CN107209014B - 偏移计算设备和使用偏移计算设备的方位角传感器 - Google Patents

Abstract

对于在三轴坐标系中作为数据点顺序获取的三轴磁检测数据，偏移计算单元30通过均匀地平移每个数据点P1‑P7使得例如从数据点P1‑P7任意选择的参考数据点P7与原点O一致，来计算虚拟数据点P1'‑P6'。然后计算出使得虚拟数据点P1'‑P6'与通过原点的曲面之间的距离之和最小的虚拟偏移点C'。然后通过平移虚拟偏移点C'从而恢复平移部分，来计算用于磁检测数据的偏移值C。

Description

偏移计算设备和使用偏移计算设备的方位角传感器

技术领域

本发明涉及偏移计算设备，以及使用其的方位角传感器。

背景技术

方位角传感器(地磁传感器)检测地磁场的方向并由此测量方位角。在此，作为测量目标的地磁场极为微弱。因此，为了准确的检测方位角，需要通过消除归因于环境中所存在的磁场的偏移(一种产生自包含方位角传感器的套件内部，一种由放置在方位角传感器附近的强磁场等产生，等等)，以及归因于方位角传感器本身的性能的偏移，来检测真实的地磁场。

方位角传感器的偏移始终在时间和空间上变化。因此，为了方位角的准确测量，需要持续且高速地保持消除方位角传感器的偏移。

偏移能够由有意去做的用户手动地进行校正，或者不需要用户对其有意识而自动地进行。为了方位角传感器的更好的用户友好性并且提高的检测准确性，优选自动校正。

与以上所述相关的常规技术的一个示例可见于以下找到的专利文献1中。参考文献列表

专利文献

专利文献1：日本专利No.4391416

发明内容

技术问题

专利文献1所公开的常规技术的不便之处在于，偏移校正处理需要大量的计算；为了保持连续且高速地消除偏移，高计算能力是必须的。

鉴于本发明人所遇到的上述问题，本发明的一个目的是提供一种偏移计算设备，该偏移计算设备能够以小于以往的计算量来计算偏移，以及使用这样的偏移计算设备的方位角传感器。

解决技术问题的方案

根据在此所公开的一个方面，用于处理作为三轴或两轴坐标系中的数据点顺序获取的三轴或两轴磁检测数据的偏移计算设备用于均匀地平移N个数据点(其中N≥2)使得从N个数据点任意选择的一个参考数据点与原点一致，以获得除了参考数据点之外的(N-1)个虚拟数据点，然后计算使得从通过原点的曲面或曲线分别到虚拟数据点的距离总和最小的虚拟偏移点，然后通过将虚拟偏移点与先前的平移相反地平移来计算磁检测数据的偏移值(第一配置)。

根据上述第一配置的偏移计算设备可以配置为使得，当虚拟数据点由(Hxi′，Hyi′，Hzi′)(其中i＝1到N-1)表示时，虚拟偏移点由(Hx0′，Hy0′，Hz0′)表示，它计算虚拟偏移点，以使由下式(1)给出的曲面方程最小(第二种配置)。

[公式1]

H1＝Σ_i(Hxi′²+Hyi′²+Hzi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′-2Hzi′·Hz0′)²…(1)

相反，根据上述第一配置的偏移计算设备可以配置为使得当虚拟数据点由(Hxi′，Hyi′)(其中i＝1到N-1)表示，并且虚拟偏移点由(Hx0′，Hy0′)表示，它计算虚拟偏移点，以便使由下面的公式(2)给出的曲线的方程最小化(第三配置)。

[公式2]

H2＝Σ_i(Hxi′²+Hyi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′)²…(2)

根据第一至第三配置中的任一个的偏移计算设备可以配置为通过参考经过偏移校正的磁检测数据，来持续搜索对应于各个轴的最大和最小值的多个最大和最小数据点，并且当各轴的最大值和最小值之间的所有差值等于或大于相应阈值时，执行偏移计算处理序列(第四配置)。

在根据上述第四配置的偏移计算装置中，N个数据点可以包括多个最大和最小数据点(第五配置)。

在根据上述第五种配置的偏移计算装置中，参考数据点可以是与多个最大和最小数据点中的任一个不同的任意点(第六配置)。

在根据上述第五配置的偏移计算装置中，参考数据点可以是多个最大和最小数据点中的一个(第七种配置)。

根据在此所公开的另一方面，方位传感器包括：磁力检测设备，用于产生三轴或两轴磁检测数据；根据上述第一至第七配置中任一项所述的偏移计算设备，用于计算磁检测数据的偏移量；偏移校正装置，用于校正磁检测数据的偏移量；以及方位角计算设备，用于根据经过校正的磁检测数据生成方位数据(第八配置)。

