專利名稱：二維/三維角速度檢測裝置、方法、姿態感知設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及角速度檢測技術領域，特別涉及一種二維/三維角速度檢測裝置、方法、姿態感知設備。
背景技術：
目前，計算機鼠標指針的定位大多數都依靠光學傳感器或激光傳感器來實現，這些傳感器都基于物理光學原理，使得傳感器需要依靠桌面等平臺來實現。但是隨著人們對辦公環境和操作便捷性要求的日益提高，用戶希望鼠標可以脫離對桌面的依賴，升級為空間鼠標，可以實現懸空三維操作，只需輕揮手腕，指針即可隨意移動，輕松控制電腦等設備。 因此，基于陀螺儀的空間鼠標應運而生。陀螺儀技術經歷了相當一段時間的發展，經典陀螺儀具有高速旋轉的剛體轉子， 依靠自身的性能可以捕獲自身的姿態。它最早是用于航海導航，后來在航空和航天事業中也得到廣泛的應用。陀螺儀的基本原理是運用物體高速旋轉時，強大的角動量使旋轉軸一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。當運動方向與轉軸指向不一致時，會產生相應的偏角，再根據偏角與運動的關系，得到目前運動件的運動軌跡和位置，從而實現定位的功能。傳統的陀螺儀是一個不停轉動的物體，利用角動量守恒原理，其轉軸的指向不隨承載它的支架旋轉而變化。要把這樣一個不停轉動的沒有支撐的能旋轉的物體用微機械技術在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，微電子機械系統 (Micro-electromechanical Systems, MEMS)陀螺儀在基于傳統陀螺儀特性的基礎上利用科里奧利力(Coriolisforce)來實現了設備的小型化。科里奧利力也就是常說的哥里奧利力、科氏力，它是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述，其來自于物體運動所具有的慣性。專利公開號為CN102043475A的中國專利申請中提供了一種空間鼠標，包括本體、X軸陀螺儀、Y軸陀螺儀、主處理芯片、信號發射單元；所述本體上設置有鼠標左、中、右鍵、滑動條、信號發射窗口，所述滑動條可以向主處理芯片發出指令對X軸陀螺儀、Y軸陀螺儀的移動信息進行微調；所述鼠標左、中、右鍵可以向主處理芯片發出指令對X軸陀螺儀、Y 軸陀螺儀的移動信息進行確認和處理；然后，確認/處理信息經主處理芯片處理，給所述發射單元發出發射指令；所述發射單元設置在信號發射窗口內部，發射信號從所述信號發射窗口發出。上述陀螺儀是單軸陀螺儀，為了采集空間兩個平面的角速度信息，需要兩個陀螺儀垂直放置。此外，還存在兩軸陀螺儀和三軸陀螺儀，一個兩軸陀螺儀就可以得到空間兩個平面的角速度信息，一個三軸陀螺儀就可以得到空間三個平面的角速度信息。當陀螺儀發生旋轉，即有繞輸出軸(X軸)角速度(rad/s)輸入時，X軸方向上受科里奧利力作用而使陀螺儀在該方向產生振動，此時陀螺儀在X軸上的位移X(t)為X(t) = Acos(cozt4c)
其中
權利要求
1.一種二維角速度檢測裝置，其特征在于，包括兩個陀螺儀，所述兩個陀螺儀分別包括檢測臂；位于所述檢測臂兩側的第一驅動臂和第二驅動臂； 連接所述檢測臂中心、第一驅動臂中心和第二驅動臂中心的連接部； 驅動電路，用于驅動所述第一驅動臂和所述第二驅動臂進行振動； 檢測電路，用于檢測所述檢測臂的輸出電壓，所述檢測臂的輸出電壓與陀螺儀所在平面的角速度相關；所述兩個陀螺儀的檢測臂相互垂直；所述陀螺儀靜止時，第一驅動臂和第二驅動臂相對振動，檢測臂靜止；所述陀螺儀運動時，第一驅動臂、第二驅動臂和檢測臂均同向振動。
2.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述檢測電路包括數據采集卡，與所述檢測臂連接，用于輸出所述檢測臂上的電壓模擬值；模數轉換器，與所述數據采集卡連接，用于將所述電壓模擬值轉換為電壓數字值。
3.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述檢測電路包括數據采集卡，與所述檢測臂連接，用于輸出所述檢測臂上的電壓模擬值；放大器，與所述數據采集卡連接，用于對所述檢測臂上的電壓模擬值進行放大處理；低通濾波器，與所述放大器連接，用于對放大處理后的電壓模擬值進行濾波處理，且將濾波后的電壓模擬值傳送給所述模數轉換器；模數轉換器，與所述低通濾波器連接，用于將濾波后的所述電壓模擬值轉換為電壓數字值。
