CN1627041A - 用于使用磁场的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于使用磁场的方法和设备。该方法包括：通过在空间中旋转传感器而在每个时刻在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据；以及，使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来检验磁场扰动是否存在。

Description

用于使用磁场的方法和设备

技术领域

本发明涉及磁场的使用，特别涉及用于使用磁场来检验磁场扰动是否存在，并使用该检验结果的方法和设备。

背景技术

在下文中，将参考附图来描述校准磁罗盘(下文中称为罗盘)的传统方法，该罗盘安装在运动机器人中，以便识别运动机器人的方位。

通常，必须校准安装在运动机器人中的罗盘，以便减小由从该运动机器人产生的磁场所引起的运动机器人的方位的失真。

图1是示出在线性磁通量(magnetic flux)环境中，使用由磁场传感器检测的磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图。

例如，运动机器人中的罗盘包括两个被布置为互相垂直的磁场传感器(未示出)。当随着运动机器人的大于360°的旋转，在二维平面上投影出由磁场传感器检测的磁场值时，形成如图1所示的圆。在这里，罗盘的方位角对应于圆上的坐标与图1的x-或y-轴形成的角度。

图2是示出在线性磁通量环境中，使用由磁场传感器检测的二进制磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图。

由磁场传感器然后是数字计算机检测的磁场值基本上以二进制数的形式存在。这样，当在二维平面上投影出所检测的正磁场值时，圆心可能偏移，如图2所示。在这里，圆心的偏移也可能由磁场的扰动引起。

图3是示出当磁场扰动存在时，使用由磁场传感器检测的二进制磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图。

当在二维平面上投影出在存在磁场扰动的曲线磁通量中检测的二进制磁场值时，圆心具有偏移量并且该圆失真(distort)，如图3所示。

在这里，罗盘的校准意味着将如图2或3所示的在其中心处具有偏移量或者失真的圆变换为图1的圆的工作。出于此目的，传统校准方法使用一一对应的函数或校准参数。然而，由于运动机器人的周围环境随着该运动机器人的行进而变化，因此不能连续地使用一一对应的函数或校准参数。

图4是二维地示出运动机器人的示例行进图的视图。在这里，虚线表示磁通量。

通常，在传统校准方法中，假设线性磁通量主要存在于将被校准的罗盘的当前位置。例如，如图4所示，使用传统校准方法，在线性磁通量占优势的预定位置2校准安装在运动机器人4中的罗盘。接下来，罗盘沿箭头指示的方向移动。在这里，线性磁通量出现在地球的磁场中。然而，将使用传统校准方法校准的罗盘可能位于人类居住的室内环境中、或者位于周围有很多种诸如钢筋混凝土等的金属存在的室外环境中。在此情况中，金属或磁性物质使磁场扭曲。从而不能给出传统校准方法的上述假设。

图5是二维地示出运动机器人的示例行进图的视图。在这里，由于室内环境或周围有很多种金属存在的室外环境中磁场的扰动，线性磁通量可能转变为弯曲磁通量。

如图5所示，当使用传统校准方法在弯曲磁通量中的任意位置6处校准安装在运动机器人8中的罗盘时，该罗盘可能未被准确地校准。结果，校准后的罗盘可能没有准确地反映运动机器人8的行进方向。

美国专利第6014610号公开了一种防止用于校准的罗盘数据失真的方法。在所公开的方法中，当磁场扰动不确定时，罗盘暂时停止工作。接下来，当运动物体的磁场特征改变时，重新校准罗盘。该所公开的方法未提出对被磁扰动影响的环境中发生的不准确校准的对策。

美国专利第6301794号公开了一种实时地校准在具有罗盘的运动物体行进时变化的磁场的方法。在所公开的方法中，可以将图3的圆转变为图1的圆。然而，不能校准罗盘的方位。换句话说，图3的失真的圆上的点可以在一一对应的基础上对应图1的圆上的点。然而，对应的点是否能形成正确的方位不确定。这样，所公开的方法不能获得比在线性磁通量流动的磁场中进行的校准方法更准确的方位。

此外，需要昂贵的磁场测量器来检验磁场扰动是否存在。而且，在将昂贵的磁场测量器安装在运动机器人的情况中，该昂贵的磁场测量器阻碍了运动机器人的实际使用。

发明内容

本发明提供一种使用磁场的方法，用来简单地检验磁场扰动是否存在，并根据检验结果将罗盘移动到适当的位置，以准确地校准该罗盘。

本发明提供一种用于使用磁场的设备，用来简单地检验磁场扰动是否存在，并根据检验结果将罗盘移动到适当的位置，以准确地校准该罗盘。

根据本发明的一方面，提供一种使用磁场的方法，包括：通过在空间中旋转传感器，在每个时刻、在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据；并使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来检验磁场扰动是否存在。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于使用磁场的设备，包括：磁场测量器，当在空间中旋转传感器时，其在每个时刻测量指示磁场大小的磁场数据；存储器，其存储所测量的磁场数据；以及磁场扰动检验器，其使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来检验磁场扰动是否存在。

附图说明

参考附图，通过详细描述本发明的示例实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更明显，其中：

图1是示出在线性磁通量环境中，使用由磁场传感器检测的磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图；

图2是示出在线性磁通量环境中，使用由磁场传感器检测的二进制磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图；

