TW201315966A - 用於分析一轉速感測器單元的輸出信號的方法及轉速感測器單元 - Google Patents

用於分析一轉速感測器單元的輸出信號的方法及轉速感測器單元 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種用於分析一轉速感測器單元的輸出信號的方法，包括以下步驟：在一第一處理步驟中提供由該轉速感測器單元的至少一轉速感測器所測得之角速度值的一n元組；在一第二處理步驟中根據該角速度值n元組測定一中間值；在一第三處理步驟中根據該中間值及儲存於該轉速感測器單元之一暫存器之先前取向變化值計算一新的取向變化值；以及在一第四處理步驟中將該新取向變化值儲存於該暫存器，其中，重複實施該第一、第二、第三及/或第四處理步驟，直至該新取向變化值在一第五處理步驟中被一連接至該轉速感測器單元之外部資料處理單元讀出及/或在一第六處理步驟中偵測到閾值被超過。

Description

用於分析一轉速感測器單元的輸出信號的方法及轉速感測器單元
本發明係有關於一種用於分析一轉速感測器陣列的輸出信號的方法及一種轉速感測器陣列。
此種轉速感測器陣列屬公知技術。舉例而言，公開案DE 101 08 196 A1揭露一種用科氏元件測量角速度的轉速感測器，其中第一及第二科氏元件藉一彈簧彼此連接，並且受激發而做平行於第一軸之振動，第一及第二偵測元件偵測第一及第二科氏元件因受科氏力作用而產生之偏斜，故，第一偵測元件的第一偵測信號與第二偵測元件的第二偵測信號之差與該科氏力有關，進而亦與當前角速度有關。
另外，公開案DE 10 2007 060 942 A1揭露一種多通道轉速感測器，其適於測量關於若干相垂直之旋轉軸的轉速。特定言之，已知有能針對三個獨立旋轉軸進行測量的三通道轉速感測器或轉速感測器陣列。此種轉速感測器或轉速感測器陣列例如用於測定某一便攜設備如行動電話、平板電腦等等相對於參考系統之位置。由轉速感測器測量角度變化並以輸出信號的形式提供之，據此計算位置變化。
舉例而言，公開案US 3 231 726 A揭露一種計算位置變化的方法。由於角度變化不具可交換性，須以較高取樣率自轉速感測器讀出轉速感測器之輸出信號。此取樣率須明顯高於待測量運動所在之頻率範圍。藉此將複旋轉(關於三個軸的旋轉)分解為許多較小旋轉。人體運動的頻率 範圍例如小於20 Hz。此等信號之無錯整合通常需要100 Hz之取樣率。其缺點在於，以高取樣率讀出轉速感測器之輸出信號並對該些輸出信號作進一步處理，要求頻繁啟動便攜設備的主處理器。其結果便是耗電較多。便攜設備電池容量有限，耗電多即意味著縮短便攜設備的電池使用時間。
與先前技術相比，本發明如並列請求項所述之方法及轉速感測器單元具有顯著減少該轉速感測器單元與外部資料處理單元間的資料傳輸並大幅降低能耗之優勢。若將本發明之方法應用於電池供電的便攜設備，較佳可大幅延長電池使用時間。該轉速感測器或該等多個轉速感測器的輸出信號在轉速感測器單元中即已得到較簡單之處理，具體而言係在考慮儲存於暫存器之先前取向變化值的情況下，立即將角速度值換算成始終最新的新取向變化值，由此實現上述優點。該新取向變化值始終包含關於轉速感測器單元上一次位置變化的資訊。藉由多次重複實施第一、第二、第三及第四處理步驟循環，將當前取向變化值依次累加，從而使全部之位置變化資訊皆體現於當前的新取向變化值中。外部資料處理單元(例如，便攜設備的主處理器)較佳僅需讀出其中一當前取向變化值，便可將自上一次讀出操作以來所發生的位置變化予以暫存。如此可顯著降低取樣率，因為不必再持續詢問循環過程中所出現的資訊。亦即，與先前技術相比所需傳輸資料量有所減少，外部資料處理單元在節能或停機模式的停留時間有所延長，如此能 降低能耗，從而延長便攜設備的電池使用時間。另外藉由閾值監測較佳對取向變化值進行連續或斷續監測，以便將該取向變化值中例如因含入誤差或近似計算而產生的錯誤及誤差減至預先選定的最大值。