CN104949688A - 利用误差反馈的mems传感器滤波 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用误差反馈的MEMS传感器滤波。提供了用于利用误差反馈对微机电系统传感器速率信号进行滤波的系统和方法。在一个示例中，提供了微机电系统传感器速率信号。接下来，从该微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号，以产生第一组合信号。该第一组合信号随后被滤波，以产生经滤波的速率输出。随后从该经滤波的速率输出减去该微机电系统传感器速率信号，以产生误差信号，其中该误差信号被用在该反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。

Description

利用误差反馈的MEMS传感器滤波
背景技术
微机电系统（MEMS）可以包括各种传感器，诸如陀螺仪、加速计和磁力计。这些传感器可以被实施在各种控制系统和惯性导航应用（诸如惯性测量单元（IMU））中。当受到非常高级别的震荡或者振动时，MEMS传感器的操作可能被干扰或者停止。结果，MEMS传感器通常需要在振动和震荡环境期间进行滤波以改善性能。
发明内容
提供了用于利用误差反馈对微机电系统传感器速率信号进行滤波的系统和方法。在一个示例中，提供了微机电系统传感器速率信号。接下来，从该微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号，以产生第一组合信号。该第一组合信号随后被滤波，以产生经滤波的速率输出。随后从该经滤波的速率输出减去该微机电系统传感器速率信号，以产生误差信号，其中该误差信号被用在该反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。
附图说明
要理解的是，附图仅描绘出示例性实施例并且因此不被认为是在范围上进行限制，将通过使用附图，以附加的特异性和细节来描述示例性实施例，其中：
图1A和1B是利用误差反馈的MEMS传感器滤波的示例方法的流程图。
图2是用于利用误差反馈的MEMS传感器滤波的示例系统的方框图。
按照惯例，各种所描述的特征不是按比例绘制的，而是被绘制为强调与示例性实施例相关的具体特征。
具体实施方式
虽然对MEMS传感器速率信号进行滤波可以提供许多有用的益处，但是在一些应用中，其也可能是有害的，因为误差可能在速率信号中积累。例如，当为了导航目的而在MEMS传感器中使用滤波器时，由于速率限制和其他类型的滤波器，大角度可能在速率信号中积累，这可能引起航向或者姿态问题。本文描述的实施例提供了对由于滤波而引起的信号误差进行反馈以减小系统中的误差积累的系统和方法。结果，所提出的系统和方法允许了具有对导航性能的减小影响的任意传感器速率信号滤波。
图1A和1B是用于对MEMS传感器速率信号进行滤波的示例方法100的流程图。在示例性实施例中，方法100接收MEMS传感器速率信号并且对该MEMS传感器速率信号进行操作以生成经滤波的速率输出101以及反馈信号103，以用于方法100的未来迭代。方法100的所给出的迭代在本文中也被称为方法100的“时间步骤”。
通过向MEMS传感器速率信号102应用一个或者多个滤波器来生成经滤波的速率输出101。基于经滤波的速率输出101和MEMS传感器速率信号102之间的差异（即，方法100的输入信号和输出信号之间的差异）来生成反馈信号。MEMS传感器速率信号102和经滤波的速率输出信号101之间的差异是MEMS传感器速率信号102中的改变，其是由滤波器在方法100的当前时间步骤（迭代）中所引起的。这种改变虽然是由滤波器故意地应用到MEMS传感器速率信号102的，但是其使得经滤波的速率输出101不包括由MEMS传感器所获得的全部的实际测量结果。因为MEMS传感器速率信号102是积累的信号（即，在当前时间的MEMS传感器速率信号表示从在先前时间所测量的MEMS传感器速率信号的改变），所以在由滤波器引起的MEMS传感器速率信号102中的改变将随着时间而积累。如果如在传统MEMS传感器中那样忽略了由滤波器引起的改变，则该改变导致经滤波的速率输出信号101中的测量误差。相应地，由滤波器应用到MEMS传感器速率信号102的改变（即，MEMS传感器速率信号102和经滤波的速率输出101之间的差异）是误差信号。基于这个误差信号，方法100向MEMS传感器速率信号102应用反馈信号以用于（多个）未来时间步骤，以便减小在经滤波的速率输出101中此误差的积累。关于方法100的更多细节在下文中被提供。
