CN100489562C - 用于计算方位角的地磁传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种计算方位角的地磁传感器及其方法。所述地磁传感器包括：地磁传感器模块，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门，所述地磁传感器模块使用预先设置的归一化因子执行归一化，以将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的归一化范围内；运算模块，基于地磁传感器在预先设置的范围内摇动的同时从地磁传感器模块输出的多个归一化值来执行新的归一化因子的运算；倾斜传感器模块，计算纵摇角和横摇角；控制模块，向地磁传感器模块提供新的归一化因子以使地磁传感器模块执行再归一化，并且使用地磁传感器模块再归一化的输出值和再归一化期间计算出的纵摇角和横摇角来计算方位角。因此，可容易地计算用于方位角补偿的归一化因子。

Description

用于计算方位角的地磁传感器及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于计算方位角的地磁传感器及其方法，更具体地讲，涉及一种简单地计算归一化因子以补偿方位角的用于补偿方位角的地磁传感器及其方法。

背景技术

地磁传感器用于感测不能由人类感测到的地磁的强度及其方向。特别地，使用磁通门感测地磁的传感器被称作磁通门型地磁传感器。

磁通门型地磁传感器使用高导磁率的材料，比如坡莫合金来作磁芯。磁通门型地磁传感器通过缠绕磁芯的驱动线圈产生励磁磁场，并且通过感测与外部磁场成比例的二次高频分量来感测外部磁场的大小和方向，所述二次高频分量由于磁芯的磁饱和及非线性磁特性而产生。

最近，随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断发展，已经出现了使用MEMS技术制作的低功率消耗的微型磁通门传感器，所述微型磁通门传感器被用在蜂窝电话、PDA、笔记本电脑和各种便携式电子装置中。

同时，地磁传感器通常使用两轴或三轴的磁通门。如果使用所述地磁传感器感测方位角时该地磁传感器被倾斜，则方位角可能会被错误地计算。为避免这样的错误，通常执行这样的算法，该算法使用倾斜角，即纵摇角(pitchangle)或横摇角(roll angle)来补偿方位角。在传统的地磁传感器中，通过使用两轴加速度传感器执行纵摇角或横摇角的运算以补偿方位角。

所述方位角补偿工作是指防止方位角的测量受到纵摇角或横摇角的影响。为了在设置有X轴、Y轴和Z轴磁通门的地磁传感器中执行方位角补偿工作，需要进行预备工作。换句话说，随着围绕Y轴至少一次或多次摇动地磁传感器的同时监控X轴和Z轴磁通门的输出值，获得X轴和Z轴磁通门的输出值中的最大值和最小值。然后，使用所述最大值和最小值来执行归一化因子的运算。所述归一化因子是指用于归一化的因子，所述归一化是将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的范围内的值。具体地，比例值和偏移值被用作所述归一化因子。

如果X轴和Z轴的比例值和偏移值的运算被执行，则运算值被存储在地磁传感器的存储器中。其后，随着围绕X轴至少一次或多次摇动地磁传感器的同时监控Y轴和Z轴磁通门的输出值，获得Y轴和Z轴磁通门的输出值中的最大值和最小值。然后，使用所述最大值和最小值来执行归一化因子的运算。

上述传统的地磁传感器的问题在于：所述地磁传感器在不同方向上被摇动多次以执行方位角补偿工作。为此，难于使方位角补偿工作更便利。

发明内容

本发明的其他方面和优点在下面的描述中将部分地阐述，部分地，从描述中将清楚或通过实施本发明而得到了解。

作出本发明以解决上述缺陷和与传统的装置相关的其他问题。本发明的一方面提供了一种补偿方位角的地磁传感器及其方法，在该地磁传感器中，通过简单摇动操作来计算归一化因子从而使用户方便地进行方位角的补偿。

为了实现本发明的上述方面，提供了这样一种地磁传感器，包括：地磁传感器模块，其包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门，所述地磁传感器模块使用预先设置的归一化因子执行归一化，以将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的归一化范围内；运算模块，用于基于地磁传感器在预先设置的范围内摇动时从地磁传感器模块输出的多个归一化值来执行新的归一化因子的运算；倾斜传感器模块，用于计算纵摇角和横摇角；控制模块，用于向地磁传感器模块提供新的归一化因子以使地磁传感器模块执行再归一化，并且用于使用地磁传感器模块再归一化的输出值和再归一化期间计算出的纵摇角和横摇角来计算方位角。

所述地磁传感器模块使用预定的方程来执行归一化。

所述运算模块可使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Z轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的归一化值来计算新的X轴、Y轴磁通门的归一化因子，并使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的归一化值来计算新的Z轴磁通门的归一化因子。

此外，所述运算模块通过顺序执行归一化值的坐标转换运算、经过坐标转换的值的整数转换运算和基于该转换的值的归一化因子计算的运算来计算新的X轴和Y轴磁通门的归一化因子。

