CN109477855A

CN109477855A - 加速计

Info

Publication number: CN109477855A
Application number: CN201780039719.8A
Authority: CN
Inventors: T·G·达尔; M·C·比杰肯; A·福格尔
Original assignee: Symplectic Turf Tto
Current assignee: Symplectic Turf Tto
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP6997112B2; AU2017271003B2; AU2017271003A1; CA3025452A1; JP2019517662A; CN109477855B; GB201609427D0; EP3465229A1; WO2017203284A1; US20200049731A1

Abstract

一种光学加速计装置(20)，包括附接到公共结构(22)的光学加速计(26)阵列。所述光学加速计(26)中的每一者提供指示由于施加到公共结构(22)的沿着给定轴的加速度引起的测量质量块(6)的位移的信号。该装置(20)还包括处理器(31a)，其被配置为使用加速计(26)提供的信号确定对加速度的估计。该装置(20)可以附接到物体(40；46；0；52)，该物体(40；46；0；52)还包括陀螺仪(44)和/或相机(48)。

Description

加速计

加速计在从智能手机到飞机和轮船的感测运动方面具有广泛的各种用途。典型加速计通过已知测量质量块的移动来测量加速度。例如，可以通过应变仪测量质量块的位移。

传统加速计的缺点之一在于，它们产生的信号倾向于显著量的噪声。这可能限制其精度和有用性。

更近来，已经提出使用光学加速计以测量加速度。在它们中，测量质量块的移动由光束(例如激光)的偏转确定。

申请人现已经意识到，可以利用光学加速计的特定特性以开发可以使用它们的其他有利方式。

当从第一方面看时，本发明提供一种光学加速计装置，包括：

光学加速计阵列，其附接到公共结构，所述光学加速计中的每一者提供指示由于施加到公共结构的沿着给定轴的加速度引起的测量质量块的位移的信号；和

处理器，其被配置为使用所述信号确定对所述加速度的估计。

因此，本领域技术人员将看到，根据本发明，在阵列中提供多个光学加速计，从而各个加速计沿着公共轴是灵敏的。申请人已经意识到，这提供可以成功地组合的附加数据，如本文进一步描述的那样，以给出更大精度，因为光学加速计的固有低自身噪声。

在实施例集合中，所述加速计包括光源，其被布置为提供光束，所述光束被所述测量质量块移动的反射表面反射以检测其位移。所述反射表面可以处于测量质量块自身上。可替代地，其可以由附接测量质量块的膜或其他构件提供。所述光源可以是对于多个加速计公共的，但在实施例集合中，对于每个加速计提供分离光源。

在这些实施例的集合中，所述加速计中的每一者包括衍射光栅，所述光束的一部分通过所述衍射光栅然后从所述反射表面反射。反射的光干涉从衍射光栅反射的光以产生干涉图案，其中的改变可以给出反射表面以及因此测量质量块的移动的更精确的指示。

可以使用任何期望的技术制造所述光学加速计，但在实施例集合中，使用微机电系统(MEMS)技术制造它们。

可以根据特定应用选择阵列的尺寸，但在示例性实施例集合中，所述阵列具有5mm和50mm之间的最大线性尺寸。

在实施例集合中，所述阵列具有100mm的最大线性尺寸。

在实施例集合中，所述光学加速计具有1mm和10mm之间的最小间距。

在实施例集合中，所述阵列包括2个和20个之间的光学加速计。

申请人已经意识到，光学加速计具有低的固有或“自身”噪声，而且此外，它们可以被制造为具有小的面积。关键的是，在大小与固有噪音之间不存在强负相关。通过对比，在其他类型的加速计中，加速计的灵敏度取决于膜的大小。这意味着，随着传统加速计变得更小，存在信噪比的减少。

申请人的见解在于，通过在紧密间隔的阵列中提供光学加速计，可以利用光学加速计的低自身噪声特性和小的大小。具体地说，应理解，在自身噪声基底足够低的情况下(如通过光学加速计可以实现的那样)，可以进行更精确的测量，而没有对布置的整体大小的不利影响。

