专利名称：用于校准角速率测量传感器的方法、设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于校准角度测量传感器的方法、设备和系统。特别的本发明涉及用于利用加速度测量设备来提供一组校准步骤以便以便宜、快速并且简单的方式来校准角度测量传感器的校准角度测量传感器的方法、设备和系统。
通过将一组传感器的输出结合在一起来计算位置、速度和方向来跟踪在初始点开始的移动，来实现惯性导航系统。为了获得这个信息，需要执行关于初始距离的线性加速度测量以及也关于初始距离的角速率测量。这些测量能够解决导致位置、速度和方向的惯性微分方程。用于测量线性加速度的线性加速度测量传感器(加速计)以及用于测量角速率的角速率测量传感器的组件称为惯性传感器组件(ISA)。
必须考虑惯性导航系统最严重的缺点涉及解微分方程的过程。基本的测量数据是由惯性传感器组件获得的加速度和角速率值。这些值如果是角速率必须一次及时积分并且如果是加速度必须两次及时积分。特别是如果积分时间很长，因错误的校准、偏差、漂移或改变环境影响的错误导致相对高的偏差。
当前的加速度测量设备达到了相对高的精确度，但是角速率测量传感器如陀螺仪精确度不高。为了校准角速率测量传感器需要采用昂贵的3维旋转速率表。通过利用这些旋转速率表来确定角速率测量传感器的比例因子。这种校准测量仅在特殊装备的实验室里可用。但是角速率测量传感器的比例因子严重依赖于如老化、温度、湿度等使用的条件。影响角速率测量传感器的结果通常通过利用不能在任何时候都精确的昂贵的额外的电子设备在优先设备中补偿。电子设备使用从环境模拟系统中获得的预测量校准数据来估计正确的比例因子。这样的传感器的重校准是必要的以便确保永久的精确度，其是一个时间和成本密集的过程。
迄今还不知道简单并且快速的校准角度测量传感器的方法，但是希望能以可接受的价格提供可靠的系统。
在惯性导航系统中使用的惯性传感器组件包括如上所述的角速率测量传感器和线性加速度测量传感器。线性加速度传感器不能区分与集合速度改变相关的加速度和因地球引力的加速度。因此，通常假设重力是固定的或者因为地球的形状可以模型化为一个旋转的椭圆体，而利用纬度应用一个模型。由国防部绘图机构定义的称为WGS-84系统的标准模型给出一个模型。便利的，测量本地的重力加速度值以便确保应用重力的一个准确的加速度值来增加惯性导航的精确度有很大优点。
本发明的另一个目的是提供一种用于与角度测量传感器的校准过程同时测量重力当前加速度值的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供包括加速度测量设备和单元的设备用于执行根据本发明的校准方法。
本发明的另一个目的是提供因上述校准方法额外的利用传输网来交换数据的设备。
本发明的另一个目的是提供包括至少一个角度测量传感器和包括远程操作校准步骤的可能性的校准角度测量传感器的设备的系统。
因此为解决本发明的目的，提供了用于简单地校准角速率测量传感器的方法。根据权利要求1的该方法包括其中引用的步骤。
为达到这个以及其他优点并且与本发明的目的相一致，该方法包括几个步骤用来获得校准所需的数据。角度测量传感器以任何固定的方式连接到加速度测量设备，以便确保当两者的排列被移位时，角度测量传感器和加速度测量设备以相同的方式同时移位。在第一步，应校准的角度测量传感器和加速度测量设备的集合放置在固定的位置，例如放在桌子上。在这个位置，水准面由加速度测量设备确定。所述水准面应该理解为基本上或实际上垂直于重力矢量的方向的本地平面。要校准的角度测量传感器的初始值设置为预定的初始值，但是可以优选地设置为零。相对的，可能角度测量传感器的一组初始值必须设置为一组预定的初始值。因接着的测量值的估计和计算过程，初始值的定义是必须的。在下一步，角度测量传感器和加速度测量设备的组件被移位。移位以关于角度测量传感器的能力适当的方式执行。测量值由角度测量传感器在集合的移位期间确定。移位之后，集合被放回与第一校准步骤类似的固定位置。再次利用加速度测量设备确定水准面。现在移位过程的独立测量是可用的，并且因此确定方向的改变。水准面的确定使得能够计算移位的角度。根据角度测量传感器获得的测量值使得还能够计算移位的另一个角度。不过会比较计算的角度。这些角度的比较能够估计角度测量传感器的精确度并且能够通过合适的过程改进测量的精确度。优选的，角度测量传感器的校准设置会被改变或重新定义以便能够使角度测量传感器准确的测量。
