TWI605348B

TWI605348B - Tilt estimation method

Info

Publication number: TWI605348B
Application number: TW105126722A
Authority: TW
Inventors: Wen-Yan Lin; Ming-Yi Li
Original assignee: Univ Chang Gung
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-11-11
Also published as: TW201810074A

Description

傾角估算方法

本發明是有關於一種傾角估算方法，特別是指一種改善運算速度的傾角估算方法。

一般使用三維加速度計的讀值計算傾角是使用下式進行運算其中X、Y、Z分別是三維加速度計在第一方向、第二方向及第三方向的讀值，θ是第三方向與一平面之間的夾角(即傾角)。

然而由於前述運算方式涉及開根號、乘除法、平方及反三角函數，對執行運算的處理器來說是一大負擔。因此，如何改善傾角估算的運算速度遂成為本發明進一步要探討的主題。

因此，本發明之目的，即在提供一種改善運算速度的傾角估算方法。

於是，本發明傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(a)該處理單元經由該輸入單元接收一大於零的最大適用誤差值；(b)該處理單元根據該最大適用誤差值，獲得一斜率值；(c)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(d)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且一誤差角度的最大值等於該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。

在一些實施態樣中，於步驟(b)之後，所述的傾角估算方法還包含：(e)該處理單元根據該斜率值及該最大適用誤差值，獲得一最大適用加速度讀值，其中，當該加速度讀值不大於該最大適用加速度讀值，該誤差角度的絕對值不大於該最大適用誤差值。

在一些實施態樣中，當該加速度讀值等於該最大適用加速度讀值時，該誤差角度等於負的該最大適用誤差值。

在一些實施態樣中，於步驟(d)中，該處理單元是將該加速度讀值乘以該斜率值以獲得該傾角估算值。

在一些實施態樣中，於步驟(b)中該處理單元是以下式獲得該斜率值，其中r為該斜率值，θ _{error_max}為該最大適用誤差值，g為該加速度計感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的該加速度讀值。

在一些實施態樣中，於步驟(e)中該處理單元是以下式獲得該最大適用加速度讀值其中Z_max為該最大適用加速度讀值。

本發明傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(f)該處理單元經由該輸入單元接收一最大適用加速度讀值；(g)該處理單元根據該最大適用加速度讀值，獲得一斜率值；(h)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(i)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且當該加速度讀值不大於該最大適用加速度讀值，一誤差角度的最大值等於一大於零的最大適用誤差值，並且該誤差角度的最小值等於負的該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。

在一些實施態樣中，於步驟(g)之後，所述的傾角估算方法還包含：(j)該處理單元根據該斜率值，或該斜率值及該最大適用加速度讀值，獲得該最大適用誤差值。

在一些實施態樣中，於步驟(i)中，該處理單元是將該加速度讀值乘以該斜率值以獲得該傾角估算值。

在一些實施態樣中，於步驟(b)中該處理單元是以下式獲得該斜率值其中r為該斜率值，Z_max為該最大適用加速度讀值，g為該加速度計感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的該加速度讀值。

在一些實施態樣中，於步驟(j)中該處理單元是以下式獲得該最大適用誤差值，其中θ _{error_max}為該最大適用誤差值。

在一些實施態樣中，於步驟(j)中該處理單元是以下式獲得該最大適用誤差值其中θ _{error_max}為該最大適用誤差值。

一種傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(k)該處理單元經由該輸入單元接收一最大適用角度；(l)該處理單元根據該最大適用角度，獲得一最大適用加速度讀值；(m)該處理單元根據該最大適用加速度讀值，獲得一斜率值；(n)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(o)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且當該加速度讀值不大於該最大適用加速度讀值，一誤差角度的最大值等於一大於零的最大適用誤差值，並且該誤差角度的最小值等於負的該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。

