CN108463782A - 估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法 - Google Patents

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Abstract

一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法，其中该控制设备包括用于控制操作机器沿相应方向的移动的多个按钮，该方法包括以下步骤：‑使用来自控制设备的机载加速度计和磁力计的数据来初步估计控制设备的姿态；‑使用来自控制设备的机载陀螺仪的数据来更新对控制设备的姿态的初步估计。

Description

估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法
*****
发明领域
本发明涉及一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法。
发明背景
在本发明的描述中，术语操作机器将指代可由远程(或通过线缆)控制的具有工业应用的任何机器，诸如运土机器、机床、起重装备(诸如桥式起重机)等等。
如已知的，桥式起重机是旨在在户外和封闭环境两者中升起并移动材料和货物的机器，并且一般由沿一对轨道水平移动的吊桥构成，并且配备有横梁，该横梁上安装有吊车(滑架)，该吊车可以沿横梁水平地移动。滑轮连接到该吊车，并且配备有用于抓住并升起物体的钩。
在吊车上施加一根或多根线缆，这些线缆藉由包括滑轮、分路器和钩的系统使得重物能够被升起或转移。
桥式起重机的移动可以由装备有遥控设备的操作者来控制。
已知的遥控设备允许使用专用的按钮来执行对桥式起重机的所有位置操纵，诸如“向前”、“向后”、“向右”、“向左”、“上升”、“下降”等等。
这些按钮对应于施加于桥式起重机自身的标志并利用恰适的箭头来指示桥式起重机或者吊车的移动方向。
作为解释：“向前”按钮在被按压时对应于桥架起重机在贴在桥式起重机上的标牌或标志中的向前箭头的方向上前进；对于“向后”移动以及对于台车移动“向右”和“向左”也是这种情况。
操作者一般遇到的第一个困难在于，控制设备是可移动的，在由操作者随身携带的情况下该控制设备在操作者移动时伴随该相同操作者，并且在操作者相对于施加于桥式起重机的标志中所示的方向以相反方向取向的情形中时，“向前”按钮将对应于与操作者原本预期的移动完全相反的移动，即“向后”。
为了更好地阐明，如果操作者看向由箭头“向前”所指示的方向，则按压对应的按钮将使得桥式起重机在与操作者相同的观看方向上移动；但是如果操作者相对于箭头“向前”所指示的方向转动180°，则按压相同的按钮将引起在相对于操作者所观看的方向相反方向上的移动。
对应于操作者的右边和左边的“向右”和“向左”按钮也是如此，除非操作者也面向与关于起重机的标志所指示的相同方向。
如果操作者相对于所述方向转动180°，则“向右”按钮将对应于操作者的左边，反之亦然。
在操纵可能撞击并对人员或财产造成损害的装载物时，所有这些造成并可能造成安全问题。
现在将参照与机床相关的问题来解说已知技术留下的问题的第二示例。
如已知的，事实上，在可以控制X和Y轴的机床中，即，所有具有用于手动接近带有诸如X+和-以及Y+和-的指示的主轴头的旋钮的机床，操作者必须密切注意+和-两者位于何处，因为它们是固定的，而操作者手中的控制设备或其它控制部件利用线缆连接并且可以随操作者一起转动。
与在升起装置的情形中所讨论的那些问题类似的问题由此重复。
对这些问题的一种解决方案在被引用并通过引用纳入于此的意大利专利申请号MI2014A001129中描述，该申请描述了一种系统，该系统使得可以通过使用包括三轴加速度计和陀螺仪的惯性平台来计算控制设备相对于操作机器或者相对于由该设备控制的桥式起重机的取向，并且其中，根据控制设备相对于操作机器或者相对于桥式起重机的实际取向来恰适的重新分配功能“向前”、“向后”、“向右”、“向左”等等。
