CN102353917A - 三轴磁场传感器的校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准三轴磁场传感器的方法，所述方法包括以下步骤：通过叠加的信号确定所述磁场传感器的所记录的测量值的偏差以及确定所述磁场传感器沿测量轴的灵敏度。在此，所述灵敏度的确定包括以下步骤：确定所述磁场传感器沿第一测量轴的灵敏度以及基于所述第一测量轴的灵敏度和所确定的偏差来确定所述磁场传感器沿其他测量轴的灵敏度。本发明还涉及一种相应的用于校准三轴磁场传感器的设备。

Description

三轴磁场传感器的校准

技术领域

本发明涉及用于校准三轴磁场传感器的方法与设备以及相应的计算机程序产品。

背景技术

在制造过程中通常必须借助于复杂的测量技术来调准磁场传感器，其中所述磁场传感器关于多个测量轴确定磁场。调准过程可能耗费很大并且成本很高。尤其是在磁场传感器非常准确时，例如在磁场传感器应通过测量技术检测地磁场时，需要借助复杂测量技术的高耗费调准过程。

除取决于制造公差外，这样的磁场传感器的干扰还可能取决于传感器在使用地的周围环境，从而生产期间的校准是不够的。例如，软磁物体和/或经磁化的物体或者在磁场传感器附近经过的通电导体可以使所确定的磁场失真。例如磁场传感器用在移动电话或便携式计算机中时，这样的干扰实际上是不可避免的。

US 7,275,008 B2示出了一种用于补偿三维磁场测量值的测量误差的方法，其中，确定一个几何体，若干所记录的测量值位于所述几何体的表面上。确定一些参数，这些参数定义所述几何体的形状与一个球体的几何参考形状的偏差。这些参数用于所记录的测量值到经校准的测量值的映射。

发明内容

本发明的任务在于，说明一种用于三维磁场传感器的校准方法，所述校准方法要求较小的计算开销，从而可以在移动设备中尽可能高效地应用所述方法。

本发明借助于具有权利要求1的特征的方法来解决所述问题。此外本发明借助于具有权利要求9的特征的设备来解决所述问题。从属权利要求给出了优选的实施方式。

根据本发明，一种用于校准(Kalibrieren)三轴磁场传感器的方法包括以下步骤：通过叠加的信号(überlagertes Signal)来确定磁场传感器的所记录的测量值的偏差；确定磁场传感器沿第一测量轴的灵敏度；以及基于第一测量轴的灵敏度和所确定的偏差来确定磁场传感器沿其他测量轴的灵敏度。

根据本发明的方法可以在良好的可再现性下实现准确的结果。此外可以在具有有限计算性能和能量的移动系统中使用所述方法。另外，根据本发明的方法可以独立于传感器特性，如关于磁场传感器的测量轴的不同灵敏度或者偏差。

优选地，通过在磁场传感器处施加已知磁场来确定第一测量轴的灵敏度。由此，可以与地磁场的大小和方向无关地使用所述方法。磁场可以沿第一测量轴定向，从而可以成本有利并且相对简单地将用于产生磁场的装置实现为印刷电路板上的印刷电路或者微机电系统(MEMS)中的微结构。这样可以避免在制造技术上高耗费的、通过已知的方式作用于测量轴中的多个测量轴的用于产生磁场的装置。

可以借助于数值方法——例如牛顿迭代方法确定沿其他测量轴的灵敏度。由此，所述方法的计算开销保持在一定限度内，从而可以在移动设备的处理装置上使用所述方法。此外，已知牛顿迭代方法的很多变型，可以容易地使这些变型与所述问题相匹配并且例如在可编程的数据处理设备中实施。在其他实施方式中，还可以使用其他已知的方法，例如卡尔曼滤波或最小二乘法。

此外，所述方法可以包括：存储所记录的、与所有之前存储的测量值保持预给定的最小距离的测量值。随后可以在具有有利的几何星座(Konstellation)的多个测量值上实施偏差的确定和灵敏度的确定，从而可以基于相对较少的测量值以更小的计算开销实现好的结果。

在第一轮(Durchlauf)后，可以用所记录的其他测量值继续实施所述方法，以便不断改善校准。这样可以有利地在连续运行期间提供质量可以随所存储的测量值的数量的增加而不断改善的校准(使用中校准(in-use-Kalibrierung))。

