TWI690716B - 以感應器系統計算定向的方法及感應器系統 - Google Patents

Abstract

一種以感應器系統計算定向的方法，該感應器系統具有微機械轉速感應器及計算單元，其中用該轉速感應器測量轉速，並為計算定向在該計算單元中經由一段時間對該轉速進行積分，其中該轉速感應器的微機械振盪器以固有頻率振盪並產生固有頻率信號，其中自該固有頻率信號中導出用於在該計算單元中積分的時鐘信號。

Description

以感應器系統計算定向的方法及感應器系統

本發明係有關於一種如申請專利範圍第1項之前言所述的 以感應器系統計算定向的方法以及一種如申請專利範圍第9項之前言所述的感應器系統。

在先前技術中，例如在慣性導航系統中使用此類方法來測定空間內自由運動的物體及/或人的定向。一部分定向規則在於，計算相對於規定之空間軸的角度。為此，例如用微機械轉速感應器測量轉速--即角速度，再對此轉速進行時間積分，以獲取該角度。此轉速的時間積分需要通常作為時鐘信號而被提供的時間基準。為獲取儘可能精確的時間基準，在先前技術揭露的感應器系統中，由石英晶體振盪器導出時鐘信號。

此類方法的缺點在於：透過額外所需的石英晶體振盪器使得結構愈發複雜，從而提高了感應器系統的成本。

因此，本發明之目的在於，低成本地計算定向或者實現低成 本的感應器系統。

與先前技術相比，本發明之以感應器系統計算定向的方法與本發明之具有並列申請專利範圍之特徵的感應器系統具有以下優點：毋需設置用以產生時鐘信號的石英晶體振盪器。而是用原本就設置在轉速感應器內的以固有頻率振盪的微機械振盪器，來產生固有頻率信號。自該微機械振盪器的固有頻率信號導出用於在該計算單元中積分的時鐘信號。透過放棄石英晶體振盪器低成本地計算定向或者低成本地實現該感應器系統。

例如可作為相對於規定之空間軸的角度來計算定向。

本發明之有利的設計方案及改良方案可參閱附屬項以及參照附圖的說明。

根據一種較佳的實施方式，為導出該時鐘信號，將該固有頻率信號輸入倍頻器，其中該倍頻器將該微機械振盪器的固有頻率乘以匹配因數。藉由該倍頻器可補償製造公差，具體方式在於，透過與可調的匹配因數相乘而將該時鐘信號的頻率調節至規定的額定頻率。該匹配因數可為整數值或分數值，如此便能用該倍頻器產生具有時鐘頻率的時鐘信號，該時鐘頻率為該固有頻率的整數或分數倍數或者為該固有頻率的商。尤佳地，該倍頻器構建為數位倍頻器，從而在數位電子電路中實現該倍頻器。

因而根據一種有利的實施方式，求得該匹配因數，其中測量該微機械振盪器的固有頻率，將該所測量的固有頻率與一規定的額定頻率進行比較。在製造感應器系統期間及/或在校準過程中，可對固有頻率進行測量以及將所測量的固有頻率與規定的額定頻率進行比較。在透過石英晶體振盪器產生額定頻率時，係有利之舉。較佳將該匹配因數存入該感應器 系統的匹配暫存器中。

另一較佳的實施方式在於，將修正因數輸入該計算單元，以便補償該倍頻器的量化錯誤。此種實施方式有利於補償藉由該倍頻器導出的時鐘信號之時鐘頻率與規定的額定頻率之偏差，此種偏差取決於匹配因數的有限解析度--即該倍頻器的量化錯誤。透過以該修正因數補償該量化錯誤可降低該倍頻器的精確度，即擴大量化錯誤，而不降低角定向的精確度。

根據一種較佳實施方式，該修正因數符合該時鐘信號的時鐘頻率與該額定頻率的比例。該時鐘信號的實際頻率與該額定頻率的商給出該倍頻器的量化錯誤。

因而根據一種有利的實施方式，為求得該修正因數而測量該時鐘信號的時鐘頻率。例如可在製造感應器系統期間及/或在校準過程中進行測量。作為替代方案，可測量該固有頻率信號的固有頻率，並根據調節的匹配因數計算該時鐘頻率。

另一較佳的實施方式在於，將該修正因數儲存在該感應器系統的修正暫存器中，如此便能為透過計算單元計算定向而調用該修正因數。尤佳地，該修正暫存器構建為非揮發性修正暫存器，從而在感應器系統的電源斷開時，亦保留所測得的修正因數

根據另一有利的實施方式，用加速感應器將測得的加速值及/或用磁場感應器將測得的磁場值輸入用於計算定向的該計算單元。在計算定向，特別是計算角度時，可將該加速值及/或磁場值考慮在內。特別有利地，在為計算定向而使用Kalman(卡爾曼)過濾器時，較佳地將用該轉速 感應器測得的轉速、加速值及磁場值作為輸入變數輸入該過濾器。

