CN101067554A - 补偿地磁传感器姿态误差的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种在使用双轴地磁传感器计算方位信息时，根据姿态(旋转角与倾斜角)使用倾角仪补偿地磁传感器输出变化的设备和方法。使用倾角仪测量地磁传感器模块的姿态，计算出把立体坐标系统转换为水平坐标系统的坐标变换矩阵。使用双轴地磁传感器的输出和计算出的姿态信息生成地磁传感器模块的当前姿态的Z轴方向的虚拟地磁数据。在将生成的Z轴地磁数据和测量X轴与Y轴地磁数据被转换到水平坐标系统后，认为计算出的方位角为地磁传感器模块的方位角。

Description

补偿地磁传感器姿态误差的设备和方法

本专利申请是申请日为2003年08月04日、申请号为No.03125545.0、题为“补偿地磁传感器姿态误差的设备和方法”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2002年8月6日申请的韩国专利申请第2002-0046366号的优先权，全文在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种通过使用双轴地磁传感器和倾角仪所得到的地磁场的相关信息，补偿地磁传感器的姿态误差，由此而计算出精确的方位信息的测量设备和计算方法。

背景技术

到目前为止，已经出现大量从事通过使用地磁传感器如磁通量闸门，来计算在自由空间移动中的交通工具或传感模块的方位信息的方法和设备的研究。然而，磁通量闸门因其昂贵的价格以及庞大的体积，仅应用在航海领域。

最近，小型并且低成本的地磁传感器模块已经得到发展，特别地，随着MEMS技术的发展，芯片型地磁传感器已经得到发展并应用到需要方位信息的各种驾驶领域。然而，在地磁传感器模块不能水平放置的应用领域中，仅通过地磁传感器无法得到精确的方位信息。

地磁传感器一般是一种测量地磁场强度的设备，它仅在地磁场磁力线矢量平行于用于测量该磁力线矢量的传感器的测量轴矢量时，才能精确测量地磁场强度。在此情况下，在其中坐标轴彼此以右旋法则正交排列的双轴传感器被水平放置形成传感器模块之后，由传感器模块指示的方位角使用两传感器的输出被计算。

然而，如果地磁传感器模块没有保持水平，则无法精确测量地磁场强度，此时的方位信息中会包含有很大的误差。随后，需要根据姿态补偿误差，由于此原因，使用为测量姿态的三轴地磁传感器和倾角仪执行通过坐标变换的误差补偿。

随着小型化地磁传感器的发展，姿态误差补偿技术扩展到运动、多媒体、游戏机等应用领域上。

然而，由于传感器安装位置的问题，在使用双轴地磁传感器时，误差不能仅通过已发展的误差补偿技术得到补偿，因此计算出的方位角根据姿态的尺寸增加误差。

US 4414753公开了一种用于补偿磁扰的处理，磁扰会影响设备用于确定交通工具的磁航向(magnetic heading)的设备的测量。

发明内容

本发明的目的在于至少解决前述的相关问题和/或弊端，并且至少提供下文所描述的优点。

本发明的另外一个目的在于提供通过补偿双轴地磁传感器姿态误差，来计算精确的方位信息的设备和方法。在双轴地磁传感器安放在需要方位信息的设备(例如，航海系统，游戏机，PDA，蜂窝电话等)中在情况下，根据本发明的该设备和方法使用双轴倾角仪计算姿态信息，然后根据该地磁传感器的姿态补偿误差以得到精确的方位信息。

为完成前述问题和/或本发明的其他特性，提供了一种计算方位角的设备，包括：双轴地磁传感器，用于测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；倾角仪，用于计算旋转角和倾斜角；和微处理器，用于基于虚拟第三地磁数据、第一地磁数据和第二地磁数据计算方位角，该虚拟第三地磁数据是使用由双轴地磁传感器计算出的第一和第二地磁数据以及由倾角仪计算出的旋转角和倾斜角、通过坐标变换矩阵而计算出的。

