CN101256219B - 磁数据处理装置和方法,以及磁处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供磁数据处理装置、方法和磁处理系统，其中磁数据处理装置顺序地接收磁数据采样，这些磁数据采样的每一个都是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，并且磁数据采样是从三维磁性传感器输出的。磁数据处理装置定义了统计学群体，该统计学群体包括多个顺序输入的磁数据采样且表示三维磁性传感器在预定范围内的旋转，并且当统计学群体的磁数据采样的分布平坦时，该磁数据处理装置运行以推导出与近似于统计学群体平坦分布的平面垂直的方向来作为表示垂直方向的垂直方向数据。

Description

磁数据处理装置和方法,以及磁处理系统

技术领域

本发明涉及磁数据处理装置、方法和程序，以及磁处理系统，更具体地，涉及在不利用加速度传感器的情况下推导姿态和方位的技术。

背景技术

最近几年，流行在诸如个人数字助理(PDA)、便携蜂窝电话或车辆之类的移动实体中安装磁性传感器和加速度传感器。磁性传感器包括若干个将磁场向量分解为相互正交的分量并检测所分解的分量的磁性传感器模块。作为磁性传感器输出的磁数据是各个磁性传感器模块的输出的组合，并且是用相互正交的基本向量的线性组合来表示的向量数据。磁数据的方向和大小对应于磁性传感器检测到的磁场的方向和大小。

加速度传感器检测静止状态的重力加速度，从而可以检测以竖直方向为参考的移动实体的倾斜度。一旦以移动实体为参考确定了地磁的方向，并且以竖直方向为参考确定了移动实体的倾斜度，则可以以方位角为参考推导出移动实体的姿态。例如，参照国际专利公开No.WO/2006-009247。

然而，为了以方位角为参考推导出移动实体的姿态，传统上同时需要磁性传感器和加速度传感器。

发明内容

本发明的一个目的是在特定情况下，不使用加速度传感器的输出，而是在磁性传感器的输出的基础上推导出移动实体的姿态。

(1)用于实现上述目的的磁数据处理装置包括：用于连续输入磁数据采样的输入装置，每一个磁数据采样是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，并且磁数据采样由三维磁性传感器输出，其中基本向量的方位为相互正交的三个分别的参考轴的方向；竖直方向推导装置，其存储多个由输入装置连续输入的磁数据采样作为统计学群体，在该统计学群体的基础上检测三维磁性传感器在预定范围内的旋转，并且该竖直方向推导装置在统计学群体的磁数据采样的分布近似为一个平面时运行，以推导出与近似的平面垂直的方向来作为表示竖直方向的竖直方向数据。

按照本发明的磁数据处理装置，在移动实体以几乎竖直方向的轴为中心旋转的情况下，在不使用加速度传感器输出的情况下，可以推导出以磁性传感器的姿态为参考的竖直方向。在下文将对原因进行解释。当其中安装有三维磁性传感器的移动实体以竖直方向轴为中心旋转时，从三维磁性传感器输出的磁数据采样分布在一个平面上。因此，当移动实体以竖直方向轴为中心旋转时，从三维磁性传感器输出的磁数据采样的分布是平坦的。从而，可以将这种分布近似为一个平面。垂直于近似平面的方向与竖直方向轴一致。因此，在移动实体以几乎竖直方向的轴为中心旋转的情况下，磁数据处理装置可以在不使用加速度传感器输出的情况下推导出以磁性传感器姿态为参考的竖直方向。诸如地面运输机械或海上运输机械之类的移动实体，例如在几乎水平的面上进行平行移动的汽车、火车、轮船，或者固定在运输机械上的信息设备(诸如PDA或笔记本个人电脑)之类的移动实体进行的移动可以满足移动实体以近似竖直方向轴为中心旋转的情况。

在这种情况下可以推导出竖直方向的优点对于移动实体非常有意义，这些移动实体不是一直应用于一种特定姿态，虽然它可能在使用的时候是保持为几乎恒定的姿态。例如，利用本发明的磁数据处理装置，可以识别安装在车辆上的PDA的姿态。顺便指出，“预定范围”指的是由一个阈值或多个阈值确定的范围。而且，竖直方向数据可以是允许对竖直方向进行识别的数据，并表示了一个表示矩阵的数组或多个角度的数组。