图3是示出当磁场扰动存在时，使用由磁场传感器检测的二进制磁场值而在x-和y-轴上形成的圆的视图；

图4是二维地示出运动机器人的示例行进图的视图；

图5是二维地示出运动机器人的示例行进图的视图；

图6是解释根据本发明的实施例使用磁场的方法的流程图；

图7是示出在图6的步骤10中测量和存储的磁场数据的示例波形的图；

图8是解释图6的步骤12的本发明的优选实施例12A的流程图；

图9是示出基准曲线和磁场轨迹之间的轨迹误差的示例图；

图10是解释图6的步骤12的本发明的另一优选实施例12B的流程图；

图11是解释在根据本发明使用磁场的方法中，获得基准幅度和基准偏移量的过程的实施例的流程图；

图12是解释图6的步骤12的本发明的再一优选实施例12C的流程图；

图13是解释在根据本发明的实施例使用磁场的方法中，校准罗盘的过程的流程图；

图14是示出具有罗盘位置的旋转运动物体的行进图的视图，该罗盘位置在存在磁场扰动的弯曲磁通量的区域内；

图15是示出当运动物体如图14所示旋转时，在步骤132中测量的磁场数据的磁场轨迹与基准曲线之间的关系的图；

图16是根据本发明的实施例的用于使用磁场的设备的方框图；

图17是根据本发明的优选实施例204A的图16的磁场扰动检验器的方框图；

图18是根据本发明的另一优选实施例204B的图16的磁场扰动检验器的方框图；

图19是根据本发明的再一优选实施例204C的图16的磁场扰动检验器的方框图；

图20是根据本发明的另一实施例的用于使用磁场的设备的方框图；

图21是根据本发明的实施例的用于确定候选位置的方向的候选位置确定器的方框图；

图22是根据本发明的另一实施例的用于确定向候选位置的移动量的图20的候选位置确定器的方框图；和

图23是二维地示出运动物体的示例行进图的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来描述根据本发明使用磁场的方法。

图6是解释根据本发明的实施例的使用磁场的方法的流程图。该方法包括测量和存储磁场数据的步骤10，和检验磁场扰动是否存在的步骤12。

在步骤10中，利用传感器在空间中不同方向的旋转，在每个时间周期测量和存储磁场数据。在这里，磁场数据表示不同方向的磁场的大小，并且可以通过磁场传感器(下文中称为传感器)来检测。传感器面向空间中的不同方向，并且例如，与磁通门(fluxgate)传感器相对应。例如，可以将两个传感器布置为彼此垂直。

根据本发明，为了测量磁场数据，上述传感器可以旋转大于或等于预定的角度，优选的是360°或更多。在安装在诸如运动机器人或运动车辆的运动物体(未示出)中的罗盘(未示出)包括这种传感器的情况中，所述运动物体而不是传感器旋转。

图7是示出在图6的步骤10中测量和存储的磁场数据的示例波形的图。在这里，横轴表示测量磁场大小的每个时间周期，而纵轴表示磁场大小。在这里，磁场的大小可以是大于“0”的二进制数据，并且，当传感器以匀速旋转时，横轴可以表示传感器的旋转角度。

例如，在安装两个传感器以测量磁场大小的情况中，如图7所示，可以在每个时间周期测量和存储磁场数据R_x和R_y。在这里，磁场数据R_x和R_y形成近似正弦的磁场轨迹。

在步骤10之后，在步骤12中，使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来对磁场扰动是否存在进行确定。

然而，尽管已经用如图7所示来表示磁场数据R_x和R_y的假设示例性地描述了本发明，但本发明不限于此。

根据本发明的一方面，可以使用由磁场数据R_x形成的磁场轨迹的幅度A_x和偏移量O_x来对磁场扰动是否存在进行确定。近似地，幅度A_x可以确定为磁场数据R_x的最大和最小值之间的差的一半，而偏移量O_x可以确定为磁场数据R_x的最大和最小值的中值。另一方面，可以通过诸如卡方(chi-squared)拟合的曲线拟合方法来统计地确定幅度A_x。

根据本发明的另一方面，可以使用由磁场数据R_y形成的磁场轨迹的幅度A_y和偏移量O_y来对磁场扰动是否存在进行确定。近似地，幅度A_y可以确定为磁场数据R_y的最大和最小值之间的差的一半，而偏移量O_y可以确定为磁场数据R_y的最大和最小值的中值。另一方面，可以通过诸如卡方拟合的曲线拟合方法来统计地确定幅度A_y。

根据本发明的再一方面，可以使用由磁场数据R_x和R_y形成的磁场轨迹的幅度A_x和A_y以及偏移量O_x和O_y来对磁场扰动是否存在进行确定。

下面将参考附图来解释图6的步骤12的本发明的每个实施例。

图8是解释图6的步骤12的本发明的优选实施例12A的流程图，包括获得轨迹误差的平均值和方差值的至少一个的步骤30、32和34，以及根据该平均值或方差值是否超过阈值平均或方差值来确定磁场扰动是否存在的步骤36、38和40。

根据本发明的一方面，在步骤30中，使用在步骤10中存储的至少一个磁场数据的幅度和偏移量来计算至少一条正弦基准曲线。在图7的情况中，可以使用磁场数据R_x的幅度A_x和偏移量O_x来计算正弦基准曲线

如式1所示：

${\hat{R}}_x=A_x\cos \mathrm{\θ}+O_x\·\·\·\left(1\right)$

其中，θ表示图7的图的纵轴上的坐标。

也可以使用磁场数据 的幅度A_y和偏移量O_y来计算正弦基准曲线

如式2所示：

${\hat{R}}_y=A_y\cos \mathrm{\θ}+O_y\·\·\·\left(2\right)$

因此，根据本发明的实施例，可以使用在步骤10中存储的磁场数据的幅度和偏移量来计算基准曲线。

根据本发明的另一方面，在步骤10之前，可以通过在每个时间周期、在磁场扰动不存在的环境中、随着传感器的旋转而变化的不同位置处测量磁场大小来获得基准曲线。在此情况中，进行图8的步骤12A而没有步骤10。

因此，基准曲线可以在执行根据本发明的使用磁场的方法之前获得，或者可以在根据本发明的使用磁场的方法的步骤10中获得。无论如何，本发明中使用的基准曲线都可以被视为由在出现在地球磁场中的线性磁通量中测量的磁场数据形成的磁场轨迹。