优选的，根据本发明的实施方案的上述方法不限于使用单个角度测量传感器。该实施方案可以利用加速度测量设备扩展为校准超过一个角速率测量传感器是不言自明的。在移位期间，几个角度测量传感器会根据移位过程生成测量值。因此，根据上述实施方案，每个角度测量传感器提供获得一个角度的可能性。各个角度与从由加速度测量设备获得的测量水准面获得的角度相比较。
便利的，因为使用的加速度测量设备非常精确，所以角度的差值可以减小到角度测量传感器的错误比例因子。通过使用角度的差值可以获得纠正的比例因子。在确定正确比例因子中需要包括与移位过程有关的额外的信息。更优选的，这个新的比例因子用于重新校准角度测量传感器并且用于此后的进一步测量。
除此之外，角度测量传感器可以是角速率测量传感器。这意味着角速率测量传感器能够确定速度值。这些确定的速度值可以关于一个轴来测量。因为速度值的后续估计和计算过程，所以需要初始速度值的定义。速度值的估计和计算包括速度值的积分以便根据执行的移位过程获得移位的角度来校准角度测量传感器。这个积分过程可能在旋转过程中执行但是其也可能仅获得速度值并且存储这些速度值以便在移位过程之后执行积分。
优选的，在移位过程中获得的速度值是旋转速度值。而且，旋转速度可以是关于轴的旋转速度。因为关于轴的移位不限于旋转过程，所以所确定的速度也可以是绕轴旋转的速度或描述移位过程的任何其他的移位相关的旋转速度。
便利的，在移位过程期间获得的速度值可以是角度速度值或角速率值。而且，角速度可以是关于轴的角速度。组件的移位可以是任意的移位过程。角度测量传感器仅受关于特定轴的移位的影响。但是角度测量传感器能够确定与特定轴相关的移动的任意改变并且因此，可通过角度测量传感器测量的角速度值完全重建该移动。
除此之外，角度测量传感器可以是角速率积分测量传感器。由角速率积分测量传感器获得的角度的估计值可减小到角度、初始角度和移位过程之后获得的角度相减。减法由角速率积分传感器分别在角速率积分测量传感器的测量过程中或根据校准方法的移位过程中同时执行。
优选的，移位可以关于特定角度执行。可根据角度测量传感器的测量特性来定义轴。而且，角度测量传感器仅能够根据特定的轴测量移位。因此，关于这个轴来移位角度测量传感器和加速度测量设备的组件，以便避免影响角度测量传感器和加速度测量设备的测量过程的副作用很有利。
便利的，角度是一个旋转角度。旋转角度可关于一个轴来定义。该轴可根据角度测量传感器的测量特性来定义。当然，因为关于该轴的任意角度移位都有可能，所以角度不限于旋转并且可利用角度测量传感器来确定这些角度移位。而且任意绕轴旋转的移位也有可能。
除此之外，因为如本领域的技术人员所知的寄生测量影响可以被忽略，所以旋转角度大约是360°很有利。
优选的，为了尽可能可信赖的获得加速度测量值，旋转轴应基本与水准面平行，也就是基本上垂直于加速度矢量的重力方向。这样旋转过程前和后的水准面的确定以及从中计算的旋转角度将分别更精确。
便利的，只要角度偏差在阈值之外，就重复该校准方法。这个迭代过程将导致角度测量传感器的可靠校准。由角度测量传感器和加速度测量设备获得的角度的小的偏差使得能够计算一个更确信的比例因子。因为比例因子的估计过程形成获得的角度的差值，所以大的偏差将增加比例因子的变化。
除此之外，因为校准过程的简单性，可能重复上述校准过程以便检查角度测量设备的新纠正的比例因子。可以执行这些重复直到通过分别使用加速度测量设备或角度测量传感器计算的旋转偏差超过预定阈值并且足够精确。
优选的，如果在移位过程中确定的加速度测量值被记录，则与不平行于移位轴的测量方向相关的加速度测量值将因重力加速度的改变部分而改变其值。获得最小和最大值能够根据其本地值获得重力加速度的准确值。因为本地重力加速度可以改变并且特别是如果组件在异常重力的区域使用时，这非常有用。角度测量传感器和重力加速度的测量值的校准过程可同时执行。通过360°的角度关于移位轴的旋转过程是优选的，并且确保获得的加速度值对于获得本地重力的强度是有效的。根据要求的，可考虑限制重力加速度的测量值的精确度的影响，如离心加速度等。
便利的，为确保测量的重力加速度是准确的，旋转过程要重复至少应用在要沿着旋转的另一个轴上。更便利的，至少要沿着旋转的轴应垂直于以前使用的那个以便确保在获得地球重力的加速度时涉及由加速度测量设备为校准角度测量设备而测量的所有加速度测量方向。
