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TWI512295B - 提供對準信號的方法與裝置以及具有此裝置的可攜帶的器具 - Google Patents

提供對準信號的方法與裝置以及具有此裝置的可攜帶的器具 Download PDF

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TWI512295B
TWI512295B TW100101174A TW100101174A TWI512295B TW I512295 B TWI512295 B TW I512295B TW 100101174 A TW100101174 A TW 100101174A TW 100101174 A TW100101174 A TW 100101174A TW I512295 B TWI512295 B TW I512295B
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appliance
determining
signal
measurement
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TW100101174A
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Daniel Schifferdecker
Julian Bartholomeyczik
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Bosch Gmbh Robert
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Publication date
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    • G01B21/22—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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Description

提供對準信號的方法與裝置以及具有此裝置的可攜帶的器具
本發明有關於朝向(Ausrichtung)的測定，特別是本發明關於提供一信號的方法與裝置，該信號指示一可攜帶之器具的空間朝向。
可攜帶的器具，如手機或個人數位助手(PDA)有一顯示器，它可依器具在空間的朝向而定將一預定的內容作不同的顯示。例如一容可在顯示器上呈高度格式(直格式)(Hochformat)(“肖像”)或呈橫格式(Querformat)(“風景”)方式顯示，各依使用者是否將該器具用度格式或橫格式拿住而定。
美專利US 2006/0204232 A1提到一種攝影機，具有一方向感測器以測定該器具在空間的朝向，俾依此器具的一定位置和一定之空間朝向利用一虛擬鍵盤輸入。
用於測定習知器具的空間朝向的器具一般所用的感測器會受到不同的干擾影響，因此一提供的信號(它指示該器具的空間朝向)往往不能忽視。為了根據所提供的信號充分準確地測定該可攜帶器具的朝向，故各感測器可針對干擾值個別地校準(kalibrieren)。在此該感測器施以一已知之加速度及一已知干擾值，並接收由感測器產生的值與一修正值之間的差。對多數干擾值作這種測定，並由多數如此測定的差值產生一特性線(Kennlinie)，在作測量時，將特性線 的一值與各個由感測器產生的值根據一定的溫度為基礎相關聯，據此可測定一正確的測量值，這種所謂的「感測器的校準」由於在感測器生產時有製造誤差，因此須對各感測器個別地作，這點很繁複且花錢。
本發明的目的在提供一種較佳的提供對準信號的技術。
這種目的達成之道係利用一種具有申請專利範圍第1項的特點的本發明的方法，及一種具有申請專利範圍第7項的特點的本發明的裝置，及一種具有申請專利範圍第10項的特點的本發明的器具。申請專利範圍附屬項為有利的實施例。
