JP2011099872A - Azimuth measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は方位角計測装置に関し、特に、地磁気を検出して方位を求める場合に適用して好適なものである。 The present invention relates to an azimuth angle measuring apparatus, and is particularly suitable for application in the case of obtaining azimuth by detecting geomagnetism.
近年、携帯電話やPDAなどの普及により、歩行者用ナビゲーションシステムのニーズが高まっており、歩行者の現在位置と共に進行方向を計測するための方位センサシステムの需要が高まっている。
歩行者の進行方向を計測するために、従来から行われている方法として、感度の高いフラックスゲートセンサにより地磁気を検出して方位を求める方法があった。なお、このような従来技術としては、例えば、特許文献1が挙げられる。
In recent years, with the spread of mobile phones and PDAs, the need for navigation systems for pedestrians has increased, and the demand for orientation sensor systems for measuring the direction of travel together with the current position of pedestrians has increased.
In order to measure the traveling direction of a pedestrian, there has been a conventional method of detecting the geomagnetism using a highly sensitive fluxgate sensor to obtain an azimuth. In addition, as such a prior art, patent document 1 is mentioned, for example.
しかしながら、フラックスゲートセンサでは、コア材や巻線が使われるため、装置が大型化するとともに、価格も高価になり、さらに、携帯電話内で近くにスピーカ等磁気を発生する物があった場合には、その磁気によってコア材が飽和してしまい、地磁気の測定ができなくなるため、歩行者用ナビゲーションシステムなどに用いるには不向きであった。
そこで、本発明の目的は、感度の低い磁気センサを用いたか、近くに地磁気より大きな磁気を発生する物がある移動機器内に搭載された場合においても、地磁気から方位を計測することが可能な方位角計測装置を提供することである。
However, since the core material and windings are used in the fluxgate sensor, the size of the device is increased, the price is also expensive, and there is an object that generates magnetism such as a speaker nearby in the mobile phone. Is not suitable for use in a navigation system for pedestrians and the like because the magnetic material saturates the core material and makes it impossible to measure geomagnetism.
Therefore, the object of the present invention is to be able to measure the orientation from the geomagnetism even when a low-sensitivity magnetic sensor is used or when it is mounted in a mobile device that has an object that generates magnetism larger than the geomagnetism nearby. It is to provide an azimuth measuring device.
上述した課題を解決するために、請求項1記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、地磁気を検出する2軸以上の磁気センサと、前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第1の補正値記憶部と、前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第1の補正計算部を備えると共に、前記第1の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、を備え、前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, according to the azimuth angle measuring device according to claim 1, the azimuth angle measuring device mounted in a mobile device, the magnetic sensor having two or more axes for detecting geomagnetism, A first correction value storage unit that stores a reference value for each axis output of the magnetic sensor; and a first correction calculation unit that subtracts the reference value from an output amplification value of the magnetic sensor. An azimuth angle calculation unit that calculates an azimuth on which the mobile device is heading based on an output correction value by the calculation unit, and the azimuth angle measurement device is an offset that can be canceled in a circuit from the output of the magnetic sensor The reference value is subtracted from the output value obtained by subtracting.
また、請求項2記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサの内少なくとも1つは、ホール素子であることを特徴とする。
また、請求項3記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子は、当該ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を含み、前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた2つの端子でなる第1端子対及び第2端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第1端子対が入力端子として使用されるときには前記第2端子対が出力端子として使用され、前記第2端子対が入力端子として使用されるときには前記第1端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする。
According to the azimuth measuring apparatus according to
According to the azimuth measuring apparatus according to claim 3, the Hall element includes a chopper section that switches connection between an input terminal of a power source that drives the Hall element and a voltage output terminal of the Hall element, and The element has a first terminal pair and a second terminal pair formed of two terminals provided at positions facing each other, and the chopper portion includes the second terminal when the first terminal pair is used as an input terminal. When the terminal pair is used as an output terminal and the second terminal pair is used as an input terminal, the output voltage is output from the output terminal while switching between the input terminal and the output terminal so that the first terminal pair is used as an output terminal. Is output to the outside, and the output voltage output by switching between the input terminal and the output terminal is added or subtracted, so that the circuit included in the output of the Hall element is cancelled. After canceling most of Le possible offsets, characterized by subtracting the reference value.
また、請求項4記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する3軸以上の磁気センサであり、2軸以上の傾斜センサと、前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、前記第1の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記2軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。 According to the azimuth measuring apparatus according to claim 4, the magnetic sensor is a magnetic sensor having three or more axes for detecting geomagnetism, and the output value of each axis of the inclination sensor having two or more axes and the inclination sensor. Based on an inclination angle calculation unit that calculates an inclination angle at which the mobile device is inclined with respect to a horizontal plane, a magnetic sensor output correction value by the first correction calculation unit, and an inclination angle calculation value of the two or more axes. And an azimuth angle calculation unit for calculating the azimuth of the horizontal plane toward which the mobile device is directed.