例如，当图6的根据本发明的使用磁场的方法被施加到如先前所述的包括具有传感器的罗盘的运动物体上时，基准曲线可以由运动物体的制造公司预先测量并获得，或者可以如式1或2从在使用运动物体的环境中测量的磁场数据的幅度和偏移量来获得。

在步骤30之后，在步骤32中，获得由在步骤10中测量的磁场数据形成的磁场轨迹与正弦基准曲线之间的轨迹误差。

图9是示出基准曲线42与磁场轨迹44之间的轨迹误差50、52、54、56、58和59的示例图。在这里，横轴表示时间，而纵轴表示磁场大小。

例如，当如图7所示来表示磁场数据，并且如式1来获得基准曲线的时候，由磁场数据R_x形成的磁场轨迹与如式1所表示的基准曲线

之间的轨迹误差e_x，50、52、54、56、58和59可以如式3进行计算：

$e_x=R_x-{\hat{R}}_x=R_x-A_x\cos \mathrm{\θ}-O_x\·\·\·\left(3\right)$

可替换地，由磁场数据R_y形成的磁场轨迹与如式2所表示的基准曲线 之间的轨迹误差e_y，50、52、54、56、58和59可以如式4进行计算：

$e_y=R_y-{\hat{R}}_y=R_y-A_y\sin \mathrm{\θ}-O_y\·\·\·\left(4\right)$

在步骤32之后，在步骤34中，计算轨迹误差的平均值和方差值的至少一个。例如，计算图9的轨迹误差50、52、54、56、58和59的平均值和/或方差值。

在步骤34之后，在步骤36中，确定平均值或方差值是否超过预定的阈值平均或方差值。例如，确定平均值和/或方差值是否超过阈值平均值和/或阈值方差值。

如果在步骤36中确定平均值或方差值超过了阈值平均值或阈值方差值，则在步骤38中，确定磁场扰动存在。如果在步骤36中确定平均值和方差值未超过阈值平均值和阈值方差值，则在步骤40中，确定磁场扰动不存在。在这里，平均值或方差值分别超过了阈值平均值和/或阈值方差值的事实意味着磁场轨迹与基准曲线非常不同。因此，将测量磁数据的位置确定为磁场扰动存在的位置。

图10是解释图6的步骤12的本发明的另一优选实施例12B的流程图，包括使用幅度差和偏移量差的至少一个来确定磁场扰动是否存在的步骤62、64、66和68。

参考图10，在步骤62中，计算幅度差和偏移量差的至少一个。在这里，幅度差表示步骤10中存储的磁场数据的幅度与基准幅度之间的差。此外，偏移量差意味着步骤10中存储的磁场数据的偏移量与基准偏移量之间的差。

根据本发明的一方面，基准幅度和基准偏移量分别对应于基准曲线上的幅度和偏移量，其中，在步骤10之前，通过在每个时间周期、在磁场扰动不存在的环境中的不同位置处测量磁场大小而获得所述基准曲线。

根据本发明的另一方面，可以如下来获得基准幅度和基准偏移量。

图11是解释在根据本发明的使用磁场的方法中，获得基准幅度和基准偏移量的过程的实施例的流程图，包括测量和存储测试磁场数据的步骤78、从所存储的测试磁场数据选择对应的测试磁场数据的步骤80、以及将具有相对小的误差平均和误差方差值的测试磁场数据的幅度和偏移量确定为基准幅度和基准偏移量的步骤82和84。

参考图11，在步骤78中，在空间中几个位置处测量和存储预定数目的测试磁场数据。在这里，空间是指被施加了根据本发明使用磁场的方法的空间。例如，当根据本发明使用磁场的方法被施加到如先前所述的运动物体上时，在使用该运动物体的空间中测量和存储预定数目的测试磁场数据。

在步骤78之后，在步骤80中，在存储在所有位置处的测试磁场数据中选择具有相似幅度和偏移量的测试磁场数据。在这里，假设将测量具有相似幅度和偏移量的测试磁场数据的位置分类为几个位置组，在从分类后的位置组之一选择的位置组中获得测试磁场数据，使得所选择的位置组具有最多的位置组的位置。这么做是因为在给定的点处，地球的磁场有可能远远大于磁场扰动。

在步骤80之后，在步骤82中，计算每个所选择的测试磁场数据与基准曲线之间的轨迹误差的平均值和方差值。该平均值和方差值分别被称为误差平均值和误差方差值。这样，所获得的误差平均值和误差方差值的数目等于所选择的测试磁场数据的数目。在这里，可以在进行图11的方法之前，根据在线性磁通量环境中获得的磁场数据来形成用于进行步骤82的基准曲线。

在步骤84中，将在步骤82中获得的具有相对小的误差平均和误差方差值的测试磁场数据的幅度和偏移量确定为基准幅度和基准偏移量。例如，将具有与其它测试磁场数据相比比较小的误差平均和误差方差值的测试磁场数据的幅度和偏移量确定为基准幅度和基准偏移量。

同时，在步骤62之后，在步骤64中，对幅度差或偏移量差是否超过阈值幅度值或阈值偏移量值进行确定。如果在步骤64中确定幅度差或偏移量差分别超过了阈值幅度值或阈值偏移量值，则在步骤66中，确定磁场扰动存在。如果在步骤64中确定幅度差和偏移量差未超过阈值幅度值和阈值偏移量值，则在步骤68中，确定磁场扰动不存在。换句话说，确定幅度差或偏移量差超过了阈值幅度值或阈值偏移量值意味着磁场轨迹与基准曲线非常不同。在此情况中，在步骤66中，将测量磁场数据的位置确定为磁场扰动存在的位置。

