CN105333871B - 基于单轴陀螺仪的平面定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴陀螺仪的平面定位方法，该方法包括：采集单轴陀螺仪数据，对这些数据进行积分计算得到角度值；对角度值进行微分计算，得到角速度；对角速度进行判断，得出两种模式：快速模式和慢速模式。快速模式采用极坐标定位，慢速模式采用x或y轴累加定位。本发明通过数据处理，避免了陀螺仪精度不高、误差积累等问题。同时，应用单轴陀螺仪也有利于减轻微处理器工作量，从而可降低功耗。本发明适用于智能电视，智能投影仪等平面显示设备的控制器。

Description

基于单轴陀螺仪的平面定位方法

技术领域

本发明涉及导航和定位技术领域，尤其涉及针对平面坐标定位的一种基于单轴陀螺仪的定位方法。

背景技术

陀螺仪是一种测量角速度的传感器，已应用到很多领域，如导航，制导和稳定性的控制。陀螺仪有三轴陀螺仪，两轴陀螺仪和单轴陀螺仪，轴数越少，越容易制作，成本越低，体积越小。轴数越少，需要处理的数据越少，减轻微处理器工作量，从而有利于降低功耗，特别适合应用在一些小型，便携式，可移动的手持设备中。同时，陀螺仪的数据容易受温度等环境因素影响，数据精确度不高，且误差会累积。因此，研究基于单轴陀螺仪的数据处理技术有其必要性，并具有较大的价值和应用前景。

平面定位是具有平面显示功能的电子设备的智能控制需求。例如，智能电视的控制，功能菜单显示在电视屏上的不同区域，遥控器需要输入位置信息，定位功能菜单的功能区域，从而选择各种功能。位置信息与电视屏的关系就是一种平面定位。另外，例如光标在电脑显示屏上的移动也是一种平面定位。因此，平面定位在生活和生产中有着非常重要的应用。目前的平面定位有多种方式，比如触摸屏定位，光电定位等，但是这些方法，需要复杂的设备支持，并且要在特定场所或者特殊的映射平面上进行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于单轴陀螺仪的平面定位方法，利用单轴陀螺仪实现平面定位，成本低，操作方便。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于单轴陀螺仪的平面定位方法，该方法包括如下步骤：

(1)单轴陀螺仪的数据采集；

(2)根据单轴陀螺仪所采集的数据进行模式的选择，其中，包括快速模式和慢速模式；

(3)针对不同的模式，采用不同的定位方式

(3.1)在快速模式下，采用极坐标方式定位；

(3.2)在慢速模式下，采用x或y轴累加定位；

(4)根据停止条件判断单轴陀螺仪是否处于停止模式。

所述步骤(1)单轴陀螺仪的数据采集是：利用单轴陀螺仪的数据进行积分计算得到角度；陀螺仪角度计算公式：

angle(n)＝angle(n-1)+gyro(n)*dt

式中angle(n)为陀螺仪采样到第n次的角度值；angle(n-1)为陀螺仪第n-1次采样时的角度值；gyro(n)为陀螺仪的第n次采样得到的瞬时角速率值；dt为一次采样间隔时间；n次积分后得到的值即为角度θ。

所述步骤(2)根据单轴陀螺仪的数据进行模式的选择是：对于所得到的角度θ进行微分计算，得到角速度ω，将ω和阈值角速度ω1进行比较；当ω大于ω1时，则进入到快速模式下；当ω小于ω1时，则进入到慢速模式下。

所述步骤(3.1)在快速模式下，采用极坐标方式定位是：按(ρ,θ)进行定位操作，由步骤(2)得到角度θ；然后根据公式ρ(n)＝ρ(n-1)+a1*ω计算得到位移矢量ρ；其中a1为比例系数，ρ(n)为采样第n次的位移矢量，ρ(n-1)为采样第n-1次的位移矢量；定位点坐标(x，y)，其中x＝ρ*cos(θ)和y＝ρ*sin(θ)；定位时先确定θ，然后在位移矢量ρ方向上移动，到达目标位置。

所述步骤(3.2)在慢速模式下，采用x或y轴累加定位是：通过得到的角速度ω，由公式x(n)＝x(n-1)+a2*ω；y(n)＝y(n-1)+a3*ω得到x轴和y轴累加定位点坐标(x(n)，y(n))；其中x(n)为采样第n次的横坐标的数值，x(n-1)为采样第n-1次的横坐标的数值，y(n)为采样第n次的纵坐标的数值，y(n-1)为采样第n-1次的纵坐标的数值，a2和a3为比例系数；定位时先在x轴方向上移动，然后在y轴方向上移动，到达目标位置。

