CN101438131B - 校准方法及电子罗盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种校准程序及电子罗盘。本发明的校准程序包括在三维空间中利用磁传感器的至少4个输出作出至少两个三角形(21、22)的顺序、求出上述三角形(21、22)的各自的外接圆(23、24)的顺序、和求出通过各个外接圆(23、24)的中心的法线矢量(25、26)的交点作为基准点的顺序。

Description

校准方法及电子罗盘
技术领域
本发明涉及用来对检测地磁的磁传感器的输出进行校正的校准程序及具备它的电子罗盘。 
背景技术
电子罗盘是利用磁传感器的输出、根据基准方向计算方位角的设备。该电子罗盘由于搭载在便携电话等的便携设备中，所以有因便携设备内的周边部件的磁化的影响而不能正确地计算方位的情况。即，虽然磁传感器在仅发生对应于地磁的输出的情况下能够正确地求出方位，但如果磁传感器的周边部件等磁化，则在磁传感器的输出中加上了误差(offset)，不能得到对应于地磁量的输出。 
作为修正该磁传感器的输出的误差的方法，有如下方法：使搭载了电子罗盘的设备分别向X轴方向、Y轴方向、Z轴方向旋转、计算其输出的最大值和最小值的平均来修正误差(专利文献1)。 
专利文献1：日本特开2005-265414号公报(现有技术) 
发明内容
但是，在以往的误差修正方法中，根据分别相对于X轴、Y轴、Z轴旋转时的许多绘图求出各个轴的输出的最大值、最小值，所以运算量很多，有CPU的负荷较大的问题。此外，由于需要用户沿X轴、Y轴、Z轴的各方向旋转设备，所以有误差修正操作较复杂的问题。 
本发明的目的是提供一种运算量较少、并且不让用户意识到而能够校正磁传感器的输出的校准程序及电子罗盘。 
本发明的校准程序，是能够由计算机执行、求出磁传感器的输出的基准点的校准程序，其特征在于，上述校准程序包括：在三维空间中利用上述磁传感器的至少4个输出作出至少两个三角形的顺序；求出上述三角形 的各自的外接圆的顺序；以及求出通过各个外接圆的中心的法线矢量的交点作为上述基准点的顺序。 
根据该程序，能够以较少的运算量求出磁传感器输出的基准点(地磁矢量的原点)，能够进行误差修正。此外，由于用来求出上述基准点的检测数据仅通过使搭载有罗盘模块11的设备倾斜±30°就能够得到，所以能够不让用户意识到而校正磁传感器的输出。 
在本发明的校准程序中，优选的是，求出上述至少4个输出，以使其满足：各输出间的距离为预先设定的距离以上；以及上述至少两个三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。 
在本发明的校准程序中，优选的是，上述基准点通过对上述假想球的中心群进行平均化来求出，上述假想球的中心群是收集多个上述至少4个输出的组、并根据各个至少4个输出的组来求出的。在此情况下，优选的是，求出上述至少4个输出，以使其满足：各输出间的距离为预先设定的距离以上；从求出的上述假想球的中心位置到各输出的距离在预先设定的范围内；以及上述至少两个三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。 
本发明的电子罗盘的特征在于，具备：罗盘模块，具有磁传感器；以及控制单元，包括上述校准程序和方位计算程序，上述校准程序利用上述磁传感器的输出来求出磁传感器的输出的基准点，上述方位计算程序利用上述磁传感器的输出来求出方位。 
根据该结构，能够以较少的运算量求出磁传感器输出的基准点(地磁矢量的原点)，能够进行误差修正。此外，由于用来求出上述基准点的检测数据仅通过使搭载有罗盘模块11的设备倾斜±30°就能够得到，所以能够不让用户意识到而校正磁传感器的输出来求出方位。 
在本发明的电子罗盘中，优选的是，上述控制单元具有多个能够保存上述至少4个输出的缓存器，根据规定的条件判断是否能够将来自上述磁传感器的输出保存于上述多个缓存器。 
在本发明的电子罗盘中，优选的是，上述控制单元根据上述磁传感器的环境变化而自动地启动上述校准程序。
附图说明
图1是表示有关本发明的实施方式的电子罗盘的概略结构的框图。 
图2(a)～图2(d)是用来说明有关本发明的实施方式的校准的原理的图。 