在另一个实施方式中，基于所述方法的结果来匹配至少一个方法参数。由此，可以在再一轮中改善所述方法的准确性和/或减少用于所述方法的处理耗费或存储耗费。

所述方法还可以包括：根据所确定的灵敏度和所确定的偏差来校正(Korrigieren)所记录的测量值。这样可以提供一种自己实施校正并且提供经校准和经补偿的测量值的集成磁场传感器。

所述方法可以作为具有程序代码单元的计算机程序产品在处理装置上执行或者存储在计算机可读数据载体上。

根据另一方面，本发明包括一种用于校准三轴磁场传感器的设备，所述设备包括用于通过叠加的信号来确定磁场传感器的测量值的偏差的装置，用于确定磁场传感器沿第一测量轴的灵敏度的装置以及用于基于第一测量轴的灵敏度和所确定的偏差来确定磁场传感器沿其他两个测量轴的灵敏度的装置。

在一个优选的实施方式中，所述设备还包括用于在磁场传感器处沿第一测量轴施加已知磁场的装置。

附图说明

以下参照附图来更详细地描述本发明，其中：

图1：用于磁场的三轴确定的测量系统；

图2：未经处理的测量值和根据图1的测量系统的经处理的测量值的示图；以及

图3：用于校准图1的磁场传感器的方法。

具体实施方式

图1示出用于确定多轴磁场的测量系统100。测量系统100包括三轴磁场传感器110、处理装置120、线圈130、存储器140、第一接口150和第二接口160。

三轴磁场传感器110沿三个彼此两两垂直的轴x、y和z确定磁场。磁场的借助于磁场传感器110确定的测量值提供给处理装置120。在此，可以包括模拟提供的测量值的数字化。处理装置120被设置用于对由磁场传感器110提供的测量值进行过滤，其方式是，处理装置120选择满足预先确定的标准的测量值，并且处理装置120被设置用于在存储器140中存储经过滤的测量值以用于稍后的进一步处理。此外，处理装置120与线圈130连接，以便在需要时沿z测量轴产生已知磁场。

基于所存储的测量值，处理装置20稍后确定一些校准参数，基于这些校准参数可以实现磁场传感器110的所记录的测量值的校正。这些校准参数包括测量值沿x、y和z测量轴的偏差(“offset”)的补偿以及磁场传感器110关于这些轴的灵敏度匹配。

处理装置120通过第一接口150提供所确定的校准参数。此外，处理装置120通过第二接口160提供磁场传感器110的经校正的测量值。这两个接口150和160可以物理地(通过硬件)和/或虚拟地(通过软件)构造。

图2示出具有未经校正的测量值210和经校正的测量值220的示图200。在确定地磁场时，理想情况下磁场的数值是相对准确地已知的，从而所记录的测量值主要给出方向信息。如果测量轴两两彼此垂直，则所记录的测量值可以根据测量轴绘制到笛卡尔坐标系中并且在所述坐标系中位于围绕测量轴的原点的球体的表面上。所述理想情况适用于图2中经处理的测量值220。

在真实的测量系统——如图1的测量系统100中，磁场传感器110沿这些测量轴通常具有不同的灵敏度。此外，沿这些测量轴中的一个测量轴，所确定的磁场偏差一个数值。图2中未经校正的测量值210表示这种真实的测量值。

本发明的主题在于，既确定测量值210相对于测量值220的偏差也确定测量值210沿测量轴关于测量值220的畸变。所述确定称为校准；所确定的校准参数可以用于将任意的真实测量值210转换成相应的理想测量值220。所述过程称为校正。

图3示出用于校准图1中的测量系统100中的三轴磁场传感器110的方法300的流程图。

在第一步骤305中，将方法300的参数设置成预先确定的标准值。属于这些参数的有：一些预期的测量值、待确定的磁场的预期场强、对应于图2中的测量值220的球体的预期半径以及用于定义集群(Gruppen)的参数，所记录的测量值可以分配给所述集群。

在初始化之后，在步骤310中，忽略预先确定数量的测量值，以便允许测量系统100或方法300的起振(Einschwingen)。虽然如以下所描述的那样记录和处理这些测量值，但不输出这些测量值。

此后，在步骤315中记录磁场传感器110的测量值。在步骤320中对于所记录的测量值检查：测量值在图2中所示的笛卡尔坐标系中是否与所有之前存储的测量值保持足够的距离。所述距离例如可以是以预先确定的欧式距离的形式说明的。

