CN109716064B

CN109716064B - 电子罗盘

Info

Publication number: CN109716064B
Application number: CN201780058014.0A
Authority: CN
Inventors: 小林匡
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: WO2018055975A1; DE112017004127T5; CN109716064A; US11112243B2; JP6667002B2; JPWO2018055975A1; US20190242707A1

Abstract

电子罗盘1具有磁性传感器10，其用于在现场检测地磁的三个轴分量中的预定两个轴分量，并生成与分量的大小对应的两轴磁性感测数据(hx'，hy')；加速度传感器，其用于检测自身加速度的三个轴分量，并生成与三个轴分量的大小对应的三轴加速度感测数据(ax，ay，az)；以及方位角检测单元30，其用于根据两轴磁性感测数据(hx'，hy')、三轴加速度感测数据(ax，ay，az)以及地磁的大小|M|和磁倾角α，计算与地磁的三个轴分量中剩余的未感测的一个轴分量对应的假设磁性感测数据hz'，并通过使用假设的磁性感测数据hz'确定平行于地表面的地磁的分量来检测方位角θ。

Description

电子罗盘

技术领域

本发明涉及一种电子罗盘。

背景技术

诸如移动电话和智能手机等许多现代手持通话器设备都设置有电子罗盘(方位角传感器)，用于感测其找到自身所在的方位。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：第4552658号日本专利

发明内容

发明要解决的课题

通常，为了正确地感测方位，需要加速度传感器和三轴磁性传感器来考虑相对于地球表面的倾斜角度。然而，三轴磁性传感器通常需要复杂的制造工艺，因此其往往相当昂贵。

在专利文献1中提出了一种能够使用双轴磁性传感器就像使用三轴磁性传感器一样准确地感测方位或位置的技术，双轴磁性传感器没有三轴磁性传感器那么贵。这种传统技术使用一种方法，其包括感测地磁的两个轴分量，然后使用所感测的值估计地磁的第三轴分量。

然而，已知的是，在室内和室外之间即使在同一地点，地磁的大小也不同。因此，例如，当在室内和室外之间移动(例如，当进入或离开建筑物)时地磁的大小可能发生变化的情况下，仅基于地磁的两个轴分量来估计地磁的第三轴分量并不总是那么容易，可能会导致方位角传感精度不足。

鉴于本发明人发现的上述问题，在此公开的本发明的目的为提供一种便宜的电子罗盘，其能够使用双轴磁性传感器准确地感测方位。

解决课题的手段

根据本公开的一个方面，电子罗盘包括：磁性传感器，其在给定位置处感测地磁的三个轴分量中的预定两个轴分量，以生成与相应的分量的大小对应的两轴磁性感测数据；加速度传感器，其感测施加到传感器本身的加速度的三个轴分量，以生成与相应的分量的大小对应的三轴加速度感测数据；方位角检测器，其用于基于两轴磁性感测数据、三轴加速度感测数据以及地磁的大小和磁倾角，计算与地磁的三个轴分量中剩余的未感测的一个轴分量对应的虚拟磁性感测数据，从而确定地磁的地面水平分量以感测方位角(第一配置)。

在具有上述第一配置的电子罗盘中，优选地，方位角检测器用于作为一个处理步骤基于地磁的大小和磁倾角来计算地磁的地面垂直分量(第二配置)。

在具有第二配置的电子罗盘中，方位角检测器可以用于作为一个处理步骤基于三轴加速度感测数据来计算相对于地表面的倾斜角度，以得出旋转矩阵(第三配置)。

在具有第三配置的电子罗盘中，方位角检测器可以用于作为一个处理步骤将由两轴磁性感测数据和虚拟磁性感测数据组合在一起产生的三轴磁性感测数据乘以旋转矩阵，以得出作为虚拟磁性感测数据的函数的地磁的地面水平分量和地面垂直分量(第四配置)。