4.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述驅動電路使每個所述陀螺儀的第一驅動臂和第二驅動臂的振動頻率均相同。
5.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述驅動電路使其中一個陀螺儀的第一驅動臂和第二驅動臂以第一振動頻率振動，使另一個陀螺儀的第一驅動臂和第二驅動臂以第二振動頻率振動，所述第一振動頻率和所述第二振動頻率不相同。
6.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述驅動電路使所述陀螺儀的第一驅動臂和第二驅動臂的振動頻率為40KHz 60KHz。
7.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述陀螺儀的材料為水晶。
8.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，所述兩個陀螺儀不接觸。
9.如權利要求1所述的二維角速度檢測裝置，其特征在于，還包括開關，用于控制所述驅動電路的開啟和關閉，所述驅動電路開啟時，所述二維角速度檢測裝置正常工作；所述驅動電路關閉時，所述二維角速度檢測裝置不工作。
10.一種包括權利要求1至9中任一項所述的二維角速度檢測裝置的二維姿態感知設備。
11.如權利要求10所述的二維姿態感知設備，其特征在于，所述二維姿態感知設備為空間鼠標。
12.如權利要求10所述的二維姿態感知設備，其特征在于，所述二維角速度檢測裝置設置在所述二維姿態感知設備的前端。
13.一種用權利要求1至9任一項所述的二維角速度檢測裝置檢測角速度的方法，其特征在于，包括對于每一個所述陀螺儀，分別驅動第一驅動臂和第二驅動臂進行振動；獲取其基準電壓，所述基準電壓為所述陀螺儀靜止時檢測臂的輸出電壓； 檢測所述陀螺儀運動時檢測臂的輸出電壓；根據基準電壓與所述陀螺儀運動時的輸出電壓獲得所述陀螺儀所在平面對應的角速度，其中所述陀螺儀運動時的輸出電壓與所述基準電壓之差與所述角速度呈線性關系。
14.一種三維角速度檢測裝置，其特征在于，包括三個陀螺儀，所述三個陀螺儀分別包括檢測臂；位于所述檢測臂兩側的第一驅動臂和第二驅動臂； 連接所述檢測臂中心、第一驅動臂中心和第二驅動臂中心的連接部； 驅動電路，用于驅動所述第一驅動臂和所述第二驅動臂進行振動； 檢測電路，用于檢測所述檢測臂的輸出電壓，所述檢測臂的輸出電壓與陀螺儀所在平面的角速度相關；所述三個陀螺儀的檢測臂分別相互垂直；所述陀螺儀靜止時，第一驅動臂和第二驅動臂相對振動，檢測臂靜止；所述陀螺儀運動時，第一驅動臂、第二驅動臂和檢測臂均同向振動。
15.一種包括權利要求14所述的三維角速度檢測裝置的三維姿態感知設備。
16.如權利要求15所述的三維姿態感知設備，其特征在于，所述三維角速度檢測裝置設置在所述三維姿態感知設備的前端。
17.一種用權利要求14所述的三維角速度檢測裝置檢測角速度的方法，其特征在于， 包括對于每一個所述陀螺儀，分別驅動第一驅動臂和第二驅動臂進行振動；獲取其基準電壓，所述基準電壓為所述陀螺儀靜止時檢測臂的輸出電壓； 檢測所述陀螺儀運動時檢測臂的輸出電壓；根據基準電壓與所述陀螺儀運動時的輸出電壓獲得所述陀螺儀所在平面對應的角速度，其中所述陀螺儀運動時的輸出電壓與所述基準電壓之差與所述角速度呈線性關系。
全文摘要
一種二維/三維角速度檢測裝置、方法、姿態感知設備，所述二維角速度檢測裝置，包括兩個陀螺儀，所述兩個陀螺儀分別包括檢測臂；位于所述檢測臂兩側的第一驅動臂和第二驅動臂；連接所述檢測臂、第一驅動臂和第二驅動臂中心的連接部；驅動電路，用于驅動所述第一驅動臂和所述第二驅動臂進行振動；檢測電路，用于檢測所述檢測臂的輸出電壓，所述檢測臂的輸出電壓與陀螺儀所在平面的角速度相關；所述兩個陀螺儀的檢測臂相互垂直；所述陀螺儀靜止時，第一驅動臂和第二驅動臂相對振動，檢測臂靜止；所述陀螺儀運動時，第一驅動臂、第二驅動臂和檢測臂均同向振動。本發明具有較高的耐沖擊和振動性，且可以簡單地得到角速度。
文檔編號G06F3/033GK102331512SQ20111023486
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者嚴松, 劉正東, 唐元浩, 龍江, 龍濤 申請人:江蘇惠通集團有限責任公司