專利名稱：用于感測加速度的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感鋇(加速度的傳感器，也涉及包括傳感器的設(shè)備、方法、計算機(jī)程序產(chǎn)品以及介質(zhì)。
這種傳感器的一個示例是自由落體檢測器，這種設(shè)備的一個示例是消費(fèi)和非消費(fèi)產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
EP1612565AZ公開了一種自由落體檢測設(shè)備以及用于便攜式電子裝置的自由落體保護(hù)系統(tǒng)。
這種設(shè)備具有缺點(diǎn)之一在于，由于如EP1612565AZ第7欄第50到54行所述，加速度計優(yōu)選地安裝在靠近該便攜式電子裝置的質(zhì)心，以在該便攜式裝置在自由落體過程中旋轉(zhuǎn)的情況下減小任何向心加速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供更加全面的用于感測加速度的傳感器。
本發(fā)明的另外的目的之一在于提供一種包括更全面的傳感器的設(shè)備、方法、計算機(jī)程序產(chǎn)品和介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明用于感測加速度的傳感器包括
功口速度計，用于測量加速度，
一磁力計，用于測量磁場，以及
一處理器，用于響應(yīng)于至少一次加速度測量以及至少一次磁場測量來判斷加速度。
通過使用加速度計和磁力計的組合，并通過使處理器使用一次或更多加速度測量和一次或更多磁場測量，處理器能夠判斷加速度。璇存槑涔︾2/14欏墊錛屼竴嬈℃垨鏇村嫻嬮噺浠ュ強(qiáng)涓€嬈℃垨鏇村鍒ゆ柇鍙敤浜庝嬌寰椾紶鎰熷櫒鏇村叏闈€備緥濡傦紝鍦ㄤ紶鎰熷櫒琚畨瑁呭湪璺濈璁懼璐ㄥ績鐩稿杈冭繙鐨勪綅緗殑鎯呭喌涓嬶紝濡傛灉璁懼鍦ㄨ嚜鐢辮惤浣撹繃紼嬩腑鍙戠敓鏃嬭漿錛屽垯鍙兘鍙戠敓鍚戝績鍔犻€熷害錛屼絾鏄紝鏇村叏闈㈢殑浼犳劅鍣ㄧ殑嫻嬮噺鍜屽垽鏂兘澶熸嫻嬪埌榪欑鎯呭喌銆備緥濡傦紝鍦ㄨ澶囩殑鑷敱钀戒綋榪囩▼涓湭鍙戠敓鏃嬭漿鐨勬儏鍐典笅錛屼笉闇€瑕佸嚭鐜板悜蹇冨姞閫熷害錛岃€岀敱浜庢洿澶氫俊鎭彲鐢ㄧ殑浜嬪疄錛岃鏇村叏闈㈢殑浼犳劅鍣ㄧ殑嫻嬮噺鍜屽垽鏂粛鑳藉鏀硅繘浼犳劅鍣ㄧ殑鎬ц兘銆
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一磁場單元，用于將每時間間隔內(nèi)至少一個磁場信號的至少一個變化與至少一個速率闌值進(jìn)行比較。
一個或更多加速度信號與一個或更多加速度閡值的比較，以及每時間間隔內(nèi)一個或更多磁場信號的一個或更多變化與一個或更多(變化)速率閡值的比較產(chǎn)生了相對高質(zhì)量的判斷。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例由處理器來限定，所述處理器還包括
一判決單元，用于響應(yīng)于來自加速度單元和磁場單元的比較結(jié)果，判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn)(tumbling)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。
根據(jù)該實(shí)施例，加速度的判斷包括判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例由處理器來限定，所述處理器還包括
一區(qū)分單元，用于響應(yīng)于來自加速度單元和磁場單元的比較結(jié)果，將第一方向上的第一加速度和第二方向上的第二加速度進(jìn)行區(qū)分，以及
一判決單元，用于響應(yīng)于來自加速度單元和磁場單元的比較結(jié)果，判決第一加速度和第二加速度中的至少一個是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。
