CN102183232A

CN102183232A - 定向传感器

Info

Publication number: CN102183232A
Application number: CN2011100224367A
Authority: CN
Inventors: D·席费德克尔; J·巴托洛麦奇克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: TW201200875A; CN102183232B; DE102010000929A1; TWI512295B

Abstract

本发明涉及一种定向传感器和一种用于提供信号的方法，该信号说明一个便携式仪器的空间定向，该方法包括以下步骤：测定一方向，重力加速度从该方向作用到该仪器上；将测定的方向与确定的参考方向比较并且根据比较结果提供信号，其中为了确定参考方向检测对方向测定有影响的参量并且根据该有影响的参量确定参考方向。

Description

定向传感器

技术领域

本发明涉及一种定向测定装置。本发明尤其涉及用于提供信号的方法和装置，该信号说明便携式仪器的空间定向。

背景技术

便携式仪器、例如移动电话或个人数字助理(PDA)配设有显示器，该显示器可根据仪器在空间中的定向不同地显现预给定的显示内容。视使用者将仪器保持在纵向格式中还是保持在横向格式中而定，例如可将一内容在显示器上以纵向格式(“肖像”)或以横向格式(“风景”)显现出来。

US 2006/0204232 A1描述了一种具有用于测定摄像机空间定向的方向传感器的摄像机。根据测定的定向例如可在该摄像机的取景器中显示出一条人工的水平线。

US 7,138,979 B2示出了一种便携式仪器，其具有用于测定仪器在空间中的定向的传感器，以便可根据所测定的仪器位置和所测定的仪器空间定向借助模拟键盘来输入。

为测定已知仪器的空间定向通常使用的传感器受到不同的干扰影响，使得所提供的、说明仪器空间定向的信号并不总是可靠。为了基于所提供的信号足够精确地测定便携式仪器的定向，每一个传感器可以针对干扰量被单独地校准。在此，传感器受到已知的加速度和已知的干扰量并且接收由传感器提供的值与一个校正值之间的差异。这种测定对于多个干扰量被重复并且由多个在此测定的差异产生一个特征曲线。在测量应用中，可以基于一个确定温度为每个由传感器提供的值分配该特征曲线的一个值，在该值的基础上可确定一个校正的测量值。传感器的所谓校准由于制造传感器时的制造公差而必须单独地对每个传感器进行，这是很浪费及由此成本高的。

发明内容

本发明的该任务在于，提供一种用于提供定向信号的改进技术。

该任务通过一种具有权利要求1特征的方法、通过一种具有权利要求7特征的装置及通过一种具有权利要求10特征的仪器解决。从属权利要求给出在实施形式中。

为了提供说明一便携式仪器的空间定向的信号，首先测定一个方向，重力加速度由该方向作用到该仪器上。随后，将所测定的方向与确定的参考方向进行比较并且根据比较结果提供所述信号。在此，为了确定参考方向，检测一个对方向测定有影响的参量并且根据该有影响的参量确定参考方向。也可替代所述对方向测定有影响的参量而使用一个对方向测定的精度有影响的参量。

因此，可避免对装置的耗费的校准，借助于该装置测定重力加速度作用到该仪器上的方向，由此可降低生产成本。该有影响的参量与该参量对方向测定的影响之间的关系例如可凭经验地、成本有利地被实施用于多个测定装置，使得一个通常或在最差情况下所预见的影响数值可被用于确定参考方向。

也可使用两个不同的参考方向，其中，比较结果取决于该测定方向经过两个参考方向的顺序。这种类型的比较称为滞后比较或施密特触发器。两个参考方向之间的差异(滞后)可取决于该有影响的参量及尤其可取决于该有影响的参量与确定的参考量的差异。确定的参考量可说明一个条件，在该条件下，测定装置被优化或校准或补偿以尽可能小地受该参量影响。

以此方式，当参量对方向测定的影响小时，滞后可保持得小，当参量对方向测定的影响大时，滞后可被增大。由此，在有利的情况下、也就是当参量的影响小时或当该参量与确定的参考量的差异小时，可根据仪器空间定向的变化实现信号的灵敏变化。而在不利的情况下、也就是当参量对方向测定的影响大时或在该有影响的参量与确定的参考量之间的差异大时，信号相对于仪器空间定向的变化的灵敏度下降，但是同时测定的稳固性提高，使得由于干扰引起的不希望的信号变化可通过有影响的参量避免。方向测定的精度也可以相应地方式来模拟。

