CN1680780B - 利用罗盘确定地磁场及由此确定方位角的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用罗盘确定地磁场的方法和装置和一种利用所述确定地磁场的方法和装置来确定移动物体的方位角的方法和装置。利用罗盘确定地磁场的方法包括：定义用来确定有效地磁区域的可容许磁场范围；利用罗盘计算地磁场有效性测试区域中的磁场的幅度；和如果磁场的幅度在可容许磁场范围内，则确定地磁场有效性测试区域是有效地磁区域，而如果磁场的幅度不在可容许磁场范围内，则确定施加了外部磁场干扰。因此，由于外部磁场干扰引起的罗盘的方位角的误差能被确定，因此准确地检测罗盘的有效方位角是可能的。此外，由于基于罗盘检测的磁场的变化来确定可容许磁场范围胜于简单地比较磁场和地磁场的传统方法，因此准确地确定地磁场是可能的。

Description

利用罗盘确定地磁场及由此确定方位角的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定地磁场的方法和装置以及利用上述方法和装置来确定移动物体的方位角的方法和装置，更具体地说，涉及一种通过利用罗盘确定地磁场的方法和装置以及利用上述方法和装置来确定移动物体的方位角的方法和装置。

背景技术

姿势估计对智能化例如车辆的移动物体是必须的。这种姿势估计是通过利用绝对传感器或相对传感器来实现的。如图1所示，在平面上移动的物体的姿势估计就是估计物体的位置(x，y)和物体的定向角θ。也就是说，术语“姿势”表示位置和定向。静止物体的姿势估计就是移动物体的姿势估计中的特定的一个。因此，认为静态物体就是没有失去一般性的动态物体。

用于检测例如机器人的物体的绝对位置或者姿势的绝对传感器的例子包括摄像机、激光扫描仪、声纳传感器、全球定位系统(GPS)和罗盘。另一方面，用于测量物体的相对位置的变化并且对该变化进行集成以估计该位置或者姿势的相对传感器的例子包括陀螺仪、加速度计以及里程表，其是一种用于发动机的编码器。

这些传感器具有它们自己本身的缺点和优点。摄像机对环境亮度非常敏感从而导致会得到不准确的数据。激光扫描仪能够获得稍微准确的数据，但是其价格非常昂贵。此外，在有许多障碍物的情况下，激光扫描仪是没有用处的。声纳定位仪具有较低的准确度。GPS仅仅能够用在户外，并且其准确度非常低。另一方面，由于通过相对传感器获得的变化需要进行集成，因此相对传感器必然涉及集成误差。此外，陀螺仪和加速度计具有他们自己本身的漂移误差。因此，为了补偿传感器的缺点，已经开发出了多种传感器的传感器融合(sensor fusion)，并使用其用于移动物体的姿势估计。

另一方面，罗盘是用于指示在地球上任何一个位置处的磁北的传感器。因此可以利用罗盘来稳定地获得物体的方位角。此外，通过利用罗盘与其它传感器的传感器融合，能够更加稳定地进行例如机器人的移动物体的姿势估计。然而，由于在家里和办公室里通常存在外部磁场干扰，所以通过罗盘检测的方位角可能失真。因此，已经需要处理这种失真的方位角的方法。

已经提出了用于克服由于外部磁场干扰引起的罗盘的失真的方位角的各种方法。例如，存在对罗盘进行建模(modeling)以获得罗盘的方位角的方法。然而，这些方法的有效性并没有通过任何实验获得证实。Wang Hung-de Deng在Proceedings of IEEE International Conference on IndustrialTechnology(1994)，p734-737，1994上发表的标题为“Research on HighPrecision Intelligent Digital Magnetic Heading System”的文章中揭示了这种方法的一个例子。

此外，存在利用罗盘与其它传感器的传感器融合的方法。然而，在这些方法中，并没有考虑由于外部磁场干扰引起的罗盘的方位角的失真。Roumeliotis S.I.，Sukhatme G.S.，和Bekey，G.A，在Proceedings of IEEEInternational Confefence on Robotics and Automation(1994)，p1656-1663，1999上发表的标题为Circumventing Dynamic Modeling：Evaluation of the Error-state Kalman Filter Applied to Mobile RobotLocalization，”的文章中揭示了利用传感器融合的这种方法的一个例子。

发明内容

本发明提供一种为了执行姿势估计而通过利用罗盘来确定地磁场，以便确定由该磁盘检测的方位角的有效性和确定移动物体是否位于有效地磁区域中的方法和装置。

本发明还提供一种用于通过利用罗盘来确定地磁场的方法和装置来确定移动物体的方位角的方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供一种通过利用罗盘来确定地磁场的方法，该方法包括：定义用于确定有效地磁区域的容许磁场范围；通过利用罗盘计算在地磁场有效性测试区域内的磁场的幅度；以及如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则确定地磁场有效性测试区域是有效的地磁区域，而如果磁场的幅度不在容许磁场范围之内，则确定被施加了外部磁场干扰。

容许磁场范围的限定可以包括：(a1)检测当罗盘旋转的时在假定的地磁区域内磁场的正交分量(x和y轴)的时间轨迹；(a2)通过利用磁场的水平和垂直分量的最大和最小值来计算地磁场的幅度和偏移量；(a3)如果磁场的时间轨迹接近正弦波形，则选择罗盘的当前位置作为用于限定容许磁场范围的候选位置，而如果不接近正弦波形，则改变罗盘的位置以执行(a1)至(a3)的操作；(a4)通过重复进行(a1)至(a3)的操作来产生具有预定数量的候选位置的候选位置组；(a5)计算在候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度和偏移量的平均值和方差值；以及(a6)通过从幅度和偏移量中计算地磁场的幅度的上限和下限来获得容许磁场范围。

操作(a4)可以进一步包括比较在候选位置处的地磁场的幅度和偏移量并且从候选位置组中删除具有大于预定幅度和偏移量的候选位置。

操作(a6)的地磁场的上限和下限可以通过以下步骤获得：通过利用公式3、根据磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy、幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy来计算磁场的幅度|H|：

[公式3]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{A_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{A_y}\×|H_E\left|\right]}^2,$