(2)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，竖直方向推导装置可以推导出与磁数据采样统计学群体分布的最小主值相对应的特征向量方向作为竖直方向数据。

利用计算机，可以相对高效地推导出分布的各个特征值。从而，可以有效地推导出竖直方向。

(3)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，假定统计学群体是qi^T＝(qix，qiy，qiz)(其中，i表示0，1，2，…，N-1)以及向量Q是磁数据采样qi的矩心，竖直方向推导装置优选地推导出与由下式(1)定义的矩阵B的最小特征值相对应的特征向量方向作为竖直方向数据。

$B=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{qi}-Q){(\mathrm{qi}-Q)}^T---\left(1\right)$

在本说明书中，向量全都是列向量，并且行向量应当被表示为列向量的转置矩阵。

(4)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，当相对于矩阵B的最大特征值λ1和它的最小特征值λ3满足λ3/λ1＜常量r时，竖直方向推导装置可以推导出对应于最小特征值λ3的特征向量方向作为竖直方向数据。

在这种情况下，只有当指示磁数据采样分布的平坦度的λ3/λ1是靠近0的一个很小值时，也就是，只有当移动实体的旋转轴的偏转很小时，可以推导出竖直方向数据。因此，改善了竖直方向估计的精度。

(5)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，当相对于矩阵B的最大特征值λ1满足λ1＞常量s时，竖直方向推导装置可以推导出对应于最小特征值λ3的特征向量方向作为竖直方向数据。

在这种情况下，只有当磁数据采样分布有一定宽度，也就是，只有当磁性传感器的旋转角度比较大时，才可以推导出竖直方向数据。因此，改善了竖直方向估计的精度。

(6)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，还可以包括姿态推导装置，用于在磁数据采样和竖直方向数据的基础上推导三维姿态数据，该三维姿态数据以方位角为参考表示三维磁性传感器的姿态。

在这种情况下，以方位角为参考，可以推导出其中安装有磁性传感器的移动实体的三维姿态。

(7)在用于实现前述目的的磁数据处理装置中，还可以包括方位推导装置，用于在姿态数据的基础上推导一维方位数据，该数据被用于在显示屏幕上指示方位。

在很多情况下，当方位作为一维信息显示在显示屏幕上时，用户可以比在方位作为三维信息被显示时更直观和容易地理解方位。在这种情况下，可以推导出方位数据，允许方位显示在屏幕上，以便在这种情况下可以更直观和更容易地识别方位。

(8)用于实现前述目的的磁数据处理系统包括在(1)到(7)任何一个中阐述的磁数据处理装置和三维磁性传感器。

根据该磁处理系统，在移动实体以几乎垂直的方向轴为中心旋转的情况下，在不使用加速度传感器输出的情况下，可以推导出竖直方向。

(9)一种用于实现前述目的的磁数据处理方法包括：连续输入磁数据采样，每个磁数据采样是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，并且这些磁数据采样是从三维磁性传感器输出的，其中基本向量的方位为相互正交的三个分别的参考轴的方向；定义统计学群体，该统计学群体包括多个连续输入的磁数据采样，并表示三维磁性传感器在预定范围内的旋转，以及在统计学群体的磁数据采样的分布近似为一个平面时，推导出与近似的平面垂直的方向来作为表示竖直方向的竖直方向数据。

按照该磁数据处理方法，在移动实体以几乎竖直方向轴为中心旋转的情况下，不使用加速度传感器的输出就可以推导出竖直方向。

附图说明

图1是关于本发明一个实施例的原理图；

图2是关于本发明实施例的原理图；

图3是关于本发明实施例的原理图；

图4是关于本发明实施例的框图；

图5是关于本发明第一个实施例的框图；

图6是关于本发明第一个实施例的流程图。

具体实施方式

假设PDA在被附接到诸如车辆之类的运输机械时起到电子罗盘的作用，在下文的顺序描述中对本发明的一个实施例进行描述。

[1.综述]

1-1.原理描述

1-2.硬件配置

1-3.软件配置

[2.处理流程]

[3.其他实施例]

[1.综述]