为了改善对控制设备的取向的计算，该专利申请除了包括加速度计和陀螺仪的惯性平台之外还提供了对磁性罗盘的使用，该磁性罗盘适合于提供表示控制设备相对于磁北极的取向的信号。
然而，特别是在使用桥式起重机和其它升起机器的工业领域中，有可能磁测量受到显著尺寸的金属质量体的存在或者受到可能扭曲那些测量的其它因素的影响。
文档D1：DE 10 2012 021 422公开了一种用于控制升起装置的设备，诸如特别是起重机。该设备提供了一种遥控装置，其装备有与起重机的致动元件通信的单元，以及用于控制移动的控制元件，例如可由操作者操作的操纵杆，以及用于确定遥控装置相对于垂直的旋转角度的单元。
该遥控装置的控制单元从位于相同遥控装置上的非磁性罗盘(例如，陀螺或陀螺仪)接收与遥控装置相对于垂直的取向的信号，并计算恰适的命令以便以如下方式发送给升起装置的移动机构，使得根据特定方向发出的移动命令对应于升起装置的可移动部件在相同方向上或在与其平行的方向上移动。
本发明的目的是确保控制设备的按钮总是与装载物的移动方向(或者在机床的情形中，操作方向)匹配，这对于操作者更加自然，同时实时补偿可能发生的可能磁干扰。
本发明的进一步目标是提高在使用升起装置时的安全性。
发明概述
这些目标通过一种估计用于控制操作机器的控制设备的姿态的方法来达成，其中该控制设备包括用于控制操作机器沿相应方向的移动的多个按钮，该方法包括以下步骤：
-使用来自控制设备的机载加速度计和磁力计的数据来初步估计该控制设备的姿态；
-使用来自控制设备的机载陀螺仪的数据来更新对控制设备的姿态的初步估计。
在所描述的解决方案的优点中，可以考虑这样的事实，它使得按钮重新指派功能相对于可能扭曲取向估计的可能磁干扰是稳健的。
具体而言，初步估计控制设备的姿态和更新该估计的这两个步骤彼此紧密互相关，因为通过来自加速度计和磁力计的数据获得的初步估计随后使用陀螺仪测量进行过滤以便补偿可能影响磁力计的可能磁干扰。
本发明的进一步特性可以在从属权利要求中找到。
附图简述
通过阅读作为非限制性示例提供的以下描述，借助于附图中所示的图，本发明的进一步特性和优点将显现出来，其中：
-图1是装备有控制设备以操作桥式起重机的操作者的示意表示；
-图2-4是相对于图1的桥式起重机具有不同取向的操作者的进一步表示；
-图5表示根据本发明的一个实施例的用于桥式起重机或用于工作机器的控制设备的操作区域；
-图6概念性地表示控制设备可以在任何空间方向上操作的事实；
-图7示出了根据本发明的一实施例的控制设备的主要组件；
-图8表示参考系B相对于参考系A的、相对于在参考系A中定义的单一向量的角度θ的旋转；
-图9表示根据本发明的方法步骤的流程图；以及
-图10表示影响磁力计的测量的磁干扰的时间演化。
示例性实施例的详细描述
在图1-7中表示对起重装置(特别是桥式起重机20)操作的控制设备10。
桥式起重机20被提供有沿第一水平方向可移动的吊桥21以及沿垂直于第一水平方向的第二水平方向可移动并且携带升起的装载物的吊车22，以及作为示例，与桥式起重机20相关联的标志23，该标志由可由操作者读取的一组指示组成，具体而言指示四个操作方向，即“向前”、“向后”、“向左”、“向右”。
例如，指示“向前”和“向后”可以指示桥式起重机作为整体的可能移动，而指示“向右”和“向左”可以指示桥式起重机20的一个部分(具体而言，吊车22)的可能移动。
仍然在图1中，可以看到操作者40使用根据本发明的一个实施例的控制设备10，并且还可以看到控制设备10的直角换向器12的放大，该直角放大器示出了按钮1、2、3和4以用于根据四个操作方向来对桥式起重机20致动。
控制设备10还可以包括显示器60以用于向操作者40通知包括方向按钮1-4的各个按钮的功能，或者表示诸如警报或故障信号或其它信号之类的其它信息。