本发明的另一方面在于一种计算方位角的方法，包括：测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；计算旋转角和倾斜角；和基于虚拟第三地磁数据、第一地磁数据和第二地磁数据计算方位角，该虚拟第三地磁数据是使用第一和第二地磁数据以及旋转角和倾斜角、通过坐标变换矩阵而计算出的。

本发明的另一方面在于一种计算方位角的设备，包括：双轴地磁传感器，用于测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，以计算第一地磁数据和第二地磁数据；倾角仪，用于计算旋转角和倾斜角；和微处理器，用于基于其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个来计算方位角，其中通过将第一地磁数据、第二地磁数据以及使用第一和第二地磁数据生成的虚拟第三地磁数据代入下面行列式进行计算来变换坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{ig}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

本发明的另一方面在于一种计算方位角的方法，包括：测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；计算旋转角和倾斜角；使用第一地磁数据和第二地磁数据计算虚拟第三地磁数据；通过将第一地磁数据、第二地磁数据以及虚拟第三地磁数据代入下面行列式，来计算其坐标被变换了的地磁数据；和基于其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个来计算方位角：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{ig}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

附图说明

本发明的前述目的以及其他优点通过对优选实施方案的详细描述中变得更为明显，其中附图如下：

图1是根据本发明的说明通过双轴地磁传感器产生的姿态补偿误差计算方位角的方法的示意图；

图2是根据本发明的双轴地磁传感器和姿态误差补偿设备的结构示意图；

图3是根据本发明的安装在双轴地磁传感器和姿态误差补偿设备中的微处理器操作的流程图；

图4是根据本发明的使用倾角仪计算出的姿态试验结果的曲线图；

图5是说明使用双轴地磁传感器和倾角仪计算出虚拟Z轴地磁数据的试验结果的曲线图；和

图6是说明使用双轴地磁传感器和倾角仪计算出方位角的试验结果的曲线图。

具体实施方式

现在，将参照附图，详细描述根据本发明优选实施例的计算方位角的设备和方法，在附图中相同的附图标记指代相同的部件。

图1是根据本发明的说明通过双轴地磁传感器产生的姿态补偿误差计算方位角的方法的示意图。该方法包括双轴地磁传感器101、倾角仪102、姿态(即坐标)变换矩阵103、虚拟Z轴地磁数据的生成104、地磁数据坐标的转换105和方位角的计算106。

地磁传感器101可以是磁通量闸门传感器或磁阻(MagnetoResistive，MR)，用于测量地磁场强度，且包括具有在传感器模块前向方向上的X轴和在与X轴向右成90°方向上的Y轴的双轴传感器。

倾角仪102测量传感器101的相对于地表的倾斜角，加速计可以被用作倾角仪。在加速计仅测量静止重力加速度时，可以被用作倾角计，根据使用按正确角度放置的双轴或三轴模块的姿态，通过测量不同水平面的加速度能够计算姿态信息。在使用双轴加速计时，通过公式1a和1b测量加速度，并通过公式2a和2b计算姿态。

a_x＝g·sinθ               (1a)

a_y＝g·sin               (1b)

＝sin^-1(a_y/g)           (2a)

θ＝sin^-1(a_x/g)           (2b)

其中，a_x和a_y是X轴和Y轴加速计的输出值，g是重力加速度，和θ分别是旋转角和倾斜角。

坐标变换矩阵103用于将地磁传感器数据转换为水平坐标系统，并由使用倾角仪102的输出值计算出的姿态信息如下构成。

$C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]...\left(3\right)$

虚拟Z轴地磁数据104对双轴地磁传感器的姿态误差补偿是必需的，使用地磁传感器的两个输出和前述计算出的姿态信息进行如下计算：

$Z_{\mathrm{jg}}=\frac{Z_h+X_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\φ\θ}\cos }{\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}...\left(4\right)$

其中，Z_h是当地磁传感器的测量轴指向地表垂直向下的方向时由设备首次测量的地磁场强度。

由地磁传感器数据到水平坐标系统的坐标变换105，如下实现：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{jg}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right]...\left(5\right)$

