CN108759809A - 一种陀螺仪检测电路及终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陀螺仪检测电路及终端，解决陀螺仪无法检测出外部是否存在干扰振动源的问题。本发明的检测电路包括：设置于陀螺仪外部的压电元件，压电元件将外部振动源的振动转换为电信号；设置于陀螺仪内部的检测单元，通过检测单元的第一输入端输入电信号，通过检测单元的第二输入端输入本地振动信号，通过检测单元的输出端输出电信号和本地振动信号的差频信号，检测单元的第一输入端与检测单元的输出端电性电性连接；控制器，控制器与检测单元的输出端电性连接，控制器在差频信号为直流信号时，确定外部振动源为干扰振动源；本地振动信号是与陀螺仪内部的振子具有相同振动频率的振动信号，差频信号用于指示电信号和本地振动信号的频率关系。

Description

一种陀螺仪检测电路及终端

技术领域

本发明涉及陀螺仪的技术领域，尤其涉及一种陀螺仪检测电路及终端。

背景技术

陀螺仪内部有一个(或两个相位相反的)振子做频率为f的振动。对于内部设有单个振子的陀螺仪，当陀螺仪附近存在能产生同频率振动的振动源时，如功率较大的数字信号等，陀螺仪是无法区分其为外部振动还是自身存在的旋转运动，即现有陀螺仪无法检测出外部是否存在干扰振动源，使得陀螺仪的角度推算出现偏差，进而导致陀螺仪精度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陀螺仪检测电路及终端，以解决现有陀螺仪无法检测出外部是否存在干扰振动源的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种陀螺仪检测电路，包括：

设置于陀螺仪外部的压电元件，所述压电元件用于将外部振动源的振动转换为电信号；

设置于所述陀螺仪内部的检测单元，通过所述检测单元的第一输入端输入所述电信号，通过所述检测单元的第二输入端输入本地振动信号，通过所述检测单元的输出端输出所述电信号和所述本地振动信号的差频信号，且所述检测单元的第一输入端与所述检测单元的输出端电性电性连接；

控制器，所述控制器与所述检测单元的输出端电性连接，所述控制器用于在所述差频信号为直流信号时，确定所述外部振动源为干扰振动源；

其中，所述本地振动信号是与所述陀螺仪内部的振子具有相同振动频率的振动信号，所述差频信号用于指示所述电信号和所述本地振动信号的频率关系。

第二方面，本发明实施例还提供了一种终端，包括陀螺仪，还包括如上所述的陀螺仪检测电路。

本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例的上述技术方案，通过压电元件将外部振动源的振动转换为电信号并传输至检测单元；检测单元接收电信号和本地振动信号，并输出差频信号至控制器；控制器在所述差频信号为直流信号时，确定所述外部振动源为干扰振动源，解决了现有陀螺仪无法检测出外部是否存在干扰振动源的问题，进而可以在存在干扰振动源时对陀螺仪的输出信号进行补偿，提高陀螺仪的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的陀螺仪检测电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完成地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于测量科里奥利力的陀螺仪，由于其内部有一个按照固定频率振动的振子，其对外部的机械振动和高速的数字信号很敏感，外部机械振动的频率如果等于振子振动频率或是其倍频，则会使陀螺仪在静止的时候也产生角速度量，即会在其输出上叠加一个和振动强度有关的噪声。

基于此，本发明的实施例提供了一种陀螺仪检测电路，应用于陀螺仪，该陀螺仪可具体为测量科里奥利力的陀螺仪，陀螺仪内部设置有一个按照固定频率振动的振子，如图1所示，该检测电路包括：

设置于陀螺仪外部的压电元件，所述压电元件用于将外部振动源的振动转换为电信号。

其中，该压电元件具体是由压电材料制成的元件，压电材料在感受到机械振动时两端会产生电压，可将外部机械振动转化为电信号，完成对外部振动源即可能干扰陀螺仪的振动的捕捉。该压电元件与陀螺仪的距离小于预设距离，该预设距离可具体为外部振动会对陀螺仪产生干扰的最大距离，即压电元件在设置时尽量靠近陀螺仪摆放，以尽可能地消除外部振动对陀螺仪的干扰。

设置于陀螺仪内部的检测单元，通过所述检测单元的第一输入端输入所述电信号，通过所述检测单元的第二输入端输入本地振动信号，通过所述检测单元的输出端输出所述电信号和本地振动信号的差频信号，且所述检测单元的第一输入端与所述检测单元的输出端电性连接。