用于方法100的输入信号是MEMS传感器速率信号（方框102）。如已知的，MEMS传感器可以被用在各种应用中来测量关于系统的信息，该MEMS传感器被结合到该系统中。例如，MEMS传感器可以被用在陀螺仪、加速计和磁力计中。在这些应用中，MEMS传感器将分别测量MEMS的角旋转、线性加速度和定向。来自MEMS传感器的这种测量是作用于方法100中的速率信号（方框102）。虽然方法100涉及对速率信号进行滤波，但是速率信号的附加滤波可以发生在作用于方法100中之前。如果这样的滤波存在，其将不是本文讨论的方法100的一部分。因此，在一些实施例中，输入到方法100中的速率信号102是来自MEMS传感器的、原始未滤波的信号。在其他实施例中，MEMS速率信号102在使用于方法100中之前被滤波，并且方法100应用附加滤波来生成经滤波的速率输出101并且还基于该附加滤波来生成反馈信号。
如上文讨论的，一个或者多个滤波器被应用到MEMS传感器速率信号102（方框106），以便例如使来自MEMS传感器的响应平滑。对MEMS传感器速率信号102进行滤波（方框106）产生了经滤波的速率输出101。对MEMS传感器速率信号102进行滤波可以包括应用任何合适的滤波器，其包括但不限于有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、速率限制滤波器、限幅（clipping）滤波器和平滑滤波器。附加地，在一些实施例中，可以向第一组合信号应用一个以上的滤波器。所使用的滤波器类型和滤波器数量可以取决于MEMS传感器将被用于的应用。经滤波的速率输出101是方法100的输出，其可以被用于进一步的处理，诸如用来生成导航解决方案。
同样如上文讨论的，方法100包括基于通过对MEMS信号进行滤波（方框106）所引起的误差来生成反馈信号103。反馈信号103由反馈回路来生成，该反馈回路将在下文关于方框108-114进行描述。
为了生成反馈信号103，通过对MEMS信号进行滤波（方框106）所引起的误差被确定（方框110）。通过计算经滤波的速率输出101和该经滤波的速率输出101所对应于的MEMS传感器速率信号102之间的差异来确定此误差。在示例中，通过从经滤波的速率输出101减去MEMS传感器速率信号102来计算此差异，以产生误差信号。这两个信号之间的差异是滤波器由于其在方框106中进行的滤波而已经消除的信号量。也就是说，每当由滤波器做出一次速率测量，如果存在对其应用的滤波器，则可能存在一些被移除的信息，此信息如果不被计及，则其可能最终在系统中积累。例如，如果滤波器被应用于由MEMS传感器所经历的加速，则经滤波的输出可以是实际加速的一部分。经滤波的输出和实际加速之间的差异是误差信号。
对应于经滤波的速率输出101的MEMS传感器速率信号102是MEMS传感器速率信号102的时间步骤或者时间步骤之一，该MEMS传感器速率信号102在方框106中被滤波以生成经滤波的输出信号101。在方框108中使用的一些类型的滤波器（诸如速率限制滤波器或者限幅滤波器）不会在相对于MEMS传感器速率信号102的经滤波的速率输出101中引入任何延迟。对于不引入延迟的这种滤波器而言，针对给定时间步骤与经滤波的速率输出101相对应的MEMS传感器速率信号102是针对该相同时间步骤的MEMS传感器速率信号102。在应用于方框106中的滤波器都未引入延迟的情况下，针对给定时间步骤而输入到方法100的MEMS传感器速率信号102可以与针对该相同时间步骤的经滤波的速率输出101相差分。
在方框106中使用的其他类型的滤波器（诸如有限脉冲响应滤波器或者无限脉冲响应滤波器）向经滤波的速率输出中引入了群延迟。在应用于方框106中的滤波器中的一个或者多个滤波器引入延迟的这种示例中，来自方框102的MEMS传感器速率信号在与经滤波的速率输出101相差分之前被延迟（方框108）。方框108中的延迟被用来补偿由方框106中的滤波所引入的群延迟。换而言之，方框108中提供的延迟是用于将来自方框102的MEMS传感器速率信号和来自方框106的经滤波的速率输出进行同步，使得两个信号对应于时间上等价的点。在任何情况下，从MEMS传感器速率信号102差分经滤波的速率输出101的结果是用来生成反馈信号103的误差信号。
在示例性实施例中，对误差信号进行积分以生成经积分的误差信号（方框112）。将方框112结合到方法100中的优点在于它允许所积累的滤波误差被重新分布在由反馈增益114所控制的时间范围（timeframe）上。例如，假设针对给定样本（时间步骤）存在较大正误差输出。积分器112保留该时间步骤中引发的较大正误差输出并且允许它在多个未来时间步骤内被重新分布回到该经滤波的速率输出101中。在没有积分的情况下，针对给定时间步骤的滤波误差将针对未来时间步骤而丢失，从而去除了在多个未来时间步骤期间重新分布滤波误差的能力。
