测元件相关联的内部误差的校正。补偿后的样本基于TWI总线被提供到D/A转换处理以更新系统输出，该系统输出是表示施加到所述单元的物理加速度的电模拟信号。

所述加速度应用处理提供周期性控制信号，从而以每秒钟2048个样本的速率对每个输入进行采样并以每秒钟128个样本的速率更新每个输出。D/A转换处理应用插值法以平滑数据。

所述加速度应用具有两个基本的操作模式：维护/校准模式和常规操作模式。在维护/校准模式中，校正系数被计算并保存在校准数据存储装置中。在常规操作模式中，校正系数被连续应用以提供实时校正后的输出加速度信号156、158和160。通信(COMM)模块(处理6)通过串行通信端口接受命令以进行系统的工厂校准。在校准期间，单元34被设置基准加速度和温度，该基准加速度和温度还通过通信端口通信并被置于通信Tx、Rx缓冲器中，并且随后由加速度应用访问。所述加速度应用将基准输入与当前传感器测量的值相比较并且计算被存储并且随后被访问以在常规操作期间执行补偿的校正因数。

加速度应用访问用于诊断目的的各种数据存储装置，这在BITE状态输出以及日志文档数据存储装置上被报告。启动装载器(处理5)负责系统初始化以及由应用程序数据存储装置表示的与通信端口相关联的其他维护任务，例如更新固件。启动装载器由电源提供的重置控制流激活(处理7)。

参考图9，提供了加速度应用(处理3)数据和控制流的额外细节。SPI模块(3.8)使来自传感器的加速度数据经由SPI总线流入原样本数据存储装置。ADC模块(3.11)使来自传感器的热数据流入IT计数数据存储装置。TWI模块(3.10)接受校准样本作为校准操作模式的一部分或者接受校准后的样本作为常规模式的一部分并且经由TWI总线提供D/A输出转换器的更新。

基于来自启动装载器处理的开始信号的接收，初始化处理(3.1)访问校准数据存储装置并构建误差校正表格以及设置与ASSP处理器121相关联的各种控制寄存器。之后，控制进行到点亮绿LED(3.2)以表示已初始化ASSP处理器121。之后，控制进行到显示启动消息(3.3)以将启动消息传送到通信Tx缓冲器。之后，控制进行到校验校准状态(3.4)，其在BITE状态输出和日志文档上报告任意内部问题。之后，控制进行到包括处理命令(3.6)、处理定时器事件(3.7)和处理加速度通道(3.9)的主控回路。

处理命令操控出现在通信Rx缓冲器中的任意诊断/校准命令。对于一些校准命令，原样本和与传感器相关联的IT计数可与在所述命令中提供的基准信息唯一地结合。结合的结果可以存储在校准数据和误差校正表格中。一些校准命令可以经由TWI总线以校准样本设置输出D/A转换器以用于验证目的。其他命令可以直接访问各种内部数据结构，包括与原样本、IT计数、校准数据、误差校正表格和日志文档相关联的数据存储装置。这种数据可以被格式化并以各种实用的方式呈现并被传送到通信Tx缓冲器。基于校准模式命令的完成，控制进行到处理定时器事件(3.7)，其校验来自定时器模块(3.5)的样本更新请求同步信号。如果没有未决的样本更新请求，则控制直接返回到处理命令以便操控任意额外的校准模式命令。如果存在未决的更新请求，则控制在循环回到处理命令之前首先进行到处理加速度通道(3.9)。处理加速度通道操控常规操作模式，其将原样本和来自传感器的IT计数与误差校正表格结合以形成校准后的样本。