其中，该检测单元接收到电信号和本地振动信号后，对电信号和本地振动信号进行相乘和滤波处理，输出差频信号至控制器，所述本地振动信号是与所述陀螺仪内部的振子具有相同振动频率的振动信号，所述差频信号用于指示所述电信号和所述本地振动信号的频率关系，在电信号和本地振动信号的频率相同时，差频信号为直流信号，在电信号的频率为本地振动信号的频率的整数倍时，上述差频信号为直流信号，否则，上述差频信号为交流信号。

控制器，所述控制器与所述检测单元的输出端电性连接，所述控制器用于在所述差频信号为直流信号时，确定所述外部振动源为干扰振动源。

在电信号的频率与本地振动信号的频率相同，或者电信号的频率为本地振动信号的频率的整数倍时，该外部振动源会对陀螺仪产生干扰，因此，控制器通过确定差频信号是否为直流信号便可确定该外部振动源是否为干扰振动源。

本发明实施例的陀螺仪检测电路，通过压电元件将外部振动源的振动转换为电信号并传输至检测单元；检测单元接收电信号和本地振动信号，并输出差频信号至控制器；控制器在所述差频信号为直流信号时，确定所述外部振动源为干扰振动源，解决了现有陀螺仪无法检测出外部是否存在干扰振动源的问题，进而可以在存在干扰振动源时对陀螺仪的输出信号进行补偿，提高陀螺仪的精度。

进一步地，本发明实施例的陀螺仪检测电路，还包括：

与所述压电元件电性连接的第一电容C1；以及

与所述第一电容C1电性连接的放大电路，且所述放大电路的输出端与所述检测单元的第一输入端电性连接；

所述第一电容C1将所述电信号中的交流电信号传输至所述放大电路，所述放大电路将放大后的交流电信号传输至所述检测单元。

具体的，所述放大电路包括：

第一电阻R1，所述第一电阻R1的第一端通过所述第一电容C1与所述压电元件电性连接；

放大器A，所述放大器A的第一输入端与所述第一电阻R1的第二端电性连接，所述放大器A的第二输入端接地，所述放大器A的输出端与所述检测单元的第一输入端电性连接，即该放大器的输出端为所述放大电路的输出端；

第二电阻R2，所述第二电阻R2的第一端与所述放大器A的第一输入端电性连接，所述第二电阻R2的第二端与所述放大器A的输出端电性连接。

这里，通过放大器将电信号放大至所需信号强度，以便于检测结果更加准确。

进一步地，本发明实施例的陀螺仪检测电路，还包括：

分别与所述放大电路的输出端和所述检测单元的第一输入端电性连接的第二电容C2；

所述第二电容C2将所述差频信号中的交流信号传输至所述检测单元的第一输入端。

具体的，本发明实施例的检测单元包括：

乘法器，所述乘法器的第一输入端为所述检测单元的第一输入端，所述乘法器的第二输入端为所述检测单元的第二输入端；

低通滤波器LPF，所述低通滤波器的输入端与所述乘法器的输出端电性连接，且所述低通滤波器的输出端与所述乘法器的第一输入端电性连接，所述低通滤波器的输出端为所述检测单元的输出端；

其中，所述乘法器对所述本地振动信号和所述电信号进行相乘处理，输出混频信号至所述低通滤波器，所述低通滤波器对所述混频信号进行滤波处理，输出所述差频信号至所述控制器。

在本发明的具体实施例中，假设压电元件输出的电信号经放大器放大后的信号为y(t)＝A sin[ω_it+θ_i(t)]，本地振动信号为O(t)＝B cos[ω_jt+θ_j(t)]；经乘法器之后得到的相乘后的信号为Y(t)＝B cos[ω_jt+θ_j(t)]·A sin[ω_it+θ_i(t)]；然后对相乘后的信号进行积化和差转换处理，得到混频信号，具体如下：

其中，y(t)表示电信号，A表示电信号的最大振动幅值，ω_i表示电信号的振动频率，θ_i表示电信号的相位；O(t)表示本地振动信号，B表示本地振动信号的最大振动幅值；ω_j表示本地振动信号的振动频率，θ_j表示本地振动信号的相位；K＝乘法器增益×A×B，t表示时间，表示本地振动信号和所述电信号的和频信号，表示本地振动信号和所述电信号的差频信号。