其中|H_E|为地磁场的幅度；

通过利用公式4，用在幅度Ax和Ay之间的误差ΔAx和ΔAy以及在真实地磁区域中的真实幅度

和来表示幅度|H|：

[公式4]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x+\mathrm{\Δ}{A}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y+\mathrm{\Δ}{A}_y}\×|H_E\left|\right]}^2$

其中误差ΔAx和ΔAy分别具有由公式5和6表示的范围：

[公式5]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x\≤\mathrm{\Δ}{A}_x\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x$

[公式6]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y\≤\mathrm{\Δ}{A}_y\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y,$

其中γ为与真实幅度和

的容许限度相关联的常数，并具有0至1的值；

通过利用公式4、5和6获得由公式7表示的容许磁场范围；

[公式7]

$\frac{1}{{(1+\mathrm{\γ})}^2}[{[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]\≤{\left|H\right|}^2$

$\≤\frac{1}{{(1-\mathrm{\γ})}^2}[{[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]$

从公式7中获取由公式8表示的容许磁场范围，

[公式8]

$\frac{1}{1+\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|\≤\left|H\right|\≤\frac{1}{1-\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|.$

可以在制造罗盘的时执行容许磁场范围的限定。

根据本发明的另一个方面，提供了一种通过利用两个罗盘来确定地磁场的方法，该方法包括：(a)为两个罗盘定义用于确定有效地磁区域的两个容许磁场范围；(b)通过利用两个罗盘来计算在地磁场有效性测试区域中的磁场的幅度；以及(c1)如果磁场的幅度不在该两个容许磁场范围之内，则确定被施加了外部磁场干扰，以及(c2)如果磁场的幅度在该两个容许磁场范围之内，则确定地磁场有效性测试区域为有效地磁区域。

操作(c2)还可以包括：如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算通过两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，并且如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的，而如果该差值不大于该预定值，则确定罗盘的地磁场是有效的。

操作(c2)还可以包括：(c2-1)如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，以及如果差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的；(c2-2)如果差值不大于预定值，则根据由两个罗盘检测的磁场的数据来计算两个罗盘的方位角的上限和下限；以及(c2-2)通过利用两个罗盘的方位角的上限和下限来确定两个罗盘的方位角是否是有效的。

两个罗盘的上限和下限可以通过以下步骤获得：通过利用公式9、根据由两个罗盘检测的磁场来计算罗盘的方位角；

[公式9]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}=\arctan \left[\frac{\frac{H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}}}{A_{\mathrm{xi}}}}{\frac{H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{yi}}}}\right]=\arctan \left[\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})}\right],$

其中i指示两个罗盘并且i是1和2；

如果装配了罗盘的物体或者机器人位于地磁区域内，那么获得由公式13表示的在地磁区域内的真实幅度的比率的上限和下限：

[公式13]

$\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}};$

当常数β_i和通过公式14定义时：

[公式14]

${\mathrm{\β}}_i\≡\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})},$ ${\widehat{\mathrm{\β}}}_i\≡\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})},$

如果H_xi-O_xi＜0，H_yi-O_yi＜0或H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＞0，则获得由公式17表示的真实方位角范围：

[公式17]

$\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right);$

如果H_xi-O_xi＜0，H_yi-O_yi＞0或H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＜0，则获得通过公式19表示的另一个真实方位角范围：

[公式19]

$\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right);$ 以及

通过利用公式20表示等式17和19的真实方位角范围：

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}.$

在操作(c2-3)中，如果通过公式20表示的两个真实方位角范围没有重叠，则由罗盘检测的地磁场可以被确定为是无效的，而如果重叠，则通过罗盘检测的地磁场可以被确定为是有效的。

当通过两个罗盘检测的地磁场被确定为有效时，通过利用两个罗盘检测方位角；以及通过对方位角进行平均来确定罗盘的最后方位角。

当通过罗盘检测的地磁场被确定是有效时，通过使用陀螺仪或者里程表来检测该物体的定向角；以及根据最接近物体的定向角的值来确定罗盘的最后方位角，其中通过以下步骤从最接近物体的定向角的值中确定最后方位角：定义由公式21表示的近似值

[公式21]

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\≡{\mathrm{\θ}}_c\left(t_{k-1}\right)+({\mathrm{\ω}}_g+\hat{b})\·\mathrm{\Δt},$

其中θ_c(t_k-1)为在前一次取样时间估计的罗盘的方位角或者估计的物体的定向角，ω_g为通过陀螺仪或者里程表检测的角速度，为估计的陀螺仪的偏差，Δt为取样时间；以及

当由公式20表示的两个真实方位角范围重叠时，

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}$

其中θ_CL1＜θ_CL2，θ_CU1＜θ_CU2，

如果近似值

在重叠范围(θ_CL2，θ_CU1)之内，则选择作为罗盘的最后方位角；如果近似值

在范围(θ_CL1，θ_CL2)之内，则选择θ_CL2作为罗盘的最后方位角；以及如果近似值

在范围(θ_CU1，θ_CU2)之内，则选择θ_CU1作为罗盘的最后方位角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种通过利用罗盘来确定地磁场的装置，该装置包括：容许磁场范围定义单元，用于定义用于确定有效地磁区域的容许磁场范围；磁场计算单元，用于计算在装配了罗盘的移动物体的位置处的磁场的幅度；磁场比较单元，用于比较磁场的幅度来确定磁场是否在容许磁场范围之内；以及地磁区域确定单元，用于如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则确定装配了罗盘的移动物体的位置是在有效地磁区域之内，而如果磁场的幅度不在容许磁场范围之内，则确定在装配了罗盘的移动物体的位置处被施加了外部磁场干扰。

容许磁场范围定义单元可以包括：磁场检测单元，用于在罗盘旋转的时候检测在假定的地磁区域中的磁场的水平分量和垂直分量的时间轨迹，并且通过利用磁场的水平分量与垂直分量的最大和最小值来计算地磁场的幅度和偏移量；候选位置组产生单元，用于如果磁场的时间轨迹近似正弦波形，则选择罗盘的当前位置作为用于定义容许磁场范围的候选位置，而如果不近似正弦波形，则改变罗盘的位置以执行磁场检测单元的检测以及候选位置确定单元的选择，并且产生具有预定数量的候选位置的候选位置组；以及容许磁场范围获取单元，用于通过计算在候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度和偏移量的平均值和方差值来获得容许磁场范围；以及根据幅度和偏移量计算地磁场的幅度的上限和下限。

