偏置估算方法、姿势估算方法、偏置估算装置及姿势估算装置 |
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| 申请号 | CN201110177231.6 | 申请日 | 2011-06-28 | 公开(公告)号 | CN102313822B | 公开(公告)日 | 2016-05-11 |
| 申请人 | 精工爱普生株式会社; | 发明人 | 丁熠玫; 内田周志; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种偏置估算方法、姿势估算方法、偏置估算装置及姿势估算装置。该偏置估算方法包括：使用多个轴的 加速 度 传感器 中的一轴朝向铅直方向的校正用姿势下的所述多个轴的检测值，计算偏置被假定为零时的姿势 角 即假定姿势角；以及使用所述一轴的检测值和所述假定姿势角，估算所述一轴的检测值所包含的偏置值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种偏置估算方法，包括： |
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| 说明书全文 | 偏置估算方法、姿势估算方法、偏置估算装置及姿势估算装置技术领域[0001] 本发明涉及一种偏置估算方法、姿势估算方法、偏置估算装置及姿势估算装置。 背景技术[0003] 近年来，开发有装载了多个轴(多轴)的惯性传感器的传感器模块。该多个轴的传感器模块构成为：在正交的多个的轴上安装有惯性传感器，从而能够进行在三维空间中的传感。不过，因向传感器模块安装惯性传感器不正确原因而导致在惯性传感器的输出中可能包含有安装误差(misalignment error，未校准误差)，从而成为了问题。 [0005] 日本专利文献1：日本特开平10-267651号公报 [0006] 确实，根据日本专利文献1的技术，也许能够修正安装误差。不过，加速度传感器的输出可包含有典型的零偏置等的偏置成分。在惯性传感器中，公知有每接通电源都会产生有偏置(所谓的导通偏置)，此外，偏置具有随着经过时间随机地进行变动的随机漂移特性。 [0007] 近年来，作为小型且廉价的惯性传感器，应用了半导体的微细加工技术的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)传感器被装载到各种的民用设备上。MEMS传感器是在一片硅晶片上，通过微细加工技术形成检测出惯性力的机械部分和将惯性力变换成电信号的变换部分的传感器。 [0008] MEMS传感器虽然具有小型、轻量、廉价、低功耗等的优点，但是其相反一面，具有容易受到冲撞或振动、温度变化等的外界的影响的缺点。其中，外界的温度变化对惯性传感器的输出影响较大。用于从惯性传感器的输出去除温度依存成分的温度补偿的技术也正在被设计。不过，即使进行温度补偿，也因除导通偏置和温度变化以外的外界的影响，导致惯性传感器的输出所包含的偏置值不为零而是不能忽略的大小，从而成为了问题。 发明内容[0009] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提出一种用于估算惯性传感器的偏置值的新的方法。 [0010] 为了解决以上的问题，本发明第一方面涉及的偏置估算方法，包括以下步骤：使用多个轴的加速度传感器中的一轴朝向铅直方向的校正用姿势下的所述多个轴的检测值，计算偏置被假定为零时的姿势角即假定姿势角；以及使用所述一轴的检测值和所述假定姿势角，估算所述一轴的检测值所包含的偏置值。 [0011] 此外，本发明第七方面涉及的偏置估算装置，包括：假定姿势角计算部，使用多个轴的加速度传感器中的一轴朝向铅直方向的校正用姿势下的所述多个轴的检测值，计算偏置被假定为零时的姿势角即假定姿势角；以及偏置估算部，使用所述一轴的检测值和所述假定姿势角，估算所述一轴的检测值所包含的偏置值。 [0012] 根据该第一方面等，使用多个轴的加速度传感器在校正用姿势下的所述多个轴的检测值，计算偏置被假定为零时的姿势角即假定姿势角。而且，使用朝向铅直方向的一轴的检测值和假定姿势角，估算所述一轴的检测值所包含的偏置值。 [0013] 在多个轴的加速度传感器的检测值中包含有因加速度传感器的姿势原因导致的检测轴方向的重力加速度成分和偏置成分的两种成分。指定这些的成分以哪种程度的比例包含在加速度传感器的检测值中是很困难的。因而，计算出作为将偏置假定为零的姿势角的假定姿势角，并使用朝向铅直方向的检测轴的检测值和假定姿势角，从而作为了估算出所述检测值所包含的偏置值。通过这样，能够分离重力加速度成分和偏置成分，从而能够确切地估算出偏置值。 [0014] 此外，本发明第二方面是第一方面的偏置估算方法，而且，所述偏置估算方法还包括以下步骤：使用所述假定姿势角和所述偏置值的误差方差，计算所述偏置值的估算误差。 [0015] 更具体地说，例如，本发明第三方面在第二方面的偏置估算方法中，其中，所述一轴的检测值所包含的偏置值的估算误差可以使用所述假定姿势角和所述假定姿势角的误差来近似，计算所述偏置值的估算误差是指，基于可使用所述偏置值的误差方差估算所述假定姿势角的误差，计算所述一轴的检测值所包含的偏置值的估算误差。 [0016] 根据该第三方面，根据使用偏置值的误差方差可以估算假定姿势角的误差，计算出朝向铅直方向的一轴的检测轴所包含的偏置值的估算误差。如果这样计算出的偏置值的估算误差小，则能够估算出接近于真实的偏置值的偏置值。因此，使用所述偏置估算值来修正加速度传感器的检测值，能够更准确地求出加速度。 [0017] 此外，本发明第四方面是第一方面至第三方面中的任一方面的偏置估算方法，而且，所述加速度传感器至少是温度补偿后的传感器。 [0018] 根据该第四方面，由于加速度传感器至少是被温度补偿的传感器，所以加速度传感器的检测值为降低了有温度依存性的偏置成分的检测值。 [0019] 此外，第五方面是第一方面至第三方面中的任意一方面的偏置估算方法，而且，所述偏置估算方法还包括以下步骤：至少进行温度补偿，以补偿所述加速度传感器的输出来获得所述检测值。 [0020] 根据该第五方面，至少进行温度补偿，从而补偿加速度传感器的输出，并作为检测值。因而，与第四方面同样，加速度传感器的检测值为降低了有温度依存性的偏置成分的检测值。 [0021] 本发明第六方面涉及的姿势估算方法，包括以下步骤：使用通过第一方面至第五方面的任一方面的偏置估算方法估算出的偏置值和所述加速度传感器的各轴的检测值，估算所述加速度传感器的姿势。 [0022] 此外，本发明第八方面涉及的姿势推定装置，包括：多个轴的加速度传感器；第七方面的偏置估算装置，用于估算所述加速度传感器的所述多个轴的检测值所包含的偏置值；以及姿势估算部，使用由所述偏置估算装置估算出的偏置值和所述加速度传感器的所述多个轴的检测值，估算所述加速度传感器的姿势。 [0024] 图1是加速度传感器的说明图。 [0025] 图2是设置面为水平时的说明图。 [0026] 图3是设置面倾斜时的说明图。 [0027] 图4是示出偏置估算方法的流程的流程图。 [0028] 图5是表示姿势角和偏置估算误差的对应关系的曲线图。 [0029] 图6是设置面的倾斜判定的说明图。 [0030] 图7是设置面的倾斜判定的说明图。 [0031] 图8是导航系统的系统构成的说明图。 [0032] 图9是表示导航装置的功能构成的框图。 [0033] 图10是初始校准数据的数据构成。 [0034] 图11是安装时初始设定数据的数据构成。 [0035] 图12是示出主处理的流程的流程图。 [0036] 图13是示出初始校准处理的流程的流程图。 [0037] 图14是示出安装时初始设定处理的流程的流程图。 [0038] 图15是线路(route)试验的说明图。 [0039] 图16(A)是速度的南北成分的时间变化的曲线图，图16(B)是速度的东西成分的时间变化的曲线图，图16(C)是速度的高度成分的时间变化的曲线图。 [0040] 图17(A)是速度的南北成分的时间变化的曲线图，图17(B)是速度的东西成分的时间变化的曲线图，图17(C)是速度的高度成分的时间变化的曲线图。 [0041] 图18是示出温度补偿处理的流程的流程图。 具体实施方式[0042] 下面，参照附图，对本发明的优选实施的一个例子进行说明。但是，当然可应用本发明的实施方式并不限定于以下说明的实施方式。 [0043] 1.原理 [0044] 图1是本实施方式中的加速度传感器的说明图。加速度传感器是多个轴(多轴)的加速度传感器，并被构成为：检测预先设计的正交的三轴的轴方向各自的加速度。以下，将加速度传感器本身所设定的三轴的坐标系称为“局部坐标系”。 [0045] 局部坐标系在本实施方式中被定义为图1所示那样的右手三维直角坐标系。将面向图1把右方向视为正的左右方向作为X轴(翻滚轴)、将面向图1把跟前方向视为正的前后方向作为Y轴(俯仰轴)、将面向图1把下方向视为正的上下方向作为Z轴(偏航轴)。 [0046] 在本实施方式中，将围绕X轴旋转的旋转角定义为滚转角 将围绕Y轴旋转的旋转角定义为俯仰角“θ”、将围绕Z轴旋转的旋转角定义为偏航角“ψ”。此外，将加速度传感器的各检测轴的检测值标示(表记)为“f＝(fx、fy、fz)”、将加速度传感器的各检测轴的偏置值标示为“ba＝(bax、bay、baz)”。下标的“a”表示加速度、“x”、“y”、“z”分别表示X轴、Y轴及Z轴。 此外，在以下的说明中，将重力加速度标示为“g”。 [0047] 此外，在本实施方式中，假设加速度传感器的输出至少被温度补偿而进行说明。加速度传感器的检测值包含有零偏置或比例系数、二次灵敏度等的依存于温度的成分(以下，称为“温度依存成分”)。这些温度依存成分的温度特性在加速度传感器的制造阶段被求出，从而加速度传感器被温度补偿。 [0048] 另外，温度补偿既可以在加速度传感器的内部进行，又可以在外部进行。也就是说，既可以在加速度传感器内部设置温度补偿用的电路部，从而加速度传感器的输出值为已被温度补偿的输出值，又可以由与加速度传感器分开(另行设置)的处理电路部对加速度传感器的输出值进行温度补偿(更准确地修正)。 [0049] 问题是即使进行加速度传感器的温度补偿，也因每接通电源就产生的导通偏置或温度依存成分以外的偏置成分，导致加速度传感器的检测值所包含的偏置值不完全为零，从而残留有偏置值。本实施方式的目的之一是估算出残留在该检测值中的残余偏置的大小。 [0050] 当前，考虑加速度传感器的Z轴朝向铅直方向设置在水平的设置台上的情况。另外，在本实施方式中，考虑加速度传感器没有安装误差。此外，为了简便说明，考虑最初从Y轴正方向观察由X轴及Z轴组成的XZ平面的情况。 [0051] 在静止状态下，只要设置台为完全水平 则如图2所示，加速度传感器只涉及铅直方向的重力。加速度传感器被设计为检测出重力以外的外力，在这种情况下，检测出设置台的垂直阻力。因此，理想情况为加速度传感器的Z轴的检测值为“-g”(fz＝-g”)。不过，由于存在有Z轴的偏置值“baz”，所以实际的检测值为“fz＝-g+baz”。此外，X轴方向的加速度虽然在理想上为零，但是由于X轴的偏置值“bax”叠加在检测值中，所以X轴的检测值为“fx＝bax”。 [0052] 其另一方面，在设置台略有倾斜时，则变成图3所示那样。也就是说，如图3所示，例如，当设置台在间距(pitch)方向上倾斜角度“θ”时，则产生重力加速度的X轴方向分量及Z轴方向分量。因此，当考虑垂直阻力时，则加速度传感器的X轴的检测值变为“fx＝g·sinθ+bax”，Z轴的检测值变为“fz＝-g·cosθ+baz”。 [0053] 虽然只要能提供完全水平的设置台的环境则没有问题，但是当设置台略有倾斜时，则如图3所示，重力加速度就会对各检测轴的检测值造成影响。在本实施方式中，不但在产品出厂前在测试环境下估算偏置值的状况，还在产品出厂后在实际环境下假想估算偏置值的状况。在实际环境下，未必能提供完全水平的设置台。因而，本申请发明人考虑了假想能提供大致水平的设置台的环境，并在该环境中进行加速度传感器的偏置估算。 [0054] 1-1.偏置估算方法 [0055] 在上述中，虽然以X轴及Z轴的二维平面进行考虑，但是在考虑了Y轴的三维空间中也可以同样地考虑。当以三维空间进行考虑时，考虑重力加速度的各检测轴方向的分量及各检测轴的偏置值，各检测轴的检测值由下式(1)来供给。 [0056] (公式1) [0057] [0058] 公式(1)虽然为矩阵表示，但是当改为不用矩阵的表示时，则变为如下式(2)那样。 [0059] (公式2) [0060] fx＝gsinθ+bax [0061] fy＝-gsinφcosθ+bay…(2) [0062] fz＝-gcosφcosθaz [0063] 由公式(2)可知，加速度传感器的检测值“f＝(fx、fy、fz)”包含有重力加速度的各检测轴方向的成分和偏置成分的两种成分。从加速度传感器的检测值分离该两种成分是很难的。就是说，指定两种成分分别以哪种程度的比例包含在检测值中是很困难的。因而，在本实施方式中，采用将偏置假定为零而计算出的姿势角，估算加速度传感器的检测值所包含的偏置值。 [0064] 为了以下的说明，进行变量的定义。将以公式(2)的滚转角及俯仰角 规定的加速度传感器的姿势定义为“实际姿势”，将其姿势角定义为“实际姿势角”。此外，由公式(2)付与的各检测轴的偏置值“ba＝(bax、bay、baz)”定义为“实际偏置值”。 [0065] 当将各检测轴的偏置假定为零时，则“ba＝(bax、bay、baz)＝(0、0、0)”成立。这时，可以用加速度传感器的各检测轴的检测值“(fx、fy、fz)”，计算出假定的姿势角 这样，将把偏置假定为零的姿势角定义为“假定姿势角”，将以假定姿势角规定的加速度传感器的姿势定义为“假定姿势”。此外，为了与实际姿势角进行区分，在假定姿势角上附加上标字符“t”，从而标示为 假定姿势角 通过下式(3)被计算出。 [0066] (公式3) [0067] φt＝arctan2(-fy，-fz) [0068] [0069] 当用上述的假定姿势角 时，则能够根据公式(2)倒推偏置值。这样，将用假定姿势角计算出的偏置值定义为“假定偏置值”，为了与实际偏置值进行区分，附加上标字符“t”进行标示。具体地说，将X轴、Y轴及Z轴的假定偏置值标示为“bta＝(btax、btay、btaz)”。 [0070] 此外，将假定姿势角和实际姿势角之间的差称为“姿势角误差”，在姿势角前附加“δ(delta)”进行标示。具体地说，将姿势角误差标示为是滚转角误差，“δθ”是俯仰角误差。此外，将假定偏置值和实际偏置值之间的差称为“偏置误差”，并在偏置值前附加“δ”进行标示。具体地说，将X轴、Y轴及Z轴的偏置误差标示为“δba＝(δbax、δδbay、δbaz)＝(btax-bax、btay-bay、btaz-baz)”。 [0071] 图4是示出本实施方式中的偏置估算方法的流程的流程图。 [0072] 首先，初始设定加速度传感器的校正用姿势(步骤A1)。具体地说，以三轴的检测轴中的任意一轴朝向铅直方向的校正用姿势，将加速度传感器设置在大致水平的设置台上。 [0073] 接着，取得加速度传感器的各检测轴的检测值“f＝(fx、fy、fz)”(步骤A3)。而且，将加速度传感器的各检测轴的偏置值假定为零，通过公式(3)计算出假定姿势角(步骤A5)。 [0074] 接着，用在步骤A3中取得的在检测值中的朝向铅直方向的检测轴的检测值和在步骤A5中计算出的假定姿势角 估算所述检测轴的偏置值(步骤A7)。将该偏置值的估算值称为“偏置估算值”。例如，在步骤A1中，以Z轴朝向铅直方向的校正用姿势设置了加速度传感器。这时，用Z轴的检测值“fz”和假定姿势角 利用公式(2)的最下段的 公式计算出Z轴的假定偏置值“btaz”，并将其作为Z轴的偏置估算值。 [0075] 本实施方式的要点在于用假定姿势角 估算朝向铅直方向的检测轴的偏置值。着眼于朝向铅直方向的检测轴是有理由的。由于假定姿势角 自始自终 是将偏置假定为零而求出的姿势角，所以包含姿势角误差 因此，在用假定姿势 角 计算出的偏置值(假定偏置值)中也当然包含有误差。这样，由于姿势角误差 对偏置值造成影响，所以本申请发明人考虑了选择姿势角误差 对 偏置值造成影响最小的检测轴来估算偏置值是恰当的。 [0076] 在这里，公式(2)示出在Z轴朝向铅直方向时的各检测轴的检测值“(fx、fy、fz)”。虽然在X轴及Y轴的检测值“(fx、fy)”的重力加速度成分中包含作为正弦的“sin”，但是在Z轴的检测值“fz”中不包含有作为正弦的“sin”。在Z轴的检测值“fz”的重力加速度成分中只包含有作为余弦的“cos”。本申请发明人着眼于该点。 [0077] 为了易于理解，用俯仰角“θ”来考虑。当针对俯仰角误差“δθ”泰勒展开俯仰角“θ”的余弦，保留到一次项时，则变成 如果俯仰角“θ”小，则由于将右边第二项视为零，所以可近似为 对滚转角 也同样，如果 滚转角 小，则可近似为 [0078] 其另一方面，当针对俯仰角误差“δθ”泰勒展开俯仰角“θ”的正弦时，则变成如 果 俯 仰 角“θ”小 ，则 虽 然 可 近 似 为但是不能忽略俯仰角误差“δθ”。对滚转角 的正弦 也是同样的。 [0079] 根据以上，由于姿势角误差 对朝向铅直方向的检测轴的重力加速度成分几乎不起作用，所以可实质地忽略姿势角误差 对朝向铅直方向的检测轴 的偏置值造成的影响。