CN102289306B - 姿态感知设备及其定位、鼠标指针的控制方法和装置 - Google Patents

姿态感知设备及其定位、鼠标指针的控制方法和装置 Download PDF

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CN102289306B CN2011102529321A CN201110252932A CN102289306B CN 102289306 B CN102289306 B CN 102289306B CN 2011102529321 A CN2011102529321 A CN 2011102529321A CN 201110252932 A CN201110252932 A CN 201110252932A CN 102289306 B CN102289306 B CN 102289306B
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Abstract

一种姿态感知设备及其定位、鼠标指针的控制方法和装置。所述姿态感知设备的定位方法包括:获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴;建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值;将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角;对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。本发明的技术方案可以实现姿态感知设备的准确定位以及鼠标指针的精确控制。

Description

姿态感知设备及其定位、鼠标指针的控制方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及姿态感知设备及其应用技术领域,特别涉及姿态感知设备及其定位方法和装置、鼠标指针的控制方法和装置。
背景技术
[0002]目前,计算机鼠标指针的定位大多数都依靠光学传感器或激光传感器来实现,这些传感器都基于物理光学原理,使得传感器需要依靠桌面等平台来实现。但是在很多场合,例如在计算机多媒体教学中,用户想在空中操控鼠标指针或是通过在空中操控鼠标指针来实现多媒体电视播放、网页浏览等应用,仅使用传统的传感器就无法实现,于是空间鼠标应运而生。空间鼠标是一种输入设备,像传统鼠标一样操作屏幕光标(鼠标指针),但却不需要放在任何平面上,在空中晃动就能直接依靠空中运动姿态的感知实现对鼠标指针的控制。要实现空中运动姿态的感知,一般在姿态感知设备(例如空间鼠标)中设置惯性器件,利用惯性器件测量技术实现对运动载体姿态的跟踪。
[0003] 利用惯性器件测量技术进行运动载体姿态的跟踪具有非常广阔的前景。惯性跟踪系统的基本原理是在目标初始位置和姿态已知的基础上,依据惯性原理,利用陀螺仪传感器(以下简称陀螺仪)、加速度传感器等惯性器件测量物体运动的角速度和直线加速度,然后通过积分获得物体的位置和姿态。其中,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,得到目前运动物体的运动轨迹和位置,从而实现定位的功能。而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物体加速度信号,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,可以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。
[0004] 陀螺仪输出角速度,是瞬时量,将角速度对时间积分计算得到的角度变化量与初始角度相加,得到角度,其中积分时间dt越小,输出角度越准。但是陀螺仪的原理决定其测量基准是自身,没有系统外的绝对参照物,加上dt不可能无限小,所以积分的累积误差会随时间迅速增加,导致最终输出角度与实际不符。加速度传感器测量的是重力方向,有系统外的绝对参照物“重力轴”,在无外力加速度的情况下,能准确地输出角度并且不会有累积误差。但是加速度传感器是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变,而惯性力本质上就是重力,所以加速度传感器不能区分重力加速度和外力加速度,当系统在三维空间做变速运动时,加速度传感器的输出就不准确了。
[0005] 相关技术还可参考公开号为W02005108119(A2)的国际专利申请,该专利申请公开了一种带有倾斜补偿和提高可用性的自由空间定位设备。
[0006] 由于陀螺仪技术以及加速度传感器技术都存在运动物体姿态与运动状态很难完全体现的不足,因此,如何将陀螺仪技术以及加速度传感器技术有效地结合,从而能实现空间定位的准确性和稳定性是本领域技术人员长期探讨的问题。发明内容
[0007] 本发明解决的问题是提供一种姿态感知设备及其定位方法和装置、鼠标指针的控制方法和装置,结合陀螺仪技术和加速度传感器技术实现空间定位的准确性和稳定性。
[0008] 为解决上述问题,本发明实施方式提供一种姿态感知设备的定位方法,所述姿态感知设备包括陀螺仪和加速度传感器,所述姿态感知设备的定位方法包括:
[0009] 获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴;
[0010] 建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴
的倾斜角观测值,所述观测方程为:
Figure CN102289306BD00091
,其中,为陀
螺仪的敏感轴的角速度观测值,qmS加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,X为误差系数矢量,q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,%为高斯白噪声;
[0011] 将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角;
[0012] 对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。
[0013] 为解决上述问题,本发明实施方式还提供一种鼠标指针的控制方法,包括:上述的姿态感知设备的定位方法;计算所述姿态感知设备的变化分量Ad,其中,Ad = d-dcos Θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量;确定所述鼠标指针的位移变化量As,其中,As = Λ d/(SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数;基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
[0014] 为解决上述问题,本发明实施方式还提供一种姿态感知设备的定位装置,包括:
[0015] 获取单元,适于获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴;
[0016] 标定单元,适于建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传
感器的敏感轴的倾斜角观测值,所述观测方程为
Figure CN102289306BD00092
其中,COm为陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,Qm为加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,X为误差系数矢量,q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,%为高斯白噪声;
[0017] 转换单元,适于将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角;
[0018] 处理单元,适于对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。
[0019] 为解决上述问题,本发明实施方式还提供一种鼠标指针的控制装置,包括:上述的姿态感知设备的定位装置;分量变化确定单元,适于计算所述姿态感知设备的分量变化Ad,其中,Ad = d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量•’位移变化确定单元,适于确定所述鼠标指针的位移变化量Λ s,其中,As = Ad/(SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数;指针控制单元,适于基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
