DE102012011632A1

DE102012011632A1 - Motion- and attitude-sensing system for use in e.g. cellular telephone, for sensing attitude of rigid object in space, has three-axis magnetic compass to provide signals associated with change in attitude of electronic device

Info

Publication number: DE102012011632A1
Application number: DE102012011632A
Authority: DE
Inventors: Yang Zhao; Dong An
Original assignee: Memsic Inc
Current assignee: Memsic Inc
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-01-31
Also published as: JP2013029512A

Abstract

The system has a three-axis accelerometer to provide a set of signals associated with a change in attitude of an electronic device e.g. cellular telephone (30), and a three-axis magnetic compass, to provide another set of signals associated with the change in attitude of the device. A signal processing unit processes the two sets of signals to provide attitude angle and rotational angle velocity signal data. A data processing unit calculates a pitch angle, roll angle, yaw angle and angular rotation about an X-axis, Y-axis and Z-axis. Independent claims are also included for the following: (1) a system for generating input signals to an application program, comprising a memory (2) a method for providing input signals (3) a method for determining inertial attitude and/or change in inertial attitude of an object.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Eingabetechnologie für elektronische Vorrichtungen und insbesondere eine elektronische Vorrichtung oder Einrichtung, die ausgelegt ist zum Erzeugen von Winkelraten und dynamischen Raumstellungswinkeln unter Verwendung eines Dreiachsenmagnetometers und eines Dreiachsenakzelerometers zum Erzeugen von Eingabesignalen entsprechend ihrer Raumstellung oder Raumstellungsänderung oder Winkelraten für ein Anwendungsprogramm, das in der elektronischen Vorrichtung selbst ausgeführt wird.The invention relates to an input device for electronic devices, and more particularly to an electronic device designed to generate angular rates and dynamic attitude angles using a three axis magnetometer and a three axis accelerometer to generate input signals corresponding to their spatial position or spatial position change or angular rates for an application program disclosed in US Pat the electronic device itself is executed.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Tragbare Vorrichtungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, tragbare drahtlose Vorrichtungen, beispielsweise Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, Schnurlostelefone, Textnachrichtenvorrichtungen (text messaging devices), Pager, Talk-Radio-Geräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs), tragbare Spiele und dergleichen mehr, werden im Alltagsleben in zunehmendem Maße verwendet. Ergeben sich technologische Weiterentwicklungen, so integrieren tragbare elektronische Vorrichtungen mehr und mehr Anwendungen, während gleichzeitig Größe und Gewicht abnehmen. Üblicherweise machen die Anwenderschnittstelle und die Energiequelle den Großteil des Volumens und Gewichtes der tragbaren Vorrichtung aus.Wearable devices and in particular, but not exclusively, portable wireless devices, such as cellular phones, cell-based phones, cordless telephones, text messaging devices, pagers, talk-radio devices, portable navigation systems, portable music players, portable video players, portable multimedia devices, personal digital Assistants (PDAs), portable games and the like more are being increasingly used in everyday life. As technology advances, portable electronic devices are integrating more and more applications while decreasing size and weight. Typically, the user interface and the power source make up the majority of the volume and weight of the portable device.

Die Anwenderschnittstelle einer tragbaren Vorrichtung und insbesondere der Signaleingabeabschnitt der Anwenderschnittstelle ist mit Blick auf die Bedienung und Bedienbarkeit der tragbaren Vorrichtung von äußerster Wichtigkeit. Üblicherweise wird eine anwenderseitige Befehlseingabe und Dateneingabe in tragbare Vorrichtungen unter Verwendung von Eingabevorrichtungen vorgenommen, so beispielsweise einer Tastatur oder einem Tastenfeld (keypad), einer Maus, einem Joystick, einem Schreibstift oder einem digitalen Stift oder einer Geste unter Verwendung der Vorrichtung selbst. Zum Scrollen und zur Menünavigation können Pfeiltasten, Daumenräder bzw. Thumbwheels, Spielsteuerungen bzw. Game-Handles und andere Vorrichtungen in die tragbaren Vorrichtungen aufgenommen werden.The user interface of a portable device, and particularly the signal input section of the user interface, is of utmost importance in view of the operation and operability of the portable device. Conventionally, user-side command input and data entry into portable devices is made using input devices such as a keyboard or keypad, mouse, joystick, stylus or digital pen or gesture using the device itself. For scrolling and for menu navigation, arrow keys, thumbwheels, game handles, and other devices may be included in the portable devices.

