Силовой датчик и способ определения радиуса поворота движущегося объекта

Изобретение относится к обнаружению вращательного и поступательного движения. Устройство содержит систему по меньшей мере двух одинаковых измерителей ускорения с выровненными измерительными осями. Каждый измеритель ускорения измеряет движение по меньшей мере вдоль одной оси. Показания измерителей ускорения включают составляющую, соответствующую гравитационной силе, которая одинакова для всех измерителей ускорения системы. Логические схемы, взаимодействующие с системой измерителей ускорения, направляют сигналы этих измерителей процессору для вычисления параметров движения. Изобретение не требует отслеживания ориентации устройства для отфильтровывания влияния гравитации и иных возмущающих воздействий, связанных с движением. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка на патент на полезную модель не является предварительной и притязает на приоритет по предварительной заявке на патент США №60/911745 «Силовой датчик и способ определения радиуса поворота движущегося объекта», поданной 13 апреля 2007, и предварительной заявке на патент США №61/027118 «Силовой датчик и способ определения радиуса поворота движущегося объекта», поданной 8 февраля 2008.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

В изобретении раскрыто устройство, обнаруживающее вращательное и поступательное движение, соответствующее входным данным о движении. В устройство введена система по меньшей мере из двух измерителей ускорения, которые пространственно разделены и имеют выровненные измерительные оси. Логическая схема, взаимодействующая с системой измерителей ускорения, передает сигналы измерителей ускорения на процессор для вычисления параметров движения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует несколько типов датчиков, которые могут быть использованы для измерения движения движущегося объекта. Можно обнаруживать движение относительно внешней или внутренней точки отсчета. В настоящем изобретении использованы измерители ускорения, представляющие собой датчики движения, работа которых основана на инерции подвешенной чувствительной массы, используемой как точка отсчета. Еще одним инерционным датчиком движения является гироскоп. Гироскоп представляет собой устройство для измерения или поддержания ориентации, основанное на принципе сохранения момента импульса. Гироскоп чувствителен к вращательному движению и в то же время устойчив к возмущающим воздействиям. По сравнению с измерителем ускорения гироскоп имеет большие размеры, более высокую стоимость и во время работы потребляет больше энергии. Измеритель ускорения - это устройство для измерения линейного ускорения, обнаружения и измерения вибраций или определения ориентации по отношению к вектору гравитации. Измерители ускорения подвержены влиянию гравитации и возмущающих воздействий. Физически измеритель ускорения является небольшим, недорогим устройством, потребляющим мало энергии по сравнению с гироскопом.

Из уровня техники известно использование датчика движения для измерения изменений ортогональных составляющих ускорения, скорости, смещения и/или электромагнитного поля движущегося объекта, к которому прикреплен этот датчик. Процессор, взаимодействующий с измерителями ускорения, может быть запрограммирован на вычисление характеристик движения системы на основании данных, направленных датчиками. Один общепринятый подход к определению угловой и линейной скоростей и положения поворачиваемого неупругого объекта с использованием линейных измерителей ускорения состоит в применении математических интеграционных вычислений. Сначала определяют угловое ускорение путем решения линейной системы дифференциальных уравнений, в которых использованы входные данные, полученные от измерителей ускорения. Производная углового ускорения дает угловую скорость, а вторая производная дает положение объекта по отношению к внешней системе координат. Системы, использующие этот подход, имеют несколько недостатков, к числу которых относится сложность математических вычислений, требующих больших объемов памяти программного обеспечения и большой вычислительной мощности. Кроме того, вычисления вносят существенную задержку в обработку сигнала движения, которая нередко бывает неприемлема при работе в режиме реального времени.

Из уровня техники известно использование по меньшей мере одного датчика движения в портативных вычислительных устройствах. Примеры подобных портативных вычислительных устройств, в которых использован тот или иной тип датчиков движения, представлены в патентах США №7180500, 7180501 и 7180502. В устройствах согласно каждому из этих патентов использованы датчики движения, которые содержат три одноосевых измерителя ускорения. Иными словами, один измеритель ускорения измеряет движение в направлении x, второй измеритель ускорения измеряет движение в направлении y, а третий измеритель ускорения измеряет движение в направлении z. Объединив данные с этих трех измерителей ускорения, можно обнаруживать поступательное и вращательное движения устройства, служащие входными данными о движении.

Большинство устройств, которые используют измерители ускорения в качестве обнаружителей движения, чувствительны к гравитационной силе. Например, в патентной публикации США №2002/0093483 (Каплан) и патентной публикации США №2004/023626 (Ногуэра) использованы измерители ускорения, которые выдают сигнал, соответствующий гравитационной силе. По этому сигналу непрерывно отслеживают текущую ориентацию устройства. Во многих устройствах гравитационная сила может играть роль нежелательного возмущающего фактора. В частности, влияние гравитационной силы на показания измерителя ускорения зависит от пространственного положения устройства. Измеритель ускорения одновременно измеряет силу, прикладываемую пользователем, и гравитационную силу. Для выделения входных данных о движении, вводимых пользователем, необходимо отфильтровать возмущающее воздействие гравитационной силы. Влияние гравитационной силы на показания измерителя ускорения может быть оценено путем непрерывного отслеживания ориентации устройства в сочетании со сложными вычислениями во времени. Однако эти вычисления сложны и имеют тенденцию к накоплению вычислительных погрешностей с течением времени. Ситуацию ухудшает еще и то, что во многих случаях на требуемые входные данные о движении накладываются возмущающие воздействия. Проблема отделения входных данных, намеренно вводимых пользователем, от случайных движений пользователя и возмущающего воздействия внешних сил является сложной задачей в области портативных устройств. В патенте США №7002553 (Школьников) раскрыта активная клавиатура с двумя наборами датчиков движения. Согласно этому патенту сигналы принимают от одинаковых, должным образом выровненных и разделенных датчиков движения. Программное обеспечение для фильтрации движения обрабатывает эти сигналы для нейтрализации влияния внешних сил, таких как внешние силы, связанные с движением транспортного средства, в котором расположено портативное устройство. В более раннем портативном устройстве с одним датчиком движения, описанным Школьниковым, для обработки входных данных о движении для непрерывного отслеживания ориентации устройства и учета гравитационной силы используют программные инструкции пошагового движения. Таким образом, в уровне техники имеются недостатки, связанные с влиянием гравитационной силы.

Следовательно, имеется потребность в системе, содержащей датчик движения, и способе вычисления радиуса поворота устройства и других параметров движения, которые не требуют отслеживания ориентации устройства для отфильтровывания влияния гравитации и иных возмущающих воздействий, связанных с движением, и вычисления отсчетного наклона. Также необходимо, чтобы в предложенном решении были сведены к минимуму численные вычисления с соответствующим уменьшением требуемой вычислительной мощности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из аспектов изобретения предложено устройство с корпусом, в котором установлены по меньшей мере два измерителя ускорения. Измерители ускорения пространственно разделены в корпусе и измеряют движение по меньшей мере вдоль одной измерительной оси. Устройство также содержит процессор, взаимодействующий с измерителями ускорения. Процессор выполнен с возможностью получения данных об измеренном движении, полученных по показаниям измерителей ускорения, и возможностью вычисления по этим данным движения корпуса. Процессор выполняет инструкции на вычисление радиуса поворота и определение направления по отношению к оси поворота корпуса на основании данных измерителей ускорения. В соответствии с указанными инструкциями к получаемым в режиме реального времени показаниям измерителей ускорения применяют геометрические принципы с учетом неизменной ориентации и неизменного положения этих измерителей по отношению к корпусу.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложено изделие с корпусом, в котором установлен по меньшей мере один измеритель ускорения, выполненный с возможностью измерения движения по меньшей вдоль одной измерительной оси. Предложен машиночитаемый носитель, взаимодействующий с указанным по меньшей мере одним установленным измерителем ускорения для преобразования полученных с него данных в команду. Кроме того, машиночитаемый носитель содержит алгоритм преобразования входных данных в пошаговое движение, выполненный с возможностью обработки указанной команды. Этот упрощенный алгоритм пошагового движения содержит