根據(jù)該實(shí)施例，加速度的判斷包括判決第一加速度和第二加速度中的一個或更多個是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。例如，區(qū)分單元包括濾波器，如卡爾曼(Kalman)濾波器，但不排除其他種類的濾波器以及其他種類的單元。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例由處理器來限定，所述處理器還包括
一控制單元，用于響應(yīng)于來自加速度單元和／或磁場單元的至少一個比較結(jié)果，控制時鐘信號產(chǎn)生器，所述時鐘信號產(chǎn)生器用于產(chǎn)生可璇存槑涔︾4/14欏靛彉鏃墮挓淇″彿錛屾墍榪板彲鍙樻椂閽熶俊鍙峰畾涔夊彲鍙樺甫瀹介€熺巼鍜岋紡鎴栧彲鍙橀噰鏍烽€熺巼銆
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具體實(shí)施例方式


圖1所示的傳感器1包括加速度計11，用于測量加速度；磁力 計12,用于測量磁場；以及處理器13，用于響應(yīng)于至少一次加速度測 量和至少一次磁場測量來判斷加速度。此外，計量表11和12的輸出
連接到處理器13的輸入。例如，加速度可以是如圖2所述的包括傳感 器1的設(shè)備2的加速度?？蛇x地，加速度可以是攜帶傳感器的人的加 速度，或以車輛形式的設(shè)備的加速度，由此，可以存在另外的設(shè)備， 以有線和/或無線的方式連接到傳感器的輸出。響應(yīng)于一個或更多判 斷，另外的設(shè)備可以采取行動，如產(chǎn)生警告信號、發(fā)起呼叫、感測傳 真或消息或電子郵件等。
例如，加速度計11包括至少二維加速度計，用于測量例如至少 兩個維度上的加速度并用于例如對每次加速度測量產(chǎn)生至少兩個加速 度信號。這些至少兩個加速度信號可以通過串行連接或通過并行連接 提供給處理器13。接口可以是模擬的或數(shù)字的。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以在加速 度計中或在處理器13中進(jìn)行。在第一種情況下，數(shù)字接口可以包括 I2C禾口/或SPI。
例如，磁力計12包括至少二維磁力計，用于測量例如至少兩個 維度上的磁場并用于例如對每次磁場測量產(chǎn)生至少兩個磁場信號。這 些至少兩個磁場信號可以通過串行連接或通過并行連接提供給處理器 13。接口可以是模擬的或數(shù)字的。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以在磁力計12中或在處 理器13中進(jìn)行。在第一種情況下，數(shù)字接口可以包括I2C和/或SPI。
對于自由落體應(yīng)用，三維加速度計是優(yōu)選的，但不排除二維加速 度計。磁力計可以是三維磁力計，但是不必需是三維磁力計，也可以 是二維磁力計。由于二維磁力計能夠更易于生產(chǎn)、成本更低、可以更 耐用、尺寸更小這一事實(shí)，使用二維磁力計能帶來極大的優(yōu)點(diǎn)。
例如，處理器13包括加速度單元14，用于將源自加速度計ll 的至少一個加速度信號與至少一個加速度閾值進(jìn)行比較；以及磁場單元15，用于將源自磁力計12的每時間間隔內(nèi)的至少一個磁場信號的
至少一個變化與至少一個速率閾值進(jìn)行比較。此外，單元14和15的 輸入連接到處理器13的輸入并/或形成處理器13的輸入。
例如，處理器13還可以包括判決單元17，用于響應(yīng)于來自加速 度單元14和磁場單元15的比較結(jié)果，判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn)自 由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。此外，單元14和15的輸出連接 到單元17的輸入。