在这种情况下，所述运算模块使用预定的方程执行坐标转换运算和整数转换运算。

如果所述整数转换运算完成，所述运算模块计算围绕整数转换运算的结果值的同心圆之间的交点，并将交点的X和Y坐标确定为X和Y磁通门的偏移值。

所述运算模块可通过顺序执行第一运算、第二运算和第三运算来执行新的Z轴磁通门的归一化因子的运算，其中：所述第一运算用于计算多个数据集，所述数据集包括：地磁传感器在预定范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的X轴和Y轴磁通门的归一化值、Z轴磁通门的输出值、纵摇角和横摇角；所述第二运算用于通过使用在水平方向上预先感测的基本方位角和所述多个数据集来计算多个Z轴磁通门的归一化值；所述第三运算用于使用Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值来计算Z轴的比例值和偏移值。

在这种情况下，所述运算模块使用预定的方程执行第二运算。

此外，所述运算模块执行第三运算以计算通过将Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值代入预定的方程所得的多个联立方程的解。

此外，如果所述运算模块通过第三运算计算出多个Z轴磁通门的比例值和偏移值，则计算Z轴的比例值的平均值和Z轴的偏移值的平均值以将计算出的平均值确定为最终的Z轴磁通门的比例值和偏移值。

此外，所述控制模块通过将由地磁传感器模块再归一化的输出值、纵摇角和横摇角代入预定的方程来计算所述方位角。

在本发明的另一方面，提供了一种计算包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门的地磁传感器的方位角的方法，该方法包括：当地磁传感器在预先设置的范围内摇动时计算多个X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值；通过使用预先设置的归一化因子执行归一化以将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的归一化范围内来计算多个归一化值；当在地磁传感器被摇动的同时计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值时，计算纵摇角和横摇角；使用归一化值、纵摇角和横摇角来计算新的归一化因子；在地磁传感器被固定设置的情况下使用新的归一化因子对X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值再归一化；和使用所述再归一化的输出值和在地磁传感器被固定设置的情况下的纵摇角和横摇角来计算方位角。

使用预定的方程来执行所述归一化。

计算新的归一化值的步骤可包括：使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Z轴磁通门摇动的同时计算出的归一化值来计算新的X轴、Y轴磁通门的归一化因子；和使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时计算出的归一化值来计算新的Z轴磁通门的归一化因子。

所述计算新的X轴和Y轴磁通门的归一化因子的步骤包括：对归一化值执行坐标转换运算；对经过坐标转换的值执行整数转换运算；和基于该转换的值执行X和Y磁通门的归一化因子计算的运算。

同时，使用用于坐标转换运算的预定方程和用于整数转换运算的预定方程来执行坐标转换运算和整数转换运算。

此外，通过计算围绕整数转换运算所得的值的同心圆之间的交点并将交点的X和Y坐标确定为X和Y轴磁通门的偏移值来执行归一化因子计算的运算。

计算新的Z轴磁通门的归一化因子的步骤包括：计算多个数据集，所述数据集包括：地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的X轴和Y轴磁通门的归一化值、Z轴磁通门的输出值、纵摇角和横摇角；通过使用在水平方向上预先感测的基本方位角和所述多个数据集来计算多个Z轴磁通门的归一化值；和使用Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值来计算Z轴的比例值和偏移值。

同时，通过将在水平方向上预先感测的基本方位角和存储在所述数据集中的值代入预定的方程来计算Z轴磁通门的归一化值。

此外，通过计算将多个Z轴磁通门的归一化值和多个Z轴磁通门的输出值代入预定的方程所得的多个联立方程的解来计算Z轴磁通门的偏移值和比例值：

此外，所述计算新的Z轴磁通门的归一化因子包括：如果多个Z轴的比例值和偏移值被计算出，则计算Z轴的比例值的平均值和Z轴的偏移值的平均值以将计算出的平均值确定为最终的Z轴磁通门的比例值和偏移值。

所述计算方位角包括：将所述再归一化的输出值和地磁传感器被固定设置的情况下的纵摇角和横摇角代入预定的方程

附图说明

通过下面参照附图对本发明特定实施例的描述，本发明的上述方面和特征将会更清楚，其中：

图1是表示根据本发明实施例的地磁传感器的框图；

图2是表示图1的地磁传感器中使用的地磁传感器模块的框图；

图3是表示图1的地磁传感器的轴布局的一个示例的示图；

图4是表示根据图1的地磁传感器的归一化因子的运算过程的示图；

图5是表示根据本发明实施例的计算方位角的方法的流程图；

图6是表示在图5的方法中X轴和Y轴磁通门的归一化因子的运算方法的流程图；和

图7是表示在图5的方法中Z轴磁通门的归一化因子的运算方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明示例性实施例，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终指相同的部件。下面将参照附图对这些实施例进行详细描述以解释本发明。

图1是表示根据本发明实施例的地磁传感器的框图。

图1中所示的地磁传感器包括：地磁传感器模块110、倾斜传感器模块120、运算模块130和控制模块140。

地磁传感器模块110用于输出其大小与地磁相应的电信号。具体地讲，地磁传感器模块110可包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门。在这种情况下，地磁传感器模块110将所述电信号施加到每个轴磁通门以获得与地磁相应的输出值。地磁传感器模块110可执行归一化以将X轴、Y轴和Z轴磁通门的每个输出值映射在预先设置的范围内。这时，比如偏移值和比例值的归一化因子被用于归一化。