图12是用于解释图6的步骤12的本发明的再一优选实施例12C的流程图，包括将轨迹误差的平均值或方差值与阈值平均值或阈值方差值相比较的步骤100、102、104和106，将幅度差或偏移量差与阈值幅度值或阈值偏移量值相比较的步骤110和112，以及确定磁场扰动是否存在的步骤108和114。

图12的步骤100、102、104和106分别与图8的步骤30、32、34和36相同。此外，图12的步骤108、112和114分别与图10的步骤66、64和68相同。因而，在此将不解释步骤100、102、104、106、108、112和114。

图10的步骤62在步骤10之后进行，而图12的步骤110在误差平均和误差方差值不超过阈值平均和方差值的时候执行。除了这一点以外，图12的步骤110与图10的步骤62相同，因而在此将不对其进行解释。

根据本发明的另一方面，与图12中图示的方法不同，步骤110在步骤10之后进行，然后，在步骤112中，对幅度差或偏移量差是否超过阈值幅度值或阈值偏移量值进行确定。如果在步骤112中确定幅度差或偏移量差超过了阈值幅度值或阈值偏移量值，则该过程转到步骤108。如果在步骤112中确定幅度差和偏移量差未超过阈值幅度值和阈值偏移量值，则该过程可以不继续移动到步骤114而是返回步骤100。在这里，在步骤100之后，可以进行步骤102和104，然后可以进行步骤106。如果在步骤116中确定误差平均和误差方差值超过了阈值平均和方差值，则该过程继续移动到步骤108。如果在步骤106中确定误差平均或误差方差值未超过阈值平均或方差值，则该过程继续移动到步骤14。

可以施加根据本发明及其实施例的使用磁场的方法来校准如上所述的具有传感器的罗盘。该罗盘可以安装在如上所述的运动物体中，并在空间中旋转和移动。在这里，在罗盘未安装在运动物体中的情况中，罗盘自身旋转。当罗盘安装在运动物体中时，该运动物体可以旋转。

下面将参考图13来描述根据本发明使用磁场的方法的校准罗盘的过程。

图13是解释根据本发明使用磁场的方法的校准罗盘的过程的实施例的流程图，包括测量和存储磁场数据的步骤130和132、检验磁场扰动是否存在的步骤134、计算当磁场扰动存在时罗盘将移动到的候选位置的步骤138、140、142和144、以及校准罗盘的步骤136和146。

图13的步骤132和134分别对应图6的步骤10和12，因而在此将不进行解释。这样，可以将步骤12的实施例应用于步骤134。

在步骤130中，初始化循环的数目，然后该过程继续移动到步骤132。

如果在步骤134中确定磁场扰动不存在，则在步骤136中，使用步骤132中存储的至少一个磁场数据来校准罗盘。例如，将至少一个磁场数据的幅度和偏移量确定为校准参数，然后使用所确定的校准参数来校准罗盘。

如果在步骤134中确定磁场扰动存在，则在步骤138中调整循环的数目。在步骤138之后，在步骤140中，对调整后的循环数目是否达到预定值进行确定。

根据本发明的一方面，在步骤130中，可以将循环数目初始化为“0”。在步骤138中，当磁场扰动存在时，可以将循环数目增加“1”。在步骤140中，可以对循环数目是否达到预定数目进行确定。

根据本发明的另一方面，在步骤130中，可以将循环数目初始化为预定数目。在步骤138中，当磁场扰动存在时，可以将循环数目减小“1”。在步骤140中，对循环数目是否达到预定值(即，“0”)进行确定。

如果在步骤140中，确定调整后的循环数目未达到预定值，则在步骤142中，使用轨迹误差的平均值、磁场数据的幅度和偏移量、以及基准幅度和基准偏移量来确定罗盘旋转所围绕的中心轴的候选位置。在步骤142之后，在步骤144中，罗盘移动，以便对应于预定的候选位置，然后该过程返回步骤132。

在下文中，将参考附图来描述根据本发明使用磁场的方法确定候选位置的过程。

在步骤132中的磁场数据的测量期间，当轨迹误差的平均值为负时，将罗盘从该罗盘旋转所围绕的中心轴向候选位置移动所沿的方向确定为罗盘指示的磁北(magnetic north)的右方。当轨迹误差的平均值为正时，将该方向确定为磁北的左方。在这里，轨迹误差是指从由步骤132中测量的磁场数据形成的磁场轨迹减去基准曲线的结果。在这里，可以如式5来表示罗盘移动所沿的方向θ_T：

                       θ_T＝θ_N+(-1)ⁿEθ′    ...(5)其中，θ_N表示由罗盘指示的磁北，当轨迹误差的平均值为正时，将n设置为“0”，而当轨迹误差的平均值为负时，将n设置为“1”，而θ’表示罗盘将旋转的角度，例如π/2。

这样，当n＝0时，罗盘移动到候选位置所沿的方向θ_T是这样的方向：该方向为大于磁北θ_N的θ’，即通过将角度θ’逆时针加到磁北θ_N上而获得的方向。然而，当n＝1时，罗盘移动到候选位置所沿的方向θ_T是这样的方向：该方向为小于磁北θ_N的θ’，即通过将角度θ’顺时针加到磁北θ_N上而获得的方向。

图14是示出具有罗盘位置154、156、158、160、162、164、166或168的旋转的运动物体的行进图的视图，其中，上述罗盘位置是当该运动物体在磁场扰动存在的弯曲磁通量的区域152中以匀速圆周运动旋转时，捕捉的罗盘位置。

图15是示出步骤132中测量的磁场数据的磁场轨迹190与当运动物体如图14所示旋转时的基准曲线192之间关系的图。在这里，水平轴表示时间t，而垂直轴表示磁场大小。