可選地，處理器13還可以包括區(qū)分單元18 (如濾波器)，用于 響應(yīng)于來自加速度單元14和磁場單元15的比較結(jié)果，將第一方向上
的第一加速度與第二方向上的第二加速度進(jìn)行區(qū)分；以及判決單元 17，用于響應(yīng)于來自加速度單元14和磁場單元15的比較結(jié)果，判決
第一加速度和第二加速度中至少一個是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn) 自由落體的一部分。此外，單元14和15的輸出連接到單元17的輸入 以及單元18的輸入，單元18的輸出連接到單元17的另一個輸入。
圖2所示的設(shè)備2包括已在圖1中描述的傳感器1，還包括例如 設(shè)備處理器21、存儲器22以及輸出接口 23。在此情況下，設(shè)備處理 器21的輸入連接到處理器13 (的判決單元17)的輸出，設(shè)備處理器 21的輸入/輸出連接到存儲器22的輸入/輸出，以及設(shè)備處理器21的 輸出連接到輸出接口 23的輸入。在設(shè)備2是MP3播放器或移動電話 的情況下，例如，輸出接口 23包括顯示器和/或揚(yáng)聲器。
除了區(qū)分單元18被控制單元19所替換之外，圖3所示的傳感器 1與圖1所述的傳感器相對應(yīng)，控制單元19用于響應(yīng)于來自加速度單 元14禾B/或磁場單元15的至少一個比較結(jié)果，控制時鐘信號產(chǎn)生器 24，時鐘信號產(chǎn)生器24用于產(chǎn)生可變時鐘信號，所述可變時鐘信號定 義可變帶寬速率和/或可變采樣速率。此外，單元14和15的輸出連接 到單元19的輸入，單元19的輸出連接到將通過圖4進(jìn)一步闡述的時 鐘信號產(chǎn)生器24的輸入。
除了還包括時鐘信號產(chǎn)生器24外，圖4所述的設(shè)備2與圖3所 述的設(shè)備相對應(yīng)。在此情況下，設(shè)備處理器21的另外的輸入/輸出連 接到時鐘信號產(chǎn)生器24的輸入/輸出，時鐘信號產(chǎn)生器24的輸出反饋到傳感器1的時鐘信號輸入。在圖3中，虛線箭頭指示了時鐘信號的 提供。
在處理器13中，單元14和15可以被視為數(shù)據(jù)接口單元，單元 17-19可以被視為數(shù)據(jù)處理單元。在此情況下，處理器13包括接口部 分和處理部分16，接口部分包括單元14和15，處理部分16包括單元 17-19。例如，接口部分具有比較任務(wù)和/或閾值任務(wù)，例如，處理部 分16具有判決任務(wù)和域區(qū)分任務(wù)和域控制任務(wù)，但并不排除具有另 外的任務(wù)。
因此，例如，加速度的判斷可以包括判斷總加速度(如兩個或三 個方向上的加速度的均方根)是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落 體的一部分，和/或包括判決在兩個或三個方向上的加速度中的一個或 更多是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分?？蛇x地，加 速度的判斷可以包括控制時鐘信號產(chǎn)生器，例如，在一個或更多比較 結(jié)果指向可能的翻轉(zhuǎn)自由落體的方向或可能的非翻轉(zhuǎn)自由落體的方向 的情況下，增大時鐘信號以向傳感器提供增大的帶寬和/或增大的采樣 速率等以提高精確度?；蛘撸铀俣鹊呐袛嗫梢园刂茣r鐘信號產(chǎn) 生器，例如，在一個或更多比較結(jié)果指向背離可能的翻轉(zhuǎn)自由落體的 方向或可能的非翻轉(zhuǎn)自由落體的方向的情況下，減小時鐘信號以向傳 感器提供減小的帶寬和/或減小的采樣速率等以減少功率消耗。
例如，傳感器1保護(hù)存儲器22 (如硬盤或其他種類的盤或記憶棒 等)抵御由例如設(shè)備2的自由落體所造成的以加速度值的振動和/或碰 撞和/或跳躍。 一旦傳感器檢測到可能的自由落體，就可以將存儲器 22帶入保護(hù)模式。傳感器1可以保護(hù)設(shè)備2的其他部分以及/或可選 地，如設(shè)備處理器21和/或輸出接口 23等。