参考图10，提供了处理命令(3.6)数据和控制流的额外细节。在处理3.6.1获得命令行，由在通信Rx缓冲器中找到的字符组合命令缓冲器并将其传递到分析和分配命令(3.6.2)。如果SYS命令被分析，则控制进行到命令系统信息(cmd sys info)(3.6.3)。SYS命令提供对系统信息数据存储装置的通信访问，所述系统信息数据存储装置可以包含例如序列号、制造日期和校准日期等信息。如果cal 1命令被分析，则控制进行到命令校准输出DAC(数模转换器)(3.6.4)。命令校准输出DAC处理交互地校准每个输出D/A转换器。使用多个校准点，选择的数字输出代码被生成并作为校准样本。对于每个校准样本，使用作为图3中的校准测试固定装置74的一部分的外部电压仪进行相关联的测量。所述测量被传递到通信Rx缓冲器并且随后连同相应的校准样本一起存储在校准数据存储装置中。多个测量和校准样本被布置在X-Y对的表格中，形成DAC校正表格。X-Y布置使得校准后的输出电压电平被使用立方样条插值法精确地设置。立方样条插值法是对于自变量X，给定已知X-Y对的表列布置，从而确定因变量Y的值的数学技术。对于用于输出D/A校准目的的立方样条插值法，多个校准测量提供自变量X，同时多个校准点提供因变量Y。如果cal 2命令被分析，则控制进行到命令校准传感器(3.6.5)。命令校准传感器处理通过存储用于关于重力矢量的六个可行的取向或朝向中的每一个的校准数据而交互地构建偏移-缩放比例-横轴矩阵。如果cal 3命令被分析，则控制进行到命令校准线性(3.6.6)。命令校准线性处理交互地校准与传感器和支持电子器件相关联的非线性误差。使用多个校准点，形成线性校正表格。所述表格包含加速度的X-Y对。X值是由TAA系统测量的G加速度，而Y值是施加到作为校准测试固定装置74的一部分的单元34的基准加速度。X-Y布置使用前述的立方样条插值法技术来提供加速度的线性校准。如果cal 4命令被分析，则控制进行到命令校准温度(3.6.7)。命令校准温度处理交互地校准与热效应相关联的误差。所述热效应的特征在于偏置误差基于每个传感器的温度的变化。所述热偏置是高度非线性的并且要求对其效应的补偿。

所述传感器显示出滞后效应，该滞后效应基于温度变化是增大还是减小而使偏置误差偏斜。因此，基于一些热循环的偏置误差跨越操作温度范围说明了热像(thermal eye)模式。此外，使所述热像设置为可预测并且可重复的模式需要经历多个热循环。所述单元通过在多个循环上循环变化温度而被热适应。在所述热适应期间，用于每个传感器的IT计数的跨度被监视和记录。一旦所述传感器被适应，则在所述IT计数跨度上选择多个校准点。所述单元之后在针对多个循环的温度上循环。

在温度循环期间，IT计数监视各点，从而成组选择的校准点。当找到两个这样的点时，在相应原样本上执行线性插值法以便获得与校准点相关联的中间原样本。一些这样的中间值在多个循环上求平均以便在校准点处均匀地分离热像。这些点一起描绘出cal 4校准曲线，如图11所示。在不失一般性的情况下，任选cal 4曲线上的一个点作为基线。基线值被从cal 4曲线上的其他点中减去以便确定特定的IT计数的热偏置误差。IT计数和热偏置被列表到X-Y对中并且作为热校正表格的一部分。前述的立方样条插值技术可以被应用到热校正表格以计算任意IT计数的热偏移的校正系数。

如果LOG命令被分析，则控制进行到命令日志(cmd log)(3.6.8)。命令日志处理交互地访问日志文档以显示任意BITE登记。一个这样的登记的示例可以是报告所述单元处于操作极限之外的温度的登记。

参考图12，说明了处理加速度通道(3.9)数据流的额外细节。带外的机械噪声，例如在可以是4Hz的选择频率之上的振动被滤除。滤波由低通滤波器完成，该低通滤波器实现为具有加入滤波器样本(3.9.1)和处理滤波器(3.92)的FIR滤波器。使用ADC加入值(3.96)和IT计数运行和数据存储装置来平均IT计数。所述平均提供了对热数据的信噪比的改善。对于每个传感器通道，来自IT计数运行和的当前热值与滤波后的样本以及热校正表格结合。所述结合在热偏移校正(3.9.7)内执行，提供如cal 4校准中所述的对热误差的补偿。IT校准样本流入校准转换ADC至加速度(3.9.3)，其中应用在cal 2校准中确定的偏移-缩放比例-横轴矩阵。矩阵操作的结果流到线性校正(3.9.4)，该线性校正将矩阵操作的结果与在cal 3校准中确定的线性校正表格相结合。线性校准加速度样本结果流到DAC输出校正(3.9.5)，其将加速度样本转换为输出电压电平并且应用在cal 1校准中确定的DAC校正表格。

