CN1627040A - 用于使用补偿倾斜的电子罗盘搜索俯角的方法 - Google Patents

Abstract

用于找出补偿倾斜的电子罗盘中的俯角的方法。该方法找出适合于当前环境中的俯角以便当测量补偿倾斜的电子罗盘的方位角时，计算更精确的方位角。用于使用包含双轴地磁传感器的电子罗盘，找出指定环境中的最佳俯角的方法包括步骤：a)将表示地磁传感器的水平状态的预定方位角设置成参考方位角；b)如果在该参考方位角的基础上，使该电子罗盘稍微倾斜，在预定俯角搜索范围内，使俯角“λ”逐步增加，并计算与各个俯角有关的方位角；c)将所计算的方位角与该指定参考方位角进行比较，并从所计算的方位角找出最接近于该参考方位角的一个方位角；以及d)将应用到所找出的方位角上的俯角设置成与相应的俯角有关的特定的俯角，以便能在所计算的俯角的基础上，由包含双轴地磁传感器的补偿倾斜的电子罗盘检测出更精确的方位角。

Description

用于使用补偿倾斜的电子罗盘搜索俯角的方法

技术领域

本发明涉及用于使用补偿倾斜的电子罗盘，搜索俯角的方法，以及更具体地说，涉及用于使用补偿倾斜的电子罗盘，搜索俯角的方法，其在检测方位角前，查找适合于当前环境的俯角，从而在所找出的俯角的基础上，从具有双轴地磁传感器的电子罗盘获得更精确的方位角。

背景技术

在近代，已经开发出小型且价格低的地磁传感器组件。随着MEMS(微型机电系统)技术的日益发展，最新开发出了芯片尺寸的地磁传感器组件，并用于各种应用。然而，对特殊应用，存在着防止地磁传感器水平保持以便考虑对应于倾角的俯角(即，磁俯角)，导致仅使用双轴地磁传感器，难以计算正确的方位角。

因此，不水平保持地磁传感器的上述特殊应用必须补偿倾斜或者倾斜状态以便提供水平状态，以及必须检测水平状态中的方位角。为此目的，必须同时使用用于检测倾斜或倾斜度的双轴地磁传感器和加速度传感器来通过将倾斜坐标转换成水平坐标来补偿方位角。

图1a是示例说明通用三轴地磁传感器的透视图，以及图2a是示例说明通用双轴地磁传感器的透视图。

图1a所示的三轴地磁传感器在其安装空间方面具有局限性，以致对三轴地磁传感器传感器来说，难以应用到小型多媒体设备等等上。因此，近来已经开发和研究了用于使用图1b所示的双轴地磁传感器补偿倾斜坐标的多种方法。

图2是示例说明用在传统电子罗盘中的双轴地磁传感器的框图。

参考图2，用在传统电子罗盘中的双轴地磁传感器包括用于检测地磁方位角的地磁传感器21；用于在水平线基础上，检测倾斜地磁角的加速度传感器22；用于放大通过传感器21和22检测的信号，以及过滤所放大的信号的模拟处理器23；用于将模拟处理器23的输出信号转换成数字信号的模拟/数字(A/D)转换器24；以及用于在从A/D转换器24接收的数字信号的基础上，计算地磁方位角的数字处理器25。

在这种情况下，地磁传感器21是用于检测/测量地球的磁场强度的指定传感器，并包括彼此直角安置的x轴和y轴传感器。

在下文中，将描述用于补偿上述传统电子罗盘的倾角的方法。

传统电子罗盘必须使用用作倾斜坐标和水平坐标间的坐标转换方程式的下述方程式1和用作坐标常规矩阵的下述方程式2来补偿将改变为水平坐标的倾斜坐标。

图3a是示例说明水平坐标和倾斜坐标间的关系的原理图。参考图3a，“θ”是水平坐标的x轴的倾角，以及“φ”是水平坐标的y轴的倾角。“Xh”、“Yh”和“Zh”是水平坐标的单个值，以及“Xmc”、“Ymc”和“Zmc”是倾斜坐标的单个值。

[方程式1]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xh}\\ \mathrm{Yh}\\ \mathrm{Zh}\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xmc}\\ \mathrm{Ymc}\\ \mathrm{Zmc}\end{array}\right]$