本發明之功效在於：透過將加速度讀值乘以斜率值即可獲得傾角估算值，大大降低傾角運算的複雜度，有效改善運算速度。

100‧‧‧電子裝置

1‧‧‧加速度計

2‧‧‧輸入單元

3‧‧‧處理單元

x‧‧‧第一方向

y‧‧‧第二方向

z‧‧‧第三方向

H‧‧‧預定平面

θ‧‧‧實際夾角

θ_E‧‧‧傾角估算值

θ_error‧‧‧誤差角度

r‧‧‧斜率值

Z‧‧‧加速度讀值

θ_{error_max}‧‧‧最大適用誤差值

Z_max‧‧‧最大適用加速度讀值

200‧‧‧使用者

S01~S16‧‧‧流程步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一硬體連接關係示意圖，說明本發明傾角估算方法的一第一實施例及一第二實施例藉由一電子裝置實施；圖2是一使用狀態示意圖；圖3是一曲線圖，說明一實際夾角及一傾角估算值與一加速度讀值的關係；圖4是一曲線圖，說明不同的一斜率值所產生的一誤差角度與該加速度讀值的關係；圖5是一流程圖，說明該第一實施例的流程步驟；圖6是一曲線圖，說明該誤差角度的範圍；圖7是一曲線圖，說明該第二實施例

圖8是一流程圖，說明該第二實施例的流程步驟；及圖9是一流程圖，說明該第三實施例的流程步驟。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明傾角估算方法之一第一實施例，藉由一電子裝置100實施。電子裝置100包含一加速度計1、一輸入單元2，及一電連接於加速度計1與輸入單元2的處理單元3。加速度計1用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值Z，本發明傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面H之間的一實際夾角θ。在本實施例中，加速度計1為一三維加速度計，其能感測一第一方向x、一第二方向y及一第三方向z的加速度，而分別產生加速度讀值X、Y、Z。加速度計1在本實施例中設置於使用者200的前胸，第三方向z是朝向使用者200胸前方向。本實施例中的預定平面H為水平面，該特定方向為第三方向z。加速度計1用於感測第三方向z的加速度而產生加速度讀值Z，本發明傾角估算方法用於估算第三方向z與預定平面H之間的實際夾角θ，該實際夾角θ也就是使用者200上半身與直立方向之間的夾角。

參閱圖3，實際夾角θ與加速度讀值Z的關係在原點附近類似線性，為了改善現有技術傾角計算複雜度高的缺點，本發明藉由處理單元3根據一斜率值r及加速度讀值Z，獲得一傾角估算值θ _E，其中，傾角估算值θ _E與加速度讀值Z之間為線性關係。更明確的說，處理單元3是以下式獲得傾角估算值θ _E θ_E=rZ...............(1)。

在加速度計1靜止時，加速度讀值X、Y、Z滿足下式其中g為加速度計1感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的加速度讀值(例如1023)。因而實際夾角θ能以下式表示

參閱圖4，定義傾角估算值θ _E減去實際夾角θ的差值為一誤差角度θ _error，即如圖4所示，不同的斜率值r會使誤差角度θ _error與加速度讀值Z的關係不同(圖4中以斜率值r分別等於0.0616823、0.0606902、 0.0598496、0.0585180、0.0557543舉例)。以下配合圖5的流程圖說明本發明傾角估算方法的流程步驟，其中將說明如何決定斜率值r。

首先，如步驟S01所示，處理單元3經由輸入單元2接收一大於零的最大適用誤差值θ _{error_max}。也就是說，使用者200能透過輸入單元2輸入最大適用誤差值θ _{error_max}至電子裝置100。接著，如步驟S02所示，處理單元3根據最大適用誤差值θ _{error_max}，獲得斜率值r，斜率值r使誤差角度θ _error的最大值等於最大適用誤差值θ _{error_max}。更明確的說，處理單元3是以下式獲得斜率值r 補充說明的是，上方(3)式等號左邊的部分的由來是先令(2)式對Z微分等於0，即而得到下式接著將上式帶入(2)式即得到(3)式等號左邊的部分。

接著，如步驟S03所示，處理單元3根據斜率值r及最大適用誤差值θ _{error_max}，獲得一最大適用加速度讀值Z_max，其中，當加速度讀值Z不大於最大適用加速度讀值Z_max，誤差角度θ _error的絕對值不大於最大適用誤差值θ _{error_max}。配合參閱圖6，在本實施例中，當加速度讀值Z等於最大適用加速度讀值Z_max時，誤差角度θ _error等於負的最大適用誤差值θ _{error_max}。更明確的說，處理單元3是以下式獲得最大適用加速度讀值Z_max 其中上式是將θ _error=-θ _{error_max}，Z=Z_max，帶入(2)式中而產生。藉此，當加速度讀值Z不大於最大適用加速度讀值Z_max，誤差角度θ _error的最大值及最小值的絕對值皆等於最大適用誤差值θ _{error_max}。

