CN105004332A

CN105004332A - 一种便携式设备电子罗盘的校正方法

Info

Publication number: CN105004332A
Application number: CN201410168157.5A
Authority: CN
Inventors: 张弢; 高民; 郭伟洪; 倪明选
Original assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Current assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-10-28

Abstract

本发明涉及一种便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，特别是涉及一种在开启具有磁性的组件后方位角的校正方法。在开启摄像头的情况下，摄像头启动给线圈通电，产生磁场带动线圈和镜头运动，电子罗盘附近的磁场由地磁场与摄像头产生磁场的叠加产生，从而出现方位角误差时，利用摄像头开启前后方位角的变化对电子罗盘进行校正，为用户提供准确的方位，有效降低方位存在偏差给用户带来的困扰，可应用于移动增强现实技术展现中。

Description

一种便携式设备电子罗盘的校正方法

技术领域

本发明涉及一种便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，特别是涉及一种在开启具有磁性的组件后方位角的校正方法。

背景技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，也被称之为混合现实。是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。

随着智能手机的普及和硬件的不断升级，增强现实技术已经开始应用到这类终端设备中。在智能手机上，AR 就是根据利用GPS提供的当前位置，和电子罗盘传感器提供的视野朝向及方向传感器与陀螺仪提供的手机朝向信息，在摄像头展示的实景画面中投射出相关信息并在如屏幕等显示设备上进行展示。在户外使用时，手机可获得较为准确的位置和手机朝向信息，此时视野朝向的准确性就显得尤为重要。

由于摄像头启动时会给线圈通电，产生磁场带动线圈和镜头运动，此时电子罗盘附近的磁场是由地磁场与摄像头产生磁场的叠加。如果直接使用获取的数据不对电子罗盘加以校正，方位的准确性将会受到影响。因此在搭载多种传感器的移动终端上，摄像头开启前后，电子罗盘指示的方位角存在误差是普遍存在的。

基于移动终端的增强现实具有便携、可移动、易操作等优点，是未来增强现实研究发展的热点，这就不可避免的会同时使用摄像头与电子罗盘，但如何消除摄像头产生磁场对于电子罗盘影响方面的研究尚属空白。举一个简单的例子来说明方位存在偏差带来的危害。例如一个展示室内电路铺设位置的app，打开摄像头后根据电子罗盘提供的数据将电路铺设情况叠加到实际拍摄到的景象中。由于摄像头通电后产生磁场带来的影响并未消除，所以移动终端显示出的电路铺设位置与实际情况有一定偏移，如果利用移动终端显示的位置进行维修等工作，将会产生很多意想不到的问题。本发明填补了这个技术空白，将有效解决使用摄像头对电子罗盘产生影响带来的各种问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在开启摄像头的情况下，摄像头启动给线圈通电，产生磁场带动线圈和镜头运动，电子罗盘附近的磁场由地磁场与摄像头产生磁场的叠加产生，从而出现方位角误差时，利用摄像头开启前后方位角的变化对电子罗盘进行校正，为用户提供准确的方位，有效降低方位存在偏差给用户带来的困扰，可应用于移动增强现实技术展现中。

本发明旨在提出一种电子罗盘的校正方法，消除摄像头打开后，方位角产生偏移的问题。

为实现上述目的所采用的技术方案是：

第一步，在摄像头开启前，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角。其具体方法为：步骤1：确认摄像头关闭；步骤2：打开磁场传感器和陀螺仪，获取磁场传感器输出和陀螺仪输出；步骤3：利用低通滤波器对陀螺仪输出进行处理，获取重力加速度向量；步骤4：利用步骤2和步骤3中所获取到的磁场传感器输出和重力加速度向量来计算移动设备方位角theta0。

第二步，打开摄像头，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角。其具体方法为：步骤1：打开摄像头；步骤2：打开磁场传感器和陀螺仪获取磁场传感器输出和陀螺仪输出；步骤3：利用低通滤波器对陀螺仪输出进行处理，获取重力加速度向量；步骤4：待设备状态为静止时，利用步骤2和步骤3所获取到的磁场传感器输出和重力加速度向量来计算移动设备方位角theta1。

第三步，利用陀螺仪来计算打开过程中的设备方位角偏移。其具体方法为：步骤1：打开陀螺仪，实时记录陀螺仪的输出，并利用该输出计算设备旋转矩阵；步骤2：打开摄像头，待设备状态为静止时，计算陀螺仪的输出，并利用该输出计算设备旋转矩阵；步骤3：基于步骤1及步骤2，计算摄像头打开过程中设备的方位角偏移theta2。