Werden die tragbaren Vorrichtungen jedoch raffinierter und kleiner, so können traditionelle Tastenfelder (keypad), Pfeiltasten, Daumenräder bzw. Thumbwheels oder Digitalschreibstift-/Stifteingaben unbequem, unpraktikabel oder lästig werden, wenn die Computerteile zu klein sind. Kompliziertere Menüs, dreidimensionale Karten und hochentwickelte Spiele, die eine ausgefeilte Navigation erfordern, verschärfen das Problem.However, as the portable devices become more sophisticated and smaller, traditional keypads, arrow keys, thumbwheels, or digital pen / pen inputs can become inconvenient, impractical, or annoying if the computer parts are too small. More complicated menus, three-dimensional maps and sophisticated games requiring sophisticated navigation add to the problem.

Die Entwicklung von Bewegungserfassungsvorrichtungen, so beispielsweise von Akzelerometern, Gyroskopen und dergleichen, sowie ihre Integration in eine tragbare Vorrichtung sind bereits vorgeschlagen worden, um Eingabesignaldaten in Bezug auf die Bewegung für Anwendungen, die in die tragbare Vorrichtung eingebettet sind, zu erzeugen. Akzelerometer messen eine spezifische Kraftbeschleunigung, das heißt eine „Gesamtbeschleunigung”, die die Schwerkraftbeschleunigung beinhaltet. Üblicherweise misst ein Dreiachsenakzelerometer drei senkrechte Komponenten des Gesamtbeschleunigungsvektors. Magnetometer sind exemplarische Magnetfelderfassungsvorrichtungen, die die Intensität und/oder Richtung eines Lokalmagnetfeldes messen. Dreiachsenmagnetometer erfassen die Intensität und/oder Richtung eines einfallenden Magnetfeldes durch Messen von lokalen x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsen-Komponenten des Magnetfeldvektors.The development of motion sensing devices, such as accelerometers, gyroscopes, and the like, as well as their integration into a handheld device have already been proposed to generate input signal data related to motion for applications embedded in the handheld device. Accelerometers measure a specific force acceleration, that is a "total acceleration", which includes the gravitational acceleration. Typically, a three-axis accelerometer measures three perpendicular components of the total acceleration vector. Magnetometers are exemplary magnetic field sensing devices that measure the intensity and / or direction of a local magnetic field. Three-axis magnetometers detect the intensity and / or direction of an incident magnetic field by measuring local x-axis, y-axis, and z-axis components of the magnetic field vector.

Ein Magnetkompass ist eine Vorrichtung, die zur Bereitstellung eines Richtungswinkels in Bezug auf den Erdmagnetnordpol fähig ist. Ein einfacher Magnetkompass kann eine einfache Magnetfelderfassungsvorrichtung sein, die, wenn sie in einer ebenen Ebene angeordnet ist, einen Richtungswinkel, das heißt eine Kurssteuerung („heading”), zum Erdmagnetnordpol bereitstellt. Ein Ratengyroskop ist eine besondere Vorrichtung, die eine Winkelrate misst, die auf eine Empfindlichkeitsachse aufgetragen wird.A magnetic compass is a device capable of providing a directional angle with respect to the magnetic north pole. A simple magnetic compass may be a simple magnetic field sensing device that, when located in a planar plane, provides a heading angle, that is, a heading to the magnetic north pole. A rate gyroscope is a special device that measures an angular rate that is plotted on a sensitivity axis.

In jüngster Zeit sind allgemein MEMS-Akzelerometer (Microelectromechanical Systems MEMS, mikroelektromechanische Systeme) kombiniert worden, um einen „E-Kompass” oder „Digitalkompass” oder „Orientierungssensor” zu bilden. Beschleunigungsdaten werden verwendet, um Roll- und Nickwinkel zu berechnen. Des Weiteren werden berechnete Roll- und Nickwinkel verwendet, um die Erdmagnetfeldmessdaten, die von dem Magnetometer erfasst und in dem Trägerkörperbezugsrahmen gemessen werden, in Magnetfeldmessdaten in einem Lokalebenenbezugsrahmen umzuwandeln. Die Magnetfeldmessdaten in einem Lokalebenenbezugsrahmen werden verwendet, um das Gieren, beispielsweise den Kurssteuerwinkel, zu berechnen.More recently, microelectromechanical systems (MEMS) accelerometers have been generally combined to form an "e-compass" or "digital compass" or "orientation sensor". Acceleration data is used to calculate roll and pitch angles. Furthermore, calculated roll and pitch angles are used to convert the earth magnetic field measurement data acquired by the magnetometer and measured in the carrier body reference frame into magnetic field measurement data in a local plane reference frame. The magnetic field measurement data in a local-level reference frame is used to calculate the yaw, for example the heading angle.