在示例性实施例中，将增益应用到经积分的误差信号112以产生在方框104（方框114）中使用的反馈信号。可以如本领域技术人员所已知那样来应用这样的增益，以便控制反馈回路的响应。反馈增益确定滤波误差会多迅速地重新分布回到经滤波的速率输出101中。例如，如果你希望针对给定时间步骤的滤波误差快速地进行反馈（在很少未来时间步骤的过程内），则增益可以被设定为高，以及反之亦然，以便缓慢地进行反馈（在许多未来时间步骤的过程内）。也就是说，反馈增益将被设定为生成期望的反馈速率，以便限制在反馈信号103中的信号暂态（transient）的大小和持续时间，该信号暂态可能引起系统的问题并且是滤波器被用在如上文描述的MEMS传感器中的一个原因。因此，例如，如果MEMS每毫秒执行方法100并且如果在一个时间步骤期间误差输出改变得太多，则在方框114所应用的增益可以限制在该时间步骤期间被反馈到系统中的误差输出量。剩余部分将随后在未来时间步骤期间以由反馈增益所控制的速率而被添加到系统。增益被设定的速率取决于MEMS的应用。
在任何情况下，由反馈回路在给定时间步骤中生成的反馈信号103被应用到MEMS传感器信号102（方框104）以用于接下来的时间步骤。反馈信号103在MEMS传感器信号102在方框106中被滤波之前被应用到该MEMS传感器信号102。结果，针对MEMS传感器的滤波特性将保持相同。在示例中，从MEMS传感器速率信号102减去反馈信号103，以产生第一组合信号。这个第一组合信号是在方框106处被滤波的信号。
图2是用于利用误差反馈的微机电系统（MEMS）传感器滤波的示例系统200。系统200包括至少一个MEMS传感器202，其被配置成产生至少一个MEMS传感器速率信号204；至少一个存储器设备208，其被配置成存储滤波指令210；以及至少一个处理设备206，其被通信地耦合到该至少一个MEMS传感器202和该至少一个存储器设备208。进一步地，当该至少一个处理设备206执行存储在存储器208中的滤波指令210时，处理设备206从该至少一个微机电系统传感器速率信号204减去来自反馈回路的反馈信号，以产生第一组合信号。进一步地，该滤波指令210在被该处理设备206执行时，使该至少一个处理设备206对该第一组合信号进行滤波，以产生经滤波的速率输出，并且从该经滤波的速率输出减去该至少一个MEMS传感器速率信号以产生误差信号，其中该误差信号被用在反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。误差信号、MEMS传感器202、由MEMS传感器202和滤波器产生的MEMS传感器速率信号204可以分别具有与上文在图1中讨论的误差信号、MEMS、由MEMS和滤波器产生的MEMS传感器速率信号相同的特性中的一些特性或者全部特性。
而且，滤波指令210在被至少一个处理设备206执行时，使该至少一个处理设备206对反馈回路中的误差信号进行积分，以生成经积分的误差信号，其被用来生成用于未来时间步骤的反馈信号。另外，该滤波指令可以使该至少一个处理设备206向误差信号应用增益，以生成用于未来时间步骤的反馈信号，将该用于未来时间步骤的反馈信号从未来时间步骤的MEMS传感器速率信号减去以产生未来时间步骤的第一组合信号。相似地，此处讨论的延迟和增益可以具有与上文关于图1所讨论的延迟和增益相同的特性中的一些特性或者全部特性。
在某些实施例中，一个或者多个处理设备206可以包括中央处理单元（CPU）、微控制器、微处理器（例如，数字信号处理器（DSP））、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）或者其他处理设备。在某些实施例中，存储器208是用于存储机器可读数据和指令的电子硬件设备。在一个实施例中，存储器208在用于对计算机可读指令或者数据结构的存储的任何合适计算机可读介质上存储信息。计算机可读介质可以被实施为任何可用的介质，其可以由通用或专用计算机或处理器或者任何可编程逻辑设备访问。适当的处理器可读介质可以包括诸如磁介质或者光学介质之类的存储装置或者存储器介质。例如，存储装置或者存储器介质可以包括传统硬盘、压缩盘只读存储器（CD-ROM）、诸如随机存取存储器（RAM）（包括但不限于，同步动态随机存取存储器（SDRAM）、双数据速率（DDR）RAM、RAMBUS 动态RAM（RDRAM）、静态RAM（SRAM）等等）之类的易失性或者非易失性介质、只读存储器（ROM）、电可擦可编程ROM（EEPROM）和闪速存储器等等。适当的处理器可读介质也可以包括经由通信介质（诸如网络和/或无线链路）传达的传输介质，诸如电信号、电磁信号或者数字信号。
示例实施例