1-1.原理描述

如图1所示，具有铰链31的支撑基座33固定在汽车2的仪表板或类似的物体上。当PDA 3通过基座33固定到汽车2上，司机可以任意地调整PDA 3的连接角，以便司机可以很轻易地看到PDA 3的显示屏幕。例如，可以调整屏幕和水平面的夹角，或者以垂直轴为中心旋转屏幕，以便视线平行于屏幕的垂线。从而，可以调整PDA 3的屏幕，以便很容易地看到它。在本实施例中，将描述一种磁处理系统，该系统在这种情况下推导出用于在PDA 3的屏幕上指示方位的一维方位数据。

图2是示出本实施例所采用的坐标系统的原理图。

由于合并在PDA 3中的磁性传感器4作为PDA 3整体的一部分而运动，所以磁性传感器4和PDA 3的运动或姿态可以在同一坐标系中被唯一地表示。PDA 3和磁性传感器4的姿态应当在具有以垂直向上向量c、水平向北向量b和水平向东向量a为基准的坐标系中进行表示。向量a、b、c由下式(2)定义，以便这些向量可以被认为是标准基向量。

$a=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ $b=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right],$ $c=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

当模为1且方位为三个互相正交并处在PDA 3中的各个参考轴x、y、z方向上的向量x、y、z被表示为标准基向量{a，b，c}的线性组合时，它等价于表示PDA 3的姿态。利用在下式(3)、(4)、(5)中提供的系数xa、xb、xc、ya、yb、yc、za、zb和zc将向量x、y和z表示为参考基向量{a，b，c}的线性组合。对于向量x、y和z，向量y的方向应当与PDA 3的屏幕从下向上的方向一致，向量z的方向应当与PDA 3的屏幕从背面向正面的方向一致。

x＝x_aa+x_bb+x_cc        (3)

y＝y_aa+y_bb+y_cc        (4)

z＝z_aa+z_bb+z_cc        (5)

可以用下式(6)表示的关系来重写等式(3)、(4)、(5)之间的关系：

$\left[\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}a& b& c\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_a& y_a& z_a\\ x_b& y_b& z_b\\ x_c& y_c& z_c\end{array}\right]---\left(6\right)$

由于标准基向量被定义为等式(2)所表达的，所以等式(6)

可以被转换成下式(7)。

$\left[\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_a& y_a& z_a\\ x_b& y_b& z_b\\ x_c& y_c& z_c\end{array}\right]---\left(7\right)$

将向量x、y、z表示为一个矩阵的等式(8)的矩阵A应当被叫做姿态矩阵。矩阵A是一个正交矩阵。虽然这个正交矩阵的行列式通常是1或-1，在本实施例中在PDA 3中指定参考轴，以使矩阵A的行列式为1。在一对一的对应基础上，这样定义的合适的正交矩阵A与PDA 3的姿态相关。

A＝[x y z]        (8)

将指向北并由磁性传感器4输出的磁数据所表示的三维向量定义为H，将指向垂直向下方向的三维向量定义为G。H和G表示在安置在PDA 3中的坐标系中表示的向量数据。H表示磁数据本身，G表示要在下文中描述的竖直方向数据本身。

当确定G×H≠0(符号×表示叉积)时，可以推导出姿态矩阵A。当G和H平行时，确定G×H＝0。然而，G和H几乎不可能彼此平行。

当定义了满足F＝G×H的向量F时，向量F在安置在PDA 3中的坐标系中水平指向东。这是因为垂直于方向北和垂直向上方向的方向是在水平面上指示的方向东或方向西。在本实施例中，由于参考轴x、y和z以及定义向量F的叉积分量的次序，使得向量F水平地指向东。然而，取决于参考轴x、y和z的定义，以及定义向量F的叉积分量的次序，向量F可以水平地指向西。

而且，定义了满足K＝F×G的向量K时，在安置在PDA 3中的坐标系中，向量K水平地指向北方。这是因为垂直于水平方向东和竖直方向的方向是方向南或方向北。顺便提一句，在本实施例中，由于参考轴x、y和z的定义以及定义向量K的叉积分量的次序，向量K水平地指向北。然而，取决于参考轴x、y和z的定义以及定义向量K的叉积分量的次序，向量K可以水平地指向南。