- инструкции на выполнение команды алгоритма обработки входных данных о движении,

- инструкции на направление алгоритму обработки входных данных о движении команды на переход в режим ожидания после выполнения указанной команды и

- инструкции на повторное приведение в действие алгоритма обработки данных о движении после команды на переход в режим ожидания по истечении заданного периода времени.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ измерения движения корпуса. В корпусе установлены по меньшей мере два измерителя ускорения, выполненные с возможностью измерения движения по меньшей мере вдоль одной измерительной оси. Процессор, взаимодействующий с измерителями ускорения, получает данные об измеренном движении, полученные по данным измерителей ускорения. Процессор вычисляет движение корпуса на основании указанных данных о движении. Процессор выполняет инструкции для вычисления радиуса поворота и определения направления по отношению к оси поворота корпуса и применяет геометрические принципы к показаниям измерителей ускорения, получаемым в режиме реального времени, с учетом неизменной ориентации и неизменного положения этих измерителей ускорения.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеследующего подробного описания предпочтительного варианта его реализации, приведенного с сопроводительными чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует изменение касательных и центростремительных сил со временем.

Фиг.2 иллюстрирует два одноосевых измерителя ускорения, поворачиваемых вокруг оси поворота.

Фиг.3 изображает пространственную диаграмму, иллюстрирующую два двухосевых измерителя ускорения, поворачиваемых в плоскости, перпендикулярной оси поворота.

Фиг.4 изображает пространственную диаграмму, иллюстрирующую два трехосевых измерителя ускорения, поворачиваемых вокруг оси, лежащей с ними в одной плоскости.

Фиг.5 изображает пространственную диаграмму, иллюстрирующую два трехосевых измерителя ускорения, поворачиваемых вокруг оси, произвольно расположенной в трехмерном пространстве.

Фиг.6 иллюстрирует изменение касательных и центростремительных сил со временем и влияние ошибки, связанной с гравитационной силой.

Фиг.7 изображает блок-схему, иллюстрирующую типичный алгоритм обработки входных данных о движении.

Фиг.8 изображает блок-схему, иллюстрирующую алгоритм обработки входных данных о движении, полученных путем попарного сравнения.

Фиг.9 иллюстрирует два трехосевых измерителя ускорения, расположенных в портативном компьютере.

Фиг.10 иллюстрирует корпус транспортного средства и систему измерителей ускорения.

Фиг.11 иллюстрирует портативное устройство и систему измерителей ускорения, взаимодействующих с приемником глобальной системы местопределения.

Фиг.12 изображает блок-схему, иллюстрирующую упрощенный алгоритм пошагового движения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ

Обзор

Предлагаемая система, содержащая датчик движения, направлена на решение проблемы гравитации и возмущающих воздействий, связанных с движением, путем использования новой системы, содержащей по меньшей мере два одинаковых измерителя ускорения с выровненными измерительными осями. Каждый измеритель ускорения измеряет движение по меньшей мере вдоль двух осей. Показания измерителей ускорения содержат составляющую, соответствующую гравитационной силе, которая одинакова для каждого измерителя ускорения системы. Оценивая разность показаний измерителей ускорения, можно устранить или уменьшить возмущающее воздействие гравитации и других внешних сил, которые одинаковы для каждого измерителя ускорения системы. Логические схемы, взаимодействующие с системой измерителей ускорения, передают сигналы этих измерителей в процессор для вычисления параметров движения.

Технические детали

Различные системы датчиков инерционного движения, т.е. измерителей ускорения, и данные, выдаваемые ими, подробно показаны на чертежах, описанных ниже. На каждом из нижеприведенных чертежей и в связанном с ними описании имеется три термина, которые использованы во всей заявке, а именно центростремительное ускорение, касательное ускорение и угловое ускорение. Центростремительное ускорение определяют как скорость изменения центростремительной скорости. Касательное ускорение определяют как ускорение, направленное по касательной к траектории движения. Поскольку скорость также направлена по касательной к траектории движения, касательное движение направлено в направлении скорости. Касательная составляющая ускорения показывает скорость изменения скорости. Угловое ускорение определяют как скорость изменения угловой скорости со временем. Его, как правило, измеряют в радианах на секунду в квадрате, и далее оно обозначено греческой буквой «омега» Ω.

В одном из вариантов реализации касательное и центростремительное ускорения вычисляют по отношению ко времени. Неравномерное круговое движение (поворот с ускорением) создает силы, измеряемые измерителями ускорения как касательное и центростремительное ускорения. В частности, общее ускорение А - это сумма касательного ускорения и центростремительного ускорения. Сняв показания двух или трех измерителей ускорения и просчитав их во времени, можно разделить касательную и центростремительную силы. Введение расчета во времени может дополнительно расширить возможности систем измерителей ускорения. Фиг.1 изображает график (100), иллюстрирующий изменение ускорений со временем между начальным положением (104) и конечным положением (112). Горизонтальная ось (110) соответствует времени, вертикальная ось (120) соответствует касательному ускорению, а перпендикулярная им ось (130) соответствует центростремительному ускорению. Касательное ускорение, обозначенное здесь как Т, и центростремительное ускорение, обозначенное здесь как С, перпендикулярны друг другу в пространстве и асинхронны во времени. Например, во время поворота вектор ускорения А изменяется по существу с касательного на центростремительный и обратно на касательный. Проекции касательного и центростремительного ускорений на горизонтальную ось, вертикальную ось и перпендикулярную им ось зависят от ориентации измерителя ускорения по отношению к оси поворота.

И касательное, и центростремительное ускорения пропорциональны радиусу поворота. Распределение ускорений в неупругом объекте является линейным. Полная векторная запись ускорения с учетом гравитационного поля имеет вид

A=G+T+C,

где G - ускорение, связанное с гравитационной силой, T - касательное ускорение, причем C и T являются составляющими A и выражаются в виде

где w - угловая скорость. Еще одна форма полной векторной записи ускорения имеет вид:

A=G+(Ω×R)+w×(w×R)

A=G+M×R,

где M - вектор углового поворота с касательной и радиальной составляющими, а x - обозначение векторного произведения. Говоря точнее, выражение для М имеет вид

М=(Ω+w^∧2),

где Ω - угловое ускорение. Поскольку Ω и w являются угловыми величинами, каждую из них необходимо умножить на R для получения линейных величин. Линейная скорость соответствует угловому расстоянию по отношению ко времени, а w соответствует количеству градусов, на которое выполнен поворот. M - это вектор углового поворота с касательной и радиальной составляющими. В геометрическом представлении выражение М×R эквивалентно выражению , где δ изменяется со временем, но не зависит от точки объекта в любом временном отрезке.

Как показано выше и известно из уровня техники, векторное поле ускорения в поворачиваемом объекте является линейным. Следовательно, возможно вычислить вектор ускорения в любой части объекта, если известны векторные величины в точках, которые не выровнены по радиальным линиям или траектории поворота. Когда гравитация не влияет на измерители ускорения, достаточно наличия двух точек в теле, где радиальные и касательные градиенты различны. Аналогично, когда гравитация влияет на измерители ускорения, необходимо знать вектор ускорения в трех или четырех точках тела.

