TW201024684A - System and method for measuring tilt using lowest degrees of freedom of accelerometer - Google Patents

Description

201024684 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上涉及使用一感測最小自由度之加速度計量 測傾斜的裝置及方法。 【先前技術】 加速度計及迴轉儀屬於一類稱為運動檢測慣性感測器的 器件。一般而言，運動檢測慣性感測器提供關於器件的運 動/配向的s訊。一加速度計經由量測其自己的加速度而 不是量測一遠端器件的加速度以提供關於器件的運動/配 向的資訊。加速度計經常與迴轉儀共同用於慣性導航及導 引系統中。加速度計的一常見用途是在汽車的氣囊展開系 統中。加速度計的另一常見用途是用於檢測一器件的傾 斜。取決於感興趣的資訊，一二維（2D)或三維（3D)加速度 計可用於檢測傾斜。 在大多數情況下’加速度計的成本和大小取決於該加速 度计可量測的總軸數。例如’對（垂直於石夕晶片平面的）z 軸中的加速度敏感的加速度計將比只量測X和γ加速度（在 該矽晶粒的同一平面中）的加速度計成本高得多。此外，z 轴的雜訊等級通常比X和Y轴的雜訊等級高得多，減少Z轴 的雜訊等級可能會增加成本。因此，顯而易見的是為了降 低成本’期望在加速度計的構造中消除儘可能多的感測器 轴0 因此需要一種僅感測最小自由度量測ID、2D和3D傾斜 的加速度計及相關方法以把成本降到最低。 137454.doc 201024684 【發明内容】 因此’鑒於以上問題產生了本發明。因此，本發明提供 了-種從-組最少量測計算傾斜的^統及方法。在所述的 實施例中，使用-或多個加速度計以較之在常規量測裝置 中所需自由度更少之自由度感測傾斜。在這方面，加速度 彳的成本和大小被減少。在—實施财，經由考慮到在一 大致上垂直於地球之方向上的地球引力場的恆定值一單 軸加速度計量測2D傾斜。 g裝置的組件可單獨能夠慣性感測或決定引力的方向。 該等加速度什其t之一可例如最好為MEMS加速度計。 本發明的該等及其他目的、特徵和優點從以下結合圖式 考慮的本發明的詳細描述將是顯而易見的。 【實施方式】 在以下討論中’闡述許多具體細節以完全理解本發明。 然而，熟習此項技術者將明白本發明可在無此等具體細節 之情況下實踐。在其他實例中，眾所周知的元件已以示意 圖或框圖升〉式說明以免以不必要細節混淆本發明。 應瞭解本發明可以多種方式實施，包含作為 一過程、一 裝置、一系統、一器件及一方法。 圖1說明一種根據先前技術關於地球之一3£)座標系統量 測一器件10的方法。每個軸與該器件10可經歷的一特定 「類型」的傾斜有關。例如，在「y方向」中，傾斜「類 型」被稱為「俯仰（pitch)」。在X及z方向中，傾斜「類 型」被为別稱為「側滾（roll)」及「航向（heading)」。按照 137454.doc 201024684 右方座標系統作量測’如圖例所說明。 為了說明的目的，假設圖1之器件1〇在「俯仰」和Γ側 滾」中都有傾斜。這用3D加速度計可量測。用該3D加速 度計分別在y轴、X轴和z軸中量測加速度。然後，一傾斜 角俯仰角和傾斜角側滚角可從該等加速度量測容易地計 算，如下：

TiltAnglePitch = arcsin

sAmyXT 方程式[Π • s Δ 方程式[2]

