用于检测物体翻滚的方法和装置技术领域
本发明涉及测量技术，特别涉及一种用于检测物体翻滚的方法以
及实现该方法的测量装置。
背景技术
在空间飞行器的惯性测量系统、车辆船舶的倾斜测量、机器人的
平衡姿态检测和机械臂伸展确定等许多方面都需要测量物体的倾斜和
方向等姿态参数。
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，将MEMS传感器应用到
姿态检测系统上的条件日益成熟。基于MEMS技术的加速度传感器和
陀螺仪具有抗冲击力强、可靠性高、寿命长和成本低等优点，是适于
构建姿态检测系统的惯性传感器。利用MEMS陀螺仪和加速度传感器
等惯性传感器组成的测量系统能够通过对重力矢量夹角和系统转动角
速度进行测量，从而实时、准确地检测系统的偏转程度。
翻滚检测是姿态检测的一个重要的应用方面。为了确保物体始终
保持合适姿态，准确、可靠和实时的翻滚检测是必需的。但是现有的
惯性测量系统结构都比较复杂，通常是针对诸如运载工具和机器人之
类的高精度应用而设计的，系统能耗大并且成本下降幅度也有限。另
一方面，诸如单轮电动车和电动平衡车之类的消费类产品正风靡全球
市场，这类消费级应用的特点是对成本高度敏感，与此同时又需要较
高的可靠性以确保产品的安全性。对于业界来说，提供一种在成本、
精度、能耗和可靠性等诸多方面均能达到令人满意的水准的技术方案
将是一个巨大的挑战，而市场对于这样的技术方案又是迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测物体翻滚的方法，其具有实现成本
低和可靠性高等优点。
按照本发明一个实施例的利用固定于待测物体上的加速度计和陀
螺仪来检测物体翻滚的方法包含下列步骤：
根据加速度计测量得到的加速度确定待测物体的侧翻程度是否超
出正常范围；
如果超出正常范围，则根据陀螺仪测量得到的角速度确定待测物
体是否发生翻滚；以及
如果确定发生翻滚，则输出指示待测物体发生翻滚的信号。
优选地，在上述方法中，所述侧翻程度以下列参数来表征：
待测物体的第一坐标轴与地面坐标系的第一坐标轴的夹角，所述
地面坐标系的第一坐标轴平行于重力加速度的方向；以及
待测物体的第二坐标轴与地面坐标系的第二坐标轴的夹角。
优选地，在上述方法中，所述角速度为待测物体围绕其第二坐标
轴旋转的角速度。
优选地，在上述方法中，确定待测物体的侧翻程度是否超出正常
范围的步骤包括：
如果待测物体的第一坐标轴与地面坐标系的第一坐标轴的夹角大
于预设的第一阈值，则以更快的采样频率测量待测物体的加速度；
如果待测物体的第一坐标轴与地面坐标系的第一坐标轴的夹角大
于预设第二阈值并且待测物体的第二坐标轴与地面坐标系的第二坐标
轴的夹角大于预设的第三阈值，则确定待测物体的侧翻程度超出正常
范围并且启动陀螺仪工作，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。
优选地，在上述方法中，其中，确定是否发生翻滚的步骤包括：
如果角速度大于预设的第四阈值，则确定待测物体发生高速翻滚；
如果角速度小于或等于第四阈值并且待测物体的第一坐标轴与地
面坐标系的第一坐标轴的夹角大于预设的第五阈值，则确定待测物体
发生低速翻滚。
本发明的还有一个目的是提供一种用于检测物体翻滚的装置，其
具有实现成本低和可靠性高等优点。
按照本发明一个实施例的用于检测物体翻滚的装置包含：
固定于待测物体上的加速度计和陀螺仪；
与所述加速度计和陀螺仪耦合的处理器，其配置为根据加速度计
测量得到的加速度确定待测物体的侧翻程度是否超出正常范围，并且
在确定超出正常范围时根据陀螺仪测量得到的角速度确定待测物体是
否发生翻滚，其还被配置为如果确定发生翻滚，则输出指示待测物体
发生翻滚的信号。
附图说明
本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方
面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用
相同的标号表示，附图包括：
图1为按照本发明一个实施例的嵌入式系统的示意图。
图2A示出了待测物体处于平衡姿态或正常姿态下加速度计的坐
标系与基准坐标系的关系，此时二者是重合的；图2B示出了待测物体
处于平衡姿态或正常姿态下陀螺仪的坐标系与基准坐标系的关系，此
时二者是重合的；图2C示出了待测物体偏离平衡姿态时加速度计的坐
标系与基准坐标系的关系。
图3为按照本发明另一个实施例的用于检测物体翻滚的方法的流
程图。
图4为按照本发明还有一个实施例的用于检测物体翻滚的方法的
