CN103823084A - 一种三轴加速度传感器的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴加速度传感器的校准方法。所述三轴加速度传感器的校准方法，包括步骤，A：读取三轴加速度传感器的三轴输出值；B：数据筛选——将该三轴输出值跟前N次的三轴输出值比较，如果差值范围的预设的第一阈值内，将此次读取的三轴输出值作为可能静止点；C：计算可能静止点的三轴输出值的平方和，然后跟三轴加速度传感器在静止状态下的测量重力值比较，如果差值范围在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，根据数学计算得到误差值，根据误差值进行校准；D：返回步骤A；所述N为大于或等于2的自然数。本发明可以提高改善加速度传感器校准后的漂移问题。

Description

一种三轴加速度传感器的校准方法

技术领域

本发明涉及一种传感器领域，尤其涉及一种三轴加速度传感器的校准方法。

背景技术

受工艺和物理特性的影响，基于MEMS的加速度传感器天然的会有零点偏移（offset）的误差，这些误差会随着温度、湿度和封装应力的改变而改变。在移动电子设备中，如果这些误差不被校准，则会影响加速度测量的准确性，进而影响方向识别，计步，体感游戏等等很多应用的使用体验。

传统的校准方法是将加速度传感器放置在绝对水平的平面上，让某一个轴处于垂直向上的方向，测量该轴的输出，再将加速度传感器翻转，使得该轴处于垂直向下的方向，再次测量该轴的输出，从而可以计算出该轴的零点偏移误差，完成对该轴的校准，并用同样的方法校准另外两轴。因为每个加速度传感器自身的误差都是不同的，这种方法需要在加速度传感器生产的过程中，对每个传感器的每个轴进行单独的校准，这会增加了加速度传感器的生产成本。而且，由于加速度传感器的误差会随着温度，湿度和应力的改变而漂移，尤其是当加速度传感器经过高温回流焊焊接到产品PCB板上的时候，因为高温导致的传感器基板应力的改变，会对加速度传感器的零点偏移带来很大的漂移，传统的校准方法并不能解决这些漂移的问题。

本发明提出了一种在使用中对移动电子设备中的加速度传感器进行校准的方法，可以降低加速度传感器的生产成本并改善加速度传感器校准后的漂移的问题，尤其是回流焊导致的零点偏移的漂移问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种改善加速度传感器校准后的漂移的问题，尤其是回流焊导致的零点偏移的漂移问题的三轴加速度传感器的校准方法。

    本发明的三轴加速度传感器的校准方法，包括步骤，

A：读取三轴加速度传感器的三轴输出值；

B：数据筛选——将该三轴输出值跟前N次的三轴输出值比较，如果差值范围的预设的第一阈值内，将此次读取的三轴输出值作为可能静止点；

C：计算可能静止点的三轴输出值的平方和，然后跟三轴加速度传感器在静止状态下的测量重力值比较，如果差值范围在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，根据数学计算得到误差值，根据误差值进行校准；

D：返回步骤A；

所述N为大于或等于2的自然数。

进一步的，所述步骤B中，可能静止点有M个；所述步骤C中，M个可能静止点的三轴输出值的平方和分别跟所述测量重力值比较，如果差值范围都在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，计算误差值，根据误差值进行校准；

所述M为大于或等于2的自然数。

进一步的，假设三轴加速度传感器的Z轴与垂直方向的夹角为θ，垂直方向映射到X/Y平面的分量与加速度传感器的X轴的夹角为φ；所述三轴输出值分别为：

    进一步的，所述步骤C中误差值的计算方法包括：假设加速度传感器三个轴的误差分别为offset_x, offset_y, offset_z；联立方程：

解方程后可分别得到三个轴的误差值；

所述static_x(M)、static_y(M)、static_z(M)分别对应每个可能静止点的三轴输出值；所述lg为测量重力值。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明从加速度芯片中读取三轴输出值，筛选出可能静止点，自动判断加速度传感器是否失准，如果失准则利用数学方法计算出其零点漂移误差，并将其写回加速度传感器以完成对加速度传感器的校准。这种校准方法可以在后台自动运行，所以移动电子设备的使用者不会注意到校准过程的进行，这种校准方法省去了传统校准方法中的专门的校准设备和将器件水平或垂直放置的要求。本发明可以自动检测移动电子设备中的加速度传感器是否失准，如果失准即自行启动加速度传感器的后台校准，这种校准方法省去了传统校准方法中需要用户启动的问题。

附图说明

    　图1为在使用中校准三轴加速度计的基本流程；

　　　图2为重力在加速度传感器三个轴上的分量；

　　　图3为数据筛选模块的工作流程。

具体实施方式

    图1为本发明的三轴加速度传感器的校准方法，包括步骤，

A：读取三轴加速度传感器的三轴输出值；

B：数据筛选——将该三轴输出值跟前N次的三轴输出值比较，如果差值范围的预设的第一阈值内，将此次读取的三轴输出值作为可能静止点；

C：计算可能静止点的三轴输出值的平方和，然后跟三轴加速度传感器在静止状态下的测量重力值比较，如果差值范围在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，根据数学计算得到误差值，根据误差值进行校准；