每一個單元14、 15、 17-19可以是100%的硬件、100%的軟件或 兩者的混合。每一個單元14、 15、 17-19可以劃分成兩個或多個子單 元，且兩個或更多單元14、 15、 17-19可合并為一個更大的單元。單 個單元14和15可部分地或完全地轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的計量表11和12中。 處理器13可部分地或完全地與設(shè)備處理器21合并。時鐘信號產(chǎn)生器 24可部分地或完全地轉(zhuǎn)移到傳感器1中。雖然在圖3中，每一個計量表11和12以及每一個單元14、 15、 17-19具有(硬件和/或軟件的) 時鐘輸入，但是在實(shí)際中， 一個或更多計量表和/或一個或更多單元也 可以在沒有這樣的時鐘輸入的情況下運(yùn)行。
因此，將磁力計12添加到加速度計11中，例如，磁力計12測 量地球磁場。在姿態(tài)感測系統(tǒng)中，加速度計11和磁力計12共同提供 充分的信息以允許確定設(shè)備2的姿態(tài)。在翻轉(zhuǎn)自由落體的情況下，定 向感測功能的精確度可能實(shí)質(zhì)上比其設(shè)計所針對的準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)感測期 間要更差。然而，雖然動態(tài)姿態(tài)確定的精確度受到限制，但是由于旋 轉(zhuǎn)時磁力計12關(guān)于地球磁場的指向可能動態(tài)變化，因此翻轉(zhuǎn)運(yùn)動將產(chǎn) 生磁力計輸出信號的變化。
為了在較早階段檢測到多數(shù)翻轉(zhuǎn)自由落體，所提出的建議之一 是，當(dāng)加速度在預(yù)定的窗口之外大約lg時，尋找磁力計信號的變化。 如果總加速度在該窗口之外且如果磁力計信號中的至少一個信號以高 于預(yù)定閾值速率的速率變化，這種情況可以被歸類為翻轉(zhuǎn)自由落體。 如果總加速度在該窗口之外但是沒有磁力計信號充分快地變化，可以 檢查在加速度窗口外花費(fèi)的時間。
包括磁力計12并檢查其信號變化的優(yōu)點(diǎn)在于，與單獨(dú)使用加速 度計11的可能情況相比，可以在較早的階段檢測到翻轉(zhuǎn)自由落體。對 于從相對較低的高度發(fā)生的墜落(這種情況下可用的時間預(yù)算相對受 限)，這樣一種對響應(yīng)時間的改善特別有益。在示例I中描述了在發(fā)生 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動的情況下，使用磁力計信號來降低響應(yīng)時間的方法。
同樣，如果設(shè)備2的運(yùn)動不包括旋轉(zhuǎn)，添加磁力計12可以增加 (自由落體)傳感器1的可靠性。示例II描述了如何從垂直外部加速 度中分辨出水平外部加速度。這允許減少誤報檢測率。
一種相關(guān)但獨(dú)立的益處可能在于，自由落體預(yù)檢測可以使用加速 度計信號外加磁力計信號。這是判決檢測系統(tǒng)是否應(yīng)當(dāng)切換至高帶寬 (非常需要功率)的檢測模式。在示例III中描述作為自由落體預(yù)檢 測的使用。
示例I:本示例的目的是在設(shè)備2處于翻轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn))自由落體的 情況下減少響應(yīng)時間。檢測準(zhǔn)則是出現(xiàn)顯著的外部加速度(檢測為三個加速度計信號的RMS和與lg的偏差)和充分高的磁力計信號變化
速率。 一旦設(shè)備2墜落，大致地，沒有外力(或扭力)作用在設(shè)備2
上。因此，在本體固定的坐標(biāo)系中以及在地球固定的參考坐標(biāo)系中， 旋轉(zhuǎn)軸的指向是恒定的。