根据本发明的另一个方面，提供了用于执行利用加速度测量设备来校准角度测量传感器的方法的计算机程序，其包括当所述程序在计算机、网络、移动设备或应用特定集成电路上运行时用于执行用于校准的方法的所有步骤的程序代码装置。校准方法包括在第一个固定位置利用加速度测量设备确定水准面，在移位过程中由角度测量传感器确定测量值，在第二个固定位置与第一个固定位置相比较再次确定水准面，利用确定的水准面接收角度以及根据由角度测量传感器确定的测量值接收角度。
优选的，因为利用加速度测量设备可以更精确地获得短暂的移位，因此比较这些角度以便检测角度测量传感器的校准。更优选的，如果获得的角度的差值超过预定阈值，则利用获得的角度可以确定新的比例因子。为由角度测量传感器获得可信赖的测量值，角度测量传感器的新比例因子是必须的。更优选的，角度测量传感器是利用新的比例因子重新校准的。
便利的，角度测量传感器是角速率测量传感器并且由角速率测量传感器获得的测量值可以是测量的速度值。根据角速率测量传感器，移位过程的角度可由对速度值积分获得。为了执行获得的速度值的积分，角速率测量传感器设置为初始速度值是必要的。而且，可以关于角速率测量传感器规定的轴测量速度值。而且，速度值可以是旋转速度值。除此之外，速度值可以是角速度值。因为移位可按任意的方式进行，所以速度值不限于旋转速度或角速度。便利的，角度测量传感器可以是角速率积分测量传感器，并且由角速率积分测量传感器获得的测量值可以是测量的角度值。可通过减去该角度值获得根据角速率积分测量传感器的移位的角度。为了执行获得的速度值的减法，角速率积分测量传感器设置为初始角度值是必要的。而且，可以关于角速率积分测量传感器规定的轴测量角度值。
便利的，包括角度测量传感器和加速度测量设备的组件的移位是关于轴的特定角度的移位。该轴可由角度测量传感器定义。优选的，该角度分别是旋转角度或关于角度测量传感器定义的轴的旋转角度。而且，角度测量设备可以绕着对应轴旋转大约360°。而且，加速度测量设备和角度测量传感器绕其旋转的轴基本上或实际上垂直于重力矢量的方向。
除此之外，只要角度的所述偏差超过阈值，校准方法就可被重复。
便利的，在移位期间可以确定由加速度测量设备生成的加速度信号，以便获得用于测量垂直于旋转轴的加速度的加速度传感器的最大和最小加速度值，来获得重力的本地加速度值。关于轴的360°角度的旋转过程确保获得的加速度值对获得本地重力的强度是有效的。
根据本发明的另一个方面，提供了包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置的计算机程序产品，用于当所述程序产品在计算机、网络、移动设备或应用特定集成电路上运行时，执行利用加速度测量设备来校准角度测量传感器的方法。校准方法包括在第一个固定位置利用加速度测量设备确定水准面，在移位过程中由角度测量传感器确定测量值，在可以与第一个固定位置相比较的第二个固定位置再次确定水准面，利用确定的水准面接收角度以及根据由角度测量传感器确定的测量值接收角度。
优选的，因为利用加速度测量设备可以更精确地获得短暂的移位，因此比较这些角度以便检测角度测量传感器的校准。更优选的，如果获得的角度的差值超过预定阈值，则利用获得的角度可以确定新的比例因子。为由角度测量传感器获得可信赖的测量值，角度测量传感器的新比例因子是必须的。更优选的，角度测量传感器是利用新的比例因子重新校准的。
便利的，角度测量传感器是角速率测量传感器并且由角速率测量传感器获得的测量值可以是测量的速度值。根据角速率测量传感器的移位过程的角度可由对速度值的积分获得。为了执行获得的速度值的积分，角速率测量传感器设置为初始速度值是必要的。而且，可以关于角速率测量传感器规定的轴测量速度值。而且，速度值可以是旋转速度值。除此之外，速度值可以是角速度值。因为移位可按任意的方式进行，所以速度值不限于旋转速度或角速度。便利的，角度测量传感器可以是角速率积分测量传感器并且由角速率积分测量传感器获得的测量值可以是测量的角度值。可通过减去该角度值获得根据角速率积分测量传感器的移位的角度。为了执行获得的速度值的减法，角速率积分测量传感器设置为初始角度值是必要的。而且，可以关于角速率积分测量传感器规定的轴测量角度值。
便利的，包括角度测量传感器和加速度测量设备的集合的移位是关于轴的特定角度的移位。该轴可由角度测量传感器定义。优选的，该角度分别是旋转角度或关于角度测量传感器定义的轴的旋转角度。而且，角度测量设备可以绕着对应轴旋转大约360°。而且，加速度测量设备和角度测量传感器绕其旋转的轴基本上垂直于重力矢量的方向。
除此之外，只要角度的所述偏差超过阈值，校准方法就可被重复。