また、請求項5記載の方位角計測装置によれば、前記磁気センサは、地磁気を検出する3軸以上の磁気センサであり、傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、前記第1の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする。
Further, according to the azimuth measuring apparatus according to
また、請求項6記載の方位角計測装置によれば、前記第1の補正値記憶部は、前記移動機器の使用状態に対応した複数の基準値を記憶し、前記第1の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする。
また、請求項7記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記2軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第2の補正値記憶部をさらに備えると共に、前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第2の補正計算部を備えることを特徴とする。
Moreover, according to the azimuth measuring apparatus according to
Further, according to the azimuth angle measuring apparatus according to claim 7, the azimuth angle measuring apparatus mounted in the mobile device, wherein the second correction value storage unit stores sensitivity ratios of the magnetic sensors having two or more axes. And a second correction calculator for multiplying the output value of the magnetic sensor by the sensitivity ratio.
また、請求項8記載の方位角計測装置によれば、移動機器内に搭載される方位角計測装置であって、前記2軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする。
また、請求項9記載の方位角計測装置によれば、前記ホール素子を駆動する電源の入力端子と、前記ホール素子の電圧出力端子の接続を切り替えるチョッパ部を備えると共に、前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第3の補正計算部を備えることを特徴とする。
Further, according to the azimuth angle measuring apparatus according to claim 8, the azimuth angle measuring apparatus mounted in a mobile device, wherein the reference value is subtracted from an output amplification value of the two or more axis magnetic sensor. It is characterized by comprising an integration averaging unit that integrates and averages the values.
According to the azimuth measuring apparatus according to claim 9, the azimuth angle measuring apparatus includes a chopper section that switches connection between an input terminal of a power source that drives the Hall element and a voltage output terminal of the Hall element, and uses the chopper section And a third correction calculator for subtracting the reference value after canceling most of the offset included in the output of the Hall element.
以上説明したように、本発明によれば、感度の低い磁気センサを用いた場合においても、また、移動機器内の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合においても、地磁気に基づいて移動機器の方位を計測することが可能となり、方位角計測装置の小型・低価格化、並びに搭載可能移動機器の条件緩和を図ることできる。 As described above, according to the present invention, even when a low-sensitivity magnetic sensor is used or when there is an object that generates magnetism larger than the geomagnetism in the vicinity of the mobile device, it is based on the geomagnetism. It becomes possible to measure the azimuth of the mobile device, and it is possible to reduce the size and cost of the azimuth measuring device and relax the conditions of the mobile device that can be mounted.
以下、本発明の実施形態に係る方位角計測装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図1において、2軸磁気センサ1、チョッパ部2、磁気センサ駆動電源部3、差動入力アンプ4、A/D変換部5、補正計算部6、補正値記憶部7および方位角計算部8が設けられ、2軸磁気センサ1には、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyが設けられている。
Hereinafter, an azimuth measuring device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an azimuth measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a biaxial magnetic sensor 1, a
ここで、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyは地磁気を検出するためのもので、例えば、InSbやInAs、GaAsなどの化合物半導体系であることが好ましい。
チョッパ部2はx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyを駆動する端子を切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部3から出力された駆動電圧をx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyに印加する。
Here, the x-axis Hall element HEEx and the y-axis Hall element HEy are for detecting geomagnetism, and are preferably compound semiconductor systems such as InSb, InAs, and GaAs.
The
ここで、チョッパ部2は、例えば、90°チョッパ駆動や360°チョッパ駆動などを用いることができる。なお、90°チョッパ駆動では、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyを駆動する際に、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項を大部分キャンセルすることができる。
また、360°チョッパ駆動では、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力に含まれるホール素子自身のオフセット項だけでなく、後段のアンプ自身による電気的なオフセット項もキャンセルすることができる。
Here, the
Further, in the 360 ° chopper drive, not only the offset term of the Hall element itself included in the outputs of the x-axis Hall element HEx and the y-axis Hall element HEy but also the electrical offset term by the subsequent amplifier itself can be canceled. .
図2は、本発明の一実施形態に係るチョッパ部2の360°チョッパ駆動方法および出力信号を示す図である。
図2において、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyには4つの端子T1〜T4が設けられている。そして、360°チョッパ駆動方法では、4つの位相ごとに、入力端子および出力端子を切り換えながら、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyを駆動する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a 360 ° chopper driving method and an output signal of the
In FIG. 2, four terminals T1 to T4 are provided in the x-axis hall element HEEx and the y-axis hall element HEy. In the 360 ° chopper driving method, the x-axis Hall element HEEx and the y-axis Hall element HEy are driven while switching the input terminal and the output terminal for every four phases.
ここで、位相が0°の場合は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T1、T3を入力端子として使い、端子T3をLOWレベルに設定するとともに、端子T1をHighレベルに設定する。そして、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T2、T4を出力端子として使い、端子T2から電圧V1を取り出すとともに、端子T4から電圧V2を取り出すことにより、差動増幅後の出力D0=(V1−V2)として、D0=(H1+H2+F1+F2)+F3という値を得ることができる。 When the phase is 0 °, the terminals T1 and T3 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy are used as input terminals, the terminal T3 is set to the LOW level, and the terminal T1 is set to the high level. Set. Then, using the terminals T2 and T4 of the x-axis hall element HEEx and the y-axis hall element HEy as output terminals, the voltage V1 is taken out from the terminal T2 and the voltage V2 is taken out from the terminal T4, whereby the output after differential amplification As D0 = (V1-V2), a value of D0 = (H1 + H2 + F1 + F2) + F3 can be obtained.