第四步，计算方位角补偿，其具体方法为：theta1-theta0-theta2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对摄像头开启前与开启后电子罗盘方位角滤波后校正，实现磁干扰的校正；通过磁场传感器、加速度传感器和陀螺仪获取的方位角数据，对摄像头开启前与开启后实现方位角校正。该校正方法提高了电子罗盘在摄像头开启时的准确性。

具体实施方式

利用磁场传感器和加速度传感器测量获得的数据计算方位角的方法如下：

第一步：求世界坐标系到设备坐标系转换矩阵。取世界坐标系X_w、Y_w、Z_w分别指向东、北、天方向，设备坐标系X_D水平向右，Y_D垂直指向上，Z_D沿屏幕法线指向外。设方位角为，俯仰角为，滚动角为，世界坐标系到设备坐标系转换矩阵为：

在世界坐标系下，重力加速度沿坐标轴的三个分量为，设备中加速度传感器获取的沿设备坐标轴的三个分量为，则，将转换矩阵代入，可得，。设磁场传感器的X轴与Y轴位于水平面内，此时X轴与Y轴的磁通量分别为B₁、B₂，则方位角为。

由于实际的磁场传感器X轴与Y轴并不一定在水平面内，设备中磁场传感器获取的沿设备坐标轴的三个分量为，投射到水平面后，得

即方位角为

本发明一个具体实施方式步骤如下：

在摄像头未开启时，利用磁场传感器获取当前磁场强度，利用加速度传感器获取当前加速度，滤波后计算当前方位角。由于此时测量的方位角将作为校准时的基准值，所以应当尽量远离有较强磁干扰的物体，例如计算机、微波炉等。

摄像头开启后，利用磁场传感器获取当前磁场强度，利用加速度传感器获取当前加速度，滤波后计算当前方位角。此时测量的方位角与存有差异是由两部分造成的：一部分为摄像头开启后产生的磁场对磁场传感器周围磁场的影响；另一部分为手机自身的方位改变。所以为了能够确定摄像头产生磁场的影响，就必须消除手机自身方位改变的影响。

利用陀螺仪计算摄像头开启前后手机方位角的相对转动数据，具体计算方法为如下：步骤1：利用角速度计算旋转角度。根据Taylor展开式，可得

两式相减，得，即为利用角速度计算旋转角度的公式。步骤2：由陀螺仪获取设备当前的角速度，计算摄像头开启5s内方位角的增量。步骤3：求需要校正的偏移量。其计算方法为：。步骤4：求校正后输出的方位角。计算方法为：。

Claims

1.一种便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，其特征在于：第一步，在摄像头开启前，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角；第二步，打开摄像头，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角；第三步，利用陀螺仪来计算打开过程中的设备方位角偏移；第四步，计算方位角补偿。

2.如权利要求1所述的便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，在摄像头开启前，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角，其特征在于：其具体方法为：步骤1：确认摄像头关闭；步骤2：打开磁场传感器和陀螺仪，获取磁场传感器输出和陀螺仪输出；步骤3：利用低通滤波器对陀螺仪输出进行处理，获取重力加速度向量；步骤4：利用步骤2和步骤3中所获取到的磁场传感器输出和重力加速度向量来计算移动设备方位角theta0。

3.如权利要求1所述的便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，打开摄像头，利用磁场传感器和加速度传感器获取便携式设备的方位角，其特征在于：其具体方法为：步骤1：打开摄像头；步骤2：打开磁场传感器和陀螺仪获取磁场传感器输出和陀螺仪输出；步骤3：利用低通滤波器对陀螺仪输出进行处理，获取重力加速度向量；步骤4：待设备状态为静止时，利用步骤2和步骤3所获取到的磁场传感器输出和重力加速度向量来计算移动设备方位角theta1。

4.如权利要求1所述的便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，利用陀螺仪来计算打开过程中的设备方位角偏移，其特征在于：其具体方法为：步骤1：打开陀螺仪，实时记录陀螺仪的输出，并利用该输出计算设备旋转矩阵；步骤2：打开摄像头，待设备状态为静止时，计算陀螺仪的输出，并利用该输出计算设备旋转矩阵；步骤3：基于步骤1及步骤2，计算摄像头打开过程中设备的方位角偏移theta2。

5.如权利要求1所述的便携式设备中电子罗盘方位角的校正方法，计算方位角补偿，其特征在于：其具体方法为：theta1-theta0-theta2。

6.如权利要求3、4所述的待设备状态为静止时，其特征在于：对于陀螺仪输出的三维向量求其模，并判断其模值是否小于事先所定的静止状态阈值。