[0020] 为解决上述问题,本发明实施方式还提供一种姿态感知设备,包括:陀螺仪、加速度传感器和上述的姿态感知设备的定位装置。
[0021] 与现有技术相比,上述技术方案首先建立观测方程,利用观测方程对陀螺仪的测量值和加速度传感器的测量值进行标定,对标定后的陀螺仪的测量值和加速度传感器的测量值进行融合,因而可以有效地融合陀螺仪的数据和加速度传感器的数据,实现姿态感知设备的准确定位和鼠标指针的精确控制。
附图说明
[0022] 图1是本发明实施方式的姿态感知设备的定位方法的流程图;
[0023] 图2是本发明实施方式的三维空间坐标系的示意图;
[0024] 图3是本发明实施例1的姿态感知设备的定位方法的流程图;
[0025] 图4是本发明实施例1的姿态感知设备的定位装置的结构示意图;
[0026] 图5是本发明实施例2的姿态感知设备的定位方法的步骤S4的流程图;
[0027] 图6是本发明实施例2的姿态感知设备的定位方法的步骤S42的流程图;
[0028] 图7是本发明实施例2的姿态感知设备的定位方法的步骤S43的流程图;
[0029] 图8是本发明实施例2的姿态感知设备的定位装置的处理单元的结构示意图;
[0030] 图9是本发明实施例3的姿态感知设备的定位方法的步骤S42的流程图;
[0031] 图10是本发明实施例3的姿态感知设备的定位方法的步骤S43的流程图;
[0032] 图11是本发明实施例3的姿态感知设备的定位装置的处理单元的结构示意图;
[0033] 图12是本发明实施例的鼠标指针的控制方法在姿态感知设备的定位步骤后的流程图;
[0034] 图13是本发明实施例的鼠标指针的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
[0035] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0036] 本发明实施方式的姿态感知设备包括陀螺仪和加速度传感器,由于姿态感知设备一般是前端运动最大,因此陀螺仪和加速度传感器可以安装在姿态感知设备中靠近前端的位置,以更好地感应姿态感知设备的运动。要对姿态感知设备实现准确定位,需要结合利用陀螺仪的数据和加速度传感器的数据,包括:利用显示标定算法建立姿态感知设备的观测方程;利用观测方程对陀螺仪的测量值和加速度传 感器的测量值进行标定,得到陀螺仪的观测值和加速度传感器的观测值;融合陀螺仪的观测值和加速度传感器的观测值。[0037] 融合可以是卡尔曼滤波融合或互补权重融合,也可以结合互补权重融合和卡尔曼滤波融合。所谓互补权重融合是指对陀螺仪和加速度传感器设置不同的权重,两者的权重之和为1,然后将陀螺仪的数据和加速度传感器的数据进行加权处理。由于在无外力加速度的情况下,加速度传感器能准确地输出角度并且不会有累积误差,也就是说,加速度传感器在静态或低速运动时精度很高;而当姿态感知设备在三维空间做变速运动,特别是高速运动时,由于加速度传感器不能区分重力加速度和外力加速度,其在高速运动时精度就降低了。因此可以基于姿态感知设备的不同运动状态,如静态、低速或高速,对陀螺仪和加速度传感器设置不同的权重,具体地,在静态或低速时,加速度传感器的精度较高,设置加速度传感器的权重大于陀螺仪的权重;在高速时,陀螺仪的精度较高,设置陀螺仪的权重大于加速度传感器的权重。需要说明的是,本发明实施方式是结合陀螺仪和加速度传感器两种惯性器件对姿态感知设备进行定位,因此两者的权重互补,即权重之和为1,但是,如果姿态感知设备还结合其他惯性器件(例如地磁传感器)进行定位,则陀螺仪和加速度传感器的权重之和可以小于1。
[0038] 基于上述分析,本发明实施方式提供一种姿态感知设备的定位方法如图1所示,包括:
[0039] 步骤SI,获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴;
[0040] 步骤S2,建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值;
[0041] 步骤S3,将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角;
[0042] 步骤S4,对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角,所述融合包括加权融合和/或卡尔曼滤波融合。
-.CO
COfY! I' H (CO) Oovz) ^co
[0043] 步骤S2建立的观测方程为: =n3 n f4 ^ + /,其中,\为
Jlm _ u4x3 U4xl2 U „ tQ
⑷L」
陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,qmS加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,X为误差系数矢量,Q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,%为高斯白噪声。观测方程的建立将在以下实施例中进行说明。
[0044] 如图2所示,姿态感知设备AO在三维空间内运动,设三维空间坐标系包括两两垂直的X轴、y轴和Z轴,其中,X轴和y轴平行于地平面,Z轴垂直于地平面,陀螺仪可以是单轴陀螺仪、两轴陀螺仪或三轴陀螺仪,加速度传感器可以是单轴重力加速度传感器、两轴重力加速度传感器或三轴重力加速度传感器。姿态感知设备平行于地平面时,陀螺仪的敏感轴与对应的坐标轴重合,加速度传感器的敏感轴与对应的坐标轴重合。
[0045] 以姿态感知设备包括两个相互垂直的单轴陀螺仪和一个三轴重力加速度传感器为例,姿态感知设备平行于地平面时,其中一个单轴陀螺仪的敏感轴与X轴重合,记为X轴陀螺仪;另一个单轴陀螺仪的敏感轴与Z轴重合,记为Z轴陀螺仪;加速度传感器的三个敏感轴分别与X轴、y轴和Z轴重合,分别记为加速度传感器的X敏感轴、I敏感轴和Z敏感轴;其中,加速度传感器的X敏感轴对应X轴陀螺仪的敏感轴,加速度传感器的z敏感轴对应z轴陀螺仪的敏感轴。
[0046] 下面即以姿态感知设备包括两个相互垂直的单轴陀螺仪和一个三轴重力加速度传感器,姿态感知设备在所述空间坐标系内运动为例进行详细说明。首先对旋转角、偏转角、倾斜角和姿态角进行定义:
[0047] 陀螺仪的敏感轴的旋转角是指陀螺仪的敏感轴与其对应的坐标轴的夹角,用α表示。具体地,X轴陀螺仪的敏感轴的旋转角是指X轴陀螺仪的敏感轴与X轴的夹角,记为αχ ;ζ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角是指ζ轴陀螺仪的敏感轴与ζ轴的夹角,记为α ζ。
[0048] 加速度传感器的敏感轴的偏转角是指加速度传感器的敏感轴与其对应的坐标轴的夹角,用β表示。具体地,加速度传感器的X敏感轴的偏转角是指X敏感轴与X轴的夹角,记为β χ ;加速度传感器的Z敏感轴的偏转角是指Z敏感轴与Z轴的夹角,记为β ζ。
[0049] 加速度传感器测量的是敏感轴的倾斜角,加速度传感器的敏感轴的倾斜角是指加速度传感器的敏感轴与重力加速度方向的夹角,实际上也就是加速度传感器的敏感轴与ζ轴的夹角,用q表示,加速度传感器的敏感轴的偏转角通过敏感轴的倾斜角转换得到。具体地,加速度传感器的X敏感轴的倾斜角是指X敏感轴与ζ轴的夹角,记为qx ;加速度传感器的ζ敏感轴的倾斜角是指ζ敏感轴与ζ轴的夹角,记为qz。
[0050] 姿态感知设备的姿态角是指姿态感知设备与各坐标轴的夹角,用Θ表示。具体地,姿态感知设备与X轴的姿态角是指姿态感知设备与X轴的夹角,记为θχ;姿态感知设备与Z轴的姿态角是指姿态感知设备与Z轴的夹角记为θ Ζ。
[0051] 上述的夹角均为锐角。
[0052] 此外,对以下出 现的符号进行说明:
[0053] (^表示陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,具体地,ω„为X轴陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,《mz为ζ轴陀螺仪的敏感轴的角速度观测值;ω表示陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,具体地,ωχ为X轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,ωζ为ζ轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值。
[0054] qm表示加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,具体地,qmx为加速度传感器的X敏感轴的倾斜角观测值,Qmz为加速度传感器的ζ敏感轴的倾斜角观测值;q表示加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,具体地,qx为加速度传感器的X敏感轴的倾斜角测量值,Qz为加速度传感器的ζ敏感轴的倾斜角测量值。