根据在此所公开的内容的另一方面，电子装置包括根据第八配置的方位传感器(第九配置)。

根据在此所公开的又一方面，用于处理在三轴或双轴坐标系中作为数据点顺序获取的三轴或两轴磁检测数据的偏移计算方法包括：均匀地平移N个数据点(其中N≥2)使得从N个数据点任意选择的一个参考数据点与原点一致，从而获得除了参考数据点之外的(N-1)个虚拟数据点；计算虚拟偏移点，该虚拟偏移点使得从通过原点的曲面或曲线分别到虚拟数据点的距离之和最小；以及通过将虚拟偏移点与先前的平移相反地平移来计算磁检测数据的偏移值(第十配置)。

本发明的有益效果

根据在此所公开的发明，可以提供一种偏移计算设备，该偏移计算设备能够以小于以往的计算量来计算偏移，以及使用这样的偏移计算设备的方位角传感器。

附图说明

图1是示出方位角传感器1的总体配置的框图；

图2是示出偏移计算处理的第一示例的XYZ空间示意图；

图3是示出偏移计算处理的第二示例的流程图；

图4是示出三个轴的最大和最小值的XYZ坐标空间示意图；

图5是示出差值ΔHx的变化行为的时序图；

图6是示出变换至原点的参考数据点的选择的示例的时序图；

图7是示出当对应于三个轴的最大和最小值中的一个的数据点被选择为参考数据点时所提到的点的XYZ坐标空间示意图；

图8是智能手机的外视图；

图9是平板终端的外视图；以及

图10是智能手表的外视图。

具体实施方式

图1是示出方位角传感器1的总体配置的框图。该配置示例的方位角传感器1包括磁力检测器10、偏移校正器20、偏移计算器30、以及方位角计算器40。

磁力检测器10包括检测X轴方向上的磁力的磁传感器10X、检测Y轴方向上的磁力的磁传感器10Y以及检测Z轴方向上的磁力的磁传感器10Z，并且生成三轴磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)。磁传感器10X、10Y和10Z各自包括磁力检测元件，例如霍尔效应设备或MR(磁阻)设备。X轴、Y轴和Z轴被设计为相互垂直。

偏移校正器20通过使用偏移计算器30计算出的偏移值(其是分别包括在三轴磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)中的偏移分量(Hx0,Hy0,Hz0))来校正磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)。偏移校正处理生成Hx＝Hx-Hx0,Hy＝Hy-Hy0以及Hy＝Hz-Hz0。

偏移计算器30不断地检测经过偏移校正的磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)，并且随后更新磁检测器10的偏移值(Hx0,Hy0,Hz0)。稍后将详细描述偏移计算处理(偏移更新处理)。

方位角计算器40根据经过偏移校正的磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)生成方位角数据So。

在图1中，偏移校正器20、偏移计算器30以及方位角计算器40示出为相互独立的处理块；相反，这些处理块能够以集成的方式利用CPU(中央处理器)、DSP(数字信号处理器)等来实现。

<偏移计算处理(第一示例)>

图2是示出偏移计算处理的第一示例的XYZ空间示意图；在第一示例的偏移计算处理中,关于作为三轴坐标数据连续获取的三轴磁力检测数据(Hx,Hy,Hz),涉及N个数据点(其中N≥2；在该示例中，共有7个数据点P1至P7(N＝7))。在磁力检测器10精度高的情况下，在不需要增加数据点的数量的情况下实现足够的偏移计算准确性。

接着，将数据点P1至P7均匀地平移，使得从数据点P1至P7任意选择的一个参考数据点与原点O(0,0,0)一致。在所示示例中，将数据点P7选择为参考数据点。通过平移，除了参考数据点P7，得到六个(＝N–1)虚拟数据点P1’至P6’。

接着，计算使得从曲面H1穿过原点O分别到虚拟数据点P1’至P6’的距离之和最小的虚拟偏移点C’。具体地，当虚拟数据点Pi’表示为(Hxi’,Hyi’,Hzi’)(在所示示例中，i＝1至6)，并且虚拟偏移点C’表示为(Hx0’,Hy0’,Hz0’)时，那么计算出使得下面公式(1)所给出的曲面H1的方程最小的虚拟偏移点C’。