候选位置组产生单元可以进一步包括：候选位置删除单元，用于比较候选位置处的地磁场的幅度和偏移量并且从候选位置组中删除具有大于预定幅度和偏移量的候选位置。

容许磁场范围定义单元可以为用于确定有效地磁区域的两个罗盘定义两个容许磁场范围；以及地磁区域确定单元可以包括第一确定单元，用于如果磁场的幅度没有在两个容许磁场范围中的一个之内，则确定在移动物体的位置处被施加了外部磁场干扰。

地磁区域确定单元还可以包括第一有效性确定单元，用于如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，并且如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的，如果该差值不大于该预定值，则确定罗盘的地磁场是有效的。

第一有效性确定单元还可以包括：第二确定单元，用于如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围两者之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，以及如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场无效；以及第二有效性确定单元，用于如果差值不大于预定值，则从由两个罗盘检测的磁场的数据中计算两个罗盘的方位角的上限和下限，并且通过利用两个罗盘的方位角的上限和下限来确定两个罗盘的方位角是否是有效的。

第二有效性确定单元可以包括：第三确定单元，用于如果两个罗盘的两个方位角范围没有重叠，则确定通过罗盘检测的地磁场是无效的；以及第三有效性确定单元，用于如果两个罗盘的两个方位角范围重叠，则确定由罗盘检测的地磁场是有效的。

该装置可以进一步包括：移动方向估计单元，用于根据地磁区域确定单元的确定结果，通过利用由罗盘检测的方位角来估计移动物体的移动方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用两个罗盘来确定物体的方位角的装置，该装置包括：方位角检测单元，用于当通过两个罗盘检测的地磁场被确定为有效的时候，通过利用两个罗盘来检测方位角；以及方位角确定单元，用于通过平均方位角来确定罗盘的最后方位角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用两个罗盘来确定物体的方位角的装置，该装置包括：定向角检测单元，用于当通过两个罗盘检测的地磁场被确定为有效的时候，通过利用陀螺仪或者里程表来检测物体的定向角；以及方位角确定单元，用于根据最接近物体的定向角的值来确定罗盘的最后方位角，其中，该最后方位角是根据最接近物体的定向角的值通过以下步骤来确定：定义由公式21表示的近似值

[公式21]

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\≡{\mathrm{\θ}}_c\left(t_{k-1}\right)+({\mathrm{\ω}}_g+\hat{b})\·\mathrm{\Δt},$

其中θ_c(t_k-1)为在前一次取样时间估计的罗盘的方位角或者估计的物体的定向角，ω_g为通过陀螺仪或者里程表检测的角速度，为估计的陀螺仪的偏差，Δt为取样时间；以及

当公式20表示的两个真实方位角重叠时，

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}$

其中θ_CL1＜θ_CL2，θ_CU1＜θ_CU2，

如果近似值在重叠范围(θ_CL2，θ_CU1)之内，则选择

作为罗盘的最后方位角；如果近似值在范围(θ_CL1，θ_CL2)之内，则选择θ_CL2作为罗盘的最后方位角；以及如果近似值

在范围(θ_CU1，θ_CU2)之内，则选择θ_CU1作为罗盘的最后方位角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种存储由计算机执行的程序的计算机可读记录介质，该程序执行根据权利要求1至12之一所述的方法。

附图说明

通过参考附图详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特征以及优点将会变得更加明显，其中：

图1为显示在平面上移动的机器人的位置(x，y)和方位角θ的视图；

图2为显示在室内空间中移动的装配了罗盘的机器人和该机器人周围的地磁场的视图；

图3为显示根据本发明的一个实施例的利用罗盘的地磁确定装置的框图；

图4为显示容许磁场范围定义单元的详细的框图；

图5为显示当罗盘在地磁区域中旋转时从由磁性传感器检测的磁场的幅度和偏移量的时间轨迹的变化中计算幅度和偏移量的平均值以及该地磁区域中的磁场的界限的方法的流程图；

图6为当罗盘旋转的同时检测的磁场的时间轨迹；

图7为显示在基准余弦曲线和在罗盘旋转的时候检测的磁场曲线之间的误差的曲线图；

图8为显示候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度的曲线图；

图9为显示候选位置组的候选位置处的地磁场的偏移量的曲线图；

图10为显示在使用两个罗盘的情况下地磁区域确定单元的详细框图；

图11为显示第一有效性确定单元的详细框图；

图12为显示第二有效性确定单元的详细框图；

图13为显示通过利用在离线阶段获得的磁场的幅度、偏移量和上下限来确定通过装配了罗盘的物体例如在工作区域内移动的装配了罗盘的机器人的罗盘指示的方位角的有效性的方法的流程图；

图14为显示通过在失真磁场中的两个罗盘指示的容许方位角范围的视图；

图15为显示通过在地磁场中的两个罗盘指示的容许方位角范围的视图；

图16为显示根据本发明的另一个实施例的利用两个罗盘确定地磁场的方法的方位角确定装置的框图；

图17为显示根据本发明的另一个实施例的利用两个罗盘确定地磁场的方法的方位角确定装置的框图；以及

图18为显示利用罗盘、陀螺仪和里程表的卡尔曼滤波器的视图。

具体实施方式

本发明和其操作上的优点能够通过参考附图和有关附图的说明的基础上得到充分的理解。本发明的示例性实施例将通过参考附图的方式来说明以详细地解释本发明。在附图中，相同的参考标号指示相同的元件。

图3为显示根据本发明的一个实施例的利用罗盘的地磁确定装置的框图。该地磁确定装置包括：容许磁场范围定义单元300、磁场计算单元320、磁场比较单元340、地磁区域确定单元360和移动方向估计单元380。

容许磁场范围定义单元300定义了用于确定有效地磁区域的容许磁场范围。该容许磁场范围定义单元300可以为用于确定有效地磁区域的至少两个罗盘(优选为两个罗盘)定义容许磁场范围。