每實施一次上述循環，便在第四處理步驟中較佳用新的取向變化值覆蓋儲存於暫存器之先前取向變化值。角速度的n元組較佳包括單獨一個關於一旋轉軸(n=1)的角速度，或者包括三個關於三個獨立旋轉軸(n=3)的角速度。在一個以上的空間方向上測量時，例如用單獨一個多通道轉速感測器或多個單通道轉速感測器測量角速度值。該等轉速感測器較佳包括以在半導體製造過程中製成之半導體基板為基礎的微機械轉速感測器。根據一種替代實施方式，亦可將每個新取向值在每次循環時皆進一步儲存於例如FiFo(First-In-First-Out，先進先出)型輸出暫存器中，外部資料處理單元較佳可按儲存該些新取向值時的時間順序自該輸出暫存器中依次讀出該些新取向值。
本發明的有益設計方案及改良方案請參閱各附屬項及附圖描述。
根據一種較佳實施方式，實施過第五或第六處理步驟後，在第七處理步驟中將儲存於暫存器之取向變化值設置為原值，並從第一處理步驟開始重新實施該方法。該原值較佳包括某種零值，即未發生取向變化。儲存於暫存器之取向變化值被重置後，計算取向變化值時所產生的誤差較佳不再對下一次循環中的新取向變化值之計算產生影響。 藉此可限制誤差最大值。被清零的取向變化值用四元數形式之取向變化向量表示，取向變化值被清零即表示未發生位置變化，體現為以下公式：
根據一種較佳實施方式，該取向變化值包括一取向變化向量，尤其是四元數。藉此能以簡單方式表示並進一步處理發生於三維空間之位置變化。採用基於四元數之數字系統的優點在於，可以特別簡單且有效之方式表示並進一步處理發生於三維空間的旋轉。每個四元數皆包含四個標量數值，故該暫存器特別適於每循環儲存四個值。
根據一種較佳實施方式，在第六處理步驟中監測，第三處理步驟所計算出來的取向變化向量的長度有否超過一可配置及/或預定閾值。該取向變化向量僅需說明取向變化。為此，取向向量的長度(即該向量的正常值或絕對值)應當為1，即=1，其中為四元數形式之取向變化向量。較佳僅近似計算中間值，在此情況下，取向變化向量的絕對值有可能偏離於1。每實施一次第一、第二、第三及第四處理步驟循環，此誤差便會累加一次。此會導致第三處理步驟計算新取向變化值時出錯。較佳藉由監測新取向變化值之長度並將該長度與一可配置及/或預定閾值進行比較來最小化上述效應。當該閾值被超過時，將儲存於暫存器之先前取向變化值暫存於輸出暫存器，以及/或者由外部資料處理單元讀出，而後再設置為零值。亦可由轉速感測器單 元向外部資料處理單元傳輸一中斷信號，以及/或者仍由外部資料處理單元讀出新取向變化值或者將其儲存於輸出暫存器。
根據一種較佳實施方式，自儲存於暫存器之先前取向變化值最後一次被設置為原值起，用一計數器為已實施第三處理步驟的數量計數，其中在第六處理步驟中監測，該計數器有否超過另一可配置及/或預定閾值。由於較佳僅近似計算中間值，每實施一次第一、第二、第三及第四處理步驟循環，取向變化值出錯的可能性便會增大一次。此外每實施一次第一、第二、第三及第四處理步驟循環，單個誤差便會累加一次。藉由限制第一、第二、第三及第四處理步驟循環的最高實施次數且其間不將儲存於暫存器之先前取向變化值重置，較佳可將誤差限制在一合理的最大值。一旦達到最高循環次數，遂將新取向變化值暫存於輸出暫存器及/或由外部資料處理單元讀出，而後將儲存於暫存器之先前取向變化值清零，從而避免先前的近似誤差對接下來的取向變化值計算產生影響。亦可由轉速感測器單元向外部資料處理單元傳輸一中斷信號。
根據一種較佳實施方式，若在第六處理步驟中偵測到閾值被超過，便在第九處理步驟中將新取向值及/或先前取向值儲存於一可被外部資料處理單元讀取的輸出暫存器中。其優點在於，位置變化在儲存於暫存器之先前取向變化值經重置為原值而被丟棄之前，便被暫存於輸出暫存器。由此確保描述位置變化的值不丟失。在此情況下，該 輸出暫存器可立即或者在一稍後時間點上被外部資料處理單元讀取。