[方程式2]

$C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\ψ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

使用下述方程式3来计算方位角“ψ”。需要“Xmc”、“Ymc”和“Zmc”值以及“θ”和“φ”角来计算方位角“ψ”。由双轴加速度传感器检测“θ”和“φ”角，以及由双轴地磁传感器检测“Xmc”、“Ymc”和“Zmc”值，然而，上述双轴传感器不能计算“Zmc”值。

[方程式3]

$\mathrm{\ψ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{Yh}}{\mathrm{Xh}}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{Ymc}\·\cos \mathrm{\φ}+\mathrm{Zmc}\·\sin \mathrm{\φ}}{\mathrm{Xmc}\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{Ymc}\·\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+\mathrm{Zmc}\·\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}\right)$

下述方程式4描述由加速度传感器检测的“θ”和“φ”角。

[方程式4]

                  φ＝sin^-1(ax/g)

                  θ＝sin^-1(ay/g)

参考上述方程式4，“g”是重力导致的加速度，“ax”是加速度传感器的x轴分量，以及“ay”是加速度传感器的y轴分量。

由上述方程式2和3获得下述方程式5，并要求特定值“Zh”以便使用上述方程式5获得“Zmc”值。

[方程式5]

$\mathrm{Zmc}=\frac{\mathrm{Zh}+\mathrm{Xmc}\·\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{Ymc}\·\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}}$

图3b示例说明地磁场和水平坐标间的关系的原理图。参考图3b，“Xh”、“Yh”和“Zh”是水平坐标的单个值，“Xd”、“Yd”和“Zd”是地磁场的单个值，以及“Nm”是磁北，以及“λ”是地磁场和水平坐标间形成的特定角(即，俯角)。

使用下述方程式6来描述地磁场和水平坐标间的关系。使用下述方程式7来描述地磁场的参考坐标。由上述方程式6和7获得下述方程式8。

[方程式6]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xd}\\ \mathrm{Yd}\\ \mathrm{Zd}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\λ}& 0& \sin \mathrm{\λ}\\ 0& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\λ}& 0& \cos \mathrm{\λ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xh}\\ \mathrm{Yh}\\ \mathrm{Zh}\end{array}\right]$

[方程式7]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xd}\\ \mathrm{Yd}\\ \mathrm{Zd}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

[方程式8]

                     Zh＝sinλ

假定识别“λ”值，能通过上述方程式5和8计算“Zmc”值，以及还能仅使用双轴地磁传感器来计算补偿倾斜的方位角。

上述传统方法使用预先用实验方法获得的俯角“λ”计算方位角，以便其能代替三轴地磁传感器。

然而，上述方法的不利之处在于其不能考虑到在具有相同俯角的特定区域的范围内，在室内产生的俯角不同于在室外产生的另一俯角的事实，以致根据图4所示的方位角，将俯角的误差率的范围设置为±6.0，导致响应周围的磁性体的影响，降低准确性。

发明内容

因此，鉴于上述问题，做出了本发明，以及本发明的目的是提供用于使用补偿倾斜的电子罗盘的搜索俯角的方法，其在检测方位角之前找出适合于当前环境的俯角，从而在所找出的俯角的基础上，从具有双轴地磁传感器的电子罗盘获得更精确的方位角。

根据本发明，通过提供用于使用包含双轴地磁传感器的电子罗盘，找出预定环境中的最佳俯角的方法来实现上述和其他目的，包括步骤a)将表示地磁传感器的水平状态的预定方位角设置成参考方位角“ψref”；b)如果在该参考方位角“ψref”的基础上，使该电子罗盘稍微倾斜，在预定俯角搜索范围内，使俯角“λ”逐步增加，并计算与各个俯角有关的方位角“ψmi”；c)将所计算的方位角“ψmi”与该指定参考方位角“ψref”进行比较，并从所计算的方位角“ψmi”找出最接近于该参考方位角“ψref”的一个方位角；以及d)将应用到所找出的方位角上的俯角“λ”设置成与相应的俯角有关的特定的俯角。