便利的，在移位期间可以确定由加速度测量设备生成的加速度信号以便获得用于测量垂直于旋转轴的加速度的加速度传感器的最大和最小加速度值，来获得重力的本地加速度值。关于轴的360°角度的旋转过程确保获得的加速度值对确定本地重力的强度是有效的。
根据本发明的另一个方面，要利用本发明的上述方法来校准的设备包括加速度测量设备、用于利用加速度测量设备确定水准面的单元、用于确定由角度测量传感器测量的值的单元、用于接收由两个水准面确定值获得的角度的单元、用于根据由角度测量传感器测量的值接收角度的单元。加速度测量设备包括能够区分与至少一个、最好是两个或者三个空间方向相关的重力方向的传感器排列，万一对设备有限制，则其中至少一个方向是足够的。单元能够执行根据上述方法的步骤以便利用加速度测量设备校准角度测量传感器。
用于校准角度测量传感器的设备包括不止一个角度测量传感器，如惯性导航设备。很显然，包括不止一个角度测量传感器的设备的校准过程可以以类似的方式扩展。利用加速度测量设备由水准面确定值获得的角度与由多个角度测量传感器的每个角度测量传感器获得的角度相比较。很显然，用于校准角度测量传感器的方法可因此扩展为用于校准多个角度测量传感器的方法。
优选的，用于校准的设备的实施方案还包括用于利用由水准面确定值获得的角度以及由角度测量传感器获得的角度来确定角度测量传感器的比例因子的单元，以及用于为角度测量传感器重新设置确定的比例因子的单元。
除此之外，根据获得的新的比例因子来重新校准角度测量传感器的装置是有利的。用于重新校准的装置如校准设备和角度测量传感器之间的电子连接能够将获得的校准数据直接发送给角度测量设备。万一没有连接，则校准数据需要以手工方式发送。因角度测量传感器的类型和可能的连接信号处理单元，可能以不同方式设置新的比例因子。
优选的，用于校准的设备的实施方案额外地包括用于确定移位过程中最大和/或最小加速度值的单元。更优选的，在旋转期间可以确定由加速度测量设备生成的加速度信号以便获得用于测量垂直于旋转轴的加速度传感器的最大和最小加速度值以便获得重力的本地加速度。由360°角的关于轴的加速度过程确保获得的加速度值对于确定本地重力的强度是有效的。
因为所述方法可以简单并且快速的执行，因此可能实现用于检测角度测量传感器的比例因子或重力加速度的可能错误校准的单元。该单元可以用信号通知用户校准。错误校准的典型的特征可以是如上述的影响集合精确的温度、湿度、老化的变化。但是也可能建议这样设备的用户在使用一段时间后对其重新校准以便确保正确的设备功能。
除此之外，执行校准方法的步骤所必须的单元可以远程开动。因此该设备额外地包括用于通过传输网发送和接收数据的单元。该方法的确定和估计步骤需要复杂的计算，因此在远端执行几个步骤可以很有利。因该设备的特定实施方案，可以利用能够执行其要替换单元的操作的远程单元或设备替换不同的单元。
例如，既然传感器测量单元和加速度测量设备的测量值可通过发送和接收单元发送，所以一个实施方案没有包括内置的估计和/或计算单元。测量的值直接发送到远程实例，在其中执行需要的计算和估计。仅有校准数据要发送回该设备。
设备的另一个实施方案包括用于获得关于角度测量传感器的测量值的单元，例如积分单元以便获得与旋转轴相关的姿态角。这样因两个测量设备的水准面的确定以及姿态角的比较也如角度测量传感器校准的估计和计算一样可在远端执行。
用于校准的单元的这种实现可通过仅实现经常使用并且因校准方法不仅用于确定和估计的单元而有利地利用。
便利的，可以利用能够传输数据的已有的通信网实现发送和接收单元。广域网特别有兴趣为各种设备提供这种实现。广域网可以是广域无线电通信网、如全球移动通信系统(GSM)、通用移动电信系统(UMTS)、宽带码分多址(WCDMA)等或相关移动通信标准的广域移动通信网。但是局域传输网可以有兴趣在个人或移动计算机或能够根据校准方法执行估计和计算步骤的任何设备上执行估计和计算步骤。局域通信网可以是低功率射频网、红外传输网、基于无线局域网(WLAN)或甚至如通用串行总线(USB)、防火墙总线或串行连接或基于有线的任何其他类型的连接。
便利的，角度测量传感器可以是角速率测量传感器并且由角速率测量传感器获得的测量值可以是测量的速度值。根据角速率测量传感器的移位过程的角度可以通过对速度值积分获得。为了执行获得的速度值的积分，角速率测量传感器设置为初始速度值是必要的。而且，速度值可以关于由角速率测量传感器定义的轴来测量。而且，速度值可以是旋转速度值。除此之外，速度值可以是角速度值。因为移位可以按任意方式进行所以速度值不限于旋转速度或角速度。便利的，角度测量传感器可以是角速率积分测量传感器并且由角速率积分测量传感器获得的测量值可以是测量的角度值。根据角速率积分测量传感器的移位的角度可通过减去该角度值获得。为了执行获得的角度值的减法，角速率积分测量传感器设置为初始角度值是必要的。而且，角度值可以关于由角速率积分测量传感器定义的轴来测量。