使得阵列紧密地间隔在整体物理大小方面提供其他优点。这意味着，例如，可以在广泛范围的设备中实现可以从阵列实现的高级性能。

所述阵列可以是任何形状，但在实施例集合中，其符合选自包括线、平面、球体、四面体、立方体、长方体、八面体、十二面体和二十面体的集合的形状。

根据本发明，在阵列中提供具有公共灵敏度轴的多个光学加速计。整个阵列可以因此具有单个灵敏度轴。然而，等同地，阵列可以具有带有附加灵敏度轴的加速计，优选地，光学的。可以例如存在一个或两个附加灵敏度轴。在实施例集合中，所述阵列包括多个光学加速计，所述光学加速计在三个正交轴中的每一者上具有灵敏度。这可以通过适当取向的多个单轴加速计来实现，使得有多个单轴加速计在三个方向中的每一者上取向。可替代地，可以采用(本领域实质上公知的)多个三轴加速计。

本发明实施例可以用以确定物体的移动。所述光学加速计阵列附接的所述公共结构可以形成自含式模块的一部分，其进而附接到物体。可替代地，物体自身可以提供公共结构。例如，多个光学加速计可以附接到(包括集成到)物体(例如虚拟现实耳机或无人机)。在阵列包括具有三个正交轴的加速计的情况下，可以确定三个维度中的移动。然而，在实施例集合中，根据本发明的光学加速计装置附接到还包括陀螺仪的物体。如本领域所公知的那样，陀螺仪能够确定角度移动并且一般用作载具(尤其是空运和水运载具)中的移动检测系统的一部分。在这些应用中，还可以提供加速计以增强移动检测能力。然而，申请人已经意识到，加速计一般是“薄弱环节(weak link)”，其充当可以实现的总体精度方面的限制因素。作为示例，存在很多应用，其中，加速计仅用以当单元处于静止时估计重力的方向。通过对比，根据本发明，光学加速计阵列提供的改进的精度可以消除这种限制，从而可以实现陀螺仪的(典型地优越的)精度。

然而，申请人也已经认识到，根据本发明的阵列可以在采用陀螺仪的应用中给出其他增效。更具体地说，申请人已经认识到，具有相同灵敏度轴的加速计的固定空间关系允许使用空间分离的加速计的输出的差异确定关于旋转的信息。这些实施例使得它们更好地适用于所讨论的那些实现方式，其中，物体自身提供公共结构，因为这在物体的大小和形状的约束内使得空间分离能够最大化。然而，光学加速计的低自身噪声意味着，即使各个加速计之间的分离度较小(例如，比对于获得可用旋转信息将典型地另外是必要的更小)，也可以获得有用的旋转数据。

本发明因此扩展到一种物体，包括：陀螺仪，其提供陀螺仪信号；和光学加速计装置，所述光学加速计装置包括：基底上的光学加速计阵列，所述光学加速计中的每一者提供指示由于基底的旋转引起的相应膜的位移的信号；和处理器，其被配置为使用来自所述光学加速计阵列的所述信号和所述陀螺仪信号确定对所述旋转的估计。

与单独使用陀螺仪相比，从光学加速计阵列推导的旋转信息可以因此用以增强旋转确定的精度。存在可以实现该的很多方式。例如，可以对信号简单地进行平均，或者应用加权平均。

连同提供关于角速度的信息，光学加速计装置可以在实施例集合中用以提供关于角加速度的信息。虽然角加速度信息在理论上可从间隔开的加速计得到，但在本领域中假设其在信号中遭受太多噪声而没有实际用途。然而，申请人现已经意识到，通过根据本发明提供的低噪声光学加速计阵列，可以有用地推导这种信息。

在实施例集合中，根据本发明的光学加速计装置附接到可移动物体，所述可移动物体还包括被配置为确定所述物体的位置的相机。申请人已经认识到，虽然给定合适的分辨率，处理能力等，相机(具体地说，立体或三维(3D)相机)可以有效地确定物体的位置，但该方法可能使用显著量的功率，这使得它不良地适合于便携式或移动应用。申请人意识到，现有目前显著尝试，以试图对于VR头部跟踪工作进行该3D相机(仅)方法并将其推向市场，但这尚未成功。