Фиг.2 представляет собой изображение (200) системы из двух трехосевых измерителей A₁ (210) и A₂ (220) ускорения, поворачиваемых вокруг оси (230) поворота. Расстояние R₁ (212) между измерителем A₁ (210) и мгновенной осью (230) постоянно. Аналогично, расстояние (R₁+r) между вторым измерителем A₂ (220) и осью поворота постоянно, где r (215) - постоянное расстояние между измерителями (210) и (220). Иными словами, расстояние между измерителем A₁ (210) и измерителем A₂ (220) обозначено r. Математическая зависимость между векторами ускорения двух указанных измерителей и соответствующими расстояниями от этих измерителей до оси (230) имеет вид

A₂/(R₁+r)=A₁/R₁

Таким образом, расстояние R₁ может быть выражено через показания измерителей (210) и (220) следующим образом:

R₁=(A₁r)/(A₂-A₁)

и может быть далее выражено через ориентированные по оси Х и/или оси Y составляющие ускорений А измерителей (210) и (220):

R₁=(Y₁r)/(Y₂-Y₁)

Соответственно, как здесь показано, если измерители ускорения расположены линейно, то радиус поворота может быть определен с помощью двух одноосевых измерителей ускорения.

Фиг.3 изображает пространственную диаграмму (300), иллюстрирующую два двухосевых измерителя ускорения, поворачиваемых в плоскости, перпендикулярной оси поворота. Говоря точнее, как показано, имеются первый измеритель (310) ускорения и второй измеритель (320) ускорения, встроенные в объект (не показан). Расстояние между измерителями (310) и (320) постоянно и обозначено r (315). Оба измерителя ускорения поворачивают вокруг точки поворота (330). Кроме того, радиус-вектор поворота измерителя (310) обозначен R₁ (312), а радиус-вектор поворота измерителя (320) обозначен R₂ (322). Вектор ускорения измерителя (310) обозначен А₁, а вектор ускорения измерителя (320) обозначен А₂. Радиус-векторы R₁, R₂ и постоянное расстояние r между измерителями ускорения образуют треугольник (340). Углы треугольника (340) обозначены α (342), β (344) и γ (346). Аналогично, δ (348) - это угол между вектором A₁ или вектором А₂ и соответствующим радиусом поворота.

Как показано, два одинаково ориентированных двухосевых измерителя (310) и (320) расположены на постоянном расстоянии друг от друга, и их поворачивают вокруг точки в двумерном пространстве. Известными параметрами этой системы являются показания измерителей ускорения и постоянное расстояние r. Если принять, что плоскость поворота перпендикулярна гравитационной силе и гравитация не влияет на показания измерителей ускорения, показания измерителей ускорения могут быть определены следующим образом:

A₁=М R₁

A₂=М R₂

Угол δ между вектором ускорения А и соответствующим радиусом R является постоянным в каждой точке поворачиваемого объекта.

Согласно геометрическим принципам имеется следующее соотношение между радиусами и углами:

Параметр r определен как постоянный. Следовательно, векторы R₁ и R₂ могут быть вычислены следующим образом:

Поскольку треугольник, составленный из векторов A₁, А₂ и их разности (А₁-А₂), подобен треугольнику, составленному из R₁, R₂ и r, синусы углов могут быть найдены с использованием формулы векторного произведения:

Учитывая приведенные выше формулы для векторов R₁ и R₂, эти векторы могут быть выражены через показания измерителей ускорения:

Эти выражения могут быть упрощены до вида

и

Когда векторы R₁ и R₂ известны, могут быть найдены угловые параметры вращательного движения:

М=A₁/R₁=A₂/R₂

w = квадратный корень из ((|A₁|cosδ)/R₁)=квадратный корень из ((|А₂|cosδ)/R₂)

Таким образом, на основании геометрических принципов и линейной алгебры угловые ускорения, скорости и радиус поворота каждого измерителя ускорения могут быть определены на основании измерений из показаний самих измерителей ускорения.

Фиг.4 изображает пространственную диаграмму (400), иллюстрирующую два трехосевых измерителя ускорения, поворачиваемых вокруг оси, лежащей с ними в одной плоскости. Говоря точнее, как показано, имеется первый измеритель (410) ускорения и второй измеритель (420) ускорения, встроенные в объект (не показан). Расстояние между измерителями (410) и (420) постоянно и обозначено r (412). Оба измерителя ускорения поворачивают вокруг оси (445) поворота и точки (440), расположенной на пересечении оси поворота и линии, соединяющей измерители ускорения. Радиус-вектор поворота измерителя (410) обозначен R₁ (414), а радиус-вектор поворота измерителя (420) обозначен R₂ (416). Вектор ускорения измерителя (410) обозначен A₁, а вектор ускорения измерителя (420) обозначен А₂. Известными параметрами являются показания A₁ и А₂ измерителей ускорения и постоянное расстояние r (412) между этими измерителями. Если принять, что гравитация не влияет на измерители ускорения, то справедливо следующее равенство: A_N=М×R_N. Кроме того, заданы следующие углы:

α (442) - угол, образованный осью (445) и линией, соединяющей измерители ускорения,

δ (444) - мгновенное значение изменяемого со временем угла между вектором М углового ускорения и соответствующим радиусом R поворота.

Согласно геометрическим принципам имеется следующее соотношение между показаниями измерителей ускорения и связанными с ними радиусами:

Решение этого уравнения для R₀ имеет вид

Природа вращательного движения такова, что A_N и R_N всегда лежат в плоскости, перпендикулярной оси поворота, и справедливы следующие равенства:

Когда R₁ и R₂ известны, угловые параметры вращательного движения могут быть найдены следующим образом:

w = квадратный корень из ((|A₂/|R₂|)cosδ)

Таким образом, на основании геометрических принципов и линейной алгебры угловые ускорения, скорости и радиусы поворота каждого измерителя ускорения могут быть определены на основании измерений из показаний самих измерителей ускорения.

Фиг.5 изображает пространственную диаграмму (500), иллюстрирующую два трехосевых измерителя ускорения, поворачиваемых вокруг оси, произвольно расположенной в трехмерном пространстве. Говоря точнее, как показано, имеется первый измеритель (510) ускорения и второй измеритель (520) ускорения, встроенные в объект (не показан). Положение и ориентация измерителей (510) и (520) постоянны и известны. Расстояние между измерителями (510) и (520) постоянно и обозначено r (515). Оба измерителя (510) и (520) поворачивают вокруг оси (545) поворота, которая пересекает плоскость Р (550) в точке (540). Радиус-вектор поворота измерителя (510) обозначен R₁ (512), а радиус-вектор поворота измерителя (520) обозначен R₂ (522). Вектор ускорения измерителя (510) обозначен A₁ (514), а вектор ускорения измерителя (520) обозначен А₂ (524). Известными параметрами являются показания А₁ и А₂ измерителей ускорения и постоянное расстояние r (515) между этими измерителями. Проекция линии, соединяющей измеритель (510) с измерителем (520), составляет угол α (522) с линией, которая соединяет точку (540) и измеритель (510). Аналогично, линия, соединяющая измеритель (520) с измерителем (510), составляет угол β (524) с плоскостью (550). Углы α (522) и β (524) показывают направление и ориентацию измерителей (510) и (520) по отношению к оси (545). Угол α (522) связан с показаниями измерителей ускорения следующим образом:

Применив ту же логику, что и для системы измерителей ускорения, показанной на фиг.4, угол β (524) также можно выразить через показания измерителей ускорения:

где Z₂ - показания второго измерителя ускорения в перпендикулярном направлении, а Х₂ - показания второго измерителя ускорения в горизонтальном направлении. Несмотря на то что угол β определен по отношению к показаниям измерителя (520), он может быть соотнесен и с показаниями измерителя (510). В одном из вариантов реализации угол β вычисляют по показаниям измерителя ускорения с более сильным сигналом. Например, сигналы каждого измерителя ускорения можно считывать и сравнивать, выбирая для вычислений более сильный сигнал.