为了测定仪器从一个确定的空间定向到另一个确定的空间定向的过渡，可基于该测定的方向确定仪器的一个倾角。该倾角可用一个唯一的值来描绘一个多维的定向，从而简化了例如通过与作为参考方向的阈值比较的进一步处理。

有影响的参量可以是温度及尤其是用于测定方向的测定装置的温度。有利地，该测定装置被与温度传感器一起集成地构造。有影响的参量能说明在该温度与确定的参考温度之间的差异，其中参考温度可相应于室内气温。测定装置可包括用于三个成对地彼此线性无关的空间方向的加速度传感器，使得可测定重力加速度在三维空间中的方向。

该信号可说明仪器的多个在空间上离散的确定定向中的一个。有利地可由该信号直接地推导出仪器的显示或运行模式，例如“纵向格式”、“横向格式”或者“平铺”。

本发明的其它方面涉及一种用于提供该信号的装置和一种具有该装置的便携式仪器。

附图说明

在下面结合附上的附图详细说明本发明的一些实施例，其中：

图1便携式仪器的框图；

图2在一维空间定向中的图1的仪器；

图3在二维空间定向中的图1的仪器；

图4在图1的仪器中的定向信号与仪器的倾角之间的关系的示意图表；

图5在图1的仪器的温度与参数之间的关系的示意图表；及

图6用于在图1的仪器中测定信号的方法。

具体实施方式

图1示出了一个便携式仪器100的框图。该便携式仪器100包括处理装置110、显示器120、输入装置130、加速度传感器140和温度传感器150。处理装置110与部件120至150中的每一个相连接。加速度传感器140测定至少一个维度中的加速度并且优选以MEMS技术构造成微机电***。优选地，该加速度传感器140是3D加速度传感器，该3D加速度传感器检测三维笛卡尔坐标系中的加速度。该加速度传感器140提供测量值，由所述测量值可推导出仪器轴线与空间轴线之间的一个或多个角度。为此，加速度传感器能够直接测定绕仪器轴线的角度或者由沿着仪器轴线的重力加速度的数值推导出该角度，例如在一维情况下通过α＝acos(Fz)或者在二维情况下通过α＝arctan(Fz/sqrt(Fx²+Fz²)，其中Fx，Fy和Fz标示沿着x，y或z轴的重力加速度。这样的角度换算也可通过处理装置110进行。优选地，温度传感器150与加速度传感器140集成地构造。

显示器120被设置用于以不同的格式、例如以纵向格式或以横向格式输出待输出的内容。对待输出内容的相应适配可变换地由显示器120或处理装置110来进行。

处理装置110被设置用于提供一个说明仪器100的空间定向的信号。该信号例如可以是电信号或是信号标志(Semaphor)、中断(interrupt)、多次使用的变量、函数调用或类似形式的软件信号。尤其是可提供一个应用程序的信号，该应用程序根据该信号在显示器120上显示一内容或在显示之前准备一内容。该应用程序同样可在处理装置110上运行。

图2示出了在一维空间定向中的图1的仪器100。该仪器100具有一个纵轴y、一个横轴x和一个竖轴z，这些轴作为笛卡尔坐标系出于清楚的原因不是以在θ角顶点上的原点、而是在仪器100旁边示出。该仪器100绕着z轴在空间中这样转动地定向，使得重力加速度Fg以一个相对纵轴y的角度α作用在仪器100上。此外，绘有两个相对纵轴y的参考方向α₁，α₂，这两个方向包围一个角度θ。

在图1的仪器100中，信号在第一实施形式中可通过角度α与参考方向α₁或α₂的比较来测定。根据仪器100绕z轴的转动，第一空间定向A可通过α＞α₁定义，第二空间定向B可通过α₁＞α＞α₂定义及第三空间定向C可通过α＜α₂来定义。在第二实施形式中，仪器100绕z轴的定向可按照滞后类型通过角度α与两个参考方向α₁，α₂的比较来测定。视α以何种顺序经过参考方向α₁，α₂而定，可将α₁与α₂之间的区域归于一个第四定向D或一个第五定向E(参见结合图4的下述说明)。定向C和D例如可代表图1中显示器120的纵向格式及定向A和E可代表图1中显示器120的横向格式。其它可能的定向包括反向的纵向格式和反向的横向格式。

