CN102159920A - 用于处理来自加速度计的测量结果的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于估计加速度计相对于固定参考系的取向的方法，所述方法包括：从加速度计获得信号，所述信号指示沿三个正交轴作用在加速度计上的加速度的分量；识别具有最高加速度分量的轴；以及通过确定作用在加速度计上的加速度与具有最高加速度分量的轴之间的角度来确定加速度计的取向。还提供用于利用估计的取向来估计固定参考系中的垂直加速度的方法。

Description

用于处理来自加速度计的测量结果的方法

技术领域

本发明涉及一种测量三维中的加速度的加速度计，并且具体涉及一种用于处理来自加速度计的测量结果的方法。

背景技术

一般而言，对象在三维空间中具有六个自由度，即沿三个垂直轴的平移和关于三个垂直轴的旋转。由于对象沿三个平移轴中的每个的运动与另两个平移轴无关，并且与关于旋转轴中的任一个的旋转无关，因此运动具有六个自由度。

这在惯性传感器领域中是熟知的，在该领域中，传统地需要若干传感器以便测量和计算被监测对象的所有六个自由度。通常，使用加速度计、陀螺仪和磁强计来监测对象的六个自由度，加速度计能够测量沿三个平移轴的加速度，陀螺仪能够测量绕三个旋转轴的旋转，而磁强计能够测量对象相对于外部磁场的取向。

在这些系统中，三维加速度计仅仅能够测量三个可能的自由度，并且为了测量六个自由度，使用电子陀螺仪。使用算法来补偿加速度计相对于外部参考系(诸如相对于地球固定的参考系)的旋转，所述外部参考系使得能够将加速度的测量转换到地球参考系中。然而，使用陀螺仪具有若干缺点；首先，陀螺仪昂贵，并且与加速度计或磁强计相比而言消耗大量的能量；其次，用于将加速度计参考系旋转到地球参考系中的算法计算量相当大。

这些类型的系统常常用于通过将(一个或多个)传感器单元附接到身体来监测人员的运动。然而，除了与使用上述的陀螺仪相关联的缺点之外，需要三种不同类型的传感器以便测量人员运动的六个自由度导致得到一种十分庞大且笨重的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在无陀螺仪或其他取向传感器的情况下估计加速度计的取向的方法。

本发明的另一或备选目的在于提供一种根据来自加速度计的测量结果估计外部参考系(诸如地球)的垂直方向上的加速度的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于估计加速度计相对于固定参考系的取向的方法，所述方法包括：从加速度计获得信号，所述信号指示沿三个正交轴作用在加速度计上的加速度的分量；识别具有最高加速度分量的轴；以及通过确定作用在加速度计上的加速度与具有最高加速度分量的轴之间的角度来确定加速度计的取向。

优选地，作用在加速度计上的加速度与具有最高加速度分量的轴之间的角度θ根据下式确定：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sqrt{A_x^2+A_y^2}}{A_z}\right]$

其中，A_z是沿具有最高加速度分量的轴的加速度的分量，而A_x和A_y是沿另两个轴的加速度的分量。

优选地，所述方法还包括：通过针对特定采样时刻i周围的多个采样时刻获得来自加速度计的信号的集合，检查在特定采样时刻内确定的取向中的局部不稳定性；以及针对该信号集合中的每个计算沿三个正交轴作用在加速度计上的加速度分量的范数(norm)的方差(variance)。

优选地，计算范数的方差的步骤包括计算：

局部_不稳定性

其中，a+b是信号集合的数目，而α是指示加速度的快速变化的值。

优选地，α是从15m/s²到20m/s²的范围中选择的值。

优选地，由于重力导致的加速度作用在加速度计上。

在优选实施例中，重力在固定参考系中作用于已知的方向，并且作用在加速度计上的加速度与具有最高加速度分量的轴之间的角度提供对加速度计相对于已知方向的取向的估计。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的特定方向上的加速度的方法，所述加速度计相对于固定参考系具有任意取向，所述方法包括如上所述地估计加速度计相对于固定参考系的取向；以及根据加速度的测量结果使用估计的加速度计的取向来确定特定方向上的加速度。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的垂直方向中的加速度的方法，所述加速度计相对于固定参考系具有任意取向，所述方法包括如上所述地估计加速度计相对于固定参考系的取向；以及根据加速度的测量结果使用估计的加速度计的取向来确定垂直方向上的加速度。

优选地，使用估计的取向的步骤包括评估

acc_vert＝(A_z-gcosθ)cosθ+g，当θ＞0或存在局部不稳定性时

acc_vert＝(gcosθ-A_z)cosθ+g，当θ＜0或不存在局部不稳定性时

其中，g是由于垂直方向上的重力导致的加速度的幅度。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于估计加速度计相对于固定参考系的取向的装置，所述装置包括适于执行以上所述的方法的处理模块。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的垂直方向上的加速度，所述加速度计相对于固定参考系具有任意取向，所述装置包括适于执行以上所述的方法的处理模块。