Das US-Patent mit der Nummer 7,138,979 von Robin et el. offenbart beispielsweise Verfahren und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignalen auf Grundlage der Orientierung der tragbaren Vorrichtung. Robin offenbart die Verwendung von Kameras, Gyroskopen und/oder Akzelerometern zur Erfassung einer Änderung der räumlichen Orientierung der Vorrichtung und zudem zur Erzeugung von Positionssignalen, die jene Änderung angeben. Robin zufolge kann das Eingabesignal zur Bewegung eines Cursors, zur Bedienung eines Spielelementes und dergleichen mehr verwendet werden. The U.S. Patent No. 7,138,979 Robin et al., for example, discloses methods and systems for generating input signals based on the orientation of the portable device. Robin discloses the use of cameras, gyroscopes and / or accelerometers to detect a change in the spatial orientation of the device and also to generate position signals indicative of that change. According to Robin, the input signal can be used to move a cursor, to operate a game element and the like.

Die Veröffentlichung der US-Patentanmeldung mit der Nummer 2006/0046848 von Abe et al. offenbart ein Spiel, das zum Spielen auf einer tragbaren Vorrichtung geeignet ist, die einen Vibrationsgyroskopsensor beinhaltet. Der Vibrationsgyroskopsensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit aus einer Vibrationsänderung infolge von Coriolis-Kräften, die in Reaktion auf eine Änderung der Orientierung wirken. Entsprechend der Lehre von Abe erfasst der Gyroskopsensor eine Winkeldrehgeschwindigkeit um eine Achse senkrecht zum Anzeigeschirm des Spieles. Aus Winkelgeschwindigkeitsdaten werden zweidimensionale Winkel der Drehdaten berechnet.Publication of U.S. Patent Application No. 2006/0046848 to Abe et al. discloses a game that is suitable for playing on a portable device that includes a vibrating gyroscope sensor. The vibratory gyroscope sensor detects an angular velocity from a vibration change due to Coriolis forces acting in response to a change in orientation. In accordance with the teachings of Abe, the gyroscope sensor detects angular angular velocity about an axis perpendicular to the display screen of the game. From angular velocity data, two-dimensional angles of the rotation data are calculated.

Die bei Robin und Abe offenbarten Gyroskopsensoren sind jedoch kostenintensiv und bezüglich Abmessung und Gewicht vergleichsweise groß. Robin und Abe befassen sich zudem mit der zweidimensionalen „Orientierung” der tragbaren Vorrichtung und nicht mit der dreidimensionalen „Raumstellung” der tragbaren Vorrichtung. Es ist daher wünschenswert, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignaldaten über die dreidimensionale Raumstellung einer tragbaren Vorrichtung bereitzustellen. Es ist zudem wünschenswert, Vorrichtungen und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignaldaten bereitzustellen, die wirtschaftlicher, im Vergleich kleiner und im Vergleich leichter als herkömmliche Vorrichtungen mit Gyroskopsensoren sind.However, the gyroscope sensors disclosed by Robin and Abe are costly and comparatively large in size and weight. Robin and Abe are also concerned with the two-dimensional "orientation" of the portable device and not with the three-dimensional "attitude" of the portable device. It is therefore desirable to provide methods, apparatus and systems for generating input signal data about the three-dimensional spatial position of a portable device. It is also desirable to provide devices and systems for generating input signal data which are more economical, smaller in comparison and lighter in weight than conventional gyroscopic device devices.

Gyroskope sind traditionellerweise eine wesentliche Komponente von trägheitsbasierten Raumstellungserfassungssystemen und stellen Winkelrate und Dynamikwinkel bereit. Der Einbau von Dreiachsengyroskopen kann jedoch Kosten, Energieverbrauch und Größe merklich steigern, was in batteriebetriebenen tragbaren Vorrichtungen nicht erwünscht ist. Darüber hinaus bringen aktuelle Low-End-MEMS-Gyroskope selbst vielerlei Leistungsprobleme, so beispielsweise eine Bias-Drift, und verfügen noch nicht über den Grad an Reife wie Magnetometer und Akzelerometer für tragbare elektronische Unterhaltungsgerätesysteme. Entsprechend der vorliegenden Erfindung können Winkelrate und Dynamikwinkel unter Verwendung eines elektronischen Kompasses erfasst werden, was nachstehend noch beschrieben wird.Gyroscopes are traditionally an essential component of inertial-based spatial position sensing systems and provide angular rate and dynamic angle. However, the incorporation of three-axis gyroscopes can significantly increase cost, power consumption, and size, which is undesirable in battery powered portable devices. In addition, current low-end MEMS gyroscopes themselves bring many performance issues, such as bias drift, and do not yet have the degree of maturity, such as magnetometers and accelerometers for portable electronic entertainment device systems. According to the present invention, angular rate and dynamic angle can be detected by using an electronic compass, which will be described later.