在一个实施方式中，可以将一些集群(“cluster”)定义为沿测量轴的栅栏(Rasterung)，从而可以将所记录的测量值分配给这些集群中的一个。在此检查：预先确定数量的测量值是否已经分配给所述集群。在这种情形中丢弃测量值，否则将所述测量值分配给集群。通过形成集群已经确保：分配给不同集群的测量值平均彼此具有半个集群大小的最小距离。

如果在步骤320中已经判定所记录的测量值的距离足够大，则在步骤325中将测量值存储在存储器140中。否则，在步骤330中，对依次丢弃的测量值的数量进行计数的停止计数器递增。在步骤325中在存储时将所述计数器重置为0。

在步骤335中检查：是否已经达到用于过滤和存储步骤315到335中的测量值的中断标准。第一中断标准包括所存储的测量值的数量或者集群的数量，预先确定数量的测量值分别分配给所述集群。第二中断标准是停止计数器的预先确定的状态。如果没有达到这些中断标准中的任一个，则以步骤315继续所述方法。

如果达到中断标准，在步骤340中，确定所存储的测量值相对于理想的测量值的偏差(参见图2)。为此，优选借助于最小二乘法(“least squares”)确定球体的几何体，所存储的点以尽可能好的近似度位于所述球体的表面上。所确定的球体的中心与测量轴的原点的偏差是所寻找的测量值偏差。

随后，在步骤345中，确定磁场传感器110沿第一轴的灵敏度。在一个实施方式中，通过磁场传感器110的相应较小的制造公差已知沿所述轴的灵敏度。在另一个实施方式中，向线圈130通电流，从而沿z测量轴产生已知磁场。磁场传感器110沿z轴的灵敏度可以由z方向上的测量值和所产生的磁场的数值来确定。优选地，所产生的磁场如此大，以至于在确定时地磁场没有附加的影响，即例如比地磁场大5倍或10倍。

基于在步骤340和345中确定的参量，在步骤350中实施一轮牛顿迭代方法。随后，在步骤355中检查：通过步骤350的已经进行的轮所实现的准确性是否低于预先确定的程度。如果低于预先确定的程度，则方法300以步骤350继续并且重新通过牛顿方法进行迭代。

如果在步骤355中确定：准确性足够高，则在步骤360中输出所确定的校准参数。这些校准参数通常包括测量值的偏差沿测量轴的三个元素以及灵敏度沿不经受线圈130的磁场的测量轴的两个元素。同样可以输出所确定的沿z轴的准确性。基于这些参数可以校正所记录的测量值，使得所述测量值位于围绕测量轴的原点的、对应于图2中的测量值220的理想球体的表面上。在步骤360中，也可以实施所述校正并且输出经校正的测量值。

此外，在可选的步骤365中，可以将最后在步骤305中设置的方法参数匹配于所确定的校准参数。以此方式，尤其可以有利地如此沿测量轴定义集群，使得可以容易地将所记录的测量值分配给集群并且沿测量轴定义既不过多也不过少的集群。

以下进行方法300的核心要素的数学描述。

为了确定磁场传感器110沿z测量轴的灵敏度的校正因子Sz，借助于线圈130在磁场传感器110处沿z方向施加已知磁场。所述校正因子Sz为：

$S_z=\frac{(\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{on}\right)-\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{off}\right))}{\left|B\right|}$ (公式1)

其中：

Sz:＝用于沿z测量轴的校准的校正因子

:＝在磁场激活时z方向上的测量值的平均值

:＝在磁场去激活时z方向上的测量值的平均值

|B|:＝所施加的磁场

磁场传感器110在沿z轴的灵敏度校正之后的非线性可以描述如下：

$d_i=\sqrt{{({\mathrm{Sx}}_0\·x_i-x_0)}^2+{({\mathrm{Sy}}_0\·y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}$ (公式2)