根據一種較佳實施方式，在第二處理步驟中將中間值作為角速度值n元組之線性函數予以計算。與通常用於計算取向變化向量(較佳四元數)的三角函數相比，線性函數較佳更容易實現，特別是更容易實現為一電路(即硬體)。以下為透過線性函數而實現的近似：
其中，ωx,y,z為關於x軸、y軸及z軸之角速度，T則為取樣時間(T=1/資料速率)。此種近似較佳能大幅減少計算量。
根據一種較佳實施方式，在第三處理步驟中藉由將中間值特別按四元數乘法與儲存於暫存器之先前取向變化值相乘來形成取向變化值。該先前取向變化值係為在先前所實施之第一、第二、第三及第四處理步驟循環中計算出來且在先前循環的第四處理步驟中被儲存於暫存器之取向變化值，或者為被重置為原值之取向變化值。在每個循環中皆將該先前取向變化值與第二處理步驟所測定的中間值相乘。乘積相當於一新的取向變化值，將該新取向變化值仍儲存於暫存器，使其在下一循環中仍起先前取向變化值之作用。因此，位置變化在每個循環中皆依次累加。
根據一種較佳實施方式，在第八處理步驟中藉由外部資料處理單元將在第五處理步驟中讀出的多個取向變化值累加。如此能方便外部資料處理單元計算有效的取向變化值，不需要採用較高之取樣率。此外與先前技術相比，還能在取樣時間點方面增大公差。較佳在考慮此一條件之情況下藉由多次為該有效取向變化值定標(Normierung)來累加多個取向變化值。
本發明另係有關於一種用於實施輸出信號分析方法的轉速感測器單元，具有至少一用於測定角速度n元組的轉速感測器、一用於根據該角速度n元組測定中間值的分析電路及一用於儲存取向變化值之暫存器，其中，該分析電路經進一步配置而可根據該中間值及儲存於該暫存器之先前取向變化值計算一新的取向變化值，其中該轉速感測器單元如此設計，使得該新的取向變化值可被一連接至該轉速感測器單元之外部資料處理單元讀出。本發明之轉速感測器單元較佳具有該暫存器，以便將先前循環中計算出來的先前取向變化值儲存於該暫存器，從而在下一循環中計算一基於該先前值之新取向變化值。較之先前技術，如此便不必再以較高且能耗較大之取樣率對轉速感測器單元進行取樣，同時可確保不丟失實測值。此外更能大幅減少必要的資料傳輸。如此可顯著延長便攜設備的電池使用時間。
根據一種較佳實施方式，該分析電路經配置而可在該新取向變化值被讀出，一用於監測該實施為取向變化向量之新取向變化值之長度的監測單元顯示閾值被超過及/或一 用於為該分析電路所實施的新取向變化值計算計數之計數器顯示另一閾值被超過時將儲存於該暫存器之先前取向變化值重置。如此能大幅提高該轉速感測器單元的精度。
根據一種較佳實施方式，該轉速感測器較佳包括一三通道轉速感測器及/或該分析電路實現在一ASIC形式之積體電路中。將分析電路實現在硬體中能節約電耗，且僅需較小晶圓面積便能實現。特別是，處理角速度時不必使用空間需求極大的高成本高能耗處理器或微控制器(μc)。
下文將聯繫附圖詳細闡述本發明之實施例。
相同部件在各圖中始終以同樣的元件符號予以標示，一般情況下僅命名或提及一次。
圖1為本發明第一實施方式所提供之用於分析一轉速感測器單元1之輸出信號的方法的示意圖。轉速感測器單元1具有一轉速感測器，該轉速感測器測量關於X軸、Y軸及Z軸的轉速或角速度ωX、ωX、ωX，其中X軸、Y軸及Z軸為相互獨立。
第一處理步驟10係由該轉速感測器測量並提供三個角速度值ωX、ωX及ωX的元組。第二處理步驟20係利用取樣時間T(等於1/資料速率)根據三個角速度值ωX、ωX及ωX各計算一角度變化ω x ．T、ω y ．T及ω z ．T。而後根據角度變化ω x ．T、ω y ．T、ω z ．T用線性函數近似計算四元數(位置變化四元數)形式之中間值q1。第三處理步驟30係將中 間值q1按四元數乘法與儲存於轉速感測器單元1之暫存器的先前取向變化值qalt相乘，以計算新的取向變化值qneu。該先前取向值qalt源自先前所實施之第一、第二、第三及第四處理步驟10、20、30、40循環，或者先前在處理步驟70中被設置為原值q1,0，特定言之。接下來的第四處理步驟40係將第三處理步驟30中新計算出來的取向變化值qneu儲存於暫存器。