[公式3]

H1＝Σ_i(Hxi′²+Hyi′²+Hzi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′-2Hzi′·Hz0′)²…(1)

需要注意的是，上面公式(1)所给出的曲面H1的方程源于假设以虚拟偏移点C’为中心半径r的球面穿过原点O(r＝|OC’|)。

最后，将虚拟偏移点C’进行关于先前平移的逆平移，由此计算合适的偏移点(Hx0,Hy0,Hz0)(对应于磁力检测器10的偏移值)。

如上所述，该示例的偏移计算处理采用如下计算方法：假设曲面必须穿过所涉及的N个数据点中的任意一个；由此得到比球面方程简单的曲面方程；然后从剩余的(N－1)个数据点估算所得到的方程的参数。

不同于直接使用球面方程来计算偏移值的常规技术，这一点不需要辅助的计算(诸如平均值计算)，并且因此能够减少偏移校正处理所需的计算量，并且持续且高速地消除偏移。

虽然上述给出的详细说明针对三轴磁力检测数据(Hx,Hy,Hz)是偏移校正目标的示例，但是上述偏移计算方法也能够适用于两轴磁检测数据(Hx,Hy)是偏移校正的目标的示例。

在此情况下，能够计算使得从曲面H2穿过原点O(0,0)分别到虚拟数据点Pi’的距离之和最小的虚拟偏移点C’。具体地，当虚拟数据点Pi’表示为(Hxi’,Hyi’)，并且虚拟偏移点C’表示为(Hx0’,Hy0’)时，则计算出使得下面公式(2)所给出的曲面H2的方程最小的虚拟偏移点C’。

[公式4]

H2＝Σ_i(Hxi′²+Hyi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′)²…(2)

<偏移计算处理(第二示例)>

图3是示出偏移计算器30中的偏移计算处理的第二示例的流程图。在第二示例的偏移计算处理中，在执行第一示例的偏移计算处理(对应于图3中的步骤S5至S7)之前，引入预处理(对应于图3中的步骤S1至步骤S4)，该预处理用于确定合适作为参考目标的数据点群。下面将进行详细的逐步说明。除非另外指出，假设步骤的行为主体是偏移计算器30。

首先，在步骤S1，设置或者更新偏移值(Hx0,Hy0,Hz0)。初始值为(0,0,0)。

接着，在步骤S2，不断获取三轴磁力检测数据(Hx,Hy和Hz)，并且经过偏移校正(Hx＝Hx-Hx0,Hy＝Hy-Hy0和Hy＝Hz-Hz0)。步骤S2的行为主体是偏移校正器20。

接着，在步骤S3，参考经过偏移校正的磁力检测数据(Hx、Hy、和Hz)，不断搜索三个轴的最大和最小值的共六个数据点。

图4是示出三个轴的最大和最小值的XYZ坐标空间示意图。在所示示例中，X轴分量的最大值为Hx(max)，而对应的X轴最大数据点为Pa(Hx(max),*,*)。另一方面，X轴分量的最小值为Hx(min)，而对应的X轴最小数据点为Pb(Hx(min),*,*)。

虽然图3中未具体示出，对于Y轴分量的最大值Hy(max)和最小值Hy(min)，Z轴分量的最大值Hz(max)和最小值Hz(min)，同样存在类似上述的各个轴的最大和最小数据点。

再参考图3，将继续流程的描述。在步骤S4，检查各个轴的最大值和最小值之间的差值ΔHx、ΔHy、ΔHz是否等于或大于阈值。例如，如果ΔHx≥THx，ΔHy≥THy并且ΔHz≥THz，检查结果为“是”，并且如果不满足这些不等关系中的任一个，则检查结果为“否”。在步骤S4，如果检查结果是“是”，流程进行到步骤S5，并且如果结果为“否”，则流程返回到S3。

鉴于作为测量目标的地磁的量值(通常20至80μT，在日本为40至50μT)，优选地是将各个轴的阈值THx至THz设置在例如约30μT。各个轴的阈值THx至THz可以相等，或者可以彼此不同。