[0055] 实施例1
[0056] 本实施例的姿态感知设备的定位方法如图3所示,包括:
[0057] 执行步骤SI,获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴。陀螺仪输出的测量值包括敏感轴的角速度测量值,加速度传感器输出的测量值包括敏感轴的倾斜角测量值,本实施例中,获取X轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值ω χ和ζ轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值ω ζ ;获取加速度传感器的χ敏感轴的倾斜角测量值qx和ζ敏感轴的倾斜角测量值qz。
[0058] 执行步骤S2,建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值。[0059] 本实施例采用显示标定方法建立观测方程,显式标定方法主要是根据天基平台姿态测量信息(由姿态敏感器测量得到)计算角速度,然后与陀螺仪输出比较,获得陀螺仪误差系数的估计,其过程如下所述:
[0060] 空间平台姿态测量一般通过平台自带的姿态敏感器或陀螺仪完成,常用的姿态敏感器包括星敏感器、地平敏感器、地磁敏感器等,本实施例采用的是重力加速度传感器。姿态敏感器的主要问题是不能保证全天候获得测量信息。而惯性陀螺仪具有完全自主、连续、实时的给出航天器的姿态信息,但由于陀螺仪漂移误差的存在,其姿态信息随时间积累,要满足空间平台长时间在轨自主运行的要求,必须对误差系数进行标定和补偿。
[0061] 陀螺仪在大多数时间段内不受外力(引力除外)作用,视加速度为零,因此陀螺仪误差模型中与视加速度相关的误差项可认为不产生漂移。考虑以下三类陀螺仪误差项:
[0062] I)敏感轴安装误差:这主要是由于陀螺仪敏感轴与载体坐标系主轴不重合引起的输出信号误差,每个陀螺仪包含两项安装误差,分别用mu1、mvi表示。
[0063] 2)标度因数误差:指的是输出信号变化量与被测输入角速率变化量之比的误差。标度因数误差一般用输出信号的误差与输入角速率的比值表示,用h表示,它主要是由于标度因数的非线性和不对称引起的。
[0064] 3)常值偏差:当敏感器没有角速度时,所输出的信号即为常值偏差,用匕表示。产生常值偏差的原因很多,如敏感器中软导线产生的残余力矩,杂散磁场以及温度梯度。
[0065] 综合考虑安装误差、尺度因数误差和常值偏差引起的陀螺仪输出漂移,即可得到以下总误差方程可以用式(I)表示:
[0066] Δ ω = Η(ω)*χ (I)
[0067] 其中,Λω为陀螺仪漂移角速度,χ为误差系数矢量,
Figure CN102289306BD00131
mu[rnui,rnu27 mu3],rnv[rnvi,rnV2» mV3],k — Iik1, k2,k3],b — Iib1, b2,b3],
Figure CN102289306BD00132
,在本实施例中,仅有轴陀螺仪和z轴陀螺仪,因此ωζ = O。
[0068] 陀螺仪的姿态运动方程可以用式(2)表示:
[0069]
Figure CN102289306BD00133
[0070] 其中,[Jco+hX]是矢量[Jco+h]的反对称阵,T为外力矩,h为飞轮角动量,
Figure CN102289306BD00134
,J睛ϋ.,V。Al矛中ΐί尤力失巨$至文白勺#力口Mi。
[0071] 姿态信息一般用四元数表示,四元数的姿态运动方程可以用式(3)表示:
[0072]
Figure CN102289306BD00135
(3)[0073]其中,
Figure CN102289306BD00141
[0074] 误差系数矢量χ为常量,故务O。
[0075] 观测量包括陀螺仪输出值即陀螺仪的敏感轴的角速度观测值ωπ和加速度传感器的姿态四元数测量信息即加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值qm。ωπ中除含有真实的陀螺仪运动角速度ω外,还含有陀螺仪漂移角速度Λ ω及随机测量误差ε ω,ωπ可以用式⑷表示:
[0076] ωηι=ω + Δω+εω= ω+Η(ω)*χ+ ε ω (4)
[0077] qm中的噪声为高斯白噪声ε q, 9111可以用式(5)表示:
[0078] qm = q+ ε q (5)
[0079] 令状态变量为X = [oT,xT,qT]T,则可以建立显式标定算法下的状态方程(6)与观
测方程⑵:
[0080]
Figure CN102289306BD00142
[0081]
Figure CN102289306BD00143
[0082] 液是陀螺仪的测量值的向量形式,必是误差系数的矢量形式,#是加速度传感器的测量值的矢量形式。
[0083] 在本实施例的具体实施中,利用观测方程(7)分别获得χ轴和ζ轴的观测值:
[0084]
Figure CN102289306BD00144
[0085]
Figure CN102289306BD00145
[0086] 请继续参考图3,执行步骤S3,将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角。
[0087] 陀螺仪输出的是敏感轴的角速度测量值,经步骤S2后得到角速度观测值,角速度观测值对时间积分可以得到角度变化量,再与初始角度相加可以得到旋转角,可以用公式表示为:a = CtJCOmClt,其中,α为陀螺仪的敏感轴的旋转角,a i为陀螺仪的敏感轴的初始角度(前一采样时刻确定的旋转角),《m为陀螺仪的敏感轴的角速度观测值(对应当前采样时刻得到的角速度测量值)。
[0088] 具体实施时,χ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角α χ = a xl+comxdt,其中,α x为x轴陀螺仪的敏感轴的旋转角,α χ1为χ轴陀螺仪的敏感轴的初始角度,ω„为χ轴陀螺仪的敏感轴的角速度观测值。ζ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角az= azl+comzdt,其中,%为2轴陀螺仪的敏感轴的旋转角,a zl为ζ轴陀螺仪的敏感轴的初始角度,ωζ为ζ轴陀螺仪的敏感轴的角速度观测值。
[0089] 加速度传感器输出的是各敏感轴的倾斜角测量值,经步骤S2后得到倾斜角观测值,对各敏感轴的倾斜角观测值进行转换后可以得到各敏感轴的偏转角。具体实施时,加速度传感器的X敏感轴的偏转角β χ = 90° -qmx, ζ敏感轴的偏转角β z = qmz, qmx为加速度传感器的X敏感轴的倾斜角观测值,Qmz为加速度传感器的ζ敏感轴的倾斜角观测值。
[0090] 接着执行步骤S40,对所述旋转角和所述偏转角进行卡尔曼滤波,得到姿态感知设备的姿态角。卡尔曼滤波已广泛应用于目标跟踪系统中,利用目标的动态信息,去除噪声影响,得到目标位置的准确估计 ,由于其为本领域所熟知且广泛采用的技术,在此不再展开说明。本实施例采用扩展卡尔曼滤波,其会将很多误差变量如随机测量误差εω、高斯白噪声£ q等消除。
[0091] 具体实施时,将X轴陀螺仪的敏感轴的旋转角α χ和加速度传感器的χ敏感轴的偏转角β χ输入卡尔曼滤波器,卡尔曼滤波器的输出结果即为姿态感知设备与X轴的姿态角θχ。将ζ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角a ζ和加速度传感器的ζ敏感轴的偏转角βζ输入卡尔曼滤波器,卡尔曼滤波器的输出结果即为姿态感知设备与ζ轴的姿态角θ ζ。
[0092] 对应地,本实施例的姿态感知设备的定位装置如图4所示,包括:
[0093] 获取单元Al,适于获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴。
[0094] 标定单元Α2,适于建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,所述观测方程为:
Figure CN102289306BD00151
其中,《_„为陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,1为
加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,χ为误差系数矢量,q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,%为高斯白噪声。所述观测方程建立了陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值与所述获取单元Al获取的陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值之间的关联。