其中，[X_jg Y_jg Z_jg]^T为地磁传感器数据。

通过使用转换为水平坐标系统的地磁数据坐标得出方位计算106，实现如下：

＝tan^-1(Y_h/X_h)           (6)

图2是说明为实现图1功能的双轴地磁传感器结构的接口结构的示意图。该接口包括双轴地磁传感器201、倾角计202、信号调节单元203、微处理器204、LCD模块205和串行通信接口206。

信号调节单元203包括用于消除电源噪声和高频噪声的低通滤波器，把模拟传感器信号转换为数字值的模/数(A/D)转换()器。信号调节单元203必需在传感器信号输入微处理器204之前对其进行处理。

微处理器204包括用于存储从A/D转换器203输出的传感器信号的寄存器、用于补偿地磁传感器姿态误差和计算方位信息的ALU(算术逻辑部件)和FPU(浮点部件)、用于设定将传感器数据和计算出的方位信息传输到LCD模块和外设的输出周期的内部时钟。

LCD模块205显示从微处理器204输出的方位信息，以便用户能识别出具有水平放置的地磁传感器模块设备的方位角。

串行通信接口206用于传输从微处理器204输出到外设的传感器数据和方位信息，其可采用同步串行通信或者异步串行通信的类型。

图3是根据本发明的安装在双轴地磁传感器和姿态误差补偿设备中的微处理器操作的流程图。

首先，为了传输双轴地磁传感器201和倾角仪202的输出值与最终计算出的方位信息到外部系统，使用安装在微处理器204上的内部定时器设定数据输出周期(步骤301)。

为把地磁传感器201和倾角仪202的输出值转换为数字值，产生A/D转换控制信号(步骤302)，然后在内部寄存器存储转换后的传感器数据(步骤303)。

使用在存储的传感器数据中的倾角仪数据，通过公式2a和2b计算出传感器模块的姿态(步骤304)。使用此计算出的姿态，通过公式3计算出坐标变换矩阵(步骤305)。

使用计算出的姿态和存储在内部寄存器的地磁传感器数据，通过公式4生成虚拟Z轴地磁数据(步骤306)。

使用计算出的坐标变换矩阵通过公式5将三轴地磁数据(即：双轴地磁传感器数据+单轴计算出的虚拟Z轴地磁数据)转换为水平坐标系统内的地磁场范围的强度(步骤307)。使用此转换后的数据，通过公式6计算方位角(步骤308)。

通过在内部定时器内设定的数据输出周期检查是否生成中断(步骤309)。

如果检查出未生成定时器中断，当前步骤返回前面把传感器数据转换为数字值的步骤302，以重复执行步骤302。同时，如果检查出生成定时器中断(步骤309)，通过串行通信把前述计算出的方位信息和传感器数据传输到外部系统(步骤310)，并输出到LCD模块进行显示(步骤311)。然后，操作返回把传感器数据转化为数字值的步骤302，并且重复后面的步骤直到下一定时器中断生成。

图4是根据本发明使用倾角仪202通过公式2计算出的姿态试验结果的曲线图。

图5是说明通过公式4计算出的虚拟Z轴地磁数据的实验结果与三轴地磁传感器Z轴的比较图。图5中，虚线代表三轴地磁传感器Z轴，实线代表通过等式4计算出的虚拟Z轴地磁数据。可以看出，随着通过公式4计算出的随姿态改变而变化的Z轴地磁数据更为精确。

图6是说明使用生成的虚拟Z轴地磁数据通过等式5和等式6计算出的方位角的试验结果和双轴地磁传感器的输出结果以及姿态改变时计算出的坐标变换矩阵的示意图。虚线代表补偿前的方位角，可以看出方位角有很大的变化，实线代表补偿后的方位角，可以看出方位角仅在方位角的变化很小的误差范围内有改变。

根据本发明所述的通过地磁传感器姿态误差补偿来计算方位角的设备，使用双轴地磁传感器和双轴倾角仪向用户提供方位角信息以克服地磁传感器模块的技术局限，所述模块应该使用现有的三轴地磁传感器和倾角仪。