磁场计算单元320计算在装配了罗盘的移动物体的位置处的磁场的幅度。磁场比较单元340比较磁场的幅度以确定磁场是否在容许磁场范围之内。

如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则地磁区域确定单元360确定装配了罗盘的移动物体的位置是在有效地磁区域内，并且如果不在该范围内，则确定在装配了罗盘的移动物体的该位置处被施加了外部磁场干扰。可选择地，在装配了至少两个罗盘的情况下，如果磁场的幅度在至少两个容许磁场范围之内，则地磁区域确定单元360确定装配了罗盘的移动物体的该位置是在有效地磁区域内，而如果不在该范围内，则确定在装配了罗盘的移动物体的该位置处被施加了外部磁场干扰。

图10为显示了在使用两个罗盘的情况下的地磁区域确定单元360的详细框图。该地磁区域确定单元360包括第一确定单元1000和第一有效性确定单元1010。如果磁场的幅度不在两个容许磁场范围中的一个之内，则第一确定单元1000确定在移动物体的位置处被施加了外部磁场干扰。如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围这两者之内，则第一有效性确定单元1010计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值。然后，如果该差值大于预定值，则第一有效性确定单元1010确定罗盘的地磁场无效，而如果该差值不大于该预定值，则确定罗盘的地磁场有效。

图11为显示了第一有效性确定单元1010的详细框图。第一有效性确定单元1010包括第二确定单元1100和第二有效性确定单元1110。如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围这两者之内，则第二确定单元1100计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值。然后，如果该差值大于预定值，则第二确定单元1100确定罗盘的地磁场是无效的。如果该差值不大于该预定值，则第二有效性确定单元1110根据由两个罗盘检测的磁场的数据来计算两个罗盘的方位角的上限和下限，并且通过利用两个罗盘的方位角的上限和下限，来确定两个罗盘的方位角是否是有效的。

图12为显示第二有效性确定单元1110的详细框图。第二有效性确定单元1110包括第三确定单元1200和第三有效性确定单元1210。如果两个罗盘的两个方位角范围没有重叠，那么第三确定单元1200确定罗盘检测的地磁场是无效的。如果两个罗盘的两个方位角范围重叠，那么第三有效性确定单元1210确定罗盘检测的地磁场是有效的。

移动方向估计单元380根据地磁区域确定单元360的确定结果，通过利用由罗盘检测的方位角来估计移动物体的移动方向。

图4为显示容许磁场范围定义单元300的详细框图。容许磁场范围定义单元300包括磁场检测单元400、候选位置组产生单元420、候选位置删除单元440以及容许磁场范围获得单元460。在罗盘旋转的同时，磁场检测单元400检测在预定地磁区域内的磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy的时间轨迹，并且通过利用磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy的最大和最小值来计算地磁场的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy。

如果磁场的时间轨迹近似于正弦波形，则候选位置组产生单元420选择罗盘的当前位置作为用于定义容许磁场范围的候选位置，而如果不近似于正弦波形，则改变罗盘的位置以执行磁场检测单元400的检测和候选位置确定单元420的选择，并且产生具有预定数目的候选位置的候选位置组Q。

候选位置删除单元440比较在候选位置处的地磁场的幅度Hx和Hy以及偏移量Ox和Oy，并且从候选位置组中删除具有大于预定幅度和偏移量的候选位置。

容许磁场范围获取单元460通过计算在候选位置组Q的候选位置处的地磁场的幅度Hx和Hy与偏移量Ox和Oy的平均值和方差值以及从幅度Hx和Hy与偏移量Ox和Oy中计算地磁场的幅度的上限和下限，来获得容许磁场范围。

图5为显示从当罗盘在地磁区域中旋转时由磁性传感器检测的磁场的幅度Hx和Hy以及偏移量的时间轨迹的变化中计算出幅度和偏移量的平均值以及地磁区域中的磁场的上限和下限的方法的流程图。现在，将参考图5对容许磁场范围定义单元300进行详细的说明。

最好以离线的方式执行容许磁场范围的定义过程。当罗盘或者装配了罗盘的物体在估计的地磁区域中的特定位置Pi(I＝1，2，...)处旋转时，检测并且存储在磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy上的磁场曲线数据(操作510)。磁场曲线数据为计算机可读的正二进制数据。通常，磁场曲线为具有最大和最小值Hxmax和Hxmin的近似正弦波形。在图6的曲线图中描述了水平分量和垂直分量Hx和Hy的最大和最小值Hxmax和Hxmin。然后，通过利用磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy的最大和最小值Hxmax和Hxmin来计算地磁场的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy以及在图7中显示的基准余弦曲线(操作520)。该基准余弦曲线是利用公式1和2获得。

[公式1]

$H_x=O_x+\left(\frac{H_{x\max }-H_{x\min }}{2}\right)\cos \mathrm{\θ}+e_x$

$=O_x+A_x\cos \mathrm{\θ}+e_x$

[公式2]

$H_y=O_y+\left(\frac{H_{y\max }-H_{y\min }}{2}\right)\sin \mathrm{\θ}+e_y$

$=O_y+A_y\sin \mathrm{\θ}+e_y$

这里，e_x和e_y为在基准余弦曲线和检测的磁场数据的轨迹之间的误差。通常，由于存在外部磁场干扰和测量误差，检测的磁场曲线具有失真的余弦波形。

然后，计算误差e_x和e_y的平均值和方差值。如果平均值和方差值不大于预定值，则执行下面的操作540。如果平均值和方差值大于预定值，则确定罗盘或者装配了罗盘的物体的当前位置P_i没有在地磁区域中，并且执行下面的操作590(操作530)。在操作590中，罗盘或者装配了罗盘的物体的位置改变为另一个位置P_i+1，并且重复进行前述的操作510、520和530。

下面，将描述地磁区域的候选位置的确定过程。这个过程的最好的例子在名称为“Method and Apparatus for Using Magnetic Field.”的韩国专利公开申请第P2003-0090938号中被揭示。优选地，根据实验定义预定值。