在發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，來自特定磁力計軸的信號的變化速率取決
于旋轉(zhuǎn)軸的指向，所述旋轉(zhuǎn)軸的指向是相對于a)磁力計靈敏度軸的 指向，以及b)在使用地球磁場作為參考的情況下地球磁場矢量的指 向。如果旋轉(zhuǎn)軸平行于這兩個方向中的任一個，則不會觀察到信號變 化。在第一種情況下，另一個磁力計軸(指向與本體固定的坐標(biāo)系中 不同)將給出信號變化，而在第一種情況下，沒有一個磁力計軸會給 出信號變化。因此，如果旋轉(zhuǎn)軸不與地球磁場矢量平行，則可以在任 一磁力計軸上看到信號變化。
墜落物體的旋轉(zhuǎn)軸通常指向水平方向，這是因?yàn)檎迷趬嬄淝埃?扭力施加在本體上。通常支持物體的力必須抵抗重力并因此垂直指向。 正好在物體墜落之前，重力將物體質(zhì)心向下拉，而垂直向上的支持力 施加在物體的另一部分。因此， 一旦物體處于自由落體狀態(tài)，兩股垂 直力將水平的扭力施加到本體上，導(dǎo)致水平指向的角度動量(或旋轉(zhuǎn) 軸)。 一個示例是物體從桌面墜落的情況。
除了赤道附近的區(qū)域之外，地球磁場在地球的多數(shù)位置具有顯著 的垂直分量。因此水平旋轉(zhuǎn)軸不太可能平行與地球的磁場。甚至在赤 道上，旋轉(zhuǎn)軸必須是北-南方向才看不到磁力計的信號變化。安裝在旋
轉(zhuǎn)物體上的特定磁力計信號的變化速率根據(jù)公式(1)而變化
其中S(t)是在磁力計軸上觀察到的信號，M(t)是特定磁力計軸(由于 旋轉(zhuǎn)而隨時間變化)的靈敏度矢量，B是地球磁場矢量。所觀察到的 信號是場在靈敏度軸上的垂直投影(即點(diǎn)積)。靈敏度矢量M(t)關(guān)于 旋轉(zhuǎn)軸Q (單位長度矢量)旋轉(zhuǎn)。如果我們將在1=0時刻的靈敏度矢 量表示為Mo，旋轉(zhuǎn)角表示為a(t) = cot，其中co代表旋轉(zhuǎn)速率，靈敏度 矢量M(t)如下變化M.(/) : (M0'醉fj - sin (M。 x c嫌(/)' ((M(j x (2 )
公式(2)基于羅德里格斯旋轉(zhuǎn)方程(Rodrigues，rotationformula)。 瞬時靈敏度矢量M(t)由三項(xiàng)組成 一個常數(shù)項(xiàng)是平行于旋轉(zhuǎn)軸n，第 二項(xiàng)隨著sina而變化，是垂直于初始靈敏度矢量M()和旋轉(zhuǎn)軸n，第 三項(xiàng)隨著cosa而變化，位于包含Mq和Q的平面中但不垂直于Q。
靈敏度矢量的時變部分由公式(2)的最后兩項(xiàng)給出。如果將公 式(2)的時變部分代入公式(1)，磁力計信號的時變部分為
-sin or(,)'(M0 >;叫B -咖a(f)' ((M。 x Cl)x JB ( 3 )
在兩項(xiàng)中與B的點(diǎn)積能夠計算出，產(chǎn)生 ^c(/) = sia Mfl, (Bxii)+cosa(/》(ftf。 xCJ).(Bx ft) (4 )
這顯示了磁力計信號變化的幅度與旋轉(zhuǎn)軸和地球磁場的叉積成 正比(平行->沒有信號變化；垂直->信號變化最大)。對于使得SAC(t)= 0的旋轉(zhuǎn)角度ctn^，可以獲得最大的變化速率
咖g鵬=二4 "、
對應(yīng)的最大變化速率如下
怒JC
改
:"cosor踐,M。 ， (B x Si)—sin汰咖，x Q》(BxS1》 4(M0 (Bx S2》2 + (M。 * (B x
(6)
在叉積BXQ很大的情況下(即旋轉(zhuǎn)軸充分垂直于地球磁場)， 比較磁力計信號的變化速率和預(yù)定閾值，將給出對設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是 否令人擔(dān)憂的良好指示。
公式(6)也可寫成as.