图13涉及加速计34的维护/校准模式。在维护/校准操作模式期间，命令由ASSP处理器121通信端口接收。所述命令被用于通信模块(处理6)和处理命令(3.6)。维护/校准命令使板参数能被读/写、固件更新并允许校准数据被配置在EEPROM 134中。存储的校准数据随后在常规操作中使用以应用如在处理加速度通道(3.9)中所述的校正系数。

在图13中，步骤100将加速计34连接到校准固定装置74。步骤110使加速计34上电。步骤120校准如在cal 1命令中所述的DAC154的输出。在步骤122中，执行温度测试/测量，该温度测试/测量测试当温度如在cal 4命令中所述地变化时的传感器100、102、104的输出。立方样条插值方法可以用于确定温度校正系数。步骤124将来自步骤122的校正系数装载到EEPROM 134中。在步骤130中，加速计34用于如在cal 2命令中所述的测试/测量偏移的偏置、缩放比例和横轴对准误差。以下给出偏移的偏置、缩放比例和横轴对准误差的定义。在步骤140中，如果步骤130在相应于加速计34的传感器100、102、104的1g和-1g位置的全部六个面上完成，则做出判断。步骤150将加速计34旋转到未测量的位置。在步骤160中，来自步骤130、140、150的校正系数被装载到ASSP处理器121的EEPROM 134中。在步骤170中，使用速率表格将不同的加速度力施加到加速计34，所述速率表格是以变化的速率旋转加速计34的表格，由此提供如cal 3命令中所述的变化的加速度。非线性校正系数因此被测试/测量。在步骤170中，立方样条插值方法可以用于确定非线性校正系数。步骤180将来自步骤170的校正系数装载到EEPROM 134中。

在常规操作模式中，周期定时器以预定速率生成中断。所述中断被用于数字信号处理回路，所述数字信号处理回路以每个轴各自的A/D转换器124、126、128采样传感器100、102、104加速度值和温度，应用如前面的处理加速度通道(3.9)中所述的滤波和减噪，将如在前面的步骤100-180中确定的校正系数应用到采样后的垂直、横向和纵向数据并且更新当前值并发送到D/A转换器154的输出端。

在图14中，步骤210将加速计34连接到飞行器10。步骤220使加速计34上电。步骤230基于校正表格执行校正系数的预处理并发送到SRAM 138中。在步骤240中，MEMS加速度感测器100、102、104因飞行器10的加速度而经受加速度力并且输出未校正的加速度信号。步骤250执行A/D采样并且滤波未校正的加速度信号。步骤260使用来自步骤122、124的校正系数进行热偏置校正。步骤270使用来自步骤130-160的校正系数进行矩阵运算以去除偏移的偏置、横轴对准误差和缩放比例误差。步骤280应用来自步骤170和180的非线性校正系数以去除非线性误差。步骤290调用来自步骤120的输出DAC154的校准以校正输出DAC 154误差。在步骤300中，校正后的加速度读数66、68、70被从加速计34提供到数据采集单元24。

以下是对ASSP处理器121的校准测量以及在软件/固件/硬件中实现并由处理器使用以计算与偏移的偏置、缩放比例和横轴联结相关联的误差系数的模型的说明。所述误差系数之后被布置到矩阵形式M中，M具有逆M^-1，其用于将校正作为传感器100、102、104补偿的一部分并提供校正后的输出加速度信号156、158、160。以下使用具体数值以用于说明目的。如上所述的在具体加速计上的实际测量确定以下使用的针对该具体加速计的参数。

首先，开发针对单轴加速计的理想化模型。误差系数被引入到模型中以便表示与在3轴上取向的非理想化传感器相关联的偏移的偏置、缩放比例和横轴对准误差。说明了针对单个传感器的一系列校准测量，其允许发现这些误差系数的值。在独立地确定了与每个轴相关联的3个传感器中的每个传感器的误差系数后，传感器模型使用误差系数来校正测量后的传感器值。

在以下的工作表中，符号“:＝”(冒号之后跟着等号)用于表示函数或变量的定义。符号“＝”(只有等号)用于报告函数或变量的值。以“E”开始的变量表示误差项。以“V”开始的变量与加速计的输出相关联。

为了说明目的，从-1至1的归一化加速度单元被用于输入加速度g和系统的电压输出V。期望的理想化输出Videal是无偏置的g的线性函数：

Videal(g):-1·g+0            (1)