Vorteilhafterweise kann im Gegensatz zu Gyroskopen ein elektronischer Kompass eine Gier-, Nick- und Rollwinkelrate wie auch eine trägheitsbasierte Raumstellungsposition erfassen. Gyroskope stellen keine absolute Winkelpositionsinformation, sondern vielmehr nur eine relative Änderung einer Winkelpositionsinformation bereit.Advantageously, in contrast to gyroscopes, an electronic compass can detect a yaw, pitch and roll angular rate as well as an inertia-based spatial position. Gyroscopes do not provide absolute angular position information, but rather provide only a relative change in angular position information.

Gyroskope sind auch im Vergleich zum Magnetometern tendenziell vergleichsweise groß. So kann beispielsweise ein Dreiachsenmagnetometer derart hergestellt sein, dass es etwa 2,0 Inch mal 2,0 Inch mal 0,04 Inch (etwa 5 mm mal 5 mm mal 1,2 mm) klein oder sogar noch kleiner ist. Dreiachsengyroskope sind merklich größer.Gyroscopes also tend to be comparatively large compared to magnetometers. For example, a three-axis magnetometer may be made to be small or even smaller by about 2.0 inches by 2.0 inches by 0.04 inches (about 5 mm by 5 mm by 1.2 mm). Three-axis gyroscopes are noticeably larger.

Eine herkömmliche Raumstellungserfassung beinhaltet ein Zwei- oder Dreiachsenakzelerometer, ein Dreiachsenmagnetometer und ein Dreiachsengyroskop zur Bereitstellung eines vollständigen Bewegungszustandes, das heiß von Nicken, Rollen und Gieren. Obwohl Akzelerometer zunehmend kostengünstiger werden, bleiben Gyroskope um ein Mehrfaches kostenintensiver als Akzelerometer, was von ihrer technologischen und herstellungstechnischen Komplexität herrührt.Conventional attitude detection involves a two or three axis accelerometer, a three axis magnetometer and a three axis gyroscope to provide a complete state of motion that is hot with pitch, roll and yaw. Although accelerometers are becoming increasingly cost effective, gyroscopes are many times more costly than accelerometers, due to their technological and manufacturing complexity.

Darüber hinaus können im idealen freien Raum, das heiß unter Bedingungen, bei denen keine Schwerkraft und kein magnetisches Feld vorhanden sind, sechs Freiheitsgrade der Bewegungsinformation unter Verwendung eines Zwei- oder Dreiachsenakzelerometers und eines Dreiachsengyroskops gesammelt werden. Gleichwohl können auf der Erde vorhandene bekannte Schwerkraftbeschleunigungs- und Magnetfelder als nützliche Bezüge dienen, wodurch eine Bewegungsinformation auf andere Art als im freien Raum bestimmt werden kann. Im Ergebnis ist eine Magnetfelderfassungsvorrichtung zur Ersetzung des Gyroskopes zu viel geringeren Kosten wünschenswert.Moreover, in ideal free space hot under conditions where there is no gravity and no magnetic field, six degrees of freedom of motion information can be collected using a two- or three-axis accelerometer and a three-axis gyroscope. However, known gravitational acceleration and magnetic fields present on Earth may serve as useful references, which may determine motion information other than in free space. As a result, a magnetic field detecting apparatus for replacing the gyroscope at a much lower cost is desirable.

Ein „E-Kompass”, das heißt ein elektronischer Kompass, ein digitaler Kompass oder ein Orientierungssensor, kombiniert ein Akzelerometer und ein Magnetometer in einem gemeinsamen Trägerkörper, um unter anderen Magnetkurssteuerwinkeldaten bereitzustellen. Es gibt jedoch zwei Hauptnachteile bei der Verwendung eines E-Kompasses für bewegungsbasierte Anwendungen, die auf dem Träger ausführbar sind. Zunächst werden Winkelraten nicht direkt gemessen. Zum anderen sind Kippwinkelmessungen (Rollen und Nicken) nur dann genau, wenn der Träger statisch ist, weshalb keine dynamischen Effekte berücksichtigt werden. Das Unvermögen, diese dynamischen Effekte zu berücksichtigen, erzeugt Magnetkurssteuerungenauigkeiten.An "e-compass," that is, an electronic compass, a digital compass, or an orientation sensor, combines an accelerometer and a magnetometer in a common carrier body to provide, among other things, magnetic course control angle data. There are, however, two major disadvantages to the Use of an E-compass for motion-based applications executable on the carrier. First, angular rates are not measured directly. On the other hand, tilt angle measurements (rolling and pitching) are only accurate if the carrier is static, which is why no dynamic effects are taken into account. The inability to take these dynamic effects into account generates magnetization control inaccuracies.