ただし、H1は、地磁気等移動機器外部に起因する磁界のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、H2は、スピーカの磁石等移動機器内部に起因する磁気のホール素子感磁軸成分に比例するホール電圧、F1は、入力端子・出力端子の位相を90度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が反転するx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyのオフセット電圧、F2は、入力端子・出力端子の位相を90度回転させた時に、ホール電圧に対して符号が変わらないx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyのオフセット電圧であり、通常は、F1≫F2であって、F1がホール素子自身のオフセット電圧の大部分を占めている。また、F3は、差動入力アンプ4のオフセット電圧である。 However, H1 is a Hall voltage proportional to the Hall element magnetosensitive axis component of the magnetic field originating from the outside of the mobile device such as geomagnetism, and H2 is proportional to the magnetic Hall element magnetosensitive axis component originating from inside the mobile device such as the speaker magnet. Hall voltage F1 is the offset voltage of the x-axis Hall element HEx and the y-axis Hall element HEy whose signs are inverted with respect to the Hall voltage when the phase of the input terminal / output terminal is rotated by 90 degrees, and F2 is the input voltage This is the offset voltage of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy whose signs do not change with respect to the hall voltage when the phase of the terminal / output terminal is rotated by 90 degrees, usually F1 >> F2, F1 accounts for most of the offset voltage of the Hall element itself. F3 is an offset voltage of the differential input amplifier 4.
位相が90°の場合は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T2、T4を入力端子として使い、端子T4をLOWレベルに設定するとともに、端子T2をHighレベルに設定する。そして、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T1、T3を出力端子として使い、端子T1から電圧V1を取り出すとともに、端子T3から電圧V2を取り出すことにより、差動増幅後の出力D90=(V1−V2)として、D90=(H1+H2−F1+F2)+F3という値を得ることができる。 When the phase is 90 °, the terminals T2 and T4 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy are used as input terminals, the terminal T4 is set to the LOW level, and the terminal T2 is set to the high level. Then, using the terminals T1 and T3 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy as output terminals, the voltage V1 is taken out from the terminal T1 and the voltage V2 is taken out from the terminal T3, whereby the output after differential amplification As D90 = (V1-V2), a value of D90 = (H1 + H2-F1 + F2) + F3 can be obtained.
位相が180°の場合は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T3、T1を入力端子として使い、端子T1をLOWレベルに設定するとともに、端子T3をHighレベルに設定する。そして、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T2、T4を出力端子として使い、端子T2から電圧V1を取り出すとともに、端子T4から電圧V2を取り出すことにより、差動増幅後の出力D180=(V1−V2)として、D180=−(H1+H2+F1+F2)+F3という値を得ることができる。 When the phase is 180 °, the terminals T3 and T1 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy are used as input terminals, the terminal T1 is set to the LOW level, and the terminal T3 is set to the high level. Then, using the terminals T2 and T4 of the x-axis hall element HEEx and the y-axis hall element HEy as output terminals, the voltage V1 is taken out from the terminal T2 and the voltage V2 is taken out from the terminal T4, whereby the output after differential amplification As D180 = (V1−V2), a value of D180 = − (H1 + H2 + F1 + F2) + F3 can be obtained.
位相が270°の場合は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T4、T2を入力端子として使い、端子T2をLOWレベルに設定するとともに、端子T4をHighレベルに設定する。そして、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの各端子T1、T3を出力端子として使い、端子T1から電圧V1を取り出すとともに、端子T3から電圧V2を取り出すことにより、差動増幅後の出力D360=(V1−V2)として、D360=−(H1+H2−F1+F2)+F3という値を得ることができる。 When the phase is 270 °, the terminals T4 and T2 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy are used as input terminals, the terminal T2 is set to the LOW level, and the terminal T4 is set to the high level. Then, using the terminals T1 and T3 of the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy as output terminals, the voltage V1 is taken out from the terminal T1 and the voltage V2 is taken out from the terminal T3, whereby the output after differential amplification As D360 = (V1-V2), a value of D360 =-(H1 + H2-F1 + F2) + F3 can be obtained.
そして、これらの出力を以下の式で計算することにより、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyのオフセット項の大部分およびアンプの電気的オフセット項をキャンセルして、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力から、回路的にキャンセル可能なオフセット項を減じて、温度変化等による出力の変化を少なくすることができる。
(D0+D90−D180−D360)=H1+H2+F2
Then, by calculating these outputs by the following equations, most of the offset terms of the x-axis hall element HEx and y-axis hall element HEy and the electrical offset term of the amplifier are canceled, and the x-axis hall element HEx and A change in output due to a temperature change or the like can be reduced by subtracting an offset term that can be canceled in terms of circuit from the output of the y-axis Hall element HEy.
