CN113960330A - 加速度的计算方法、装置及电子设备 - Google Patents

加速度的计算方法、装置及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加速度的计算方法、装置及电子设备。加速度的计算方法包括：获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据所述原始加速度数据计算加速度角度；获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度；根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度；根据所述修正角度计算重力加速度分量，以及根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。本发明实施例可以提高加速度计算的精度。

Description

加速度的计算方法、装置及电子设备
技术领域
本发明实施例涉及传感器数据融合技术领域，尤其涉及一种加速度的计算方法、装置及电子设备。
背景技术
随着科技的发展，姿态测量被广泛的应用于汽车、无人机和可穿戴设备等技术领域。但现有技术中，加速度传感器所测量的目标物的加速度数据中包含重力分量，并不能体现物体的实际加速度，无法准确体现物体的实际运动状态。因此，现有技术中存在加速度计算误差大的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种加速度的计算方法、装置及电子设备，以提高加速度计算的精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种加速度的计算方法，包括：
获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据所述原始加速度数据计算加速度角度；
获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度；
根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度；
根据所述修正角度计算重力加速度分量，以及根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
可选地，根据所述原始加速度数据计算加速度角度，包括：
对所述原始加速度数据进行滤波处理，得到加速度数据；
利用正弦定理，根据所述加速度数据计算所述加速度角度；
相应的，根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度包括：根据所述加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
可选地，在得到修正加速度之后，还包括：
将所述修正加速度以负反馈的形式调节所述加速度数据，得到校正加速度；
相应的，根据所述加速度数据计算所述加速度角度包括：
根据所述校正加速度计算所述加速度角度。
可选地，使用滑动滤波法对所述原始加速度数据进行滤波处理。
可选地，根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度，包括：
对所述原始角速度数据进行滤波处理，得到角速度数据；
将所述角速度数据进行积分得到所述陀螺仪角度。
可选地，使用算数平均滤波法对所述原始角速度数据进行滤波处理。
可选地，根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度，包括：
将所述加速度角度和所述陀螺仪角度进行卡尔曼滤波，得到所述修正角度。
第二方面，本发明实施例还提供了一种加速度的计算装置，包括：
加速度角度计算模块，用于获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据所述原始加速度数据计算加速度角度；
陀螺仪角度计算模块，用于获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度；
修正角度计算模块，用于根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度；
修正加速度计算模块，用于根据所述修正角度计算重力加速度分量，以及根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：
加速度传感器，用于测量目标物的加速度；
陀螺仪，用于测量目标物的角速度；
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述程序时实现如本发明任意实施例所提供的加速度的计算方法。
可选地，所述加速度传感器为三轴加速度传感器；所述陀螺仪为三轴陀螺仪。
本发明实施例提供的加速度的计算方法，利用加速度传感器测量的原始加速度数据计算加速度角度，利用陀螺仪测量的原始角速度数据计算陀螺仪角度，并将加速度角度和陀螺仪角度的优势互补，使得在短时间尺度与长时间尺度内计算出的修正角度均接近目标物的实际角度，具有较高的精度，扩大了加速度计算方法的应用场景。并且，本实施例根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度，相当于去掉原始加速度数据中的重力分量，仅保留外力造成的加速度，可以提升加速度的计算精度，更好的体现目标物的实际运动状态。因此，与现有技术相比，本发明实施例可以提高加速度计算的精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种加速度的计算方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种加速度的计算方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种加速度的计算装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种加速度的计算装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种加速度的计算方法，可以由加速度的计算装置执行，该装置可以由软件和/或硬件实现，该装置可以集成于汽车、无人机和可穿戴设备等产品中，适用于多种目标物的运动状态计算。图1是本发明实施例提供的一种加速度的计算方法的流程示意图。参见图1，该加速度的计算方法包括以下步骤：