其中：

d:＝球体220的半径

Sx:＝用于沿x测量轴的校准的校正因子

Sy:＝用于沿y测量轴的校准的校正因子

x₀:＝测量值沿x测量轴的偏差

y₀:＝测量值沿y测量轴的偏差

z₀:＝测量值沿z测量轴的偏差

i:＝测量值的索引

由所存储的测量值求得所说明的、所寻找的校准参数。在此，使用非线性的牛顿方法。首先按已知方式构造Jacobi矩阵：

$\mathrm{Jacobi}:=\left(\begin{array}{ccccc}\frac{\∂d_1}{\∂\mathrm{Sx}}& \frac{{\∂d}_1}{\∂\mathrm{Sy}}& \frac{\∂d_1}{\∂x\left(\mathrm{off}\right)}& \frac{{\∂d}_1}{\∂y\left(\mathrm{off}\right)}& \frac{\∂d_1}{\∂z\left(\mathrm{off}\right)}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ \frac{\∂d_1}{\∂\mathrm{Sx}}& \frac{{\∂d}_1}{\∂\mathrm{Sy}}& \frac{\∂d_1}{\∂x\left(\mathrm{off}\right)}& \frac{{\∂d}_1}{\∂y\left(\mathrm{off}\right)}& \frac{{\∂d}_1}{\∂z\left(\mathrm{off}\right)}\end{array}\right)$ (公式3)

确定距离向量D：

D＝d_o-d_i                                       (公式4)

其中，d₀是第一假设而d_i按照公式2确定。

建立以下形式的方程组：

[(Jacobi)^T·(Jacobi)]·Δ＝(Jacobi)^T·D        (公式5)

在此，Δ是最优系统参数与现有系统参数之间的差的向量。

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔSx}\\ \mathrm{\ΔSy}\\ \mathrm{\ΔXoff})\\ \mathrm{\ΔYoff})\\ \mathrm{\ΔZoff})\end{array}\right)$ (公式6)

其中，ΔXoff是测量值在x方向上的偏差(“Offset”)，

ΔYoff是测量值在y方向上的偏差，并且

ΔZoff是测量值在z方向上的偏差。

在求解公式5中的方程组之后，将所确定的偏差添加到传感器参数上：

Sx_i＝Sx_i-1+ΔS_x

Sy_i＝Sy_i-1+ΔS_y

x_i＝x_i-1+ΔXoff

y_i＝y_i-1+ΔYoff

z_i＝z_i-1+ΔZoff                            (式7)

随后，再次实施按照公式4到6的处理。当向量Δ的所有元素都位于预先确定的数值以下时迭代中断，从而再次处理不会显著地改善所确定的参数。借助于公式7最后确定的参数Sx、Sy是所寻找的、沿测量轴的灵敏度校正因子，而参数x和y给出了所寻找的、沿测量轴的叠加。在第一步骤中(通过线圈的叠加信号)求得z轴的灵敏度Sz。这六个参数一起构成所寻找的校准参数。

Claims (10)

1.用于校准三轴磁场传感器(110)的方法(300)，所述方法包括以下步骤：

通过一叠加的信号确定(340)所述磁场传感器(110)的所记录的测量值的偏差；以及

确定(345-355)所述磁场传感器沿测量轴(x、y、z)的灵敏度；

其中，所述灵敏度的确定(345-355)包括：

确定(345)所述磁场传感器(110)沿第一测量轴(z)的灵敏度；

基于所述第一测量轴(z)的灵敏度和所确定的偏差来确定(350)所述磁场传感器(110)沿其他测量轴(x、y)的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，通过在所述磁场传感器(110)处施加(345)一已知的磁场来确定所述第一测量轴(z)的灵敏度。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，借助于牛顿迭代方法来确定(350)沿所述其他测量轴(x、y)的灵敏度。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，所述方法还包括：

存储(325)与所有之前存储的测量值保持预先确定的最小距离的、所记录的测量值。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在第一轮之后以所记录的其他测量值继续所述方法(300)，以便不断改善所述校准。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，基于所述方法(300)的结果来匹配(365)至少一个方法参数。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，所述方法还包括：根据所确定的灵敏度和所述偏差来校(360)所记录的测量值。

8.具有程序代码单元的计算机程序产品(300)，用于在处理装置上执行所述计算机程序产品或者所述计算机程序产品存储在计算机可读的数据载体上时实施根据以上权利要求中任一项所述的方法。

9.用于校准三轴磁场传感器的设备(120)，所述设备包括：

用于通过一叠加的信号确定所述磁场传感器(110)的测量值的偏差的装置(120)；

用于确定所述磁场传感器(110)沿第一测量轴(z)的灵敏度的装置(120)；以及

用于基于所述第一测量轴(z)的灵敏度和所确定的偏差来确定所述磁场传感器(110)沿其他测量轴(x、y)的灵敏度的装置(120)。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于在所述磁场传感器(110)处沿所述第一测量轴(z)施加一已知磁场的装置(130)。

Images