选择当前位置P_i作为候选位置组Q的一个元素(操作540)。如果候选位置组Q的元素的数量不大于预定值N，那么执行操作590。如果候选位置组Q的元素的数量大于预定值N，那么候选位置的确定过程结束，并且执行后面的操作560(操作550)。

下面，在候选位置P_i(i＝1，...，N)处的地磁场的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy、以及来自候选位置组Q的具有大于预定幅度和偏移量的候选位置(操作560)。下面将通过参考附图8和9对候选位置的删除过程进行详细的说明。图8和9为分别显示了在候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy的曲线图。

如图8所示，具有大于预定幅度的候选位置Q1、Q7、Q13、Q14、Q19、Q20和Q21被作为候选位置组Q的元素保留，而其它的候选位置从候选位置组Q中被删除。

此外，如图9所示，具有大于预定偏移量的候选位置Q1和Q2作为候选位置组Q的元素被保留下来，而其它的候选位置被从候选位置组Q中删除。用于作为候选位置的删除的基准的预定幅度和偏移量是通过实验获得的。

下面，计算候选位置组Q的候选位置处的地磁场的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy的平均值和方差值(操作570)。

如下所述地磁场的幅度|H|的上限和下限是通过利用幅度Ax和Ay的方差值获得的。首先，根据通过罗盘检测的磁场的水平分量和垂直分量Hx和Hy以及通过利用公式3在操作570中计算的幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy的平均值和方差值来计算地磁场的幅度|H|。

[公式3]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{A_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{A_y}\×|H_E\left|\right]}^2$

这里，|H_E|为依赖于罗盘或者装配了罗盘的物体的位置的地磁场的幅度。在韩国，地磁场的幅度为大约0.3高斯。然而，确切的幅度由在罗盘或者装配了罗盘的物体附近的磁性材料引起的外部磁场干扰或者测量误差决定。此外，在公式3中的幅度Ax和Ay和在真实地磁区域中的真实幅度和

之间存在误差ΔAx和ΔAy。通过利用公式4使用误差ΔAx和ΔAy表示幅度|H|。

[公式4]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x+\mathrm{\Δ}{A}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y+\mathrm{\Δ}{A}_y}\×|H_E\left|\right]}^2$

这里，假定误差ΔAx和ΔAy分别具有公式5和6表示的范围。

[公式5]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x\≤\mathrm{\Δ}{A}_x\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x$

[公式6]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y\≤\mathrm{\Δ}{A}_y\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y$

这里，γ为与真实幅度和的允许的界限相关联的常数并且具有0至1的值。公式7表示的容许磁场范围是通过利用公式4、5和6获得的。

『公式7』

$\frac{1}{{(1+\mathrm{\γ})}^2}[{[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]\≤{\left|H\right|}^2$

$\≤\frac{1}{{(1-\mathrm{\γ})}^2}\left[\right[{\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×\left|H_E\right|]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]$

将公式7表示的容许磁场范围简化为公式8。容许磁场范围显示了在与候选位置组Q相关联的区域中的估计的地磁场的上限和下限。

[公式8]

$\frac{1}{1+\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|\≤\left|H\right|\≤\frac{1}{1-\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|.$

由于在候选位置组Q的候选位置处的偏移量之间的误差并不大，因此上面的说明是根据在候选位置处的幅度之间的误差作出的。然而，该说明能够被概括为在偏移量之间的误差。

代替根据图5的流程图的方法，仅仅在产品出厂之前，将地磁场上的数据输入到罗盘或者装配了罗盘的物体上。然而，由于利用罗盘或者装配了罗盘的物体例如装配了罗盘的机器人不能获得准确的结果，所以根据图5的流程图的方法能够显示更准确的结果。

图13为显示了通过利用在离线状态下获得的磁场的幅度、偏移量以及上限和下限确定通过在工作区域中移动的装配了罗盘的物体例如装配了罗盘的机器人的罗盘指示的方位角的有效性的方法的流程图。

首先，磁场上的数据是通过两个罗盘、陀螺仪和里程表检测的(操作1300)。磁场的幅度是根据两个罗盘检测的磁场的数据利用公式3计算出来的(操作1310)。确定在操作1310中计算的磁场的幅度是否在利用公式8获得的容许磁场范围之内。如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则执行后面的操作1330，如果不在这个范围之内，则确定在罗盘的当前位置处的地磁场是无效的(操作1320)。

计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的，而如果不大于预定值，则执行后面的操作1340(操作1330)。

[公式9]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}=\arctan \left[\frac{\frac{H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}}}{A_{\mathrm{xi}}}}{\frac{H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{yi}}}}\right]=\arctan \left[\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})}\right],$

这里，i指示两个罗盘，以及其值是1和2。如果装配了罗盘的物体或者机器人位于地磁区域中，则如下面的公式10和11获得在地磁区域中的幅度Ax和Ay的上限和下限。

[公式10]

$(1-\mathrm{\γ}){\hat{A}}_{\mathrm{xi}}\≤A_{\mathrm{xi}}\≤(1+\mathrm{\γ}){\hat{A}}_{\mathrm{xi}}$

[公式11]

$(1-\mathrm{\γ}){\hat{A}}_{\mathrm{yi}}\≤A_{\mathrm{yi}}\≤(1+\mathrm{\γ}){\hat{A}}_{\mathrm{yi}}$

根据公式10和11，如下面的公式12获得幅度Ax和Ay的比率的上限和下限。

[公式12]

$\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}}$

在真实地磁区域中的真实幅度

和的比率的上限和下限是根据公式12获得的。结果由公式13表示：

[公式13]

$\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}}.$

下面，常数β_i和

通过公式14进行限定：

[公式14]

${\mathrm{\β}}_i\≡\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})},$ ${\widehat{\mathrm{\β}}}_i\≡\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})}.$

由于罗盘的方位角是根据在地磁区域中的磁场的真实幅度和偏移量获得的，所以罗盘的真实方位角

如下描述的那样通过常数来表示。

[公式15]

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}=\arctan {\widehat{\mathrm{\β}}}_i$

然而，磁场的真实幅度和偏移量知道的不够精确。因此真实幅度和偏移量可以用如下表示的容许范围表示。

如果H_xi-O_xi＜0，H_yi-O_yi＜0并且H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＞0，则满足公式16。