参照图7，描述了根据本发明的一个实施例的控制设备10的电路系统的主要组件。
具体而言，在外壳14内部，控制设备包括连接到惯性平台26的控制单元100，其中控制单元100控制用于控制设备10的按钮1、2、3和4的功能重新分配模块27。
具体而言，包括三轴加速度计34和三轴陀螺仪36(其中上述组件两者都可以由控制单元100管理)的惯性平台装备有微处理器。
惯性平台26被置于控制设备10的外壳14内部，并且因此固定到相同的控制设备并记录其移动。
现在参照惯性平台26，观察到，三轴加速度计34能够测量控制设备10的滚转角(即，控制设备相对于图6中的X轴的旋转角度)和俯仰角(即，控制设备相对于图6中的设备的轴Y的旋转角度)。
然而，三轴加速度计的测量仅指示控制设备10在空间中的倾斜，而不包含关于控制设备10所朝向的方向的信息，因为控制设备10围绕垂直轴Z(图6)的旋转不引起轴X和Y相对于水平面形成的角度的变化。
为了完成对控制设备10的移动的空间表示，惯性平台30还包括陀螺仪36。
如已知的，陀螺仪36是具有将其旋转轴保持在固定方向上取向的仪器，并且由此允许测量相对于该固定方向的角速度。
在特定情形中，三轴陀螺仪36的三个轴与加速度计34的三个轴整合。
因此，从由加速度计34和陀螺仪36所作出的测量推导出的信息的组合可以用于确定完全控制空间的取向。
最后，惯性平台26还包括三轴磁力计38。
如已知的，磁力计是一种测量沿特定空间方向的磁场分量的仪器。
借助于三轴磁力计38，可以行进至测量沿三个独立方向的磁场分量，以便在作出测量的点单义地定义磁场向量。
总之，为了估计控制设备相对于由三个相互正交的笛卡尔轴组成的固定参考的取向，所描述的控制设备包括三种类型的仪器：
-三轴加速度计：测量控制设备在三个轴上经受的加速度；
-三轴磁力计：测量三个轴上的磁场分量；
-三轴陀螺仪：测量控制设备围绕三个轴的旋转角速度。
控制单元100还能够在控制设备10的显示器60上显示消息，例如，将指派给按钮的方向与出现在桥架起重机的标志上的对应消息匹配的消息、或者警告或警报消息。
控制单元100实际上还能够在需要的情况下激活视觉和/或听觉警报25，如下面将更好地解释。
在所描述的实施例中，控制单元100与惯性平台26一起被包含在控制设备10内。
另外，控制设备10可以远程地操作或者通过线缆连接到机器。
在使用控制设备10的第一阶段，需要行进至可以例如根据以下模式(图1)发生的对控制设备10的设置的阶段。
按钮1与“向前”功能相关联，该功能对应于具有印刷在标志上的“向前”箭头的指示以及被包括在315°至45°之间的区域(将360°值视为图1中的向上指向)。
按钮2与“向右”功能相关联，该功能参照图1的取向对应于被包括在45°至135°之间的扇形。
按钮3与“向后”功能相关联，该功能参照图1的取向对应于被包括在135°至225°之间的扇形。
按钮4与“向左”功能相关联，该功能参照图1的取向对应于被包括在225°至315°之间的扇形。
通过利用可由惯性平台26和磁力计38检测的方向的组合，可以创建一种控制设备，该控制设备根据控制设备10的取向来修改起重装置的按钮的功能。
事实上，与移动“向前”、“向后”、“向右”、“向左”相关联的按钮变成确定根据控制设备的空间取向而可变的移动功能的按钮。
在控制设备被旋转的情形中，按钮1、2、3和4将假定并激活起重装置的移动，该移动与在该精确时刻由按钮所指示的方向一致。
只要相关按钮保持被按压，该移动功能就将保持活跃。
因此，一旦执行按钮1与位移功能“向前”相关联的设置，在控制设备10的取向如由惯性平台所检测的变化时，相同的按钮将假定不同功能被指派给扇形。
在控制设备旋转之际，方向按钮将总是对应于由操作者采用的方向。
当按压其箭头指示向右方向的按钮时会发生同样的情况，桥式起重机20或台车将执行向操作者右边的位移。
事实上，无论控制设备和/或操作者如何取向，装载物的移动将总是对应于由箭头按钮所指示的方向。