此时，使F、K和-G标准化为模为1并排列为列向量的下式(9)的矩阵是一个通过在姿态矩阵A上执行某一旋转操作产生的矩阵。具体地，当H和G的基向量定向为参考轴x、y、z的方向时，等式(9)的矩阵是姿态矩阵A自身。

$\left[\begin{array}{c}{F}^T/\left|\right|F\left|\right|\\ K^T/\left|\right|K\left|\right|\\ -G^T/\left|\right|G\left|\right|\end{array}\right]---\left(9\right)$

因此，基于从磁性传感器4输出的磁数据采样以及表示垂直向上方向的竖直方向数据，可以推导出以方位角为参考的PDA 3的三维姿态。

接下来，在下文将对从磁数据采样中推导出表示竖直方向的竖直方向数据的原理进行描述。

诸如汽车2之类的地面运输机械或者海洋运输机械的运动是在几乎水平平面上进行的。当汽车2旋转时，PDA 3以几乎垂直的轴为中心和汽车2一起进行旋转运动。当汽车2在斜坡上旋转时，旋转轴和垂直轴偏离。即使在这种情况下，在本实施例中，由该偏离引起的竖直方向的推导误差可以忽略。

在汽车2旋转360°的周期内，当在离散的时刻从磁性传感器4顺序输出的磁数据采样被绘制在处于PDA 3中的坐标系(也是安置在磁性传感器4中的坐标系)中时，磁数据采样分布在用图3所示的细线条区域表示的环形形状区域中。如前文所述，由于汽车2在几乎水平的平面上进行运动，旋转轴的偏斜是有限的。因此，磁数据采样的分布是平坦的，并因此可以被近似为一个平面。在安置在PDA 3中的坐标系中的竖直方向轴几乎与垂直于近似平面的方向一致。因此，当汽车2进行旋转运动时，可以在磁数据采样的基础上在安置在PDA 3中的坐标系中推论出竖直方向。在本实施例中，磁数据采样分布的主值中的一个被用来推导出垂直于近似平面的方向。

1-2.硬件描述

图4是示出包括磁性传感器4和磁数据处理装置1的磁处理系统的框图。磁性传感器4包括x轴传感器30、y轴传感器32以及z轴传感器34，这些传感器分别检测表示地磁的磁场向量的x方向分量、y方向分量以及z方向分量。x轴传感器30、y轴传感器32和z轴传感器34由磁阻元件、霍尔效应元件或者磁阻抗(MI)元件组成，并可以是任何类型的传感器，只要它们是具有方向性的一维磁性传感器。将x轴传感器30、y轴传感器32和z轴传感器34的灵敏性轴固定为相互正交。x轴传感器30、y轴传感器32和z轴传感器34的输出以时分方式被输入到磁性传感器接口(I/F)22。在磁性传感器接口22中，在来自x轴传感器30、y轴传感器32和z轴传感器34的输入被放大之后，对它们进行模数(A/D)转换。从磁性传感器接口22中输出的数字磁数据通过总线5被输入到磁数据处理装置1。

磁数据处理装置1是一种计算机，包括CPU 40、ROM 42和RAM44。CPU 40是主处理器，例如，它负责PDA 3的所有控制。ROM 42是非易失性机器可读的存储介质，在其中存储了要被CPU 40执行的磁数据处理程序和实现PDA 3功能所需的多个程序。RAM 44是易失性存储介质，其中临时保存了将由CPU 40处理的数据。顺便提一句，磁数据处理装置1和磁性传感器4可以被构建为单片磁处理系统。

1-3软件配置

图5是示出磁数据处理程序90配置的框图。磁数据处理程序90是用于为方位显示模块98提供方位数据的程序，并被存储在ROM 42中。方位数据是用于在显示屏幕上以易于观看的方式指示北方位的一维数据。磁数据处理程序90包括诸如缓存管理模块92、竖直方向检测模块94和方位推导模块96之类的一组模块。

缓存管理模块92是一个程序部分，其以确定的时间间隔从磁性传感器4输入磁数据，并且其以FIFO方式在缓存器中存储输入的磁数据采样并允许CPU 40、RAM 44和ROM 42起到输入装置的作用。存储在该缓存器中的一组磁数据采样应当被认为是统计学群体数据组。该统计学群体数据组由N个磁数据采样组成的，这些磁数据采样是以确定的时间间隔从磁性传感器4输入到磁数据处理装置1，并被存储在缓存器中表示为q0、q1...和qN-1。。