為了提供一信號(它指示一可攜帶器具的空間朝向)，首先測定一方向(地球重力加速度由此方向作用到該器具)。然將測定的方向與一確定的參考方向比較，當依比較結果提供信號。在此要確定此參考方向，係將一個影響方向的測定的值檢出，並依此有影響作用的值確定參考方向。也可不用此影響方向測定的值，而使用影響方向測定之準確性的值。在此，測定重力加速度作用到器具的方向的技術，二方向比較的方法，依比較結果如何產生信號，以及如何檢出該影響性的值以及如何判斷此值是否有影響性，以及如何根據此值確定參考方向的方法細節，並非本發明的要點所在，本發明重點在揭示申請專利範圍主項的大原則步 驟，而不在個別步驟如何實施的細節。這些細節對於信號處理的專家都是一般常識，並非發明要點，也沒有執行上的問題或困難。
因此可避免一種裝置的繁複校準作業(利用它測定重力加速作用到該器具上的方向)，如此生產成本可降低。舉例而言，該有影響作用的值以及其對於方向測定的影響之間的關係可廉價地用經驗對多數測定裝置實施，因此可使用一般情形或最惡劣情形中預期的影響的值以確定參考方向。
依本發明一較佳實施例也可使用二個不同的參考方向，其中比較結果取決於二個參考方向通過該一定方向的序列順序。這種方式的比較稱為磁滯(滯後現象)(Hysterese)比較或史密特觸發器。這二個參考方向之間的不同(磁滯)可與該影響作用的值(特別是該影響性的值與一固定之參考值的差有關，該確定的參考值可表示一種條件，在此條件下，該測定裝置可利用該值最佳化或校準或補償成儘量小的影響。在此，本發明的要點也只在這種原則性的步驟，至於個別步驟的細節，亦非本發明要點，例如二個不同參考方向的順序的檢出，就是習知之滯後現象或史密特觸發器的技術，而臨限值的設定及其與相關值的差異及處理做法，更是習知的自動控制方面的電子技術，並非本發明要點。
用此方式，如果該值對方向測定的影響很小，則磁滯可保持很小，且如果該值對方向測定的影響大，則磁滯可 加大，在最有利的狀況，換言之，當該值對方向測定的影響很大或該有影響作用的值與確定之參考值之間的差很大，固然信號相對對於器具空間朝向的變化的敏感性降低，但同時該測定作用的強固性(Robustheit，英：robustness)提高，因此可避免由於該有影響作用的值的干擾造成不想要的信號變化。也可用相關的方式將對於方向測定的準確性的影響模型化(modellieren)。
要測定從該器具的一確定之「空間朝向」過渡到另一個確定的「空間朝向」的過渡作用，可根據該測定的方向測定該器具的傾斜角度。此傾斜角度可將一多維的朝向映射(abbilden，英：imaging)到單一值，因此進一步的處理〔例如與一臨限值(當作參考值)比較〕可簡化。
此有影響性的值可為一溫度，特別是該用於測定方向的測定裝置的溫度。一有利方式係將測定裝置與一溫度感測器整合。該有影響作用的值可表示該溫度與一確定的參考溫度之間的差，其中該參考溫度可對應於一室溫。此測定裝置可包含一加速度感測器，以對於三個成對互相線性獨立的空間方向作感測，因此可在一個三維的空間中測定地球重力加速度的方向。這三個空間方向一般都是互相垂直的x、y、z(縱向、橫向、高度方向)。空間的加速度乃是三維加速度的合力。這種三維加速度的分析乃是習知技術，並非本發明要點。
此信號可代表該器具的數個確定之離散的空間朝向中的一個朝向。一種有利方式，可由此信號直接導出該器具 的一顯示模組或操作模組，例如「高(直)格式」「橫格式」或「平躺」。
本發明另一標的為一測定信號的測定裝置以及一個具有此測定裝置的器具。
以下配合附圖詳細說明本發明的實施例。