N是在归一化的加速度输入范围上考察的数据点的数量。

N:＝100                      (2)

j:＝1..N                     (3)

$g_j:=-1+\frac{2(j-1)}{(N-1)}---\left(4\right)$

图15示出了在N个点的加速度输入范围上的Videal输出。

EXb、EYb和EZb是与X、Y和Z传感器相关联的任意偏移的偏置误差：

EXb:＝-0.07                  (5)

EYb:＝-0.15                  (6)

EZb:＝0.09                   (7)

Es是任意的缩放比例误差：

EXs:＝0.15                   (8)

EYs:＝0.22                   (9)

EZs:＝-0.15                  (10)

参考图16，Φx，Φy和Φz是单个传感器轴A和理想化的x-y-z基准框之间的角度。Ax，Ay和Az是A的分量矢量。对于z轴传感器，所述角度被表示为ZΦx，ZΦy和ZΦz。类似地，对于x轴传感器和y轴传感器，所述角度分别被表示为XΦx，XΦy，XΦz和YΦx，YΦy，YΦz。

对于z轴传感器，理想化的ZΦx和ZΦy是90度并且理想化的ZΦz是0度。传感器和机械装配内的未对准误差引起自理想化对准的偏离。EZΦx和EZΦy是z轴传感器的任意对准误差。

EZφx:＝2.5度           (11)

EYφy:＝3.5度           (12)

在EZΦx和EZΦy固定的情况下，ZΦx，ZΦy和ZΦz定义如下：

Zφx:＝90度-EZφx       (13)

Zφy:＝90度-EZφy       (14)

$\mathrm{Z\φz}:=a\cos \left({\sqrt{1-\cos {\left(\mathrm{Z\φx}\right)}^2\cos \left(\mathrm{Z\φy}\right)}}^2\right)---\left(15\right)$

Zφz:＝4.303度          (16)

对于x轴传感器，理想化的XΦy和XΦz为90度并且理想化的XΦx为0度。传感器和机械装配内的未对准误差引起自理想化对准的偏离。EXΦy和EXΦz是x轴传感器的任意对准误差。

EXφy:＝4.6度           (17)

EXφz:＝5.6度           (18)

在EXΦy和EXΦz固定的情况下，XΦx，XΦy和XΦz定义如下：

Xφy:＝90度-EXφy       (19)

Xφz:＝90度-EXφz       (20)

$\mathrm{X\φx}:=a\cos \left({\sqrt{1-\cos {\left(\mathrm{X\φy}\right)}^2\cos \left(\mathrm{X\φz}\right)}}^2\right)---\left(21\right)$

Xφx:＝7.256度          (22)

对于y轴传感器，理想化的YΦx和YΦz为90度并且理想化的YΦy为0度。传感器和机械装配内的未对准误差引起自理想化对准的偏离。EYΦx和EYΦz是y轴传感器的任意对准误差。

EYφx:＝6.7度       (23)

EYφz:＝7.7度       (24)

在EYΦx和EYΦz固定的情况下，YΦx，YΦy和YΦz定义如下：

Yφx:＝90度-EYφx   (25)

Yφz:＝90度-EYφz   (26)

$\mathrm{Y\φy}:=a\cos \left({\sqrt{1-\cos {\left(\mathrm{Y\φx}\right)}^2\cos \left(\mathrm{Y\φz}\right)}}^2\right)---\left(27\right)$

Yφy:＝10.234度     (28)

VZmeasured是系统的未校正的、非理想化的测量后的输出，其包括对于z轴传感器的偏移的偏置、缩放比例和对准误差。注意，VZmeasured是3个加速度分量的函数，基准框的每个轴针对所述3个加速度分量中的一个。类似地，VXmeasured和VYmeasured分别是x轴传感器和y轴传感器的未校正的测量后的输出。

VZmeasured(gx，gy，gz):＝

(1+EZs)·(gx·cos(Zφx)+gy·cos(Zφy)+gz·cos(Zφz))

+(0+EZb)                            (29)

VXmeasured(gx，gy，gz):＝

(1+EXs)·(gx·cos(Xφx)+gy·cos(Xφy)+gz·cos(Xφz))

+(0+EXb)                            (30)

VYmeasured(gx，gy，gz):＝

(1+EZs)·(gx·cos(Yφx)+gy·cos(Yφy)+gz·cos(Yφz))