[0095] 转换单元A3,适于将所述标定单元Α2获取的陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述标定单元Α2获取的加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角。
[0096] 处理单元Α4,适于对所述转换单元A3转换得到的陀螺仪的敏感轴的旋转角和所述转换单元A3转换得到的加速度传感器的敏感轴的偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。本实施例中,所述处理单元为卡尔曼滤波器,适于对所述旋转角和所述偏转角进行卡尔曼滤波,得到姿态感知设备的姿态角。
[0097] 实施例2
[0098] 实施例1对陀螺仪和加速度传感器的融合采用的是卡尔曼滤波融合,本实施例是结合互补权重滤波融合和卡尔曼滤波融合对陀螺仪的敏感轴的旋转角和加速度传感器的敏感轴的偏转角进行融合,获得姿态感知设备的姿态角。本实施例的步骤SI至S3与实施例I相同,下面对步骤S4,对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角进行详细说明。如图5所示,本实施例的步骤S4首先执行步骤S41,获取加速度传感器的敏感轴的线加速度。加速度传感器还输出各敏感轴的线加速度,可以反映姿态感知设备的不同运动状态,因此可作为设置权重的依据,具体请参见步骤S42的说明。
[0099] 接着执行步骤S42,基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重。
[0100] 本实施例中,对陀螺仪的数据(敏感轴的旋转角)和加速度传感器的数据(敏感轴的偏转角)进行加权前,还需要对陀螺仪的数据和加速度传感器的数据进行滤波(参见步骤S43),因此,步骤S42首先建立滤波时间常数与加速度传感器的敏感轴的线加速度的关联,再基于滤波时间常数与第一权重和第二权重存在的关联得到权重值。如图6所示,本实施例的步骤S42包括:
[0101] 步骤S421,设置第一滤波参数η和第二滤波参数m,所述第二滤波参数m为所述第一滤波参数η的3〜5倍,通常为整数倍。第一滤波参数η和第二滤波参数m为建立滤波时间常数与加速度传感器的敏感轴的线加速度的关联所需要的参数。所述第一滤波参数η为经验值,本实施例中,第一滤波参数η的取值范围为[3,6],通常取整数,例如,3、4、5或6。
[0102] 步骤S422,确定滤波时间常数τ,其中,若Ki彡n/m则τ = _m*Ki+n,若Ki > n/m则τ =0,Ki为所述加速度传感器的合加速度与重力加速度G的差值,所述加速度传感器的合加速度是指各敏感轴(X敏感轴、y敏感轴和ζ敏感轴)的线加速度的矢量和。加速度传感器除了输出敏感轴的倾斜角,还输出敏感轴的线加速度,线加速度为矢量,有大小和方向,大小通常是以重力加速度G的倍数表示,如1G、1.2G、2G、2.5G等,因此Ki与重力加速度G呈倍数关系。滤波时间常数τ是相对于信号的持续时间而言的,对于低通滤波,允许持续时间大于或等于滤波时间常数τ的信号通过,而持续时间小于滤波时间常数τ的信号则会被滤除(允许低频信号通过,滤除高频信号);对于高通滤波,允许持续时间小于或等于滤波时间常数τ的信号通过,而持续时间大于滤波时间常数τ的信号则会被滤除(允许高频信号通过,滤除低频信号)。
[0103] 步骤S423,确定第一权重a和第二权重b,其中J = = Ι-b。滤波时间常
数τ可以理解为两个权重的比值再乘以采样时间dt,即r = 当滤波时间常数τ确定
后,对应于陀螺仪的第一权重a和对应于加速度传感器的第二权重b也可以确定。
[0104] 通过上述步骤建立了第一权重a、第二权重b与加速度传感器的合加速度与重力加速度的差值Ki之间的关联,从而使得第一权重a、第二权重b可以随加速度传感器的合加速度与重力加速度的差值Ki的变化而自适应调整。
[0105] 具体来说,当Ki < n/m时,τ > O, τ随Ki减小而增大,b随τ增大而增大,a随τ增大而减小;Ki = n/m时,τ = O, a = I, b = O,环境外力对姿态感知设备的作用影响了加速度传感器的线加速度变化,当加速度传感器的合加速度与重力加速度的差值Ki达到上限值n/m时,说明环境外力的作用太大,加速度传感器的数据的可靠性大大降低,对应陀螺仪的第一权重a为I,对应加速度传感器的第二权重b为O,也就是说,不需要结合加速度传感器的数据去修正陀螺仪的数据,而直接将陀螺仪的数据进行后续的定位计算。进一步地,当Ki > n/m时,如果根据τ =-m*Ki+n计算得到τ < O,此时再结合加速度传感器的数据去修正陀螺仪的数据也就没有意义,所以当Ki > n/m时,直接设置τ = O,相应地,a = 1,b = O。
[0106] 在确定滤波时间常数τ,以及对应所述陀螺仪的第一权重a和对应所述加速度传感器的第二权重b后,参见图5,接着执行步骤S43,基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角。进一步,如图7所示,本实施例的步骤S43包括:
[0107] 步骤S431,基于所述滤波时间常数τ对所述旋转角进行高通滤波后乘以所述第一权重,得到第一乘积结果;
[0108] 步骤S432,基于所述滤波时间常数τ对所述偏转角进行低通滤波后乘以所述第二权重,得到第二乘积结果;
[0109] 步骤S433,对所述第一乘积结果和第二乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
[0110] 由于低频信号会降低陀螺仪的检测精度,因此需要滤除陀螺仪的数据中的低频信号,即对陀螺仪的敏感轴的旋转角进行高通滤波,滤波后的数据近似为α ;而高频信号会降低加速度传感器的检测精度,因此需要滤除加速度传感器的数据中的高频信号,即对加速度传感器的敏感轴的偏转角进行低通滤波,滤波后的数据近似为β ;然后再对滤波后的陀螺仪的数据和加速度传感器的数据进行加权和卡尔曼滤波。
[0111] 在具体实施时,对χ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角α χ进行高通滤波后再乘以第一权重a ;对加速度传感器的χ敏感轴的偏转角β χ进行低通滤波后再乘以第二权重b ;将两个相乘的结果输入卡尔曼滤波器,卡尔曼滤波器的输出结果即为姿态感知设备与X轴的姿态角θχ。对ζ轴陀螺仪的敏感轴的旋转角Ciz进行高通滤波后再乘以第一权重a;对加速度传感器的ζ敏感轴的偏转角βζ进行低通滤波后再乘以第二权重b ;将两个相乘的结果输入卡尔曼滤波器,卡尔曼滤波器的输出结果即为姿态感知设备与ζ轴的姿态角θζ。由于本实施例的姿态感知设备仅包括两个陀螺仪,因此,确定姿态感知设备的姿态角只需确定姿态感知设备与X轴的姿态角和与ζ轴的姿态角即可,在其他实施例中,还可以包括I轴陀螺仪,相应地就可以根据I轴陀螺仪的敏感轴的旋转角和加速度传感器的I敏感轴的偏转角确定姿态感知设备与I轴的姿态角。
[0112] 在其他实施例中,在步骤S432后也可以不进行卡尔曼滤波,而是加权后直接累力口,即将所述第一乘积结果和第二乘积结果相加,得到所述姿态角,由于对陀螺仪的数据进行高通滤波后近似为α,对加速度传感器的数据进行低通滤波后近似为β,因此姿态感知设备与X轴的姿态角θχ和与ζ轴的姿态角02可以分别表示为:θχ〜a*ax+b*3x,Θ z a* a z+b* β ζ。本实施例采用卡尔曼滤波可以进一步提高定位的准确性和稳定性。
[0113] 确定姿态感知设备的姿态角也就实现了姿态感知设备的定位,即可以用姿态感知设备的姿态角来表示姿态感知设备的位置。进一步,还可以用姿态感知设备在空间坐标系的各坐标轴的分量来表示姿态感知设备的位置,本发明实施例的姿态感知设备的定位方法还可以包括:确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
[0114] 本实施例在具体实施时,所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ包括:姿态感知设备在空间坐标系的χ轴的分量dxcos θ χ和在空间坐标系的ζ轴的分量dzcos Θ z, dx为姿态感知设备在空间坐标系的χ轴的初始分量,dz为姿态感知设备在空间坐标系的ζ轴的初始分量,用坐标表示,姿态感知设备从初始位置(dx,dz)运动到了当前位置(dxCOS0x,dzcos θ ζ)。
[0115] 对应地,本实施例的姿态感知设备的定位装置与实施例1 (参见图4)不同的是处理单元Α4,如图8所示,本实施例的处理单元Α4包括:
[0116] 线加速度获取单元Α41,适于获取加速度传感器的敏感轴的线加速度;