=W((M0 xO)-(Bx鄉(xiāng)+((M0 xft)'B)5
(7)
0f
這顯示了如果旋轉(zhuǎn)軸平行于磁力計靈敏度矢量，則磁力計的信號
13不會有變化。幸運(yùn)的是，由于磁力計具有至少一個附加軸垂直指向第 一磁力計軸，因此，第二 (以及可能地第三)磁力計軸將垂直于旋轉(zhuǎn) 軸并因此產(chǎn)生最大變化速率。因此，優(yōu)選地獨(dú)立地同時監(jiān)控所有的磁 力計軸，以確定設(shè)備是否以令人擔(dān)憂的速率旋轉(zhuǎn)。
如前所述，可能的旋轉(zhuǎn)軸本質(zhì)上是水平的。如果地球磁場的傾角
是(Pi，則在旋轉(zhuǎn)軸和磁場之間的角度e界定如下
,闊。 (8)
如果旋轉(zhuǎn)軸沿北-南方向指向，則e可達(dá)到下邊界，而如果旋轉(zhuǎn)軸
沿著西-東方向指向，則0可達(dá)到90。。叉積BXQ與sine成比例。因 此對于士30。的傾角(在從赤道大約緯度士20。處達(dá)到)，可以使磁力計信 號變化速率超過預(yù)定閾值的旋轉(zhuǎn)速率可以以2為因子而變化。對于更
大的傾角(對應(yīng)于進(jìn)一步遠(yuǎn)離赤道的位置)，臨界旋轉(zhuǎn)速率的變化將更 小。
當(dāng)任何可用的磁力計信號的變化速率超過預(yù)定閾值時，并且如果
同時總加速度的幅度(由加速度計信號的RMS和來確定)與lg的偏 差大于另一個預(yù)定閾值，則立即將這種情況歸類為(翻轉(zhuǎn))自由落體。 如果總加速度與lg的偏差大于預(yù)定閾值，但沒有磁力計信號的 變化速率超過預(yù)定閾值，則必須監(jiān)控加速度在持續(xù)時間為At的最近時 間間隔上的時間積分是否超過又一個閾值
- 卜, > 〖te謹(jǐn) ^ (9)
如果超過該閾值，則將設(shè)備運(yùn)動歸類為非翻轉(zhuǎn)自由落體。
示例II:本示例使用例如卡爾曼濾波器中的模型誤差來估計外部 加速度。在本示例中，應(yīng)用動態(tài)狀態(tài)估計技術(shù)(如卡爾曼濾波)來估 計設(shè)備2的姿態(tài)。同樣，如果設(shè)備運(yùn)動不包括旋轉(zhuǎn)，則本示例給出較 低的誤報檢測率。
卡爾曼濾波器是一種估計狀態(tài)矢量的迭代算法。從當(dāng)前采樣時刻 所估計的狀態(tài)(如姿態(tài))中，預(yù)測下一采樣時刻的傳感器信號。預(yù)測計算使用表示地球重力的已知矢量以及在參考坐標(biāo)框架內(nèi)的磁場矢 量。將針對當(dāng)前采樣時刻預(yù)測的傳感器信號矢量與當(dāng)前采樣時刻所測 量到的傳感器信號矢量進(jìn)行比較，并形成其差值。使用該差值矢量(誤 差矢量)來更新(校正)針對當(dāng)前釆樣時刻的狀態(tài)估計。
由于傳感器噪聲、模型誤差以及姿態(tài)隨時間而變化，因此誤差矢 量偏離于零。由于所使用的模型通常僅覆蓋準(zhǔn)靜態(tài)情況(即沒有加速 度)，任何外部加速度將導(dǎo)致模型誤差，模型誤差隨著誤差矢量的增大
(實(shí)際上是誤差協(xié)方差矩陣的增大；誤差協(xié)方差矩陣測量誤差矢量的
二階統(tǒng)計力矩)而出現(xiàn)。模型誤差是所測量的傳感器信號矢量不再能 更好地符合地球重力和磁場矢量模型的結(jié)果。誤差協(xié)方差矩陣的系數(shù) 的增大是外部加速度(可能由于自由落體)的清晰指示。使用卡爾曼 濾波器所估計的姿態(tài)，可以將外部加速度(與加速度計信號相對應(yīng)的 誤差矢量分量)變換回到參考坐標(biāo)系。如果所變換回的外部加速度具 有指向下方垂直分量，我們可能正處于自由落體的情況。為了做出最 終的判決，所估計的垂直外部加速度在固定的但是移動的時間間隔上
(例如在最近的50ms上)積分。當(dāng)該積分超過某個預(yù)定限制時，可 以判決設(shè)備2處于自由落體情況。
在本示例中，對外部加速度的幅度和方向進(jìn)行估計，優(yōu)選地，單 獨(dú)進(jìn)行所述估計并與重力加速度分離。這一信息可以比總加速度的幅 度更詳細(xì)。此外，由于也估計了設(shè)備2的姿態(tài)，甚至可以估計外部加 速度在參考坐標(biāo)框架中的方向，可以檢査其是否具有充分大的垂直向 下分量，以證明歸類為自由落體是否正確。由于水平加速度(通常不 應(yīng)歸類為自由落體)可以與垂直加速度(很可能歸類為自由落體)區(qū) 分，因此，同樣在沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的情況下，本方法提供了較低的誤報 檢測。