随一些其他现有的基于3D相机的跟踪系统(例如HTC Valve^TM虚拟现实耳机)的另一缺点是它们对放置在使用设备的房间中的固定信标的依赖性。通过对比，申请人已经意识到，结合被配置为确定位置的相机使用一个或多个光学加速计可以避免这些缺点中的一些或全部。

当从第二方面看时，因此，本发明提供一种可移动物体，包括：

一个或多个光学加速计，其提供指示由于施加到所述可移动物体的加速力引起的膜的位移的信号；

相机；和

处理器，其被配置为使用所述光学加速计和所述相机确定对所述物体的位置估计。

所述相机优选地是立体或3D相机。所述物体优选地包括光学加速计阵列。所述阵列优选地如根据本发明的第一方面阐述的那样，并且是其优选特征。

可以通过多种方式从光学加速计输出和相机输出获得位置估计。在实施例集合中，相机用以建立一系列绝对位置(即相对于其环境中的其他物体或特征的位置)，并且光学加速计输出用以建立所述移动对象相对于所述绝对位置的位置。根据这些实施例，申请人已经认识到，采用相机(优选地，3D相机)以用于绝对跟踪而不需要信标或任何其他专用基础结构变得可行，因为并不需要一直采用它；光学加速计可以给出关于其之间的位置的准确信息。这通过简单地对可移动物体的环境进行成像允许这种绝对定位所需的增加的处理，而没有不可接受地增加的功耗。相机可以用以周期性地(即，按规则的间隔)建立绝对位置。可替代地，例如，如果光学加速计指示可移动物体的相对移动已经超过阈值，则其可以用以自适应地建立绝对位置。

本发明第一方面的光学加速计装置有利地提供于可移动物体中或其上。广泛各种可移动物体可以适合于此或本发明第二方面的可移动物体。一些非限定性示例包括：远程操作的或自主空运载具(无人机)、自主水下载具、机器人、无人驾驶汽车、虚拟或增强现实耳机、计算机输入外围设备(例如鼠标)、笔式记录笔等。

在本文中引用条目附接到另一条目的情况下，这应理解为仅仅意味着它们被保持以便一起移动。没有暗示具体的固定程度或方式，并且因此，这涵盖集成地形成的、永久固定的、可拆卸地附接的等的物品。附接在条目处于物理接触的意义上可以是直接的，或者是一个或多个中间条目或层出现的意义上是间接的。

在本文中引用基底的情况下，这应理解为仅仅意味着条目附接到的基础结构(在上文所述的意义上)，而不暗示任何特定结构。因此，虽然印制电路板或MEMS基层可以代表基底，但这些绝不一定是暗示的。

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明特定实施例，其中：

图1是根据本发明的光学加速计的示意图；

图2是包括根据本发明的长方体光学加速计阵列的模块的示意图；

图3a和图3b示意性地示出替选阵列几何形状；

图4是图2的模块的系统图；

图5a-图5d示意性地示出可以应用图2的阵列的各种可移动物体；

图6a和图6b示出使用用于惯性测量的光学加速计的SLAM系统和使用根据现有技术的加速计的SLAM系统的地图匹配的比较；

图7是示出相机可以如何用于位置跟踪的说明图；

图8a和图8b是现有技术VR耳机布置和本发明实施例的比较性说明；

图9是描述根据本发明的位置跟踪系统的操作的流程图；

图10给出关于已知加速计和根据本发明的加速计的传感器体积针对信噪比的比较性图线；

图11示出具有陀螺仪的光学加速计阵列与具有陀螺仪的传统MEMS加速计之间的估计位置的预期误差的比较。

图1示意性地示出使用标准微机电系统(MEMS)技术制造的示例性光学加速计的主要功能部分。其包括基底2，在基底2上安装直立的壳体4。壳体4可以是任何适当的机械材料(例如硅)。电连接在壳体中不是必要的。

