CN112639402B - 磁力计校准或调节 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个方面涉及用于校正由安装在移动载体上的磁力计进行的磁力测量的方法（10）。移动载体包括以相对于磁力计固定的关系安装的一个或多个运动传感器和/或位置传感器。该方法包括：获得在一时间间隔期间由磁力计、或者是运动传感器和/或位置传感器同时进行的磁力测量（12）以及运动测量和/或位置测量（14、16）；由处理单元基于在该时间间隔期间同时进行的磁力测量（12）以及运动测量和/或位置测量（14、16）来推断校正的磁力测量（28），并且其中，处理单元（36）包括一个或多个微处理器、并且能够借助于人工智能算法（24）来推断校正的磁力测量（28），所述算法藉由训练数据进行训练，以根据在该时间间隔期间记录的磁力测量以及运动测量和/或位置测量的历史得到磁力测量的校正。
Description
技术领域
总体上，本发明涉及用于校准和/或调节一个或多个磁力计的方法。更具体地，本发明涉及校正由移动载体（support mobile）上的一个或多个磁力计进行的磁力测量，所述移动载体还包括一个或多个运动传感器和/或位置传感器。
背景技术
如今，大多数多功能移动设备（法语为mobile，英语为smartphone（智能手机））都包括多个不同传感器，例如GNSS接收器（通过GNSS传输的无线电导航信号的接收器，即通过卫星定位系统，GNSS是英语术语“Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）”的首字母缩写）、加速度计、陀螺仪、磁力计等。对于许多应用而言，为了确定多功能移动设备在地面参考系中的定向，磁力计是必不可少的。在导航应用中尤其如此：单独的GNSS接收器能够确定其天线中心的位置和速度。另一方面，GNSS接收器在地面参考系中的定向是困难的，并且至少需要了解初始定向。因此，大多数导航应用在涉及到确定移动设备相对于地图的定向时会使用磁力计。
磁力计的测量可以用来指示磁北的方向，或者在校正磁偏角后指示地理北方的方向。然而，测量误差可以达到几度，这意味着磁力计的测量不能用于精确应用。要特别指出的是，该测量误差可能是由外部和/或内部环境中存在的磁干扰引起的，这些磁干扰远远大于地面磁场，并且因此可以大幅扭曲测量估计，从而导致例如十几度的误差。
这个问题特别触及低成本磁力计，这是各种类型的移动终端中最常见的。另一个误差来源是由于以下事实：移动终端所在位置的磁场除了地磁场（相对较弱）以外还有其他分担项：局部干扰（磁体、金属块、电磁源）可以容易地扭曲磁力计的测量。
本发明的目标是减轻该问题，尤其是（但非限制性地）在移动终端（例如，多功能移动设备、平板电脑、联网手表、GNSS/GPS接收器等）的情况下减轻该问题。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于校正由安装在移动载体上的磁力计进行的磁力测量的方法。除了磁力计之外，移动载体还包括以相对于磁力计固定的关系安装的一个或多个运动传感器和/或位置传感器。该方法包括：
o 获得在一时间间隔期间由磁力计、或者是运动传感器和/或位置传感器同时进行的磁力测量以及运动测量和/或位置测量；
o 由处理单元（例如，微处理器、一组微处理器、可编程逻辑电路、专用集成电路等）基于在所述时间间隔期间同时进行的磁力测量以及运动测量和/或位置测量来推断校正的磁力测量，并且其中，处理单元（36）包括一个或多个微处理器、并且能够借助于人工智能算法（24）来推断校正的磁力测量（28），所述算法藉由训练数据进行训练，以根据在该时间间隔期间记录的磁力测量以及运动测量和/或位置测量的历史得到磁力测量的校正。
要指出的是，在本文档的上下文中，术语“磁力计”可以是指基本磁力计（能够测量沿轴线的磁场）或包括多个基本磁力计的多轴（例如，双轴或三轴）磁力计。
一方面，磁力计在该时间间隔期间进行的磁力测量指示了在该间隔期间在移动载体的参考系中外部磁场的方向和/或大小的演变，因此也指示了移动载体相对于外部磁场的定向的演变。