竖直方向推导模块94是一个程序部分，其在保存在缓存管理模块92中的统计学群体数据组的基础上检测PDA 3的旋转，并在检测到旋转的时候根据统计学群体数据组推导出前文所述的表示竖直方向的竖直方向数据G。该竖直方向推导模块94允许CPU 40、RAM 44和ROM 42起到竖直方向推导装置的作用。

方位推导模块96是一个程序部分，其在从磁性传感器4顺序输入的磁数据采样和由竖直方向推导模块94保存的竖直方向数据G的基础上产生方位数据，并允许CPU 40、RAM 44和ROM 42起姿态推导装置和方位推导装置的作用。

方位显示模块98在方位数据的基础上，在PDA 3的显示屏幕上显示一维信息，该一维信息表示北方位。顺便提一句，方位数据可以只被用来在屏幕上以字符或者以箭头的形式显示方位，或者可以被用来在显示在屏幕上的地图中执行指向处理。

[2.处理流程]

图6是表示在PDA 3的屏幕上显示方位的处理流程的流程图。当PDA 3中的电子罗盘功能被激活时，在图6中表示的处理开始，并且CPU 40运行缓存管理模块92、竖直方向推导模块94、方位推导模块96和方位显示模块98。

在步骤S100，由竖直方向推导模块94保存的竖直方向数据被复位为初始值。例如，初始值是向量y(向量y的定义如前文所提)。此时，在存储有统计学群体数据组的缓存器中所存储的所有磁数据采样被删除。

在步骤S102，磁数据被输入并被存储在缓存器中。如果磁数据是以非常短的时间间隔从磁性传感器4顺序输入的，则要存储在容量有限的缓存器中的磁数据采样的分布被限制的较窄。因此，如果汽车2没有突然旋转，就不会检测到旋转。因此，必须正确地指定缓存器更新的时间间隔(也就是输入磁数据的时间间隔)。

在步骤S104，由方位推导模块96推导出方位数据。特别地，在由竖直方向推导模块94保存的竖直方向数据G和磁数据采样的基础上，推导出前文所述的姿态矩阵A的成分作为姿态数据，并从姿态矩阵A推导出方位数据。

由于PDA 3与汽车2一起进行三维运动，所以PDA 3的姿态的自由度为3。虽然具有三行三列的姿态矩阵A的分量数目是9，然而由于姿态矩阵A是正交矩阵，所以姿态矩阵A的自由度依然是3。为了能够对方位进行直观容易的识别，将方位显示为一维信息是有帮助的。例如，当利用角度的大小或者分别在屏幕上的四个边上的东、西、南、北四个字符来指示方位时，可以以直观识别的方式显示方位。如果定义了3维自由度的信息到一维信息的映射，可以从姿态矩阵A推导出一维方位数据。特别地，只要对任意姿态矩阵A定义了单值函数f(A)，可以从任意姿态矩阵A推导出一维方位数据。将在下文对单值函数f(A)进行描述。

如上所述，在本实施例中，对于利用向量a、b、c为基向量所表示的向量x、y、z，假定向量y的方向与从屏幕下往上的方向一致，假定向量z的方向与从屏幕后面到前面的方向一致。此时，当向量y和水平面形成的角度比90°小得多的时候，推导出用于指示投影在水平面上的方位的方位数据。当向量y和水平面形成的角度接近90°时，推导出用于指示投影在水平面上的向量-z的方位的方位数据。从而，由于基于所推导出的方位数据来指示了方位，观察者可以直观地看到方位。

假定姿态矩阵A的i行j列的元素是aij，aij的大小与PDA 3的屏幕与水平面形成的角度相关。结果，当对于阈值t确立了下式(10)时，认为PDA 3的屏幕几乎水平。例如，t值是1/2^1/2。

|a₃₂|≤t                        (10)

此时，由于向量y在水平面上的投影是由下式(11)表示的，通过将两个值a₁₂和a₂₂的比值施加到反正切函数，可以推导出一维方位数据。

[a₁₂ a₂₂ 0]^T                (11)

当对阈值t确立了下式(12)时，PDA的屏幕被认为是几乎垂直的。

|a₃₂|＞t                    (12)