图3是用来说明收集4点时的顺序的流程图。 
图4是用来说明通过图3所示的顺序进行的4点的收集的概念图。 
图5是表示将N组的4点收集到缓存器(0)～缓存器(N-1)中的顺序的流程图。 
图6是表示将N组的4点收集到缓存器(0)～缓存器(N-1)中的顺序的流程图。 
图7是用来说明通过图5及图6所示的顺序进行的多组的4点的收集的概念图。 
图8是用来说明多组的4点的收集时的缓存器保存状态的图。 
图9是用来说明假想球中心的平均化的密集度的图。 
图10是用来说明使用有关本发明的实施方式的校准程序的校准方法的流程图。 
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地说明。 
图1是表示有关本发明的实施方式的电子罗盘的概略结构的框图。图1所示的电子罗盘1主要由罗盘模块11、和控制部12构成。罗盘模块11具有磁传感器部111。此外，控制部12具有利用磁传感器部111的输出求出方位的方位计算程序121、和利用磁传感器部111的输出求出磁传感器的输出的基准点的校准程序122。此外，控制部12具有能够保存至少4个输出的多个缓存器。 
罗盘模块11的磁传感器部111的磁传感器在磁检测用中使用对应于至少3轴的结构。对于构成磁传感器的传感器元件的种类没有特别的限制。例如，作为传感器元件，既可以是GMR(Giant MagnetoResistance：巨磁阻)、AMR(Anisotropic MagnetoResistance：各向异性磁电阻)、TMR(TunnelMagnetoResistance：隧道磁电阻)等的磁阻效应元件，也可以是霍尔元件。 此外，在罗盘模块11中，包含有用来对磁传感器部111施加电压或磁场的处理部及将来自磁传感器部111的模拟信号变换为数字信号的处理部等。 
控制部12作为驱动罗盘模块11的驱动软件而至少具有方位计算程序121和校准程序122。关于方位计算程序121，只要能够基于来自罗盘模块11的磁检测信息求出相对于基准方向的方位角，则对于其方法没有特别的限制。 
校准程序122是求出磁传感器的输出的基准点的程序。如果在搭载有罗盘模块的设备的附近存在磁化的部件，则在来自磁传感器部111的输出中加上了误差而不能得到正确的磁检测信息。即，如果是这样的状况下，地磁矢量相对于磁传感器输出的关系变得不明确，所以通过校准程序122求出磁传感器的输出的基准点(地磁矢量的原点)(误差修正)。 
校准程序122是能够通过计算机执行的、求出磁传感器的输出的基准点的校准程序，包括在三维空间中利用上述磁传感器的至少4个输出作出至少两个三角形的第1顺序、求出上述三角形的各自的外接圆的第2顺序、和求出通过各个外接圆的中心的法线矢量的交点而作为上述基准点的第3顺序。 
图2(a)～图2(d)是用来说明有关本发明的实施方式的校准的原理的图。另外，图2中的假想球是以求出的磁传感器的输出的基准点为中心的球体，记载在假想球中的X轴、Y轴、Z轴的交点与球体的中心之间的距离相当于误差。因而，通过以下的顺序，求出加入有误差的状态的磁传感器的输出的基准点(地磁矢量的原点)。 
在第1顺序中，如图2(a)所示，求出三维空间中的磁传感器输出。该磁传感器输出是在用户移动了搭载有罗盘模块11的设备时在磁传感器部111检测到的检测数据。为了作出后述的两个三角形，至少需要4点该检测数据。并且，如图2(b)所示，利用在第1顺序中求出的至少4点的检测数据作出三角形21、22。另外，检测数据可以仅通过将搭载有罗盘模块11的设备倾斜±30°左右来得到。 
在第2顺序中，如图2(c)所示，求出三角形21、22各自的外接圆23、24。在图2(c)中，外接圆23是三角形21的外接圆，外接圆24是三角形22的外接圆。求出各外接圆23、24是为了得到上述假想球的切断面。
在第3顺序中，如图2(d)所示，求出通过各个外接圆23、24的中心的法线矢量25、26的交点作为基准点。法线矢量25是外接圆23的法线矢量。法线矢量26是外接圆24的法线矢量。如上所述，各个外接圆23、24是假想球的切断面，作为该切断面的垂线的法线矢量25、26通过假想球的中心。因而，各个法线矢量25、26的交点为假想球的中心。这样，求出作为假想球的中心的磁传感器输出的基准点(地磁矢量的原点)。 