图3以示意图作为线栅(Drahtgitter)示出了图1的仪器100的二维定向。仪器100绕其x轴及绕其y轴这样地旋转，使得重力加速度Fg与仪器100的z轴包围成角度α。示出的圆锥210具有一个在参考方向α₁与α₂之间的张开角θ。在图中，圆锥210绕z轴旋转对称地张开；但是也可沿着轴y和z不同地定义参考方向。仪器100的笛卡尔坐标系由于清楚的原因不是以圆锥210顶点上的原点、而是在仪器100旁边示出。角度α描述了仪器100绕其x轴和y轴的倾角。角度β附加描述了仪器100绕其z轴的定向。

在此，仪器100绕其x轴及其y轴的空间定向F(未标示出)通过以下方式定义：角度α位于α₁和α₂的边界之间。如果重力加速度Fg在所示出的、相对仪器100固定的圆锥210内部延伸，则该仪器100清楚地在定向A中定向。如果仪器100平放(“flat down”)在一个台上，则空间定向F例如可被仪器100接收。与此相应地，仪器100绕其x轴及其y轴的一个定向G(未标示出)可由一个在α₁和α₂的边界之外的角度α给出，也就是说这在重力加速度Fg在圆锥210之外延伸时是清楚的。

为了如图2中所示实现具有不同阈值的滞后，可定义两个具有不同张开角和一致的顶点的圆锥。滞后θ的数值随后作为圆锥的张开角的差的一半被确定。为了不同地确定滞后/或阈值在不同维度中的大小，代替圆锥例如也可使用椭圆锥(Kegel über Ellipsen)。在使用滞后时仪器定向的测定如在下面结合图4所说明地进行。

图4示出了一个关于在图2和3中的角度α与由图1中的仪器100提供的信号之间的关系图。以水平方向表示角度α。此外，标出了图2和3中的参考方向α₁，α₂。以垂直方向表示图1中的仪器100的信号。图2中的两个不同的示范性的离散空间定向D和E被标出；也可使用其它定向，尤其是多维度的、如结合图3说明的定向F和G。

图表400中的曲线410描述了一个滞后回路。如果角度α经历从其最小值(最左侧)到其最大值(最右侧)的值，则在角度α超过参考方向α₂的时刻将信号从定向D转换到定向E上。如果角度α经历从其最大值(最右侧)到其最小值(最左侧)的值，则当角度α小于参考方向α₁时才使信号从定向E回到定向D。参考方向α₁和α₂也可在上述说明的意义上被交换，这在图形上相应于沿着滞后回路标出的箭头的翻转。

以此方式实现了，可引起角度α在参考方向α₁和α₂的范围内波动的干扰影响造成信号在D和E之间不希望的变化。

滞后θ越大，则仪器100在相邻空间定向之间的转换比的灵敏度就越低；但同时，相对于信号或空间定向不希望的变化提高了测定的稳固性。滞后θ的由两个参考方向α₁和α₂的差给出的数值的大小相应于图2和3中参考方向α_1，2的差异。

图5中示出了与图1中仪器100的温度有关的两个图表510和520。上方的图表510示出了示范性的单独的加速度传感器S1至S4的由温度引起的典型误差的相关性，下方的图标520示出了图2、3和4的滞后θ与加速度传感器140的温度之间的关系。

在两个图表510，520中以水平方向表示温度。标出的温度T₀是一个参考温度，该参考温度例如相应于室内气温(约25℃)。T₀相应于上方图表510中的传感器S1-S4在运行中被优化的温度。传感器S1至S4具有关于示出的温度曲线的不同线性误差和偏移误差，但是一致地在T₀周围的范围中具有相对小的误差。实际加速度传感器S1-S4的误差可以根据温度采用直到0.2g的绝对值。

