基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方 法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 隨著當下對慣性傳感器的需求越來越大，對陀螺儀(角速度傳感器）的精度、功耗 等要求也越來越高。MEMS陀螺儀雖然有成本低、易于數字化等優點，但是與加速度計以及其 他傳感器相比，功耗明顯偏高。于此同時，隨著應用的豐富，對高精度陀螺的需求也越來越 高。當下的MEMS陀螺儀的精度要求漸漸不能滿足其需求。
[0004] 為了彌補MEMS陀螺儀在這些方面的不足，有若干方法被提出，曾有人提出利用一 種多陀螺的數據融合方法來實現利用低成本陀螺組建高精度陀螺的方案。但是其缺點為多 陀螺系統的功耗太高。也有方案提出，利用加速度計的解算來組建無陀螺慣性系統，其缺點 為其加速度布置需要立體布置，不僅對加速度計布置的位置精度要求高，而且整個系統的 體積大。
[0005]
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中虛擬陀螺儀的高功耗，且精度不夠 的缺陷，提供一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺技術，通過加速度計組合和陀螺儀的輸出 進行數據融合，得到優化后角速度值的輸出，可以大幅提升整個系統的角速度測量精度。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是： 提供一種基于多傳感器融合實現虛擬陀螺的方法，包括以下步驟： 設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計； 在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一 個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器； 輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。
[0008] 本發明所述的方法中，還包括步驟： 根據輸出的測量值，構建狀態更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0009] 本發明所述的方法中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內正交 的雙軸加速度計或者兩個單軸加速度計。
[0010] 本發明所述的方法中，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預設的坐標系的X軸 方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl的位置，方向與Y 軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方向與X軸平行，陀 螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
[0011] 本發明所述的方法中，設置dl等于d2。
[0012] 本發明還提供一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺，包括基板，其上設置加速度組 合傳感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直； 本發明所述的虛擬陀螺中，該虛擬陀螺還包括： 計算單元，用于根據加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構 建狀態更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0013] 本發明所述的虛擬陀螺中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內 正交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計。
[0014] 本發明所述的虛擬陀螺中，所述第二加速度計和第三加速度計均為單軸加速度 計。
[0015] 本發明所述的虛擬陀螺中，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預設的坐標系的 X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl的位置，方向與 Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方向與X軸平行， 陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
[0016] 本發明所述的虛擬陀螺中，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離與第 三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
[0017] 本發明產生的有益效果是：本發明通過在同一平面內布置一對加速度計共位置、 檢測方向正交，兩對加速度計檢測方向平行但不共位置，以及一個陀螺儀，并根據輸出構建 狀態更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出特性，選擇適合 的協方差矩陣，即可達到優化的角速度輸出，其精度會大大增加，同時因為加速度計的功耗 較低，又僅使用一個陀螺儀，相比于現有技術中使用多個陀螺儀的功耗明顯降低。
[0018]
【附圖說明】
[0019] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中： 圖1是本發明實施例基于多傳感器融合實現虛擬陀螺的方法流程圖； 圖2是本發明實施例基于多傳感器融合的虛擬陀螺結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0021] 本發明利用加速度計組合與陀螺儀進行數據融合，得到優化后角速度值的輸出， 提高了角速度測量精度。