另一方面，由运动传感器和/或位置传感器进行的运动测量和/或位置测量指示了在相同的时间间隔期间移动载体的运动。
因此，对校正的磁力测量的推断可以基于一方面移动载体相对于外部磁场的定向的演变以及另一方面移动载体的运动之间的一致和分歧，所述移动载体的运动尤其是移动载体随时间推移的平移运动。这可以涉及到在多个方向上进行的平移运动。
如果地面磁场是局部均匀的，则应观察到移动载体相对于外部磁场的定向的演变与移动载体的运动之间的一致（在没有测量误差的情况下，同时移动载体保持处于该局部区域中）。实际上，由于测量误差（特别是由于传感器的漂移/运动/平移运动）以及由于地面磁场的干扰，该一致不会是完美的。直观地，在移动载体处于运动中的时间间隔期间观察到的分歧使得能够检测和量化磁场的局部干扰。然后，可以校正磁力计的测量，以消除这些干扰。在某些条件下，也有可能（重新）校准磁力计：如果以足够的精度已知移动载体在地面参考系（例如WGS 84）中的移位以及在该移位期间移动载体自身的运动，则可以推导磁场向量的理论值，并将其与测量值进行比较。
优选地，移动载体包括进行运动测量和/或位置测量的一个或多个加速度计。
替换地或附加地，移动载体装备有进行运动测量和/或位置测量的一个或多个陀螺仪。
特别优选地，移动载体包括惯性中央单元（英语为inertial measurement unit或IMU，惯性测量单元），其集成了一个或多个加速度计和一个或多个陀螺仪，并且进行运动测量和/或位置测量。
优选地，一个或多个运动传感器被实现为微机电系统（英语为microelectromechanical system或MEMS）。
根据本发明的一个特别有利的实施例，移动载体设有进行运动测量和/或位置测量的一个或多个位置传感器，优选地，一个或多个GNSS/GPS接收器。
如果移动载体配备有多个传感器，例如配备有惯性中央单元和GNSS/GPS接收器，则可以在推断校正的磁力测量的步骤之前的预处理步骤中将运动测量和/或位置测量相互混合（例如，藉由自适应滤波器或卡尔曼滤波器）。
优选地，对校正的磁力测量的推断是在飞行中进行的。该时间间隔优选地对应于在确定校正值的时刻之前的定义的时间间隔。该时间间隔可以相对于确定时刻是固定的。然而，可以提供动态地适配时间间隔的参数（起始和持续时间）的可能性。时间间隔优选地具有30s或更长的持续时间，例如1分钟或更长、2分钟或更长、3分钟或更长、4分钟或更长、或者5分钟或更长。该间隔的最大持续时间可以在10至15分钟的范围内。
根据本发明的一个优选实施例，移动载体包括移动终端，例如移动电话或联网手表。
优选地，处理单元包括一个或多个微处理器，其执行专用于推断校正的磁力测量的程序。推断校正的磁力测量的步骤可以使用卡尔曼滤波器或自适应滤波器。然而，更优选地，将使用人工智能算法。在本上下文中，“人工智能算法”意指由计算机实施的算法，其已藉由训练数据进行了训练（通过监督学习或未通过监督学习），以根据在该时间间隔期间记录的磁力测量以及运动测量和/或位置测量的历史得到磁力测量的校正。人工智能算法可以包括例如贝叶斯网络、神经网络、支持向量机、k最近邻法、遗传算法、决策树、决策树森林、高斯混合模型、逻辑回归、线性判别分析、或其组合。
上面已经说明，可以校正磁力测量，因为磁力测量应近似地反映出与运动测量和/或位置测量相同的运动。在实践中，建立在所有情况下均有效的校正规则非常困难。出于该原因，在本发明的背景中，求助于人工智能算法被认为是有利的。
根据本发明的一个特别优选的实施例，该方法包括将同时进行的磁力测量以及运动测量和/或位置测量（或由此推导出的量）传输到云计算平台（英语为cloud computingplatform），并接收针对校正的磁力测量的由处理单元执行的软件的更新参数。在这种情况下，云计算平台将负责从大量用户收集数据并“消化”这些数据以改进校正算法。该交互方面在人工智能算法的上下文中特别有用。