根據本發明之感應器系統的一種較佳改良方案，該感應器系統具有倍頻器，其如此地構建，使得該微機械振盪器的固有頻率可乘以規定的匹配因數，以及，該感應器系統具有修正暫存器，在該修正暫存器中儲存修正因數，其可輸入該計算單元，以便修正該倍頻器的量化錯誤。感應器系統的此種改良方案具有以下優點：提高用於計算定向的時基精確度。

附圖示出了本發明之實施例，且在下述說明中對其進行詳細說明。

1:感應器系統

2:轉速感應器

3:匹配暫存器

4:倍頻器

5:修正暫存器

6:計算單元

10:匹配因數，匹配值

11:固有頻率信號

13:時鐘信號

15:加速值，加速資料

16:磁場值，磁場資料

19:頻率範圍

21:固有頻率

22:額定頻率

23:時鐘頻率

24:偏差，頻率差

41-47:各個匹配因數

fE:頻率

fcorr:修正因數

ω:轉速

φ:角度

φ':角度，立體角

圖1為根據本發明之示例性實施方式的感應器系統的框圖；圖2為用於說明校準過程中各流程之所測量及規定的不同頻率；及圖3為兩種根據本發明之方法所計算出的定向之時間走向的兩個示例。

相同的元件在不同附圖中總是用同一元件符號表示，因此，一般僅命名或提及一次。

圖1為本發明的感應器系統1之實施例的框圖，可將該感應器系統應用於慣性導航系統中，以便測定空間內的物體及/或人之定向。感應器系統1具有第一微機械轉速感應器2，其用於測量轉速ω--即圍繞規定的第一軸線的角速度。第一轉速感應器2具有至少一微機械振盪器，其可被激勵，以便以固有頻率進行振動。該微機械振盪器例如可構建為活動式懸掛的感震質量。除第一轉速感應器2外，感應器系統1中還設有兩 個其他轉速感應器，其測量圍繞兩個垂直於該第一軸線佈置的軸線之轉速。為清楚起見，該二其他轉速感應器未在圖1中示出。

為計算空間內的感應器系統1之定向，自所測量的三個轉速感應器2之轉速ω計算出相對於該等三個互相垂直佈置的軸線之角度φ'。 在感應器系統1的計算單元6中計算角度φ'，該計算單元與第一轉速感應器2佈置於同一殼體中，且較佳與該二其他轉速感應器佈置於同一殼體中。 在該同一殼體中還可佈置有一或多個用於測量加速資料的加速感應器及/或一或多個用於測量磁場資料的磁場感應器。

在計算單元6中，經由一段積分時間對用第一轉速感應器2測量的轉速ω進行積分，以獲取第一角度φ'。該經由一段時間的轉速ω之積分需要時間基準，其在感應器系統1中作為時鐘信號13而被提供。為導出時鐘信號13，由轉速感應器2產生固有頻率信號11，其具有轉速感應器2之微機械振盪器的固有頻率21。將固有頻率信號11輸入數位倍頻器4。 倍頻器4將固有頻率信號11的固有頻率21乘以匹配因數10，其為兩個整數值n、m的商n/m。匹配因數10以整數值n、m的形式儲存於感應器系統1的匹配暫存器3中。若n/m>1，則時鐘信號13的時鐘頻率23大於微機械振盪器的固有頻率21。若n/m<1，則時鐘信號13的時鐘頻率23小於固有頻率21。

用倍頻器4可將時鐘信號13的時鐘頻率23補償至規定的額定頻率。但匹配因數10具有有限的解析度，故時鐘信號13的信號頻率23一般與額定頻率存在偏差24，其係倍頻器4的量化錯誤。為修正該量化錯誤，在感應器系統1的修正暫存器5中存入修正因數fcorr，將其輸入計算 單元6，並在對轉速ω積分時將該修正因數考慮在內，下文將對此進行詳細闡述。修正因數fcorr符合時鐘信號13的時鐘頻率23與額定頻率22的比例。

此外，用加速感應器將測得的加速值15以及用磁場感應器將測得的磁場值16輸入用於計算定向的計算單元6。

下面結合圖2中之圖示，對補償時鐘信號13的時鐘頻率23的過程進行說明。在校準過程中，在感應器系統1中進行補償，例如緊接著製造感應器系統1之後或視需要在將感應器系統1裝入慣性導航系統之前實施該校準過程。

圖2中，透過微機械振盪器所獲取的固有頻率信號11之頻率fE增強透過倍頻器4產生的頻率fT。元件符號19表示基於製造公差估算所測量的固有頻率信號11之固有頻率21的值所在的頻率範圍。在該頻率範圍19中，可透過選擇合適的匹配因數10而將時鐘頻率23補償至額定頻率22。圖2示例性地用元件符號41至47表示與該固有頻率信號之各頻率fE對應的匹配因數10。該等匹配因數象徵性地表示值n與m之特定比例。 自若干匹配因數10而產生的時鐘頻率fT因倍頻器4的量化錯誤而呈Z字形線。