[0022] 本發明實施例的基于多傳感器融合的虛擬陀螺，包括基板，以及設置在基板上的 加速度組合傳感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直。
[0023] 該虛擬陀螺還包括計算單元，可設置在基板上，與加速度組合傳感器和陀螺儀分 別連接，用于根據加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構建狀態 更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
[0024] 該計算單元也可以設在虛擬陀螺外部，如通過外部的單片機實現，或者通過上位 機實現。
[0025] 本發明的一個實施例中，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在同一平面內正 交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計；所述第二加速度計和第三加速度計均為單軸 加速度計。
[0026] 本發明的一個實施例中，如圖1所示，雙軸加速度計1布置在基板4的一個角落， 兩個軸的方向分別沿預設的坐標系的X軸方向和Y軸方向。單軸加速度計2a布置于X軸 上距雙軸加速度計1距離為dl的位置,方向與Y軸平行。單軸加速度計2b布置于Y軸上 距雙軸加速度計1距離為d2的位置，方向與X軸平行。陀螺儀3布置在與各個加速度計共 面的任意位置，其檢測方向為Z軸方向。
[0027] 本發明的一個實施例中，可設置第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離 與第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
[0028] 在上述布置方案下，假設雙軸加速度計1在X軸方向和Y軸方向的輸出分別為Al、 A2,單軸加速度計2a的輸出為A3,單軸加速度計2b的輸出為A4,通過如下公式解算得到角 加速度? :
【主權項】
1. 一種基于多傳感器融合實現虛擬陀螺的方法，其特征在于，包括以下步驟： 設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計； 在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一 個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器； 在該平面任一位置設置陀螺儀，其檢測方向與該平面垂直； 輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟： 根據輸出的測量值，構建狀態更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加速度計為共位置、檢測方向在 同一平面內正交的雙軸加速度計或者兩個單軸加速度計。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第一加速度計的兩個檢測方向分別沿預 設的坐標系的X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離為dl 的位置，方向與Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位置，方 向與X軸平行，陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，設置dl等于d2。
6. -種基于多傳感器融合的虛擬陀螺，其特征在于，包括基板，其上設置加速度組合傳 感器和陀螺儀； 加速度組合傳感器包括：第一加速度計，其檢測方向在同一平面內正交；第二加速度 計，在該平面內，與第一加速度計的一個檢測方向平行、但不共位置；第三加速度計，在該平 面內，與第一加速度計的另一個檢測方向平行、但不共位置； 所述陀螺儀，設置在該平面任一位置，其檢測方向與該平面垂直。
7. 根據權利要求6所述的虛擬陀螺，其特征在于，該虛擬陀螺還包括： 計算單元，用于根據加速度組合傳感器的測量值計算角加速度，并結合陀螺的輸出，構 建狀態更新與時間更新方程，進行卡爾曼濾波。
8. 根據權利要求5所述的虛擬陀螺，其特征在于，所述第一加速度計為共位置、檢測方 向在同一平面內正交的兩個單軸加速度計，或者雙軸加速度計；所述第二加速度計和第三 加速度計均為單軸加速度計。
9. 根據權利要求5所述的虛擬陀螺，其特征在于，第一加速度計的兩個檢測方向分別 沿預設的坐標系的X軸方向和Y軸方向，第二加速度計置于X軸上距第一加速度計的距離 為dl的位置,方向與Y軸平行，第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離為d2的位 置，方向與X軸平行，陀螺儀的檢測方向沿Z軸方向。
10. 根據權利要求8所述的虛擬陀螺，其特征在于，第二加速度計置于X軸上距第一加 速度計的距離與第三加速度計置于Y軸上距第一加速度計的距離相等。
【專利摘要】本發明公開了一種基于多傳感器融合的虛擬陀螺及方法，其中方法包括以下步驟：設置檢測方向在同一平面內正交的第一加速度計；在該平面內，設置與其中一個檢測方向平行、但不共位置的第二加速度計，以及與另一個檢測方向平行、但不共位置的第三加速度計，形成加速度組合傳感器；在該平面任一位置設置陀螺儀，其檢測方向與該平面垂直；輸出加速度組合傳感器以及陀螺儀的測量值。通過加速度計組合和陀螺儀的輸出進行數據融合，得到優化后角速度值的輸出。可以大幅提升整個系統的角速度測量精度。
【IPC分類】G01C21-16
【公開號】CN104677355
【申請號】CN201510099336
【發明人】羅璋, 劉勝, 劉超軍, 余帥, 張生志, 王小平
【申請人】九江飛恩微電子有限公司, 武漢大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月6日