图2是表示图1的地磁传感器中使用的地磁传感器模块110的一个示例的框图。参照图2，所述地磁传感器模块110包括：驱动信号产生器111、三轴磁通门112、信号处理器113、地磁传感器控制模块114和存储器模块115。

驱动信号产生器111产生比如脉冲和反向脉冲的驱动信号并将产生的驱动信号提供给三轴磁通门112。

三轴磁通门112被所述驱动信号驱动以输出与地磁相应的电压值。三轴磁通门112包括：X轴磁通门，向着地磁传感器100的前端布置；Y轴磁通门，布置在地磁传感器100被布置的平面上与X轴磁通门垂直的方向上；和Z轴磁通门，布置在与X轴和Y轴磁通门垂直的方向上。

信号处理器113将从三轴磁通门112输出的输出值转换为数字电压值并输出该数字电压值。

地磁传感器控制模块114执行归一化以将信号处理器113提供的每个输出值映射到预先设置的范围内的某值上。这时，所述归一化的范围可随意地设定。具体地讲，归一化的范围可被设置在-1和1之间。所述地磁传感器控制模块114可使用方程(1)来执行归一化。

$X_{\mathrm{norm}}=\frac{X_{\mathrm{raw}}-X_{\mathrm{offset}}}{X_{\mathrm{scale}}}$

$Y_{\mathrm{norm}}=\frac{Y_{\mathrm{raw}}-Y_{\mathrm{offset}}}{Y_{\mathrm{scale}}}\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{Z_{\mathrm{raw}}-Z_{\mathrm{offset}}}{Z_{\mathrm{scale}}}$

在方程(1)中，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_raw、Y_raw和Z_raw分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的数字输出值，X_offset、Y_offset和Z_offset分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的偏移值，X_scale、Y_scale和Z_scale分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的比例值。

所述偏移值和比例值是用于归一化的归一化因子。由于偏移值和比例值被预先设置，所以用于方位角补偿工作的值可被用作偏移值和比例值。为此，存储器模块115存储预先设置的偏移值和比例值。

同时，如果没有预先设置的偏移值和比例值，即如果方位角补偿工作第一次被执行，则地磁传感器被摇动一次以计算偏移值和比例值。具体地讲，所述偏移值和比例值可用方程(2)来计算：

$X_{\mathrm{offset}}=\frac{X_{\max }+X_{\min }}{2},$ $X_{\mathrm{scale}}=\frac{X_{\max }-X_{\min }}{2}$

$Y_{\mathrm{offset}}=\frac{Y_{\max }+Y_{\min }}{2},$ $Y_{\mathrm{scale}}=\frac{Y_{\max }-Y_{\min }}{2}\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

$Z_{\mathrm{offset}}=\frac{Z_{\max }+Z_{\min }}{2},$ $Z_{\mathrm{scale}}=\frac{Z_{\max }-Z_{\min }}{2}$

在方程(2)中，X_max、Y_max和Z_max分别表示X_raw、Y_raw和Z_raw的最大值，X_min、Y_min和Z_min分别表示X_raw、Y_raw和Z_raw的最小值。在多次旋转根据本发明的地磁传感器的同时，地磁传感器的制造商检测X_max、Y_max、Z_max、X_min、Y_min和Z_min。所述地磁传感器的制造商可通过将检测值代入方程(2)来执行偏移值和比例值的初始运算，并在存储器模块115中存储所得的偏移值和比例值。从而，存储在存储器模块115中的偏移值和比例值被用作方位角补偿工作期间的归一化的归一化因子。

再参照图1，倾斜传感器模块120用于计算纵摇角和横摇角。具体地讲，倾斜传感器模块120可使用两轴加速度传感器或三轴加速度传感器来计算纵摇角和横摇角。

例如，如果两轴加速度传感器被使用，则倾斜传感器模块120包括相互垂直的X轴和Y轴加速度传感器(未示出)。在这种情况下，倾斜传感器模块120使用下面的方程(3)对X轴和Y轴加速度传感器的输出值归一化，然后使用归一化的值执行纵摇角和横摇角的运算。

${\mathrm{Xt}}_{\mathrm{norm}}=\frac{\mathrm{Xt}-{\mathrm{Xt}}_{\mathrm{offset}}}{{\mathrm{Xt}}_{\mathrm{scale}}}$

${\mathrm{Yt}}_{\mathrm{norm}}=\frac{\mathrm{Yt}-{\mathrm{Yt}}_{\mathrm{offset}}}{{\mathrm{Yt}}_{\mathrm{scale}}}\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

${\mathrm{Xt}}_{\mathrm{offset}}=\frac{{\mathrm{Xt}}_{\max }+{\mathrm{Xt}}_{\min }}{2},$ ${\mathrm{Xt}}_{\mathrm{scale}}=\frac{{\mathrm{Xt}}_{\max }-{\mathrm{Xt}}_{\min }}{2}$