使用包含双轴地磁传感器的电子罗盘，用于找出指定环境中的最佳俯角的用在上述方法中的数字处理器将表示地磁传感器的水平状态的预定方位角设置成参考方位角“ψref”；如果在该参考方位角“ψref”的基础上，使该电子罗盘稍微倾斜，在预定俯角搜索范围内，使俯角“λ”逐步增加，并计算与各个俯角有关的方位角“ψmi”；将所计算的方位角“ψmi”与该指定参考方位角“ψref”进行比较，并从所计算的方位角“ψmi”找出最接近于该参考方位角“ψref”的一个方位角；以及将应用到所找出的方位角上的俯角“λ”设置成与相应的俯角有关的特定的俯角。

最好，数字处理器可以在从-90°至+90°的范围(即约“±90°”的俯角搜索范围)内，逐步增加该俯角约1°以便计算与各个俯角有关的方位角。

附图说明

通过下述结合附图的详细描述，将更容易理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：

图1a是示例说明用在传统的电子罗盘中的三轴地磁传感器的透视图，以及图1b是示例说明用在传统的电子罗盘中的双轴地磁传感器的透视图；

图2是示例说明用在传统的电子罗盘中的双轴地磁传感器的框图；

图3a是示例说明水平坐标和倾斜坐标间的关系的原理图，以及图3b是地磁场和水平坐标间的关系的原理图；

图4是示例说明由用于搜索俯角的传统方法生成的俯角误差的图；

图5是示例说明根据本发明的优选实施例，用在补偿倾斜的电子罗盘中的俯角搜索方法的流程图；以及

图6是示例说明根据本发明的优选实施例，由用于搜索俯角的方法生成的俯角误差的图。

具体实施方式

现在，将参考附图，详细地描述根据本发明的优选实施例。在这些图中，相同或相似的元件由相同的标记表示，即使在不同图中描述它们。

根据本发明的电子罗盘在检测方位角之前，找出适合于当前环境的俯角，以及在所找出的俯角的基础上，从具有双轴地磁传感器的电子罗盘获得更精确的方位角。在下文中，将参考图5和6描述上述电子罗盘的详细说明。

包含双轴地磁传感器的电子罗盘必须使用上述方程式3来获得方位角ψ，以及需要“Zmc”值来获得正确的方位角ψ。

上述电子罗盘必须使用上述方程式5和8来识别“sinλ”值。更详细地说，与传统方法不同，根据本发明的电子罗盘计算适合于真实环境的“sinλ”值以便使用双轴地磁传感器计算正确的方位角。

图5是示例说明根据本发明的优选实施例，用在补偿倾斜的电子罗盘中的俯角搜索方法的流程图。

参考图5，在步骤S41，补偿俯角的电子罗盘将表示地磁传感器的水平状态的预定方位角设置为参考方位角“ψref”。更详细地说，电子罗盘在俯角不等于适合于当前环境的正确俯角的条件下，不能找出正确的方位角，以致其计算和检测在不具有倾角的水平状态中的方位角，以便找出正确的俯角，从而在步骤S41，将所检测的方位角设置成参考方位角“ψref”。

在步骤S42，如果在参考方位角“ψref”的基础上，使电子罗盘稍微倾斜，电子罗盘在步骤S43～S44，在预定俯角搜索范围内逐步增加俯角“λ”，并在步骤S45，计算与各个俯角有关的方位角“ψmi”，以及在步骤S46，存储所计算的方位角“ψmi”。在这种情况下，在步骤S47，可以将预定俯角搜索范围设置成约“±90°”，以及可以将用在上述逐步增加的俯角“λ”的操作的一个步长(Step)设置成约1°。

例如，电子罗盘在从-90°至+90°的范围(即，俯角搜索范围)内，用计算与各个俯角“λ”有关的方位角的这种方式使俯角“λ”逐步增加1°。

在这种情况下，包含在方位角“ψmi”中的“i”可以设置成从“1”至“180”的整数，并且可以将与在从-90°至+90°范围内的逐步增加1°的俯角有关的相应的方位角设置成“ψm1～ψm180”。