接著，如步驟S04所示，處理單元3接收來自加速度計1的加速度讀值Z。最後，如步驟S05所示，處理單元3根據斜率值r及加速度讀值Z，獲得傾角估算值θ _E，如前面所述，處理單元3是以前述(1)式獲得傾角估算值θ _E，也就是將加速度讀值Z乘以斜率值r以獲得傾角估算值θ _E。由於傾角估算值θ _E與加速度讀值Z之間為線性關係，因此獲得傾角估算值θ _E的運算複雜度較現有技術計算是大大地降低。再者，本實施例可供使用者200輸入最大適用誤差值θ _{error_max}，並據以獲得最大適用加速度讀值Z_max，讓使用者200得知加速度讀值Z的適用範圍。

圖7及圖8是本發明傾角估算方法之一第二實施例。如圖7所示，當使用者透過輸入單元2輸入至電子裝置100的參數是最大適用加速度讀值Z_max，在加速度讀值Z不大於最大適用加速度讀值Z_max的情況下，不同的斜率值r會使誤差角度θ _error的最大值及最小值不同。本實施例的傾角估算方法所獲得的斜率值r，在加速度讀值Z不大於最大適用加速度讀值Z_max的情況下，能使誤差角度θ _error的最大值及最小值的絕對值相等。首先，如步驟S06所示，處理單元3經由輸入單元2接收最大適用加速度讀值Z_max。也就是說，使用者能透過輸入單元2輸入最大適用加速度讀值Z_max至電子裝置100。

接著，如步驟S07所示，處理單元3根據最大適用加速度讀值Z_max，獲得斜率值r。在本實施例中，所獲得的斜率值r使得當加速度讀值Z不大於最大適用加速度讀值Z_max，誤差角度θ _error的最大值等於最大適用誤差值θ _{error_max}，並且誤差角度θ _error的最小值等於負的最大適用誤差值θ _{error_max}。更明確的說，處理單元3是以下式獲得斜率值r 上式等號左邊的部分即為(3)式中等號左邊的部分，上式等號右邊的部分即為將Z=Z_max帶入(2)式後加負號。

接著，如步驟S08所示，處理單元3根據斜率值r，或斜率值r及最大適用加速度讀值Z_max，獲得最大適用誤差值θ _{error_max}。更明確的說，處理單元3是以下式獲得最大適用誤差值θ _{error_max} 或者，處理單元3是以下式獲得最大適用誤差值θ _{error_max}

第二實施例的步驟S09及步驟S10與第一實施例的S04及步驟S05相同，在此不予贅述。本實施例可供使用者200輸入最大適用加速度讀值Z_max，並據以獲得最大適用誤差值θ _{error_max}，讓使用者200得知誤差角度θ _error的範圍。

補充說明的是，前述實施例中的加速度讀值Z皆是以Z為正值的情況說明，而在Z為負值的情況，亦能以相似的方式獲得斜率值r及最大適用誤差值θ _{error_max}/最大適用加速度讀值Z_max。

圖9是本發明傾角估算方法之一第三實施例。第三實施例的步驟S13~S16與第二實施例的步驟S07~S10相同，第三實施例僅有步驟S11~S12與第一實施例的步驟S06不同，以下僅針對差異處說明。

如步驟S11所示，處理單元3經由輸入單元2接收一最大適用角度θ _max。接著，如步驟S12所示，處理單元3根據該最大適用角度θ _max，獲得一最大適用加速度讀值Z_max。在本實施例中，處理單元3是使用下式計算出最大適用加速度讀值Z_max

也就是說，在第二實施例是讓使用者直接輸入最大適用加速度讀值Z_max，而第三實施例則是讓使用者輸入最大適用角度θ _max，處理單元3再根據該最大適用角度θ _max，獲得最大適用加速度讀值Z_max。第三實施例其餘步驟與第二實施例相同，在此不予贅述。本實施例可供使用者200輸入最大適用角度θ _max，並據以獲得最大適用誤差值θ _{error_max}，讓使用者200得知誤差角度θ _error 的範圍。