此时，由于向量-z在水平面上的投影被表示为下式(13)，通过将两个值-a₁₃和-a₂₃的比值施加到反正切函数，可以推导出一维方位数据。

[-a₁₃ -a₂₃ 0]^T              (13)

即使当计算技术从一种转到另一种以阈值t为边界的技术时，基于用前文所述的单值函数f(A)推导出的方位数据，可以实现避免了不方便的方位显示。而且，由于从姿态矩阵A到方位数据的转化方法没有单一点，可以缩短程序代码。

在步骤S106，由方位显示模块98根据方位数据将方位显示在PDA3的屏幕上。特别地，例如，如图2所示，将一个箭头D显示在PDA 3的屏幕上。

在步骤S108，基于存储在缓存器中的统计学群体数据组，由竖直方向推导模块94判定PDA 3是否在预定的范围内进行旋转运动。特别地，如下所述进行判定。

开始，设想由下式(14)定义的矩阵B。矩阵B的1/N是统计学群体数据组qi的方差协方差矩阵。因此，Q是由下式(15)定义的，等于qi的矩心。

$B=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{qi}-Q){(\mathrm{qi}-Q)}^T---\left(14\right)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{qi}---\left(15\right)$

步骤S108的执行变化不局限于图6所表示的。由于矩阵B可以被用于执行磁性传感器4的偏移计算，如果推导竖直方向与磁性传感器4的计算同时进行，将改善计算效率。

假定矩阵B的最大特征值是λ1，最小特征值是λ3，它们的比值是λ3/λ1，当该比值小于r(也就是接近0)并且λ1比一个特定的阈值s大时，PDA 3可以被识别为已经旋转了预定的角度或者更大的角度。当PDA 3的旋转轴偏斜较小时，r是比较小的值，统计学群体数据组的分布像近似于平面那样平坦。顺便提一句，当阈值s是一个适当地大值时，如果λ1大于适当指定的s，统计学群体数据组的分布不被假设为呈线性。而且，如上所述，当PDA 3和汽车2一起旋转时，统计学群体数据组的分布变成平面的。特别地，当λ1比s大时，λ3自然变得大一点，统计学群体数据组不展现线性分布，但展现平面的并有点宽的分布。

结果，在步骤S108，推导出矩阵B的元素，推导出矩阵B的最大特征值λ1和最小特征值λ3，并执行λ3/λ1-r和λ1-s的计算。结果，PDA 3可以被识别为已经旋转了预定的角度或者更大的角度，控制被转至步骤S110的处理。否则，控制被转至步骤S102的处理。

在步骤S110，竖直方向推导模块94推导出与表示统计学群体数据组分布的近似平面垂直的方向来作为表示竖直方向的竖直方向数据。在本实施例中，统计学群体数据组分布的主值中的一个被用于推导垂直于分布的近似平面的方向。更具体地，推导出作为竖直方向数据的对应于上述λ3的矩阵B的特征向量l₃。这是因为对应于矩阵B的最小特征值的特征向量l₃的方向平行于与分布的近似平面垂直的方向。顺便说一句，假定特征向量l₃是对应于λ3的特征向量，向量-l₃也是对应于λ3的特征向量，两个向量的方向都平行于垂直轴。由于PDA 3假定的姿态范围被PDA 3依附于汽车2的形式所限制，所以向量l₃和-l₃可以被识别为表示垂直向下方位的竖直方向数据。例如，当指定了恒定向量Gc时，如果利用了竖直方向数据G总是满足下式(16)的条件，G可以被设置为G＝l₃或G＝-l₃中的一个。

G^TGc＞0                (16)

叙述至此，按照本实施例，在不使用加速度传感器的情况下，基于磁性传感器4的输出，可以推导出作为移动实体的PDA 3的姿态。结果，按照本实施例，相比较传统的技术，可以降低推导作为移动实体的PDA 3的姿态所需要的功率消耗，或者，相比较传统的技术，可以缩短推导PDA 3姿态所需要的计算时间。而且，按照本实施例，由于矩阵B的特征值中的一个被用于推导竖直方向、姿态和方位，所以可以有效地推导出来竖直方向、姿态和方位。

[C.其他实施例]