经过低通滤波器之后，过滤掉和频信号，Y(t)变为：

假定让代表陀螺仪振子振动频率的本振信号初相为0，则上式可简化为：

其中，y(t)表示电信号，A表示电信号的最大振动幅值，ω_i表示电信号的振动频率，θ_i表示电信号的相位；O(t)表示本地振动信号，B表示本地振动信号的最大振动幅值；ω_j表示本地振动信号的振动频率，θ_j表示本地振动信号的相位；K＝乘法器增益×A×B，t表示时间，表示本地振动信号和所述电信号的和频信号，表示本地振动信号和所述电信号的差频信号。

上述低通滤波器的截止频率根据陀螺仪内部真正的振动频率和压电元件的带宽进行选择，保证能在大部分情况下可以滤除和频信号。

如果外部机械振动的频率和陀螺仪振子频率相等或是其倍频(频率的整数倍)，经过低通滤波器最终输出的是一个常数，只需要检测到输出为常数，即可判断此振动对陀螺仪有干扰风险。

在本发明的具体实施例中，首先利用压电材料，将外部振动转换成电信号，完成对外部振动源即可能干扰陀螺仪的振动的捕捉；此电信号经过放大后和频率为陀螺仪振子振动频率的本地振动信号经过乘法器，再通过一个低通滤波器，可以得到两个信号的差频信号，该差频信号如果是一个直流信号，则说明振动源和陀螺仪本振频率一样；如果不是直流，则将低通滤波器的输出信号反馈至乘法器的第一输入端，并重复以上步骤，如果数次重复后得到直流信号，则说明或者振动源的频率为陀螺仪本帧频率的整数倍；如果无法得到直流信号，则说明此振动不会干扰陀螺仪。

本发明实施例中，在检测到存在干扰振动源时，还可以按照干扰振动源的幅度进行补偿，以消除干扰振动源的影响。

优选的，所述控制器还与所述检测单元的第一输入端电性连接，具体的，与放大器的输出端电性连接；

所述控制器在所述差频信号为直流信号时，将所述陀螺仪内部振子产生的目标陀螺仪振动信号的信号幅值减去目标噪声补偿值，得到补偿后的陀螺仪振动信号；

其中，所述目标噪声补偿值是控制器根据预设信号幅值与噪声补偿值的对应关系，确定的与所述电信号的幅值对应的噪声补偿值。

本发明实施例中，控制器还与所述检测单元的第一输入端电性连接，因此，控制器可以对电信号的幅度进行采样，获取电信号的幅度，并根据电信号的幅度对所述陀螺仪内部振子产生的目标陀螺仪振动信号进行补偿。可以通过实验建立如下的补偿矩阵，使采样到的信号幅值和补偿值一一对应，为了获得振动强度和噪声的关系，需要器件在出厂时测静止状态下不同能量的振动在陀螺仪静止时产生的噪声，这个数据即为振动和噪声的映射，在检测到相同强度的振动时，则在陀螺仪最终输出中减去这个强度的振动映射的噪声。

位于左侧的第一矩阵为1×N矩阵，可表示电信号的幅值，位于中间的第二矩阵为N×N矩阵，位于右侧的第三矩阵为1×N矩阵，可用于表示噪声补充值，将第一矩阵乘以第二矩阵中的第i列，便得到第三矩阵的第i列。在本发明的具体实施例中，电信号的相位不随时间发生变化，即除对角元素之外的其他元素均为0，外部振动的幅度和噪声补偿值之间为线性关系。

另外，可以用不同带宽的压电元件覆盖更复杂的情况，也可以将压电材料做成电桥来提高精度。对于相位随时间有变化的振动，需要额外的相位检测电路，在补偿方面，也需要在矩阵中加入相位信息。即上述第二矩阵中除对角元素之外的其它元素就可以代表相位，位置等信息。

本发明实施例的陀螺仪检测电路，可以有效避免外部振动干扰陀螺仪，使陀螺仪的布局更灵活，即使处于振动源附件，也可以不被干扰，陀螺仪的稳定性和抗干扰性能得到较大的提高。