Как показано на фиг.5, имеется первый треугольник (560), образованный вершинами R₂, A₁”, А₂, и второй треугольник (570), образованный векторами A₁, А₂ и (A₂-A₁). Треугольник (560) геометрически подобен треугольнику (570). Второй треугольник имеет три угла: α (572), ε (574) и γ (576).

Как и в расчетах, приведенных выше, геометрические свойства подобных треугольников использованы для выявления соотношения между векторами и углами:

где β - угол между линией, соединяющей вершины А₁” и А₂, и линией, соединяющей измерители A₁ и A₂. В системе координат измерителя A₂ вторая из указанных линий может быть поставлена в соответствие с единичным вектором Ru, который имеет следующие составляющие X, Y, Z: (1, 0, 0). Таким образом, cosβ может быть найден с использованием формулы скалярного произведения:

На основании геометрического соотношения углов и векторов векторы |R₁| и |R₂| могут быть выражены через расстояние r между измерителями (510) и (520) и углы подобных треугольников (560) и (570):

Кроме того, на основании геометрических принципов и принципов линейной алгебры могут быть найдены синусы углов с использованием формул векторного произведения векторов показаний измерителей ускорения:

Как показано выше, векторы R₁ (512) и R₂ (522) выражены через синусы углов подобных треугольников (560) и (570). Заменив в формулах для |R₁| и |R₂| синусы указанными выражениями для этих синусов, можно выразить векторы R₁ (512) и R₂ (522) через показания измерителей ускорения:

Упростив эти формулы, получим

и

Когда векторы R₁ и R₂ известны, угловые параметры вращательного движения могут быть найдены, как и в случае системы двухосевых измерителей ускорения, путем следующих вычислений:

w = квадратный корень из ((|A₂|/|R₂|)cosδ)

Фиг.1, описанная выше, иллюстрирует изменения центростремительного и касательного ускорений со временем, но не иллюстрирует подробно влияние гравитации. В одном из вариантов реализации на измерительные оси измерителей ускорения влияет гравитация и/или постоянные боковые ускорения. Фиг.6 изображает пространственную диаграмму (600), иллюстрирующую изменение положения со временем и влияние ошибки, связанной с гравитационной силой. Здесь показаны три оси: горизонтальная ось (610), вертикальная ось (620) и перпендикулярная им ось (630). Ось (610) представляет собой временную ось. Аналогично фиг.1, ось (620) соответствует касательному ускорению, а ось, перпендикулярная горизонтальной и вертикальной осям, соответствует центростремительному ускорению. Как показано на оси (610), сначала корпус, несущий измерители ускорения, неподвижен и приведен в состояние покоя (630). С течением времени имеют место начало (632) поворота корпуса, рост ускорения до регистрируемого значения (634), падение (636) ускорения и конец (638) поворота. Для того чтобы ввести поправку на ошибку, связанную с гравитационной силой, от измерителей ускорения получают временной разностный сигнал. Иными словами, вместо измерения измерителями ускорения сигналов в один момент времени проводят измерения каждым измерителем ускорения в два момента времени. Например, временной разностный сигнал может быть записан следующим образом:

A_N(X_Nt1-X_Nt2, Y_Nt1-Y_Nt2)

В одном из вариантов реализации временной интервал t₁-t₂ должен быть коротким, чтобы можно было пренебречь изменением ориентации объекта. Кроме того, в одном из вариантов реализации временной интервал выбирают вблизи середины поворота, когда касательная составляющая пересекает нулевую ось, а центростремительная составляющая находится в максимуме или вблизи него.

Ошибка, связанная с гравитационной силой, может быть еще более уменьшена путем прибавления поправочной величины, вычисляемой следующим образом:

Поправка на ошибку=((G_initial-G_ending)/(t_start-t_end))*(t₁-t₂)

где G_initial и G_ending - гравитационные векторы, измеренные в начале и в конце поворота.

Очевидно, последнее вычисление требует ожидания конца поворота. Это обстоятельство может не вызывать проблем в таких областях применения, как сличение пути глобальной системой местоопределения, но вносит нежелательную задержку в областях применения, требующих работы в режиме реального времени или близком к нему. В этом случае можно пренебречь вычислительной ошибкой или учитывать ее с помощью эмпирически определенных и сведенных в таблицу данных. Как правило, это не вызывает проблем, поскольку области применения с работой в режиме реального времени и близком к нему требуют меньшей точности. Следует отметить, что временной разностный сигнал можно получать для таких коротких периодов, как несколько миллисекунд, чего уже достаточно для снижения ошибки, вызванной гравитацией, до пренебрежимого уровня.

В отличие от традиционных датчиков движения предложенный алгоритм обработки входных данных о движении может принимать решения на основании трех параметров, к числу которых относятся

- радиус поворота,

- угловое ускорение или вычисленная скорость поворота и

- углы смещения, отражающие ориентацию системы измерителей ускорения по отношению к радиусу поворота.

Фиг.7 изображает блок-схему (700), иллюстрирующую процесс измерения движения на основании параметров и с помощью системы измерителей ускорения, описанных выше. Проиллюстрированный здесь процесс относится к портативному вычислительному устройству с дисплеем. В одном из вариантов реализации курсор, взаимодействующий с дисплеем, перемещается по этому дисплею в зависимости от измеренного движения. Однако изобретение не ограничено курсором, взаимодействующим с дисплеем. Например, в одном из вариантов реализации в зависимости от измеренного движения изменяются данные, отображаемые на дисплее. В еще одном варианте реализации движение может быть использовано для выделения или выбора элемента на дисплее. Движение курсора, изменение дисплея \ или любая другая команда, которая включает или отключает предварительно запрограммированное свойство, - это ответная реакция на данные, получаемые от измерителей ускорения. Сначала на этапе (702), когда портативное устройство перемещают, получают показания датчика. Из уровня техники известно, что эти показания могут содержать шум, связанный с получаемыми данными. На этапе (704) сигналы датчиков предварительно обрабатывают как есть для учета шума и разброса параметров измерителей ускорения. Такая предварительная обработка может включать фильтрацию шума, регулировку и/или введение поправки на гравитационную ошибку. После этапа (704) полученные сигналы обрабатывают на этапе (706). В одном из вариантов реализации для вычислений на этапе (706) может быть использован процессор для цифровой обработки сигналов. На этапе (706) вычисляют три группы параметров, в число которых входят

- радиус R (706а)поворота,

- угловые параметры, такие как Ω и w (706b), и

- углы ориентации, такие как α и β (706с).