本发明不局限于前文所述的实施例，可以在不脱离要旨的情况下，以多种方式实现。例如，自然地，本发明可以适用于固定在笔记本型个人计算机中的、具有合并在显示器中的磁性传感器的磁处理系统、便携蜂窝电话、或者集成导航设备，该设备的显示器使它的角度可以被调整。而且，实际上可以推导出磁数据采样分布的近似平面，垂线方向可以被推导为竖直方向。

Claims (9)

1.一种磁数据处理装置，其利用三维磁性传感器来检测竖直方向，所述磁数据处理装置包括：

输入装置，其用于顺序输入磁数据采样，每一个磁数据采样都是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，所述磁数据采样从三维磁性传感器输出，其中基本向量的方位为相互正交的三个分别的参考轴的方向；以及

竖直方向推导装置，其存储多个由输入装置顺序输入的磁数据采样作为统计学群体，在该统计学群体的基础上检测三维磁性传感器在预定范围内的旋转，并且在统计学群体的磁数据采样的分布近似为一个平面时运行，以推导出与近似的平面垂直的方向的数据来作为表示竖直方向的竖直方向数据。

2.按照权利要求1所述的磁数据处理装置，其中，竖直方向推导装置计算统计学群体的磁数据采样分布的最小主值，并推导出对应于最小主值的特征向量的方向数据来作为竖直方向数据。

3.按照权利要求2所述的磁数据处理装置，其中，假定竖直方向推导装置将统计学群体定义为qi^T＝(qix，qiy，qiz)，这里，q表示磁数据采样，i表示0，1，2，...，N-1，则竖直方向推导装置推导出与矩阵B的最小特征值相对应的特征向量的方向数据来作为竖直方向数据，所述矩阵B由下式(1)定义：

$B=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{qi}-Q){(\mathrm{qi}-Q)}^T---\left(1\right)$

这里，向量Q是qi的矩心。

4.按照权利要求3所述的磁数据处理装置，其中，当矩阵B的最大特征值λ1和矩阵B的最小特征值λ3满足λ3/λ1＜常量r时，竖直方向推导装置推导对应于最小特征值λ3的特征向量的方向数据来作为竖直方向数据。

5.按照权利要求3所述的磁数据处理装置，其中，当矩阵B的最大特征值λ1满足λ1＞常量s时，竖直方向推导装置推导出与矩阵B的最小特征值λ3相对应的特征向量的方向数据来作为竖直方向数据。

6.按照权利要求1所述的磁数据处理装置，另外还包括一个姿态推导装置，其用于推导三维姿态数据，该三维姿态数据在磁数据采样和竖直方向数据的基础上以方位角为参照来表示三维磁性传感器的姿态。

7.按照权利要求6所述的磁数据处理装置，另外还包括一个方位推导装置，其用于基于姿态数据来推导一维方位数据，该一维方位数据用于在显示屏幕上指示方位。

8.一种磁处理系统，其包括：

三维磁性传感器；以及

磁数据处理装置，其连接到三维磁性传感器，其中，

磁数据处理装置包括：

输入装置，其用于顺序输入磁数据采样，每一个磁数据采样都是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，所述磁数据采样从三维磁性传感器输出，其中基本向量的方位为相互正交的三个分别的参考轴的方向；以及

竖直方向推导装置，其存储多个由输入装置顺序输入的磁数据采样作为统计学群体，在该统计学群体的基础上检测三维磁性传感器在预定范围内的旋转，并且在统计学群体的磁数据采样的分布近似为一个平面时运行，以推导出与近似的平面垂直的方向的数据来作为表示竖直方向的竖直方向数据。

9.一种利用三维磁性传感器检测竖直方向的磁数据处理方法，其包括：

顺序输入磁数据采样，每一个磁数据采样都是由基本向量的线性组合表示的三维向量数据，并且磁数据采样是从三维磁性传感器输出的，其中基本向量的方位为相互正交的三个分别的参考轴的方向；

定义统计学群体，该统计学群体包括多个由输入装置顺序输入的磁数据采样且表示三维磁性传感器在预定范围内的旋转，并且

当统计学群体的磁数据采样的分布近似为一个平面时，推导出与近似的平面垂直的方向的数据来作为表示竖直方向的竖直方向数据。

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