TiltAngleRoll = arcsin-— sAm7 mz 其中 y軸中量測的加速度。 χ軸中量測的加速度。 ζ轴中量測的加速度。

TiltAnglePitch ： 關於y轴之角度

TiltAngleRoll : 關於x軸之角度 如所述，關於三個座標轴之傾斜的量測需要一常規3d加 速度計。如在以下描述中將變得顯而易見，本發明提供使 用較少自由度在三個座標軸中作量測的方法及裝置。以這 種方式，可節省量測裝置的成本、功率及空間。 第一實施例 按照一第一實施例，為了使用比在常規量測裝置中所需 的更少自由度感測傾斜，如上所述，本發明者認識到在世 界座標系的ζ轴中量测的加速度是一恆定值且等於9 8 137454.doc 201024684 m/s。換言之’本發明者認識到公認的是引力場總是基本 上垂直於地球，即，傾斜的垂直分量在俯仰和側滾方向 上。這資訊可有利地用於以上方程式1和2中，這允許減少 作傾斜量測所需的感測度數。在本實施例中，—常規3〇加 速度計可為一兩個單軸加速度計所取代以用於分別量測X 和y轴上的傾斜。因此，在感測度上，可從單個3〇加速度 計減少到兩個單轴加速度計。因此，一種在轴中量測 傾斜的方法經由使用一第一加速度計量測χ軸上的傾斜實 現。然後，使用一第二加速度計及使用方程式3和4中的兩 個量測而量測y軸上的傾斜，如下：

s A 方程式[3] 方程式[4]

TiltAnglePitch = arcsin — °Ae

S A

TiltAngleRoll = arcsin —— 〇Ae 其中：

Amy : y轴中量測的加速度。

Amx . χ轴中量測的加速度 0Ae . 怪定值 9.8 1 m/s2

TiltAnglePitch ： 關於y軸之角度

TiltAngleRoll ： 關於χ軸之角度 第二賞施例 先前實施例描述件1G分別在方向的側滾和 的單獨計算。這兩個結果在以上方程式3和4中量化。在本 實施例中，考慮到計算一單個傾斜角α， η 再表不該器件1〇 137454.doc 201024684 的侧滚和俯仰。 現參考圖2，顯示一種以關於Z軸成任意角α配向的器件 10，其中α表示該器件1〇的侧滾和俯仰。為了計算角α，考 慮到在ζ方向中的加速度量測GAez是一恆定值且等於9 8 m/s這一事實，首先計算一法線向量，如方程式（5)中所 示： 方程式[5] 方程式（6)-(8)描述由該法線向量ν計算角α的計算步驟， ，0、 =cos or 0 方程式[6] 這可重寫為： arccos 其等於

arcsin

方程式[7] 方程式[8] 其中： my: y輛中量測的加速度。 mx: x轴中量測的加速度。 6 ： 怪定值9.81 m/s2 平面的法線與引力場（地球的實Z轴）之間的角 度。 產生一單一傾斜角α的優點是其同時表示該器件1〇的側 137454.doc 201024684 滾和俯仰。這參考圖3&和3b以舉例的方式顯示，如下所 述。 見參考圖3a，顯示一以兩個不同配向3 〇&和3 〇b量測一屋 頂4〇的俯仰（即，傾斜角《)的常規水準儀30。為了用該儀 器3〇量測該傾斜角α，該儀器30必須放置在該屋頂40上以 關於水平面形成最大斜率。應瞭解形成最大斜率是一項嚴 格的要求，這在實踐中是不容易實現的。例如，關於水平 面形成最大斜率的一個理想配向被顯示在配向3〇a中。略 不理想的配向被顯示為配向3〇b。此缺點係藉由本發明以 獨立於水準器件30之配向的方式計算傾斜角α而克服。具 體地說，方程式5-8提供一種獨立於器件配向計算一單個 傾斜角α的方式，該傾斜角α表示該器件3〇的側滾和俯仰。 有利地，經由以上述方式計算傾斜角α，感測器位置不是 關鍵的。也就是說，作業者不再需要以關於水平面形成最 大斜率之此方式精確地把水準儀3〇對準。這是因為經由以 上文關於方程式5-8所述的方式計算傾斜角以，該計算是獨 立於該水準儀30在量測的平面中的旋轉。 現變彳于很明顯的疋這優點轉化為其他應用，包含例如附 裝到病人四肢的無線感測器。該等無線感測器可被轉移、 傾斜、旋轉等，而不影響傾斜角α的量測。因此，可大大 地忽略感測器位置不準確性。 第三實施例 回到先前實施例，計算法線向量V以推導角度α，其是 器件10關於Ζ轴形成之角度。在本實施例中，取代計算該 137454.doc •11· 201024684 法線向量ν’ #以待描述之方式計算。 再參考圖2’其說明一以關於z抽成一任意角度α配向的 突 AL λ λ ’其中α表示該器件10的側滚和俯仰。在本實施例 中’為了推導α’代替需要分別在X及y轴方向上的兩個加 速度量測而首先計算法線向量V，該法線向量V被使用一 在z方向中的單個加速度計量測八町而量測。使用該單個z 轴量測’表示該器件1〇的側滾和俯仰的角度α，其表示該 平面的法線與引力場ζ之間的角度，然後可被計算為： arccos 方程式[9] 該方法的一個缺點是角度α的準確度受器件1〇關於引力 場的實角影響。此將關於圖4之曲線圖做進一步解釋，該 圖是一反餘弦曲線圖。如果器件10關於引力場之實角為 71/2左右，那麼敏感度最高。這導致方程式（9)中準確度的 變化。在該曲線圖的71/2範圍中（例如，中央部分），該角度 不斷地取決於ζ軸加速度計的雜訊。 最後，以上討論意為僅僅是說明本發明以及不應視為把 所附請求項限制為任何特定實施例或實施例組。使用的該 等系統的每個也可結合更多系統使用❶因此，雖然本發明 已經參考其具體示例性實施例被詳細描述，但是也應瞭解 在不偏離本發明在隨後請求項中所闡述的更廣精神Ζ範圍 下可對其作許多修飾和改變。該說明書和圖式因此被視為 是以說明性方式以及並不意為限制該等所附請求項的範 圍。 137454.doc -12- 201024684 在解釋該等所附請求項中，應瞭解： a)用子&括」不排除存在除了在給定請 的那些以外的其他元件或行為； 中列出 一個」不排除存在 或 b)在一元件之前的用字「 複數個此等元件； C)在該等請求項中的任何參考數字只是用作說明目的 且並不限制其等的保護範圍； d)幾個構件」可由同一項目或硬體或軟體 構或功能表示；及 0所揭露的該等元件的每個可包括硬體部分（例如，分 立電子電路軟體部分（例如’電腦程式設計）或其任何組 合〇 【圖式簡單說明】 圖1說明一種根據先前技術之關於地球之一31)座標系統 量測一器件10的方法；