После вышеописанных вычислений на этапе (708) выполняют запись данных для анализа формы сигнала, а затем на этапе (710) данные сопоставляют с критериями и пороговыми значениями. Этап (710) предоставляет дополнительную возможность для фильтрации сигналов по радиусу поворота, скорости поворота и/или углам смещения, а также форме сигнала во времени. После выполнения этапа (710) на этапе (712) данные от измерителей ускорения преобразуют в команду, которая соответствует конкретному сигналу движения. В одном из вариантов реализации команды могут быть в форме сигналов поворота вокруг поперечной оси, поворота вокруг продольной оси и/или поворота вокруг вертикальной оси, соответствующих таким движениям курсора по дисплею, как по часовой стрелке, против часовой стрелки, влево, вправо, вверх и вниз,

или, как описано выше, изменению данных, отображаемых на дисплее,

или выполнению предварительно определенной функции.

Таким образом, данные, собираемые измерителями ускорения, используют для управления взаимодействием с дисплеем портативного вычислительного устройства.

Формулы для обработки сигнала зависят от типа датчиков движения, геометрического расположения датчиков и от собственных характеристик анализируемого движения. Традиционные решения обеспечивают фильтрацию возмущающего воздействия на движение только по мощности или форме сигнала. В последнем случае требуются сложные вычисления во времени. Предлагаемое решение дает возможность отфильтровывать влияние возмущающих сил на основании радиуса поворота, вызванного этими силами. Система может быть настроена на неучет сил, вызывающих поворот с радиусом поворота, который больше, меньше конкретного значения или равен ему. Например, сигналы, соответствующие радиусу меньше R, например возникающие при сгибании запястья, обрабатывают как входные данные о движении, а сигналы, соответствующие радиусу поворота больше R, блокируют. Как и в случае с радиусом поворота, система может быть настроена на неучет или обработку сигналов на основании направления по отношению к оси поворота, определяемой углами α и β смещения. Это позволяет системе работать в движущемся транспортном средстве без возмущающего воздействия внешних сил. Еще одно преимущество заключается в том, что система не восприимчива к возмущающему воздействию гравитации и, следовательно, ее можно удерживать в любом положении по отношению к центру Земли. Таким образом, пользователь может найти и сохранить наиболее удобную позу и наилучший угол обзора.

Ввод данных о движении в портативные устройства не требует точного знания радиуса поворота или угла смещения. Для портативных устройств достаточно проверки того, что радиус поворота и угол смещения находятся внутри заданного диапазона. Для этих областей применения достаточно проверки того, что движение вызвано рукой пользователя, а не является возмущающим воздействием окружающей среды. Достаточно отличать поворот портативного устройства по отношению к вертикальной оси от его поворота по отношению к горизонтальной оси.

Фиг.8 изображает блок-схему (800), иллюстрирующую алгоритм обработки данных о движении, полученных путем попарного сравнения, в соответствии с которым для определения преобладающей оси поворота сравнивают разностные сигналы движения каждой пары измерителей ускорения. Ось, связанную с парой измерителей ускорения, от которой получен наибольший разностный сигнал, считают направлением, которое выбрал пользователь. Сначала, когда портативное устройство перемещают, на этапе 802 получают показания датчиков. Из уровня техники известно, что эти показания датчиков могут содержать шум, связанный с полученными данными. Сигналы датчиков предварительно обрабатывают на этапе 804. Предварительная обработка может включать регулировку, фильтрацию шума и введение поправки на ошибку, связанную с гравитацией. После этапа 804 на этапе 806 проводят попарный анализ ускорений путем нахождения разностных сигналов для составляющих ускорений, что в общем виде можно записать как A₁-A₂, A₂-A₃ и A₁-A₃. Для системы трех трехосевых измерителей ускорения необходимо проанализировать следующие пары: [X₁-X₂, Y₁-Y₂, Z₁-Z₂], как показано в блоке (806а), [X₁-X₃, Y₁-Y₃, Z₁-Z₃], как показано в блоке (806b), и [X₂-X₃, Y₂-Y₃, Z₂-Z₃], как показано в блоке (806с), где числа 1, 2, 3 - номер конкретного измерителя ускорения в системе трех измерителей ускорения, а X, Y, Z - показания соответствующего измерителя ускорения соответственно по горизонтальной оси, вертикальной оси и перпендикулярной им оси. Например, X₁, Y₁, Z₁ - показания первого измерителя ускорения, взятые соответственно по горизонтальной оси, вертикальной оси и перпендикулярной им оси, X₂, Y₂, Z₂ - это показания второго измерителя ускорения, взятые соответственно по горизонтальной оси, вертикальной оси и перпендикулярной им оси, а X₃, Y₃, Z₃ - это показания третьего измерителя ускорения, взятые соответственно по горизонтальной оси, вертикальной оси и перпендикулярной им оси. После попарного анализа на этапе 806 на этапе 808 проводят сравнение и нормирование пар измерителей ускорения. На этом этапе разностный сигнал каждой пары, полученный на этапе 806, нормируют путем его деления на суммарный сигнал этой же пары, например A₁+A₂, A₁+A₃, A₂+A₃. После описанных выше вычислений на этапе 810 данные сопоставляют с критериями и пороговыми значениями, а на этапе 812 на устройство, в котором установлены измерители ускорения, подают команду поворота вокруг поперечной оси, поворота вокруг продольной оси или поворота вокруг вертикальной оси. Например, в случае установки измерителей ускорения в портативном вычислительном устройстве с дисплеем может происходить изменение данных на этом дисплее. Команды, подаваемые на устройство, могут быть в форме сигналов поворота вокруг поперечной оси, поворота вокруг продольной оси и/или поворота вокруг вертикальной оси, соответствующих повороту по часовой стрелке, против часовой стрелки, движению влево, вправо, вверх, а также боковой прокрутке экрана. Сигнал может управлять движением курсора по дисплею или изменением или преобразованием изображения на дисплее. Таким образом, выдачу команды осуществляют на основании показаний измерителей ускорения и результатов их анализа без потребности во входных данных с внешних устройств.

Фиг.9 изображает портативное вычислительное устройство (900). В устройстве в одной плоскости установлены по меньшей мере два измерителя (910) и (920) ускорения. В одном из вариантов реализации устройство имеет дисплей (902) с виртуальной сеткой (не показана), которая делит этот дисплей на ячейки. Каждая ячейка сетки соответствует положению, вокруг которого можно перемещать курсор. Кроме того, по меньшей мере одна ячейка сетки может быть представлена иконкой для выбора программы. Каждая программа может быть выбрана путем движения портативного устройства без использования внешних устройств. Говоря конкретнее, при повороте устройства собирают показания датчиков и анализируют их. В одном из вариантов реализации сигналы от каждого измерителя (910) и (920) принимают логические схемы (не показаны), которые передают принятые сигналы процессору (не показан), установленному в устройстве (900). Процессор вычисляет параметры движения, как показано на фиг.7 или 8. На основании сопоставления снятых показаний с пороговыми значениями и критериями процессор взаимодействует с дисплеем для избирательного движения курсора по сетке в требуемую ячейку для выбора иконки, которая представлена этой ячейкой и отображена в ней. Таким образом, измерители ускорения с процессором, который связан с ними, взаимодействуют с дисплеем и управляют движением курсора по нему.