(D0 + D90-D180-D360) = H1 + H2 + F2
次に、図1において、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyから出力された信号は、差動入力アンプ4で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Dx、DyがA/D変換部5でデジタル信号に変換された後、補正計算部6に入力される。
ここで、補正値記憶部7には、上記H2+F2に相当するx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの基準値Lx、Lyが記憶され、補正計算部6は、この基準値Lx、Lyを用いることにより、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力増幅値Dx、Dyを補正し、上記H1に相当する地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出す。
Next, in FIG. 1, signals output from the x-axis hall element HEx and the y-axis hall element HEy are amplified by the differential input amplifier 4, and the amplified output amplification values Dx and Dy are A / D converted. After being converted to a digital signal by the
Here, the correction value storage unit 7 stores reference values Lx and Ly of the x-axis Hall element HEx and the y-axis Hall element HEy corresponding to the above H2 + F2, and the
なお、補正値記憶部7に記憶される基準値Lx、Lyとして、方位角計測装置を携帯機器に入れた状態で、チョッパ駆動して測定したx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの基準値Lx、Lyを記憶させることができる。
そして、補正計算部6は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力増幅値Dx、Dyから、この基準値Lx、Lyを減算することにより、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力から、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出すことができる。
In addition, as the reference values Lx and Ly stored in the correction value storage unit 7, the reference of the x-axis hall element HEEx and the y-axis hall element HEy measured by chopper driving in a state where the azimuth measuring device is put in a portable device. Values Lx and Ly can be stored.
Then, the
補正計算部6において地磁気の各軸成分に比例した値α、βが取り出されると、この値α、βは方位角計算部7に出力される。そして、方位角計算部7は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βの符号と、θ=arcTAN(β/α)の式に基づいて、方位角θを算出する。
これにより、たとえ地磁気から得られる信号が微弱なため、チョッパ部2でオフセットをキャンセルした後の残留オフセット値が、信号成分と同等レベル以上残っている場合においても、また、携帯機器の近くに、スピーカ等地磁気より大きい磁気を発生するものがある場合においても、方位角の算出を行うことが可能となる。
When values α and β proportional to each axis component of geomagnetism are taken out by the
Thereby, even if the signal obtained from the geomagnetism is weak, the residual offset value after canceling the offset by the
図3は、図1の補正計算部6および方位角算出部8の動作例を示すフローチャートである。
図3において、補正計算部6は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力増幅値Dx、Dyを取得すると(ステップS1)、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの基準値Lx、Lyを補正値記憶部7から取得する(ステップS2)。
FIG. 3 is a flowchart showing an operation example of the
In FIG. 3, when the
次に、補正計算部6は、x軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyの出力増幅値Dx、Dyから基準値Lx、Lyを減算することにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βだけを取り出し(ステップS3)、方位角算出部8に出力する。
次に、方位角算出部8は、地磁気の各軸成分に比例した値α、βを用いることにより、方位角θを算出し(ステップS4)、算出した方位角θを出力する(ステップS5)。
Next, the
Next, the azimuth angle calculation unit 8 calculates the azimuth angle θ by using values α and β proportional to each axis component of geomagnetism (step S4), and outputs the calculated azimuth angle θ (step S5). .
図4は、本発明の第2実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図4において、図1の補正計算部6の後段には、補正計算部6から出力された信号を積算平均するための積算平均部9が設けられている。そして、方位角計算部8は、この積算平均値に基づいて方位角θを算出する。
通常、携帯機器、特に、携帯電話等電源容量に限りがある機器の場合には、消費電力を抑えたり、計算速度を速めたりするために、固定小数点演算を行うことが多い。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an azimuth measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 4, an integration averaging unit 9 for integrating and averaging the signals output from the
In general, in the case of a portable device, particularly a device having a limited power supply capacity such as a cellular phone, fixed-point arithmetic is often performed in order to reduce power consumption or increase calculation speed.
このような場合、ホール素子の出力から基準値を減算して、絶対値を小さくした後に積算平均を行うことにより、計算のオーバーフローを防ぎ、計算精度を高く保つことが容易になる。
これにより、地磁気の各軸成分に比例した値α、βのみを積算平均して、S/N比を向上させることができ、感度の低いx軸ホール素子HExおよびy軸ホール素子HEyを用いた場合においても、歩行者の進行方向を計測するために必要な角度分解能を確保することができる。
In such a case, by subtracting the reference value from the output of the Hall element to reduce the absolute value and then performing integration averaging, it becomes easy to prevent calculation overflow and maintain high calculation accuracy.
As a result, only the values α and β proportional to each axis component of geomagnetism can be integrated and averaged to improve the S / N ratio, and the low-sensitivity x-axis hall element HEx and y-axis hall element HEy were used. Even in such a case, it is possible to ensure the angular resolution necessary for measuring the traveling direction of the pedestrian.