${\mathrm{Yt}}_{\mathrm{offset}}=\frac{{\mathrm{Yt}}_{\max }+{\mathrm{Yt}}_{\min }}{2},$ ${\mathrm{Yt}}_{\mathrm{scale}}=\frac{{\mathrm{Yt}}_{\max }-{\mathrm{Yt}}_{\min }}{2}$

在方程(3)中，Xt和Yt分别表示X轴和Y轴加速度传感器的输出值，Xt_norm和Yt_norm分别表示X轴和Y轴加速度传感器的归一化值，Xt_max和Xt_min分别表示Xt的最大值和最小值，Yt_max和Yt_min分别表示Yt的最大值和最小值，Xt_offset和Yt_offset分别表示X轴和Y轴加速度传感器的偏移值，Xt_scale和Yt_scale分别表示X轴和Y轴加速度传感器的比例值。以与地磁传感器模块110相同的方式，Xt_offset、Yt_offset、Xt_scale和Yt_scale被预先存储在倾斜传感器模块120内的存储器模块中，从而可被用作偏移值和比例值。

倾斜传感器模块120可使用方程(4)执行纵摇角和横摇角的运算。

θ＝sin^-1(Xt_norm)

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{Yt}}_{\mathrm{norm}}}{\cos \mathrm{\θ}}\right)\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

在方程(4)中，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

运算模块130用来使用通过地磁传感器模块110获得的归一化值来计算新的归一化因子。

控制模块140将新的归一化因子提供给地磁传感器模块110以使用新的归一化因子来执行再归一化。因此，如果再归一化值被输出，则控制模块140使用由倾斜传感器模块120获得的纵摇角和横摇角以及再归一化值来计算方位角。

其后，将详细描述根据本发明实施例的地磁传感器的操作。

图3是表示在地磁传感器100上X轴、Y轴和Z轴磁通门的轴布局的一个示例的图。如图3中所示，X轴磁通门被布置为向着地磁传感器100的前端，Y轴磁通门布置在与X轴磁通门垂直的方向上，Z轴磁通门布置在与X轴和Y轴磁通门被布置的平面垂直的方向上。

在这种情况下，为了计算倾斜被补偿的方位角，必须重新设置归一化因子。在这种情况下，X轴和Y轴磁通门的归一化因子与Z轴磁通门的归一化因子分开计算。

首先，为了计算X轴和Y轴磁通门的归一化因子，地磁传感器100围绕着Z轴磁通门摇动。与传统的360度或者更大角度的摇动范围不同，所述摇动范围可在90度到180度的范围内。

地磁传感器模块110在摇动操作期间计算多个归一化值。可使用如上所述的方程(1)来计算所述归一化值。地磁传感器模块110可基于摇动角计算每预定周期的归一化值。也就是说，如果摇动角被设置为5度，则每当地磁传感器被摇动到5度时，就计算归一化值。然后，计算出的归一化值被提供给运算模块130。或者，可基于时间而计算每预定周期的归一化值。也就是说，如果1秒被设置为计算归一化值的周期，则每经过一秒就计算归一化值。然后计算出的归一化值被提供给运算模块130。运算模块130使用所述多个归一化值来重新计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化因子。首先，为计算X轴和Y轴磁通门的归一化因子，运算模块130顺序执行坐标转换运算、整数转换运算和用于计算X轴和Y轴归一化因子的运算。这里，5度和1秒不是限定性的而只是作为例子。

所述坐标转换运算是指三轴磁通门112的输出值被投影到二维水平面上，然后被转换为X轴和Y轴坐标值。所述坐标转换运算可使用方程(5)来具体地执行。

X_horizontal＝X_norm*cosθ-Y_norm*sinθ*sinφ-Z_norm*sinθ*cosφ  .......(5)

Y_horizontal＝Y_norm*cosφ-Z_norm*sinφ

在方程(5)中，X_norm、Y_norm、和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_horizontal和Y_horizontal分别表示X轴和Y轴磁通门的输出值的坐标转换值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。在这种情况下，所述纵摇角和横摇角是指在X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值被计算时由倾斜传感器模块120计算出的纵摇角和横摇角。

由方程(5)计算出的X轴和Y轴坐标值被归一化为小数值。因此，X轴和Y轴坐标值通过整数转换运算被转换为整数值。用于获得偏移值的整数转换运算如方程(6)所示。

X_new＝(X_horizontal*X_scale)+X_offset

Y_new＝(Y_horizontal*Y_scale)+Y_offset  .......(6)

在方程(6)中，X_new和Y_new表示整数转换运算的结果值。例如，如果X_horizontal等于与小数值相应的0.7，则X_scale和X_offset分别被预先设置为600和2000。在这样的情况下，X_new被计算为比如2420的整数值。

同时，由于计算出多个归一化值，所以也获得了多个整数值X_new和Y_new。因此，围绕整数值X_new和Y_new的各个同心圆之间的交点的X和Y坐标被确定为X轴和Y轴的最终偏移值。

图4是表示确定X轴和Y轴的偏移值的运算过程的示图。

如果获得了三个数据集(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，则画出多个分别具有中心点(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)同心圆401、402和403。在这种情况下，同心圆在(x，y)彼此相交。当画出围绕(x，y)的具有相同半径的圆400时，(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)布置在圆400的圆周上。这由方程(7)表示。