便利的，包括角度测量传感器以及加速度测量设备的组件的移位可以是关于轴的特定角度的移位。该轴可由角度测量传感器定义。优选的，该角度可以分别是旋转角或关于由角度测量传感器定义的轴的旋转角。而且，角度测量设备可以绕对应轴旋转大约360°。而且，加速度测量设备以及角度测量传感器绕其旋转的轴基本上垂直于重力矢量的方向。
除此之外，只要所述角度的偏差超过阈值，该校准就被重复。
根据本发明的另一个方面，用于校准角度测量传感器的系统包括要校准的角度测量传感器以及用于根据上述方法校准这个角度测量传感器的设备。因此，用于校准的设备包括加速度测量设备、用于为此利用加速度测量设备确定水准面的单元、用于接收由两个水准面确定值获得的角度的单元、用于接收由角度测量传感器提供的角度的单元。角度测量传感器和校准设备必须彼此以任意方式安排，该方式确保角度测量传感器和校准测量设备之间的相对位置和角度在旋转过程中是固定的。加速度测量设备包括被安排以便至少关于一个空间方向可以区分重力的方向的传感器。
优选的，用于接收由校准该角度测量传感器的设备的角度测量传感器提供的角度的单元包括用于确定由角度测量传感器给出的测量值的单元以及用于接收由角度测量传感器确定的根据测量值的角度的单元。
便利的，用于校准的设备还包括用于确定角度测量传感器的新比例因子的单元。
除此之外，用于重新校准的装置如校准设备和角度测量传感器之间的电子连接能够将获得的校准数据直接发送到角度测量传感器。万一没有连接，则校准数据需要以手工方式发送。因角度测量传感器的类型和可能的连接信号处理单元，可能以不同方式设置新的比例因子。用于校准角度测量传感器的设备能够同时校准多个角度测量传感器，其可以对于校准包括几个角度测量传感器的设备如初始导航的设备执行。利用加速度测量设备由水准面确定值获得的角度可以与多个角度测量传感器的每个角度测量传感器获得的角度相比较。很显然，用于校准角度测量传感器的方法可以因此扩展为用于校准多个角度测量传感器的方法。
优选的，用于校准的设备的实施方案额外地包括用于确定移位过程中最大和/或最小加速度值的单元。更优选的，在旋转期间可以确定由加速度测量设备生成的加速度信号，以便获得用于测量垂直于旋转轴的加速度传感器的最大和最小加速度值，以便获得重力的本地加速度值。由360°角的关于轴的加速度过程确保获得的加速度值对于确定本地重力的强度是有效的。
除此之外，用于校准角度测量传感器的系统包括要校准的角度测量传感器以及用于根据上述方法校准这个角度测量传感器的设备，其中用于校准的设备额外地包括用于通过传输网发送和接收数据的单元。该实施方案包括不需要基本用于执行校准方法的所有需要单元都必须在校准设备上实现的优点。这些优点被如上广泛地描述并且可以由这个系统采用。该方法的确定和估计步骤要求复杂的计算，因此可以在远端执行一些步骤。因该设备的特定实施方案，可以利用能够执行其替换的单元的操作的远端单元或设备替换不同的单元。
便利的，角度测量传感器可以是角速率测量传感器并且由角速率测量传感器获得的测量值可以是测量的速度值。根据角速率测量传感器移位过程的角度可通过对速度值的积分获得。为了执行获得的速度值的积分，角速率测量传感器设置为初始速度值是必要的。而且，可以关于角速率测量传感器规定的轴测量速度值。而且，速度值可以是旋转速度值。除此之外，速度值可以是角速度值。因为移位可按任意的方式进行，所以速度值不限于旋转速度或角速度。便利的，角度测量传感器可以是角速率积分测量传感器并且由角速率积分测量传感器获得的测量值可以是测量的角度值。可通过减去该角度值获得根据角速率积分测量传感器的移位的角度。为了执行获得的角度值的减法，角速率积分测量传感器设置为初始角度值是必要的。而且，可以关于角速率积分测量传感器规定的轴测量角度值。
便利的，包括角度测量传感器和加速度测量设备的组件的移位是关于轴的特定角度的移位。该轴可由角度测量传感器定义。优选的，该角度分别是旋转角度或关于角度测量传感器定义的轴的旋转角度。而且，角度测量设备可以绕着对应轴旋转大约360°。而且，加速度测量设备和角度测量传感器绕其旋转的轴基本上垂直于重力矢量的方向。
除此之外，只要角度的所述偏差超过阈值，校准方法就可被重复。