図5は、本発明の第3実施形態に係る方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図5において、3軸磁気センサ11、チョッパ部12、磁気センサ駆動電源部13、差動入力アンプ14、A/D変換部15、補正計算部16、補正値記憶部17、方位角計算部18、積算平均部19、傾斜角計算部2F2軸傾斜センサ21および傾斜センサ駆動電源部22が設けられ、3軸磁気センサ11には、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzが設けられている。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an azimuth measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 5, a three-axis
なお、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzは地磁気を検出するためのもので、例えば、InSbやInAs、GaAsなどの化合物半導体系であることが好ましい。
ここで、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzはチョッパ部12により駆動端子が入れ換えられる。そして、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzから出力された信号は、差動入力アンプ14で増幅され、ここで増幅された出力増幅値Dx、Dy、DzがA/D変換部15でデジタル信号に変換された後、補正計算部16に入力される。
また、2軸傾斜センサ21は、方位角計測装置が搭載される携帯端末の傾きを計測し、その計測結果Ka、Kbを補正計算部16に出力する。
Note that the x-axis hall element HEEx, the y-axis hall element HEy, and the z-axis hall element HEz are for detecting geomagnetism, and are preferably compound semiconductors such as InSb, InAs, and GaAs.
Here, the drive terminals of the x-axis hall element HEEx, the y-axis hall element HEy, and the z-axis hall element HEz are switched by the
The
ここで、補正値記憶部17には、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの基準値Lx、Ly、Lzに加え、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの感度比Gx、Gy、Gzが記憶される。
そして、補正計算部16は、これらの基準値Lx、Ly、Lzおよび感度比Gx、Gy、Gzを用いることにより、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの出力増幅値Dx、Dy、Dzを補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出す。
Here, in the correction value storage unit 17, in addition to the reference values Lx, Ly, Lz of the x-axis hall element HEx, the y-axis hall element HEy, and the z-axis hall element HEz, the x-axis hall element HEx, the y-axis hall element HEy. And the sensitivity ratios Gx, Gy, Gz of the z-axis Hall element HEz are stored.
Then, the
図6は、本発明の一実施形態に係る基準値Lx、Ly、Lzおよび感度比Gx、Gy、Gzの一例を示す図である。
図6において、各ホール素子HEx、HEy、HEzの地磁気感度値(地磁気水平成分の最大値に対応する各ホール素子HEx、HEy、HEzの出力値)は、17.3、15.9、18.0である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of reference values Lx, Ly, Lz and sensitivity ratios Gx, Gy, Gz according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 6, the geomagnetic sensitivity values of the Hall elements HEEx, HEy, HEz (the output values of the Hall elements HEx, HEy, HEz corresponding to the maximum value of the horizontal horizontal component) are 17.3, 15.9, 18. 0.
また、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値(mV)は、−164.5、301.0、1064.0、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値(mV)は、25.3、22.8、16.8、方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で、チョッパ駆動なしで測定した各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値(mV)は、−58.1、253.8、774.7、方位角計測装置を携帯機器に入れる前の状態で、チョッパ駆動ありで測定した各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値(mV)は、131.7、−24.4、−272.5である。 In addition, the offset values (mV) of the Hall elements HEx, HEy, and HEz measured without chopper driving before the azimuth measuring device is put in the portable device are -164.5, 301.0, and 1064.0. The offset value (mV) of each Hall element HEx, HEy, HEz measured with chopper driving in the state before putting the azimuth measuring device into the portable device is 25.3, 22.8, 16.8, azimuth The offset value (mV) of each Hall element HEx, HEy, HEz measured without chopper driving in the state after the angle measuring device is put in the portable device is −58.1, 253.8, 774.7, direction The offset values (mV) of each Hall element HEx, HEy, HEz measured with chopper driving in the state before putting the angle measuring device into the portable device are 131.7, −24.4, −272. It is.
なお、ホール素子HEx、HEy、HEzは、旭化成電子(株)製:HW105Cを用い、駆動電圧:1.0V、差動入力アンプゲイン:500倍とした。
また、地磁気感度値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で1周等速回転させて、この時の最大出力と最小出力との差を2で割った値を用いた。
また、オフセット値として、ホール素子感磁軸が水平になるように配置し、水平面で1周等速回転させて、この時の出力を1周積分平均した値を用いた。
The Hall elements HEEx, HEy, and HEz were manufactured by Asahi Kasei Electronics Co., Ltd .: HW105C, and the driving voltage was 1.0 V and the differential input amplifier gain was 500 times.
In addition, as the geomagnetic sensitivity value, the Hall element magnetosensitive axis is arranged horizontally, rotated at a uniform speed around the horizontal plane, and the value obtained by dividing the difference between the maximum output and the minimum output at this time by 2 is used. It was.
Further, as the offset value, a value obtained by arranging the Hall element magnetosensitive axis to be horizontal, rotating it at a uniform speed around the horizontal plane, and integrating the output at this time over one round was used.
このように、ホール素子の地磁気感度値は、同一製品を用いた場合においても、各ホール素子HEx、HEy、HEzごとにばらつきがあり、地磁気などのように微弱な信号を計測する場合には無視できない。
また、携帯機器のスピーカなどに使用される磁石からの磁気の影響のため、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値は大きく異なり、その差はチョッパを用いた場合においても、地磁気を測定した場合の各ホール素子HEx、HEy、HEzの信号成分と同等レベルかそれ以上ある。
As described above, even when the same product is used, the Hall element's geomagnetic sensitivity value varies for each Hall element HEx, HEy, and HEz, and is ignored when measuring weak signals such as geomagnetism. Can not.