[公式16]

$\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\≤{\widehat{\mathrm{\β}}}_i\≤\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i$

根据公式16，可以获得如下的真实方位角范围。

[公式17]

$\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)$

如果H_xi-O_xi＜0，H_yi-O_yi＞0并且H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＜0，那么满足公式18。

[公式18]

$\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\≤{\widehat{\mathrm{\β}}}_i\≤\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i$

根据公式18，获得如下的真实方位角范围。

[公式19]

$\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)$

公式17和19可以简化为公式20。

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}$

通过利用两个真实方位角范围确定罗盘的方位角是否是有效的(步骤1350)。如图4所示，如果公式20表示的两个真实方位角范围不重叠，则罗盘的概率是在地磁区域内，因此确定罗盘检测的地磁场是无效的。如图5所示，如果两个真实方位角范围重叠，则执行后面的操作1360以获得罗盘的最后方位角。

图16为显示根据本发明的前述实施例通过利用两个罗盘确定地磁场的方法的方位角确定装置的框图。

方位角确定装置包括方位角检测单元1600和方位角确定单元1610。当通过两个罗盘检测的地磁场被确定为有效时，则获得两个罗盘的方位角。方位角确定单元1610通过对方位角进行平均来确定罗盘的最后方位角。

图17为显示根据本发明的另一个实施例的利用两个罗盘确定地磁场的方法的方位角确定装置的框图。方位角确定装置包括定向角检测单元1700和方位角确定单元1710。如果两个罗盘检测的地磁场被确定为有效时，则定向角检测单元1700通过陀螺仪或者里程表检测物体的定向角。方位角确定单元1710根据最接近物体的定向角的值来确定罗盘的最后方位角。

如图16和17所示，罗盘的最后方位角可以通过对罗盘的方位角进行平均或通过利用最接近于陀螺仪或者里程表检测的物体的定向角的值来确定(操作1360)。平均值包括算术平均值、几何平均值、调和平均值和利用概率分布的平均值。

更具体地说，如下所述根据最接近物体的定向角的值确定最后方位角。首先，定义公式21表示的近似值

[公式21]

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\≡{\mathrm{\θ}}_c\left(t_{k-1}\right)+({\mathrm{\ω}}_g+\hat{b})\·\mathrm{\Δt}$

这里，其中θ_c(t_k-1)为在前一次取样时间罗盘的估计的方位角或者物体的估计的定向角，ω_g为通过陀螺仪或者里程表检测的角速度，为陀螺仪的估计的偏差，Δt为取样时间。

然后，通过以下步骤来确定最后方位角：如果近似值在重叠范围A(θ_CL2，θ_CU1)之内，则选择作为罗盘的最后方位角；如果近似值

在范围B(θ_CL1，θ_CL2)之内，则选择θ_CL2作为罗盘的最后方位角；以及如果近似值在范围C(θ_CU1，θ_CU2)之内，

则选择θ_CU1作为罗盘的最后方位角。

如上所述，当罗盘的方位角被确定为有效时，通过选择罗盘的最后方位角作为图18所示的卡尔曼滤波器的输入来估计物体的最佳移动方向。另一方面，当罗盘的方位角被确定为无效时，最优移动方向可以通过以下的步骤来估计：如果陀螺仪和里程表的角速度之间的差值不大于预定值，则选择从由里程表检测的定向角中获得的方位角作为卡尔曼滤波器的输入；或如果陀螺仪和里程表的角速度之间的差值大于预定值，则选择从陀螺仪检测的定向角中获得的方位角作为卡尔曼滤波器的输入。

根据本发明，由于能够确定外部磁场干扰引起的罗盘的方位角的误差，所以准确地检测罗盘的有效方位角是可能的。

此外，由于根据罗盘检测的磁场的变化确定容许磁场范围胜于简单比较磁场和地磁场的传统方法，因此准确地确定地磁场是可能的。

此外，由于在几个罗盘的容许磁场范围重叠的情况下确定有效地磁场胜于可能会引起外部磁场干扰与地磁场之间混淆的传统方法，因此准确地确定地磁场是可能的。

此外，由于准确地检测罗盘的方位角与在罗盘、陀螺仪和里程表的传感器融合中的陀螺仪和里程表的角速度结合在一起，因此即使在存在外部磁扰的情况下得到准确的地磁场也是可能的。

此外，根据本发明的用于确定地磁场的方法和装置适于控制装配了罗盘的机器人或者装配了罗盘的车辆。

此外，根据本发明通过利用确定罗盘有效性的规则增强卡尔曼滤波器的性能是可能的。

此外，由于能够有效的获得“偏航”角和在3D角上的鲁棒性数据(robustdata)，因此本发明适合于用于绝对位置确定和姿势估计的各种应用是可能的。这些应用的例子包括自治的智能车辆、汽车导航系统、医疗机器人、虚拟现实(VR)系统、表演会、无人车辆系统(UVS)以及个人导航系统(PSN)。

本发明也能够具体化为在计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是能够存储数据并且在之后可以通过计算机系统读出的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROMs、磁带、软盘存储设备以及载波(例如通过网络传递数据)。

由于已经参考示例性实施例对本发明进行了具体的显示和说明，因此本领域普通技术人员能够理解在不脱离附属的权利要求确定的本发明的精神和范围的条件下可以对本发明进行形式和细节上的不同改变。示例性实施例仅仅作为对本发明的描述并不作为对本发明的限定。因此本发明的范围不是通过本发明的详细说明限定的，而是通过附属的权利要求限定的，在范围内的所有差异都可以解释为包括在本发明中。

Claims (22)

1.一种通过利用罗盘来确定地磁场的方法，包括：

定义用于确定有效地磁场区域的容许磁场范围；

通过利用罗盘计算地磁场有效性测试区域中的磁场的幅度；以及

如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则确定地磁场有效性测试区域是有效的地磁区域，而如果磁场的幅度不在容许磁场范围之内，则确定施加了外部磁场干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，定义容许磁场范围包括：