在具有第四配置的电子罗盘中，方位角检测器可以用于作为一个处理步骤基于已知的地磁的地面垂直分量来计算虚拟磁性感测数据，以确定地磁的地面水平分量。(第五配置)。

在具有第五配置的电子罗盘中，方位角检测器可以用于作为一个处理步骤基于地磁的地面水平分量来感测方位角(第六配置)。

在具有第一配置到第六配置中的任意一个配置的电子罗盘中，可以将方位角检测器配置为作为一个处理步骤基于随时间变化的两轴磁性感测数据确定两个轴分量的合成矢量的最大值或两个轴分量的最大值和最小值之间的差值中较大差值的一半，以将所确定的值作为地磁的大小(第七配置)。

在具有第一配置到第七配置中的任意一个配置的电子罗盘中，磁性传感器可以配置为包括霍尔元件、磁阻(MR)元件或磁阻抗(MI)元件(第八配置)。

根据本公开的另一方面，本说明书中公开的电子设备包括具有第一配置到第八配置中的任意一个配置的电子罗盘(第九配置)。

根据本公开的另一方面，本说明书中公开的方位角感测方法是一种使用磁性传感器和加速度传感器来感测方位角的方法，其中磁性传感器用于在给定位置处感测地磁的三个轴分量中的预定两个轴分量，以生成与相应的两个轴分量的大小对应的两轴磁性感测数据，加速度传感器用于检测施加到传感器本身的加速度的三个轴分量，以生成与相应的三个轴分量的大小对应的三轴加速度感测数据。该方法包括：基于地磁的大小和磁倾角计算地磁的地面垂直分量；基于三轴加速度感测数据计算相对于地表面的倾斜角度，以得出旋转矩阵；将包括两轴磁性感测数据和一轴虚拟磁性感测数据的三轴磁性感测数据乘以旋转矩阵，以得出作为虚拟磁性感测数据的函数的地磁的地面水平分量和地面垂直分量；基于已知的地磁的地面垂直分量来计算虚拟磁性感测数据，以确定地磁的地面水平分量；基于地磁的地面水平分量来感测方位角(第十配置)。

发明的效果

通过在此公开的本发明，可以提供一种便宜的电子罗盘，其能够使用双轴磁性传感器准确地感测方位。

附图说明

图1为示出了电子罗盘的一个配置实施例的框图。

图2为示出了磁性传感器相对于地表面保持水平的状态的示意图。

图3为示出了磁性传感器相对于地表面倾斜的状态的示意图。

图4为示出了地磁的大小和磁倾角的示意图。

图5为示出了围绕X轴的旋转角度p和围绕Y轴的旋转角度r的示意图。

图6为示出了基于地磁的地面水平分量执行方位角感测的状态的示意图。

图7为示出了方位角感测过程的一个实施例的流程图。

图8为智能手机的外视图。

图9为平板电脑的外视图。

图10为智能手表的外视图。

具体实施方式

<电子罗盘>

图1为示出了电子罗盘的一个配置实施例的框图。该配置实施例的电子罗盘1具有磁性传感器10、加速度传感器20和方位角检测器30。

磁性传感器10为双轴磁性传感器，用于在给定位置(电子罗盘1所在的地方)处感测地磁的三个轴分量(X轴、Y轴和Z轴分量)中的预定两个轴分量(X轴和Y轴分量)，以生成与相应的分量的大小对应的两轴磁性感测数据(hx'，hy')。也就是说，在磁性传感器10中，地磁的Z轴分量不是感测目标，因此没有生成Z轴磁性感测数据hz'(参见图中的虚线)。可以将上述轴(X轴、Y轴和Z轴)设计成彼此正交。作为磁性传感器10，例如，可以使用霍尔元件、磁阻(MR)元件或磁阻抗(MI)元件。

加速度传感器20为三轴加速度传感器，用于感测施加到传感器本身(并由此施加到电子罗盘1)的加速度的三个轴分量(X轴、Y轴和Z轴分量)以生成与相应的分量的大小对应的三轴加速度感测数据(ax，ay，az)。