在实践中，无论控制设备相对于桥式起重机20的取向如何，由桥式起重机自身以及由台车执行的移动将总是对应于控制设备10上的箭头的指示，同时对应于贴在桥式起重机上的招贴标志。
一旦已执行设置，则除非操作者40将控制设备10保持在基本上根据图1中的方向F1取向，否则由按钮重新指派模块27所指派的按钮将继续以相同方式起作用。
替代地如果操作者与控制设备10自身一起向右旋转90°度或者仅将控制设备10向右旋转90°度(图2中的方向F2)：
-对于按钮4，按钮重新指派模块27将指派按钮1的功能，即“向前”；
-对于按钮3，按钮重新指派模块27将指派按钮4的功能，即“向左”；
-对于按钮2，按钮重新指派模块27将指派按钮3的功能，即“向后”；以及
-对于按钮1，按钮重新指派模块27将指派按钮2的功能，即“向右”。
这种对功能的重新指派可以自动地发生，因为在控制设备10在水平面中的旋转之后，以下描述的算法计算新的方向值并将其传达给控制单元100，控制单元100随后向按钮重新指派模块27提供恰适的命令。
替代地在操作者与控制设备10自身一起相对于初始方向旋转180°度或者仅将控制设备10相对于初始方向旋转180°度的情形中(图3中的方向F3)：
-对于按钮3，按钮重新指派模块27将指派功能“向前”；
-对于按钮4，按钮重新指派模块27将指派功能“向右”；
-对于按钮1，按钮重新指派模块27将指派功能“向后”；以及
-对于按钮2，按钮重新指派模块27将指派功能“向左”。
最后，在操作者与控制设备10自身一起相对于初始方向旋转270°度(或者朝向他的左侧90°)或者仅将控制设备10相对于初始方向旋转270°度的情形中(图4中的方向F4)：
-对于按钮4，按钮重新指派模块27将指派功能“向后”；
-对于按钮1，按钮重新指派模块27将指派功能“向左”；
-对于按钮2，按钮重新指派模块27将指派功能“向前”；以及
-对于按钮3，按钮重新指派模块27将指派功能“向右”。
如可以猜想的，控制设备10总是执行对应于由与控制设备10自身所采用的相对于桥式起重机20的方向有关的按钮或箭头按钮所指示的方向相对应的移动。
无论控制设备相对于桥架起重机20的取向如何，按钮将总是对应于招贴中所指示的内容。
按钮1将采用对应于标志的默认功能“下一个”。
在控制设备旋转90°之际或者在相对于90°轴的+45°或-45°活动扇形内部的取向内，按钮1将采用对应于招贴的功能“向左”。
控制设备进一步变化180°或者在相对于180°轴的+45°或-45°的活动扇形内部的取向内，按钮1将采用对应于招贴的功能“向后”。
控制设备进一步变化270°或者在相对于270°轴的+45°或-45°的活动扇形内部的取向内，按钮1将采用对应于招贴的功能“向右”。
在旋转360°之际，按钮1将采用默认功能“向前”。
活动扇形已被定义成相对于中心轴的+45°或-45°的形式，但是这仅是通过非限制性示例的方式来完成的，因为基于由惯性平台提供的相对于控制设备的空间取向的信息来确定对由所有按钮给予起重装置或组件的移动方向的重新分配的要求是软件可配置的。
控制设备可以装备有显示由按钮或由箭头按钮所采用的新功能的显示器。
在故障或系统错误的情形中，显示器将显示默认向前功能并且相关按钮或箭头按钮将采用对应于招贴的默认功能。
这极大地简化了操作者40(即使不是专家)的操作方式，以避免会对人员或财产造成损害的操作错误。
按钮的取向将总是并且在任何情形中指示装载物期望采用的方向。
控制设备10的控制单元100还可以具有用于确定其自身相对于升起装置上的参考位置的距离，例如藉由超声波测距仪80，即，使用由测距仪自身发送的高频声脉冲的分组到达置于桥式起重机上的目标并返回到测距仪所花费的时间的测距仪。替换地可以使用本领域已知的其他测距仪44。
控制设备10中所包括的另一设备是警报按钮50，该警报按钮50在被激活时可以藉由安装在机器上并经由Wi-Fi连接到控制设备的计算机来触发告警。