所述步骤(4)根据停止条件判断单轴陀螺仪是否处于停止模式是：所述的停止条件为角速度ω小于阈值ω2；阈值ω2设置在数值0附近，当角速度ω小于阈值ω2，判断单轴陀螺仪处于停止模式；单轴陀螺仪停止工作后，进行ρ和θ切换，x轴和y轴切换或定位结束。

本发明使用的设备简单，操作方便，成本低。通过数值处理，避免了陀螺仪精度不高、误差积累等问题，可靠性高。而且单轴陀螺仪有利于降低功率，因此特别适合应用在一些小型、便携式、可移动的手持设备中。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本发明所述的基于单轴陀螺仪的平面定位方法可以应用在智能电视的控制，具体实施步骤如下：

将智能电视的显示屏设定为平面坐标系，左下角为原点，左侧纵轴为y轴，下侧横轴为x轴。显示屏包含1920x1080个像素点，所以最大坐标为(1920，1080)。智能电视的功能菜单显示在左侧上方，如功能菜单一，二，三，四，菜单一的坐标范围：左下(5，5)，右上(55，55)；菜单二的坐标范围：左下(105,5)，右上(155,55)；菜单三的坐标范围：左下(105,105)，右上(155,155)；菜单四的坐标范围：左下(5,155)，右上(55,155)。智能电视的控制需要在菜单一到菜单四之间任意移动,从而实现功能菜单选择。利用本发明定位方法可以实现这一目的。

假设需要实现菜单一到菜单三的移动。选取菜单一所属区域的一点为初始点，即光标初始位置；选取菜单三所属区域的一点为最终点，即光标最后位置。采集单轴陀螺仪的数据，根据角度计算公式angle(n)＝angle(n-1)+gyro(n)*dt进行角度的计算。

单轴陀螺仪快速转动，可以采集到n个不同的gyro值，选择n＝300，dt＝0.005s,计算出angle(n)＝57°,即θ＝57°，再对其进行微分计算，ω＝θ/(n*dt)＝0.67rad/s。设定角速度阈值ω1为0.5rad/s，此时ω大于角速度阈值，即进入快速模式。角速度阈值ω1可以根据采集多人转动单轴陀螺仪的数据来设定，也可根据个人转动单轴陀螺仪的习惯来设定。

快速模式下，转动陀螺仪,确定角度θ。根据上述公式算出角度θ，角度θ为原点与光标连线与x轴夹角。根据人眼反馈出角度θ是否与终点与原点连线与x轴夹角一致，如果角度不一致，则需要继续转动陀螺仪，直到角度一致；如果角度一致，则停止转动陀螺仪。停止转动后，由于ω小于ω2，进入停止模式。

转动陀螺仪,确定位移ρ。ω有正有负值，则根据公式ρ(n)＝ρ(n-1)+a1*ω计算出ρ(n)变大或变小。由上述各菜单的坐标计算得到其极坐标分别是：菜单一左下(7,45°)，右上(78，45°)；菜单三左下(148,45°)，右上(219,45°)。所以ρ需要增加141个单位长度。转动陀螺仪，根据人眼反馈ρ的大小变化，当光标由菜单一的区域进入菜单三的区域，则可退出快速模式，从而实现了智能电视的控制。

实施例2

基于陀螺仪的平面定位方法也可以应用在鼠标光标在电脑显示屏上的移动，具体的实施步骤如下：

将电脑的显示屏作为一个平面，建立直角坐标系。左下角为原点，左侧纵轴为y轴，下侧横轴为x轴，显示屏象素为1440*900,即右上点坐标为(1440，900)。根据前面描述的方法，通过单轴陀螺仪转动，实现光标从一个位置到另一个位置。如光标初始坐标为(50,50)，需要移动到的终点坐标为(1000,400)，由于移动的距离比较远，所以先采用快速模式移动，再利用慢速模式进行精确定位。

单轴陀螺仪快速转动，通过角度计算公式得到角度θ为70°，再对其进行微分计算，得到角速度ω近似为0.8rad/s，角速度阈值为0.5rad/s，大于角速度阈值，即进入快速模式。