(x-x1)²+(y-y1)²＝r1²

(x-x2)²+(y-y2)²＝r2²   .......(7)

(x-x3)²+(y-y3)²＝r3²

在方程(7)中，假定r1＝r2＝r3，解联立方程以执行(x，y)的运算。在所述运算值中，X坐标成为X轴的偏移值而Y坐标成为Y轴偏移值。

同时，由于在X轴的比例值和Y轴的比例值之间相差不大，所以归一化因子的比例值与现有的比例值相差很小。因此，在方位角补偿工作中由于比例值之间的差引起的误差可被忽略。在这点上，最好在不用重新控制比例值的情况下重新控制偏移值。

接下来，将描述计算Z轴磁通门的归一化因子的过程。为计算Z轴磁通门，水平方向上的方位角，即基本方位角首先被计算，然后被存储在运算模块130内的寄存器中，或者被存储在单独的存储器中(未示出)。由于水平方向上的方位角可由X轴和Y轴磁通门的输出值来确定，所以它可不管Z轴信号而被计算出来。具体地讲，可使用tan^-1(Y轴输出值/X轴输出值)来计算基本方位角。计算Z轴磁通门的归一化因子的过程是基于这样的原理：即使地磁传感器100被倾斜，方位角也保持不变。

如上所述，为改变纵摇角，在基本方位角被存储在所述寄存器或者存储器中的情况下在预先设置的范围内使偏航角(yaw angle)的改变最小化的同时，地磁传感器100围绕Y轴磁通门被摇动。在纵摇角被计算的同时，X_norm、Y_norm、Z_raw、θ和φ也被计算。同时计算出的数据被存储在一个数据集中。以这种方式，提供了多个数据集。具体地讲，数据集可如下提供。

表1

 

编号	X<sub>norm</sub>	Y<sub>norm</sub>	Z<sub>raw</sub>	θ	φ
						1	0.75	0.37	2048	0.05	0.01
2	0.72	0.37	2028	0.09	0.01
						3	0.69	0.37	2008	0.13	0.01
4	0.66	0.37	1988	0.17	0.01
						5	0.63	0.37	1968	0.21	0.01
6	0.60	0.37	1948	0.25	0.01
						7	0.57	0.37	1928	0.29	0.01
8	0.54	0.37	1908	0.33	0.01
						9	0.51	0.37	1888	0.37	0.01
10	0.48	0.37	1868	0.41	0.01

参照表1，在使偏航角的变化最小化的同时，地磁传感器围绕Y轴磁通门摇动。这样，注意Y_norm和φ保持常数值。为了增加运算的精确度，最好将Y_norm和φ保持为如图1所示的常数值。

每个数据集可被存储在运算模块130内的寄存器中或者被存储在单独的存储器中。在本发明中，准备和存储数据集的过程被称作第一运算。

如果计算出多个数据集，则通过将每个数据集代入方程(8)来计算z轴磁通门的归一化值。

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{(\cos \mathrm{\φ}+\tan {\mathrm{\ψ}}_s\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})Y_{\mathrm{norm}}-\left(\tan {\mathrm{\ψ}}_s\cos \mathrm{\θ}\right)X_{\mathrm{norm}}}{\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\tan {\mathrm{\ψ}}_s}\·\·\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

在方程(8)中，ψ_s表示基本方位角。如果每个数据集被代入到方程(8)中，则多个Z轴磁通门的归一化值Z_norm将被计算出来。

接下来，所述多个归一化值Z_norm被代入方程(9)以执行Z轴的偏移值和比例值的运算。

Z_offset+Z_scale*Z_norm＝Z_raw     .......(9)

换句话说，如果用于Z_norm的运算的数据集的Z_raw和使用所述数据集运算的Z_norm被同时代入方程(9)，则获得具有参数Z_offset和Z_scale的方程。多个输出值Z_raw和与所述多个输出值Z_raw相应的Z_norm被代入方程(9)以获得多个方程。解这些方程从而计算出Z_offset和Z_scale。

同时，如果10个数据集被计算出，则可计算出多个偏移值Z_offset和比例值Z_scale。在这种情况下，计算所述多个偏移值Z_offset的平均值和所述多个比例值Z_scale的平均值以便计算出的值被最终确定为Z_offset和Z_scale。

如果如上所述获得了X_offset、Y_offset、Z_offset和Z_scale，则准备过程完成。在这种情况下，如果地磁传感器100被固定地设置以感测方位角，则控制模块140向地磁传感器模块110提供最终确定的X_offset、Y_offset、Z_offset和Z_scale以执行X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值的归一化。所述地磁传感器模块110可使用方程(1)来执行归一化。

此外，倾斜传感器模块120在地磁传感器被固定设置的情况下计算纵摇角和横摇角。因此，控制模块140使用利用新的归一化因子归一化的归一化值以及在地磁传感器100被固定设置的情况下的纵摇角和横摇角来计算方位角。