如果计算机接收到信号，则它将激活恰适的声音和/或视觉警报25，并且将经由SMS或经由指向其位置的网页来提交帮助请求。
由于控制设备10借助于惯性平台26在空间X，Y，Z(如图6中示意性地表示的)中操作，因此控制单元100总是被告知控制设备10的取向，特别是当控制设备不是完全水平时，并且在该情形中控制单元将操作恰适的校正。因此无论控制设备10在空间中的取向如何，该控制设备10都能够如同它在限定水平面的两个轴X和Y上一样来操作。
在控制设备10故障的情形中，控制单元100能够控制该控制设备10的显示器60以显示警告消息，例如：“控制设备无法操作”或者“控制设备仅以常规方式操作”，当使用惯性平台起作用的按钮的控制系统已被禁用时，可以显示该后一消息。
在本发明的变型中，在控制设备故障的情形中，可以经由线缆将该控制设备附连到起重装置或操作机器，由此继续作为线缆控制设备来操作。
在本发明的另一实施例中，代替如上所述的控制设备10，可以采用可根据不同方向来操作的单个按钮，上面描述的创造性概念在该情形中也适用，具体而言，所述单个按钮能够执行“向前”、“向后”、“向右”和“向左”的功能。
在本发明的进一步实施例中，代替如上所述的控制设备10，可以采用操纵杆或其它类似设备，其中这种设备的命令部件包括可以作用于若干方向(例如，“向前”、“向后”、“向右”和“向左”)的杆。
所开发的算法能够估计控制设备的取向并且因此改变按钮的功能。
根据本发明，该系统还提供方法体系以使得该系统对于可能的磁干扰是稳健的，这些磁干扰例如由在控制设备10附近的显著尺寸的金属质量体或者由其它因素造成并且会扭曲取向估计，特别是通过影响磁力计38的测量。
该算法可以被划分成两个阶段：
1.针对磁干扰的稳健的姿态估计
2.计算方位角，即控制设备的取向。
更详细地，参照图9，该方法包括以下步骤：
-使用来自加速度计34和来自磁力计38的数据来初步估计控制设备的姿态(框200)；
-使用来自陀螺仪的数据来更新对控制设备的姿态的初步估计(框300)。
为了以紧凑的方式在数学上表示控制设备的旋转，本文所描述的方法提供通过使用四元数来表示控制设备的取向和旋转，四元数即各自具有三个虚分量和一个实分量的超复数，其允许表示对象的三维取向而没有奇点问题，诸如在使用所谓的欧拉角(被称为滚转、俯仰和偏航)时会发生的被称为“万向节死锁”的现象。
四元数还具有使用仅四个参数的优点。
如已知的，四元数是以如下方式定义的超复数：
q＝q0+iq1+jq2+kq3
四元数q因此具有实部即q0，以及向量部q＝iq1+jq2+kq3，该部分可以被认为由三维空间中的普通向量的分量构成。
四元数的主要属性通过以下关系给出：
i2＝j2＝k2＝ijk＝-1
这些关系在以下乘法表中详细示出：
表1
X 1 i j k
1 1 i j k
i i -1 k -j
j j -k -1 i
k k j -i -1
另外，四元数的复共轭q*可以被定义为：
q*＝q0-iq1-jq2-kq3
其中复共轭q*自身的向量部的方向相对于原始四元数q相反。
四元数q针对其复共轭q*的乘积产生可利用以下方程计算的实数：
四元数用于以紧凑的方式表示参考系B相对于参照系A的任意取向，例如相对于在参考系A中定义的单位向量的角度θ的旋转，例如如图8中所解说的。
描述这种取向的四元数可以被指示为并且通过下式定义：
其中rx、ry和rz定义相对于参考系A的轴X、Y和Z的单位向量分量
最后，两个四元数的相乘一般利用符号来指示并且可以用于定义两个或更多个取向的组合。
例如，考虑两个取向和则利用指示的混合取向可以被定义为：
就分量而言，两个四元数a和b的乘积可以用Hamilton规则来计算：
两个四元数的乘积是不可交换的，即一般
这反映了如下事实，两个取向的组合一般可以给出取决于执行取向的顺序而不同的所得到取向。