参考图14和15，当运动物体逆时针移动时，由运动物体的罗盘位置154、156、158、160、162、164、166或168指示的磁北170、172、174、176、178、180、182或184与弯曲磁通量的方向一致。这样，由罗盘指示的磁北与线性磁通量的区域150中的真实磁北186不同。当在步骤132中，随着运动物体沿如图14所示的方向的旋转，在每个时间周期，即从第一时刻(t＝0)到第八时刻(t＝7)测量磁场大小时，可以获得由磁场数据形成的磁场轨迹190。在这里，例如，可以从磁场数据R_x或R_y获得图15的磁场轨迹190，并且，基准曲线192可以是如先前所述的 或

假设磁场轨迹190分布得低于基准曲线192，如图15所示。换句话说，当假定轨迹误差的平均值小于“0”时，磁场扰动的原点151被假设为位于罗盘指示的磁北的左方。这样，必须移动罗盘，以便远离磁场扰动的原点151。出于此目的，将罗盘从中心轴向候选位置移动所沿的方向确定为由罗盘指示的磁北的右方。

可以将幅度差和偏移量差乘以预定的权重，如下式6所示。可以将相乘的结果确定为罗盘移动的量r_T。所述幅度差是指从磁场数据R_x或R_y的幅度A_x或A_y减去基准幅度A_ex或A_ey的结果，而所述偏移量差是指从磁场数据R_x或R_y的偏移量O_x或O_y减去基准偏移量O_ex或O_ey的结果。

r_T＝k₁·|A_x-A_ex|+k₂·|O_x-O_ex|或r_T＝k₃·|A_y-A_ey|+k₄·|O_y-O_ey|    ...(6)其中k₁、k₂、k₃和k₄表示预定的权重。

如果在步骤140中确定循环数目达到了预定值，则在步骤146中，使用至少一个磁场数据来校准罗盘，其中，使用基准幅度、基准偏移量、平均值和方差值的至少一个，从存储了与在其中进行图13的步骤132的循环的数目一样多的次数的磁场数据中选择所述至少一个磁场数据。循环数目达到预定值的事实意味着当运动物体旋转了与对应于该预定值的次数的数目一样多的次数时，未发现磁场扰动不存在的位置。换句话说，在步骤146中，从重复执行步骤132期间测量和存储的多个磁场数据中，选择在几个标准中具有相对小的值的磁场数据。具有最高优先级的第一标准是幅度与基准幅度之间的差，第二是偏移量与基准偏移量之间的差，而第三和最后是磁场轨迹与基准曲线之间的轨迹误差的平均值和方差值。然后，使用所选择的磁场数据来校准罗盘。例如，可以如下式7来对每个磁场数据计算值B，以便使用具有最小的值B的磁场数据来校准罗盘。

B＝k₅×幅度之间的差+k₆×偏移量之间的差

   +k₇×轨迹误差的平均值+k₈×轨迹误差的离散值    ...(7)其中，k₅、k₆、k₇和k₈表示预定的权重，k₅＞k₆＞k₇＞k₈。

图13的使用磁场的方法可以不包括步骤130、138、140和146。在此情况中，在步骤136中，仅当磁场扰动不存在时校准罗盘。

因此，可以采用根据本发明的使用磁场的方法来校准用于识别运动物体的方位的罗盘。

在下文中，将参考附图来描述根据本发明的用于使用磁场的设备的结构和操作。

图16是根据本发明的用于使用磁场的设备的实施例的方框图，包括磁场测量器200、存储器202和磁场扰动检验器204。

图16的设备用来进行图6的方法。

参考图6和16，为了进行步骤10，该设备包括磁场测量器200和存储器202。磁场测量器200在空间中的不同位置旋转，以在每个时间周期测量磁场数据。在这里，存储器202存储由磁场测量器200测量的磁场数据。

为了执行步骤12，磁场扰动检验器204使用由存储器202中存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量来检验磁场扰动是否存在，并通过输出节点OUT1输出检验结果。

图17是图16的磁场扰动检验器204的本发明的优选实施例204A的方框图，包括基准曲线计算器210、误差计算器212、平均和方差值计算器214、第一比较器216和第一磁场扰动确定器218。

图17的磁场扰动检验器204A用来进行图8的步骤12A。

参考图8和17，为了进行步骤30，基准曲线计算器210根据通过输入节点IN1从存储器202输入的磁场数据的幅度和偏移量，如上述式1或2来计算基准曲线，并将该基准曲线输出到误差计算器212。

假设在执行根据本发明的使用磁场的方法之前，通过在每个时刻、在磁场扰动不存在的环境中的空间的不同位置处测量磁场大小来计算基准曲线，所以，图8的步骤12A不包括步骤30。在此情况中，图17的磁场扰动检验器204A可以不包括基准曲线计算器210，并且误差计算器212可以通过输入节点IN2接收预先计算的基准曲线。

为了进行步骤32，误差计算器212计算至少一条磁场轨迹与至少一条正弦基准曲线之间的轨迹误差，并将该轨迹误差输出到平均和方差值计算器214，其中所述磁场轨迹由通过输入节点IN1从存储器202输入的磁场数据形成。在这里，误差计算器212可以从基准曲线计算器210或通过输入节点IN2接收基准曲线，如先前所描述。

为了执行步骤34，平均和方差值计算器214计算从误差计算器212输入的轨迹误差的平均值和方差值中的至少一个，并将该平均和方差值中的至少一个输出到第一比较器216。

为了进行步骤36，第一比较器216将从平均和方差值计算器214输入的平均或方差值与阈值平均或方差值相比较，并将比较结果输出到第一磁场扰动确定器218。

为了执行步骤38和40，第一磁场扰动确定器218响应于第一比较器216的比较结果而确定磁场扰动是否存在，并通过输出节点OUT2输出确定结果。例如，当第一磁场扰动确定器218由第一比较器216的比较结果发现平均或方差值超过了阈值平均或方差值时，第一磁场扰动确定器218确定磁场扰动存在。否则，当第一磁场扰动确定器218发现平均和方差值未超过阈值平均和方差值时，第一磁场扰动确定器218确定磁场扰动不存在。