壳体4在其上端是开放的，并且测量质量块6通过多个弹簧8悬挂穿过该开放端，所述多个弹簧8在该上端附近连接到壳体4的壁。可以通过膜、悬臂、折叠悬臂等悬挂该测量质量块6，而不使用弹簧。

在壳体内部，安装在基底2上的是激光形式的光源(例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))10和光检测器12、13。基底2还承载读出和信号处理电子器件。

透明基底14在激光二极管10与测量质量块6之间跨越壳体4。在透明基底的上升的中心部分16上是衍射元件18。其可以例如通过沉积在透明基底的顶部上的衍射图案中的反射金属条带得以实现。

在使用中，随着加速力施加到整个结构，将使得测量质量块6将逆着弹簧8的恢复力移动，并且因此其与衍射元件18之间的距离改变。

来自激光器10的光通过透明基底14。一些光通过衍射元件18的图案，一些光被构成图案的线反射。通过的光从测量质量块6的后表面反射并通过衍射元件18返回。已经行进这两条路径的光的相对相位确定受导向进入衍射元件的不同衍射级(每个衍射级在固定方向上受导向)的光的部分。在目前优选实施例中，衍射元件18是衍射菲涅耳透镜的形式。因此，衍射图案18的线根据给出对应于零级的中心焦点区域的标准菲涅耳公式大小化并且间隔化。第一光检测器12被定位，以接收零级中的光。第二光检测器13被定位，以接收来自衍射菲涅耳透镜的聚焦的第一衍射级的光。当衍射元件16与测量质量块6之间的间隔是来自二极管10的激光的波长的一半或其整数倍时，实际上由衍射元件16反射的所有光都受导向进入零衍射级。在该位置处，第二检测器13接收非常少的光，因为其位于衍射元件的第一级的位置(其关于衍射菲涅耳透镜聚焦成点)处。

应理解，光路长度当然取决于衍射元件16与测量质量块6之间的距离。测量零衍射级的第一光检测器12和第二光检测器13(其位置是固定的)记录的光的强度随着上述间距变化而变化，但以异相的方式变化。

图1仅示出单个光学加速计，但可以在同一基底上提供多个光学加速计。

图2示出实施本发明的光学加速计装置或模块20。装置20包括框架22，外部壳体24(为说明目的而示出为透明的)附接至框架22。多个光学加速计26在框架22的各个角部处附接到框架22。框架22近似为立方体，但如图3a和图3b所示，可以使用其他形状(例如四面体、八面体等，其中，光学加速计26位于其顶点处)。另一示例将是具有例如带有长度10厘米的正方形，其中，加速计位于其角部处。这将给出长基线测量并因此高精度。

光学加速计26可以是如上参照图1描述的单轴光学加速计。可替代地，它们可以是三轴光学加速计，其包括以相互垂直的角度部署的图1所示的布置的三个三轴光学加速计。框架22还经由另一连接30提供对光学加速计26和对控制单元28的电连接。如图4所示，控制单元28包括处理器31a、存储器31b、电源31c和通信模块31d。

如图2的放大部分所示，单独光学加速计26容纳(例如，胶合)于板32中的合适凹槽中。光学加速计单元26上的电引脚34接合在板32中的对应插口36中。

应理解，整个模块20因此提供八个空间分离的光学加速计的阵列，其在任何给定方向上(如果使用单向光学加速计，则单个方向；如果使用三向光学加速计，则三个方向中的每一者上)具有灵敏度。如下面将展现的那样，该光学加速计阵列允许实现更精确的定位，并且还允许可靠地估计角速度和加速度。

虽然所描绘的实施例将光学加速计26示出为独立单元，但还设想，在其他实施例中，光学加速计中的两者或更多者可以共享激光器以节省功率。激光可以例如使用光纤从中心源得以分发。