(a1)检测当罗盘旋转时在预定地磁区域中的磁场的水平分量和垂直分量的时间轨迹；

(a2)通过利用磁场中的水平和垂直分量的时间轨迹的最大和最小值来计算地磁场的幅度(Ax，Ay)和偏移量(Ox，Oy)；

(a3)如果磁场曲线接近正弦波形，那么选择罗盘的当前位置作为用于限定容许磁场范围的候选位置，而如果不接近正弦波形，那么改变罗盘的位置以执行操作(a1)至(a3)；

(a4)通过重复操作(a1)至(a3)产生具有预定数量的候选位置的候选位置组；

(a5)计算在候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度和偏移量的平均值和方差值；以及

(a6)通过从幅度和偏移量中计算地磁场的幅度的上限和下限来获取容许磁场范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，操作(a4)进一步包括：比较在候选位置之中的地磁场的幅度和偏移量并且从候选位置组中删除具有大于预定幅度和偏移量的候选位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过利用公式3根据磁场的水平和垂直分量Hx和Hy、幅度Ax和Ay以及偏移量Ox和Oy计算磁场的振幅|H|来获得操作(a6)的地磁场的上限和下限：

[公式3]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{A_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{A_y}\×|H_E\left|\right]}^2,$

其中|H_E|为地磁场的幅度；

通过利用公式4，用在幅度Ax和Ay之间的误差ΔAx和ΔAy以及在真实地磁区域中的真实幅度

和

来表示幅度|H|：

[公式4]

${\left|H\right|}^2={[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x+{\mathrm{\ΔA}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y+{\mathrm{\ΔA}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2$

其中误差ΔAx和ΔAy分别具有由公式5和6表示的范围：

[公式5]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x\≤\mathrm{\Δ}{A}_x\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_x$

[公式6]

$-\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y\≤\mathrm{\Δ}{A}_y\≤\mathrm{\γ}{\hat{A}}_y$

其中γ为与真实幅度和

的容许限度相关联的常数并具有0至1的值；

通过利用公式4、5和6获取由公式7表示的容许磁场范围；

[公式7]

$\frac{1}{{(1+\mathrm{\γ})}^2}[{[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]\≤{\left|H\right|}^2$

$\≤\frac{1}{{(1+\mathrm{\γ})}^2}[{[\frac{H_x-O_x}{{\hat{A}}_x}\×|H_E\left|\right]}^2+{[\frac{H_y-O_y}{{\hat{A}}_y}\×|H_E\left|\right]}^2]$

从公式7中获取由公式8表示的容许磁场范围，

[公式8]

$\frac{1}{1+\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|\≤\left|H\right|\≤\frac{1}{1-\mathrm{\γ}}\left|H_E\right|.$

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在制造罗盘时执行容许磁场范围的定义。

6.一种通过利用两个罗盘来确定地磁场的方法，包括：

(a)为两个罗盘定义用于确定有效地磁区域的两个容许磁场范围；

(b)通过利用两个罗盘来计算地磁场有效性测试区域中的磁场的幅度；以及

(c1)如果磁场的幅度不在该两个容许磁场范围之内，则确定被施加了外部磁场干扰，以及

(c2)如果磁场的幅度在该两个容许磁场范围之内，则确定地磁场有效性测试区域是有效的地磁区域。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中操作(c2)还包括：

如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算通过两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，并且如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的，而如果该差值不大于该预定值，则确定罗盘的地磁场是有效的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，操作(c2)还包括：

(c2-1)如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，以及如果差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的；

(c2-2)如果差值不大于预定值，则根据由两个罗盘检测的磁场数据来计算两个罗盘的方位角的上限和下限；以及

(c2-3)通过利用两个罗盘的方位角的上限和下限来确定两个罗盘的方位角是否是有效的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，两个罗盘的上限和下限是通过以下步骤获得：

通过利用公式9，根据由两个罗盘检测的磁场来计算罗盘的方位角：

[公式9]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}=\arctan \left[\frac{\frac{H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}}}{A_{\mathrm{xi}}}}{\frac{H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{yi}}}}\right]=\arctan \left[\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})}\right],$

其中i指示两个罗盘并且为1和2；

如果装配了罗盘的物体或者机器人位于有效地磁区域内，那么获得由公式13表示的在地磁区域内的真实幅度的比率的上限和下限；

[公式13]

$\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}}\≤\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}\frac{A_{\mathrm{yi}}}{A_{\mathrm{xi}}};$

当常数β_i和通过公式14定义的时候：

[公式14]

${\mathrm{\β}}_i\≡\frac{A_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{A_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})},$ ${\widehat{\mathrm{\β}}}_i\≡\frac{{\hat{A}}_{\mathrm{yi}}(H_{\mathrm{xi}}-O_{\mathrm{xi}})}{{\hat{A}}_{\mathrm{xi}}(H_{\mathrm{yi}}-O_{\mathrm{yi}})},$

如果H_xi-O_x1＜0，H_yi-O_yi＜0或H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＞0，则获得由公式17表示的真实方位角范围：

[公式17]

$\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right);$

如果H_xi-O_xi＜0，H_yi-O_yi＞0或H_xi-O_xi＞0，H_yi-O_yi＜0，那么获得通过公式19表示的另一个真实方位角范围：

[公式19]

$\arctan \left(\frac{1+\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right)\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤\arctan \left(\frac{1-\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}_i\right);$ 以及

通过利用公式20表示等式17和19的真实方位角范围：

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}.$

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在操作(c2-3)中，如果由公式20表示的两个真实方位角是不重叠的，则由罗盘检测的地磁场被确定为是无效的，而如果两个真实方位角重叠，则由罗盘检测的地磁场被确定为是有效的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

当确定由两个罗盘检测的地磁场是有效时，则利用该两个罗盘检测方位角；以及

通过平均方位角来确定罗盘的最后方位角。

12.根据权利要求10所述的方法，其中：

当由罗盘检测的地磁场被确定为有效时，利用陀螺仪或者里程表检测该物体的定向角；以及

根据最接近物体的定向角的值来确定罗盘的最后方位角，

其中最后方位角是从最接近物体的定向角的值中通过下面的步骤来确定的：

定义由公式21表示的近似值

[公式21]