图18是图16的磁场扰动检验器204的本发明的另一优选实施例204B的方框图，包括数据减法器220、第二比较器222和第二磁场扰动确定器224。

图18的磁场扰动确定器204B用来进行图10的步骤12B。

参考图10和18，为了进行步骤62，数据减法器220产生幅度差和偏移量差中的至少一个值，并将所产生的幅度差和所产生的偏移量差的至少一个输出到第二比较器222。换句话说，数据减法器220从磁场数据的幅度减去通过输入节点IN4输入的基准幅度以产生幅度差，其中所述磁场数据从存储器202通过输入节点IN3输入。数据减法器220还从磁场数据的偏移量减去通过输入节点IN4输入的基准偏移量以产生偏移量差，其中所述磁场数据从存储器202通过输入节点IN3输入。

为了执行步骤64，第二比较器222从数据减法器220接收幅度差和偏移量差的至少一个，比较该幅度或偏移量差与阈值幅度或偏移量，并将比较结果输出到第二磁场扰动确定器224。

为了进行步骤66和68，第二磁场扰动确定器224响应于第二比较器222的比较结果而确定磁场扰动是否存在，并通过输出节点OUT3输出确定结果。例如，当第二磁场扰动确定器224由第二比较器222的比较结果发现幅度或偏移量差超过了阈值幅度或偏移量值时，第二磁场扰动确定器224确定磁场扰动存在。当第二磁场扰动确定器224由第二比较器222的比较结果发现幅度和偏移量差未超过阈值幅度和偏移量值时，第二磁场扰动确定器224确定磁场扰动不存在。

图19是图16的磁场扰动检验器204的本发明的再一优选实施例204C的方框图，包括基准曲线计算器230、误差计算器232、平均和方差值计算器234、第一比较器236、第一磁场扰动确定器238、数据减法器240、第二比较器242和第二磁场扰动确定器244。

图19的磁场扰动检验器204C用来进行图12的步骤12C。

参考图12和19，分别执行步骤100、102、104和106的图19的基准曲线计算器230、误差计算器232、平均和方差值计算器234和第一比较器236对应地执行与基准曲线计算器210、误差计算器212、平均和方差值计算器214和第一比较器216相同的功能，因而在此将不进行解释。为了进行步骤108，当第一磁场扰动确定器238由第一比较器236的比较结果发现平均或方差值超过了阈值平均或方差值时，第一磁场扰动确定器238确定磁场扰动存在。当第一磁场扰动确定器238由第一比较器236的比较结果发现平均和方差值未超过阈值平均和方差值时，第一磁场扰动确定器238操纵数据减法器240以进行步骤110，而不是确定磁场扰动不存在。这样，除了第一磁场扰动确定器238操纵数据减法器240以外，第一磁场扰动确定器238进行与第一磁场扰动确定器218相同的操作。

分别进行步骤110和112的数据减法器240和第二比较器242分别进行与图18的数据减法器220和第二比较器222相同的功能，因而，在此将不进行解释。然而，与图18的数据减法器220不同，数据减法器240在第一磁场扰动确定器238确定磁场扰动不存在时进行步骤10。除了当第二磁场扰动确定器244由第二比较器242的比较结果发现幅度和偏移量差未超过阈值幅度和偏移量时，第二磁场扰动确定器244确定磁场扰动不存在以便进行步骤114以外，第二磁场扰动确定器244进行与第二磁场扰动确定器224相同的操作。第二磁场扰动确定器244通过输出节点OUT4输出确定结果。

根据本发明，可以用实验方法计算阈值平均值、阈值方差值、阈值幅度值和阈值偏移量值。

下面将参考附图来解释用于使用图16的设备来校准罗盘的根据本发明另一实施例的使用磁场的设备的结构和操作。

图20是根据本发明的另一实施例的用于使用磁场的设备的方框图。参考图20，该设备包括磁场测量器300、存储器302、磁场扰动检验器304、循环数目调整器306、第三比较器308、候选位置确定器310、移动控制器312以及第一和第二罗盘校准器314和316。

图20的设备用来进行图13的处理。

参考图13和20，磁场测量器300、存储器302和磁场扰动检验器304分别进行与图16的磁场测量器200、存储器202和磁场扰动检验器204相同的功能，因而在此将不进行解释。例如，磁场测量器300和存储器302进行步骤132，而磁场扰动检验器304进行步骤134。

循环数目调整器306进行步骤130和138。换句话说，为了进行步骤130，循环数目调整器306在起始阶段初始化循环的数目。为了执行步骤138，当磁场扰动检验器304确定磁场扰动存在时，循环数目调整器306调整循环的数目，并将调整后的循环数目输出到第三比较器308。

为了实行步骤140，第三比较器308比较从循环数目调整器306输入的循环数目与预定值，并将比较结果输出到候选位置确定器310。

为了进行步骤142，响应于第三比较器308的比较结果，候选位置确定器310使用从存储器302输入的磁场数据的幅度和偏移量、从磁场扰动检验器304输入的平均值、和从输入节点IN8输入的基准幅度和基准偏移量来确定罗盘旋转所围绕的中心轴的候选位置，并将确定结果输出到移动控制器312。

为了实行步骤144，移动控制器312通过输出节点OUT5输出用于移动罗盘的控制信号，以便对应于从候选位置确定器310输入的候选位置。因此，罗盘或者具有罗盘的运动物体响应于通过输出节点OUT5输出的控制信号，沿某个方向移动某个移动距离，其中所述方向和移动距离包括在候选位置信息中。