圖2說明一種以一關於Z轴成任意角α配向的器件，用於 說明一種根據一實施例關於地球之一 3D座標系統量測器件 1〇的方法； 圖3 a&3 b分別說明先岫技術的水準儀及本發明的水準儀 的使用； 圖4是反餘弦函數曲線圖’說明準確度與感測器軸的垂 直對準之間的關係。 【主要元件符號說明】 10 器件 137454.doc 13 201024684 30 30a 30b 30c 40 水準儀 配向 配向 配向 屋頂 137454.doc

Claims (1)

1. 201024684 十、申請專利範圍： 1. 一種經由感測一最小自由度量測一物體傾 方法包括： 〈方法’該 a)沿著一第一轴經由在該第一軸之 ^ , 门中之—量測加 迷度量測一第一運動感測器之傾斜； ' b)沿著'第二轴經由在該第二軸之方向中之. 、击 7 1J τ您—量測加 . 迷度量測一第二運動感測器之傾斜； Ο從沿著該第一軸之該量測傾斜和沿著一第三轴之一 已知加速度計算該物體關於該第一轴的一傾斜角；及 d)從沿著該第二轴之該量測傾斜和沿著該第三轴之一 已知加速度計算該物體關於該第二軸的另—傾斜角。 2如Γ/ί項1之方法，其進一步包括：從在步驟⑷和⑻分 著該第和第二轴作之加速度量測顯示沿著該第 、第二和第三軸之所得傾斜角。 計。 4. 如請求項1之方法 是 9.8 m/s2 〇 5. 如請求項1之方法 和沿著—第三軸之 月求項1之方法，其中該第一和第二感測器是加速度 ，其中沿著該第三轴之該已知加速度 軸的—傾斜角之該步驟⑷被計算為 ’其中從沿著該第一軸之該量測傾斜 一已知加速度計算該物體關於該第一 A_ ^ Axis _ Tilt _ Angle = arcsin ~ my疋 /σ著該第一軸量測的加速度 137454.doc 201024684 Ae是一恆定值9 81 m/s2。 6.如請求項1之方法’其中從沿著該第二轴之該量測傾斜 和沿著該第三軸之一已知加速度計算該物體關於該第二 軸的另一傾斜角之該步驟被計算為： Second _ Axis __ Tilt _ Angle — arcsin 〇 — Ae Am是一沿著該第二軸量測的加速度， Ae是一恆定值9.81 m/s2。 7·如請求項1之方法，其中該第一運動感測器是一單軸感 測器。 8.如請求項1之方法，其_該第二運動感測器是一單軸感 測器。 9· 一種經由感測一最小自由度量測一物體之傾斜的傾斜感 測器系統’該系統包括： 用於沿著一第—轴經由在該第一轴之方向中之一量測 加速度量測一第一運動感測器之傾斜的構件； 用於沿著-第二轴經由在該第二軸之方向中之一量測 加速度量測一第二運動感測器之傾斜的構件； 用於從沿著該第一轴之該量測傾斜和沿著一第三轴之 -已知加速度計算該物體關於該第一軸的—傾斜角的構 用於從沿著該第二轴之該量測傾斜和沿著該第三轴之 -已知加速度計算該物體關於該第二軸的另一 構件。 137454.doc -2- 201024684 10.如請求項9之傾斜感測器系統，其進_步包括：分別經 由量測該第一運動感測器之傾斜之該構件和量測該第2 運動感測器之傾斜之該構件從沿著該第—和第二轴作的 加速度量測顯示沿著該第一、第二和第三軸之所得傾斜 11.如請求項9之傾斜感測器系統，其中該第一和第二感測 器是加速度言十。