先前取向變化值qalt被覆蓋。隨後重新啟動第一、第二、第三及第四處理步驟10、20、30、40循環。每實施一次該循環便在中間詢問50中詢問，轉速感測器有否提供新的角速度值ωX、ωX及ωX。若有新的角速度值ωX、ωX及ωX，即轉速感測器能測量到角度變化(因為轉速感測器單元1已發生運動)，便在第三處理步驟30中根據第二處理步驟20新計算出來的中間值q1以及儲存於暫存器之先前取向變化值qalt(等於先前循環中計算出來的新取向變化值qneu)計算新的取向變化值qneu。重複實施第一、第二、第三及第四處理步驟10、20、30、40(及中間詢問50)循環，直至計數器在第六處理步驟60中達到另一可配置及/或預定閾值。該計數器為第三處理步驟30所實施的乘法次數計數。換言之：該計數器為新計算新取向變化值q的頻率計數。由於每進行一次新的乘法，出錯可能性便會增大，故藉由用該另一可配置及/或預定閾值限制第三處理步驟30的最高次數，可限制誤差。若在第六處理步驟60中偵測到該另一可配置及/或預定閾值已達到t，則在第九處 理步驟90中將當前取向變化值qneu儲存於輸出暫存器如Fifo(First-In-First-Out，先進先出)記憶體，而後在第七處理步驟70中將儲存於暫存器之先前取向變化值qalt重新設置為原值q1,0。儲存於輸出記憶體之取向變化值qneu被外部資料處理單元(尤指便攜設備的處理器)讀出，由此確保描述位置變化的值不丟失。
圖2為本發明第二實施方式所提供之方法的示意圖，該第二實施方式與圖1所示之第一實施方式大體一致，不同之處在於，第二實施方式在第六處理步驟60中監測新取向值qneu的長度。倘若第三處理步驟30計算出來的取向變化向量qneu之長度超過一可配置及/或預定閾值，便在第十處理步驟100中產生一中斷信號。隨後在第七處理步驟70中將先前取向變化值qalt重新設置為原值q1,0。視情況將當前取向變化值qneu丟棄，由外部資料處理系統讀出及/或儲存於輸出暫存器如Fifo(First-In-First-Out，先進先出)記憶體。
圖3為本發明第三實施方式所提供之方法的示意圖，該第三實施方式與圖1所示之第一實施方式大體一致，不同之處在於，第三實施方式係重複實施第一、第二、第三及第四處理步驟10、20、30、40(及中間詢問50)循環，直至外部資料處理單元在第五處理步驟80中讀出新的取向變化值qneu，或者偵測到由外部資料處理單元實施的讀出操作。作為替代方案，亦可由外部資料處理系統讀出儲存於暫存器之先前取向變化值qalt。在此情況下，被讀出的取向 變化值qneu體現自上一次讀出操作以來之全部位置變化。讀出取向變化值qneu後，在第七處理步驟70中將儲存於暫存器之先前取向變化值qalt重新設置為原值q1,0。可在第八處理步驟中藉由外部資料處理單元將在第五處理步驟80中自轉速感測器單元1讀出之多個取向變化值，在該外部資料處理單元內部累加成一有效的取向變化值qeff。
1‧‧‧轉速感測器單元
2‧‧‧轉速感測器
10‧‧‧第一處理步驟
20‧‧‧第二處理步驟
30‧‧‧第三處理步驟
40‧‧‧第四處理步驟
50‧‧‧中間詢問
60‧‧‧第六處理步驟
70‧‧‧第七處理步驟
80‧‧‧第五處理步驟
90‧‧‧第九處理步驟
100‧‧‧第十處理步驟
圖1為本發明第一實施方式所提供之方法的示意圖；圖2為本發明第二實施方式所提供之方法的示意圖；及圖3為本發明第三實施方式所提供之方法的示意圖。
1‧‧‧轉速感測器單元
2‧‧‧轉速感測器
10‧‧‧第一處理步驟
20‧‧‧第二處理步驟
30‧‧‧第三處理步驟
40‧‧‧第四處理步驟
50‧‧‧中間詢問
60‧‧‧第六處理步驟
70‧‧‧第七處理步驟
90‧‧‧第九處理步驟

Claims (10)