D：返回步骤A；

所述N为大于或等于2的自然数。

本发明从加速度芯片中读取三轴输出值，筛选出可能静止点，自动判断加速度传感器是否失准，如果失准则利用数学方法计算出其零点漂移误差，并将其写回加速度传感器以完成对加速度传感器的校准。这种校准方法可以在后台自动运行，所以移动电子设备的使用者不会注意到校准过程的进行，这种校准方法省去了传统校准方法中的专门的校准设备和将器件水平或垂直放置的要求。本发明可以自动检测移动电子设备中的加速度传感器是否失准，如果失准即自行启动加速度传感器的后台校准，这种校准方法省去了传统校准方法中需要用户启动的问题。

下面以N=10，M=3为例，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

     三轴加速度传感器在静止状态时可以量测重力值（1g）在其三个轴方向上的分量。如图2所示，假设加速度传感器的Z轴与垂直方向的夹角为θ，垂直方向映射到X/Y平面的分量与加速度传感器的X轴的夹角为φ,则重力值在加速度传感器的三个轴上的分量，也就是加速度传感器所测量到的三轴的输出数值分别为： 

可见，三个轴的加速度分量的平方和为：

    上述两个计算公式不仅适用于计算静止状态时的三轴输出值及其测量重力值，还可以计算任何状态下的三轴输出值。

假设，由于温度、湿度或应力等影响，加速度传感器的三个轴分别引入了一定程度的漂移误差，其大小分别为 offset_x, offset_y和offset_z，则此时加速计的实际输出值acc_x_read, acc_y_read, acc_z_read分别为：

此时， 

每次加速度传感器开始工作时，处理器连续从加速度传感器读取三个轴的加速度值。假设第i次读取的三轴加速度值为，Acc_x_read(i), Acc_y_read(i)和Acc_z_read(i)。

    数据筛选模块用于在读取的三轴加速度数据中筛选出三个姿态不同的可能静止点。其工作流程如图3所示。

每次完成三轴加速度数据读取后，处理器比较之前十次的传感器输出值，如果此十次传感器读数的差别保持在一个很小的范围内（static_th，可以根据需要设置），则认为找到了一个传感器保持静止的点，我们称其为可能静止点。假设：

则，第i次读取的加速度传感器数据即为一个可能静止点，记为static（j）：

比较此可能静止点与之前已确定的可能静止点，假设对于第0到第j-1个可能静止点，均满足（diff_th可根据需要设置）：

则把此可能静止点确定为一个新的可能静止点，否则将此可能静止点舍弃，继续寻找新的可能静止点。循环此过程，当得到3个姿态不同的可能静止点时，数据筛选过程结束。

传感器失准判断。将上步骤中得到的三个可能静止点分别计算三轴数值的平方和，如果此三个点的三轴平方和与1g的误差均小于某一设定值(accu_th)，则认为传感器准确度良好，无需校准，校准过程结束，否则进入数学计算模块。

  计算误差的数学计算模块。假设加速度传感器三个轴的误差分别为offset_x, offset_y, offset_z，则可联立方程如下：

解该方程，即可得到加速度传感器的三个轴的误差值。

将此三个轴的误差，offset_x, offset_y, offset_z写回加速度计芯片内的非挥发存储器，即完成了对三轴加速度传感器的校准。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三轴加速度传感器的校准方法，包括步骤，

A：读取三轴加速度传感器的三轴输出值；

B：数据筛选——将该三轴输出值跟前N次的三轴输出值比较，如果差值范围的预设的第一阈值内，将此次读取的三轴输出值作为可能静止点；

C：计算可能静止点的三轴输出值的平方和，然后跟三轴加速度传感器在静止状态下的测量重力值比较，如果差值范围在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，根据数学计算得到误差值，根据误差值进行校准；

D：返回步骤A；

所述N为大于或等于2的自然数。

2. 如权利要求1所述的一种三轴加速度传感器的校准方法，其特征在于，所述步骤B中，可能静止点有M个；所述步骤C中，M个可能静止点的三轴输出值的平方和分别跟所述测量重力值比较，如果差值范围都在预设的第二阈值内，则无需校正；否则，计算误差值，根据误差值进行校准；

所述M为大于或等于2的自然数。

3. 如权利要求1所述的一种三轴加速度传感器的校准方法，其特征在于，假设三轴加速度传感器的Z轴与垂直方向的夹角为θ，垂直方向映射到X/Y平面的分量与加速度传感器的X轴的夹角为φ；所述三轴输出值分别为：

。

4.如权利要求1所述的一种三轴加速度传感器的校准方法，其特征在于，所述步骤C中误差值的计算方法包括：假设加速度传感器三个轴的误差分别为offset_x, offset_y, offset_z；联立方程：

解方程后可分别得到三个轴的误差值；

所述static_x(M)、static_y(M)、static_z(M)分别对应每个可能静止点的三轴输出值；所述lg为测量重力值。

Images