这样，有关本实施方式的校准程序可以通过较少的运算量求出磁传感器输出的基准点(地磁矢量的原点)，能够进行误差修正。此外，在本实施方式中，用来求出上述基准点的检测数据可以通过将搭载有罗盘模块11的设备倾斜±30°左右来得到，所以能够不让用户意识到而校正磁传感器的输出。 
在具备本发明的校准程序的电子罗盘中，考虑根据放置罗盘模块的环境、例如温度变化等而传感器输出变动。在此情况下，在电子罗盘中，优选地进行设定以便能够自动地校正环境变化带来的变动。在此情况下，监视由上述校准程序求出的假想球的半径(地磁矢量的大小)，检测到地磁矢量变动的情况，使校准程序启动。例如，对地磁矢量的大小是否变动几十％进行阈值判断，在超过了该阈值时使校准程序启动。通过进行这样的设定，能够不让用户意识到而自动地进行校准，能够在电子罗盘中总是进行正确的方位计算。 
在本发明的校准程序中，为了作出两个三角形而至少收集4点。在该4点的收集方法中，考虑两个条件：各点间的距离是预先设定的距离以上；以及两个三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。 
图3是用来说明收集4点时的顺序的流程图。此外，图4是用来说明通过图3所示的顺序进行的4点的收集的概念图。在图3及图4中，设任意的传感器输出值为PNEW、收集的4点的传感器输出值为PA、PB、PC、PD。如图3所示，首先，进行第1点的收集并将该传感器输出值PNEW设为PA(ST11)。接着，进行第2点的收集，判断该传感器输出值PNEW是否与PA相隔规定距离以上(ST12)，如果相隔规定距离以上，则将该传感器输出值PNEW作为PB(ST13)。 
接着，进行第3点的收集，判断该传感器输出值PNEW是否与PA相隔 规定距离以上、以及PNEW是否与PB相隔规定距离以上(ST14)，如果都相隔规定距离以上，则将该传感器输出值PNEW作为Pc(ST15)。接着，进行第4点的收集，判断该传感器输出值PNEW是否与PA相隔规定距离以上、PNEW是否与PB相隔规定距离以上、以及PNEW是否与Pc相隔规定距离以上(ST16)，如果都相隔规定距离以上，则再判断两个三角形21、22的平面角度(两个三角形的面所成的角度)是否在90°±Δθ的范围内(ST17)。并且，如果平面角度在90°±Δθ的范围内，则将该传感器输出值PNEW作为PD(ST18)。 
在这样的方法中，由于从随机的传感器输出中收集符合上述条件的4点，所以不需要使操作电子罗盘的用户进行规定的动作，就能够执行校准。 
实际上，因从电子电路产生的噪音、AD变换等的精度，在磁传感器的输出中产生误差。所以，为了将这样的误差排除而正确地求出假想球的中心(基准点)，优选地收集多个上述那样的4点的组、并将由各个4点的组求出的假想球的中心群平均化。在该平均化中，将认为误差大的密集度较低的假想球中心群排除，仅对密集度较高的假想球中心群进行平均化。 
在该多组的4点的收集方法中，考虑如下三个条件：各点间的距离是预先设定的距离以上；从求出的假想球的中心位置到各点PA、PB、Pc、PD的距离在预先设定的范围内；以及三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。 
在收集多组的4点的情况下，使各组的4点都独立、任意的绘图点不被多组共有。即，绘图的点的个数为“4点的组数×4”。在此情况下，准备多个4点收集用缓存器，按照上述图3所示的顺序将传感器输出保存在各缓存器中。另外，为了使缓存器均等地循环，从成功进行了前次保存的下一缓存器开始保存绘图点。 
图5及图6是表示将N组的4点收集到缓存器(0)～缓存器(N-1)中的顺序的流程图。另外，在执行该顺序之前，将缓存器索引(i)初始化为0。 
如图5所示，判断在缓存器(i)中是否结束了4点收集(ST21)，如果结束了4点收集，则更新缓存器索引(ST23)，如果4点收集没有结束，则以上述图3所示的顺序进行4点收集(ST22)。接着，判断通过4点收集 得到的传感器输出的向缓存器的保存是否结束(ST24)，如果保存结束，则更新缓存器索引(ST23)。将这样的处理重复N次。 
在缓存器索引的更新中，如图6所示，将缓存器号码i增加1(ST31)，判断增加了1后的数是否是N以上(ST32)，如果增加了1以后的数是N以上，则将缓存器号码i初始化(设为0)(ST33)。 