S110、获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据原始加速度数据计算加速度角度。
其中，加速度传感器可以是三轴加速度传感器；相应的，原始加速度数据可以是三轴(X轴、Y轴、Z轴)加速度数据，从而提高加速度的计算精度，更好的表征目标物的运动状态。示例性地，可以利用三角函数或反三角函数来计算加速度角度。
S120、获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据原始角速度数据计算陀螺仪角度。
其中，陀螺仪可以是三轴陀螺仪；相应的，原始角速度数据可以是三轴(X轴、Y轴、Z轴)角速度数据，从而提高加速度的计算精度，更好的表征目标物的运动状态。示例性地，可以利用积分等方式来计算陀螺仪角度。
S130、根据加速度角度和陀螺仪角度计算修正角度。
其中，陀螺仪在短时间内测量精度高，短时抗干扰能力强，可以很好的跟随目标物的瞬时动作，体现目标物的状态变化。但陀螺仪的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，容易受到累积漂移和低频噪声的影响。因此，陀螺仪具有随机漂移特性，长时间使用状态下，根据原始角速度数据计算出的陀螺仪角度会存在漂移误差。
加速度传感器有重力轴作为系统外的绝对参照物，在无外力加速度的情况下，能准确输出姿态角度，且此角度不会有累积误差，因此，在较长的时间尺度内，根据原始加速度数据计算出的加速度角度较为准确。但加速度传感器的测量原理是检测惯性力造成的微小形变来获取原始加速度数据，其短时精度较差，且在目标物加速度状态下，根据原始加速度数据计算的加速度角度不准确。
因此，该步骤综合考虑加速度角度和陀螺仪角度来计算修正角度，可以结合两者的优点，使最终计算出的修正角度更接近实际角度，且使得该方法在短时间尺度与长时间尺度内均具有较高的精度。
示例性地，可以采用加权的方法计算修正角度，并在短时间尺度(比如一分钟以内)内增加陀螺仪角度的权重，在长时间尺度(比如几分钟及以上)内增加加速度角度的权重，以提高修正角度的计算精度。或者，可以以陀螺仪角度作为修正角度，并每隔一段时间，采用加速度角度对陀螺仪角度进行修正。
S140、根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
其中，可以使用三角函数计算重力加速度在修正角度上的分量作为重力加速度分量；使用原始加速度数据减去重力加速度分量得到修正加速度。由于加速度传感器根据惯性力造成的微小形变来测量目标物的加速度，并不能区分重力加速度与外力加速度；该步骤相当于去掉原始加速度数据中的重力分量，仅保留外力造成的加速度，可以更好的体现目标物的实际运动状态。
本发明实施例提供的加速度的计算方法，利用加速度传感器测量的原始加速度数据计算加速度角度，利用陀螺仪测量的原始角速度数据计算陀螺仪角度，并将加速度角度和陀螺仪角度的优势互补，使得在短时间尺度与长时间尺度内计算出的修正角度均接近目标物的实际角度，具有较高的精度，扩大加速度计算方法的应用场景。并且，本实施例根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度，相当于去掉原始加速度数据中的重力分量，仅保留外力造成的加速度，可以提升加速度的计算精度，更好的体现目标物的实际运动状态。
需要说明的是，该加速度的计算方法适用于对目标物的任意一个轴向的加速度的计算，即S110中的原始加速度数据和S120中的原始角速度数据均为单轴数据。当加速度传感器和陀螺仪均为单轴器件时，S140计算出的修正加速度即可代表目标物的实际加速度；当加速度传感器和陀螺仪均为多轴(比如三轴)器件时，S140计算出的修正加速度实际上为一个轴向的实际加速度，针对多个轴向方向，多次重复S110-S140，可以分别得到多个轴向上的实际加速度，从而得到目标物的实际加速度。
图2是本发明实施例提供的另一种加速度的计算方法的流程示意图。参见图2，在上述各实施方式的基础上，可选地，加速度的计算方法包括：
S210、获取陀螺仪测量的原始角速度数据。
S220、对原始角速度数据进行滤波处理，得到角速度数据。
其中，在计算陀螺仪角度之前，对原始角速度数据进行滤波处理，可以过滤掉原始角速度数据中的噪声，提高陀螺仪角度的计算精度。示例性地，可以使用算数平均滤波，例如“最近两次求平均”的方法对原始角速度数据进行滤波处理，以保证角速度数据较好的瞬时特性。
S230、对角速度数据进行积分得到陀螺仪角度。
S240、获取加速度传感器测量的原始加速度数据。
S250、对原始加速度数据进行滤波处理，得到加速度数据。
其中，在计算加速度角度之前，对原始加速度数据进行滤波处理，可以过滤掉原始加速度数据中的噪声和异常抖动，提高加速度角度的计算精度。示例性地，可以使用滑动滤波，例如10级滑动滤波对原始加速度数据进行滤波处理。由于加速度传感器的低频特性比较好，加速度角度可以直接解算，没有累积误差，长时间测量后也比较准确，但加速度传感器容易受到高频噪声和运动加速度的影响。因此，使用滑动滤波这种低通滤波方法，可以有效过滤高频信号，滤除短时的变化，提高加速度角度计算的准确性。
S260、利用正弦定理计算加速度角度。
其中，可以采用正弦定理，根据滤波后得到的加速度数据计算加速度角度。
S270、将加速度角度和陀螺仪角度进行卡尔曼滤波，得到修正角度。
其中，卡尔曼滤波可以同步融合陀螺仪角度和加速度角度，且陀螺仪角度和加速度角度的贡献权值可以通过滤波参数来调整。
S280、根据修正角度计算重力加速度分量。