在最简单的实现方式中，来自光学加速计26的信号可以由控制单元28中的处理器通过对它们求平均得以组合，以产生在感兴趣的方向(可以是先前所讨论的一个或多个)上的线性加速度的更精确的估计。更大的精度来自平均N个光学加速计输出的简单关系。单个光学加速计元件具有方差V

方差指示光学加速计的噪声程度。如果N个光学加速计输出是平均值，则平均值的方差V_avg为：

其当然小于V。

实际上，可以配合到给定体积中的给定大小的光学加速计元件的数量与体积成比例，但与每个元件的大小成反比。因此，来自光学加速计传感器元件阵列的测量值的方差与单独传感器元件的大小成比例。

如上所述，连同用光学加速计26以给出线性加速度的更精确的测量，可以利用具有公共灵敏度轴的空间分离的光学加速计的提供以确定角速度和加速度。这可以使用迭代回归来实现，迭代回归是用于解决该问题的若干策略之一。

以下刚体运动学方程适用：

其中：

f_ibn是3轴光学元件的加速度；

f_ib是公共点相对于a_i的加速度；

R项表示取向的改变；

α是角加速度

r是f_ibn和f_ib之间的矢量距离

ω是角速度。

项f_ibn是已知的，因为它是由光学加速计直接测量的。可以通过对中心点的周围的所有加速计信号求平均推导项f_ib，并且项r和R是取决于每个传感器元件的安装位置的常数。它们都可以通过校准得以确定。它们是近似已知的，因为安装的尺寸是近似已知的。然而，热翘曲、胶合设置和其他非理想效应导致与其设计位置不准确对应的安装位置。

期望计算的未知变量是α和ω。公式3在ω方面是非线性的，在α方面是线性的。公式4给出线性化的回归形式：

其中；

A＝[ω_vx][rx]+[(ω_vxr)x]；

N是光学加速计的数量；

形式[a x]指代矢量a的斜对称矩阵，其具有形式a_3×1×b_3×1＝[a x]_3×3b[33]。

该公式可以使用例如高斯牛顿法求解。如现将参考图4a描述的那样。

图5a示出远程操作的空运载具或无人机40，其具有传统的四个转子42。无人机还承载先前描述的光学加速计模块20和传统的陀螺仪44。光学加速计模块20可以具有对用于无人机的板载控制器的有线连接，或者它可以例如使用蓝牙^TM进行无线通信，以使得必须重新工程化无人机40以结合该模块20的程度最小化。

陀螺仪44和光学加速计模块20可以一起工作以提供取向和定位信息，以用于增强无人机40的控制。例如，可以通过使用来自陀螺仪44的输出以对于以上指代的数值迭代近似算法提供初始值或者简单地通过分别对光学加速计模块20和陀螺仪44提供的角速度估计求平均来实现该情况。

通过结合光学加速计模块20提供的增强的精度允许无人机40在其可能没有对全球定位系统(GPS)信号的接入的室内环境中更成功地被导航。

图5b示意性地示出本发明的另一可能实施例。这是基于地面的自主机器人46，其也承载光学加速计模块20。除此之外，它还包括一对立体相机48，其允许它执行三维成像。如下面参考图7将描述的那样，这带来采用使用光学加速计模块20和3D相机装置48的有利混合定位方法的可能性。

图5c示出承载光学加速计模块20的水下载具50。其可以被配置作为远程操作的载具或自主水下载具。

图5d示出“无人驾驶”汽车52，其包括一个或多个光学加速计模块20。这允许其更精确地确定动力学参数和位置。当载具处于其没有GPS信号的可靠接收的隧道或密集建立的环境中时，这可能是特别有用的。

在Hesch、Joel A.等人的“Camera-IMU-based localization:Observabilityanalysis and consistency improvement.”The International Journal of RoboticsResearch(2013):0278364913509675给出可以通过使用根据本发明的光学阵列加速计改进的将惯性导航与相机组合的现有方法的其他细节。