在步骤S48，电子罗盘将所计算的方位角“ψmi”与指定的参考方位角“ψref”比较，并从所计算的方位角“ψmi”找出最接近于参考方位角“ψref”的一个方位角。换句话说，电子罗盘在参考方位角“ψref”的基础上，从多个方位角“ψm1～ψm180”找出具有最小偏差的特定的方位角。

在步骤S49，电子罗盘将应用到所找出的方位角的俯角“λ”设置成用于相应方位角的指定俯角。用这种方式，假定电子罗盘在检测到这一方位角之前，找出适合于当前环境的最佳俯角，并设置所找出的俯角，电子罗盘能计算和获得用于每个环境的更精确的方位角。

在使用图5所示的上述方法计算俯角的情况下，与传统的电子罗盘相比，电子罗盘能大大地降低在各个方位角生成的俯角误差率。

图6是示例说明与本发明的优选实施例相比，通过用于搜索俯角的方法生成的俯角误差的图。

参考图6，使用y轴(即垂直轴)来表示俯角误差率，以及使用x轴(即水平轴)来表示方位角。如从图6所看到的，与约360°的特定方位角有关的俯角误差率的范围被设置成约“±1°”，以便其能表明与传统电子罗盘的俯角误差率“±6”相比，电子罗盘大大地降低了俯角误差率。

根据本发明，需要使由用于补偿倾角的方程式计算的方位角约等于参考方位角的需要。在倾斜状态下生成的方位角与参考方位角间的这一关系的基础上，电子罗盘计算在没有倾角的情况下生成的参考方位角以及在生成倾角的情况下测量的多个方位角，从所测量的方位角找出最接近于参考方位角的一个俯角，以及测量当前状态的俯角，产生最适合于当前环境的最精确的方位角。

从上述描述可以看出，根据本发明，用于使用补偿倾斜的电子罗盘搜索俯角的方法在检测方位角之前，找出适合于当前环境的俯角，从而在所找出的俯角的基础上，从具有双轴地磁传感器的电子罗盘获得更精确的方位角。

换句话说，根据本发明的俯角搜索方法与用于将实验获得的常量用于俯角计算过程的传统方法相比，能获得更精确的方位角。倾角越大，由错误俯角生成的误差越大。然而，假定俯角搜索方法找出当前状态的俯角并计算与所找出的俯角有关的方位角，其能获得更精确的方位角。如果使俯角搜索方法应用于多种移动终端，例如，PDA(个人数字助理)以及蜂窝和PCS电话等等，用户能获得正确的方位角，同时以令人愉快的角度浏览他或她的移动终端的显示面板。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员将意识到，在不背离如在附加权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加和取代是可能的。

Claims (4)

1.一种用于使用包含双轴地磁传感器的电子罗盘，找出指定环境中的最佳俯角的方法，包括步骤：

a)将表示地磁传感器的水平状态的预定方位角设置成参考方位角“ψref”；

b)如果在所述参考方位角“ψref”的基础上，使所述电子罗盘稍微倾斜，在预定俯角搜索范围内，使俯角“λ”逐步增加，并计算与各个俯角有关的方位角“ψmi”；

c)将所计算的方位角“ψmi”与所述指定参考方位角“ψref”进行比较，并从所计算的方位角“ψmi”找出最接近于所述参考方位角“ψref”的一个方位角；以及

d)将应用到所找出的方位角上的俯角“λ”设置成与相应的俯角有关的特定的俯角。

2.如权利要求1所述的方法，其中，用于计算所述方位角“ψmi”的步骤(b)包括步骤：

b1)在从-90°至+90°的范围(即约“±90°”的俯角搜索范围)内，每次逐步增加所述俯角1步(step)以便计算与各个俯角有关的方位角。

3.如权利要求1所述的方法，其中，用于计算所述方位角“ψmi”的步骤(b)包括步骤：

b2)在所述预定俯角搜索范围内，逐步增加所述俯角约1°，以及计算与各个俯角有关的方位角。

4.如权利要求1所述的方法，其中，用于计算所述方位角“ψmi”的步骤(b)包括步骤：

b3)在从-90°至+90°的范围(即约“±90°”的俯角搜索范围)内，逐步增加所述俯角约1°以便计算与各个俯角有关的方位角。

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