[0117] 设置单元Α42,适于基于所述线加速度获取单元Α41获取的加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重;
[0118] 加权处理单元Α43,适于基于所述设置单元Α42设置的第一权重和第二权重,对所述转换单元A3转换得到的陀螺仪的敏感轴的旋转角和加速度传感器的敏感轴的偏转角进行加权处理,得到姿态感知·设备的姿态角。
[0119] 所述设置单元Α42进一步包括:
[0120] 滤波参数设置单元Α421,适于设置第一滤波参数η和第二滤波参数m,所述第一滤波参数η的取值范围为[3,6],所述第二滤波参数m为所述第一滤波参数η的3〜5倍;
[0121] 时间常数确定单元Α422,适于从所述线加速度获取单元Α41获取所述加速度传感器的敏感轴的线加速度,从所述滤波参数设置单元Α421获取第一滤波参数η和第二滤波参数m,确定滤波时间常数τ,其中,若Ki彡n/m则τ = _m*Ki+n,若Ki > n/m则τ = O, Ki为所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和与重力加速度的差值;
[0122] 权重确定单元A423,适于从所述时间常数确定单元A422获取滤波时间常数τ,基
于所述滤波时间常数τ确定所述第一权重a和第二权重b,其中J = ^^:,a= l_b。
[0123] 所述加权处理单元A43进一步包括:
[0124] 高通滤波器A431,适于对所述转换单元A3得到的陀螺仪的敏感轴的旋转角α进行高通滤波,所述高通滤波器的滤波时间常数从时间常数确定单元Α422获取;
[0125] 第一乘法器Α432,适于将所述高通滤波器Α431的输出结果乘以所述权重确定单兀Α423确定的第一权重,得到第一乘积结果;
[0126] 低通滤波器Α433,适于对所述转换单元A3得到的加速度传感器的偏转角β进行低通滤波,所述低通滤波器的滤波时间常数从时间常数确定单元Α32获取;
[0127] 第二乘法器Α434,适于将所述低通滤波器Α433的输出结果乘以所述权重确定单元Α423确定的第二权重,得到第二乘积结果;
[0128] 卡尔曼滤波器Α435,适于对所述第一乘法器Α432输出的第一乘积结果和第二乘法器Α434输出的第二乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态感知设备的姿态角。
[0129] 在其他实施例中,也可以利用加法器替代所述卡尔曼滤波器Α435,所述加法器适于将所述第一乘积结果和第二乘积结果相加,得到所述姿态角。[0130] 此外,本实施例的姿态感知设备的定位装置还可以包括分量确定单元(图中未示),所述分量确定单元适于确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,其中,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
[0131] 实施例3
[0132] 本实施例的步骤SI至S3、步骤S4的S41与实施例2相同,下面对步骤S42和S43进行详细说明。
[0133] 本实施例的步骤S4与实施例2的步骤S4的区别是对陀螺仪的数据和加速度传感器的数据直接加权,在加权前不进行滤波,因此,本实施例的步骤S42可以不设置滤波参数,而直接将加速度传感器测得的线加速度转换成线速度,基于所述线速度在一定范围内设置相对固定的第一权重和第二权重,第一权重和第二权重之和为I,具体地,请参考图9,步骤S42包括:
[0134] 步骤S421’,将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度。求所述加速度传感器的X敏感轴、y敏感轴和Z敏感轴的线加速度的矢量和,求得的矢量和对时间积分可以得到线速度。
[0135] 步骤S422’,判断所述线速度是否小于预设值,若是则执行步骤S423’,若否则执行 S424,。
[0136] 步骤S423’,设置所述第一权重小于所述第二权重。在静态或低速运动状态,线速度小于预设值,加速度传感器的精度高于陀螺仪的精度,所以设置对应于加速度传感器的第二权重大于对应于陀螺仪的第一权重。
[0137] 步骤S424’,设置所述第一权重大于所述第二权重。在高速运动状态,线速度大于或等于所述预设值,陀螺仪的精度高于加速度传感器的精度,所以设置对应于陀螺仪的第一权重大于对应于加速度传感器的第二权重。
[0138] 所述预设值为根据实际情况而预先设定的经验值,本实施例中,所述预设值的取值范围可以为[0.4,0.6],单位为米/秒,例如,所述预设值为0.5m/s,若所述线速度小于所述预设值,则所述第一权重的取值范围可以为[0,2/5],例如设置第一权重为1/3,则第二权重为2/3 ;或者,设置第一权重为2/5,则第二权重为3/5 ;如果线速度很小或为O,可以将第一权重设为0,第二权重设为I。若所述线速度大于或等于所述预设值,则所述第一权重的取值范围可以为[3/5,I],一般在线速度增大时,加速度传感器的数据的可靠性降低,应用加速度传感器的数据修正陀螺仪的数据意义不大,可以设置第一权重为1,则第二权重为O0
[0139] 在其他实施例中,也可以预先设置两个预设值,如第一预设值和第二预设值,所述第二预设值大于所述第一预设值,当所述线速度小于所述第一预设值,例如0.3m/s时,设置第一权重小于第二权重,例如,设置第一权重为1/3,第二权重为2/3 ;当所述线速度大于所述第二预设值,例如0.6m/s时,设置第一权重为I,第二权重为O ;否则设置第一权重大于第二权重,例如设置第一权重为2/3,第二权重为1/3。也就是说,随着线速度增加,逐渐减小加速度传感器的权重,增加陀螺仪的权重。
[0140] 请继续参考图10,本实施例的步骤S43包括:
[0141] 步骤S431’,将所述旋转角乘以所述第一权重,得到第三乘积结果;
[0142] 步骤S432’,将所述偏转角乘以所述第二权重,得到第四乘积结果;[0143] 步骤S433’,对所述第三乘积结果和第四乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
[0144] 步骤S43与实施例2的步骤S43的区别在于:将陀螺仪的敏感轴的旋转角直接乘以第一权重,加权前不进行高通滤波;将加速度传感器的敏感轴的偏转角直接乘以第二权重,加权前不进行低通滤波。此外,步骤S43所应用的第一权重和第二权重可以是本实施例的步骤S42所设置的第一权重和第二权重,也可以是实施例2的步骤S42所设置的第一权
重和第二权重。
[0145] 在其他实施例中,在步骤S432’后也可以不进行卡尔曼滤波,而是加权后直接累力口,即将所述第三乘积结果和第四乘积结果相加,得到所述姿态角,具体地,姿态感知设备与X轴的姿态角θχ和与Z轴的姿态角02可以分别表示为:θχ = a*ax+b#x,θ Ζ =a* α z+b* β ζ。本实施例采用卡尔曼滤波可以提高定位的准确性和稳定性。
[0146] 进一步,本实施例的姿态感知设备的定位方法还可以包括:确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
[0147] 对应地,本实施例的姿态感知设备的定位装置与实施例1 (参见图4)不同的是处理单元A4,如图11所示,本实施例的处理单元A4包括:
[0148] 线加速度获取单元B41,适于获取加速度传感器的敏感轴的线加速度;
[0149] 设置单元B42,适于基于所述线加速度获取单元B41获取的加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重;
[0150] 加权处理单元B43,适于基于所述设置单元B42设置的第一权重和第二权重,对所述转换单元A3转换得到的陀螺仪的敏感轴的旋转角和加速度传感器的敏感轴的偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角。
[0151 ] 所述设置单元B32进一步包括:
[0152] 线速度计算单元B421,适于将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度,所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度从所述线加速度获取单元B41获取;
[0153] 判断单元B422,适于判断所述线速度计算单元B421得到的所述线速度是否小于预设值;
[0154] 权重设置单元B423,适于在所述判断单元B422的判断结果为是时设置所述第一权重小于所述第二权重;在所述判断单元B422的判断结果为否时设置所述第一权重大于所述第二权重。
[0155] 在其他实施例中,所述设置单元可以包括:
[0156] 线速度计算单元,适于将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度,所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度从所述第二获取单元获取;