计算方位角的方程的一个示例如方程(10)。

$\mathrm{\ψ}={\tan }^{-1}\left(\frac{Y_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\φ}}{X_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\sin \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\cos \mathrm{\φ}}\right)\·\·\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

在方程(10)中，ψ表示方位角，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的再归一化值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

图5是表示根据本发明优选实施例的计算方位角的方法的流程图。参照图5，在根据本优选实施例的计算方位角的方法中，在地磁传感器100在预先设置的范围内摇动的同时，计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值(S510)。具体地讲，在地磁传感器100在90度到180度的范围内围绕Z轴磁通门摇动并且在90度的范围内围绕Y轴磁通门向上或向下摇动的同时，在预先设置的范围内计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值。

然后，使用预先设置的归一化因子，即偏移值和比例值来执行归一化(S520)。所述归一化可通过方程(1)来执行。

同时，每当计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值时，也计算纵摇角和横摇角(S530)。

使用X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值、纵摇角和横摇角来计算新的X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化因子(S540)。具体地讲，可计算X轴和Y轴磁通门的偏移值和Z轴磁通门的比例值和偏移值。

接下来，在地磁传感器被固定设置的情况下使用新的归一化因子执行再归一化。这时，计算纵摇角和横摇角(S550)。

然后，使用计算出的再归一化值、纵摇角和横摇角来计算方位角(S560)。使用方程(10)可计算方位角。

图6是表示计算X轴和Y轴磁通门的归一化因子的方法的流程图。参照图6，使用X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值来计算X和Y坐标转换值(S610)。所述坐标转换可使用方程(5)来执行。

如果执行了坐标转换，则坐标转换值被转换为整数值(S620).

使用方程(6)可执行整数值转换。

如果执行了整数值转换，则计算围绕转换的值的同心圆之间的交点(S630)。可使用方程(7)来计算所述交点。

因此，如果计算出交点，则交点的X坐标被最终确定为X轴的偏移值，并且交点的Y坐标被最终确定为Y轴的偏移值(S640)。同时，最好使用预先设置的比例值。

图7是表示计算Z轴磁通门的归一化因子的方法的流程图。参照图7，在基本方位角被计算并被存储情况下地磁传感器100在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时，计算多个数据集(S710)。X_norm、Y_norm、Z_raw、θ和φ被存储在每一数据集中。

使用每个数据集来计算所述多个Z轴磁通门的归一化值(S720)。使用方程(8)可计算Z轴磁通门的归一化值。

然后，基于Z轴磁通门的归一化值和所述数据集来计算Z轴磁通门的比例值和偏移值(S730)。具体地讲，比例值和偏移值以这样的方式被计算：通过将Z轴磁通门的归一化值和数据集代入方程(9)获得联立方程，从而计算出其结果。

在这种情况下，如果计算出所述多个比例值和所述多个偏移值(S740)，则计算它们的平均值以最终确定Z轴的比例值和偏移值(S750)。以这种方式，可精确地计算出X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化因子。

如上所述，在根据本发明实施例的补偿方位角的地磁传感器及其方法中，通过简单的摇动操作来计算补偿方位角所需的归一化因子。在这种情况下，由于方位角补偿工作被简单地执行，所以可改善用户的便利性。另外，由于使用计算出的归一化因子来执行方位角的运算，所以可使方位角的误差最小化。

上述实施例和优点只是示例性的，并不被理解为限制本发明。本教导可被容易地应用到其他类型的设备。另外，对本发明实施例的描述意在解释，而非限制权利要求的范围，对本领域的技术人员来说，显然可进行很多替换、修改和改变。

Claims (24)

1、一种用于执行方位角补偿工作的地磁传感器，包括：

地磁传感器模块，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门，所述地磁传感器模块使用预先设置的归一化因子执行用于将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的归一化范围内的归一化；

运算模块，用于基于地磁传感器在预先设置的范围内摇动的同时从地磁传感器模块输出的多个归一化值来执行新的归一化因子的运算；

倾斜传感器模块，用于计算纵摇角和横摇角；

控制模块，用于向地磁传感器模块提供新的归一化因子以使地磁传感器模块执行再归一化，并且用于使用地磁传感器模块再归一化的输出值和再归一化期间计算出的纵摇角和横摇角来计算方位角。

2、如权利要求1所述的地磁传感器，其中，所述地磁传感器模块使用下面的方程来执行归一化：

$X_{\mathrm{norm}}=\frac{X_{\mathrm{raw}}-X_{\mathrm{offset}}}{X_{\mathrm{scale}}}$

$Y_{\mathrm{norm}}=\frac{Y_{\mathrm{raw}}-Y_{\mathrm{offset}}}{Y_{\mathrm{scale}}}$

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{Z_{\mathrm{raw}}-Z_{\mathrm{offset}}}{Z_{\mathrm{scale}}}$

其中，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_raw、Y_raw和Z_raw分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的数字输出值，X_offset、Y_offset和Z_offset分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的偏移值，X_scale、Y_scale和Z_scale分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的比例值。