流程图。
具体实施方式
下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明
本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文
给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，
从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权
利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案
也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、
大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
按照本发明的实施例，首先根据加速度计测量得到的加速度确定
待测物体的侧翻程度是否超出正常范围，并且在超出正常范围时根据
陀螺仪测量得到的角速度确定待测物体是否发生翻滚以及翻滚的类
型。
以下借助附图具体描述本发明的实施例。
图1为按照本发明一个实施例的用于检测物体翻滚的装置的示意
图。
图1所示的装置10包括加速度计110、陀螺仪120和处理器130。
这种测量装置例如可以是嵌入式系统。需要指出的是，装置10可能还
包括其它单元，但是本领域内技术人员从下面的描述中将会认识到，
上面提及的单元足以提供检测物体翻滚的功能，因此为避免赘述，本
实施例未对其它单元作出描述。
加速度计110是利用MEMS技术制造的三轴加速度传感器，其被
固定于待测物体上。陀螺仪120为利用MEMS技术制造的传感器，其
也被固定于待测物体上。
如图2A所示，优选地，加速度计110的固定方式为在物体处于平
衡姿态或正常姿态下，其直角坐标系与基准直角坐标系(例如地面坐
标系)的空间取向一致，此时其中一个坐标轴(例如假设为Z轴)与
重力方向g平行。另一方面，如图2B所示，陀螺仪120的直角坐标系
与加速度计110的直角坐标系的空间取向一致，即，前者的X轴、Y
轴和Z轴分别与后者的X轴、Y轴和Z轴平行或重合。
处理器130与加速度计110和陀螺仪120耦合，其配置为根据加
速度计测得的加速度和陀螺仪测得的角速度确定待测物体是否发生翻
滚以及翻滚的类型，并且生成相应的指示信号，具体的确定方式将在
下面作进一步的描述。
图3为按照本发明另一个实施例的用于检测物体翻滚的方法的流
程图。示例性地，利用图1所示的装置10来实现图3所示的实施例。
但是对于本领域内技术人员来说可理解的是，本实施例所示的方法并
不局限于具有特定结构的实体装置。
如图3所示，在步骤S311中，启动加速度计110以一个预设的采
样速率测量待测物体的加速度并且输出至处理器130。如上所述，在本
实施例中，加速度计为三轴加速度计，因此测量值是一个三维矢量。
假设加速度计110的测量值为{AX,AY,AZ}，其中AX、AY、AZ分别表
示加速度计在X、Y和Z轴方向上测得的加速度值。
接着进入步骤S312，处理器130根据加速度计110测量得到的加
速度信号来确定待测物体的侧翻程度是否超出正常范围。
当待测物体偏离平衡姿态或正常姿态时，加速度计110的直角坐
标系与基准坐标系的取向不再一致。如图2C所示，此时加速度计110
的直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴与基准坐标系的X轴、Y轴和Z轴
呈一定的夹角。在本实施例中，侧翻程度以下列参数来表征：
(1)待测物体的Z轴与地面坐标系的Z轴(也即重力加速度的
方向)的夹角(图3B中的角度θ)。
角度θ可以根据下式确定：
其中，A为加速度计110在Z轴方向上测得的加速度值，1g表示1个
重力加速度值。
(2)待测物体的Y轴与地面坐标系的Y轴的夹角(图3B中的角
度)。
需要指出的是，待测物体的Y轴与地面坐标系的Y轴的夹角也可
以用待测物体的X轴与地面坐标系的X轴的夹角代替。
在本步骤中，处理器130采用下列判据来确定侧翻程度是否超出
正常范围：
当θ>T1时，确定待测物体的侧翻程度超出正常范围，这里T1为预
设的阈值，其可以通过实验确定。
优选地，为了避免检测过于灵敏，可以采用下列判据：
当θ>T1并且时，确定待测物体的侧翻程度超出正常范围，这
里T1和T2均为预设的阈值，其可以通过实验确定。
在步骤S312中，如果确定侧翻程度超出正常范围，则转入步骤
S313，否则，则返回步骤S311。