本发明的实施例还提供了一种终端，包括陀螺仪，还包括如上所述的陀螺仪检测电路，该终端可具体为智能手机、平板电脑/PAD等。

本发明实施例的终端包括由射频单元、网络模块、音频输出单元、输入单元、传感器、显示单元、用户输入单元、接口单元、存储器、处理器、以及电源等部件构成的终端。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种陀螺仪检测电路，其特征在于，包括：

设置于陀螺仪外部的压电元件，所述压电元件用于将外部振动源的振动转换为电信号；

设置于所述陀螺仪内部的检测单元，通过所述检测单元的第一输入端输入所述电信号，通过所述检测单元的第二输入端输入本地振动信号，通过所述检测单元的输出端输出所述电信号和所述本地振动信号的差频信号，且所述检测单元的第一输入端与所述检测单元的输出端电性连接；

控制器，所述控制器与所述检测单元的输出端电性连接，所述控制器用于在所述差频信号为直流信号时，确定所述外部振动源为干扰振动源；

其中，所述本地振动信号是与所述陀螺仪内部的振子具有相同振动频率的振动信号，所述差频信号用于指示所述电信号和所述本地振动信号的频率关系。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，还包括：

与所述压电元件电性连接的第一电容；以及

与所述第一电容电性连接的放大电路，且所述放大电路的输出端与所述检测单元的第一输入端电性连接；

所述第一电容将所述电信号中的交流电信号传输至所述放大电路，所述放大电路将放大后的交流电信号传输至所述检测单元。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，所述放大电路包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端通过所述第一电容与所述压电元件电性连接；

放大器，所述放大器的第一输入端与所述第一电阻的第二端电性连接，所述放大器的第二输入端接地，所述放大器的输出端与所述检测单元的第一输入端电性连接；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述放大器的第一输入端电性连接，所述第二电阻的第二端与所述放大器的输出端电性连接。

4.根据权利要求2或3所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，还包括：

分别与所述放大电路的输出端和所述检测单元的第一输入端电性连接的第二电容；

所述第二电容将所述差频信号中的交流信号传输至所述检测单元的第一输入端。

5.根据权利要求1所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，所述检测单元包括：

乘法器，所述乘法器的第一输入端为所述检测单元的第一输入端，所述乘法器的第二输入端为所述检测单元的第二输入端；

低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述乘法器的输出端电性连接，且所述低通滤波器的输出端与所述乘法器的第一输入端电性连接，所述低通滤波器的输出端为所述检测单元的输出端；

其中，所述乘法器对所述本地振动信号和所述电信号进行相乘处理，输出混频信号至所述低通滤波器，所述低通滤波器对所述混频信号进行滤波处理，输出所述差频信号至所述控制器。

6.根据权利要求5所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，所述乘法器对所述本地振动信号和所述电信号进行相乘处理，输出混频信号包括：

所述乘法器对y(t)＝Asin[ω_it+θ_i(t)]和O(t)＝Bcos[ω_jt+θ_j(t)]进行相乘处理，得到相乘后的信号Y(t)＝Bcos[ω_jt+θ_j(t)]·Asin[ω_it+θ_i(t)]；

对相乘后的信号进行积化和差转换处理，得到混频信号

其中，y(t)表示电信号，A表示电信号的最大振动幅值，ω_i表示电信号的振动频率，θ_i表示电信号的相位；O(t)表示本地振动信号，B表示本地振动信号的最大振动幅值；ω_j表示本地振动信号的振动频率，θ_j表示本地振动信号的相位；K＝乘法器增益×A×B，t表示时间，表示本地振动信号和所述电信号的和频信号，表示本地振动信号和所述电信号的差频信号。

7.根据权利要求6所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，所述低通滤波器对所述混频信号进行滤波处理，包括：

所述低通滤波器过滤掉所述混频信号中的和频信号，得到所述差频信号。

8.根据权利要求1所述的陀螺仪检测电路，其特征在于，所述控制器还与所述检测单元的第一输入端电性连接；

所述控制器用于在所述差频信号为直流信号时，将所述陀螺仪内部振子产生的目标陀螺仪振动信号的信号幅值减去目标噪声补偿值，得到补偿后的陀螺仪振动信号；

其中，所述目标噪声补偿值是所述控制器根据预设信号幅值与噪声补偿值的对应关系，确定的与所述电信号的幅值对应的噪声补偿值。

9.一种终端，包括陀螺仪，其特征在于，还包括如权利要求1至8任一项所述的陀螺仪检测电路。