如果步骤S4的检查结果为“否”，流程重复步骤S3和步骤S4的循环。也就是，继续搜索三个轴的最大和最小值，直至各个轴的差值ΔHx、ΔHy、ΔHz等于或大于阈值。

图5是示出X轴差值ΔHx的变化行为的时序图。跟踪符号Pa0至Pa3和Pb0至Pb4所表示的数据点表明X轴最大数据点Pa和最小数据点Pb如何随着时间而持续地更新。自然地，每次更新X轴分量的最大值Hx(max)和最小值Hx(min)中的至少一个时，X轴的差值ΔHx变得更大。

再参考图3，将继续流程的描述。如果步骤S4的检查结果是“是”，则执行先前描述的第一示例的偏移计算处理(对应于图3的步骤S5至S7)。也就是，在偏移计算器30中，当各个轴的最大值和最小值之间的差值都等于或大于阈值时，能够认识到的是，已经收集到合适作为偏移计算中的参考目标的数据点群(被认为相对均匀地分布在以偏移点C为中的的XYZ坐标空间中的数据点的群组)。

采用该算法有助于防止从不均匀分布的数据点群获得不恰当的偏移计算结果的风险，并且因此有助于提高偏移计算处理的可靠性。

在步骤S5，作为前述偏移计算处理的一个步骤，将各个轴的最大和最小数据点进行平移，使得不同于各个轴的最大和最小数据点的任何数据的一个任意点被平移至原点O(0,0,0)。

也就是说，在第二示例的偏移计算处理中经过实际计算的所有数据点是包括各个轴的最大和最小数据点的六个点以及与它们中的任一个不同的一个点(对应于前面提到的参考数据点)。因此，偏移计算器30只需要提供总共七个寄存器，因此与需要10个或更多个数据点的常规配置相比，可以大大地减小电路规模或软件代码大小。

图6是示出平移至原点(0,0,0)的参考数据点的选择的示例的时序图。在图中，实心圆表示对应于三个轴的最大值和最小值的最大和最小数据点(总共六个点)。另一方面，空心圆表示除了这六点以外的数据点。

例如，如图6所示，作为从数据点P1到数据点Pk进行三轴的最大值和最小值的连续搜索的结果，确定各个轴的所有最大和最小数据点，从采用参考数据点选择的最简单的算法的角度来看，优选的是选择在数据点Pk之后立即获取的数据点Pk+1。然而，这不意味着排除选择数据点P1至Pk-1中的任何一个(不包括最大和最小数据点)作为参考数据点。

再参考图3，将继续流程的描述。在步骤S6中，从在步骤S5中经过平移的六个点，获得使得由上述公式(1)给出的曲面H1的方程最小化的虚拟偏移点C'(Hx0'，Hy0'，Hz0')。已经在前面详细描述，因此将不再重复描述。

接下来，在步骤S7中，清除三个轴的最大值和最小值的六个点，并将与先前平移进行相反平移的偏移点C(Hx0，Hy0，Hz0)计算为磁力检测器10的偏移值。

此后，流程返回到步骤S1，从而重复上述处理序列。结果，在时间上和空间上不断变化的方位角传感器1的偏移不断地被连续地和高速地取消，因此可以精确地检测方位角。

尽管上面的描述涉及如下示例：其中在步骤S5选择不同于各个轴的最大和最小数据点中的一个任意点作为被平移至原点O(0,0,0)的参考数据点，0)，但是参考数据点可以替代各个轴的最大和最小数据点之一。该配置有助于减少在偏移计算处理中经过实际计算的数量点数，从而有助于进一步减小电路规模或软件代码大小。然而，根据各个轴的最大和最小数据点的分布情况，采用这种配置可能导致较低的偏移计算精度。

图7是示出当对应于三个轴的最大和最小值中的一个的数据点被选择为参考数据点时所提到的点的XYZ坐标空间示意图。可以发现，在外部磁场等的影响下，各个轴的最大值和最小值之一(在所示示例中，X轴分量的最大值Hx(max)大大偏离其他值)。

如果选择与其他数据点偏离很大的最大或最小数据点作为参考数据点，则使参考数据点与原点一致所需的平移量大大偏离正确的值。这使得无法通过前述的偏移计算处理获得正确的偏移值C。

为了避免这种不便，优选的是，采用例如对于与三个轴的最大值和最小值相对应的六个数据点，从候选参考数据点排除具有最大和最小绝对值的相应的轴的分量。

<应用于电子设备>

图8至图10是包含方位角传感器1的电子设备(分别为智能手机100、平板电脑终端200和智能手表300)的示例的外观图。将先前描述的方位角传感器1作为电子罗盘装入各种设备中，能够精确地检测用户指向的方向。特别地，将电子罗盘与GPS(全球定位系统)组合使用有助于提高地图和导航应用中位置检测的准确性。