用于校准的单元的这种实现可通过仅实现经常使用并且因校准方法不仅用于确定和估计的单元而有利地利用。仅用于校准的所有单元可替换为使用远端估计和计算服务。
便利的，可以利用能够传输数据的所有已有的通信网实现发送和接收单元。广域网特别有兴趣为各种设备提供这种实现。广域网可以是广域无线电通信网、如全球移动通信系统(GSM)、通用移动电信系统(UMTS)、宽带码分多址(WCDMA)等或相关移动通信标准的广域移动通信网。但是局域传输网可以有兴趣在个人或移动计算机或能够根据校准方法执行估计和计算步骤的任何设备上执行估计和计算步骤。局域通信网可以是低功率射频网、红外传输网、基于无线局域网(WLAN)或甚至如通用串行总线(USB)、防火墙总线或串行连接或任何其他类型的基于有线的连接。
本发明可以具体化为一维、两维或三维空间方向。但是，如果设备在某些点或某些面固定因此其移动的自由会受限制，可仅关于一维，优选的两个维或空间方向区分重力的方向。
从加速计的信号开始测量的加速度因离心加速度和重力加速度被纠正。作为纠正的结果，获得用下标b标注的系统物体中的线性加速度。物体系统中的加速度由时间积分获得物体系统中的速度。为了获得关于外部坐标系统例如关于地球固定系统的导航坐标，执行物体到惯性的转换以便获得由下标n标注的速度。在最后的积分步骤积分该速度以便获得在所述地球固定导航系统中的轨线。
在这个过程中在不同点的角速率信号是基本的。离心加速度的纠正需要知道角速率。角速率的积分导致物体的不同旋转角度。既然线性加速度测量因速度和重力的改变不能区分加速度，用于重力加速度纠正加速度以及用于物体到惯性的转换需要这些旋转角度。
可以简单地看出比例因子以及重力加速度和/或重力加速度的矢量方向中的偏差对于完整过程的精确性是不利的。因此校准这些数量的简单并且快速可行的方法是有利的。
图2显示的框图用来说明与本发明相关的通过使用包括加速度测量设备和角速率测量设备的传感器组件来执行的校准过程的必要步骤，其中加速度测量设备包括基本上彼此垂直的至少一个，最好两个或三个加速度测量传感器并且角速率测量设备包括至少一个角速率测量传感器。一般角速率测量设备包括至少一个，最好是两个或三个基本上彼此垂直排列的角速率测量传感器以便跟踪所有的姿态角。
校准过程由利用加速度测量设备确定与静止位置的传感器组件相关的水准面开始。进一步传感器组件绕要校准的轴旋转大约360°。优选的选择轴的方向基本上平行于水准面，也就是垂直于重力矢量的方向。旋转之后再次确定与传感器组件相关的水准面。通过比较集合相对于两个水准面确定值的位置可以获得整个旋转角。如果选择旋转轴基本上平行于水准面，则显然对于本领域的技术人员可以尽可能好的获得根据该旋转的旋转角。与加速度测量设备相关的测量过程同时，角速率测量设备的旋转角设置为初始值，也就是设置为零。在旋转组件期间，测量角速率。通过将这些角速率积分获得集合的整个旋转角。积分过程可以在旋转过程中执行或者角速率值可以在旋转和积分期间存储。校准过程提供了因加速度测量设备的整个旋转角和因角速率测量设备的整个旋转角两者。这两个角度的比较能够估计角速率测量设备的精确度并且可以用于确定角速率测量设备的新的比例因子以便提高精确度。
图3显示带有内置惯性传感器组件的设备1的优选实施方案。假设在包括要校准设备的设备中包括执行角度测量设备校准所需要的所有单元是合理的。因额外的单元是成本密集的并且通常增大外壳并且增加设备的重量的事实，对于移动设备尤其感兴趣，部分单元可以省去并且失去的特性可以利用传输网来补偿。
图2显示的设备1，包括加速度测量设备和角速率测量设备以及用于发送在校准过程中获得的数据的单元。如果必要，可以包括用于缓存数据的单元因此可以在旋转过程之后执行数据的发送。这些数据发送2到单独的实例3。所有必要的计算，如角速率数据的积分、与加速度测量数据相关的水准面的确定、分别比较由加速度数据或角速率数据提供的两个独立的确定值相关的旋转角，以及如果需要对角速率测量设备的新的比例因子的计算都由位于设备1之外的这个单独的实例3执行。
可以考虑多种实例。例如如果惯性传感器组件是内置的，则通过如GSM、UMTS或应用于移动通信的其他相关标准的广域电信网执行移动电话传输。这样连接到移动通信网的业务提供商执行计算步骤并且将结果发送4回移动电话，也就是发送新的比例因子或者通知校准过程成功完成。这个业务提供商可以利用例如互联网将自己连接到移动通信网。
