CN109716070B - 物理量测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物理量运算装置，具备：同类型的多个物理量传感器，其每隔规定时间检测物理量；运算部，其基于在各时刻由多个物理量传感器分别检测出的物理量计算出输出值；以及判别部，其基于关于紧前的检测时刻计算出的输出值和在当前的检测时刻由多个物理量传感器分别检测出的物理量来进行规定的判别，运算部基于判别部的判别结果计算出各时刻的输出值。该物理量运算装置无需使用特殊的滤波器，便能抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷，并且能够通过抑制噪声来进行高精度的物理量运算。

Description

物理量测定装置

技术领域

本发明涉及具备同类型的多个物理量传感器的物理量测定装置。

背景技术

专利文献1中记载的运动测定装置将由角速度传感器检测出的三个轴向的角速度分量转换为四元数，并且将由加速度传感器检测出的三个轴向的加速度分量转换为四元数，将从加速度分量转换得到的四元数作为观测值，应用卡尔曼滤波器对从角速度分量转换得到的四元数进行修正，由此，力求通过迅速的运算以较高的精度求取步行时的下肢的动作角度等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-217053号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1的运动测定装置中，是使用角速度传感器和加速度传感器并且实施滤波的运算，因此存在功耗增大，用于设置不同种类的多个传感器和分别与它们相对应的电路的面积也增大，并且运算电路所承受的负荷也增大的课题。

另一方面，作为位置的计算方法，虽然也有通过对由加速度传感器检测出的加速度进行累计(积分)来进行的计算方法，但是在从加速度累计算出速度、进而从速度累计算出位置的过程中，加速度数据中所包含的噪声信号重叠，因此存在难以进行高精度的位置计算的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种物理量运算装置，其无需使用卡尔曼滤波器等特殊的滤波器，便能抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷，并且通过抑制噪声，能够进行高精度的物理量运算。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的物理量测定装置的特征在于，具备：同类型的多个物理量传感器，其在每隔规定时间的各检测时刻检测物理量；运算部，其基于在各检测时刻由多个物理量传感器分别检测出的物理量来计算出输出值；以及判别部，其基于关于紧前的检测时刻计算出的输出值和在当前的检测时刻由多个物理量传感器分别检测出的物理量来进行规定的判别，运算部基于判别部的判别结果，计算出对于各时刻的输出值。

由此，无需使用特殊的滤波器，便能抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷，并且，通过抑制噪声，能够进行高精度的物理量运算。

在本发明的物理量测定装置中，优选为，多个物理量传感器是两个物理量传感器，并且判别部判别：在当前的检测时刻由两个物理量传感器检测出的物理量之间是否存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值，运算部在于当前的检测时刻由两个物理量传感器检测出的物理量之间存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，将在当前的检测时刻由两个物理量传感器检测出的物理量的平均值作为关于当前的检测时刻的输出值，在于当前的检测时刻由两个物理量传感器检测出的物理量之间不存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，将关于当前的检测时刻检测出的两个物理量中接近关于紧前的检测时刻计算出的输出值的物理量作为关于当前的检测时刻的输出值。

由此，无需使用特殊的滤波器、复杂的电路，并且能够可靠且容易地抑制噪声。

在本发明的物理量测定装置中，优选为，输出值将由多个物理量传感器分别在最初的时刻检测出的物理量的平均值作为初始的输出值。

由此，只要计算出平均值即可，因此能够减小运算电路所承受的负荷，从而能够迅速且正确地进行运算部、判别部的处理。

在本发明的物理量测定装置中，优选为，具备切换部，该切换部对多个物理量传感器中的进行动作的物理量传感器的数量进行切换。

由此，在希望优先做到低功耗时，能够减少进行动作的物理量传感器的数量，另外，能够通过增加进行动作的物理量传感器的数量来提高测定精度。

在本发明的物理量测定装置中，优选为，所述判别部根据由所述多个物理量传感器分别检测出的物理量的比较，来进行所述物理量测定装置的故障判定。

由此，能够识别物理量传感器的故障，因此能够迅速采取对物理量传感器进行更换、对进行动作的物理量传感器的数量进行切换等应对措施，从而能够维持物理量测定的精度。

发明效果

根据本发明，无需使用卡尔曼滤波器等特殊的滤波器，便能抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷，并且通过抑制噪声，能够进行高精度的物理量运算。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的物理量测定装置的结构的框图。