就是说，姿势角误差 对偏置值造成的影响最小的检测轴是 朝向铅直方向的检测轴。因此，本申请发明人选择朝向铅直方向的检测轴进行偏置值估算。 [0080] 返回到图4的流程图，若估算出朝向铅直方向的检测轴的偏置值，则使用偏置值的误差方差“σ”和假定姿势角 估算所述偏置估算值所包含的误差(步骤A9)。在步骤A7中求出的偏置估算值自始自终是包含误差的假定偏置值。因此，通过计算出偏置估算值所包含的偏置估算误差，判定偏置估算值的可靠性。对偏置估算误差的计算方法，进行详细地后述。 [0081] 之后，判定是否对加速度传感器的全部检测轴，进行了步骤A3至步骤A9的处理(步骤A11)。而且，当存在未处理的检测轴时(步骤A11，否)，变更加速度传感器的校正用姿势(步骤A13)。具体地说，以未处理的检测轴朝向铅直方向的校正用姿势，将加速度传感器设置在设置台上。而且，返回到步骤A3，对未处理的检测轴进行偏置估算及偏置估算误差的计算。 [0082] 另一方面，当判定出在步骤A11中对全部的检测轴进行了处理时(步骤A11，是)，将各检测轴的偏置估算值“bta＝(btax、btay、btaz)”和偏置估算误差“δba＝(δbax、δbay、δbaz)”作为加速度传感器的校准数据进行存储(步骤A15)。而且，结束偏置值的估算处理。 [0083] 于是，可以使用偏置值的误差方差“σ”和假定姿势角 实现偏置估算误差的计算。偏置值的误差方差“σ”就是意味着加速度传感器的偏置值的误差的扩大。在本实施方式中，由于将加速度传感器作为至少被温度补偿的传感器，所以检测值所包含的偏置值为由温度依存成分导致的误差被降低的值。不过，因产品之间的偏差，对于所有的加速度传感器，偏置值并不均等。 [0084] 产品之间的偏差能够在加速度传感器的制造阶段中，诸如通过进行采用测试装置的试验来进行测定。就是说，在分别对加速度传感器的产品，进行了温度补偿之后，通过测定加速度传感器的检测值所残留的偏置值，求出偏置值的误差分布。而且，根据该偏置值的误差分布，求出偏置值的误差的扩大作为误差方差。误差方差诸如能够作为偏置值的标准偏差或方差值来求出。 [0085] 近年来，作为小型且廉价的惯性传感器，应用了半导体的微细加工技术的MEMS传感器被装载在各种民用设备上。当以该MEMS传感器为例时，则被温度补偿的加速度传感器的偏置值为“mg(g为重力加速度)＝0.001·g”的常规(order)的值。在本实施方式中，假想MEMS的加速度传感器，并将偏置值的误差方差标示为“σmg＝0.001·σ·g”。 [0086] 1-2.偏置估算误差的计算方法 [0087] 朝向铅直方向的检测轴的偏置估算误差能够根据姿势角误差的大小进行计算/估算。在这里，以Z轴朝向铅直方向的校正用姿势下设置 加速度传感器的情况列举为例，进行说明。就是说，计算出Z轴的偏置估算值“btaz”所包含的偏置估算误差“δbaz”的情况。 [0088] 当偏置值假定为小于等于误差方差时，则“ba＝(bax、bay、baz)≤0.001·σ·g”成立。这时，能够从与公式(2)的最上段的X轴的检测值“fax”有关的公式，导出下式(4)。 [0089] (公式4) [0090] fx-gsinθ＝bax [0091] |g(sinθt-sinθ)|＝|bax|≤0.001σ·g [0092] |sinθt-sinθ|≤0.001σ…(4) [0093] 但是，在从第一行到第二行的变形中，使用了根据公式(2)“fx＝g·sinθt”成立。 [0094] 在这里，由于假定俯仰角“θt”用俯仰角误差“δθ”表示为“θt＝θ+δθ”，所以公式(4)能够如下式(5)那样的进行变形。 [0095] (公式5) [0096] |sin(θ+δθ)-sinθ|≤0.001σ [0097] |sinθcosδθ+cosθsinδθ-sinθ|≤0.001σ [0098] |sinθ+cosθsinδθ-sinθ|≤0.001σ [0099] |cosθsinδθ|≤0.001σ…(5) [0100] 但是，在从第二行向第三行的变形中，“δθ”十分小(δθ＜＜1)，从而使用了的近似。 [0101] 由于在本实施方式中假想的是设置台为水平的状况，所以可以考虑俯仰角“θ”很小。因而，当近似为 时，则导出下式(6)。 [0102] (公式6) [0103] |sinδθ|≤0.001σ [0104] |δθ|≤arcsin(0.001σ)…(6) [0105] 因而，可得知俯仰角误差“δθ”最大为“arcsin(0.001σ)”，最小为“0”。 [0106] 接着，使用公式(6)的不等式，计算出Z轴的偏置估算误差“δbaz”。根据与公式(2)的最下段的Z轴的检测值“fz”有关的公式，能够如下式(7)那样计算出Z轴的偏置值“baz”。 [0107] (公式7) [0108] bax＝fz+gcosφcosθ [0109] ＝fz+gcos(φt-δφ)cos(θt-δθ) [0110] ＝fz+g(cosφtcosδφ+sinφtsinδφ)(cosθtcosδθ+sinθtsinδθ)…(7)[0111] 但是， “θ＝θt-δθ”。 [0112] 在这里，当滚转角误差 及俯仰角误差“δθ”分别为十分小( δθ＜＜1)，近似为 时，则从公式(7)导出下式(8)。 [0113] (公式8) [0114] [0115] [0116] [0117] [0118] 但是，在从第二行向第三行的变形中，近似为 [0119] 由于根据公式(2) 成立，所以能够从公式(8)导出下式(9)。 [0120] (公式9) [0121] [0122] [0123] |δbax|＝gsinδθsin(φt+θt)…(9) [0124] 其中，“δbaz＝btaz-baz”。 [0125] 在这里，当使用公式(6)的不等式时，则能够从公式(9)最终导出下式(10)。 [0126] (公式10) [0127] |δbaz|≤0.001σ·g·sin(φt+θt)…(10) [0128] 因此，Z轴的偏置估算误差|δbaz|最大为“0.001·σ·g”，最小为“0”。 [0129] 图5是表示公式(10)的不等式的曲线图。在图5中，横轴示出 纵轴示出Z轴的偏置估算误差|δbaz|。由公式(10)可知，Z轴的偏置估算误差|δbaz|取决于假定姿势角的大小。 [0130] 如图6所示，由于只要设置台是完全水平的，则 所以Z轴的偏置估算误差|δbaz|为零。偏置估算误差|δbaz|为零意味着Z轴的偏置估算值“btaz”与实际偏置值“baz”相等(btaz＝baz)。 [0131] 针对于此，如图7所示，当设置台倾斜时，则 倾斜越大，Z轴的偏置估算值|δbaz|越接近于“0.001·σ·g”。这意味着Z轴的偏置估算值“btaz”所包含的误差变大，偏置估算值“btaz”较大地背离实际偏置值“baz”。 [0132] 当反过来考虑其时，则也能够根据朝向铅直方向的检测轴的偏置估算误差的大小，判定设置有加速度传感器的设置台的倾斜。也就是说，如果偏置估算误差小则设置台接近于水平，如果偏置估算误差大则能够判断设置台的倾斜大。即，也可以说偏置估算误差是用于判断设置台的倾斜的指标值。 [0133] 另外，至此，虽然对以加速度传感器的Z轴朝向铅直方向的校正用姿势设置加速度传感器的情况，进行了说明，但是针对剩余的检测轴也是同样的。也就是说，通过以X轴及Y轴分别朝向铅直方向的校正用姿势，将加速度传感器设置在设置台上并进行同样的计算，能够计算出X轴及Y轴的偏置估算值“(bax、bay)”和其估算误差“(δbax、δbay)”。 [0134] 1-3.姿势估算方法 [0135] 如果能估算加速度传感器的各检测轴的偏置值，则能够估算加速度传感器的姿势。因而，下面对加速度传感器的姿势估算方法进行说明。 [0136] 首先，使用各检测轴的偏置估算值，修正加速度传感器的各检测轴的检测值。而且，使用已修正的检测值(修正检测值)，按照下式(11)估算加速度传感器的姿势角 [0137] (公式11) [0138] φ＝arctan2(-(fy-bay)，-(fx-bax)) [0139] [0140] 但是，“fx-bax”、“fy-bay”、“fz-baz”是加速度传感器的各检测轴的修正检测值。 [0141] 如果各检测轴的偏置估算误差小，则可以说所述检测轴的偏置估算值是接近实际偏置值的值。因此，如果使用偏置估算值修正加速度传感器的检测值，则能够求出正确的加速度。而且，这时，由于根据公式(11)正确地求出加速度传感器的姿势角 所以能够准确地估算加速度传感器的当前的姿势。 [0142] 2.实施方式 [0143] 接着，对按照上述的原理估算加速度传感器的偏置值的偏置估算装置及估算加速度传感器的姿势的姿势估算装置的实施方式，进行说明。在这里，作为具备偏置估算装置及姿势估算装置的电子设备，以汽车导航装置为例，进行说明。 [0144] 2-1.系统构成 [0145] 图8是表示本实施方式中的导航系统1的系统构成的图。导航系统1具有作为移动体的一种的四轮汽车(以下，仅称为“汽车”)所装载的汽车导航装置2。 [0146] 汽车导航装置2是汽车所装载的电子设备，并装载作为具备加速度传感器71及陀螺传感器73的传感器单元的IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)70。IMU 70检测并输出传感器的检测轴所对应的局部坐标系中的加速度及角速度。汽车导航装置2具有按照上述的原理估算加速度传感器71的偏置值的偏置估算装置，而且，具有估算加速度传感器71的姿势、即装置主体的姿势的姿势估算装置。 [0147] 汽车导航装置2将通过加速度传感器71检测出的局部坐标系的加速度变换成用于进行导航的坐标系即导航坐标系的加速度。作为导航坐标系，可以视为诸如作为北东下坐标系而被公知的NED(North East Down：北东下)坐标系。而且，通过积分NED坐标系中的加速度，求出汽车的速度矢量，并通过使用所述速度矢量的惯性导航运算计算出汽车的位置。而且，生成图示了算出位置的导航画面，并使其显示在装置主体的显示器(显示部)上。 [0148] 2-2.功能构成 [0149] 图9是表示汽车导航装置2的功能构成的一例框图。汽车导航装置2包括：处理部10、操作部20、显示部30、声音输出部40、通信部50、时钟部60、IMU 70以及存储部80。 [0150] 处理部10是按照存储部80所存储的系统程序等的各种程序，总括地控制汽车导航装置2的各部的控制装置，并具有CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等的处理器。处理部10进行利用了IMU 70的检测结果的惯性导航运算处理，计算出汽车的位置(位置坐标)。而且，进行使指示出了算出位置的地图显示在显示部30上的处理。 [0151] 在本实施方式中，处理部10具有作为计算出假定姿势角的假定姿势角计算部的功能，而且，具有作为使用加速度传感器71的检测值和假定姿势角估算加速度传感器的检测值所包含的偏置值的偏置估算部的功能。此外，处理部10具有作为使用通过偏置估算部估算出的偏置值和加速度传感器71的各轴的检测值，估算加速度传感器71的姿势即装置主体的姿势的姿势估算部的功能。 [0154] 声音输出部40由扬声器等构成，是根据从处理部10输入的声音输出信号进行各种声音输出的声音输出装置。从声音输出部40声音输出语音指导等。 [0155] 通信部50是用于与汽车导航装置2的管理服务器等的外部装置进行无线通信的通信装置。该功能使用诸如Bluetooth(蓝牙)(注册商标)等的公知的无线通信方式的技术来实现。 [0157] IMU 70是具有惯性传感器而构成的传感器单元，诸如具有加速度传感器71和陀螺传感器73。IMU 70可检测出预先与传感器对应关联的局部坐标的正交三轴各自的检测轴的加速度及各检测轴的绕轴旋转的角速度。另外，加速度传感器71及陀螺传感器73既可以是各自独立的传感器，又可以是一体型的传感器。 [0158] 存储部80由ROM(Read Only Memory：只读存储器)或闪存ROM、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等的存储装置构成，存储汽车导航装置2的系统程序或用于实现导航功能等的各种功能的各种程序、数据等。此外，具有暂时存储各种处理的处理中数据、处理结果等的工作区。 [0159] 2-3.数据构成 [0160] 如图9所示，在存储部80中，作为程序存储有通过处理部10读出、并作为主处理(参照图12)而被执行的主程序81。此外，主程序81包含有作为初始校准处理(参照图13)而被执行的初始校准程序811、作为安装时初始设定处理(参照图14)而被执行的安装时初始设定程序813以及作为导航处理而被执行的导航程序815，作为子程序。 [0161] 主处理就是处理部10进行初始校准处理和安装时初始设定处理，然后进行加速度传感器71的偏置估算和安装在汽车上的装置主体的姿势估算的处理。处理部10使用已利用偏置估算值修正后的加速度传感器71的检测值(修正检测值)和估算出的装置主体的安装姿势，计算出导航坐标系中的汽车的速度矢量，并使用所述速度矢量计算出汽车的位置。之后，使用流程图，对主处理、初始校准处理及安装时初始设定处理进行详细地叙述。 [0162] 此外，在存储部80中，作为数据存储有传感器误差方差83、初始校准数据85、安装时初始设定数据87以及导航数据89。 [0163] 传感器误差方差83是存储有构成IMU 70的加速度传感器71及陀螺传感器73的误差方差的数据。传感器误差方差83相当于在原理中已说明的加速度传感器的误差方差“σ”，并是预先存储到存储部80中的数据。 [0164] 初始校准数据85是初始校准处理的处理用数据，图10示出其数据构成例。初始校准数据85存储有偏置估算误差851。偏置估算误差851为了在初始校准处理中进行设置台的倾斜判定而使用。此外，在初始校准数据85中，对应存储作为校正用姿势而朝向铅直方向的加速度传感器71的检测轴即垂直轴853、在所述校正用姿势中通过加速度传感器71检测出的各检测轴的加速度检测值855、在所述校正用姿势中计算出的假定姿势角857及偏置估算值859。 [0165] 安装时初始设定数据87是安装时初始设定处理的处理用数据，图11示出其数据构成例。在安装时初始设定数据87中，对应存储加速度检测值871、加速度修正检测值873以及估算安装姿势875。 [0166] 导航数据89是导航处理的处理用数据。在导航数据89中，存储有用于将局部坐标系的加速度变换成导航坐标系的加速度的坐标变换矩阵。此外，存储有使用坐标变换矩阵坐标变换后的汽车的加速度、通过积分加速度获得的汽车的速度矢量、使用速度矢量计算出的汽车的位置等的数据。 [0167] 2-4.处理的流程 [0168] 图12是示出表示处理部10按照存储部80所存储的主程序81执行的主处理的流程的流程图。 [0169] 最初，处理部10判定由用户通过操作部20实现的指示操作(步骤B1)，当判定指示操作为初始校准指示操作时(步骤B1：初始校准指示操作)，按照存储部80所存储的初始校准程序811执行初始校准处理(步骤B3)。 [0170] 图13是示出表示初始校准处理的流程的流程图。初始校准处理是估算加速度传感器的偏置值的处理，并是在将汽车导航装置2设置到汽车上之前应进行的处理。 [0171] 首先，处理部10进行向设置台的主体暂时放置指示(步骤C1)。具体地说，指示用户将汽车导航装置2主体暂时放置于水平的设置台。作为向用户的指示方法，诸如既可以使指示暂时放置的显示消息显示在显示部30上，又可以使指示暂时放置的语音指导从声音输出部40输出。用户在将已购入的汽车导航装置2安装到汽车上之前，例如将装置主体暂时放置在水平的台子上，进行装置主体的初始校准。 [0172] 另外，在步骤C1中，只要以将加速度传感器71的一个轴朝向铅直方向的校正用姿势将装置主体设置在水平的设置台上就可以。例如也可以将表示加速度传感器71的检测轴的方向的箭头标记在装置主体上，以使用户能够知道装置主体的设置方向。此外，也可以在产品说明书中图示装置主体的设置方法及设置姿势等。 [0173] 接着，处理部10进行判定设置台的倾斜的倾斜判定处理(步骤C3)。具体地说，按照在原理中已说明的偏置估算误差的算出方法，计算出朝向铅直方向的检测轴的偏置估算误差851，并使其存储到存储部80的初始校准数据85中。而且，进行相对于偏置估算误差851的阈值判定，当偏置估算误差851超过规定的阈值时，判定为设置台的倾斜大。 [0174] 当在倾斜判定处理中判定设置台的倾斜大时(步骤C5，是)，处理部10进行错误告知处理(步骤C7)。如在原理中已说明的那样，如果加速度传感器71的设置台倾斜，则偏置估算误差变大，被估算的偏置值的可靠性降低。因而，将设置台的倾斜大的情况视为错误，并诸如通过显示消息或语音指导进行促使，以将装置主体设置到其他的水平的设置台上。之后，处理部10返回到步骤C1。 [0175] 另一方面，当在步骤C5中判定设定台的倾斜小时(步骤C5，否)，处理部10进行偏置估算处理(步骤C9)。具体地说，按照在原理中已说明的偏置值的估算方法，估算加速度传感器71的各检测轴(X轴、Y轴及Z轴)的偏置值。这时，针对加速度传感器71的各个检测轴，以所述检测轴朝向铅直方向的校正用姿势，将装置主体设置在设置台上。