<其他变型例>

在此公开的各种技术特征可以通过上述实施方式具体描述以外的任何其它方式来实现，并且允许在本发明的技术创新的范围内的许多修改。也就是说，上述实施例应当被认为是在各个方面是说明性的而不是限制性的，并且本发明的技术范围应当被理解为不是通过上面给出的实施例的描述而是由所附权利要求书限定，并且包含与权利要求书等同意义和范围的任何修改。

工业可应用性

在此所公开的发明应用于包括在例如智能手机、平板电脑终端、智能手表等中的方位传感器。

附图标记列表

1 方位角传感器

10 磁力检测器

10X、10Y、10Z 磁传感器(X轴、Y轴、Z轴)

20 偏移校正器

30 偏移计算器

40 方位角计算器

100 智能手机

200 平板终端

300 智能手表

Claims (10)

1.一种偏移计算设备，其用于处理作为三轴或两轴坐标系中的数据点顺序获取的三轴或两轴磁力检测数据，所述偏移计算设备用于

将N个数据点(其中N≥2)均匀地平移，使得从N个数据点任意选择的一个参考数据点与原点一致，以获得除了参考数据点之外的(N-1)个虚拟数据点，

计算使得通过原点的曲面或曲线分别到各个虚拟数据点的距离之和最小的虚拟偏移点，以及

通过将虚拟偏移点与先前的平移进行相反地平移，来计算磁检测数据的偏移值。

2.根据权利要求1所述的偏移计算设备，其中

当虚拟数据点由(Hxi′，Hyi′，Hzi′)(其中i＝1到N-1)表示，并且虚拟偏移点由(Hx0′，Hy0′，Hz0′)表示时，

所述偏移计算设备用于计算使得由下面的公式(1)给出的曲面方程最小的虚拟偏移点

[公式1]

H1＝∑_i(Hxi′²+Hyi′²+Hzi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′-2Hzi′·Hz0′)²…(1)。

3.根据权利要求1所述的偏移计算设备，其中

当虚拟数据点由(Hxi′，Hyi′)(其中i＝1到N-1)表示，并且虚拟偏移点由(Hx0′，Hy0′)表示时，

所述偏移计算设备用于计算使得由下式(2)给出的曲线方程最小的虚拟偏移点

[公式2]

H2＝Σ_i(Hxi′²+Hyi′²-2Hxi′·Hx0′-2Hyi′·Hy0′)²…(2)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的偏移计算设备，其中

所述偏移计算设备用于：

通过参考经过偏移校正的磁检测数据，不断搜索与各个轴的最大值和最小值对应的多个最大和最小数据点，

当各个轴的最大值和最小值之间的所有差值等于或大于相应阈值时，执行一系列偏移计算处理。

5.根据权利要求4所述的偏移计算设备，其中

N个数据点包括多个最大和最小数据点。

6.根据权利要求5所述的偏移计算设备，其中

所述参考数据点是不同于多个最大和最小数据点中的任何一个的任意点。

7.根据权利要求5所述的偏移计算设备，其中

所述参考数据点是多个最大和最小数据点中的一个。

8.一种方位角传感器，包括：

磁力检测设备，其用于生成三轴或两轴磁检测数据；

根据权利要求1至7中任一项所述的偏移计算设备，其用于计算所述磁检测数据的偏移量；

偏移校正设备，其用于校正所述磁检测数据的偏移量；以及

方位角计算设备，其用于根据经过校正的磁检测数据生成方位角数据。

9.一种电子装置，包括权利要求8所述的方位角传感器。

10.一种偏移计算方法，其用于处理作为三轴或两轴坐标系中的数据点顺序获取的三轴或两轴磁检测数据，所述偏移计算方法包括：

将N个数据点(其中N≥2)均匀地平移，使得从N个数据点任意选择的一个参考数据点与原点一致，以获得除了参考数据点之外的(N-1)个虚拟数据点；

计算使得通过原点的曲面或曲线分别到虚拟数据点的距离之和最小的虚拟偏移点；以及

通过将虚拟偏移点与先前的平移相反地进行平移，来计算所述磁检测数据的偏移值。

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