为了执行步骤136，当第一罗盘314由磁场扰动检验器304的检验结果发现磁场扰动不存在时，第一罗盘校准器314使用在存储器302中存储的至少一个磁场数据来校准罗盘，并通过输出节点OUT6输出校准结果。

为了进行步骤146，当第二罗盘校准器316由第三比较器308的比较结果发现循环数目达到了预定值时，第二罗盘校准器316如上所述在存储器302中存储的磁场数据中选择适当的磁场数据，使用所选择的磁场数据来校准罗盘，并通过输出节点OUT7输出校准结果。例如，可以使用上述式7来选择适当的磁场数据。这样，第二罗盘校准器316可以使用通过输入节点IN8输入的基准幅度和基准偏移量以及从磁场扰动检验器304输入的平均和方差值的至少一个来选择磁场数据。

在图13的过程不包括步骤130、138、140和146的情况中，20的设备不包括循环数目调整器306、第三比较器308和第二罗盘校准器316。在此情况中，当磁场扰动检验器304确定磁场扰动存在时，候选位置确定器310确定罗盘移动所围绕的中心轴的候选位置。

图21是用于确定候选位置的方向的图20的候选位置确定器310的本发明的实施例的方框图，包括符号检验器330和方向信息确定器332。

参考图21，符号检验器330检验从磁场扰动检验器304通过输入节点IN9输入的平均值的符号，并将检验结果输出到方向信息确定器332。当利用磁场测量器测量磁场数据时、罗盘从该罗盘旋转所围绕的中心轴向候选位置行进的时候，方向信息确定器332响应于符号检验器330的检验结果，确定关于该罗盘移动所沿的方向的方向信息，并通过输出节点OUT8将包括所确定的方向信息的候选位置信息输出到移动控制器312。如上所述，所述平均值对应于轨迹误差的平均，该轨迹误差通过从磁场轨迹减去基准曲线而获得。

图22是用于确定候选位置的移动量的图20的候选位置确定器310的本发明的另一实施例的方框图，包括乘法器350。

图22的乘法器350将从磁场扰动检验器304输入的幅度差和偏移量差乘以预定的权重，如上述式6所示，并通过输出节点OUT9将包括该相乘结果的候选位置信息输出到移动控制器312，其中该相乘结果说明罗盘将移动的移动距离。

图23是二维地示出运动物体的示例行进图的视图。在这里，虚线表示磁通量。

当使用根据本发明的用于使用磁场的方法和设备来校准罗盘时，所认识到的是，运动物体400最初位于弯曲磁通量区域。运动物体400移动到线性磁通量存在的位置404。在位置404，通过任意的线性磁通量来校准已经向线性磁通量区域移动的、安装在运动物体402上的罗盘。

如上所述，在根据本发明的用于使用磁场的方法和设备中，在没有昂贵的磁场测量器的情况下，可以相对容易地确定磁场扰动是否存在。这样，即使在没有预先提供关于具有罗盘的运动物体的周围环境的磁场信息时，也可以识别运动物体位于存在磁场扰动的环境中。因此，运动物体可以自行移动到磁场扰动相对较少地存在或者不存在的位置，以便更精确地校准安装在该运动物体中的罗盘。此外，在不需要实时地重复校准罗盘的情况下，可以通过只校准罗盘一次来保证罗盘的精度。而且，即使在磁场扰动存在的环境中，即在存在磁性物质的室内环境或室外环境中，也可以使用该运动物体，其中在执行运动物体自己的功能之前必须必要地校准罗盘。

尽管已经参考本发明的示例实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种形式和细节的改变。

Claims (23)

1.一种使用磁场的方法，包括：

通过在空间中旋转传感器而在每个时刻在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据；以及

使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来检验磁场扰动是否存在。

2.如权利要求1所述的方法，其中关于磁场扰动是否存在的检验包括：

获得至少一条磁场轨迹与至少一条正弦基准曲线之间的轨迹误差；

获得轨迹误差的平均和方差值中的至少一个；

确定平均或方差值是否超过阈值平均或方差值；以及

当确定平均或方差值超过了阈值平均或方差值的时候，确定磁场扰动存在。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在每个时刻在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据之前，通过在磁场扰动不存在的环境中旋转传感器、在每个时刻在不同方向测量磁场大小，来获得所述至少一条正弦基准曲线。

4.如权利要求2所述的方法，其中关于磁场扰动是否存在的检验还包括：

使用所存储的磁场数据的幅度和偏移量来计算所述至少一条正弦基准曲线，并返回到获得所述至少一条磁场轨迹与至少一条正弦基准曲线之间的轨迹误差。

5.如权利要求2所述的方法，其中关于磁场扰动是否存在的检验还包括：

计算所存储的磁场数据的幅度与基准幅度之间的差以及所存储的磁场数据的偏移量与基准偏移量之间的差的至少一个；

确定幅度与基准幅度之间的差或者偏移量与基准偏移量之间的差是否超过阈值幅度值或阈值偏移量值；以及

当确定幅度与基准幅度之间的差或偏移量与基准偏移量之间的差超过了阈值幅度值或阈值偏移量值的时候，确定磁场扰动存在。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在每个时刻在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据之前，基准幅度和基准偏移量对应于基准曲线上的幅度和偏移量，其中通过在磁场扰动不存在的环境中旋转传感器、在每个时刻在不同方向测量磁场大小，来获得所述基准曲线。

7.如权利要求5所述的方法，还包括：

在空间中测量和存储预定数目的测试磁场数据；

从所存储的测试磁场数据选择具有相似幅度和偏移量的测试磁场数据；

分别计算所选择的每个测试磁场数据和基准曲线之间的轨迹误差的平均和方差值，作为误差平均和误差方差值；以及

将具有相对小的误差平均和误差方差值的测试磁场数据的幅度和偏移量确定为基准幅度和基准偏移量。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：