示例1包括一种用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其包括：提供微机电系统传感器速率信号；从所述微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号以产生第一组合信号；对所述第一组合信号进行滤波以产生经滤波的速率输出；以及从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统传感器速率信号以产生误差信号，其中所述误差信号被用在所述反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。
示例2包括示例1的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其中所述反馈回路对所述误差信号进行积分以生成经积分的误差信号，其被用来生成用于未来时间步骤的反馈信号。
示例3包括示例1-2中的任一示例的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其中增益被应用到所述误差信号以生成用于未来时间步骤的反馈信号，将所述用于未来时间步骤的反馈信号从未来时间步骤的微机电系统传感器速率信号减去以产生未来时间步骤的第一组合信号。
示例4包括示例1-3中的任一示例的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其包括在从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统速率信号之前对所述微机电系统传感器速率信号进行延迟，以便补偿所述经滤波的速率输出中由所述滤波器引起的延迟。
示例5包括示例1-4中的任一示例的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其中所述滤波器包括以下滤波器中的至少一个：有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、速率限制滤波器、限幅滤波器和平滑滤波器。
示例6包括示例1-5中的任一示例的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法，其中对所述第一组合信号进行滤波包括对所述第一组合信号使用一个以上的滤波器来产生所述经滤波的速率输出。
示例7包括一种微机电传感器系统，其包括：至少一个微机电传感器，其被配置成产生至少一个微机电系统传感器速率信号；至少一个存储器设备，其被配置成存储滤波指令；以及至少一个处理设备，其被通信地耦合到所述至少一个微机电传感器和所述至少一个存储器设备，其中所述滤波指令在被所述至少一个处理设备执行时，使所述至少一个处理设备：从所述至少一个微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号以产生第一组合信号；对所述第一组合信号进行滤波以产生经滤波的速率输出；以及从所述经滤波的速率输出减去所述至少一个微机电系统传感器速率信号以产生误差信号，其中所述误差信号被用在反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。
示例8包括示例7的微机电传感器系统，其中所述滤波指令在被所述至少一个处理设备执行时，使所述至少一个处理设备对所述反馈回路中的所述误差信号进行积分以生成经积分的误差信号，所述经积分的误差信号被用来生成用于未来时间步骤的反馈信号。
示例9包括示例7-8中的任一示例的微机电传感器系统，其中所述滤波指令在被所述至少一个处理设备执行时，使所述至少一个处理设备向所述误差信号应用增益以生成用于未来时间步骤的反馈信号，将所述用于未来时间步骤的反馈信号从未来时间步骤的微机电系统传感器速率信号减去以产生未来时间步骤的第一组合信号。
示例10包括示例7-9中的任一示例的微机电传感器系统，其中所述滤波指令在被所述至少一个处理设备执行时，使所述至少一个处理设备在从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统速率信号之前向所述微机电系统传感器速率信号应用延迟，以补偿所述经滤波的速率输出中由所述滤波器引起的延迟。
示例11包括示例7-10中的任一示例的微机电传感器系统，其中所述滤波器包括以下滤波器中的至少一个：有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、速率限制滤波器、限幅滤波器和平滑滤波器。
示例12包括示例7-11中的任一示例的微机电传感器系统，其中所述滤波器包括对所述第一组合信号使用一个以上的滤波器来产生所述经滤波的速率输出。
示例13包括示例7-12中的任一示例的微机电传感器系统，其中所述至少一个微机电传感器是以下类型传感器中的至少一个：陀螺仪、加速计或者磁力计。