本发明的第二方面涉及一种移动终端，例如联网手表或移动电话，其包括磁力计、相对于磁力计固定地安装的一个或多个运动传感器和/或位置传感器、以及连接到磁力计和（一个或多个）运动传感器和/或位置传感器的处理单元，所述处理单元用于获得在一时间间隔期间由磁力计、或者是（一个或多个）运动传感器和/或位置传感器同时进行的磁力测量以及运动测量和/或位置测量。处理单元被配置成借助于计算机程序基于在该时间间隔期间同时进行的磁力测量和运动测量和/或位置测量来推断校正的磁力测量。
本发明的另一方面涉及一种包括程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令用于当所述程序由移动终端的处理单元执行时执行该方法的步骤。
附图说明
从下面介绍的对某些有利实施例的详细描述中，本发明的另外的特点和特征将越发显现，该详细描述是作为说明并参考附图，附图示出了：
图1示出了根据本发明的有利实施例的用于校正磁力测量的方法的示意图；
图2示出了被配置成实施根据本发明的方法的联网手表的示意性图示。
具体实施方式
图1示意性地示出了可以由移动终端的处理单元实施的用于校正磁力测量的方法10。处理单元（可以包括专用于该应用的一个或多个微处理器或电路）作为输入接收
o 磁力计的测量12（即，磁场向量在移动终端的参考系中的分量），
o 惯性中央单元的测量14（即，加速度和角速度），以及
o GNSS/GPS接收器的测量16（即，所讨论的GNSS/GPS的参考系中的位置、速度和时间）。
处理单元10按常规方式处理测量12（例如，滤波、平滑、转换成球坐标或极坐标等），以产生北的指示19，北的指示通常以相对于移动终端的轴线的角度的形式来表示。该常规处理由功能块18示意性地表示。如果北的指示涉及到地理北方，则常规处理将移动终端所在之处有效的磁偏角考虑在内。
将测量12、14和16注入到实施人工智能算法的过程中。首先将传感器提供的测量12、14和16提交给预处理20（例如包括滤波、平滑、转换等），以将其变换为特征向量（英语为feature vector）。特征向量20在确切地说实施人工智能算法24的过程中用作输入数据。算法预先藉由学习数据训练过，以得到针对北的指示19的校正26。在每个时间步长，算法根据在定义的时间间隔期间记录的特征向量（以及因此的测量12、14和16）来产生最可能的校正26。通过将校正26添加到功能块18产生的北的指示来获得校正的北的指示28。
要注意的是，对测量12、14和16的预处理是可选的。实际上，可以将原始测量注入到人工智能块中（前提是该人工智能块已预先用原始测量进行过训练）。
图2是联网手表30的示意性图示，联网手表30配备有磁力计32、MEMS惯性中央单元34和微处理器36，微处理器36被配置成实施根据本发明的校正磁力测量的方法。微处理器36从磁力计32提供的原始磁力测量以及惯性中央单元34提供的运动测量（更具体地：加速度和角速度测量）来推导校正的磁力测量。校正的磁力测量可用于安装在联网手表上的移动应用，例如罗盘应用38。
本发明还涉及一种包括程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令用于当所述程序由移动终端的处理单元36执行时执行该方法的步骤。
尽管已经详细描述了一些特定的实施例，但是本领域技术人员将理解，可以根据本发明的本公开提供的总体教导来开发对其的各种修改和替代。因此，本文描述的具体布置和/或方法被视为仅作为例示而给出，而无意限制本发明的范围。
Claims (14)
1.用于校正由安装在移动载体(30)上的磁力计进行的磁力测量的磁力测量校正方法(10)，所述移动载体(30)是联网手表，除了磁力计(32)之外，移动载体还包括相对于磁力计固定地安装的一个或多个运动传感器和/或位置传感器(34)，校正方法(10)包括：
-获得在一时间间隔期间由磁力计、或者是运动传感器和/或位置传感器同时进行的磁力测量(12)以及运动测量和/或位置测量(14、16)，所述时间间隔对应于确定校正值的时刻之前的定义的时间间隔，其中，运动测量和/或位置测量(14、16)包括由一个或多个GNSS接收器进行的测量；