Несмотря на то что приведенное выше описание дано применительно к портативным устройствам, изобретение не ограничено использованием измерителей ускорения и их систем в портативном устройстве. Система измерителей ускорения фактически функционирует как гироскоп и может быть применена в различных объектах для регистрации их движения. Фиг.10 иллюстрирует изображение (1000) корпуса транспортного средства, в котором может быть использована система измерителей ускорения. Как показано, транспортное средство в данном примере представляет собой наземное транспортное средство с четырьмя колесами (1002), (1004), (1006) и (1008). В данном примере в корпусе транспортного средства установлены два измерителя (1010) и (1020) ускорения. Каждый показанный здесь измеритель ускорения в этом примере измеряет движение вдоль трех осей, а именно вдоль продольной оси, вдоль поперечной оси и вдоль вертикальной оси. Еще в одном варианте реализации два измерителя (1010) и (1020) могут представлять собой двухосевые измерители ускорения, которые измеряют движение только вдоль продольной и поперечной осей. Аналогично, еще в одном варианте реализации к системе, показанной на фиг.10, может быть добавлен третий измеритель ускорения. Ось Х служит для измерения центростремительных ускорений. Ось Y служит для измерения касательных ускорений. Ось Z служит для измерения поворотных ускорений. Измерители ускорения показаны в положении, когда они параллельны оси одной колесной пары, но такое размещение не является ограничением. Способ измерения движения измерителями ускорения схож со способом, проиллюстрированным на фиг.7 или 8. Однако в случае наземного транспортного средства при превышении измеренным движением порогового значения возможна выдача сигнала на сигнализатор или устройство стабилизации транспортного средства для управления последним. Изображенное здесь наземное транспортное средство содержит четыре колеса (1002), (1004), (1006) и (1008). Однако еще в одном варианте реализации транспортное средство может представлять собой вездеходное транспортное средство с тремя колесами. Аналогично, система измерителей ускорения может быть использована и с другими видами наземных транспортных средств. В одном из вариантов реализации система измерителей ускорения может быть использована не в наземном транспортном средстве, например в лодке или воздушном транспортном средстве. В этом случае она может быть использована для определения кривизны траектории транспортного средства в соответствующей текучей среде. Таким образом, система измерителей ускорения может быть использована для измерения движения движущегося объекта, имеющего до шести степеней свободы.

Система измерителей ускорения, используемая в портативных устройствах и транспортных средствах, содержит измерители ускорения, размещенные в корпусе или установленные на основании в корпусе. Корпус, в котором установлены измерители ускорения, может содержать глобальную систему местоопределения (далее GPS). GPS-система содержит приемник, взаимодействующий со спутниковой системой, которая передает на приемник данные о его местоположении. Как правило, в состав GPS-приемников входит антенна, настроенная на передающие частоты спутников. Из уровня техники известно, что GPS-приемники могут быть включены в наземные транспортные средства, мобильные телефоны, наручные часы и т.п. Также из уровня техники известно, что GPS-приемники могут также содержать дисплей для предоставления пользователю информации о местоположении и скорости. Путем включения GPS-приемника в корпус устройства, содержащего систему измерителей ускорения, можно увеличить функциональность этой системы. Фиг.11 иллюстрирует изображение (1100) портативного устройства (1102) с системой измерителей (1110), (1120) и (1130) ускорения. Как показано, измерители ускорения взаимодействуют с процессором (1140), GPS-приемником (1150) и передатчиком (1160). На основании движения, измеренного системой измерителей (1110), (1120) и (1130), процессор может управлять подачей питания на GPS-приемник (1150). Например, если устройство (1102) сначала было неподвижно, а затем его переместили, система измерителей ускорения может связаться с процессором (1140) для включения связанного с ним GPS-приемника (1150). И наоборот, если устройство (1102) перемещают, а затем останавливают, измерители ускорения могут сообщить об изменении движения процессору (1140), который, в свою очередь, выключает питание связанного с ним GPS-приемника (1150). Возможны и другие пути увеличения функциональности системы измерителей ускорения с помощью GPS-приемника (1140), и изобретение не ограничено приведенным примером конкретного движения. Использование GPS-приемника позволяет точно определять местоположение устройства, в котором расположен этот приемник. Таким образом, дополнение системы измерителей ускорения GPS-приемником расширяет функциональность устройства, а именно добавляет функцию определения его местоположения.

В одном из вариантов реализации система, содержащая измерители ускорения и GPS-приемник, показанная на фиг.11, может быть включена в транспортное средство, причем система измерителей ускорения взаимодействует с GPS-приемником. Измерение движения транспортного средства измерителями ускорения может быть дополнено взаимодействием с GPS-приемником (1150) с учетом пороговых значений и критериев, проиллюстрированных на фиг.8. Например, транспортное средство может содержать сигнализатор (не показан). Если транспортное средство приведено в движение без вставленного ключа зажигания, сигнализатор может связаться с GPS-приемником для приема GPS-данных. Например, если автомобиль взят на буксир или угнан, сигнализатор передает данные о его местоположении, получаемые от GPS-приемника. Как указано выше, система измерителей ускорения измеряет движение. Именно использование критериев и пороговых значений в сочетании с сигнализатором и/или GPS-приемником увеличивает функциональность устройства путем обеспечения возможности передачи данных о его местоположении. Таким образом, GPS-приемник сообщает о местоположении устройства при его движении, которое соответствует критериям и пороговым значениям или превышает эти критерии и пороговые значения.

Очень важной областью применения измерителей ускорения в GPS-системах является предоставление данных для счисления пути, когда GPS-сигнал потерян. В этом варианте реализации изобретение обеспечивает возможность восстановления траектории движения путем вычисления известного радиуса поворота и прошедшего времени.

Алгоритм пошагового движения - это программа, которая переводит намерения пользователя в точную команду, например движение курсора по ячейкам сетки, и которая обеспечивает перенастройку системы между шагами. Программа скользящего нуля, описанная в вышеупомянутом уровне техники (патенты Школьникова '028 и 7002553), служит для проверки ориентации устройства по отношению к вектору гравитации и позволяет пользователю изменять позу во время работы с устройством. Предложенный упрощенный алгоритм пошагового движения выполняет те же задачи, но работает без программы скользящего нуля. Его используют в дополнение к обработке входных данных о движении, проиллюстрированной на фиг.7 и 8. Упрощенная программа пошагового движения работает как с системами датчиков, описанными в настоящей заявке, так и с системами, содержащими один измеритель ускорения. Она упрощает вычисления, позволяя не учитывать силы, вызванные обратным движением. Упрощенная программа пошагового движения позволяет пользователю сохранять наиболее удобный угол обзора дисплея. После ввода любой команды, соответствующей входным данным о движении, пользователь может вернуть устройство в прежнее положение, как требуется в уровне техники, или изменить ориентацию устройства на любую другую. Эта программа также позволяет пользователю изменять позу. Еще одним отличительным признаком упрощенного алгоритма пошагового движения является введение периода «нечувствительности», который также называют периодом бездействия. Этот признак может быть использован с любой системой датчиков движения, даже с одиночным датчиком, а также с любым вариантом реализации лежащего в их основе алгоритма обработки входных данных о движении. Упрощенный алгоритм пошагового движения устраняет необходимость в компоненте, основанном на скользящем нуле, который использован в более ранней реализации алгоритма, раскрытой в патенте США №7002553 Школьникова. Говоря точнее, во время периода «нечувствительности» система автоматически балансирует себя для компенсации изменения ориентации по отношению к гравитации и другим силам. Во время периода бездействия пользователь может вернуть портативное устройство в прежнее положение для восстановления угла обзора или изменить позу для сохранения удобного положения.