圖1顯示一可攜帶器具(100)的一方塊圖，此可攜帶器具(100)包含一處理裝置(110)、一顯示器(120)、一輸入裝置(130)、一加速度感測器(140)及一溫度感測器(150)。此處理裝置(110)與各上述元件(120)(130)(140)(150)連接。此加速度感測器測定至少一維的加速度，且宜用MEMS技術建構成微電機械系統形式。加速度感測器(140)宜為一個三維加速度感測器，它將一個三維的笛卡爾(kartesisch)坐標系統中的加速度檢出。此加速度感測器(140)提供一測量值，它可推斷器具軸與空間軸之間的一個或數個角度。為此，加速度感測器可直接測定繞器具軸的角度或由該沿器具軸的重力加速度的值推斷該角度，例如：利用α=cos-1 (Fz)(在一維的情形)或利用(在二維的情形，其中Fx、Fy及Fz表示沿x軸、y軸、z軸的地球重力加速度。這種換算成角度的作業也可利用處理裝置(110)實施。最好，溫度感測器(150)做成與加速度感測器(140)整合。
顯示器(120)設計成將一要顯示的內容用不同格式，例如高度皮或橫格式輸出。如不用此方式，也可由顯示器(120) 或由處理裝置(110)對應地配合要輸出的內容。
處理裝置(110)設計成用於提供一信號，該信號表示器具(100)的一空間朝向。舉例而言，此信號可為一電信號或一軟體信號呈一信號燈(Semaphor)、一中斷(interrupt)、一多次使用的變數、一功能呼叫、或類似物的形式，特別是可提供一種應用(Applikation)的信號，此應用依信號而定將一內容顯示在顯示器(120)上或在顯示前作處理。此應用可同樣地在處理裝置(110)上進行。
圖2顯示圖1的器具(100)的一度空間朝向。器具(100)有一縱軸y、一橫軸x及一高度軸z，它們呈笛卡爾坐標形式。為了一目瞭然起見，在器具(100)旁並不從原點(Ursprung)而在θ的頂點(Scheitelpunkt)表示。器具(100)繞z軸在空間中轉動的朝向，使重力加速度Fg 對縱軸y呈一角度α作用到器具(100)。此外顯示二個對縱軸y的參考方向α1 ，α2 ，它們夾成一角度θ。
在圖1的器具(100)中，在第一實施例中的信號係可藉著將角度α的參考方向α1 或α2 比較而測定。各依器具(100)繞z軸的轉動情形而定，一第一空間朝向A可利用α>α1 ，一第二空間朝向B可利用α1 >α>α2 ，一第三空間朝向C可利用α<α2 定義。在一第二實施例，器具(100)繞z軸朝向可藉著將角度α與二參考方向α1 ，α2 比較依一磁滯方式測定。各依α以何種順序通過參考方向α1 及α2 而定，可描述一第四朝向D一第五朝向E的α1 及α2 的一區域(見圖4)。舉例而言，朝向C與D可一高度格式，而朝向A與E可代 表圖1中的顯示器(120)的橫格式，其他可能的朝向包含一顛倒的高度格式及一顛倒的橫格式。
圖3顯示圖1的器具(100)的一種二維的朝向，在圖中呈導線架(Drahtgitter，英：wire frame)形式。器具(100)繞其x軸及繞其y軸旋轉，使重力加速度Fg 與器具(100)的z軸夾一角度α。圖示的圓錐體(210)在參考方向α1 及α2 之間有一開口角度θ。在圖中，圓錐體(210)呈旋轉對稱方式繞z軸開口；但參考方向也可沿軸y及z作不同的定義。器具(100)的一笛卡爾坐標系統為了一目瞭然起見，在器具(100)旁不用原點，而在圓錐體(210)的尖端表示，角度α表示器具(100)繞其x軸及y軸的傾斜角度。角度β另外表示器具(100)繞其z軸的朝向。
此處器具(100)繞其x軸及y軸的「空間朝向」F(圖未示)定義如下：角度α位於α1 及α2 的界限內。在圖中，如果重力加速度Fg 在示之相對於器具(100)固定的圓錐體(210)內延伸，則器具(100)就沿朝向A的方向朝向。如果器具(100)平平臥在一桌子上，舉例而言，空間朝向F可被器具(100)佔住。對應於此，器具(100)繞其x軸及y軸的朝向G(圖未示)可利用一角度α在界限α1 及α2 外定義。因此如果重力加速度Fg 在圓錐體(210)外延伸時。
為了將具不同臨限值的磁滯(如圖2所示)作實施(implementieren)。可定義二個具不同開口角度及一致的尖端的圓錐體。磁滯的值θ就測定為圓錐體的開口角度差的一半。為了將不同空間度量的磁滯及/或臨限值作不同的 空間設計，舉例而言，可在圓錐體的位置經由橢圓形使用。在使用一磁滯時，器具的朝向一如下文圖4的說明作測定。