-由处理单元(36)基于在所述时间间隔期间同时进行的磁力测量(12)以及运动测量和/或位置测量(14、16)来推断校正的磁力测量(28)，并且其中，处理单元(36)包括一个或多个微处理器、并且能够借助于人工智能算法(24)来推断校正的磁力测量(28)，所述算法藉由训练数据进行训练，以根据在该时间间隔期间记录的磁力测量以及运动测量和/或位置测量的历史得到磁力测量的校正。
2.根据权利要求1所述的磁力测量校正方法(10)，其中，磁力计在所述时间间隔期间进行的磁力测量(12)指示移动载体相对于外部磁场的定向的演变。
3.根据权利要求1所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动传感器和/或位置传感器在所述时间间隔期间进行的运动测量和/或位置测量(14、16)指示在所述时间间隔期间移动载体的运动。
4.根据权利要求2所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动传感器和/或位置传感器在所述时间间隔期间进行的运动测量和/或位置测量(14、16)指示在所述时间间隔期间移动载体的运动。
5.根据权利要求4所述的磁力测量校正方法(10)，其中，对校正的磁力测量(28)的推断是基于一方面移动载体相对于外部磁场的定向的演变以及另一方面移动载体的运动之间的一致和分歧。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动测量和/或位置测量(14、16)包括由一个或多个加速度计进行的测量。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动测量和/或位置测量(14、16)包括由一个或多个陀螺仪进行的测量。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动测量和/或位置测量(14、16)包括由惯性中央单元进行的测量，惯性中央单元包括一个或多个加速度计和一个或多个陀螺仪。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，运动测量和/或位置测量是来自多个传感器，并且在推断校正的磁力测量之前被相互混合。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，对校正的磁力测量的推断是在飞行中进行的。
11.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，移动载体包括移动终端。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，其中，人工智能算法(24)使用以下算法中的至少一个：贝叶斯网络、神经网络、支持向量机、k最近邻法、遗传算法、决策树、决策树森林、高斯混合模型、逻辑回归、和线性判别分析。
13.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁力测量校正方法(10)，包括将同时进行的磁力测量(12)以及运动测量和/或位置测量(14、16)、或者它们的推导量传输到云计算平台，并接收针对校正的磁力测量的由处理单元执行的软件的更新参数。
14.移动终端(30)，其被实现为联网手表，包括磁力计(32)、相对于磁力计固定地安装的一个或多个运动传感器和/或位置传感器(34)、以及连接到磁力计和一个或多个运动传感器和/或位置传感器的处理单元(36)，所述处理单元用于获得在一时间间隔期间由磁力计(32)、或者是一个或多个运动传感器和/或位置传感器(34)同时进行的磁力测量(12)以及运动测量和/或位置测量(14、16)，所述时间间隔对应于确定校正值的时刻之前的定义的时间间隔，其中，处理单元(36)被配置成借助于计算机程序基于在所述时间间隔期间同时进行的磁力测量(12)和运动测量和/或位置测量(14、16)来推断校正的磁力测量(28)，并且其中，运动测量和/或位置测量(14、16)包括由一个或多个GNSS接收器进行的测量。
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