Фиг.12 изображает блок-схему (1200), иллюстрирующую упрощенный алгоритм пошагового движения, который используют совместно с алгоритмом обработки входных данных о движении, проиллюстрированным на фиг.7 и 8. На этапе (1202) получают команду от алгоритма обработки входных данных о движении, а на этапе (1204) выполняют эту команду. Обработка этой команды подробно проиллюстрирована и описана примерительно к фиг.7 и 8. После выполнения команды на этапе (1204) на этапе (1206) направляют команду на переход в режим ожидания алгоритму обработки входных данных о движении. Команда на переход в режим ожидания блокирует все новые команды, выдаваемые этим алгоритмом. Однако в одном из вариантов реализации вычисление параметров движения может продолжаться в фоновом режиме. После выполнения этапа (1206) алгоритм обработки входных данных о движении на этапе (1208) получает команду на выход из режима ожидания и становится доступным для последующих входных данных о движении. В примере, показанном на фиг.9, курсор перемещают по виртуальной сетке дисплея портативного вычислительного устройства. На основании движения устройства перемещают курсор в выбранную ячейку виртуальной сетки. Алгоритм пошагового движения обеспечивает перемещение курсора, а также его последующее перемещение из его текущего положения на сетке без необходимости его возвращения в исходное положение на сетке. После истечения времени бездействия упрощенный алгоритм пошагового движения на этапе 1208 направляет алгоритму обработки входных данных о движении команду на выход из режима ожидания для возобновления отправки команд, соответствующих входным данным о движении, при этом текущее положение служит исходным положением. Таким образом, все движения, измеряемые измерителями ускорения, основаны на последнем исходном положении, определенном посредством команды на выход из режима ожидания.

В одном из вариантов реализации изобретение выполнено в виде программного обеспечения, например встроенных программ, резидентных программ, микропрограмм и т.д. Изобретение может иметь форму компьютерного программного продукта, который доступен с носителя, выполненного с возможностью его использования компьютером, или машиночитаемого носителя, содержащего программный код, предназначенный для его использования компьютером или любой системой для выполнения инструкций или при участии компьютера или любой системы для выполнения инструкций. Для целей настоящего описания носитель, выполненный с возможностью его использования компьютером, или машиночитаемый носитель может представлять собой любое устройство, которое может содержать, хранить, передавать, распространять или переносить программу, предназначенную для использования системой, устройством или прибором для исполнения инструкций или при участии этих системы, устройства или прибора.

В объем настоящего изобретения также входят варианты реализации, включающие промышленные изделия, содержащие средства для хранения программ с записанным на них программным кодом. Эти средства могут представлять собой любой известный носитель, к которому может быть осуществлен доступ с компьютера общего или специального назначения. Средства для хранения программ могут, например, включать ОЗУ, ПЗУ, стираемую программируемую постоянную память, компакт-диск, доступный только для чтения (CD-ROM), другой накопитель на оптических или магнитных дисках, другой магнитный накопитель или любой другой носитель, который может быть использован для хранения требуемого программного кода и доступ к которому может быть осуществлен с компьютера общего или специального назначения. В объем настоящего изобретения также входят сочетания вышеперечисленных средств для хранения программ.

Носитель может представлять собой электронные, магнитные, оптические, электромагнитные, инфракрасные или полупроводниковые систему, или устройство, или прибор, или среду распространения. Примерами машиночитаемых носителей являются полупроводниковая или твердотельная память, магнитная лента, компьютерная дискета, ОЗУ, ПЗУ, жесткий магнитный диск, оптический диск и т.п. Примерами существующих на сегодняшний день оптических дисков являются компакт-диск, доступный только для чтения (CD-ROM), перезаписываемый компакт-диск (CD-R/W) и цифровой видеодиск (DVD).

Система для обработки данных, пригодная для хранения и/или выполнения программного кода, содержит по меньшей мере один процессор, напрямую или косвенно соединенный с элементами памяти через системную шину. Элементы памяти могут включать локальную память, используемую при фактическом выполнении программного кода, внешний накопитель и блоки кэш-памяти, которые обеспечивают временное хранение по меньшей мере части программного кода для уменьшения количества обращений к внешнему накопителю для извлечения кода при его выполнении.

Устройства ввода-вывода, включающие клавиатуры, дисплеи, указательные устройства и т.д., могут быть присоединены к системе напрямую или через промежуточные управляющие устройства ввода-вывода. К системе для обработки данных также могут быть присоединены сетевые платы для обеспечения возможности ее соединения с другими системами для обработки данных, удаленными принтерами или накопительными устройствами через промежуточные частные или общедоступные сети.

Программная реализация может иметь форму компьютерного программного продукта, который доступен с носителя, выполненного с возможностью его использования компьютером, или машиночитаемого носителя, содержащего программный код, предназначенный для его использования компьютером или любой системой для исполнения инструкций или при участии компьютера или любой системы для исполнения инструкций.

Преимущества перед уровнем техники

В отличие от портативных устройств, описанных в уровне техники, в портативном устройстве согласно настоящему изобретению использованы различные системы измерителей ускорения, поддерживающих вычисления параметров движения как функций показаний измерителей ускорения и параметров, определяющих геометрию системы, в режиме реального времени или в режиме, близком к нему. Устройство также является нечувствительным к возмущающему воздействию гравитационной силы, благодаря чему для вычисления параметров движения в режиме реального времени не нужно отслеживать угловое положение устройства. Еще одним преимуществом настоящего изобретения является добавление возможности отфильтровывать влияние возмущающих сил на основании радиуса поворота, обусловленного этими силами. Система может быть настроена на неучет сил, обусловливающих поворот по радиусу, который больше, меньше или в пределах конкретного диапазона, а также в зависимости от направления по отношению к точке поворота. Кроме того, введение периода нечувствительности в алгоритм пошагового движения делает портативное устройство согласно настоящему изобретению нечувствительным к изменению его положения и позы пользователя. Это позволяет пользователю сохранять наилучший угол обзора дисплея и удобную позу.

Система, содержащая по меньшей мере два двухосевых или трехосевых измерителя ускорения, функционирует как объединенные гироскоп и датчик периодического движения. В частности, описанная здесь система измерителей ускорения обеспечивает возможность определения угловой скорости поворота, поступательных ускорений и радиуса поворота устройства, в котором установлены эти измерители ускорения. Иными словами, система измерителей ускорения определяет поворот вокруг продольной, поперечной и вертикальной осей, как гироскоп, и измеряет боковые движения, как измеритель ускорения. Система измерителей ускорения определяет поворот и поступательное движение объекта, имеющего до шести степеней свободы. Кроме того, способность вычислять радиус поворота объекта позволяет фильтровать сигналы, соответствующие движению, по расстоянию до точки поворота, направлению по отношению к точке поворота, амплитуде и траектории движения в зависимости от времени. В одном из вариантов реализации фильтрация сигналов, соответствующих движению, обеспечивает возможность работы с портативным устройством, содержащим систему измерителей ускорения, в движущемся транспортном средстве. Сигналы, соответсвующие движению, обусловленные движением запястья пользователя, могут быть отделены от возмущающих сигналов, обусловленных рулением, ускорением, столкновением и другими возмущающими воздействиями. Таким образом, система измерителей ускорения, подробно описанная выше, может быть использована в любом устройстве, в котором в настоящее время используют гироскопы и измерители ускорения.

Еще один вариант реализации

Следует отметить, что описанные в настоящей заявке конкретные варианты реализации изобретения приведены только в пояснительных целях, и возможны различные изменения изобретения без отклонения от его сущности и объема. В частности, было подробно описано, как система, содержащая по меньшей мере два двухосевых или трехосевых измерителя ускорения, может быть встроена в портативное вычислительное устройство. Система двух измерителей ускорения имеет ограничения, связанные с определением радиуса поворота, когда линия, соединяющая измерители ускорения, параллельна оси поворота. В одном из вариантов реализации это ограничение устранено путем добавления к этой системе двух измерителей ускорения по меньшей мере еще одного измерителя ускорения и их нелинейного размещения. Например, три измерителя ускорения могут быть размещены в форме треугольника, так что по меньшей мере один из них не лежит на линии, параллельной оси поворота. Еще в одном варианте реализации измерители ускорения с геометрическим расположением, описанным выше, могут быть встроены в кремниевое основание, установленное в интегральной схеме. Это позволяет измерителям ускорения быть частью аппаратного обеспечения устройства, отдельной от основания, то есть корпуса. Также необходимо отметить, что измерители ускорения не обязательно должны быть одинаковыми и одинаково ориентированными, поскольку их выходные сигналы путем регулировки и/или математических преобразований могут быть приведены к виду, соответствующему одинаковым и одинаково ориентированным измерителям ускорения.