根据本发明的第六实施例，提供了一种包括计算机可执行代码的计算机程序产品，当在合适的计算机或处理器上执行时，所述计算机程序产品适于执行以上所述的方法。

因此，本发明提供了在不需要陀螺仪或任何其他传感器的情况下用于计算加速度计的倾斜角度的方法，以及用于根据所述倾斜角度计算固定参考系中的垂直加速度的方法。假定加速度计的运动是缓慢的(例如垂直加速度不超过±20m/s²的运动)，则根据本发明计算的垂直加速度将具有与使用包括陀螺仪和其他传感器的系统计算的垂直加速度相似的精度。

附图说明

现在参考以下附图，仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1为图示了根据测量的加速度计算加速度计的取向的示意图；

图2为图示了估计加速度计的取向的方法的流程图；

图3为图示了附接到用户的加速度计的示意图；以及

图4为指示根据本发明的方法的性能的图表的集合。

具体实施方式

图1为由加速度计测量的加速度A的测量结果的图示。加速度计测量在三维中作用在加速度计上的加速度A，并提供指示加速度A沿三个正交轴(标记为x_a、y_a和z_a)的信号。

当将加速度计附接到能够相对于固定参考系运动的人员或其他对象时，加速度计的取向可能相对于固定参考系发生变化。

在该图示中，加速度A具有沿三个轴分别测量的分量A_x、A_y和A_z。

对于经受小的加速度或无加速度(重力除外)的加速度计，由加速度计经历的加速度A将基本上与重力的加速度相对应。因此，根据这一假设，将加速度A与重力相关联是可能的，其中重力的方向在固定参考系中是已知的。

可以通过计算加速度A与具有最高加速度幅度的加速度计的轴之间的角度来估计加速度计的取向。

在图2中图示了估计加速度计的取向的方法。在步骤101中，加速度计测量作用在加速度计上的加速度，并提供指示沿加速度计的三个正交轴(分别为x_a、y_a和z_a)的加速度的分量(A_x、A_y和A_z)的信号。

接下来，在步骤103中，比较加速度A的每个分量的幅度以识别具有最高幅度的分量。

下文将具有最高幅度的分量的轴(x_a、y_a或z_a)表示为z_a′，而其他两个轴表示为x_a′和y_a′。以这种方式，所述方法可以确定加速度计的取向而不管加速度计的初始位置如何。例如，尽管意图使z_a轴与固定参考系中垂直取向的轴对应，但是以这种方式加速度计也可以不附接到对象或人员(可能是y_a轴与固定参考系中的垂直取向的轴最接近地对应)。

应当注意到，在图1中，具有最高加速度分量的轴是z_a，因此将该轴标记为z_a′，并且最高加速度分量为A_z。

接下来，在步骤105中，确定加速度A和具有最高加速度分量的轴(z_a′)之间的角度。因此，从图1中可以看到，由下式给出角度θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sqrt{A_x^2+A_y^2}}{A_z}\right]---\left(1\right)$

如果加速度的所有分量为零(即，A_x＝A_y＝A_z＝0)，则无法估计θ以及因此无法估计取向。在这种情况下，加速度计处于自由下落。

因此，由于使用重力作为参考来确定这一角度θ，因此角度θ可以被视为指示加速度计的取向。

由于加速度计相对于固定参考系自由移动，因此期望检查由加速度的快速变化引起的局部不稳定性。以这种方式，可以补偿在确定的取向中由加速度的这些快速变化引起的误差。具体而言，通过计算一段时间内的加速度A的分量的范数的方差来检查局部不稳定性。

从加速度计获得表示若干采样时刻处的加速度的若干信号。这些采样时刻优选发生在计算加速度计的取向的采样时刻i之前和之后。

使用下式计算加速度A的分量的范数的方差：

局部_不稳定性

其中，a是计算加速度计的取向的采样时刻之后的采样时刻的数目，b是计算加速度计的取向的采样时刻之前的采样时刻的数目，并且α是指示加速度的快速变化的值。

优选地，α是从15-20m/s²的范围中选择的值。在更优选的实施例中，α为17m/s²。

在本发明的优选实施例中，a和b为10。

一旦计算了角度θ，可以确定相对于固定参考系的垂直方向上的加速度。具体而言，该垂直加速度可用于计算例如当人员从坐下的位置移动到站立的位置时发生的垂直加速度。

图3示出了附接到人员4的加速度计2。在该图示中，人员4处于从坐下到站立转移过程的中途，并且将加速度计2取向为与垂直方向为θ角度。示出了具有最高加速度分量(A_z)的轴。

根据以下计算垂直方向上的加速度：

acc_vert＝(A_z-gcosθ)cosθ+g，当θ＞0或存在局部不稳定性时(3)

acc_vert＝(gcosθ-A_z)cosθ+g，当θ＜0或不存在局部不稳定性时(4)