快速模式下，转动陀螺仪，确定角度θ。根据上述公式算出角度θ，根据人眼反馈出角度θ是否与终点与原点连线与x轴夹角一致，如果角度不一致，则需要继续转动陀螺仪，直到角度一致；如果角度一致，则停止转动陀螺仪。停止转动后，由于ω小于ω2，进入停止模式。根据坐标转换公式，得到初始点的坐标为(70,45°)，最终点的坐标为(1077,22°)。最终确定的角度θ为23°。

确定位移ρ。初始点的坐标为(70,45°)，最终点的坐标为(1077,22°)，所以位移ρ需要变化1007。转动陀螺仪，采集数据，则根据公式ρ(n)＝ρ(n-1)+a1*ω计算出ρ(n)为1000，所以此时光标移动至坐标为(1070,22°)的点，由于极坐标下很难移动到最终的坐标点，所以进入慢速模式，进行精确定位。

将单轴陀螺仪慢速转动较小幅度，通过角度计算公式得到角度θ为29°，再对其进行微分计算，得到角速度ω近似为0.33rad/s，小于角速度阈值0.5rad/s，即进入慢速模式。

在慢速模式下采用的是直角坐标系，经过坐标转换，光标目前坐标为(985,394)，而终点坐标是(1000,400)，所以x方向移动15，y方向移动6。

慢速模式下，转动陀螺仪，确定x。根据公式x(n)＝x(n-1)+a2*ω计算出x(n)变大15个单位长度，则坐标向x的正方向移动15个单位长度。然后进入停止模式。

慢速模式下，转动陀螺仪，确定y。则根据公式y(n)＝y(n-1)+a3*ω计算出y(n)变大6个单位长度，则坐标向y的正方向移动6个单位长度。到达最终的坐标点(1000,400)。单轴陀螺仪退出慢速模式，移动完成。

Claims (1)

1.一种基于单轴陀螺仪的平面定位方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

（1）单轴陀螺仪的数据采集；

（2）根据单轴陀螺仪所采集的数据进行模式的选择，其中，包括快速模式和慢速模式；

（3）针对不同的模式，采用不同的定位方式

（3.1）在快速模式下，采用极坐标方式定位；

（3.2）在慢速模式下，采用x或y轴累加定位；

（4）根据停止条件判断单轴陀螺仪是否处于停止模式；其中：

所述步骤（1）单轴陀螺仪的数据采集是：利用单轴陀螺仪的数据进行积分计算得到角度；陀螺仪角度计算公式：

angle(n)= angle(n-1)+ gyro(n) * dt

式中angle(n)为陀螺仪采样到第n次的角度值； angle(n-1)为陀螺仪第n-1次采样时的角度值；gyro(n)为陀螺仪的第n次采样得到的瞬时角速率值； dt为一次采样间隔时间；n次积分后得到的值即为角度θ；

所述步骤(2)根据单轴陀螺仪的数据进行模式的选择是：对于所得到的角度θ进行微分计算，得到角速度ω，将ω和阈值角速度ω1进行比较；当ω大于ω1时，则进入到快速模式下；当ω小于ω1时，则进入到慢速模式下；

所述步骤（3.1）在快速模式下，采用极坐标方式定位是：按（ρ,θ）进行定位操作，由步骤(2)得到角度θ；然后根据公式ρ（n）=ρ（n-1)+a1*ω计算得到位移矢量ρ；其中a1为比例系数，ρ（n）为采样第n次的位移矢量，ρ（n-1）为采样第n-1次的位移矢量；定位点坐标（x，y），其中x=ρ*cos(θ)和y=ρ*sin(θ)；定位时先确定θ，然后在位移矢量ρ方向上移动，到达目标位置；

所述步骤（3.2）在慢速模式下，采用x或y轴累加定位是：通过得到的角速度ω，由公式x(n)=x(n-1)+a2*ω；y(n)=y(n-1)+a3*ω得到x轴和y轴累加定位点坐标（x(n)，y(n)）；其中x(n)为采样第n次的横坐标的数值，x(n-1)为采样第n-1次的横坐标的数值，y(n)为采样第n次的纵坐标的数值，y(n-1)为采样第n-1次的纵坐标的数值，a2和a3为比例系数；定位时先在x轴方向上移动，然后在y轴方向上移动，到达目标位置；

所述步骤(4) 根据停止条件判断单轴陀螺仪是否处于停止模式是：所述的停止条件为角速度ω小于阈值ω2；阈值ω2设置在数值0附近，当角速度ω小于阈值ω2，判断单轴陀螺仪处于停止模式；单轴陀螺仪停止工作后，进行ρ和θ切换，x轴和y轴切换或定位结束。