图2是示出利用本发明的实施方式的物理量测定装置的输出值设定的处理流程的流程图。

图3是示出检测出的加速度和输出值的设定例的图。

图4是示出检测出的加速度和输出值的设定例的图。

图5是示出以静止的状态放置一个加速度传感器时的、检测输出相对于经过时间的变化的图表。

图6是示出以静止的状态放置两个加速度传感器时的、检测输出的平均值相对于经过时间的变化的图表。

图7是示出以静止的状态放置物理量测定装置时的、输出值相对于经过时间的变化的图表。

图8是示出根据图5～图7所示的值分别计算出的3σ相对于经过时间的变化的图表。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的物理量测定装置。在本实施方式中，将说明使用两个加速度传感器来作为物理量传感器的情况，但本发明中的物理量传感器并不局限于加速度传感器，也能够应用于例如角速度传感器、气压传感器、光传感器、温度传感器、重量传感器等。

图1是示出本实施方式的物理量测定装置10的结构的框图。如图1所示，物理量测定装置10具备第一加速度传感器11、第二加速度传感器12、控制部13、运算部14、判别部15以及存储部16。

第一加速度传感器11和第二加速度传感器12是同类型的传感器，在每隔规定时间、例如每隔10ms的检测时刻，分别检测出作为物理量的加速度，并将检测结果输出至控制部13。这里，同类型的传感器是指按照相同的原理来检测相同的物理量的单一类型的传感器。加速度传感器11、12是对质量沿加速度的方向移动时的力进行检测的传感器，例如，由支承质量的梁和检测梁的挠曲的应变传感器构成。由应变传感器检测出的应变量与所述力成正比。由质量、梁以及应变传感器构成的传感器部设置有三组，各梁的挠曲方向分别朝向三个轴的方向，以便能够对相互正交的基准坐标轴的三个轴向上的加速度进行检测。

控制部13控制运算部14和判别部15的动作，另外，响应于检测的时刻，将第一加速度传感器11和第二加速度传感器12的检测数据向运算部14或判别部15输出。然后，根据判别部15的判别结果，使运算部14执行规定的输出值的运算。

运算部14基于在每隔上述规定时间的各检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12分别检测出的加速度，根据控制部13的控制而计算出输出值。所计算出的输出值经由控制部13保存于存储部16中，并且向判别部15输出。判别部15基于关于紧前的检测时刻由运算部14计算出的输出值和在当前的检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12分别检测出的加速度，根据控制部13的控制来进行规定的判别。该判别结果经由控制部13向运算部14输出，在运算部14中，基于判别部15的判别结果，计算出各检测时刻的输出值。

这里，起动物理量测定装置10时的初始的输出值优选设为由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12分别在最初的检测时刻检测出的加速度的平均值。

作为判别部15中的判别，有如下判别：在当前的检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12分别检测出的两个加速度之间是否存在关于紧前的检测时刻由运算部14计算出的输出值。在运算部14中，根据该判别结果，以下面(1)或(2)的方式计算出输出值。

(1)在当前的检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12检测出的加速度之间存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，将在当前的检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12检测出的加速度的平均值作为关于当前的检测时刻的输出值。

(2)在当前的检测时刻由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12检测出的加速度之间不存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，将关于当前的检测时刻检测出的两个加速度中与关于紧前的检测时刻计算出的输出值接近的加速度作为关于当前的检测时刻的输出值。这里，对于在关于当前的检测时刻检测出的两个加速度中，与关于紧前的检测时刻计算出的输出值接近的加速度是哪一个的判别也由判别部15进行。

另外，判别部15作为故障判定部，通过对由第一加速度传感器11和第二加速度传感器12分别检测出的物理量进行比较，来进行物理量测定装置的故障、例如第一加速度传感器11或者第二加速度传感器12的故障的判定。更具体而言，在两个物理量中的一个为另一个的规定倍数以上、例如三倍以上的数值时，判定为是故障。

这里，作为故障判定部的判定，在加速度传感器有三个以上的情况下也执行，例如，在由一个加速度传感器检测出的物理量相对于由剩余的加速度传感器检测出的物理量的平均值为规定倍数以上、例如三倍以上的数值时，判定为是故障。

图2是示出本实施方式的物理量测定装置10的输出值设定的处理流程的流程图。图3和图4是示出所检测出的加速度和输出值的设定例的图。在图2～图4中，Z1(n)是在检测时刻n由第一加速度传感器11检测出的加速度，Z2(n)是在检测时刻n由第二加速度传感器12检测出的加速度。检测时刻n+1是检测时刻n的下一个的检测时刻。Zout(n)是对于检测时刻n的运算部14的输出值。

首先，作为物理量测定装置10的起动时的初次检测，由第一加速度传感器11检测出第一加速度Z1(n)，由第二加速度传感器12检测出第二加速度Z2(n)(步骤S1)，将这些加速度数据向控制部13输出。控制部13指示运算部14根据所检测出的两个加速度来计算平均值，运算部14将所计算出的平均值设定为对于该时刻的输出值Zout(n)，该输出值保存于存储部16中(步骤S2)。这里，输出值Zout(n)用下式(1)表示。