Also, due to the influence of magnetism from a magnet used for a speaker of a portable device, the offset values of the Hall elements HEx, HEy, HEz are greatly different before and after the azimuth measuring device is inserted into the portable device, and the difference is Even when a chopper is used, the level is equal to or higher than the signal component of each Hall element HEEx, HEy, HEz when geomagnetism is measured.
このため、方位角計測装置を携帯機器に搭載して使用する場合、各ホール素子HEx、HEy、HEzの感度補正値(比率の逆数)および位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を補正値記憶部17に記憶する。
そして、図5の補正計算部16は、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの出力増幅値Dx、Dyを、補正値記憶部17に記憶されている感度補正値および方位角計測装置を携帯機器に入れた後の状態で測定した基準値を用いて補正する。
Therefore, when the azimuth measuring device is mounted on a portable device and used, the sensitivity correction values (reciprocal of the ratio) of each Hall element HEx, HEy, and HEz and the position measuring device in a state after being put in the portable device. The measured reference value is stored in the correction value storage unit 17.
Then, the
そして、方位角計算部18は、その補正後の地磁気の3軸データα、β、γと、傾斜角計算部20で算出された2軸の傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出する。
これにより、方位角計測装置が搭載された携帯端末が傾いている場合においても、微弱な地磁気を用いて方位を算出することができる。
The azimuth
Thereby, even when the portable terminal equipped with the azimuth measuring device is tilted, the azimuth can be calculated using weak geomagnetism.
なお、図6の実施形態では、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後で、各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値が大きく異なる例について示したが、各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値は、方位角計測装置を携帯機器に入れる前後ばかりでなく、携帯機器の使用状態によっても異なる。
例えば、折り畳み式の携帯電話では、携帯電話を折り畳んだ状態と、携帯電話を閉じた状態とでは、各ホール素子HEx、HEy、HEzのオフセット値が異なる。
In the embodiment of FIG. 6, an example in which the offset values of the Hall elements HEx, HEy, and HEz differ greatly before and after the azimuth measuring device is inserted into the portable device is shown. However, the Hall elements HEx, HEy, and HEz The offset value varies not only before and after inserting the azimuth measuring device into the portable device, but also depending on the usage state of the portable device.
For example, in a foldable mobile phone, the offset values of the hall elements HEx, HEy, and HEz differ between a state in which the mobile phone is folded and a state in which the mobile phone is closed.
このため、各ホール素子HEx、HEy、HEzについて、携帯機器の使用状態ごとの複数のオフセット値を補正値記憶部17に記憶し、方位計算部16が現在の携帯機器の使用状態に対応したオフセット値を選択して、方位を算出するようにしてもよい。
ここで、感度とオフセットが補正された3軸の地磁気データα、β、γおよび2軸の傾斜角データφ、ηを用いて方位角θを算出する場合、以下の計算アルゴリズムを用いることができる。
For this reason, for each Hall element HEx, HEy, HEz, a plurality of offset values for each use state of the portable device are stored in the correction value storage unit 17, and the
Here, when the azimuth angle θ is calculated using the triaxial geomagnetic data α, β, γ and the biaxial tilt angle data φ, η corrected for sensitivity and offset, the following calculation algorithm can be used. .
図7は、方位角θを算出する場合の地磁気ベクトルと回転軸の関係を示す図である。
図7において、地磁気ベクトル(x、y、z)に対応してTMx軸を設定し、このTMx軸に直交する2軸をTMy軸、TMz軸とする。
また、方位角計測装置を携帯端末10に搭載して用いる場合において、地磁気ベクトル(x、y、z)に対する携帯端末10の方位をθ、俯角をδとする。また、携帯端末10は水平面から長手方向にφ、短手方向にηだけ傾いているものとする。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the geomagnetic vector and the rotation axis when calculating the azimuth angle θ.
In FIG. 7, TMx axes are set corresponding to geomagnetic vectors (x, y, z), and two axes orthogonal to the TMx axes are defined as TMy axes and TMz axes.
When the azimuth measuring device is mounted on the
そして、俯角δを補正するために、TMy軸の周りに、−δだけ回転させ、この回転後の軸をHX、HY、HZとする。
次に、HZ軸の周りに、θだけ回転させ、この回転後の軸をM1x、M1y、M1zとする。
次に、M1y軸の周りに、−φだけ回転させ、この回転後の軸をM2x、M2y、M2zとし、さらに、M2x軸の周りに、−ηだけ回転させる。
これらの回転により、地磁気ベクトル(x、y、z)と各ホール素子H1〜H3からの出力(α、β、γ)との間には、以下の(1)式が成り立つ。
Then, in order to correct the depression angle δ, it is rotated by −δ around the TMy axis, and the axes after this rotation are designated as HX, HY, and HZ.