方位角检测器30基于两轴磁性感测数据(hx'，hy')、三轴加速度感测数据(ax，ay，az)以及该位置的地磁的大小|M|和磁倾角α，来感测方位角θ(电子罗盘指向的方向)。稍后将详细描述方位角检测器30中的内部处理。

尽管与地磁的磁倾角α和大小|M|有关的数据如图中所示是从方位角检测器30的外部馈送的，但这种数据也可以在方位角检测器30内部生成。这也将在后面描述。

<相对于地表面的倾斜>

如上所述，结合在电子罗盘1中的磁性传感器10为双轴磁性传感器，其没有三轴磁性传感器那么贵。当使用双轴磁性传感器感测方位角θ时，通常，需要在保持磁性传感器10与地表面水平的同时执行方位角感测(图2)，从而无需考虑磁性传感器10相对于地表面的倾斜角度。

然而，许多配备有电子罗盘1的电子设备均为手持通话器设备(例如移动电话和智能手机)，其通常是握在用户手中的同时进行操作，并且磁性传感器10可以相对于地表面以不同的角度倾斜(图3)。因此，在感测方位角θ的同时，需要要求用户将磁性传感器10如图2所示保持在水平状态，这几乎不是一种实用的使用模式。

作为解决方案，方位角检测器30被配置为，在给定的位置，基于两轴磁性感测数据(hx'，hy')、三轴加速度感测数据(ax，ay，az)以及地磁的大小|M|和磁倾角α，计算与地磁的Z轴分量对应的虚拟磁性感测数据hz'，从而确定地磁的地面水平分量(这将在后面详细描述)以便即使磁性传感器10相对于地表面倾斜也能够正确地感测方位角θ。

特别值得注意的是，在方位角检测器30中，不仅是地磁的大小|M|而且地磁的磁倾角α也有意义地用于进行方位角传感。其技术意义将在下文中详细描述。

<地磁的大小和磁倾角>

图4为示出了地磁的大小|M|和磁倾角α的示意图。地磁(见图中的粗箭头)从南极周围到北极周围发挥作用，已知其大小|M|和磁倾角α(地磁进入地球表面的角度，或地磁离开地球表面的角度)根据观测地点的纬度和经度而变化。

地磁的大小|M|例如在室内和室外之间甚至在同一地点可以具有不同的值。另一方面，无论在室内还是室外，在平均用户的普通活动范围内(在不涉及通过飞机等的长距离移动的本地活动范围内)，可以安全地认为地磁的磁倾角α具有大致恒定的值。

基于上述发现，本说明书中提出的方位角感测方法不仅涉及有意义地使用地磁的大小|M|还涉及使用地磁的磁倾角α，从而精确地计算出磁性传感器10未感测到的Z轴的虚拟磁性感测数据，从而更精确的感测方位角θ。

<方位角感测>

下面将具体描述通过方位角检测器30来感测方位角。首先，三轴磁性感测数据(hx'，hy'，hz')(其中hz'为虚拟磁性感测数据)与通过将三轴磁性感测数据投影到地面水平面而获得的三轴投影磁性感测数据(hx，hy，hz)之间的关系可以用下式(1)表示。在三轴投影磁性感测数据(hx，hy，hz)中，hx和hy分别对应于地磁的地面水平分量，而hz对应于地磁的地面垂直分量。

[式1]

在上式(1)中，如图5所示，旋转矩阵R为用于使三轴磁性感测数据(hx'，hy'，hz')围绕X轴旋转旋转角度(倾斜角度)p，然后再围绕Y轴旋转旋转角度(倾斜角度)r的旋转矩阵，并且R^T为其转置矩阵。旋转矩阵R由下式(2)表示。

[式2]

在以围绕X轴的旋转角度(倾斜角度)p和围绕Y轴的旋转角度(倾斜角度)r倾斜的状态下检测到的三轴加速度感测数据(ax，ay，az)与重力加速度(0，0，1)之间的关系可以用下式(3)表示。

[式3]

这里，使用下式(4)分别归一化加速度感测数据(ax，ay，az)的输出值。

[式4]

因此，倾斜角p和r可分别由下式(5a)和(5b)确定。

[式5]