   12·如請求項9之傾斜感測器系統，其中沿著該第三軸之該 已知加速度是9.8 m/s2。 13·如請求項9之傾斜感測器系統，其中用於從沿著該第— 軸之該量測傾斜和沿著一第三轴之一已知加速度計算該 物體關於該第一轴的一傾斜角之該構件，包括計算該傾 斜角為： _ s Δ First _ Axis _ Tilt _ Angle = arcsin —~ —一 °Ae Amy是一沿著該第一軸量測的加速度， Ae是一恆定值9.81 m/s2。 14.如請求項9之傾斜感測器系統，其中用於從沿著該第二 軸之該量測傾斜和沿著該第三轴之一已知加速度計算該 物體關於該第二軸的另一傾斜角之該構件，包括計算該 傾斜角為： X Second _ Axis _ Tilt _ Angle = arcsin- SA„ Am是一沿著該第二轴量測的加速度， Ae是一恆定值9.81 m/s2。 137454.doc 201024684 15_如請求項9之傾斜感測器系統，其中該第一和第 感測器是單軸感測器。 弟”二運動 16.:種經由感測-最小自由度量測-以關於垂直面成角 度《配向之物體的傾斜之方法，該方法包括：直面成一角 )著第一軸經由在該第一軸之方向中之—量 速度量測一第—運動感測器之傾斜； b)沿著一第二軸經由在該第二轴之方向中之 速度量測一第二運動感測器之傾斜；及 ， 參 〇從沿著該第一轴之該量測傾斜和沿著第二轴之 測傾斜計算該角α。 °"量 17.=Γ16之方法’其中用於從沿著該第-轴之該量測 傾斜和沿著第二軸之該量測傾斜計算該角α之該構件進 一步包括： a)對該角α計算一法線向量ν為： ^=Vsa-2+sV+9^F Amy是—沿著y轴量測的加速度， Amx是一沿著X軸量測的加速度，及 Ae是一恆定值9.81 m/s2 b)從該法線向量V計算該角α。 18·如印求項17之方法’其中該角α從該法線向量ν計算為 V —I Μ 0 :coscr ° 137454.doc -4- 201024684 19·如請求項 之方法，其中該角α從該法線向量ν計算為 arccos Jl -(- -(- !Α„ Ά. a 2〇.如清求項17之方法，其中該角α從該法線向量ν計算為 arcsin. A 7 SA —™L)2 +(- )A ) +(0 A. a 21.如請求項16之方法，其中 ❿ 傾斜和沿著第二軸 一步包括： 沿者一垂直於水平面之軸量測一 計算該角α為： 用於從沿著該第一軸之該量測 之該量測傾斜計算該角α之該構件進 運動感測器的傾斜. 及 a arccos- °A„

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