Next, it is rotated around the HZ axis by θ, and the axes after this rotation are designated as M1x, M1y, and M1z.
Next, the axis is rotated by −φ around the M1y axis, and the axes after the rotation are set as M2x, M2y, and M2z, and further rotated by −η around the M2x axis.
By these rotations, the following equation (1) is established between the geomagnetic vector (x, y, z) and the outputs (α, β, γ) from the Hall elements H1 to H3.
そして、地磁気ベクトル(x、y、z)=(1、0、0)の関係より、各ホール素子H1〜H3からの出力(α、β、γ)を求めると、以下の(2)式が得られる。 When the outputs (α, β, γ) from the Hall elements H1 to H3 are obtained from the relationship of the geomagnetic vector (x, y, z) = (1, 0, 0), the following equation (2) is obtained. can get.
次に、(2)式のαの式を変形すると、以下の(3)式が得られる。 Next, by transforming the formula of α in the formula (2), the following formula (3) is obtained.
次に、(3)式を(2)式のβ、γの式に代入すると、以下の(4)、(5)式が得られる。 Next, when the expression (3) is substituted into the expressions β and γ in the expression (2), the following expressions (4) and (5) are obtained.
次に、(4)、(5)式からcos(δ)を求めると、以下の(6)式が得られる。 Next, when cos (δ) is obtained from the equations (4) and (5), the following equation (6) is obtained.
次に、(6)式を変形して方位角θを求めると、以下の(7)式が得られる。 Next, when the azimuth angle θ is obtained by modifying the equation (6), the following equation (7) is obtained.
このように、3軸の地磁気データα、β、γおよび2軸の傾斜角データφ、ηを用いることにより、俯角δを用いることなく、方位角θを算出することができる。
図8は、図5の補正計算部16、傾斜角計算部20および方位角算出部18の動作例を示すフローチャートである。
図8において、補正計算部16は、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの出力増幅値Dx、Dy、Dzを取得すると(ステップS11)、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの基準値Lx、Ly、Lzを補正値記憶部17から取得する(ステップS12)。
Thus, the azimuth angle θ can be calculated without using the depression angle δ by using the triaxial geomagnetic data α, β, γ and the biaxial tilt angle data φ, η.
FIG. 8 is a flowchart showing an operation example of the
In FIG. 8, when the
次に、補正計算部16は、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの出力増幅値Dx、Dy、Dzから基準値Lx、Ly、Lzを減算する(ステップS13)。そして、x軸ホール素子HEx、y軸ホール素子HEyおよびz軸ホール素子HEzの感度比Gx、Gy、Gzを用いて減算結果を補正し、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γだけを取り出した後(ステップS14)、方位角計算部18に出力する。
Next, the
次に、傾斜角計算部20は、2軸傾斜センサ21の出力値Ka、Kbを取得する(ステップS15)。そして、出力値Ka、Kbを用いて傾斜角φ、ηを計算し(ステップS16)、方位角計算部18に出力する。
次に、方位角計算部18は、地磁気の各軸成分に比例した値α、β、γと傾斜角φ、ηとを用いることにより、方位角θを算出し(ステップS17)、算出した方位角θを出力する(ステップS18)。
なお、上述した実施形態では、傾斜角φ、ηを求めるために、2軸傾斜センサ21の計測値を用いる方法について説明したが、傾斜角を使用者が設定し、この設定値を用いて、方位角θを算出するようにしてもよい。
Next, the inclination
Next, the azimuth
In the above-described embodiment, the method of using the measured values of the
以上説明した本発明の方位角計測装置は、磁気センサを使って方位を求める構成であればどのようなものにも適用することができるが、感度の低い磁気センサを用いた場合、あるいは方位角計測装置が搭載される機器の近くに地磁気より大きい磁気を発生する物がある場合に特に効果を発揮する。 The azimuth measuring device of the present invention described above can be applied to any device that uses a magnetic sensor to determine the azimuth, but when a low-sensitivity magnetic sensor is used, or the azimuth angle This is particularly effective when there is an object that generates magnetism greater than the geomagnetism near the equipment on which the measuring device is mounted.
1 2軸磁気センサ
11 3軸磁気センサ
HEx x軸ホール素子
HEy y軸ホール素子
HEz z軸ホール素子
2、12 チョッパ部
3、13 磁気センサ駆動電源部
4、14 差動入力アンプ
5、15 A/D変換部
6、16 補正計算部
7、17 補正値記憶部
8、18 方位角計算部
9、19 積算平均部
20 傾斜角計算部
10 携帯端末 21 2軸傾斜センサ
22 傾斜センサ駆動電源部
1 2-axis
Claims (9)
地磁気を検出する2軸以上の磁気センサと、
前記磁気センサの各軸出力に対する基準値を記憶する第1の補正値記憶部と、
前記磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算する第1の補正計算部を備えると共に、
前記第1の補正計算部による出力補正値に基づいて、前記移動機器が向かっている方位を計算する方位角計算部と、
を備え、
前記方位角計測装置は、前記磁気センサの出力から回路的にキャンセル可能なオフセットを減じた出力値に対し、前記基準値を減算することを特徴とする方位角計測装置。 An azimuth measuring device mounted in a mobile device,
Two or more axis magnetic sensors for detecting geomagnetism,
A first correction value storage unit for storing a reference value for each axis output of the magnetic sensor;
A first correction calculator for subtracting the reference value from the output amplification value of the magnetic sensor;
An azimuth angle calculation unit that calculates an azimuth on which the mobile device is headed based on an output correction value by the first correction calculation unit;
With
The azimuth angle measuring apparatus subtracts the reference value from an output value obtained by subtracting an offset that can be canceled in a circuit from the output of the magnetic sensor.