在以上实施例中，旋转是“先围绕X轴然后围绕Y轴”进行的，但是如果顺序改变为“先围绕Y轴然后围绕X轴”，则应当注意旋转矩阵R和倾斜角度p和r的表达方式与上述不同。具体来说，在上式(2)中，围绕X轴的旋转矩阵和围绕Y轴的旋转矩阵的相乘以相反的顺序进行，因此旋转矩阵R的表达方式就会不同，相应地倾斜角度p和r的表示方式也会不同。即便如此，思维方式与上面的实施例是完全相同的。下面继续进行详细描述，假设使用“先围绕X轴然后围绕Y轴旋转”的旋转矩阵R(上式(2))。

感测方位角θ，如图6所示，只需要使用地磁的地面水平分量，即式(1)的三轴投影磁性感测数据(hx，hy，hz)中，仅使用hx和hy。然而，为了计算地磁的地面水平分量hx和hy，需要知道未感测的Z轴的虚拟磁性感测数据hz'，所以，三轴磁性感测数据(hx'，hy'，hz')实际上全都是必需的。

因此，现在将描述使用不直接涉及方位角θ的感测的地磁的地面垂直分量hz来计算虚拟磁性感测数据hz'的方法。

基于上式(1)，地磁的地面垂直分量hz由下式(6)表示。

[式6]

hz＝hx′cos p sin r-hy′sin p+hz′cos p cos r…(6)

根据前面提到的图4可以理解，地磁的地面垂直分量hz也可以使用地磁的大小|M|和磁倾角α通过下式(7)表示。

[式7]

hz＝|M|sinα…(7)

因此，基于式(6)和式(7)，可以使用下式(8)计算Z轴的虚拟磁性感测数据hz'。

[式8]

通过将虚拟磁性感测数据hz'代入式(1)中，可以分别通过下式(9a)和下式(9b)确定地磁的地面水平分量hx和hy。

[式9]

hy＝hy′(cos p+sin p tan p)+|M|sinαtan p …(9b)

最后，可以使用地磁的地面水平分量hx和hy通过下式(10)来计算方位角θ。

[式10]

在上述方位角感测序列中，磁性传感器10可能需要偏移校正。在那种情况下，可以使用两轴磁性感测数据(hx'，hy')和一轴虚拟磁性感测数据hz'来应用任意的偏移校正算法。用于计算虚拟磁性感测数据hz'的倾斜角p和r是基于加速度感测数据(ax，ay，az)确定的，因此应当注意，对于大动作的校准可能不会起到很好的作用。

<流程图>

图7为示出了到目前为止说明方位角感测的过程的一个实施例的流程图。除非特别提及，否则每个处理步骤的执行主体均为方位角检测器30。

首先，在步骤S1中，确定现场地磁的磁倾角α。磁倾角α可以基于从全球定位系统(GPS)获得的位置信息(纬度和经度)通过预定的近似公式计算，或者可以从磁倾角地图信息库导出，例如，日本地理空间信息局提供的磁倾角地图信息库。另一种选择是，不使用GPS，而是预先准备磁倾角α的区域特定(例如国家特定)数据。如果已知现场地磁的磁倾角α，则可以自动设置或通过手动输入设置其值。例如，磁倾角α在东京(北纬35度、东经139度)大约为49度，在柏林(北纬52度，东经13度)大约为68度。

接下来，在步骤S2中，初步确定现场地磁的大小|M|。如果将三轴磁性传感器用作磁性传感器10，则可以将三轴磁性感测数据的合成矢量的大小视为地磁的大小|M|。然而，具有该配置实施例的电子罗盘1使用双轴磁性传感器作为磁性传感器10，因此需要采用一种除了刚刚提到的方法之外的方法。

以下为一种可能的、用于确定地磁的大小|M|的方法。当移动电子罗盘1使得磁性传感器10的X轴和Y轴各自经过Z轴附近时，例如，就像是描述“8”的图形，连续感测随时间变化的两轴磁性感测数据(hx'，hy')，以确定两个轴分量的合成矢量的最大值，或两个轴分量的最大值和最小值之间的差值中较大值的一半。将如此确定的值视为地磁的大小|M|。