  1. 一種用於分析一轉速感測器單元(1)的輸出信號的方法，包括以下步驟：在一第一處理步驟(10)中提供由該轉速感測器單元的至少一轉速感測器所測得之角速度值的一n元組；在一第二處理步驟(20)中根據該角速度值n元組測定一中間值；在一第三處理步驟(30)中根據該中間值及儲存於該轉速感測器單元之一暫存器之先前取向變化值計算一新的取向變化值；以及在一第四處理步驟(40)中將該新取向變化值儲存於該暫存器，其中，重複實施該第一、第二、第三及第四處理步驟(10，20，30，40)，直至該新取向變化值在一第五處理步驟(80)中被一連接至該轉速感測器單元(1)之外部資料處理單元讀出及/或在一第六處理步驟(60)中偵測到閾值被超過。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，實施過該第五或第六處理步驟(80，60)後，在一第七處理步驟(70)中將儲存於該暫存器之取向變化值設置為一原值，並從該第一處理步驟(10)開始重新實施該方法。
  3. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中，該取向變化值包括一取向變化向量，尤其是一四元數。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在該第六處理步驟(60)中偵測，該第三處理步驟(30)所計算出來的取向變化向量的長度有否超過一可配置及/或預定閾值。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，自儲存於 該暫存器之先前取向變化值最後一次被設置為一原值起，用一計數器為已實施第三處理步驟(30)的數量計數，其中在該第六處理步驟(60)中偵測，該計數器有否超過另一可配置及/或預定閾值。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，若在該第六處理步驟(60)中偵測到閾值被超過，便在一第九處理步驟(90)中將該新取向值及/或該先前取向值儲存於一可被該外部資料處理單元讀取的輸出暫存器中。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在該第二處理步驟(20)中將該中間值作為該角速度值n元組之線性函數予以計算及/或在該第三處理步驟(30)中藉由將該中間值特別按四元數乘法與儲存於該暫存器之先前取向變化值相乘來計算該新取向變化值。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在一第八處理步驟中藉由該外部資料處理單元將在該第五處理步驟(80)中自該轉速感測器單元(1)讀出的多個取向變化值累加成一有效的取向變化值。
  9. 一種用於實施如前述申請專利範圍中任一項之方法的轉速感測器單元(1)，具有至少一用於測定一角速度n元組的轉速感測器(2)、一用於根據該角速度n元組測定一中間值的分析電路及一用於儲存一取向變化值之暫存器，其中，該分析電路經進一步配置而可根據該中間值及儲存於該暫存器之先前取向變化值計算一新的取向變化值，其中該轉速感測器單元(1)如此設計，使得該新取向 變化值可被一連接至該轉速感測器單元(1)之外部資料處理單元讀出。
  10. 如申請專利範圍第9項之轉速感測器單元(1)，其中，該分析電路經配置而可在該新取向變化值被讀出，一用於監測該實施為取向變化向量之新取向變化值之長度的監測單元顯示閾值被超過及/或一用於為該分析電路所實施的新取向變化值計算計數之計數器顯示閾值被超過時將儲存於該暫存器之先前取向變化值重置，以及/或者該轉速感測器(2)較佳包括一三通道轉速感測器及/或該分析電路實現在一ASIC形式之積體電路中。
TW101129289A 2011-08-16 2012-08-14 用於分析一轉速感測器單元的輸出信號的方法及轉速感測器單元 TWI573986B (zh)

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