三维向量可以使用以下关系藉由四元数来旋转：
其中Av和Bv表示分别在参考系A中和参考系B中的相同向量。
为了继续从加速度计34和磁力计38获得的测量开始对控制设备的取向的初步估计，需要获得允许将磁测量和加速度计测量与其相应的重力场和磁场对准的四元数。
为此使用最小化算法，具体而言梯度下降算法，其中该表达旨在是通过以下操作来利用要被最小化的函数的算法：获取梯度，从给定的起始点开始，朝向期望的最小点，通过与在当前点计算的梯度成比例的负步进来迭代。
要被最小化的函数如下：
其中是与地球参考系整合的固定三轴参考，并且是传感器的三轴参考中的参考向量。
具体而言，对于加速度计34，要被最小化的函数可以被表达为其中项是由加速度传感器的测量构成的向量。
类似地，对于磁力计38，要被最小化的函数可以被表达为其中是与地球磁场整合的固定三轴参考，并且其中项是由磁力计38测量构成的向量。
因此，为了找到表达仅从磁力计38和加速度计34的测量开始获得的控制设备的取向的四元数，需要将要被最小化的函数组合在一起，并继续例如藉由梯度下降算法使用两个传感器来估计四元数。在该情形中，参考向量将由6个值组成，以及传感器测量的向量。
结果是利用此类数据最佳表示此类旋转的单个四元数
根据本发明的一实施例的方法的第二部分提供通过使用来自陀螺仪的数据来更新对表示控制设备的取向的四元数的初步估计。
优选实施例提供通过使用扩展卡尔曼滤波器，将来自陀螺仪的信息与来自通过加速度计34和磁力计38的测量获得的对取向的初步估计的那些信息合并。
如已知的，卡尔曼滤波器是一种递归算法，它允许对表征动态系统的状态的估计，该估计从状态本身的观察开始，由于受噪声影响，这些观察并不完全可靠。
在该情形中，用于定义卡尔曼滤波器的模型如下：
xk＝f(xk-1，ωk)+V1，k
zk＝Hxk+V2，k
其中X是由四元数q＝[q0 q1 q2 q3]的四个分量组成的状态向量，该四元数q＝[q0q1 q2 q3]表示仅从磁力计38和加速度计34的测量开始获得的取向，H是4×4单位矩阵4×4，V1，k表示被假定成从具有由矩阵Q表达的方差的正态分布得到的过程噪声，V2，k表示被假定成从具有由矩阵R表达的方差的正态分布得到的测量噪声。
转换函数f(xk-1，ωk)基于以下将陀螺仪测量ω与四元数的导数相联系的公式：
为了使估计在磁噪声的情形中也稳健，已经研究基于对磁场的模型的评估的解决方案。
地球的磁场具有大约45nT的几乎恒定的模量。
当磁噪声增加或减小时(图10的曲线M)，对磁力测量应用校正措施。
如图10中可以看到，可以定义两个操作区域：
-在围绕由曲线A定义的值、由阈值B和C限定的安全区域内，Q和R矩阵线性地变化，以便给予来自磁力计的估计更多的置信度；
-在由阈值B和C限定的区域之外，磁干扰被认为太强，并且在初步估计的阶段不再使用磁力测量。在卡尔曼滤波器中，替换地使用对初步估计给予较低置信度的那些Q和R矩阵。
这些测量允许磁干扰不会影响对控制设备的姿态的估计。
以此方式，表达控制设备的姿态的四元数被估计。
方位角(即由所选参考系和控制设备指向的方向形成的角度)可以通过使用下式、经由采用先前估计的四元数的分量来计算：
其中q0、q1、q2和q3是藉由卡尔曼滤波器估计的四元数的各分量。
基于方位角，定义了各自90°的四个象限，这些象限允许标识控制设备指向的方向，并且因此如果必要，允许根据上面描述的模式来改变与每个按钮相关联的方向。
一旦获得方位角，优选地围绕图5中所示的象限的边界限定公差带，并且这些公差带相对于方位角被置于45°、135°、225°和315°。
当控制设备的方位角位于公差带内时，优选地保持先前的配置直至控制区旋转，从公差带离开进入相邻象限。
为了确保使用期间的更大安全性，还可以根据惯性控制设备的情况添加不同的光、声音或振动信号，例如警告按钮的配置改变和变化的信号以及当控制设备在确定象限变化的4个边界之一上方取向时进行警告的信号。