+(0+EYb)                            (31)

如图17所示，Vmeasured在加速度输入范围上偏离期望的Videal。

以下示出了确定偏移的偏置、缩放比例和对准误差系数所需的校准测量和计算。以下说明仅针对z轴传感器的校准过程，但相同的技术能够以类似的方式应用以发现针对x轴传感器和y轴传感器的误差项。

偏移的偏置EZb可以通过沿主轴应用1g和-1g加速度进行的两个测量而被确定。VZcal1是具有应用于主轴的1g加速度的测量后的校准读数。在实际的系统中，这是测量后的传感器读数。测量后的校准结果以上述开发的VZmeasure模型仿真。

VZcal1:＝VZmeasured(0，0，1)    (32)

VZcal1:＝0.938                  (33)

VZcal2是具有应用于主轴的-1g加速度的测量后的校准读数，其通过倒转所述单元而实现。

VZcal2:＝VZmeasured(0，0，-1)   (34)

VZcal2:＝0.758                  (35)

VZcal1和VZcal2的结果被如下所示地结合以确定偏移的偏置误差。

$\frac{\mathrm{VZcal}1+\mathrm{Vzcal}2}{2}=0.09---\left(36\right)$

注意，计算结果给出了之前定义的EZb的期望值并再次显示如下：

EZb＝0.09                       (37)

对于现在已知的EZb，现在可以通过对两个短轴中的每一个应用1g加速度而确定缩放比例误差EZ。VZcal3和VZcal4是具有分别应用到x短轴和y短轴的1g加速度的测量后的传感器读数，即所述单元在其侧。

VZcal3:＝VZmeasured(1，0，0)    (38)

VZcal3:＝0.127                  (39)

VZcal4:＝VZmeasured(0，1，0)    (40)

VZcal4:＝0.142                  (41)

VZmag是在对全部三个轴的分量1g测量求和后产生的加速度矢量的量值，所述三个轴为主轴和两个短轴。注意，之前发现的偏移的误差EZb在求和前从测量后的值中减去。

$\mathrm{VZmag}:=$

$\sqrt{{\left(\mathrm{VZcal}1\mathrm{Ezb}\right)}^2+{\left(\mathrm{VZcal}3\mathrm{Ezb}\right)}^2+{\left(\mathrm{VZczl}4\mathrm{Ezb}\right)}^2}---\left(42\right)$

VZmag＝0.85            (43)

缩放比例误差EZs是所述量值减1。

VZmag-1＝0.15          (44)

注意，计算的结果给出了之前定义的EZs的期望值并再次显示如下：

EZs＝-0.15             (45)

对准误差EZΦx和EZΦy可以通过使用如下所示的之前测量的短轴上的加速度而被确定。注意，之前关于偏移的偏置和缩放比例误差的结果被用于所述计算中。

Z轴的对准误差ZΦz以类似的方式确定如下：

注意，这些计算的结果给出了之前定义的EZΦx、EZΦy和ZΦ的期望值并再次显示如下：

EZΦx:＝2.5度          (49)

EZΦy:＝3.5度          (50)

EZΦz:＝4.303度        (51)

以下说明如何可以将通过所述校准确定的偏移的偏置、缩放比例和对准误差系数用于校正测量。使用实际值作为说明性示例，gx、gy和gz是应用到3轴加速计的任意真实的加速度。

gx:＝0.5               (52)

gy:＝-0.6              (53)

gz:＝0.7               (54)

当由具有误差系数的模型仿真时，VXm、VYm和VZm是由传感器报告的测量后的未校正的值。如下所示，测量后的值因与偏移的偏置、缩放比例和横轴联结相关联的误差而与真实值不同。

VXm:＝VXmeasured(gx，gy，gz)(55)

VYm:＝VYmeasured(gx，gy，gz)(56)

VZm:＝VZmeasured(gx，gy，gz)(57)

VXm＝0.524                  (58)

VYm＝0.685                  (59)

VZm＝0.671                  (60)