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\≡{\mathrm{\θ}}_c\left(t_{k-1}\right)+({\mathrm{\ω}}_g+\hat{b})\·\mathrm{\Δt}$

其中θ_c(t_k-1)为在前一次取样时间估计的罗盘的方位角或者估计的物体的定向角，ω_g为通过陀螺仪或者里程表检测的角速度，为估计的陀螺仪的偏差，Δt为取样时间；以及

当由公式20表示的两个真实方位角范围重叠时，

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}$

其中θ_CL1＜θ_CL2，θ_CU1＜θ_CU2，

如果近似值在重叠范围(θ_CL2，θ_CU1)之内，则选择作为罗盘的最后方位角；如果近似值

在范围(θ_CL1，θ_CL2)之内，则选择θ_CL2作为罗盘的最后方位角；以及如果近似值

在范围(θ_CU1，θ_CU2)之内，则选择θ_CU1作为罗盘的最后方位角。

13.一种通过利用罗盘来确定地磁场的装置，包括：

容许磁场范围定义单元，用于定义用于确定有效地磁区域的容许磁场范围；

磁场计算单元，用于计算在装配了罗盘的移动物体的位置处的磁场的幅度；

磁场比较单元，用于比较磁场的幅度来确定磁场是否在容许磁场范围之内；以及

地磁区域确定单元，用于如果磁场的幅度在容许磁场范围之内，则确定装配了罗盘的移动物体的位置是在有效地磁区域之内，而如果磁场的幅度不在容许磁场范围之内，则确定在装配了罗盘的移动物体的位置处被施加了外部磁场干扰。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，该容许磁场范围定义单元包括：

磁场检测单元，用于在罗盘旋转的时候检测在预定地磁区域中的磁场的水平分量和垂直分量(Hx，Hy)的时间轨迹，并且通过利用磁场的水平分量与垂直分量的最大和最小值来计算地磁场的幅度和偏移量；

候选位置组产生单元，用于如果磁场的时间轨迹近似正弦波形，则选择罗盘的当前位置作为用于定义容许磁场范围的候选位置，而如果磁场的时间轨迹不近似正弦波形，则改变罗盘的位置以执行磁场检测单元的检测以及候选位置确定单元的选择，并且产生具有预定数量的候选位置的候选位置组；以及

容许磁场范围获取单元，用于通过计算在候选位置组的候选位置处的地磁场的幅度和偏移量的平均值和方差值来获得容许磁场范围；以及根据幅度和偏移量来计算地磁场的幅度的上限和下限。

15.根据权利要求14所述的装置，其中候选位置组产生单元进一步包括：候选位置删除单元，用于比较候选位置处的地磁场的幅度和偏移量并且从候选位置组中删除具有大于预定幅度和偏移量的候选位置。

16.根据权利要求13所述的装置，

其中容许磁场范围定义单元为用于确定有效地磁区域的两个罗盘定义两个容许磁场范围；

其中所述地磁区域确定单元包括：

第一确定单元，用于如果磁场的幅度没有在两个容许磁场范围中的一个之内，则确定在移动物体的位置处被施加了外部磁场干扰。

17.根据权利要求16所述的装置，

其中地磁区域确定单元还包括：

第一有效性确定单元，用于如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，并且如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场是无效的，而如果该差值不大于该预定值，则确定罗盘的地磁场是有效的。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，第一有效性确定单元还包括：

第二确定单元，用于如果磁场的幅度都在两个容许磁场范围之内，则计算由两个罗盘检测的磁场的幅度之间的差值，以及如果该差值大于预定值，则确定罗盘的地磁场无效；以及

第二有效性确定单元，用于如果差值不大于预定值，则从由两个罗盘检测的磁场的数据中计算两个罗盘的方位角的上限和下限，并且通过利用两个罗盘的方位角的上限和下限来确定两个罗盘的方位角是否是有效的。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，第二有效性确定单元包括：

第三确定单元，用于如果两个罗盘的两个方位角范围没有重叠，则确定通过罗盘检测的地磁场是无效的；以及

第三有效性确定单元，用于如果两个罗盘的两个方位角范围重叠，则确定由罗盘检测的地磁场是有效的。

20.根据权利要求13所述的装置，其中，该装置进一步包括：移动方向估计单元，用于根据地磁区域确定单元的确定结果，通过利用由罗盘检测的方位角来估计移动物体的移动方向。

21.一种利用两个罗盘来确定物体的方位角的装置，包括：

方位角检测单元，用于当根据权利要求13的装置确定通过两个罗盘检测的地磁场是有效的时候，通过利用两个罗盘检测方位角；以及

方位角确定单元，用于通过对方位角求平均来确定罗盘的最后方位角。

22.一种利用两个罗盘来确定物体的方位角的装置，包括：

定向角检测单元，当根据权利要求13的装置确定通过两个罗盘检测的地磁场是有效时，通过利用陀螺仪或者里程表来检测物体的定向角；以及

第二方位角确定单元，用于根据最接近物体的定向角的值确定罗盘的最后方位角，

其中最后方位角是根据最接近物体的定向角的值通过以下步骤确定的：定义公式21表示的近似值

[公式21]

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\≡{\mathrm{\θ}}_c\left(t_{k-1}\right)+({\mathrm{\ω}}_g+\hat{b})\·\mathrm{\Δt}$

其中θ_c(t_k-1)为在前一次取样时间处估计的罗盘的方位角或者估计的物体的定向角，ω_g为通过陀螺仪或者里程表检测的角速度，为估计的陀螺仪的偏差，Δt为取样时间；以及

当由公式20表示的两个真实方位角范围重叠的时候，

[公式20]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CLi}}\≤{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ci}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CUi}}$

其中θ_CL1＜θ_CL2，θ_CU1＜θ_CU2，

如果近似值

在重叠范围(θ_CL2，θ_CU1)之内，则选择

作为罗盘的最后方位角；如果近似值在范围(θ_CL1，θ_CL2)之内，则选择θ_CL2作为罗盘的最后方位角；以及如果近似值

在范围(θ_CU1，θ_CU2)之内，则选择θ_CU1作为罗盘的最后方位角。

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