而且，针对朝向铅直方向的垂直轴853，使用从加速度传感器71输出的加速度检测值855计算出假定姿势角857，并使用假定姿势角857计算出偏置估算值859。 [0176] 处理部10在使在步骤C9中求出的各个垂直轴853的偏置估算值859存储到存储部80的初始校准数据85后(步骤C11)，结束初始校准处理。 [0177] 返回到图12的主处理，当在步骤B1中判定出指示操作是安装时初始设定指示操作时(步骤B1：安装时初始设定指示操作)，处理部10按照存储部80的安装时初始设定程序813，进行安装时初始设定处理(步骤B5)。 [0178] 图14是示出安装时初始设定处理的流程的流程图。安装时初始设定处理是估算安装到汽车上的汽车导航装置2的姿势的处理，并是在将汽车导航装置2安装到汽车上之后首先应进行的处理。此外，也是当变更了安装位置或安装姿势时，在以新的设置地方/姿势安装之后首先应进行的处理。 [0179] 首先，处理部10进行汽车导航装置2主体向汽车上安装的安装指示(步骤D1)。而且，当向汽车的安装结束时，则取得加速度传感器71的各检测轴的加速度检测值871(步骤D3)，并使其存储于存储部80的安装时初始设定数据87。 [0180] 接着，处理部10使用初始校准数据85所存储的各个垂直轴853的偏置估算值859，修正在步骤D3中已取得的各检测轴的加速度检测值871(步骤D5)。也就是说，从各检测轴的加速度检测值871减去对应的铅直轴853的偏置估算值859，求出加速度修正检测值873。而且，使所述加速度修正检测值873存储于存储部80的安装时初始设定数据87。 [0181] 之后，处理部10使用在步骤D5中求出的加速度修正检测值873，按照公式(11)估算装置主体的安装姿势 (步骤D7)。而且，处理部10在使估算出的安装姿势 作为估算安装姿势875，存储到存储部80的安装时初始设定数据87之后(步骤D9)，结束安装时初始设定处理。 [0182] 返回到图12的主处理，当在步骤B1中判定出指示操作是导航指示操作时(步骤B1：导航指示操作)，处理部10按照存储部80所存储的导航程序815，执行导航处理(步骤B7)。 [0183] 在导航处理中，处理部10进行利用了惯性导航运算的位置算出处理。具体地说，使用安装时初始设定数据87所存储的估算安装姿势875，计算出从局部坐标系向导航坐标系的坐标变换矩阵。另外，由于坐标变换矩阵的算出方法是现有公知的，所以在这里省略说明。而且，使用坐标变换矩阵，将偏置修正后的加速度传感器71的加速度检测值变换成导航坐标系中的加速度。而且，通过对已变换的加速度进行积分求出汽车的速度矢量，并将所述速度矢量与上次(最新)的汽车的位置相加，从而重新计算/更新汽车的位置。 [0184] 在执行了步骤B3至步骤B7中的任一个的处理之后，处理部10判定是否结束主处理(步骤B9)。具体地说，当由用户通过操作部20实现主体的电源连接指示操作时，判定结束主处理。而且，当判定还未结束时(步骤B9，否)，处理部10返回到步骤B1。当判定出结束时(步骤B9，是)，结束主处理。 [0185] 2-5.试验结果 [0186] 本申请发明人进行了用于评价上述的加速度传感器的偏置估算及加速度传感器的检测值修正的性能的试验。具体地说，进行了利用在本实施例中已说明的惯性导航法和作为卫星定位系统的一种的GPS进行汽车的线路试验并计算出速度。 [0187] 图15是表示汽车的线路轨迹的图。如图15所示，使汽车沿预先规定的线路行驶一周。在图15中，横轴示出东西方向，纵轴示出南北方向(单位米(m))。东西方向“0m”、南北方向“0m”的位置是起点，在从出发地点向东方向移动150m左右之后，向北方向，沿着较大的顺时针方向围绕一周那样的路线前进。终点与起点相同。围绕一周所需要的时间为“600秒”，在高度方向几乎无变化的平地上进行了试验。 [0188] 图16是表示用不进行Z轴偏置估算及偏置修正的现有的方法，计算出速度的结果的图。图16(A)至图16(C)分别示出速度矢量的南北方向、东西方向及高度方向的各成分的时间变化。用虚线(GPS)示出利用GPS计算出的速度，用实线(INS)示出利用惯性导航计算出的速度。 [0189] 当观察图16(A)及图16(B)的南北方向及东西方向的速度随时间变化时，则没有观察到通过GPS计算出的速度和通过惯性导航法计算出的速度有较大的差别。不过，在图16(C)的高度方向的速度随时间变化上观察有较大的差别。在本试验中可知，由于是在高度方向几乎无变化的平地上行驶，所以计算出的速度应该为“0m/s”。观察通过GPS计算出的速度，即使经过时间也大致维持“0m/s”，从而获得正确的结果。 [0190] 不过，如果观察通过现有的惯性导航法计算出的速度，则高度方向的速度随时间推移，从“0m/s”逐渐减少，在经过了600秒的时候，达到了“-10m/s”。这是因为，由于未进行加速度传感器检测出的加速度的偏置修正，所以在对加速度进行积分求速度时，偏置值的误差也被积分了，从而在计算出的速度中积累有误差。 [0191] 图17是表示用本实施方式的方法进行Z轴偏置估算及偏置修正计算出速度的结果的图。虽然曲线图的表示方法与图16相同，但是表示高度方向的速度的结果的图17(C)的纵轴的比例尺与图16(C)不同。 [0192] 在本实施方式的惯性导航法中，观察到了在高度方向的速度随时间变化上，与现有的方法相比有大幅度的改进。也就是说，在现有的方法中随着经过时间累积有高度方向的速度的误差，但当观察图17(C)时，则可得知即使经过时间高度方向的速度也被维持在大致“0m/s”。这是因为通过进行了加速度的偏置修正，从而防止了在积分加速度而获得的速度中积累有误差的情况发生。通过这样，证实了本实施方式的方法的有效性。 [0193] 3.作用效果 [0194] 根据本实施方式，使用多个轴的加速度传感器在校正用姿势下的所述多个轴的检测值，计算偏置被假定为零时的姿势角即假定姿势角。