之前自校准数据获得的误差系数被组织为矩阵M。

$M:=\left[\begin{array}{c}(1+\mathrm{EXs})\·\cos \left(\mathrm{X\φx}\right)(1+\mathrm{Exs})\·\cos \left(\mathrm{X\φy}\right)(1+\mathrm{EXs})\·\cos \left(\mathrm{X\φz}\right)\mathrm{EXb}\\ (1+\mathrm{EYs})\·\cos \left(\mathrm{Y\φx}\right)(1+\mathrm{EYs})\·\cos \left(\mathrm{Y\φy}\right)(1+\mathrm{EYs})\·\cos \left(\mathrm{Y\φz}\right)\mathrm{EYb}\\ (1+\mathrm{EZs})\·\cos \left(\mathrm{Z\φx}\right)(1+\mathrm{EZs})\·\cos \left(\mathrm{Z\φy}\right)(1+\mathrm{EZs})\·\cos \left(\mathrm{Z\φz}\right)\mathrm{EZb}\end{array}\right]---\left(61\right)$

$M=\left[\begin{array}{cccc}1.141& 0.092& 0.112& -0.07\\ 0.142& 1.201& 0.163& -0.15\\ 0.037& 0.052& 0.848& 0.09\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(62\right)$

如下所示，当被乘以真实的加速度矢量时，误差系数形成的矩阵得到期望的测量后的传感器值。

$M\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0.524\\ -0.685\\ 0.671\\ 1\end{array}\right]---\left(63\right)$

以上由误差系数形成的矩阵表明真实的加速度矢量可以通过找到矩阵M的逆矩阵而被计算，所述逆矩阵如下所示：

$M^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}0.888& -0.064& -0.105& 0.062\\ -0.101& 0.847& -0.15& 0.134\\ -0.033& -0.049& 1.194& -0.117\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(64\right)$

当被乘以来自传感器的测量后的值时，矩阵M的逆矩阵得到如下所示的真实加速度：

$M^{-1}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{VXm}\\ \mathrm{VYm}\\ \mathrm{VZm}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0.5\\ -0.6\\ 0.7\\ 1\end{array}\right]---\left(65\right)$

以上结果精确地匹配如上定义并在以下再次示出的真实加速度(gx，gy和gz)：

gx:＝0.5            (66)

gy:＝-0.6           (67)

gz:＝0.7            (68)

误差校正的前述方法可以至少部分地由多种软件指令实现。图18A-18B和图19给出了如何可以分别在启动装载器区段和应用区段中组织软件/固件的各个方面的示例。图18A-18B和图19中的每个框通常表示其中具有多个指令的软件子程序。

本发明不限于上述电容性类型的MEMS加速度传感器。可以用于本发明的其他加速度传感器包括但不限于：压膜或压电感测器/加速度传感器、悬臂梁或检测质量加速度传感器，剪切模式加速计、热加速度传感器、体微细机械加工电容性加速度传感器、体微细机械加工压阻加速度传感器、基于电容性弹簧质量的加速度传感器、机电伺服(伺服力平衡)加速度传感器、零位平衡加速度传感器、应变计-PCB压电器件加速度传感器、共振加速度传感器、磁感应加速度传感器、光学加速度传感器、表面声波(SAW)加速度传感器和激光加速计。

本发明不限于一般的航空和商务飞行器，而是还可以适于直升机、螺旋推进器驱动的飞行器、实验飞行器、无人驾驶飞行器、超轻型飞行器、小型软式气艇、气球、军用飞行器和飞翼式飞机。此外，本发明可以适于各种航海运输系统，例如船只、潜艇、气垫船，还可扩展到休闲/娱乐、科学、商务和军事领域。另外，同样显然的是，本发明不限于空中和海洋运输系统，而是还可以适于陆地和太空旅行。因此，本发明可以适于布置以用在火车、卡车、汽车、摩托车和宇宙飞船中的各种运输系统记录器系统或其他系统。

虽然详细地说明了本发明的一个或多个实施例，但本领域技术人员将意识到可以在不背离在随后的权利要求中提出的本发明的范围的情况下对这些实施例进行修改和适应性改变。

Claims (27)