Еще в одном варианте реализации область применения системы измерителей ускорения может быть расширена для использования в других видах устройств. Например, она может быть использована в камерах, включая фотоаппарат или видеокамеру, в биноклях, телескопах, микроскопах и т.д. для стабилизации изображения путем подачи корректирующих сигналов на линзы, приемники изображения и/или программное обеспечение для стабилизации изображения. Как показано на фиг.8 и 9, анализируемые показания измерителей ускорения сопоставляют с пороговыми значениями и критериями. Критерии и пороговые значения могут быть запрограммированы для использования с конкретным устройством, например для программного обеспечения для стабилизации изображения. Таким образом, объем охраны настоящего изобретения определен только нижеследующей формулой и эквивалентными признаками.

1. Устройство для обнаружения вращательного и поступательного движения корпуса, содержащее
корпус, в котором установлен набор по меньшей мере из двух измерителей ускорения, разделенных пространственно и измеряющих движение по меньшей мере вдоль одной измерительной оси;
процессор, взаимодействующий с измерителями ускорения для получения от них данных об измеренном движении и для вычисления по этим данным движения указанного корпуса и
выполняющий инструкции для вычисления радиуса поворота корпуса и определения направления по отношению к оси поворота каждого измерителя ускорения, причем указанные радиусы поворота корпуса и направление по отношению к оси поворота каждого измерителя ускорения определяют оси поворота указанного корпуса, а указанные инструкции применяют геометрические принципы к показаниям измерителей ускорения, получаемым в режиме реального времени, с учетом постоянных ориентации и положения этих измерителей по отношению к корпусу.

2. Устройство по п.1, которое по показаниям измерителей ускорения и вычисленным радиусам поворота дополнительно определяет угловое ускорение и угловую скорость.

3. Устройство по п.1, в котором указанные измерители ускорения по существу одинаковы и имеют выровненные измерительные оси.

4. Устройство по п.1, в котором указанный набор измерителей ускорения представляет собой набор двухосевых измерителей ускорения, измеряющих движение вдоль двух перпендикулярных осей, или набор трехосевых измерителей ускорения, измеряющих движение вдоль трех перпендикулярных осей.

5. Устройство по п.1, в котором указанный набор измерителей ускорения содержит три измерителя ускорения, установленных в корпусе и имеющих треугольное расположение.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее основание, установленное в корпусе, причем измерители ускорения установлены на этом основании, а их измерительные оси выровнены.

7. Устройство по п.1, в котором корпус представляет собой портативное устройство, взаимодействующее с дисплеем, причем изображение, отображаемое на дисплее, изменяется при превышении измеренным движением пороговых значений.

8. Устройство по п.1, в котором указанный процессор выполнен с возможностью вычисления радиуса поворота корпуса в режиме реального времени, и которое дополнительно содержит фильтрующую систему, взаимодействующую с указанным процессором и предназначенную для анализа сигналов на основании
вычисленного радиуса поворота таким образом, что в ходе этого анализа сигналы, соответствующие радиусу поворота, который меньше предварительно установленного значения, обрабатывают в качестве данных о движении, а сигналы, соответствующие радиусу поворота, который больше предварительно определенного значения, блокируют; или
направления по отношению к оси поворота таким образом, что в ходе этого анализа сигналы, соответствующие конкретному направлению по отношению к оси поворота, обрабатывают в качестве данных о движении, а сигналы, соответствующие другим направлениям по отношению к оси поворота, блокируют; или
углового ускорения и угловой скорости таким образом, что в ходе этого анализа сигналы, соответствующие угловому ускорению и угловой скорости, которые больше предварительно установленного значения, обрабатывают в качестве данных о движении, а сигналы, соответствующие угловому ускорению и угловой скорости, которые меньше предварительно установленного значения, блокируют.

9. Устройство по п.1, дополнительно содержащее приемник системы глобального местоопределения, взаимодействующий с указанным процессором и передающий данные о местоположении при превышении измеренным движением порогового значения.

10. Устройство по п.1, в котором процессор уменьшает ошибку, внесенную гравитацией, путем использования разности показаний измерителей ускорения в режиме, близком к режиму реального времени.

11. Устройство по п.10, дополнительно вводящее поправку на вычислительную ошибку, внесенную гравитацией, на основании показаний измерителей ускорения перед поворотом корпуса и после его поворота и/или путем прибавления или вычитания эмпирической гравитационной поправочной величины, сохраненной в памяти.

12. Изделие для обнаружения вращательного и поступательного движения корпуса, содержащее:
корпус, в котором установлен по меньшей мере один измеритель ускорения, выполненный с возможностью измерения движения по меньшей мере вдоль одной измерительной оси;
машиночитаемый носитель, содержащий
алгоритм обработки входных данных о движении, выполненный с возможностью преобразования данных об измеренном движении, полученных от указанного по меньшей мере одного измерителя ускорения, в команду, и
алгоритм пошагового движения, предназначенный для обработки указанной команды и содержащий инструкции, включающие:
- инструкции на выполнение команды алгоритма обработки входных данных о движении;
- инструкции на направление команды на переход в режим ожидания алгоритму обработки входных данных о движении после выполнения указанной команды; и
- инструкции на повторное приведение в действие алгоритма обработки входных данных о движении после команды на переход в режим ожидания по истечении заданного периода времени.

13. Изделие по п.12, в котором инструкции на переход в режим ожидания временно блокируют выполнение новых команд алгоритма обработки входных данных о движении и обеспечивают перенастройку алгоритма обработки входных данных о движении между последовательными движениями корпуса.

14. Изделие по п.12, в котором инструкции на повторное приведение в действие направляют приводящую в действие команду алгоритму обработки входных данных о движении для возобновления отправки команд, соответствующих входным данным о движении, с принятием текущего положения корпуса за исходное положение.

15. Изделие по п.12, дополнительно содержащее инструкции на
- анализ сигналов, соответствующих радиусу поворота, который меньше предварительно определенного минимального значения, в качестве входных данных о движении и
- блокирование сигналов, соответствующих радиусу поворота, который больше предварительного определенного максимального значения.

16. Способ измерения движения корпуса, включающий установку в корпус по меньшей мере двух измерителей ускорения, выполненных с возможностью измерения движения по меньшей мере вдоль одной измерительной оси;
получение процессором, взаимодействующим с измерителями ускорения, данных об измеренном движении на основании данных измерителей ускорения;
вычисление процессором движения корпуса на основании указанных данных о движении; и
выполнение процессором инструкций на вычисление радиуса поворота корпуса и определение направления по отношению к оси поворота каждого измерителя ускорения, причем указанные радиусы поворота корпуса и направление по отношению к оси поворота определяют оси поворота указанного корпуса, а способ дополнительно включает применение процессором геометрических принципов к показаниям измерителей ускорения, получаемым в режиме реального времени, с учетом постоянных ориентации и положения этих измерителей ускорения.