本发明可以方便的应用在需要方位信息的领域。例如，当使用存储在PDA的电子地图需要确定用户的朝向时，可以识别用户当前的精确方位角并随之在PDA的LCD显示出相应地旋转的地图，以便用户能方便的决定他/她的朝向。

同样地，本发明通过游戏机的姿态附加游戏机旋转方向的信息而使三维游戏的实施更加容易，此外也可用于虚拟现实的数据输入设备中。

虽然本发明已经进行了详细的描述，但应该理解可以在不脱离所附的权利要求中涉及的范围而进行多种改变、替代和变更。

Claims (8)

1、一种计算方位角的设备，包括：

双轴地磁传感器，用于测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；

倾角仪，用于计算旋转角和倾斜角；和

微处理器，用于基于虚拟第三地磁数据、第一地磁数据和第二地磁数据计算方位角，该虚拟第三地磁数据是使用由双轴地磁传感器计算出的第一和第二地磁数据以及由倾角仪计算出的旋转角和倾斜角、通过坐标变换矩阵而计算出的。

2、如权利要求1所述的设备，其中，用于计算虚拟第三地磁数据的坐标变换矩阵包括以下及其等效矩阵：

$Z_{\mathrm{jg}}=\frac{Z_h+X_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}$

其中，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，Z_h代表当地磁传感器的测量轴指向地面的垂直向下方向时测量的地磁强度，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

3、如权利要求2所述的设备，其中，微处理器使用其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个计算方位角，其中通过将第一地磁数据、第二地磁数据和虚拟第三地磁数据代入下面行列式进行计算来变换坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{jg}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据。

4、一种计算方位角的方法，包括：

测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；

计算旋转角和倾斜角；和

基于虚拟第三地磁数据、第一地磁数据和第二地磁数据计算方位角，该虚拟第三地磁数据是使用第一和第二地磁数据以及旋转角和倾斜角、通过坐标变换矩阵而计算出的。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，用于计算虚拟第三地磁数据的坐标变换矩阵包括以下及其等效矩阵：

$Z_{\mathrm{jg}}=\frac{Z_h+X_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\θ}-Y_{\mathrm{jg}}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}$

其中，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，Z_h代表当地磁传感器的测量轴指向地面的垂直向下方向时测量的地磁强度，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

6、根据权利要求5所述的方法，其中，所述计算方位角的步骤包括：

通过将第一地磁数据、第二地磁数据和虚拟第三地磁数据代入下面行列式进行计算来变换坐标；以及

使用其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个计算方位角：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{jg}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据。

7、一种计算方位角的设备，包括：

双轴地磁传感器，用于测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，以计算第一地磁数据和第二地磁数据；

倾角仪，用于计算旋转角和倾斜角；和

微处理器，用于基于其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个来计算方位角，其中通过将第一地磁数据、第二地磁数据以及使用第一和第二地磁数据生成的虚拟第三地磁数据代入下面行列式进行计算来变换坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{jg}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

8、一种计算方位角的方法，包括：

测量以直角相交的第一轴和第二轴的地磁场强度，并且计算第一地磁数据和第二地磁数据；

计算旋转角和倾斜角；

使用第一地磁数据和第二地磁数据计算虚拟第三地磁数据；

通过将第一地磁数据、第二地磁数据以及虚拟第三地磁数据代入下面行列式，来计算其坐标被变换了的地磁数据；和

基于其坐标被变换了的地磁数据中的至少一个来计算方位角：

$\left[\begin{array}{c}{X}_h\\ Y_h\\ Z_h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{jg}}\\ Y_{\mathrm{jg}}\\ Z_{\mathrm{jg}}\end{array}\right],C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中，X_h、Y_h和Z_h代表其坐标被变换了的地磁数据，X_jg代表第一地磁数据，Y_jg代表第二地磁数据，Z_jg代表虚拟第三地磁数据，φ代表旋转角，而θ代表倾斜角。

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