Zout(n)＝[Z1(n)+Z2(n)]/2 (1)

在从上述步骤S1中的检测起经过了规定时间后的第二次检测中，由第一加速度传感器11检测出第一加速度Z1(n+1)，由第二加速度传感器12检测出第二加速度Z2(n+1)(步骤S3)，将这些加速度数据向控制部13输出。控制部13使判别部15判别在两个加速度Z1(n+1)、Z2(n+1)之间是否存在初次的输出值Zout(n)(步骤S4)。这里，若将第二次检测的时刻作为当前的检测时刻，则初次检测的时刻成为紧前的检测时刻。

如图3所示，在两个加速度Z1(n+1)、Z2(n+1)之间存在有初次的输出值Zout(n)的情况下(在步骤S4中为“是”)，控制部13使运算部14计算出两个加速度Z1(n+1)、Z2(n+1)的平均值，运算部14将所计算出的平均值设定为对于该时刻的输出值Zout(n+1)，该输出值保存于存储部16(步骤S5)。这里，Zout(n+1)由下式(2)表示。需要说明的是，在图3中，Zout(n)从检测时刻n偏移，在图4中，Zout(n+1)从检测时刻n+1偏移，但都是为了便于说明而使它们偏移的。

Zout(n+1)＝[Z1(n+1)+Z2(n+1)]/2 (2)

另一方面，如图4所示，在两个加速度Z1(n+1)、Z2(n+1)之间不存在初次的输出值Zout(n)的情况下(在步骤S4中为“否”)，判别部15进一步判别第一加速度Z1(n+1)是否比第二加速度Z2(n+1)接近初次的输出值Zout(n)(步骤S6)。

其结果是，在第一加速度Z1(n+1)比第二加速度Z2(n+1)接近初次的输出值Zout(n)的情况下(在步骤S6中为“是”)，将第一加速度Z1(n+1)设定为该检测时刻的输出值Zout(n+1)(步骤S7)。

与此相对，在第二加速度Z2(n+1)比第一加速度Z1(n+1)接近初次的输出值Zout(n)或者第一加速度Z1(n+1)和第二加速度Z2(n+1)为相同的值的情况下(在步骤S6中为“否”)，则将第二加速度Z2(n+1)设定为该时刻的输出值Zout(n+1)(步骤S8)。

在上述步骤S5、S7、S8之后，将下一个检测时刻作为当前的检测时刻，重复步骤S3以后的处理(步骤S9)。

这里，在上述步骤S6中，对第一加速度Z1(n+1)是否比第二加速度Z2(n+1)接近初次的输出值Zout(n)进行了判别，但也可以对第二加速度Z2(n+1)是否比第一加速度Z1(n+1)接近初次的输出值Zout(n)进行判别，在该情况下，也与上述步骤S7、S8相同，将与初次的输出值Zout(n)接近的一方的加速度设定为该时刻的输出值Zout(n+1)。

图5～图7是示出以静止的状态放置了加速度传感器或者物理量测定装置时的、输出相对于经过时间的变化的图表。图5用虚线L11示出一个加速度传感器的检测输出，图6用点线L12示出包括在图5中所使用的加速度传感器在内的两个加速度传感器的检测输出的平均值，图7用实线L13示出包括在图6中所使用的两个加速度传感器的本实施方式的物理量测定装置中的输出值。图8是示出根据图5～图7所示的值分别计算出的3σ相对于经过时间的变化的图表。这里，标准偏差σ是关于图5～图7中分别示出的数据，针对以在各时刻下最近的连续的规定量的数据为单位，例如连续的20次量的数据计算出的值。

若将图5～图7进行比较，则在一个加速度传感器的检测输出(图5中的虚线L11)中，即使加速度传感器静止，检测输出的变动也会增大，能够看到噪声的影响。与此相对，若观察两个加速度传感器的检测输出的平均值(图6中的点线L12)，与图5的情况相比，输出的变动剧烈的时间段减少，但变动量依然增大，能够看到噪声的影响。另一方面，在本实施方式的物理量测定装置的输出值(图7中的实线L13)中，在经过了对装置进行设定的初始的期间后，变动减少，并且，在接近零的值上稳定，可见噪声的影响得到了抑制。

在图8中，可以看出，一个加速度传感器的检测输出(虚线L11)和两个加速度传感器的检测输出的平均值(点线L12)的3σ的值较大，并且检测输出或平均值的变动幅度较大。与此相对，可以看出，本实施方式的物理量测定装置的输出值(实线L13)在过了初始的期间而稳定之后，取得始终比虚线L11和点线L12小的值，输出值的变动幅度较小。