示例III:例如，為了節(jié)約移動設(shè)備中的功率，從性能的角度，用 于正常用途的帶寬和采樣速率被選擇為盡可能低。對于指向傳感器， 其正常用途是用作羅盤和指向，其典型帶寬可以在10Hz到100Hz的 范圍之內(nèi)。由于自由落體典型地取100ms數(shù)量級，因此，在檢測到可 疑情況之后的幾ms內(nèi)，帶寬和采樣速率應(yīng)向上調(diào)整到幾百Hz。從正常情況中辨別可疑情況是作為預(yù)檢測器工作的傳感器1的任務(wù)。
優(yōu)選地，預(yù)檢測器應(yīng)當(dāng)簡單、靈敏和快速。允許具有相對高的誤 報率但絕對應(yīng)具有低漏報率。換言之，傳感器應(yīng)能夠?qū)缀跛姓娴?自由落體情況標(biāo)記為"可疑"，同時也允許將相對大數(shù)量的真的正常情 況標(biāo)記為"可疑"。預(yù)檢測功能監(jiān)控來自加速度計11和磁力計12的信 號以發(fā)現(xiàn)異常。無論何時，只要觀察到任何信號中的異常或這些信號 中適當(dāng)功能的異常，預(yù)檢測器都應(yīng)做出響應(yīng)。例如，異常包括各個加
速度計信號中的任一個的突然變化；加速度計信號的RMS和在lg附 近的窗口之外；以及任何磁力計信號的高速變化。
在移動電話的環(huán)境中，預(yù)檢測器響應(yīng)還可以導(dǎo)致附加措施，例如， 可以創(chuàng)建告警信號以允許支持高帶寬的自由落體檢測的高優(yōu)先級的基 帶處理最終導(dǎo)致硬盤保護(hù)?？梢员３只蛏踔林袛啻侮P(guān)鍵的處理，而可 采取安全放置硬盤的第一措施。作為示例，可以中斷讀或?qū)戇^程，使 得在自由落體環(huán)境的情況下，系統(tǒng)可采取立即的保護(hù)動作。
概括而言，向用于感測加速度的傳感器1提供了加速度計11用 于測量加速度，提供了磁力計12用于測量磁場，并提供了處理器13 用于響應(yīng)于加速度測量和磁場測量來判斷加速度。處理器13可以包 括加速度單元14，用于將加速度信號和加速度閾值進(jìn)行比較，以及 磁場單元15，用于將每時間間隔內(nèi)的磁場信號的變化與速率閾值進(jìn)行 比較。例如，處理器13還可以包括判決單元17，用于響應(yīng)于來自加 速度單元14和磁場單元15的比較結(jié)果，判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn) 自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。處理器13也可以包括區(qū)分單元 18以及控制單元19。設(shè)備2可以包括傳感器1。
盡管在附圖和先前的描述中詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明，但是這樣 的說明和描述應(yīng)被視為示意性或示例性的，而非限制性的；本發(fā)明并 不局限于所公開的實(shí)施例。基于對附圖、本公開以及所附權(quán)利要求的 研究，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明時理解和實(shí) 現(xiàn)所公開的實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求中，"包括"一詞并不排除 其他元件或步驟。不定冠詞"一"并不排除使用多個這樣的元件或步 驟。單個處理器或其他單元可以滿足權(quán)利要求中提到的若干項(xiàng)功能。一個基本的事實(shí)是，在相互不同的從屬權(quán)利要求中提到的特定措施并 不意味著這些措施的組合不能用來取得有益效果。計算機(jī)程序可以被 存儲/分布在適合的介質(zhì)上，如光存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，這些介質(zhì)與其 他硬件一起提供，或作為其他硬件的一部分來提供，也可以以其他形 式來分布，如通過互聯(lián)網(wǎng)或其他有線或無線通信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的 任何參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為對保護(hù)范圍的限制。
1權(quán)利要求