示例14包括一种微机电传感器装置，包括：至少一个微机电传感器，其被配置成：产生至少一个微机电系统传感器速率信号；从所述微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号以产生第一组合输出；对第一组合输出进行滤波以产生经滤波的信号输出；以及从所述经滤波的速率输出减去所述至少一个微机电系统传感器信号以产生误差信号，其中所述误差信号被用在反馈回路中以产生用于未来时间步骤的反馈信号。
示例15包括示例14的微机电传感器装置，其中所述至少一个微机电传感器被进一步配置成将所述反馈回路中的误差信号进行积分以生成经积分的误差信号，所述经积分的误差信号被用来生成用于未来时间步骤的反馈信号。
示例16包括示例14-15中的任一示例的微机电传感器装置，其中所述至少一个微机电传感器被进一步配置成向所述误差信号应用增益以生成用于未来时间步骤的反馈信号，将所述用于未来时间步骤的反馈信号从未来时间步骤的微机电系统传感器速率信号减去，以产生未来时间步骤的第一组合信号。
示例17包括示例14-16中的任一示例的微机电传感器装置，其中所述至少一个微机电传感器被进一步配置成在从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统速率信号之前对所述微机电系统传感器速率信号进行延迟，以补偿所述经滤波的速率输出中由所述滤波器引起的延迟。
示例18包括示例14-17中的任一示例的微机电传感器装置，其中所述滤波器包括以下滤波器中的至少一个：有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、速率限制滤波器、限幅滤波器和平滑滤波器。
示例19包括示例14-18中的任一示例的微机电传感器装置，其中所述滤波器包括对所述第一组合信号使用一个以上的滤波器来产生所述经滤波的速率输出。
示例20包括示例14-19中的任一示例的微机电传感器装置，其中所述至少一个微机电传感器是以下类型传感器中的至少一个：陀螺仪、加速计或者磁力计。
虽然在本文中已经说明和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将领会的是，被考虑为实现相同目的的任何布置可以替代所示出的具体实施例。因此，所明显意在的是，本发明仅被权利要求及其等同方式所限制。

Claims (3)

1.一种用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法（100），包括：
提供微机电系统传感器速率信号（102）；
从所述微机电系统传感器速率信号减去来自反馈回路的反馈信号以产生第一组合信号（104）；
对所述第一组合信号进行滤波以产生经滤波的速率输出（106）；以及
从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统传感器速率信号以产生误差信号，其中所述误差信号被用在所述反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号（110）。
2.如权利要求1的用于微机电系统传感器速率信号的滤波方法（100），其中所述反馈回路对所述误差信号进行积分以生成经积分的误差信号，所述经积分的误差信号被用来生成用于未来时间步骤的反馈信号（112）；
其中将增益应用到所述误差信号以生成用于未来时间步骤的反馈信号（114），将所述用于未来时间步骤的反馈信号从未来时间步骤的微机电系统传感器速率信号减去以产生未来时间步骤的第一组合信号（104）；以及
所述滤波方法（100）进一步包括在从所述经滤波的速率输出减去所述微机电系统速率信号（110）之前对所述微机电系统传感器速率信号进行延迟（108），以补偿所述经滤波的速率输出中由所述滤波器引起的延迟。
3.一种微机电传感器系统（200），包括：
至少一个微机电传感器（202），其被配置成产生至少一个微机电系统传感器速率信号（204）；
至少一个存储器设备（208），其被配置成存储滤波指令（210）；以及
至少一个处理设备（206），其被通信地耦合到所述至少一个微机电传感器（202）和所述至少一个存储器设备（208），其中所述滤波指令（210）在被所述至少一个处理设备（206）执行时，使所述至少一个处理设备（206）：
　　从所述至少一个微机电系统传感器速率信号（204）减去来自反馈回路的反馈信号以产生第一组合信号；
　　对所述第一组合信号进行滤波以产生经滤波的速率输出；以及
　　从所述经滤波的速率输出减去所述至少一个微机电系统传感器速率信号（204）以产生误差信号，其中所述误差信号被用在所述反馈回路中以生成用于未来时间步骤的反馈信号。
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