温度对借助给定的传感器S1至S4的角度测定的绝对影响并不是普遍公知的。但是通过观察多个传感器S1至S4能够确定：温度对传感器S1至S4的精度(平均误差)典型地具有何种影响，使得当前传感器的所期待的精度可基于该平均数据被估算或采用。

下方图表520中的滞后θ的数值在每个温度下分别对应于在上方图表510中传感器S1至S4的相应的最小误差与相应的最大误差之间的差。优选地，在下方图表520中示出的、滞后θ的数值的变化曲线借助于蒙特卡洛方法基于对足够多数量的示范性的加速度传感器S1-S4的测量来确定。

图6示出了一种用于在图1的仪器100内部提供信号的方法600。该方法600包括状态610至670。

在状态610中，该方法600位于起始状态中。接着在状态620中借助于温度传感器150测定加速度传感器140的温度。然后在步骤630中基于测定的温度来确定在上面结合图2至5描述的滞后θ的数值。此后在步骤640中，基于滞后θ的数值测定在上面结合图2至4说明的参考方向α₁和α₂。

在步骤650中，借助于加速度传感器140测定作用在仪器100上的重力加速度Fg的方向。在步骤660中将所测定的方向与参考方向α₁和α₂在结合图4说明的滞后比较范畴中进行比较。最后，在步骤670中相应于比较结果地提供说明仪器100的空间定向的信号。最后，方法600返回到起始状态610中并且可重新运行。

借助于本发明可实现对便携式仪器的特别是确定的离散空间定向的可靠测定并且在此可根据干扰量在测定的稳固性与测定的灵敏度之间选择良好折衷，使得对使用者总体地调节出仪器的改善的可操作性。为此不必测定单独的加速度传感器140实际的温度相关性。

Claims

1.用于提供信号的方法(600)，该信号说明便携式仪器(100)的空间定向，该方法具有以下步骤：

-测定(650)一方向，重力加速度(F_G)由该方向作用到该仪器(100)上；

-将所测定的方向与确定的参考方向进行比较(660)并且

-根据比较结果提供(670)信号；

其特征在于以下用于确定参考方向的步骤：

-检测(620)对方向测定有影响的参量(T)并且

-根据该有影响的参量(T)来确定(640)参考方向。

2.根据权利要求1的方法(600)，其特征在于，使用两个不同的参考方向(α₁，α₂)，其中，所述比较结果取决于该测定的方向经过两个参考方向(α₁，α₂)的顺序，并且阈值(α₁，α₂)之间的差异(θ)取决于该有影响的参量(T)与一确定的参考量(T₀)的差异。

3.根据权利要求1或2的方法(600)，其特征在于，基于该测定的方向测定仪器(100)的倾角(α)，其中，该测定的方向与参考方向的所述比较(660)包括该倾角(α)与阈值(α₁，α₂)的比较(660)。

4.根据前述权利要求中任一项的方法(600)，其特征在于，所述有影响的参量是用于测定方向的测定装置(140)的温度。

5.根据前述权利要求中任一项的方法(600)，其特征在于，所述信号说明仪器(100)的多个确定的离散的空间定向(A-G)中的一个。

6.根据前述权利要求中任一项的方法(600)，其特征在于，对重力加速度(F_G)作用在仪器上的方向的测定包括检测重力加速度(F_G)在三个成对的彼此线性不相关的空间定向(x，y，z)上的数值。

7.用于提供信号的装置(110)，(140)，(150)，该信号说明便携式装置的空间定向，该装置包括：

-用于测定重力加速度作用在仪器上的方向的测定装置(140)；

-用于比较所测定的方向与确定的参考方向的比较装置(110)及

-用于根据比较结果提供信号的处理装置(110)，

其特征在于用于确定参考方向的以下元件：

-用于检测对方向测定有影响的参量(T)的检测装置(150)及

-用于根据该有影响的参量(T)预测定阈值(α₁，α₂)的预测定装置(110)。

8.根据权利要求7的装置(110，140，150)，其特征在于，该测定装置包括用于三个成对的彼此线性不相关的空间方向(x，y，z)的加速度传感器(140)。

9.根据权利要求8的装置(110，140，150)，其特征在于，所述有影响的参量是所述加速度传感器(140)的温度。

10.便携式仪器(100)，具有根据权利要求7至9中任一项的装置(110，140，150)。