[0157] 第一判断单元,适于判断所述线速度计算单元得到的线速度是否小于第一预设值;
[0158] 第二判断单元,适于判断所述线速度计算单元得到的线速度是否大于第二预设值,所述第二预设值大于所述第一预设值,第二判断单元可以在所述第一判断单元的判断结果为否时判断所述线速度是否大于第二预设值;
[0159] 权重设置单元,适于在所述第一判断单元的判断结果为是时设置第一权重小于第二权重;在所述第二判断单元的判断结果为是时设置第一权重为1,第二权重为O ;否则设置第一权重大于第二权重。
[0160] 所述加权处理单元B43进一步包括:
[0161] 第三乘法器B431,适于将所述转换单元A3得到的陀螺仪的敏感轴的旋转角乘以所述权重设置单元B423设置的第一权重,得到第三乘积结果;
[0162] 第四乘法器B432,适于将所述转换单元A3得到的加速度传感器的敏感轴的偏转角乘以所述权重设置单元B423设置的第二权重,得到第四乘积结果;
[0163] 卡尔曼滤波器B433,适于对所述第三乘法器B431输出的第三乘积结果和所述第四乘法器B432输出的第四乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态感知设备的姿态角。
[0164] 在其他实施例中,也可以利用加法器替代所述卡尔曼滤波器B433,所述加法器适于将所述第三乘积结果和第四乘积结果相加,得到所述姿态角。
[0165] 此外,本实施例的姿态感知设备的定位装置还可以包括分量确定单元(图中未示),所述分量确定单元适于确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
[0166] 上述姿态感知设备可以作为空间鼠标,用于控制屏幕上鼠标指针的移动。本发明实施例还提供一种鼠标指针的控制方法,包括:上述的姿态感知设备的定位方法,如图12所示,还包括:
[0167] 步骤S5,计算所述姿态感知设备的变化分量Ad,其中,Ad = d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量;
[0168] 步骤S6,确定 所述鼠标指针的位移变化量As,其中,As = Λ d/(SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数;
[0169] 步骤S7,基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
[0170] 具体实施时,步骤S5所述的姿态感知设备的变化分量△ d包括:姿态感知设备在X轴的变化分量ΛΑ和在ζ轴的变化分量ΛΒ,其中,ΛΑ = A-Acos ΘΧ,A为姿态感知设备在χ轴的初始分量;ΛΒ = B-Bcos θ ζ, B为姿态感知设备在ζ轴的初始分量。步骤S5确定了姿态感知设备在χ轴和ζ轴所确定的二维空间,从第一位置运动到第二位置的变化,其中,第一位置可以用坐标(Α,Β)表示,A为第一位置在χ轴的分量,B为第一位置在ζ轴的分量;第二位置可以用坐标(Acos θ x, Bcos Θ J,Acos θ χ为第二位置在χ轴的分量,Bcos θ ζ为第二位置在ζ轴的分量。
[0171] 将姿态感知设备的空间运动映射到屏幕上鼠标指针的运动,以相互垂直的X轴(对应X轴)和Y轴(对应Z轴)确定的屏幕为例,步骤S6所述的鼠标指针的位移变化量Δ s包括:鼠标指针在X轴的位移变化量Λ X和在Y轴的位移变化量Λ Y。
[0172] 步骤S6的具体实施可以包括:确定所述鼠标指针在X轴的位移变化量ΛΧ,其中,ΔΧ = ΔA/(SFX*MF),SFx为χ轴陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数;确定所述鼠标指针在Y轴的位移变化量八¥,其中,八¥ = ΔΒ/(SFZ*MF),SFz为ζ轴陀螺仪的灵敏度系数,所述Y轴垂直于所述X轴。步骤S7的具体实施可以包括:基于所述鼠标指针在X轴的位移变化量△ X和在Y轴的位移变化量△ Y控制所述鼠标指针的移动,将鼠标指针从第三位置移动到第四位置,若鼠标在第三位置的坐标为(Χ1,Υ1),则鼠标在第四位置的坐标为(Χ1+ΛΧ,Υ1+ΛΥ)。其中,陀螺仪的灵敏度系数和鼠标的灵敏度系数是根据实际需求和运行环境,例如准确度要求、屏幕大小和分辨率等而设定和调整,此为本领域技术人员所公知,在此不再展开说明。
[0173] 需要说明的是,如果在姿态感知设备中安装三个相互垂直的陀螺仪,也可以基于上述方法实现以姿态感知设备在三维空间的运动控制鼠标指针在二维/三维空间的移动。
[0174] 对应地,本发明实施例的鼠标指针的控制装置如图13所示,包括:
[0175] 姿态感知设备的定位装置Cl,其结构可以如图4所示;
[0176] 分量变化确定单元C2,适于计算所述姿态感知设备的分量变化Ad,其中,Ad =d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,所述姿态角从所述姿态感知设备的定位装置Cl获取;
[0177] 位移变化确定单元C3,适于确定所述鼠标指针的位移变化量As,其中,As =Δ d/ (SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数,Λ d为所述分量变化确定单元C2计算得到的所述姿态感知设备的分量变化;
[0178] 指针控制单元C4,适于基于所述位移变化确定单元C3确定的鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
[0179] 上述鼠标指针的控制装置可以全部或部分集成在姿态感知设备中,姿态感知设备通过无线收发装置(例如射频收发器、红外收发器等)与控制鼠标指针的控制设备(例如投影仪、计算机等)传送信息,无线收发器通过USB接口与控制设备连接。
[0180] 在本发明一个实施例中,姿态感知设备包括:x轴陀螺仪、ζ轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器和上述的定位装置Cl。姿态感知设备通过无线收发装置向控制设备发送姿态感知设备的姿态角信息。上述的分量变化确定单元C2、位移变化确定单元C3和指针控制单元C4可以集成在控制设备中。
[0181] 在本发明的另一个实施例中,姿态感知设备包括:X轴陀螺仪、ζ轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器、上述的定位装置Cl和分量变化确定单元C2。姿态感知设备通过无线收发装置向控制设备发送姿态感知设备的分量变化信息。上述的位移变化确定单元C3和指针控制单元C4可以集成在控制设备中。
[0182] 在本发明的又一个实施例中,姿态感知设备包括:x轴陀螺仪、ζ轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器、上述的定位装置Cl、分量变化确定单元C2和位移变化确定单元C3。空间鼠标通过无线收发装置向控制设备发送鼠标指针的位移变化量信息。上述的指针控制单元C4可以集成在控制设备中。
[0183] 在本发明的再一个实施例中,姿态感知设备包括:x轴陀螺仪、ζ轴陀螺仪、三轴重力加速度传感器和上述的鼠标指针的控制装置。姿态感知设备通过无线收发装置向控制设备发送鼠标指针的位置信息。
[0184] 综上所述,上述技术方案具有以下优点:
[0185] 利用观测方程对陀螺仪的测量值和加速度传感器的测量值进行标定,对标定后的陀螺仪的测量值和加速度传感器的测量值进行融合,因而可以有效地融合陀螺仪的数据和加速度传感器的数据,实现姿态感知设备的准确定位和鼠标指针的精确控制。
[0186] 采用卡尔曼滤波的融合方式可以消除多种误差因素的影响且实现方便。
[0187] 采用加权的融合方式,基于线加速度对陀螺仪和加速度传感器设置不同的权重,使得陀螺仪的权重和加速度传感器的权重可以随线加速度变化而自适应调整;并且,通过加权处理将陀螺仪的敏感轴的旋转角和加速度传感器的敏感轴的偏转角结合,由此有效地融合了陀螺仪的数据和加速度传感器的数据,实现了姿态感知设备的准确定位和鼠标指针的精确控制。
[0188] 通过建立加速度传感器的合加速度与重力加速度的差值与陀螺仪的权重和加速度传感器的权重的关联,使得陀螺仪的权重和加速度传感器的权重可以随加速度传感器的合加速度与重力加速度的差值的变化而自适应调整。
[0189] 在对陀螺仪的数据加权前进行高通滤波,在对加速度传感器的数据进行加权前进行低通滤波,以滤除影响精度的信号,从而提高了姿态感知设备定位的准确性和稳定性,以及鼠标指针控制的精确度。
[0190] 在对陀螺仪的数据和加速度传感器的数据加权后通过卡尔曼滤波使得融合后的数据更为准确和稳定,进一步提高了姿态感知设备定位的准确性和稳定性,以及鼠标指针控制的精确度。