由于磁倾角α是通过前述方法之一确定的，所以同样，地磁的大小|M|可以基于从GPS获得的位置信息通过预定的近似公式来计算，或者可以从磁倾角地图信息库导出，例如，日本地理空间信息局提供的磁倾角地图信息库。另一种选择是，不使用GPS，而是预先准备地磁的大小|M|的区域特定(例如国家特定)数据。如果已知现场地磁的大小|M|，则可以自动设置或通过手动输入设置其值。

接下来，在步骤S3中，检查预先确定的地磁的大小|H|是否在适当的范围内。这里，如果检查结果为是，则过程进行到步骤4，如果检查结果为否，则过程返回到步骤S2。刚刚提到的适当的范围可以通过考虑通常在地球上观察到的地磁的大小(例如，10μT到70μT)来进行设定。

如果在步骤S3中检查结果为是，则在步骤S4中，使用前面提到的公式(7)基于地磁的大小|M|和磁倾角α来计算地磁的地面垂直分量hz。

接下来，在步骤S5中，基于三轴加速度感测数据(ax，ay，az)，计算磁性传感器10相对于地表面的倾斜角度p和r(参见前面提到的式(5a)和(5b))，从而得出旋转矩阵R(参见前面提到的式(2))。

接下来，在步骤S6中，通过将两轴磁性感测数据(hx'，hy')和一轴虚拟磁性感测数据hz'组合在一起得到的三轴磁性感测数据(hx'，hy'，hz')与旋转矩阵R相乘(或更准确地说，与其转置矩阵R^T相乘)，将三轴磁性感测数据(hx'，hy'，hz')投影到地面水平面，从而确定三轴投影磁性感测数据(hx，hy，hz)(参见前面提到的式(1))。即，在步骤S6中，导出作为虚拟磁性感测数据hz'的函数的地面水平分量hx和hy以及地磁的地面垂直分量hz。

接下来，在步骤S7中，着眼于地磁的地面垂直分量hz(前面提到的式(6)和式(7))，计算虚拟磁性感测数据hz'(前面提到的式(8))，此外，基于前面提到的式(9a)和式(9b)，确定地磁的地面水平分量hx和hy。

最后，在步骤S8中，使用前面提到的式(10)，基于地磁的地面水平分量hx和hy计算方位角θ。然后，过程返回到步骤S5，然后重复步骤S5到S8，以便继续感测方位角θ。

<本发明的效果>

如上所述，通过具有该配置实施例的电子罗盘1，可以使用没有三轴磁性传感器那么贵的双轴磁性传感器来执行与使用三轴磁性传感器同样准确的定位感测。

该配置实施例的电子罗盘1在方位角感测中有意义地既使用地磁的大小|M|又使用局部而言认为是恒定的地磁的磁倾角α。因此，即使在室内和室外之间移动(例如，当进入或离开建筑物)时地磁的大小|M|可能发生变化的情况下，也可以针对未感测的轴正确地估计地磁分量，使得在任何倾斜角度下都能准确地感测方位角θ。

<电子罗盘的应用实施例>

图8至图10为示出了设置有电子罗盘的电子设备(智能手机100、平板电脑200和智能手表300)的实施例的外视图。将上述电子罗盘1结合在这些设备中使得能够进行精确的方位感测。特别是，将全球定位系统(GPS)与电子罗盘1组合使得在地图应用和导航应用中获得更高的位置感测准确度。

<其它变型例>

在此公开的各种技术特征可以通过除了上述实施例之外的任何其它方式来实现，并且允许在其技术独创性的精神内进行诸多变型和改变。应当将上述实施例理解为在每个方面都是说明性的而非限制性的。本公开的范围不受上文给出的实施例的描述所限定，而是由所附权利要求限定，并且应当理解为包括在与权利要求书等同的意义和范围内进行的任何变型。