綜上所述，本發明傾角估算方法透過一次乘法(加速度讀值Z乘以斜率值r)即可獲得傾角估算值θ _E，大大降低了傾角運算的複雜度，有效改善了運算速度；再者，本發明傾角估算方法可供使用者200輸入最大適用誤差值θ _{error_max}而獲得最大適用加速度讀值Z_max，或供使用者200輸入最大適用加速度讀值Z_max與最大適用角度θ _max其中一者而獲得最大適用誤差值θ _{error_max}，從而讓使用者200得知加速度讀值Z的適用範圍或誤差角度θ _error的範圍，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

S01~S05‧‧‧流程步驟

Claims

一種傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(a)該處理單元經由該輸入單元接收一大於零的最大適用誤差值；(b)該處理單元根據該最大適用誤差值，以下式獲得一斜率值，其中r為該斜率值，θ_{error_max}為該最大適用誤差值，g為該加速度計感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的該加速度讀值；(c)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(d)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且一誤差角度的最大值等於該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。
如請求項1所述的傾角估算方法，其中，於步驟(b)之後，所述的傾角估算方法還包含：(e)該處理單元根據該斜率值及該最大適用誤差值，以下式獲得一最大適用加速度讀值，其中，Z_max為該最大適用加速度讀值。
如請求項2所述的傾角估算方法，其中，當該加速度讀值等於該最大適用加速度讀值時，該誤差角度等於負的該最大適用誤差值。
如請求項3所述的傾角估算方法，其中，於步驟(d)中，該處理單元是將該加速度讀值乘以該斜率值以獲得該傾角估算值。
一種傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(f)該處理單元經由該輸入單元接收一最大適用加速度讀值；(g)該處理單元根據該最大適用加速度讀值，以下式獲得一斜率值，其中r為該斜率值，Z_max為該最大適用加速度讀值，g為該加速度計感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的該加速度讀值；(h)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(i)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且當該加速度讀值不大於該最大適用加速度讀值，一誤差角度的最大值等於一大於零的最大適用誤差值，並且該誤差角度的最小值等於負的該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。
如請求項5所述的傾角估算方法，其中，於步驟(g)之後，所述的傾角估算方法還包含：(j)該處理單元根據該斜率值，以下式獲得該最大適用誤差值或者，根據該斜率值及該最大適用加速度讀值，以下式獲得該最大適用誤差值其中θ_{error_max}為該最大適用誤差值。
如請求項6所述的傾角估算方法，其中，於步驟(i)中，該處理單元是將該加速度讀值乘以該斜率值以獲得該傾角估算值。
一種傾角估算方法，藉由一電子裝置實施，該電子裝置包含一加速度計、一輸入單元，及一處理單元，該加速度計用於感測一特定方向的加速度而產生一加速度讀值，所述的傾角估算方法用於估算該特定方向與一預定平面之間的一實際夾角，並包含：(k)該處理單元經由該輸入單元接收一最大適用角度；(l)該處理單元根據該最大適用角度，以下式獲得一最大適用加速度讀值，其中，θ _max為該最大適用角度，Z_max為該最大適用加速度讀值，g為該加速度計感測到加速度大小等於重力加速度時所產生的該加速度讀值；(m)該處理單元根據該最大適用加速度讀值，以下式獲得一斜率值，其中r為該斜率值；(n)該處理單元接收來自該加速度計的該加速度讀值；及(o)該處理單元根據該斜率值及該加速度讀值，獲得一傾角估算值，其中，該傾角估算值為以該加速度讀值為變數的線性函數，且該傾角估算值的斜率等於該斜率值，且當該加速度讀值不大於該最大適用加速度讀值，一誤差角度的最大值等於一大於零的最大適用誤差值，並且該誤差角度的最小值等於負的該最大適用誤差值，該誤差角度定義為該傾角估算值減去該實際夾角的差值。
如請求項8所述的傾角估算方法，其中，於步驟(m)之後，所述的傾角估算方法還包含：(p)該處理單元根據該斜率值，以下式獲得該最大適用誤差值或者，根據該斜率值及該最大適用加速度讀值，以下式獲得該最大適用誤差值其中θ_{error_max}為該最大適用誤差值。
如請求項9所述的傾角估算方法，其中，於步驟(o)中，該處理單元是將該加速度讀值乘以該斜率值以獲得該傾角估算值。