图7是用来说明通过图5及图6所示的顺序进行的多组的4点的收集的概念图。此外，图8是用来说明多组的4点的收集时的缓存器保存状态的图。 
例如，对传感器输出显示出图7所示的轨迹、并从其中的多个绘图点群收集多组的4点的情况进行说明。这里，对收集5组4点的情况进行说明。首先，对于保存预先准备的4点的多个缓存器，如图8(a)所示，无条件地保存最初的绘图点。即，最初的5个绘图点(PA1、PA2、PA3、PA4、PA5)作为第1点被保存在各个缓存器中。 
在对接着收集的绘图点(PA6)尝试向各缓存器的保存时，检索保存该绘图点(PA6)的缓存器。该检索顺序从保存了之前的绘图点的缓存器的下一缓存器开始进行。这里，由于将之前的绘图点(PA5)保存在缓存器5中，所以从缓存器1开始尝试保存。绘图点(PA6)由于离各缓存器的第1点(PA1、PA2、PA3、PA4、PA5)的距离较短，所以不满足上述条件，所以被丢弃。对于绘图点(PA7)也为同样的条件而被丢弃。 
对于接着收集的绘图点(PB1)，由于与缓存器1的第1点(PA1)相隔规定距离以上，所以如图8(b)所示，作为缓存器1的第2点保存。同样，对于绘图点(PB2～PB5)及绘图点(Pc1～Pc5)也如图8(c)所示，作为第2点～第3点依次向满足距离条件的缓存器保存。此外，关于各缓存器的第4点，除了距离条件以外，还检查两个三角形的平面角度条件，如果满足条件，则如图8(d)所示那样保存。 
对于这样的多个缓存器(这里是缓存器1～5)的绘图点(传感器输出)的保存，不是对各个缓存器都保存一组绘图点(这里是4个绘图点)后对下一缓存器保存的方式，而是以在满足上述条件之中以得到绘图点的顺序依次对缓存器保存的方式进行。即，如图8(b)、图8(c)所示，在一个缓存器中还存在保存区域的状态下对其他缓存器进行保存。这样，对所有 的缓存器判断上述条件并依次保存得到的绘图点，由此与在满足上述条件的4点的绘图点聚集为一组后进行下一绘图点的收集的情况相比，能够通过更少的收集次数收集多组的绘图点，并且以更短的时间、不让用户意识到就能够完成校准。这种对多个缓存器的绘图点的保存通过控制部12控制。 
另外，在本实施方式中，对于对各缓存器均等地依次保存第1点～第4点的情况进行了说明，但由于各缓存器通过固有的条件(距离及平面角度)进行绘图点的保存，所以各缓存器中的绘图点充足率也可以不均匀。例如，在用户不进行使装置旋转等的用来校准的特别的操作的情况下，有时沿着如图7中的虚线那样的轨迹。在此情况下，在点PE虽然也不能保存到缓存器1中，但能够满足缓存器5的保存条件。这样，对所有的缓存器判断条件而依次保存，由此即使在传感器的轨迹没有扩大到较大的范围的情况下也能够高效率地进行数据收集。 
根据这样得到的多组的4点分别计算假想球的中心，通过将其平均化来求出本来的假想球中心。在假想球中心的平均化中，从多个假想球中心群中仅将密集度较高的部分平均化。例如，如图9所示，在计算了5个球中心(C1～C5)的情况下，将密集度较高的部分(C1～C3)的3个假想球中心平均化，C4、C5认为噪音较大而除去。通过这样求出假想球中心，能够仅根据噪音较小的4点的输出的组求出假想球中心。因此，不仅是对多个假想球中心进行简单平均的情况，即使与根据多个输出直接进行矩阵运算而求出中心的方法相比也能够减轻噪音的影响而高精度地求出假想球。 
密集度的高度，首先在各假想球中心中求出从自身位置(Cn)到其他假想球中心的距离的总和(Ln)(例如在C1的情况下的各距离(C1～C2、C1～C3、C1～C4、C1～C5)的总和(L1))，求出距离总和的平均(LAVE＝(L1+L2+L3+L4+L5)/5)，在Ln比距离总和的平均(LAVE)小或相等的情况下，认为是密集度较高的部分的假想球中心。 
接着，对上述电子罗盘的校准的方法进行说明。图10是用来说明使用有关本发明的实施方式的校准程序的校准方法的流程图。 
首先，如果使电子罗盘1启动(ST41)，则判断是否有环境变化，即是否发生了传感器漂移(ST42)。这里，在最初启动电子罗盘1时，进行不发生传感器漂移的动作。如果没有发生传感器漂移，则控制部12的校准程序 122启动(ST43)。 