但是也可以使用局域传输网。例如如果利用能够运行程序的个人或移动计算机等执行计算和估计步骤，则提供在设备1中没有实现的补偿校准过程步骤的能力。可以利用如蓝牙、红外(IR)传输或WLAN等通信标准使用这样额外设备的发送。甚至可以采用基于有线连接的通信标准。
根据校准过程以及实现单元的数量和种类的要求很显然未实现的单元的功能转移给包括传感器组件的设备之外的实例。根据校准方法实现的单元的数量在不同实施方案中可以不同。
图4显示另一个优选实施方案的示意图。为了检查包括由至少一个角速率测量传感器构成的角速率测量设备(在图4中显示彼此垂直排列的三个传感器)的设备1的校准。包括加速度测量设备(在图4中显示彼此垂直排列的三个传感器)的第二个设备2以任何方式固定于设备1。执行本发明的方法能够比较计算的旋转角度以便检查内置在设备1中的角速率测量设备的校准。万一有偏差，则可选的电子连接使设备1使用户能够自动重新校准设备的角速率测量设备。否则如果没有连接可用，则用户可以归于要求知道重新校准是必要的设备1的服务。因重新校准服务一般是成本密集的这一事实，这个认识特别有兴趣。
权利要求
1.一种利用加速度测量设备校准角度测量传感器的方法，包括-利用在第一个静止位置的所述加速度测量设备确定水准面，-移位所述的角度测量传感器，-确定由所述角度测量传感器在移位期间测量的值，-在类似于所述的第一个静止位置的第二个静止位置再次确定所述水准面，-接收根据由所述加速度测量设备确定的所述水准面的角度，-接收根据由所述角度测量传感器确定的所述值的角度以及-比较所述角度，其中所述加速度测量设备以固定方式连接到角度测量传感器并且调整所述水准面，以便其基本上垂直于重力矢量的方向。
2.根据权利要求1的方法，还包括-万一所述角度之间的偏差超过阈值，则获得由所述角度测量传感器的所述角度给出的新的比例因子。
3.根据权利要求2的方法，还包括-利用所述新的比例因子重新校准所述角度测量传感器。
4.根据上述权利要求的任何一个的方法，其中所述角度测量传感器是角速率测量传感器并且其中所述值是速度值。
5.根据权利要求4的方法，其中所述速度值是旋转速度值。
6.根据权利要求4的方法，其中所述速度值是角速度值。
7.根据权利要求1到3的任何一个的方法，其中所述角度测量传感器是角速率积分测量传感器并且其中所述值是角度值。
8.根据上述权利要求的任何一个的方法，其中所述移位是关于轴的特定角度的移位。
9.根据权利要求8的方法，其中所述角度是旋转角。
10.根据权利要求9的方法，其中所述角度测量设备绕所述轴大约旋转360°。
11.根据上述权利要求的任何一个的方法，其中所述加速度测量设备和所述角度测量传感器绕其旋转的所述轴基本上垂直于重力矢量的方向。
12.根据上述权利要求的任何一个的方法，其中只要所述角度的所述偏差不超过阈值，则校准方法就被重复。
13.根据上述权利要求的任何一个的方法，其中在移位期间确定由所述加速度测量设备生成的加速度信号，以便获得用于测量重力的本地加速度值的所述加速度传感器的最大和最小加速度值。
14.用于实现利用加速度测量设备校准角度测量传感器的方法的计算机程序，包括当所述程序运行在计算机或网络设备上时用于执行所述校准方法的步骤的程序代码装置，其中用于校准的所述方法包括下列步骤-在第一个静止位置确定由加速度测量设备给出的水准面，-确定由所述角度测量传感器在移位期间测量的值，-在类似于所述的第一个静止位置的第二个静止位置再次确定所述水准面，-接收根据由所述加速度测量设备确定的所述水准面的角度，-接收根据由所述角度测量传感器确定的所述值的角度以及-比较所述角度。
15.根据权利要求14的计算机程序，还包括-万一所述角度之间的偏差超过阈值则获得由所述角度测量传感器的所述角度给出的新的比例因子。
16.根据权利要求15的计算机程序，还包括-利用所述新的比例因子重新校准所述角度测量传感器。
17.包括存储在计算机可读介质上用于当所述程序产品运行在计算机或网络设备上时实现利用加速度测量设备校准角度测量传感器的方法的计算机程序产品，其中用于校准的所述方法包括下列步骤-在第一个静止位置确定由加速度测量设备给出的水准面，-确定由所述角度测量传感器在移位期间测量的值，-在类似于所述的第一个静止位置的第二个静止位置再次确定所述水准面，-接收根据由所述加速度测量设备确定的所述水准面的角度，-接收根据由所述角度测量传感器确定的所述值的角度以及-比较所述角度。
18.根据权利要求17的计算机程序产品，还包括-万一所述角度之间的偏差超过阈值则获得由所述角度测量传感器的所述角度给出的新的比例因子。