圖4顯示圖2及圖3的角度α以及圖1的器具(100)提供的信號之間的關係圖。角度α係在水平方向，在垂直方向為圖1中器具(100)的信號。圖2的二個不同之例示的離散空間朝向D與E作圖示。其他朝向也可使用，特別是維者，如圖3中所述之朝向F與G。坐標圖(400)中的圖形(410)係一磁滯回路，如果角度α的值從其最小值(最左邊)到其最大值(最右邊)，則當角度α超過參考方向α2 的時刻，則信號從朝向D切換到朝向E。如果角度α通過其最大值(最右邊)到最小值(最左邊)的值，則當角度α小於參考方向α1 時，信號才會從朝向E切換回到朝向D。此參考方向α1 及α2 在上述說明中的範圍也可交換(vertauschen)，這點在圖式中對應於沿所示箭頭的磁滯回路的轉一圈。
用此方式可將干擾影響〔它們會造成角度α在參考方向α1 及α2 的範圍內波動〕造成D與E間的信號不當地變動。
磁滯θ越大，則器具(100)之相鄰空間朝向的切換性質的敏感性越小，但同時測定作業對於信號或空間朝向之不想要的變化的強固性提高。磁滯θ之由二參考方向α1 及α2 的差所予的值相當於圖2及圖3的參考方向α1,2 的差。
圖5顯示圖1的器具(100)之與溫度有關的一個坐標圖。上方之坐標圖表示例示個別的加速度感測器(S1)~(S4)之典型之與溫度有關的誤差的關係，而下方的坐標圖表示圖2，圖3，圖4的磁滯θ與加速度感測器(140)的溫度之間 的關係。
在二坐標圖(510)(520)中溫度的係為水平方向，圖示溫度T0 為一參考溫度，舉例而言，它等於室內空氣溫度(約25℃)。T0 對應於一溫度，對此溫度，上方坐標圖(510)的感測器(S1)~(S4)在操作時作最佳化，在圖示之溫度走勢中，感測器S1~S4有不同之線性誤差及偏差誤差，但一致地在此T0 的範圍有較小的誤差，實際的加速度感測器(S1)~(S4)的誤差可假設為與溫度有關的絕對值，可高達0.2g。
利用一個所予之感測器(S1)~(S4)一般不能知道溫度對角度測定作業的絕對影響。然而可藉著觀察多數感測器(S1)~(S4)而測定知道溫度對感測器(S1)~(S4)的準確度(平均誤差)的典型方式有什麼影響，因此可根據這種平均數值而評估或推定該感測器之可預期的準確度。
在下方坐標圖(520)中的磁的值相當於在各溫度時，在上方的坐標圖(510)中感測器(S1)~(S4)的相關之最小誤差和相關之最大誤差之間的差值。最好，該磁滯θ的值之在下方坐標圖(520)中所示的走勢根據夠大數目例子的加速度感測器(S1)~(S4)的測量利用蒙地卡羅(Monte-Carlo)方法測定。
圖6顯示在圖1的器具(100)內提供信號的方法(600)。此方法(600)包含狀態(610)~(670)，在狀態(610)中，方法(600)係在起始狀態。然後在狀態(620)中利用溫度感測器(150)測定加速度感測器(140)的溫度。然後在步驟(630)中根據測定的溫度測定磁滯θ的值，它在上文中利用圖2~圖5 說明。然後在步驟(640)根據磁滯θ的值測定參考方向α1 及α2 比較(在該圖4所述之磁滯比較的範疇中比較)。最後在步驟(670)中對應於此比較結果提供一信號，此信號表示器具(100)的空間朝向。最後將程序(600)回轉到起始狀態(610)且可重新進行。
利用本發明，可將一可攜帶之器具的(特別是確定的)離散的空間方向可靠地測定，並依干擾值而定，在測定作業的強固性及細靈敏度之間選擇良好的折衷，因此對一使用者可將器具整體上調整成較佳的操作性，為此不須測定個別的加速感測器(140)的實際溫度相依性。
(100)‧‧‧可攜帶器具
(110)‧‧‧處理裝置
(120)‧‧‧顯示器
(130)‧‧‧輸入裝置
(140)‧‧‧加速度感測器
(150)‧‧‧溫度感測器
(210)‧‧‧圓錐體
(510)‧‧‧上方坐標圖
(520)‧‧‧下方坐標圖
(600)‧‧‧方法
(610)‧‧‧狀態(步驟)
(620)‧‧‧狀態(步驟)
(630)‧‧‧狀態(步驟)
(640)‧‧‧狀態(步驟)
(650)‧‧‧狀態(步驟)
(660)‧‧‧狀態(步驟)
(670)‧‧‧狀態(步驟)
A‧‧‧第一空間朝向
B‧‧‧第二空間朝向
C‧‧‧第三空間朝向
D‧‧‧第四空間朝向
E‧‧‧第五空間朝向
F‧‧‧空間朝向