[0191] 虽然本发明己以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (35)

1.一种姿态感知设备的定位方法,所述姿态感知设备包括陀螺仪和加速度传感器,其特征在于,包括: 获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴; 建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感 轴的倾斜角观测值,所述观测方程为
Figure CN102289306BC00021
.中,陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,qm为加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,X为误差系数矢量,q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,ε,为高斯白噪声,
Figure CN102289306BC00022
为 X 轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,〜为y轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,ωζ为Z轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值; 将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角; 对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。
2.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角包括:对所述旋转角和所述偏转角进行卡尔曼滤波,得到姿态感知设备的姿态角。
3.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角包括: 获取加速度传感器的敏感轴的线加速度; 基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重; 基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角。
4.如权利要求3所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重包括: 设置第一滤波参数η和第二滤波参数m,所述第二滤波参数m为所述第一滤波参数η的3〜5倍; 确定滤波时间常数τ,其中,若Ki彡n/m则τ =-m*Ki+n,若Ki>n/m则τ=0,Κί为所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和与重力加速度的差值; 确定所述第一权重a和第二权重b,其中
Figure CN102289306BC00023
,dt为采样时间。
5.如权利要求4所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述第一滤波参数η的取值范围为[3,6]。
6.如权利要求4所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角包括: 基于所述滤波时间常数对所述旋转角进行高通滤波后乘以所述第一权重,得到第一乘积结果; 基于所述滤波时间常数对所述偏转角进行低通滤波后乘以所述第二权重,得到第二乘积结果; 将所述第一乘积结果和第二乘积结果相加,得到所述姿态角。
7.如权利要求4所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角包括: 基于所述滤波时间常数对所述旋转角进行高通滤波后乘以所述第一权重,得到第一乘积结果; 基于所述滤波时间常数对所述偏转角进行低通滤波后乘以所述第二权重,得到第二乘积结果; 对所述第一乘积结果和第二乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
8.如权利要求3所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,所述第一权重和第二权重之和为I ;基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重包括: 将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度; 若所述线速度小于预设值则设置所述第一权重小于所述第二权重; 若所述线速度大于或等于预设值则设置所述第一权重大于所述第二权重。
9.如权利要求8所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述预设值为0.5米/秒, 若所述线速度小于所述预设值则设置所述第一权重为1/3或2/5 ; 若所述线速度大于或等于所述预设值则设置所述第一权重为I。
10.如权利要求3所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,所述第一权重和第二权重之和为I ;基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重包括: 将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度; 若所述线速度小于第一预设值则设置所述第一权重小于所述第二权重; 若所述线速度大于第二预设值则设置所述第一权重为I,所述第二预设值大于所述第一预设值; 否则设置所述第一权重大于所述第二权重。
11.如权利要求10所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,所述第一预设值为`0.3米/秒,所述第二预设值为0.6米/秒; 若所述线速度小于所述第一预设值则设置所述第一权重为1/3 ;若所述线速度大于所述第二预设值则设置所述第一权重为I; 否则设置所述第一权重为2/3。
12.如权利要求3所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角包括: 将所述旋转角乘以所述第一权重,得到第三乘积结果; 将所述偏转角乘以所述第二权重,得到第四乘积结果; 将所述第三乘积结 果和第四乘积结果相加,得到所述姿态角。
13.如权利要求3所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角包括: 将所述旋转角乘以所述第一权重,得到第三乘积结果; 将所述偏转角乘以所述第二权重,得到第四乘积结果; 对所述第三乘积结果和第四乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
14.如权利要求1至13任一项所述的姿态感知设备的定位方法,其特征在于,还包括:确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,用以计算所述姿态感知设备的变化分量Ad = d-dcos Θ,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
15.一种鼠标指针的控制方法,其特征在于,包括: 权利要求1-14任一项所述的姿态感知设备的定位方法; 计算所述姿态感知设备的变化分量Ad,其中,Ad = d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量; 确定所述鼠标指针的位移变化量As,其中,As = Ad/ (SF*MF), SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数; 基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
16.一种姿态感知设备的定位装置,所述姿态感知设备包括陀螺仪和加速度传感器,其特征在于,包括: 获取单元,适于获取陀螺仪的敏感轴的角速度测量值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,所述加速度传感器的敏感轴对应所述陀螺仪的敏感轴; 标定单元,适于建立观测方程以获取陀螺仪的敏感轴的角速度观测值和加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,所述观测方程为
Figure CN102289306BC00041