前記ホール素子は、互いに対向する位置に設けられた2つの端子でなる第1端子対及び第2端子対を有し、前記チョッパ部は、前記第1端子対が入力端子として使用されるときには前記第2端子対が出力端子として使用され、前記第2端子対が入力端子として使用されるときには前記第1端子対が出力端子として使用されるように入力端子と出力端子とを切り替えながら出力端子から出力電圧を外部に出力し、
前記入力端子と前記出力端子とを切り替えて出力された前記出力電圧を加減算することにより、前記ホール素子の出力に含まれる回路的にキャンセル可能なオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算することを特徴とする請求項2に記載の方位角計測装置。 The Hall element includes a chopper unit that switches connection between an input terminal of a power source that drives the Hall element and a voltage output terminal of the Hall element,
The Hall element has a first terminal pair and a second terminal pair composed of two terminals provided at positions facing each other, and the chopper portion is configured so that the first terminal pair is used as an input terminal. When the second terminal pair is used as an output terminal and the second terminal pair is used as an input terminal, the input terminal and the output terminal are switched so that the first terminal pair is used as an output terminal. Output the output voltage to the outside
After canceling most of the circuit-cancellable offset included in the output of the Hall element by adding and subtracting the output voltage output by switching between the input terminal and the output terminal, the reference value is The azimuth angle measuring device according to claim 2, wherein the azimuth angle measuring device is subtracted.
2軸以上の傾斜センサと、
前記傾斜センサの各軸出力値に基づいて、前記移動機器が水平面に対して傾いている傾斜角を計算する傾斜角計算部と、
前記第1の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記2軸以上の傾斜角計算値に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 The magnetic sensor is a triaxial or more magnetic sensor that detects geomagnetism,
A tilt sensor with two or more axes;
An inclination angle calculation unit that calculates an inclination angle at which the mobile device is inclined with respect to a horizontal plane, based on each axis output value of the inclination sensor;
An azimuth angle calculation unit that calculates the azimuth of the horizontal plane toward which the mobile device is facing based on the magnetic sensor output correction value by the first correction calculation unit and the tilt angle calculation value of the two or more axes. The azimuth measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein
傾斜角を設定する傾斜角設定手段と、
前記第1の補正計算部による磁気センサ出力補正値および前記傾斜角設定手段により設定された傾斜角に基づいて、前記移動機器が向かっている水平面の方位を計算する方位角計算部と、を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 The magnetic sensor is a triaxial or more magnetic sensor that detects geomagnetism,
An inclination angle setting means for setting an inclination angle;
An azimuth angle calculation unit that calculates the azimuth of the horizontal plane toward which the mobile device is facing, based on the magnetic sensor output correction value by the first correction calculation unit and the tilt angle set by the tilt angle setting unit. The azimuth measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記第1の補正計算部は、前記移動機器の使用状態に対応した基準値を選択して減算を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 The first correction value storage unit stores a plurality of reference values corresponding to usage states of the mobile device,
The azimuth measuring apparatus according to claim 1, wherein the first correction calculation unit performs subtraction by selecting a reference value corresponding to a usage state of the mobile device.
前記2軸以上の磁気センサの感度比を記憶する第2の補正値記憶部をさらに備えると共に、
前記磁気センサの出力値に前記感度比を乗算する第2の補正計算部を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 An azimuth measuring device mounted in a mobile device,
A second correction value storage unit for storing a sensitivity ratio of the two or more magnetic sensors;
The azimuth angle measuring apparatus according to claim 1, further comprising a second correction calculation unit that multiplies the output value of the magnetic sensor by the sensitivity ratio.
前記2軸以上の磁気センサの出力増幅値から前記基準値を減算した出力補正値を積算平均する積算平均部を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 An azimuth measuring device mounted in a mobile device,
The azimuth angle according to any one of claims 1 to 7, further comprising an integration averaging unit that integrates and averages output correction values obtained by subtracting the reference value from output amplification values of the two or more axis magnetic sensors. Measuring device.
前記チョッパ部を利用して前記ホール素子の出力に含まれるオフセットの大部分を相殺した後に、前記基準値を減算する第3の補正計算部を備えることを特徴とする請求項2〜7のいずれか1項に記載の方位角計測装置。 A chopper unit that switches connection between an input terminal of a power source that drives the Hall element and a voltage output terminal of the Hall element, and
8. A third correction calculation unit that subtracts the reference value after canceling most of the offset included in the output of the Hall element using the chopper unit. The azimuth measuring device according to claim 1.
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