1. 一種用于感測加速度的傳感器(1)，所述傳感器(1)包括-加速度計(11)，用于測量加速度，-磁力計(12)，用于測量磁場，以及-處理器(13)，用于響應(yīng)于至少一次加速度測量以及至少一次磁場測量來判斷加速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(1)，其中，所述加速度計(11)包括至少二維加速度計，所述至少二維加速度計用于測量至少兩個維 度上的加速度，并用于對每次加速度測量產(chǎn)生至少兩個加速度信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(1)，其中，所述磁力計(12) 包括至少二維磁力計，所述至少二維磁力計用于測量至少兩個維度上 的磁場，并用于對每次磁場測量產(chǎn)生至少兩個磁場信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(1)，其中，所述處理器(13) 包括-加速度單元(14)，用于將至少一個加速度信號和至少一個加速 度閾值進(jìn)行比較，以及-磁場單元(15)，用于將每時間間隔內(nèi)至少一個磁場信號的至少 一個變化與至少一個速率閾值進(jìn)行比較。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器(1)，所述處理器(13)還包括 -判決單元(17)，用于響應(yīng)于來自所述加速度單元(14)和所述磁場單元(15)的比較結(jié)果，判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或 非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器(1)，所述處理器(13)還包括 -區(qū)分單元(18)，用于響應(yīng)于來自所述加速度單元(14)和所述磁場單元(15)的比較結(jié)果，將第一方向上的第一加速度和第二方向 上的第二加速度進(jìn)行區(qū)分，以及-判決單元(17)，用于響應(yīng)于來自所述加速度單元(14)和所述 磁場單元(15)的比較結(jié)果，判決所述第一加速度和所述第二加速度 中的至少一個是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器(1 )，所述處理器(13)還包括:-控制單元(19)，用于響應(yīng)于來自所述加速度單元(14)和/或所 述磁場單元(15)的至少一個比較結(jié)果，控制時鐘信號產(chǎn)生器(24)， 所述時鐘信號產(chǎn)生器(24)用于產(chǎn)生可變時鐘信號，所述可變時鐘信 號定義可變帶寬速率和/或可變采樣速率。
8. —種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(1)的設(shè)備(2)，所 述加速度為所述設(shè)備(2)的加速度。
9. 一種用于感測加速度的方法，所述方法包括以下步驟 -測量加速度，-測量磁場，以及-響應(yīng)于至少一次加速度測量以及至少一次磁場測量來判斷加速度。
10. —種計算機(jī)程序產(chǎn)品，用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法 的步驟。
11. 一種介質(zhì)，用于存儲并包括根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計算機(jī)程 序產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明向用于感測加速度的傳感器(1)提供了加速度計(11)用于測量加速度，提供了磁力計(12)用于測量磁場，并提供了處理器(13)用于響應(yīng)于加速度測量和磁場測量來判斷加速度。處理器(13)可以包括加速度單元(14)，用于將加速度信號和加速度閾值進(jìn)行比較，以及磁場單元(15)，用于將每時間間隔內(nèi)的磁場信號的變化與速率閾值進(jìn)行比較。處理器(13)還可以包括判決單元(17)，用于響應(yīng)于來自加速度單元(14)和磁場單元(15)的比較結(jié)果，判決總加速度是否形成翻轉(zhuǎn)自由落體或非翻轉(zhuǎn)自由落體的一部分。處理器(13)也可以包括區(qū)分單元(18)以及控制單元(19)。設(shè)備(2)可以包括傳感器(1)。
文檔編號G01P15/18GK101473231SQ200780023122
公開日2009年7月1日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者漢斯·波依, 特尼斯·簡·伊金克 申請人:Nxp股份有限公司