3、如权利要求1所述的地磁传感器，其中，所述运算模块使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Z轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的归一化值来计算新的X轴、Y轴磁通门的归一化因子，并使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的归一化值来计算新的Z轴磁通门的归一化因子。

4、如权利要求3所述的地磁传感器，其中，所述运算模块通过顺序执行归一化值的坐标转换运算、经过坐标转换的值的整数转换运算和基于该转换的值的归一化因子计算的运算来计算新的X轴和Y轴磁通门的归一化因子。

5、如权利要求4所述的地磁传感器，其中，所述运算模块使用下面的方程执行坐标转换运算：

X_horizontal＝X_norm*cosθ-Y_norm*sinθ*sinφ-Z_norm*sinθ*cosφ

Y_horizontal＝Y_norm*cosφ-Z_norm*sinφ

其中，X_norm、Y_norm、和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_horizontal和Y_horizontal分别表示X轴和Y轴磁通门的输出值的坐标转换值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

6、如权利要求4所述的地磁传感器，其中，所述运算模块使用下面的方程执行整数转换运算：

X_new＝(X_horizontal*X_scale)+X_offset

Y_new＝(Y_horizontal*Y_scale)+Y_offset

其中，X_new和Y_new表示整数转换运算的结果值，X_horizontal和Y_horizontal分别表示X轴和Y轴磁通门的输出值的坐标转换值，X_offset和Y_offset分别表示预先设置的X轴和Y轴磁通门的偏移值，X_scale和Y_scale分别表示预先设置的X轴和Y轴磁通门的比例值。

7、如权利要求4所述的地磁传感器，其中，所述运算模块通过计算围绕整数转换运算所得的值的同心圆之间的交点并将交点的X和Y坐标确定为X和Y磁通门的偏移值来执行归一化因子计算的运算。

8、如权利要求3所述的地磁传感器，其中，所述运算模块通过顺序执行第一运算、第二运算和第三运算来执行新的Z轴磁通门的归一化因子的运算，其中：所述第一运算用于计算多个数据集，所述数据集包括：地磁传感器在预定范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的X轴和Y轴磁通门的归一化值、Z轴磁通门的输出值、纵摇角和横摇角；所述第二运算使用在水平方向上预先感测的基本方位角和所述多个数据集来计算多个Z轴磁通门的归一化值；所述第三运算使用Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值来计算Z轴的比例值和偏移值。

9、如权利要求8所述的地磁传感器，其中，所述运算模块使用下面的方程执行第二运算：

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{(\cos \mathrm{\φ}+\tan {\mathrm{\ψ}}_s\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})Y_{\mathrm{norm}}-\left(\tan {\mathrm{\ψ}}_s\cos \mathrm{\θ}\right)X_{\mathrm{norm}}}{\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\tan {\mathrm{\ψ}}_s}$

其中，ψ_s表示基本方位角，θ表示纵摇角，φ表示横摇角，X_norm和Y_norm分别表示包括在每个数据集中的X轴和Y轴磁通门的归一化值。

10、如权利要求8所述的地磁传感器，其中，所述运算模块执行第三运算以计算通过将Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值代入下面的方程所得的多个联立方程的解：

Z_offset+Z_scale*Z_norm＝Z_raw

其中，Z_offset表示Z轴磁通门的偏移值，Z_scale表示Z轴磁通门的比例值，Z_raw表示包括在每一数据集中的Z轴磁通门的输出值，Z_norm表示通过第二运算计算出的Z轴磁通门的归一化值。

11、如权利要求8所述的地磁传感器，其中，如果通过第三运算计算出多个Z轴的比例值和偏移值，则所述运算模块计算Z轴的比例值的平均值和Z轴的偏移值的平均值以将计算出的平均值确定为最终的Z轴磁通门的比例值和偏移值。

12、如权利要求1所述的地磁传感器，其中，所述控制模块通过将由地磁传感器模块再归一化的输出值、纵摇角和横摇角代入下面的方程来计算所述方位角：

$\mathrm{\ψ}={\tan }^{-1}\left(\frac{Y_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\φ}}{X_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\sin \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\cos \mathrm{\φ}}\right)$

其中，ψ表示方位角，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的再归一化值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

13、一种计算包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴磁通门的地磁传感器的方位角的方法，该方法包括：

当地磁传感器在预先设置的范围内摇动时计算多个X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值；

通过使用预先设置的归一化因子执行归一化以将X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值映射到预先设置的归一化范围内来计算多个归一化值；

当在地磁传感器被摇动的同时计算X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值时，计算纵摇角和横摇角；

使用归一化值、纵摇角和横摇角来计算新的归一化因子；

在地磁传感器被固定设置的情况下使用新的归一化因子对X轴、Y轴和Z轴磁通门的输出值再归一化；和

使用所述再归一化的输出值和在地磁传感器被固定设置的情况下的纵摇角和横摇角来计算方位角。

14、如权利要求13所述的方法，其中，所述计算多个归一化值包括使用下面的方程来执行归一化：

$X_{\mathrm{norm}}=\frac{X_{\mathrm{raw}}-X_{\mathrm{offset}}}{X_{\mathrm{scale}}}$