其中，重力加速度分量(记为g_arc)可通过以下公式计算：g_arc＝sin(angle_out)*g；式中，angle_out表示修正角度，g表示重力加速度。
S290、根据加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
示例性地，修正加速度(记为Acc_out)可采用以下公式计算：Acc_out＝Acc_Filter-g_arc；式中，Acc_Filter表示加速度数据，是原始加速度数据经S250滤波后得到的。
S2A0、将修正加速度以负反馈的形式调节加速度数据，并执行计算加速度角度、计算修正角度、计算重力加速度分量和计算修正加速度的步骤。
其中，该步骤相当于利用修正加速度对加速度数据实现负反馈调节，利用负反馈调节后得到的校正加速度计算加速度角度，可以提高加速度角度的计算精度，从而提高修正角度的计算精度，进而提高修正加速度的计算精度。具体地，由于卡尔曼滤波等滤波环节会使修正加速度的计算和输出过程存在延时，利用修正加速度对加速度数据进行负反馈调节的可以避免延时造成的误差累积，提高计算精度。并且，加速度传感器进行倾斜感应的基本假设是加速度刺激是与重力相关的刺激，由于修正加速度是上一时刻的加速度数据减去重力加速度分量得到的值，那么该步骤相当于尽量提取此时刻加速度数据中重力相关的分量作为校正加速度，可以有效提高加速度角度的计算精度。
综上，本实施例通过S210-S2A0实现了加速度的计算过程，通过引入负反馈调节和多个滤波环节来提高加速度的计算精度。需要说明的是，上述各步骤的顺序仅作为一种示例，并不作为对本发明的限定。在其他实施方式中，可以根据需求调整各步骤的顺序。示例性地，可设置S210和S240同时进行，例如使用单片机每隔10毫秒读取一次原始加速度数据和原始角速度数据。
本发明实施例还提供了一种加速度的计算装置，用于执行本发明任意实施例所提供的加速度的计算方法，具有相应的有益效果。图3是本发明实施例提供的一种加速度的计算装置的结构示意图。参见图3，该加速度的计算装置包括：加速度角度计算模块110、陀螺仪角度计算模块120、修正角度计算模块130和修正加速度计算模块140。
其中，加速度角度计算模块110用于获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据原始加速度数据计算加速度角度。陀螺仪角度计算模块120用于获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据原始角速度数据计算陀螺仪角度。修正角度计算模块130用于根据加速度角度和陀螺仪角度计算修正角度。修正加速度计算模块140用于根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
本发明实施例提供的加速度的计算装置，利用加速度传感器测量的原始加速度数据计算加速度角度，利用陀螺仪测量的原始角速度数据计算陀螺仪角度，并将加速度角度和陀螺仪角度的优势互补，使得在短时间尺度与长时间尺度内计算出的修正角度均接近目标物的实际角度，具有较高的精度，扩大加速度计算方法的应用场景。并且，根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度，相当于去掉原始加速度数据中的重力分量，仅保留外力造成的加速度，可以提升加速度的计算精度，更好的体现目标物的实际运动状态。
图4是本发明实施例提供的另一种加速度的计算装置的结构示意图。参见图4，在上述各实施方式的基础上，可选地，加速度角度计算模块110包括：原始加速度获取单元111、第一滤波单元112和第一角度计算单元113；原始加速度获取单元111用于获取加速度传感器测量的原始加速度数据；第一滤波单元112用于对原始加速度数据进行滤波处理，得到加速度数据；第一角度计算单元113用于利用正弦定理，根据加速度数据计算加速度角度。相应的，修正加速度计算模块140用于根据加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
继续参见图4，在上述各实施方式的基础上，可选地，加速度的计算装置还包括：反馈模块150，用于在得到修正加速度之后，将修正加速度以负反馈的形式调节加速度数据，得到校正加速度。相应的，第一角度计算单元113用于利用正弦定理，根据校正加速度计算加速度角度。
继续参见图4，在上述各实施方式的基础上，可选地，陀螺仪角度计算模块120包括：原始角速度获取单元121、第二滤波单元122和第二角度计算单元123；原始角速度获取单元121用于获取陀螺仪测量的原始角速度数据；第二滤波单元122用于对原始角速度数据进行滤波处理，得到角速度数据；第二角度计算单元123用于将角速度数据进行积分得到陀螺仪角度。
继续参见图4，在上述各实施方式的基础上，可选地，修正角度计算模块130具体用于将加速度角度和陀螺仪角度进行卡尔曼滤波，得到修正角度。
继续参见图4，在上述各实施方式的基础上，可选地，修正加速度计算模块140包括：重力分量计算模块141和修正加速度计算模块142；重力分量计算模块141用于根据修正角度计算重力加速度分量；修正加速度计算模块142用于根据加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
本发明实施例还提供了一种电子设备。图5是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。图5示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备12的框图。图5显示的电子设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
参见图5，电子设备12的组件可以包括但不限于：存储器28，一个或者多个处理器16，以及连接不同系统组件的总线18。电子设备12还包括：加速度传感器410和陀螺仪420，均与处理器16连接；加速度传感器410用于测量目标物的加速度；陀螺仪420用于测量目标物的角速度。