其中，g是由于垂直方向上的重力导致的加速度的幅度。应当意识到，在图1和3中θ＜0。

图4为用于验证根据本发明的方法的有效性一些测试数据的图表的集合。具体而言，图4中的第一个图表示出了表示沿加速度计的轴中的每个的加速度的信号；第二个图表示出了使用加速度计和陀螺仪计算的垂直加速度；第三个图表示出了由本文所述的方法估计的垂直加速度；以及第四个图表示出了第二个和第三个图表之间的相对误差。因此可以看到，当与使用陀螺仪确定垂直加速度的方法比较时，根据本发明的方法得到大致小于5％的误差。

因此，提供了一种在无需陀螺仪或任何其他传感器的情况下计算加速度计的倾斜角度的方法，以及用于根据所述倾斜角度计算固定参考系中的垂直加速度的方法。用于计算取向和垂直加速度的方法可以在通常使用加速度计和陀螺仪的任何应用中使用，并且特别能够在检测人员何时跌倒或何时将要跌倒的设备中使用。如以上描述，还可以将所述方法用于确定涉及人员从坐下的位置站起来时的垂直加速度。

尽管在附图和上述描述中详细地图示并描述了本发明，但是将这种图示和描述视为说明性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员在实践所主张的本发明的基础上能够理解并实现所公开实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或者步骤，不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中引用的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施这一事实不表明使用这些措施的组合是不利的。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分而提供的光学存储介质或固态介质，也可以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。不应将权利要求中的任何参考标记解释为限制范围。

Claims (13)

1.一种用于估计加速度计相对于固定参考系的取向的方法，所述方法包括：

从所述加速度计获得信号，所述信号指示沿三个正交轴作用在所述加速度计上的加速度的分量；

识别具有最高加速度分量的轴；以及

通过确定作用在所述加速度计上的所述加速度与所述具有最高加速度分量的轴之间的角度来确定所述加速度计的取向。

2.如权利要求1所述的方法，其中，作用在所述加速度计上的所述加速度与所述具有最高加速度分量的轴之间的角度θ由下式确定

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sqrt{A_x^2+A_y^2}}{A_z}\right]$

其中，A_z是沿所述具有最高加速度分量的轴的所述加速度的分量，并且A_x和A_y是沿另两个轴的所述加速度的分量。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括通过以下操作检查在特定采样时刻i确定的取向中的局部不稳定性：

针对所述特定采样时刻周围的多个采样时刻获得来自所述加速度计的信号的集合；以及

针对所述信号的集合中的每个计算沿所述三个正交轴作用在所述加速度计上的所述加速度的分量的范数的方差。

4.如权利要求3所述的方法，其中，计算所述范数的方差的步骤包括计算：

局部_不稳定性

其中，a+b是信号的集合的数目，并且α是指示加速度的快速变化的值。

5.如权利要求4所述的方法，其中，α是从15m/s²到20m/s²的范围中选择的值。

6.如任意前述权利要求所述的方法，其中，由于重力导致的加速度作用在所述加速度计上。

7.如权利要求6所述的方法，其中，重力作用于所述固定参考系中的已知方向，并且作用在所述加速度计上的所述加速度与所述具有最高加速度分量的轴之间的角度提供对所述加速度计相对于所述已知方向的取向的估计。

8.一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的特定方向上的加速度的方法，所述加速度计相对于所述固定参考系具有任意取向，所述方法包括：

如权利要求1到7中的任一项所述地估计所述加速计相对于所述固定参考系的取向；

根据所述加速度的测量结果利用所述加速度计的所估计的取向来确定在所述特定方向上的加速度。

9.一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的垂直方向上的加速度的方法，所述加速度计相对于所述固定参考系具有任意取向，所述方法包括：

如权利要求7所述地估计所述加速计相对于所述固定参考系的取向；

根据所述加速度的测量结果利用所述加速度计的所估计的取向来确定所述垂直方向上的加速度。

10.如权利要求9所述的方法，当依赖于权利要求2和3时，其中，使用所估计的取向的步骤包括评估：

acc_vert＝(A_z-gcosθ)cosθ+g，当θ＞0或存在局部不稳定性时

acc_vert＝(gcosθ-A_z)cosθ+g，当θ＜0或不存在局部不稳定性时

其中，g是由于所述垂直方向上的重力导致的加速度的幅度。

11.一种用于估计加速度计相对于固定参考系的取向的装置，所述装置包括：

适于执行如权利要求1到7中的任一项所述的方法中的步骤的处理模块。

12.一种用于根据作用在加速度计上的加速度的测量结果估计相对于固定参考系的垂直方向上的加速度的装置，所述加速度计相对于所述固定参考系具有任意取向，所述装置包括：

适于执行如权利要求9或10所述的方法中的步骤的处理模块

13.一种计算机程序产品，其包括计算机可执行代码，当在合适的计算机或处理器上执行时，所述可执行代码适于执行如权利要求1到10中的任一项所述的方法中的步骤。

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