1.一种加速计，包括：

加速度传感器，其产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号；以及

误差校正系统，其连接到所述加速度传感器以接收所述未校正的模拟加速度信号，所述误差校正系统包括：

(a)用于生成多个校正系数的系统控制器，

(b)模数转换器，其将所述未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号，以及

(c)误差补偿电路，其接收所述校正系数以补偿所述未校正的数字加速度信号并产生校正后的数字加速度信号。

2.如权利要求1所述的加速计，其中所述误差校正系统进一步包括数模转换器，其将所述校正后的数字加速度信号转换为校正后的模拟加速度信号。

3.如权利要求1所述的加速计，其中所述系统控制器将多个校准测量布置为矩阵。

4.如权利要求2所述的加速计，其中所述系统控制器求所述矩阵的逆以计算所述校正系数。

5.如权利要求1所述的加速计，其中每个加速度传感器是微机电系统传感器。

6.如权利要求1所述的加速计，其中所述误差校正系统进一步包括滤波器，其用于对所述未校正的数字加速度信号滤波。

7.如权利要求1所述的加速计，其中所述误差补偿电路校正从包括偏移的偏置、横轴对准误差、缩放比例误差和热偏置的组中选择的误差。

8.如权利要求1所述的加速计，其中所述误差补偿电路根据加速度的其他分量校正所述加速度的垂直、横向和纵向分量中的每一个。

9.一种基于加速计的系统，包括：

飞行记录器；

加速度传感器，其连接到所述飞行记录器，所述加速度传感器产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号；以及

误差校正系统，其连接到所述加速度传感器以接收所述未校正的模拟加速度信号，所述误差校正系统包括：

(a)用于生成多个校正系数的系统控制器，

(b)模数转换器，其将所述未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号，以及

(c)误差补偿电路，其接收所述校正系数以补偿所述未校正的数字加速度信号并产生校正后的数字加速度信号。

10.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中所述误差校正系统进一步包括数模转换器，其将所述校正后的数字加速度信号转换为校正后的模拟加速度信号。

11.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中所述系统控制器将多个校准测量布置为矩阵。

12.如权利要求11所述的基于加速计的系统，其中所述系统控制器求所述矩阵的逆以计算所述校正系数。

13.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中每个加速度传感器是微机电系统传感器。

14.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中所述误差校正系统进一步包括滤波器，其用于对所述未校正的数字加速度信号滤波。

15.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中所述误差补偿电路校正从包括偏移的偏置、横轴对准误差、缩放比例误差和热偏置的组中选择的误差。

16.如权利要求9所述的基于加速计的系统，其中所述误差补偿电路根据加速度的其他分量校正所述加速度的垂直、横向和纵向分量中的每一个。

17.一种加速计，包括：

加速度传感器，其产生未校正的加速度信号；以及

误差校正系统，其连接到所述加速度传感器以接收所述未校正的加速度信号，所述误差校正系统包括：

(a)用于生成多个校正系数的系统控制器，以及

(b)误差补偿电路，其接收所述校正系数以补偿所述未校正的加速度信号并产生校正后的加速度信号。

18.如权利要求17所述的加速计，其中所述校正后的加速度信号是数字信号或模拟信号。

19.如权利要求17所述的加速计，其中所述未校正的模拟加速度信号表示加速度的垂直、横向和纵向分量。

20.如权利要求17所述的加速计，其中所述系统控制器将多个校准测量布置为矩阵并且求所述矩阵的逆以计算所述多个校正系数。

21.如权利要求17所述的加速计，其中所述误差校正系统进一步包括滤波器，其用于对所述未校正的数字加速度信号滤波。

22.一种用于补偿加速计中的误差的方法，包括：

提供加速度传感器，其产生表示加速度的垂直、横向和纵向分量的未校正的模拟加速度信号；

生成多个校正系数；

将所述未校正的模拟加速度信号转换为未校正的数字加速度信号；以及

以所述校正系数补偿所述未校正的数字加速度信号，从而产生校正后的数字加速度信号。

23.如权利要求22所述的方法，进一步包括将所述校正后的数字加速度信号转换为校正后的模拟加速度信号。

24.如权利要求22所述的方法，进一步包括：

测量多个校准数据；

将所述多个校准数据布置为矩阵；以及

求所述矩阵的逆以产生所述校正系数。

25.如权利要求22所述的方法，进一步包括对所述未校正的数字加速度信号滤波。

26.如权利要求22所述的方法，其中以所述校正系数补偿所述未校正的数字加速度信号的步骤进一步包括校正从包括偏移的偏置、横轴对准误差、缩放比例误差和热偏置的组中选择的误差。

27.如权利要求22所述的方法，其中以所述校正系数补偿所述未校正的数字加速度信号的步骤进一步包括根据加速度的其他分量校正所述加速度的垂直、横向和纵向分量中的每一个。

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