申请人考虑VSLAM(视觉同时定位和建图)，VINS(视觉惯性导航系统)和VIO(视觉惯性测距法)都可以通过结合根据本发明的一个或多个光学加速计使用它们得以改进。其原因在于，在所有这些技术中，当惯性数据中存在较少噪声时，可以实现改进。以下讨论本发明在SLAM系统的上下文中的特定优点。

在SLAM系统中，运动估计和控制逻辑划分为两个部分：内环和外环。内环负责测量载具的运动，并且对稳定性和准确的运动控制是关键的。必须以非常高的帧速率执行内环-特别是对于敏捷载具(例如无人机)-并且因此典型地基于惯性传感器。外环负责构造环境的地图并用于在地图内定位载具。外环需要外感受性传感器(例如相机或LIDAR(光检测和测距)设备)，并且因此导致显著更高的计算成本，并且因此以比内环更低的帧速率运行。

在外环的执行周期之间，载具绝对依赖于用于导航的惯性传感器的精度。任何SLAM系统的性能因此与惯性测量的质量直接相关-因为更可靠的惯性测量减少必须执行外环的频率。通过使用根据本发明的光学加速计的改进的惯性测量的一些益处如下：

1.归因于对外环(重计算)更新频率的较不严格的要求带来的计算成本节约。这转换为更小、更轻、更功率高效的硬件。

2.归因于更准确的惯性导航带来的外环执行周期之间的更大的载具运动。这使得载具能够移动得更快并且关于相同处理速度执行更动态的操纵。

3.归因于对外循环执行时间的较不严格的要求带来的更大并且更详细的环境地图以及更精确的定位。

4.归因于惯性传感器的改进的精度和可靠性带来的在用于外感受性传感器的很少特征的情况下对信号丢失或周期的更大的鲁棒性。在没有外感受性传感器输入的情况下，可以精确地重构载具运动达更长的时段。

5.对于低噪声惯性测量的减少的滤波要求使得能够进行更好的速度和加速度控制-改进载具控制系统的敏捷性和性能。

6.更平滑和更精确的惯性测量允许更好地预测特征点的相对位置，进一步简化特征匹配算法的复杂度并且改进它们对包含自相似特征或纹理的场景的鲁棒性。

从图6a和图6b可以理解来自改进的惯性测量的计算成本节约的优点。图6a示出无人机600，其具有LIDIR系统和包括根据本发明的光学加速计模块的惯性测量单元。LIDIR系统周期性地获得无人机的周围的地图，但归因于高计算成本，不频繁地获得地图。在获取地图之间，惯性测量系统用以确定无人机的轨迹以及因此其新位置，从而每个获取的地图的特征可以与先前获取的地图上的对应特征匹配。

无人机初始地处于第一位置602处，其中，LIDIR系统获取无人机的周围的第一地图604。到获取下一地图606之时，无人机600已经移动到第二位置608。

在第一位置602与第二位置608之间，惯性测量单元计算路径610，归因于光学加速计模块的精度，路径610是真实轨迹的非常精确的估计。因此，当新地图606重叠在先前地图604上时，特征紧密地映射到彼此。因此，匹配两个地图上的特征是直接的。

图6b还示出第二无人机600'，其经历与第一无人机606所示相同的运动并且获得对应的第一地图604'和第二地图606'。然而，第二无人机具有包括根据现有技术的传统MEMS加速计的惯性测量单元。

当第二无人机600'从第一位置602移动到第二位置608时，传统惯性测量单元估计的轨迹612比第一无人机606的惯性测量单元计算的轨迹610远更不精确(在图6a和图6b中的每一个上示出这两个轨迹，以用于比较)。因此，当第二地图606'覆盖在第一地图604'上时，无人机的位置的不精确确定导致地图特征之间的不良相关性，并且因此匹配特征是困难的或甚至不可能的。应理解，地图更新之间的时间越长，估计的轨迹距真实轨迹的偏差就越大，并且地图匹配就变得越困难。因此，如果使用传统的惯性测量单元，则必须频繁地更新地图。