当确定磁场扰动不存在时，使用至少一个所存储的磁场数据来校准罗盘，其中在该罗盘上安装了在不同方向检测磁场大小的传感器，并且该罗盘可以在空间中旋转。

9.如权利要求5所述的方法，还包括：

当确定磁场扰动不存在时，使用至少一个所存储的磁场数据来校准罗盘，其中在该罗盘上安装了在不同方向检测磁场大小的传感器，并且该罗盘可以在空间中旋转。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

当确定磁场扰动存在时，使用磁场数据的幅度和偏移量、平均值、基准幅度和基准偏移量来确定罗盘旋转所围绕的中心轴的候选位置；以及

移动罗盘以便对应于候选位置，并返回到在每个时刻在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据。

11.如权利要求10所述的方法，包括：

初始化循环的数目，并返回到在每个时间间隔在不同方向测量和存储指示磁场大小的磁场数据；

当确定磁场扰动存在时，调整循环的数目；

确定循环数目是否达到预定值，并且当确定循环数目未达到预定值时，返回到使用磁场数据的幅度和偏移量、平均值、基准幅度和基准偏移量来确定罗盘旋转所围绕的中心轴的候选位置；以及

当确定循环数目达到了预定值时，使用至少一个磁场数据来校准罗盘，其中使用基准幅度、基准偏移量、平均值和方差值中的至少一个从所存储的磁场数据中选择所述磁场数据。

12.如权利要求10所述的方法，其中，在测量磁场数据期间，当平均值为负时，罗盘将从中心轴移动到候选位置所沿的方向被确定为由罗盘指示的磁北的右方，而当平均值为正时，该方向被确定为磁北的左方，其中所述平均值对应于轨迹误差的平均，该轨迹误差是从磁场轨迹减去基准曲线的结果。

13.如权利要求10所述的方法，其中，将幅度与基准幅度之间的差以及偏移量与基准偏移量之间的差乘以预定的权重，将相乘的结果确定为罗盘将移动的距离，并且该距离包括在候选位置信息中。

14.一种用于使用磁场的设备，包括：

磁场测量器，当在空间中旋转传感器时，其在每个时刻测量指示磁场大小的磁场数据；

存储器，其存储所测量的磁场数据；以及

磁场扰动检验器，其使用诸如由所存储的磁场数据形成的至少一条磁场轨迹的幅度和偏移量的曲线拟合参数，来检验磁场扰动是否存在。

15.如权利要求14所述的设备，其中磁场扰动检验器包括：

误差计算器，其计算所述至少一条磁场轨迹和至少一条正弦基准曲线之间的轨迹误差；

平均和方差值计算器，其计算轨迹误差的平均和方差值中的至少一个；

第一比较器，其将所述平均和方差值中的至少一个与阈值平均或方差值相比较；以及

第一磁场扰动确定器，其响应于第一比较器的比较结果而确定磁场扰动是否存在。

16.如权利要求15所述的设备，其中，通过在磁场扰动不存在的环境中、在每个时刻在不同位置处测量磁场的大小，来预先计算所述至少一条正弦基准曲线。

17.如权利要求15所述的设备，其中，磁场扰动检验器还包括：

基准曲线计算器，其根据存储器中存储的磁场数据的幅度和偏移量来计算所述至少一条正弦基准曲线。

18.如权利要求15所述的设备，其中，磁场扰动检验器还包括：

数据减法器，其产生幅度差和偏移量差的至少一个，其中所述幅度差和偏移量差通过分别从存储器中存储的磁场数据的幅度和偏移量中减去基准幅度和基准偏移量而获得；

第二比较器，其将所述幅度差和偏移量差的至少一个与阈值幅度或偏移量值相比较；以及

第二磁场扰动确定器，其响应于第二比较器的比较结果而确定磁场扰动是否存在。

19.如权利要求18所述的设备，其中，该设备校准安装了在不同方向检测磁场大小的传感器、并且可以在空间中旋转，该设备还包括：

第一罗盘校准器，当磁场扰动检验器确定磁场扰动不存在时，其使用存储器中存储的至少一个磁场数据来校准罗盘。

20.如权利要求19所述的设备，还包括：

候选位置确定器，当磁场扰动检验器确定磁场扰动存在时，其使用从存储器输入的磁场数据、平均值、基准幅度和基准偏移量来确定罗盘旋转所围绕的中心轴的候选位置；以及

移动控制器，其产生用于移动罗盘、以便对应于候选位置的控制信号。

21.如权利要求20所述的设备，还包括：

循环数目调整器，当磁场扰动检验器确定磁场扰动存在时，其调整循环的数目；

第三比较器，其将循环的数目与预定值相比较；以及

第二罗盘校准器，其响应于第三比较器的比较结果，使用基准幅度、基准偏移量、平均值和方差值中的至少一个来从存储器中存储的磁场数据中选择磁场数据，并使用所选择的磁场数据来校准罗盘，

其中候选位置确定器响应于第三比较器的比较结果而存在。

22.如权利要求20所述的设备，其中候选位置确定器包括：

符号检验器，其检验平均值的符号；以及

方向信息确定器，在测量磁场数据期间，其响应于符号检验器的检验结果而确定关于罗盘从中心轴移动到候选位置所沿的方向的方向信息，并输出包括该方向信息的候选位置信息，

其中，所述平均值对应于轨迹误差的平均，该轨迹误差通过从磁场轨迹减去基准曲线而获得。

23.如权利要求20所述的设备，其中候选位置确定器还包括：

乘法器，其将幅度差和偏移量差乘以预定的权重，并将包括该相乘结果的候选位置信息作为罗盘移动的距离而输出。

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