Fg ‧‧‧重力加速度
S1‧‧‧感測器
S2‧‧‧感測器
S3‧‧‧感測器
S4‧‧‧感測器
x‧‧‧空間方向
y‧‧‧空間方向
z‧‧‧空間方向
α‧‧‧角度
α1 ‧‧‧(角度α的)參考方向
α2 ‧‧‧(角度α的)參考方向
θ‧‧‧磁滯(滯後作用)
圖1係一可攜帶器具的一方塊圖；圖2係圖1的器具的一維空間朝向；圖3係圖1的器具的二維空間朝向；圖4係圖1的器具的一朝向與該器具之一傾斜角度之間的關係示意圖；圖5係圖1的器具的溫度與參數之間的關係的示意圖；圖6係圖1的器具中測定信號的方法。
(100)‧‧‧可攜帶器具
A‧‧‧第一空間朝向
B‧‧‧第二空間朝向
C‧‧‧第三空間朝向
D‧‧‧第四空間朝向
E‧‧‧第五空間朝向
Fg ‧‧‧重力加速度
x‧‧‧空間方向
y‧‧‧空間方向
z‧‧‧空間方向
α‧‧‧角度
α1 ‧‧‧(角度α的)參考方向
α2 ‧‧‧(角度α的)參考方向
θ‧‧‧磁滯(滯後作用)

Claims (10)

  1. 一種提供對準信號的方法(600)，該對準信號指示一個可攜帶的器具(100)的空間朝向，具有以下步驟：--測定一方向(600)，地球重力加速度(FG)由此方向作用到該器具(100)；--將此測定的方向與一定的參考方向作比較(600)，及--依比較結果提供此信號(670)，其特徵在以下確定參考方向的步驟：--檢出一影響此方向測定作業的值(T)及--依該有影響性的值(T)決定各參考方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：使用二個不同的參考方向(α1 )(α2 )，其中比較結果依二個參考方向(α1 )(α2 )經該一定的方向(T)而通過(α1 )(α2 )的順序而定，且其中，在臨限值(α1 )(α2 )之間的差異(A)係依該影響性的值(T)和一固定的參考值(T0 )的差而定。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：根據該測定的方向測定該器具(100)的一傾斜角度(α)，其中該特定方向與參考方向的比較作業(660)包含將傾斜角度α與一臨限角度(α1 )(α2 )的差測定。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該有影響性的值為用於測定方向的一測定裝置(140)的溫度。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該信號為該器具(100)的數個固定的離散的朝向(A)~ (G)。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該測定一方向的作業〔地球重力加速度(FG )由此方向作用到該器具上〕包含一道檢出作業，將地球重力加速度沿三個互相成對之線性獨立空間方向(x)(y)(z)的量檢出。
  7. 一種提供一對準信號的裝置(110)(140)(150)，該對準信號指示一可攜帶的器具的空間朝向，該裝置包含：--一測定裝置(140)以測定一方向，地球重力加速度由此方向作用到該器具；--一比較裝置(110)，用於將該測定的方向與一確定的參考方向比較，及--一處理裝置(110)，以依該比較結果提供信號，其特徵在：具以下用於確定該參考方向的元件：--一預測定裝置(110)，以依該有影響性的值(T)而定預定臨限值(α1 )(α2 )。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中：該測定裝置包含一個對三個互相成對線性獨立的空間方向(x)(y)(z)的加速感測器(140)。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中：該影響性的值為該加速器感測器(140)的溫度。
  10. 一種可攜帶的器具(100)，其具有申請專利範圍第7~9項任一項的一提供一對準信號的裝置。
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