其中，总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
电子设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被电子设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。电子设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM,DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
电子设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备12交互的设备通信，和/或与使得该电子设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，电子设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图5所示，网络适配器20通过总线18与电子设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图5中未示出，可以结合电子设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器16通过运行存储在存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及样本数据获取，例如实现本发实施例所提供的一种加速度的计算方法步骤，加速度的计算方法包括：
获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据原始加速度数据计算加速度角度；
获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据原始角速度数据计算陀螺仪角度；
根据加速度角度和陀螺仪角度计算修正角度；
根据修正角度计算重力加速度分量，以及根据原始加速度数据和重力加速度分量得到修正加速度。
当然，本领域技术人员可以理解，处理器还可以实现本发明任意实施例所提供的加速度的计算方法的技术方案。
在上述各实施方式的基础上，可选地，加速度传感器410为三轴加速度传感器；陀螺仪420为三轴陀螺仪。加速度传感器410和陀螺仪420可以集成在同一专用芯片中。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种加速度的计算方法，其特征在于，包括：
获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据所述原始加速度数据计算加速度角度；
获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度；
根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度；
根据所述修正角度计算重力加速度分量，以及根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
2.根据权利要求1所述的加速度的计算方法，其特征在于，根据所述原始加速度数据计算加速度角度，包括：
对所述原始加速度数据进行滤波处理，得到加速度数据；
利用正弦定理，根据所述加速度数据计算所述加速度角度；
相应的，根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度包括：根据所述加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
3.根据权利要求2所述的加速度的计算方法，其特征在于，在得到修正加速度之后，还包括：
将所述修正加速度以负反馈的形式调节所述加速度数据，得到校正加速度；
相应的，根据所述加速度数据计算所述加速度角度包括：
根据所述校正加速度计算所述加速度角度。
4.根据权利要求2所述的加速度的计算方法，其特征在于，使用滑动滤波法对所述原始加速度数据进行滤波处理。
5.根据权利要求1所述的加速度的计算方法，其特征在于，根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度，包括：
对所述原始角速度数据进行滤波处理，得到角速度数据；
将所述角速度数据进行积分得到所述陀螺仪角度。
6.根据权利要求5所述的加速度的计算方法，其特征在于，使用算数平均滤波法对所述原始角速度数据进行滤波处理。
7.根据权利要求1所述的加速度的计算方法，其特征在于，根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度，包括：
将所述加速度角度和所述陀螺仪角度进行卡尔曼滤波，得到所述修正角度。
8.一种加速度的计算装置，其特征在于，包括：
加速度角度计算模块，用于获取加速度传感器测量的原始加速度数据，并根据所述原始加速度数据计算加速度角度；
陀螺仪角度计算模块，用于获取陀螺仪测量的原始角速度数据，并根据所述原始角速度数据计算陀螺仪角度；
修正角度计算模块，用于根据所述加速度角度和所述陀螺仪角度计算修正角度；
修正加速度计算模块，用于根据所述修正角度计算重力加速度分量，以及根据所述原始加速度数据和所述重力加速度分量得到修正加速度。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
加速度传感器，用于测量目标物的加速度；
陀螺仪，用于测量目标物的角速度；
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一所述的加速度的计算方法。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述加速度传感器为三轴加速度传感器；所述陀螺仪为三轴陀螺仪。
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