除了起重装置之外，上面描述的控制设备还可以应用于任何其它操作机器、施工装备、机床等等。
显然，由偶然或特殊的动机决定，可以对如本文上面描述的本发明作出修改或改进，而本发明不会放弃本文所要求保护的保护范围。

Claims (10)

1.一种估计用于控制操作机器(20)的控制设备(10)的姿态的方法，其中，所述控制设备(10)包括用于控制操作机器(20)沿相应方向的移动的多个按钮(1,2,3,4)，所述方法包括以下步骤：
-使用来自所述控制设备(10)的机载加速度计(34)和磁力计(38)的数据来初步估计所述控制设备(10)的姿态；
-使用来自所述控制设备(10)的机载陀螺仪(36)的数据来更新对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计是通过估计表示所述姿态的四元数来实现的，其中，所述四元数是通过最小化将所述四元数与参考向量和从所述加速度计(34)和所述磁力计(38)获得的测量的向量进行相关的函数来估计的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小化是在应用梯度下降算法的情况下执行的。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用来自所述陀螺仪(36)的数据来更新对所述控制设备(10)的姿态的所述初步估计是藉由扩展卡尔曼滤波器来执行的，所述扩展卡尔曼滤波器允许估计描述所述控制设备(10)的姿态的四元数
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扩展卡尔曼滤波器通过下式给出：
xk＝f(xk-1，ωk)+V1，k
zk＝Hxk+V2，k
其中，向量x由描述所述控制设备(10)的所述姿态的所述四元数的分量组成，参数ωk包括所述陀螺仪(36)的测量，H是4X4单位矩阵，V1，k表示被假定成从具有由矩阵Q所表达的方差的正态分布中得到的过程噪声，V2，k表示被假定成从具有由矩阵R所表达的方差的正态分布中得到的测量噪声，并且转换函数f(xk-1，ωk)基于下式所述将如由所述陀螺仪(36)测得的姿态角ω的值与所述四元数的导数进行相关。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述方法以向所述磁力计(38)的测量应用校正措施。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在由所述磁力计(38)测得的磁场的值被包括在相对于地球磁场的值的预定义范围内的情形中，所述卡尔曼滤波器的矩阵Q和R线性地变化以给予来自所述磁力计(38)的所述初步估计更多的信任。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在由所述磁力计(38)测得的磁场的值未被包括在相对于地球磁场的值的预定义范围内的情形中，所述卡尔曼滤波器的矩阵Q和R线性地变化以给予来自所述陀螺仪(36)的估计更多的置信度。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制设备(10)的方位角藉由以下方程来计算：
其中q0、q1、q2和q3是藉由所述卡尔曼滤波器估计的所述四元数的分量。
10.一种使用控制设备(10)根据不同的移动方向来控制操作机器(20)的方法，其中，所述控制设备(10)包括用于控制所述操作机器(20)沿相应方向的移动的多个按钮(1,2,3,4)，所述方法包括以下步骤：
-根据权利要求1-9所述的方法来估计所述控制设备(10)的方位；
-根据所述控制设备(10)自身的方位角来重新指派所述控制设备(10)的所述按钮(1,2,3,4)的控制功能。
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