而且，使用朝向铅直方向的一轴的检测值和假定姿势角，估算所述一轴的检测值所包含的偏置值。 [0195] 在多个轴的加速度传感器的所述多个轴的检测值中，包含有因加速度传感器的姿势原因而导致产生的重力加速度的所述检测轴方向的分量和偏置成分的两种成分。指定这些成分分别以哪种程度的比例包含在加速度传感器的检测值中是很困难的。因而，在本实施方式中，计算出作为将偏置假定为零的姿势角的假定姿势角，并使用朝向铅直方向的检测轴的检测值和假定姿势角，估算所述检测值所包含的偏置值。通过这样，能够分离重力加速度成分和偏置成分，从而确切地估算偏置值的大小。 [0196] 不过，如上所述，被估算的偏置估算值只不过是自始自终使用假定姿势角进行估算的假定偏置值。因而，使用偏置值的误差方差和假定姿势角计算出偏置值的估算误差。偏置估算误差取决于设置有加速度传感器的设置台的倾斜，如果加速度传感器设置在接近于水平的设置台上，则偏置估算误差变小。因此，通过将加速度传感器设置在视为水平的设置台上使用本实施方式的偏置估算方法，能够求出接近于真实的偏置值的偏置估算值。 [0197] 此外，如果求出接近于真实的偏置值的偏置估算值，则能够使用所述偏置估算值，准确地修正加速度传感器的检测值。而且，通过使用已修正的加速度传感器的检测值计算出姿势角，从而能够准确地估算加速度传感器的姿势。 [0198] 4.变形例 [0199] 下面，虽然对变形例进行说明，但是对与上述的实施方式通用的结构附加与上述的实施方式相同的符号，并省略其说明。 [0200] 4-1.电子设备 [0201] 在上述的实施方式中，虽然以将本发明应用于装载在四轮汽车上的导航装置的情况为例，进行了说明，但是可应用本发明的电子设备并不限定于此。例如，既可以应用于装载在摩托车上的导航装置，又可以应用于便携式导航装置。 [0202] 此外，当然只要是装载了加速度传感器的电子设备，则对其他用途的电子设备也可同样地适用本发明。例如，对装载了加速度传感器的便携式电话机或计算机、PDA(Personal Digital Assistant：个人数字助理)等的电子设备，也能够与上述实施方式同样地进行加速度传感器的偏置估算、偏置修正及姿势估算。 [0203] 4-2.处理的主体 [0204] 在上述的实施方式中，对导航装置的处理部进行加速度传感器的偏置估算及偏置修正的情况进行了说明。就是说，在装载了加速度传感器的电子设备中，电子设备的处理器进行偏置估算及偏置修正。不过，这些的处理的主体可适当设定变更。 [0205] 例如，在上述的实施方式中，虽然将IMU 70作为未包含处理部的构成进行了图示/说明，但是也可以将IMU 70构成为具有处理部的传感器模块。而且，IMU 70的处理部也可以进行加速度传感器的偏置估算和偏置修正。这时，传感器模块本身能够进行偏置估算及偏置修正。 [0206] 另外，传感器模块的处理部也可以进行加速度传感器的姿势估算。此外，也可以以偏置估算和姿势估算改变处理的主体。例如，也可以传感器模块的处理部进行偏置估算和偏置修正，电子设备的处理部使用来自传感器模块的输出值进行姿势估算。 [0207] 4-3.加速度传感器的温度补偿 [0208] 在上述的实施方式中，对加速度传感器是至少被温度补偿的传感器的情况进行了说明。也就是说，对在产品出厂阶段加速度传感器已完成温度补偿的传感器进行了说明。不过，也可以在产品出厂后进行温度补偿从而对加速度传感器的输出进行补偿。 [0209] 偏置值的温度依存特性诸如能够通过下式(12)的数学模型进行近似。 [0210] (公式12) [0211] bT＝b0+b1T+b2T2+……(12) [0212] 在公式(12)中，“T”是温度，左边的“bT”是在温度“T”下的偏置值。此外，右边的“b0、b1、b2、......”分别是相当于温度的0次、1次、2次、......的温度修正系数。 [0213] 温度修正系数能够在加速度传感器的制造阶段通过使用测试装置进行试验来求出。进行试验求出的温度修正系数被存储到具备加速度传感器的传感器模块的存储部或装载有加速度传感器的电子设备的存储部。 [0214] 图18是示出在这时传感器模块的处理部或电子设备的处理部所执行的温度补偿处理的流程的流程图。 [0215] 首先，处理部从存储部读出温度修正系数(步骤E1)。而且，处理部取得当前的温度(步骤E3)。温度能够通过传感器模块或电子设备所具备的温度传感器进行取得。 [0216] 接着，处理部使用公式(12)的近似模型，计算出通过步骤E3取得的温度“T”中的偏置值“bT”(步骤E5)。而且，处理部使用计算出的偏置值“bT”修正加速度传感器的输出值，并作为检测值(步骤E7)。而且，处理部结束温度补偿处理。 [0217] 通过这样，只要在进行了温度补偿之后，使用本实施方式的方法进行加速度传感器的检测值所残留的偏置值的估算及偏置修正就可以。 [0218] 4-4.加速度传感器的误差补偿 [0219] 加速度传感器的输出也包含有因向传感器模块安装加速度传感器不正确而导致的安装误差、因安装导致的其他轴灵敏度误差等的误差成分。因此，不但进行温度补偿，还同时进行这些误差成分的补偿，如果使用作为其结果获得的加速度传感器的检测值进行本实施方式的偏置估算，则更好。 [0220] 4-5.加速度传感器的轴数 [0221] 虽然以加速度传感器的轴数为三轴进行了说明，但是也可以为三轴以上。例如，既可以为将正交三轴的正负各个的轴方向视为独立的轴的六轴，又可以为扭转只原点相同的两种正交三轴坐标系而设定的六轴。此外，也可以为除正交以外的轴坐标系。不管怎样，只要能三维检测出加速度就可以，因此，需要多个轴(更准确为三轴以上)。 |
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