在步骤S313中，启动陀螺仪120测量待测物体的角速度并且输出
至处理器130。由于是在判定待测物体的侧翻程度超出正常范围时再启
动陀螺仪运行，因此可以降低能耗。
在步骤S314中，处理器130判断陀螺仪120测量得到的待测物体
围绕Y轴旋转的角速度ω是否大于一个预设的阈值T3，如果大于，则
确定待测物体处于高速翻滚状态并转入步骤S315，否则则转入步骤
S316。上述阈值T3可以通过实验确定。
在步骤S315，处理器130生成指示待测物体发生高速翻滚的信号。
在步骤S316中，处理器130判断待测物体的Z轴与地面坐标系的
Z轴(也即重力加速度的方向)的夹角θ是否大于一个预设的阈值T4，
如果大于，则确定待测物体处于低速翻滚状态并转入步骤S317，否则，
则停止陀螺仪的运行并且返回步骤S311。上述阈值T4大于阈值T1并
且可通过实验确定。
在步骤S317，处理器130生成指示待测物体发生低速翻滚的信号。
执行步骤S315和S317之后都转至步骤S318，输出所生成的指示
信号并且使装置10进入低功耗工作模式(例如降低加速度计110的采
样速率和处理器130的工作频率)。
随后进入步骤S319，处理器检测待测物体的姿态是否恢复到正常，
如果恢复到正常，则返回步骤S311，否则，则继续检测。在本步骤中，
例如可以通过判断加速度计110测得的Z轴上的加速度值AX是否大于
重力加速度值来确定姿态是否恢复正常，即，如果前者大于后者，则
确定姿态恢复正常。
图4为按照本发明还有一个实施例的用于检测物体翻滚的方法的
流程图。示例性地，这里利用图1所示的装置10来实现图4所示的实
施例。但是对于本领域内技术人员来说可理解的是，本实施例所示的
方法并不局限于具有特定结构的实体装置。
与借助图3所示的实施例相比，本实施例的不同之处在于，根据
加速度计110待测物体的Z轴与重力加速度方向的夹角来动态调整加
速度计110的采样速率，从而降低装置的功耗。
如图4所示，在步骤S411中，启动加速度计110以一个预设的采
样速率R1测量待测物体的加速度并且输出至处理器130。
接着进入步骤S412，处理器130判断由上式(1)确定的角度θ是
否大于一个预设的阈值T0，该阈值可通过实验确定。如果大于，则进
入步骤S413，否则返回步骤S411。
在步骤S413，加速度计110以另一个预设的采样速率R2测量待测
物体的加速度并且输出至处理器130，这里的采样速率R2小于R1。
随后进入步骤S414，处理器130采用下列判据来确定侧翻程度是
否超出正常范围：
当θ>T1时，确定待测物体的侧翻程度超出正常范围，这里T1为大
于的T0预设阈值，其可以通过实验确定。
同样，为了避免检测过于灵敏，可以采用下列判据：
当θ>T1并且时，确定待测物体的侧翻程度超出正常范围，这
里T1和T2均为预设的阈值，其可以通过实验确定。
在步骤S414中，如果确定侧翻程度超出正常范围，则转入步骤
S415，否则，则返回步骤S411。
在步骤S415中，启动陀螺仪120测量待测物体的角速度并且输出
至处理器130。
在步骤S416中，处理器130判断陀螺仪120测量得到的待测物体
围绕Y轴旋转的角速度ω是否大于一个预设的阈值T3，如果大于，则
确定待测物体处于高速翻滚状态并转入步骤S417，否则则转入步骤
S418。
在步骤S417，处理器130生成指示待测物体发生高速翻滚的信号。
在步骤S418中，处理器130判断待测物体的Z轴与地面坐标系的
Z轴(也即重力加速度的方向)的夹角θ是否大于一个预设的阈值T4，
如果大于，则确定待测物体处于低速翻滚状态并转入步骤S419，否则，
则停止陀螺仪的运行并且返回步骤S411。
在步骤S419，处理器130生成指示待测物体发生低速翻滚的信号。
执行步骤S417和S419之后都转至步骤S420，输出所生成的指示
信号并且使装置10进入低功耗工作模式(例如降低加速度计110的采
样速率和处理器130的工作频率)。
随后进入步骤S421，处理器检测待测物体的姿态是否恢复到正常，
如果恢复到正常，则返回步骤S411，否则，则继续检测。在本步骤中，
例如可以通过判断加速度计110测得的Z轴上的加速度值AX是否大于
重力加速度值来确定姿态是否恢复正常。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术
人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方
面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。