然而，对于使用根据本发明的光学加速计的SLAM系统，归因于轨迹确定的更大精度，更低的更新频率可以用于地图获取，节省计算资源。

将参照图7描述使用3D相机进行成像可以如何与使用根据本发明的一个或多个光学加速计的惯性定位组合的简化示例。首先，使用3D相机建立环境中的地标的位置。在图7所示的示例中，通过使用附接到物体(例如汽车)的3D相机捕获第一图像A，可以建立距树和山的距离(图7的上部未示出)。当物体移动距离D时，捕获另一图像B。由于视差效应，树和山已经在两个图像A、B之间相对于彼此移动。

还使用来自光学加速计的加速度和角速度建立汽车的惯性移动。假设地标并未移动，捕获的图像中物体的移动给出关于汽车的移动的进一步信息。对它们二者取平均，以改进移动估计。

在卡尔曼框架中，N个地标(世界框架中给出的xyz位置)添加到状态。每个地标的处理模型给出为：

即，每个地标在世界框架中是静止的。

图7a示意性地示出用于确定虚拟现实耳机54的移动的已知装置。本领域技术人员应理解，精确确定这些耳机的移动对于用户具有尽可能自然的体验是关键的。在已知的装置中，耳机54具有多个光检测器，其检测来自同一房间60中的静止信标58位置的光脉冲。使用从信标58接收光脉冲的定时的相对差异，耳机54可以确定其在房间60中的位置和取向。然而，显著缺点在于，信标58与耳机54之间需要视线，这意味着用户不能移动到其中尚未预先安装信标的相邻房间62中。

然而，根据图8b中表示的本发明实施例，光学加速计模块20和3D相机64都提供于虚拟现实耳机66上。如以下将解释的那样，通过耳机66的环境中的地标68的3D成像和使用不同于上面参考图8阐述的光学加速计模块20的精确的相对定位的组合，耳机可以随着其在房间60、62之间移动精确地被跟踪，而无需任何预先安装的信标。

图9是概述可以由耳机66采用的混合定位算法的流程图。在第一步骤70中，3D相机64捕获参考图像。已知的图像识别技术可用以标识图像中的地标68并且计算耳机相对于它们的位置。这用以在步骤72在房间60中建立参考绝对位置。然后，在步骤74，使用光学加速计模块20跟踪耳机66的移动。这样提供三个维度中的加速度信息，其可以整合以确定三个维度中的耳机相对于参考位置的聚合移动。

在步骤76，执行检查以查看自从捕获图像以来阈值时间是否已经逝去。如果尚未逝去，则继续相对跟踪(步骤74)。然而，如果阈值时间已经逝去，则使用相机64在步骤76捕获另一3D图像。板载处理器然后将新捕获的图像与参考图像进行比较(步骤78)并且确定(步骤80)耳机66已经距参考位置移动有多远。这用以设置新的绝对位置(步骤82)，从此处，相对跟踪可以继续(步骤74)。

可以看出，通过采用该算法，仅需要3D相机66周期性地捕获图像。因此，相对不频繁地使用捕获和处理这些图像所需的显著量的功率。在之间使用具有远更低的功率要求的光学加速计模块20以保持耳机正移动的地方的精确模型。这样避免对预先安装的信标的需要，而无需将功耗增加到高不可攀的等级。其还允许例如用户移动到另一房间62中，而不会丢失定位信息。

图10给出用于已知加速计84和根据本发明的加速计86的传感器体积针对信噪比的比较性图线。据此可以看出，对于已知传感器84，在传感器的体积与可以实现的典型的信噪比之间存在近似的对数关系。传感器体积与成本之间也存在普通正相关性。然而，根据本发明使用的光学加速计展现具有远更陡峭的梯度的图线86，其指示关于大小的适度增加可以实现远更高的信噪比并且“损益平衡”点为1-1毫米左右。至少根据本发明的优选实施例，这使得在阵列中提供多个它们是高度合理的，其于是仍并非太大而无法在实际产品中合并。这些关系84、86已经通过现有传感器的测量和在本文所描述的种类的光学加速计的情况下的实验得以建立，并且因此与目前可用的产品相比展现显著的技术和经济优点的潜力。