在校準過程中測量微機械振盪器的固有頻率21。為將時鐘頻率23補償至規定的額定頻率22，選出對應的匹配值10。選出匹配因數10，就該匹配因數而言，時鐘信號13之透過應用匹配因數10中而產生的時鐘頻率23與額定頻率22之間的頻率差24係最小。在本示例中選擇值44作為匹配因數10，其象徵性地表示值n與m之特定比例，例如15/16，並對 該比例進行編碼。將匹配因數10儲存在匹配暫存器3中。

為求得修正因數fcorr，求出時鐘信號13之時鐘頻率23與額定頻率22的商。將修正因素fcorr存入感測器系統1的非揮發性修正暫存器5中。為求得修正因素fcorr，可測量時鐘頻率23。作為替代方案，可根據所測量的固有頻率21與選出的匹配因數10計算出時鐘頻率23。

下面結合圖3中的圖示，對計算感應器系統1的定向進行說明。圖3為所計算出的經過第一時間軸t的角度φ，其中未修正倍頻器4的量化錯誤，以及所計算出的經過第二時間軸t的角度φ'，其中已修正該量化錯誤。

若在計算單元6中未考慮到修正因數fcorr，則所計算的角度φ會受到因變頻器4的量化錯誤而導致的不精確性的影響。經由一段積分時間對用第一轉速感應器2所測量的轉速ω進行積分，以獲取第一角度φ。該關係用以下公式表示：

若計算單元6考慮到了該修正因數以計算角度φ'，則對該量化錯誤進行補償，並提高角度φ'的精確度。為此，在計算單元6中將該等離散的時間點乘以修正因數fcorr，此點在下列公式中示例性地針對時間點t₀與t₁表示。

用下列公式求出角度φ'：

執行上述計算時可與針對所有三個空間方向的該實施例有所偏差，為此，求得感應器系統1中的轉速。此外，在計算該等角度時，還可考慮到加速資料15及/或磁場資料16。因此，可在計算單元6中將多個感應器的資料合併。

在上述以感應器系統1計算立體角φ'的方法中，該感應器系統具有微機械轉速感應器2及計算單元6，其中用轉速感應器2測量轉速ω，並為計算立體角φ'而在該計算單元中經由一段時間對轉速ω進行積分，轉速感應器2的微機械振盪器以固有頻率21振盪，且產生固有頻率信號11，其中自固有頻率信號11導出用於在計算單元6中積分的時鐘信號13。如此便能低成本地計算出立體角φ'並實現低成本的感應器系統1。

φ:角度

φ':角度，立體角

Claims (10)

1. 一種以感應器系統(1)計算定向的方法，該感應器系統具有微機械轉速感應器(2)及計算單元(6)，其中用該轉速感應器(2)測量轉速(ω)，並為計算定向在該計算單元(6)中經由一段時間對該轉速(ω)進行積分，其特徵在於，該轉速感應器(2)的微機械振盪器以固有頻率(21)振盪並產生固有頻率信號(11)，其中自該固有頻率信號(11)導出用於在該計算單元(6)中積分的時鐘信號(13)。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，為導出該時鐘信號(13)，將該固有頻率信號(11)輸入倍頻器(4)，其中該倍頻器(4)將該微機械振盪器的固有頻率(21)乘以匹配因數(10)。
3. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中，求得該匹配因數(10)，其中測量該微機械振盪器的固有頻率(21)，將該所測量的固有頻率(21)與一規定的額定頻率(22)進行比較。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，將一修正因數(fcorr)輸入該計算單元(6)，以補償該倍頻器(4)的量化錯誤。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該修正因數(fcorr)符合該時鐘信號(13)的時鐘頻率(23)與該額定頻率(22)的比例。
6. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，為求得該修正因數(fcorr)而測量該時鐘信號(13)的時鐘頻率(23)。
7. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，將該修正因數(fcorr)儲存在該感應器系統(1)的修正暫存器(5)中。
8. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中，用加速感應器將測得的加速值(15)及/或用磁場感應器將測得的磁場值(16)輸入用於計算定向的該計算單元(6)。
9. 一種感應器系統，具有用於測量轉速(ω)的微機械轉速感應器(2)以及用於透過經由一段時間對該所測量的轉速(ω)進行積分而計算定向的計算單元(6)，其特徵在於，該轉速感應器(2)具有以固有頻率(21)振盪的微機械振盪器，其用於產生固有頻率信號(11)，其中自該固有頻率信號(11)可導出用於在該計算單元(6)中積分的時鐘信號(13)。
10. 如申請專利範圍第9項之感應器系統，其中，該感應器系統(1)具有倍頻器(4)，其如此地構建，使得該微機械振盪器的固有頻率(21)可乘以規定的匹配因數(10)，且其中，該感應器系統(1)具有修正暫存器(5)，在其中儲存修正因數(fcorr)，其可輸入該計算單元(6)，以便修正該倍頻器(4)的量化錯誤。

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