接着，通过罗盘模块11的磁传感器部111得到校准用的至少4点的检测数据(磁传感器输出)。在此情况下，为了得到检测数据，需要用户将搭载有罗盘模块11的设备移动规定量，所以例如判断设备是否移动了规定距离(ST44)。该判断通过例如阈值判断等的方法进行。如果设备移动了规定距离，则提取4点的检测数据(ST45)，利用该检测数据，通过校准程序求出磁传感器的输出的基准点。 
即，利用4个磁传感器的输出而作出至少两个三角形21、22(ST46)。接着，求出这些三角形21、22的各自的外接圆23、24(ST47)。进而，求出通过各个外接圆23、24的中心的法线矢量25、26的交点，并作为基准点(ST48)。由于求出的基准点为地磁矢量的原点，所以利用该基准点通过方位计算程序121求出方位。 
如果因电子罗盘1的环境变化而发生传感器漂移(ST42)，则判断由校准程序122求出的地磁矢量的大小(假想球的半径)是否变动了规定量(ST49)。并且，在地磁矢量的大小变动了规定量时，判断为需要再校准，自动地再次进行校准(ST43～ST48)。 
这样，在本发明的电子罗盘中，能够以较少的运算量求出磁传感器输出的基准点(地磁矢量的原点)，能够进行误差修正。此外，由于用来求出上述基准点的检测数据可以仅通过将搭载有罗盘模块的设备倾斜±30°左右来得到，所以能够不使用户意识到而校正磁传感器的输出来求出方位。进而，由于对应于电子罗盘的环境变化而自动地进行再校正，所以能够不让用户意识到而总是进行正确的方位计算。 
根据本发明，由于在三维空间中利用上述磁传感器的至少4个输出作出至少两个三角形，求出上述三角形的各自的外接圆，求出通过各个外接圆的中心的法线矢量的交点作为上述基准点，所以能够提供运算量较少、并且能够不让用户意识到而校正磁传感器的输出的校准程序及电子罗盘。 
本发明并不限于上述实施方式，能够进行各种变更来实施。例如，在上述实施方式中，对于在电子罗盘中罗盘模块与控制部独立地构成的情况进行了说明，但在本发明中，在电子罗盘中罗盘模块与控制部也可以一体地构成。只要不脱离本发明的目的的范围，能够适当地进行变更。

Claims (7)

1.一种校准方法，求出磁传感器的输出的基准点，其特征在于，包括：
对于多个缓存器，均等地将上述磁传感器的输出从各缓存器的开头起依次保存至各缓存器的保存区域的步骤；
在三维空间中按每个上述缓冲器，利用保存在各缓存器中的、上述磁传感器的至少4个输出来作出至少两个三角形的步骤；
按每个上述缓冲器求出上述三角形的各自的外接圆的步骤；以及
求出通过各个外接圆的中心的法线矢量的交点并作为上述基准点的步骤。
2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，
求出上述至少4个输出，以使其满足：各输出间的距离为预先设定的距离以上；以及上述至少两个三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。
3.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，
上述基准点通过对假想球的中心群进行平均化来求出，上述假想球的中心群是收集多个上述至少4个输出的组、并根据各个至少4个输出的组来求出的。
4.如权利要求3所述的校准方法，其特征在于，
求出上述至少4个输出，以使其满足：各输出间的距离为预先设定的距离以上；从求出的上述假想球的中心位置到各输出的距离在预先设定的范围内；以及上述至少两个三角形的平面角度以90°为中心在预先设定的范围(Δθ)以内。
5.一种电子罗盘，其特征在于，具备：
罗盘模块，具有磁传感器；以及
控制单元，通过权利要求1所述的校准方法，利用上述磁传感器的输出来求出磁传感器的输出的基准点，并且利用上述磁传感器的输出来求出方位。
6.如权利要求5所述的电子罗盘，其特征在于，
上述控制单元具有多个能够保存上述至少4个输出的缓存器，根据规定的条件，判断是否能够将来自上述磁传感器的输出保存于上述多个缓存器。
7.如权利要求5所述的电子罗盘，其特征在于，
上述控制单元根据上述磁传感器的环境变化而自动地启动上述校准程序。 
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