工业的可实用性

本说明书中公开的发明应用于结合到诸如移动手机、智能手机、平板电脑或智能手表等手持通话器设备中的电子罗盘中。

符号的说明

1 电子罗盘(方位角传感器)

10 磁性传感器

20 加速度传感器

30 方位角探测器

100 智能手机

200 平板电脑

300 智能手表

Claims

1.一种电子罗盘，其包括：

磁性传感器，其用于在现场感测地磁的三个轴分量中的预定两个轴分量，以生成与相应的两个轴分量的大小对应的两轴磁性感测数据；

加速度传感器，其用于感测施加到加速度传感器的加速度的三个轴分量，以生成与相应的三个轴分量的大小对应的三轴加速度感测数据；以及

方位角检测器，其用于

基于所述两轴磁性感测数据、所述三轴加速度感测数据以及地磁的大小和磁倾角，计算与地磁的三个轴分量中剩余的未感测的一个轴分量对应的虚拟磁性感测数据，并且

利用所述虚拟磁性感测数据确定地磁的地面水平分量，从而感测方位角，其中

所述方位角检测器用于，作为一个处理步骤，基于随时间变化的所述两轴磁性感测数据，来确定两个轴分量的最大值和最小值之间的差值中较大值的一半，以将所确定的值作为地磁的大小，其中，

所述方位角检测器用于作为一个处理步骤基于地磁的大小和磁倾角计算地磁的地面垂直分量，其中

所述方位角检测器用于作为一个处理步骤基于所述三轴加速度感测数据来计算相对于地表面的倾斜角度，以得出旋转矩阵，其中

所述方位角检测器用于通过使用下面的公式X，基于所述两轴磁性感测数据hx'和hy'，所述倾斜角度p和r，以及地磁的大小|M|和磁倾角α来计算所述虚拟磁性感测数据hz'：

2.根据权利要求1所述的电子罗盘，其中，

所述方位角检测器用于，作为一个处理步骤，将由所述两轴磁性感测数据和所述虚拟磁性感测数据组合在一起产生的三轴磁性感测数据乘以所述旋转矩阵，以得出作为所述虚拟磁性感测数据的函数的地磁的地面水平分量和地面垂直分量。

3.根据权利要求2所述的电子罗盘，其中，

所述方位角检测器用于作为一个处理步骤基于已知的地磁的地面垂直分量来计算所述虚拟磁性感测数据，以确定地磁的地面水平分量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电子罗盘，其中，

所述磁性传感器包括霍尔元件、磁阻元件或磁阻抗元件。

5.一种电子设备，其包括根据权利要求1至4中任一项所述的电子罗盘。

6.一种使用磁性传感器和加速度传感器来感测方位角的方位角感测方法，其中，

所述磁性传感器用于在现场感测地磁的三个轴分量中的预定两个轴分量，以生成与相应的两个轴分量的大小对应的两轴磁性感测数据；并且

所述加速度传感器用于感测施加到加速度传感器的加速度的三个轴分量，以生成与相应的三个轴分量的大小对应的三轴加速度感测数据，所述方法包括：

基于地磁的大小和磁倾角计算地磁的地面垂直分量；

基于所述三轴加速度感测数据计算相对于地表面的倾斜角度，以得出旋转矩阵；

通过使用下面的公式X，基于所述两轴磁性感测数据hx'和hy'，所述倾斜角度p和r，以及地磁的大小|M|和磁倾角α来计算一轴虚拟磁性感测数据hz'：

将包括两轴磁性感测数据和所述一轴虚拟磁性感测数据的三轴磁性感测数据乘以所述旋转矩阵，以得出作为所述虚拟磁性感测数据的函数的地磁的地面水平分量和地面垂直分量；

基于已知的地磁的地面垂直分量来计算所述虚拟磁性感测数据，以确定地磁的地面水平分量；

基于地磁的地面水平分量来感测方位角；以及

基于随时间变化的所述两轴磁性感测数据，来确定两个轴分量的最大值和最小值之间的差值中较大值的一半，以将所确定的值作为地磁的大小。