$Y_{\mathrm{norm}}=\frac{Y_{\mathrm{raw}}-Y_{\mathrm{offset}}}{Y_{\mathrm{scale}}}$

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{Z_{\mathrm{raw}}-Z_{\mathrm{offset}}}{Z_{\mathrm{scale}}}$

其中，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_raw、Y_raw和Z_raw分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的数字输出值，X_offset、Y_offset和Z_offset分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的偏移值，X_scale、Y_scale和Z_scale分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的比例值。

15、如权利要求13所述的方法，其中，计算新的归一化因子的步骤包括：

使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Z轴磁通门摇动的同时计算出的归一化值来计算新的X轴、Y轴磁通门的归一化因子；和

使用地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时计算出的归一化值来计算新的Z轴磁通门的归一化因子。

16、如权利要求15所述的方法，其中，所述计算新的X轴和Y轴磁通门的归一化因子的步骤包括：

对归一化值执行坐标转换运算；

对坐标转换的值执行整数转换运算；和

基于该转换的值执行X和Y磁通门的归一化因子计算的运算。

17、如权利要求16所述的方法，其中，使用下面的方程执行坐标转换运算：

X_horizontal＝X_norm*cosθ-Y_norm*sinθ*sinφ-Z_norm*sinθ*cosφ

Y_horizontal＝Y_norm*cosφ-Z_norm*sinφ

其中，X_norm、Y_norm、和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的归一化值，X_horizontal和Y_horizontal分别表示X轴和Y轴磁通门的输出值的坐标转换值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

18、如权利要求16所述的方法，其中，使用下面的方程执行整数转换运算：

X_new＝(X_horizontal*X_scale)+X_offset

Y_new＝(Y_horizontal*Y_scale)+Y_offset

其中，X_new和Y_new表示整数转换运算的结果值，X_horizontal和Y_horizontal分别表示X轴和Y轴磁通门的输出值的坐标转换值，X_offset和Y_offset分别表示预先设置的X轴和Y轴磁通门的偏移值，X_scale和Y_scale分别表示预先设置的X轴和Y轴磁通门的比例值。

19、如权利要求16所述的方法，其中，通过计算围绕整数转换运算的结果值的同心圆之间的交点并将交点的X和Y坐标确定为X和Y轴磁通门的偏移值来执行归一化因子计算的运算。

20、如权利要求15所述的方法，其中，计算新的Z轴磁通门的归一化因子的步骤包括：

计算多个数据集，所述数据集包括：地磁传感器在预先设置的范围内围绕Y轴磁通门摇动的同时从地磁传感器模块输出的X轴和Y轴磁通门的归一化值、Z轴磁通门的输出值、纵摇角和横摇角；

通过使用在水平方向上预先感测的基本方位角和所述多个数据集来计算多个Z轴磁通门的归一化值；和

使用Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值来计算Z轴的比例值和偏移值。

21、如权利要求20所述的方法，其中，通过将在水平方向上预先感测的基本方位角和存储在所述数据集中的值代入下面的方程来计算Z轴磁通门的归一化值：

$Z_{\mathrm{norm}}=\frac{(\cos \mathrm{\φ}+\tan {\mathrm{\ψ}}_s\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})Y_{\mathrm{norm}}-\left(\tan {\mathrm{\ψ}}_s\cos \mathrm{\θ}\right)X_{\mathrm{norm}}}{\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\tan {\mathrm{\ψ}}_s}$

其中，ψ_s表示基本方位角，θ表示纵摇角，φ表示横摇角，X_norm和Y_norm分别表示包括在每个数据集中的X轴和Y轴磁通门的归一化值。

22、如权利要求20所述的方法，其中，通过计算将Z轴磁通门的归一化值和Z轴磁通门的输出值代入下面的方程所得的多个联立方程的解来计算Z轴磁通门的偏移值和比例值：

Z_offset+Z_scale*Z_norm＝Z_raw

其中，Z_offset表示Z轴磁通门的偏移值，Z_scale表示Z轴磁通门的比例值，Z_raw表示包括在每一数据集中的Z轴磁通门的输出值，Z_norm表示通过第二运算计算出的Z轴磁通门的归一化值。

23、如权利要求20所述的方法，其中，所述计算新的Z轴磁通门的归一化因子包括：如果计算出多个Z轴的比例值和偏移值，则计算Z轴的比例值的平均值和Z轴的偏移值的平均值以将计算出的平均值确定为最终的Z轴磁通门的比例值和偏移值。

24、如权利要求13所述的方法，其中，所述计算方位角包括：将所述再归一化的输出值和地磁传感器被固定设置情况下的纵摇角和横摇角代入下面的方程：

$\mathrm{\ψ}={\tan }^{-1}\left(\frac{Y_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\φ}}{X_{\mathrm{norm}}*\cos \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\sin \mathrm{\φ}-Z_{\mathrm{norm}}*\sin \mathrm{\θ}*\cos \mathrm{\φ}}\right)$

其中，ψ表示方位角，X_norm、Y_norm和Z_norm分别表示X轴、Y轴和Z轴磁通门的再归一化值，θ表示纵摇角，φ表示横摇角。

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