其中,陀螺仪的敏感轴的角速度观测值,qm为加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值,ω为陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,X为误差系数矢量,q为加速度传感器的敏感轴的倾斜角测量值,ε ω为陀螺仪的随机测量误差,£。为高斯白噪声,
Figure CN102289306BC00042
为 X 轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,〜为y轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值,ωζ为Z轴陀螺仪的敏感轴的角速度测量值;转换单元,适于将所述陀螺仪的敏感轴的角速度观测值转换成陀螺仪的敏感轴的旋转角,将所述加速度传感器的敏感轴的倾斜角观测值转换成加速度传感器的敏感轴的偏转角; 处理单元,适于对所述旋转角和所述偏转角进行融合,得到姿态感知设备的姿态角。
17.如权利要求16所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述处理单元为卡尔曼滤波器,适于对所述旋转角和所述偏转角进行卡尔曼滤波,得到姿态感知设备的姿态角。
18.如权利要求16所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述处理单元包括: 线加速度获取单元,适于获取加速度传感器的敏感轴的线加速度; 设置单元,适于基于所述加速度传感器的敏感轴的线加速度设置对应所述陀螺仪的第一权重和对应所述加速度传感器的第二权重; 加权处理单元,适于基于所述第一权重和第二权重,对所述旋转角和所述偏转角进行加权处理,得到姿态感知设备的姿态角。
19.如权利要求18所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,所述设置单元包括: 滤波参数设置单元,适于设置第一滤波参数η和第二滤波参数m,所述第二滤波参数m为所述第一滤波参数η的3飞倍; 时间常数确定单元,适于确定滤波时间常数1,其中,
Figure CN102289306BC00051
,若Ki>n/m则τ=0,Ki为所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和与重力加速度的差值; 权重确定单元,适于确定所述第一权重a和第二权重b,其中,b = ,a = 1-b,dt为米样时间。
20.如权利要求19所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述第一滤波参数η的取值范围为[3,6]。
21.如权利要求19所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加权处理单元包括: 高通滤波器,适于基于所述滤波时间常数对所述旋转角进行高通滤波; 第一乘法器,适于将所述高通滤波器的输出结果后乘以所述第一权重,得到第一乘积结果; 低通滤波器,适于基于所述滤波时间常数对所述偏转角进行低通滤波; 第二乘法器,适于将所述低通滤波器的输出结果乘以所述第二权重,得到第二乘积结果; 加法器,适于将所述第一乘积结果和第二乘积结果相加,得到所述姿态角。
22.如权利要求19所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加权处 理单元包括: 高通滤波器,适于基于所述滤波时间常数对所述旋转角进行高通滤波; 第一乘法器,适于将所述高通滤波器的输出结果后乘以所述第一权重,得到第一乘积结果;低通滤波器,适于基于所述滤波时间常数对所述偏转角进行低通滤波; 第二乘法器,适于将所述低通滤波器的输出结果乘以所述第二权重,得到第二乘积结果; 卡尔曼滤波器,适于对所 述第一乘积结果和第二乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
23.如权利要求18所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,所述第一权重和第二权重之和为I ;所述设置单元包括: 线速度计算单元,适于将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度; 判断单元,适于判断所述线速度是否小于预设值; 权重设置单元,适于在所述判断单元的判断结果为是时设置所述第一权重小于所述第二权重;在所述判断单元的判断结果为否时设置所述第一权重大于所述第二权重。
24.如权利要求23所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述预设值为0.5米/秒, 若所述线速度小于所述预设值则设置所述第一权重为1/3或2/5 ; 若所述角速度大于或等于所述预设值则设置所述第一权重为2/3或3/5。
25.如权利要求18所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加速度传感器为三轴重力加速度传感器,所述第一权重和第二权重之和为I ;所述设置单元包括: 线速度计算单元,适于将所述加速度传感器的各敏感轴的线加速度的矢量和对时间积分得到线速度; 第一判断单元,适于判断所述线速度是否小于第一预设值; 第二判断单元,适于判断所述线速度是否大于第二预设值,所述第二预设值大于所述第一预设值; 权重设置单元,适于在所述第一判断单元的判断结果为是时设置第一权重小于第二权重;在所述第二判断单元的判断结果为是时设置第一权重为1,第二权重为O ;否则设置第一权重大于第二权重。
26.如权利要求25所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述第一预设值为0.3米/秒,所述第二预设值为0.6米/秒; 若所述线速度小于所述第一预设值则设置所述第一权重为1/3 ; 若所述线速度大于所述第二预设值则设置所述第一权重为I ; 否则设置所述第一权重为2/3。
27.如权利要求18所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加权处理单元包括: 第三乘法器,适于将所述旋转角乘以所述第一权重,得到第三乘积结果; 第四乘法器,适于将所述偏转角乘以所述第二权重,得到第四乘积结果; 加法器,适于将所述第三乘积结果和第四乘积结果相加,得到所述姿态角。
28.如权利要求18所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,所述加权处理单元包括: 第三乘法器,适于将所述旋转角乘以所述第一权重,得到第三乘积结果;第四乘法器,适于将所述偏转角乘以所述第二权重,得到第四乘积结果; 卡尔曼滤波器,适于对所述第三乘积结果和第四乘积结果进行卡尔曼滤波,得到所述姿态角。
29.如权利要求16至28任一项所述的姿态感知设备的定位装置,其特征在于,还包括:分量确定单元,适于确定所述姿态感知设备在空间坐标系的分量dcos Θ,用以计算所述姿态感知设备的变化分量Ad = d-dcos Θ,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量,Θ为姿态角。
30.一种鼠标指针的控制装置,其特征在于,包括: 权利要求16-29任一项所述的姿态感知设备的定位装置; 分量变化确定单元,适于计算所述姿态感知设备的分量变化△(!,其中,Ad =d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量; 位移变化确定单元,适于确定所述鼠标指针的位移变化量As,其中,As = Ad/(SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数; 指针控制单元,适于基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
31.一种姿态感知设备,包括陀螺仪和加速度传感器,其特征在于,还包括: 权利要求16-29任一项所述的姿态感知设备的定位装置。
32.如权利要求31所述的姿态感知设备,其特征在于,还包括: 分量变化确定单元,适于计算所述姿态感知设备的分量变化△(!,其中,Ad =d-dcos θ,Θ为姿态角,d为姿态感知设备在空间坐标系的初始分量。
33.如权利要求32所述的姿态感知设备,其特征在于,还包括: 位移变化确定单元,适于确定鼠标指针的位移变化量Λ s,其中,As=Ad/(SF*MF),SF为所述陀螺仪的灵敏度系数,MF为鼠标指针的灵敏度系数。
34.如权利要求33所述的姿态感知设备,其特征在于,还包括: 指针控制单元,适于基于所述鼠标指针的位移变化量控制所述鼠标指针的移动。
35.如权利要求31至34任一项所述的姿态感知设备,其特征在于,包括两个相互垂直的单轴陀螺仪和一个三轴重力加速度传感器。
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