图11示出i)具有MEMS陀螺仪的四个光学加速计的阵列与ii)具有MEMS陀螺仪的单个传统的MEMS加速计之间在两秒上行进的路径的估计位置的预期误差(归因于传感器测量噪声)的比较。通过在图线上示出真实路径88来说明该情况，其中，估计路径90用于具有陀螺仪的光学阵列，估计路径92用于传统MEMS加速计和陀螺仪。

传统MEMS加速计和陀螺仪的信噪比(SNR)为：

光学阵列和陀螺仪的有效SNR为：

SNRa_OpMax＝75dB

这些数字对应于消费电子产品中的低成本惯性测量解决方案，并且从而两种测量解决方案的物理大小相似(例如，小于4mm²)。陀螺仪在两个传感器中是相同的。求解非线性最小二乘问题以从光学阵列中提取最可能的加速度/陀螺仪信号：

ω_mes＝ω+噪声

在此，是第i加速计的测量加速度，ω_mes是陀螺仪测量值，r_i是加速计i与加速计阵列原点之间的恒定位移。

测量公式在未知数方面是线性的，并且使用加权高斯牛顿法求解最可能的信号估计。从图11中可以看出，与对于传统MEMS加速计而言为30cm相比，位置估计离实际位置的预期偏差对于光学阵列而言在2秒之后为1cm。

本领域技术人员应理解，存在本文描述的原理的很多可能的变形和应用，其中，上述示例仅为少数。

Claims

1.一种光学加速计装置，包括：

光学加速计阵列，其附接到公共结构，所述光学加速计中的每一者提供指示由施加到所述公共结构的沿着给定轴的加速度引起的测量质量块的位移的信号；和

2.如权利要求1所述的光学加速计装置，其中，所述加速计包括光源，所述光源被布置为提供光束，所述光束被由所述测量质量块移动的反射表面反射以检测其位移。

3.如权利要求1或2所述的光学加速计装置，其中，所述加速计中的每一者包括衍射光栅，所述光束的一部分通过所述衍射光栅后从所述反射表面被反射。

4.如权利要求1、2或3所述的光学加速计装置，其中，使用微机电系统技术制造所述光学加速计。

5.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述阵列具有5mm和100mm之间的最大线性尺寸。

6.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述光学加速计具有1mm和10mm之间的最小间距。

7.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述阵列包括2个至20个光学加速计。

8.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述阵列符合选自由线、平面、球体、四面体、立方体、长方体、八面体、十二面体和二十面体组成的集合的形状。

9.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述阵列包括多个光学加速计，所述多个光学加速计在三个正交轴中的每一者中具有灵敏度。

10.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述光学加速计装置附接到还包括陀螺仪的物体。

11.一种物体，包括：陀螺仪，其提供陀螺仪信号；和光学加速计装置，所述光学加速计装置包括：

基底上的光学加速计阵列，所述光学加速计中的每一者提供指示由所述基底的旋转引起的相应膜的位移的信号；和

处理器，其被配置为使用来自所述光学加速计阵列的所述信号和所述陀螺仪信号确定对所述旋转的估计。

12.如权利要求11所述的物体，其中，所述光学加速计装置被配置为提供关于角加速度的信息。

13.如任一前述权利要求所述的光学加速计装置，其中，所述光学加速计装置附接到可移动物体，所述可移动物体还包括配置为确定所述物体的位置的相机。

14.一种可移动物体，包括：

一个或多个光学加速计，其提供指示由施加到所述可移动物体的加速力引起的膜的位移的信号；

相机；以及

15.如权利要求14所述的物体，其中，所述相机是立体或3D相机。

16.如权利要求14或15所述的物体，其中，所述物体包括光学加速计阵列。

17.如权利要求14或15所述的物体，包括如权利要求1至10中任一项所述的光学加速计装置。

18.如权利要求14至17中任一项所述的物体，被布置为使用所述相机以建立一系列绝对位置以及使用光学加速计输出以建立所述可移动物体相对于所述绝对位置的位置。