由于如上所述构成，因此采用上述实施方式，起到以下效果。

(1)无需使用特殊的滤波器，并且只要使用同类型的多个物理量传感器即可，因此能够抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷。

(2)由于使用多个物理量传感器，持续进行选择紧前的检测时刻的输出值或者与该输出值接近的检测值的处理，因此能够获得抑制了噪声的影响的稳定的输出值。与此相对，例如卡尔曼滤波器是扩展移动平均的理论，仅能使各传感器的检测输出的差别平均化，因此难以可靠地抑制噪声。

以下说明变形例。

虽然在上述实施方式中示出了使用两个加速度传感器的例子，但也能够使用三个以上的加速度传感器。在该情况下，也能够以与图2所示的流程相同的流程来设定输出值。更具体而言，图2的步骤S1～S3的处理在加速度传感器为三个的情况下也相同，下一个步骤S4的判别处理，对三个加速度传感器的检测输出中的最大值与最小值之间是否存在紧前的检测时刻的输出值Zout(n)进行判别。在最大值与最小值之间存在输出值Zout(n)的情况下，与步骤S5相同，将三个检测输出的平均值作为输出值Zout(n+1)。另一方面，在最大值与最小值之间不存在输出值Zout(n)的情况下，将三个加速度传感器的检测输出中的与紧前的检测时刻的输出值Zout(n)最近的值作为当前的检测时刻的输出值Zout(n+1)。通过像这样使用三个以上加速度传感器，更加容易抑制噪声，从而能够进行高精度的物理量运算。

另外，虽然在上述实施方式中，持续使两个加速度传感器两者动作，但也可以根据状况切换为仅使一个加速度传感器动作。切换的控制由作为切换部的控制部13进行。由此，在希望优先做到低功耗时，能够将进行动作的加速度传感器设为一个，并基于该加速度传感器的检测结果计算出输出值，另外，在测定精度优先时，能够使两个加速度传感器动作，按照图2所示的流程计算出输出值。像这样的传感器的切换在传感器为三个以上的情况下也同样，根据情况来切换进行动作的传感器的数量。

参照上述实施方式说明了本发明，但本发明并不局限于上述实施方式，也能够出于改进的目的或者在本发明的思想范围内进行改进或变更。

工业上的可使用性

如上所述，本发明的物理量测定装置在能够抑制功耗、装置尺寸以及运算电路所承受的负荷，并且抑制噪声方面是有用的。

附图标记说明

10 物理量测定装置

11 第一加速度传感器

12 第二加速度传感器

13 控制部

14 运算部

15 判别部

L11 一个加速度传感器的检测输出

L12 两个加速度传感器的检测输出的平均值

L13 物理量测定装置的输出值

Z1(n)、Z1(n+1) 第一加速度传感器的检测输出

Z2(n)、Z2(n+1) 第二加速度传感器的检测输出

Zout(n) 输出值。

Claims (4)

1.一种物理量测定装置，其特征在于，

具备：

同类型的多个物理量传感器，其在每隔规定时间的各检测时刻检测物理量；

运算部，其基于在所述各检测时刻由所述多个物理量传感器分别检测出的物理量来计算出输出值；以及

判别部，其基于关于紧前的检测时刻计算出的输出值和在当前的检测时刻由所述多个物理量传感器分别检测出的物理量来进行规定的判别，

所述运算部基于所述判别部的判别结果，计算出各时刻的输出值，

所述多个物理量传感器是两个物理量传感器，

所述判别部判别：在当前的检测时刻由所述两个物理量传感器检测出的物理量之间是否存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值，

当在当前的检测时刻由所述两个物理量传感器检测出的物理量之间存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，所述运算部将在当前的检测时刻由所述两个物理量传感器检测出的物理量的平均值作为关于当前的检测时刻的输出值，

当在当前的检测时刻由所述两个物理量传感器检测出的物理量之间不存在关于紧前的检测时刻计算出的输出值时，所述运算部将关于当前的检测时刻检测出的两个物理量中接近关于紧前的检测时刻计算出的输出值的物理量作为关于当前的检测时刻的输出值。

2.根据权利要求1所述的物理量测定装置，其特征在于，

所述输出值将由所述多个物理量传感器分别在最初的时刻检测出的物理量的平均值作为初始的输出值。

3.根据权利要求1或2所述的物理量测定装置，其特征在于，

具备切换部，其对所述多个物理量传感器中的进行动作的物理量传感器的数量进行切换。

4.根据权利要求1或2所述的物理量测定装置，其特征在于，

所述判别部根据由所述多个物理量传感器分别检测出的物理量的比较，来进行所述物理量测定装置的故障判定。

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