19.根据权利要求18的计算机程序产品，还包括-利用所述新的比例因子重新校准所述角度测量传感器。
20.用于校准角度测量传感器的设备，其中所述设备包括-用于校准所述角度测量传感器的加速度测量设备，-用于确定由所述加速度测量设备获得的水准面的单元，-用于确定由所述的角度测量传感器测量的值的单元，-用于接收由水准面获得的角度的单元，-用于接收根据由所述角度测量传感器测量的所述值的角度的单元以及-用于比较所述角度的单元，其中所述加速度测量设备包括以重力的方向可以关于至少一个空间方向区分这样的方式来排列的加速度测量传感器。
21.根据权利要求20的设备，其中所述设备还包括用于确定所述角度测量传感器的比例因子的单元。
22.根据权利要求20或权利要求21的设备，其中所述设备还包括用于利用所述新的比例因子重新校准所述角度测量值的装置。
23.根据权利要求20或权利要求22的设备，其中所述设备额外地包括用于在移位期间确定最大和/或最小加速度值以便获得重力的本地值的单元。
24.根据权利要求20到23的任何一个的设备，利用传输网进行数据交换，其中所述设备包括用于通过通信网发送和接收测量和/或估计和/或计算和/或校准数据的单元并且其中部分单元或全部单元通过用于发送和接收的所述单元，连接到校准设备上。
25.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是广域通信网。
26.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是广域无线电通信网。
27.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是用于移动通信的网。
28.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是局域通信网.
29.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是低功率射频网。
30.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是本地红外传输网。
31.根据权利要求24的设备，其中所述通信网是基于有线的通信网。
32.用于校准角度测量传感器的系统，包括-角度测量传感器以及-用于校准角度测量传感器的设备，包括-用于校准所述角度测量传感器的加速度测量设备，-用于确定由所述加速度测量设备获得的水准面的单元，-用于接收由水准面获得的角度的单元，-用于接收由所述角度测量传感器提供的角度的单元以及-用于比较所述角度的单元，其中所述角度测量传感器固定在用于校准角度测量传感器的所述设备上，并且其中所述加速度测量设备包括以重力的方向可以关于至少一个空间方向区分这样的方式来排列的加速度测量传感器。
33.根据权利要求32的系统，其中用于接收由用于校准的设备的所述角度测量传感器提供的角度的单元还包括-用于确定由所述角度测量传感器测量的值的单元以及-用于接收根据由所述角度测量传感器确定的所述值的角度的单元。
34.根据权利要求32或33的系统，其中用于校准角速率测量传感器的设备还包括-用于确定所述角度测量传感器的比例因子的单元。
35.根据权利要求32到34的任何一个的系统，其中用于校准角速率测量传感器的设备还包括-用于利用所述新的比例因子重新校准所述角度测量的装置。
36.根据权利要求32到35的任何一个的系统，其中用于校准角度测量传感器的设备额外地包括用于在移位过程中确定最大和/或最小加速度值以便获得重力的本地值的单元。
37.根据权利要求32到36的任何一个的系统，利用传输网进行数据交换，其中用于校准角度测量传感器的所述设备包括用于通过通信网发送和接收测量和/或估计和/或计算和/或校准数据的单元，并且其中部分单元或全部单元通过用于发送和接收的所述单元连接到用于校准角度测量传感器的设备。
全文摘要
本发明描述了一种利用加速度测量设备来校准角度测量设备的方法。角速率测量设备包括至少一个角度测量传感器，其中加速度测量设备能够区分重力的方向和强度。通过执行校准方法可以获得和/或纠正角度测量设备的比例因子以及重力的强度和方向。根据本发明的方法的实施方案描述了使用通信网来在远端设备上执行必要的估计和计算步骤的可能性。
文档编号G01C19/56GK1419128SQ0214953
公开日2003年5月21日 申请日期2002年11月13日 优先权日2001年11月13日
发明者J·凯皮, J·科林 申请人:诺基亚有限公司