Die Veröffentlichung der US-Patentanmeldung mit der Nummer 2003/0158699 von Townsend et al. („Townsend”) offenbart ein Orientierungssystem, das Akzelerometer- und Magnetometermessdaten zur Berechnung von statischen Roll-, statischen Nick- und statischen Gierwinkeln kombiniert. Townsend lehrt jedoch nicht das Bestimmen von dynamischen Roll-, dynamischen Nick- oder dynamischen Gierwinkeln oder Winkelraten. Daher weist das System von Townsend die beiden Nachteile eines herkömmlichen E-Kompasses auf.Publication of U.S. Patent Application No. 2003/0158699 to Townsend et al. ("Townsend") discloses an orientation system that combines accelerometer and magnetometer measurement data to calculate static roll, static pitch, and static yaw angles. However, Townsend does not teach determining dynamic roll, dynamic pitch or dynamic yaw angles or angular rates. Therefore, the Townsend system has the two disadvantages of a conventional E-compass.

Das US-Patent mit der Nummer 7,216,055 von Horton et al. („Horton”) beschreibt ein Raumstellungs- und Kurssteuerbezugssystem (Attitude and Heading Reference System AHRS), das ein Dreiachsengyroskop, ein Dreiachsenakzelerometer und eine Magnetfelderfassungsvorrichtung beinhaltet. Nachteiligerweise erhöht das Gyroskop Kosten, Größe und Energieanforderungen merklich. Bei Horten werden die Gyroskopdaten integriert, um eine Roll-, Nick- und Gierwinkellösung zu erhalten. Des Weiteren beinhaltet Horton ein Kalman-Filter, um Roll-, Nick- und Gierwinkelfehler zu messen, was eingesetzt wird, um eine Raumstellungsdrift, die in Abhängigkeit von der Zeit driftet, wie auch einen Gyroskopsystemfehler (bias) zu verschieben.The U.S. Patent No. 7,216,055 by Horton et al. ("Horton") describes an attitude and heading reference system (AHRS) that includes a three-axis gyroscope, a three-axis accelerometer and a magnetic field sensing device. Disadvantageously, the gyroscope increases cost, size, and power requirements noticeably. At Horten, the gyroscope data is integrated to obtain a roll, pitch and yaw angle solution. Further, Horton includes a Kalman filter to measure roll, pitch, and yaw rate errors, which is used to shift a spatial position drift that drifts with time, as well as a gyroscope system error (bias).

Die Kalman-Filterung ist einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bekannt und wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Eine Kalman-Filterung stellt jedoch einen Standardberechnungsrahmen mit Zustands- und Messvektorformulierungen bereit. Infolgedessen müssen Zustands- und Messgleichungen für jede diskrete Anwendung spezifiziert werden.Kalman filtering is well known to those skilled in the art and is used in a variety of applications. However, Kalman filtering provides a standard calculation framework with state and measurement vector formulations. As a result, state and measurement equations must be specified for each discrete application.

Bei Anwendungen der Unterhaltungselektronik ist, weil die Kosten der letztendlich wichtige Faktor sind, eine Lösung zu niedrigeren Kosten bei gleichzeitiger Erfüllung der funktionalen Bedürfnisse der Schlüssel zu einer erfolgreichen Kommerzialisierung. Daher ist wünschenswert, eine Raumstellungs- und Bewegungserfassungsvorrichtung zum Messen der Magnetfeldstärke und Beschleunigung um drei senkrechte Achsen oder in diesen für ein Objekt wie auch zum Bestimmen der Raumstellung und Winkelrate des Objektes bereitzustellen.In consumer electronics applications, because cost is ultimately an important factor, a lower-cost solution while meeting functional needs is the key to successful commercialization. Therefore, it is desirable to provide a spacecraft and motion sensing device for measuring the magnetic field strength and acceleration about three or perpendicular axes for an object as well as determining the spatial position and angular rate of the object.

Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Offenbart wird ein Raumstellungs- und Bewegungserfassungssystem für eine tragbare elektronische Vorrichtung, so beispielsweise ein zellenbasiertes Telefon, eine Spielvorrichtung und dergleichen. Das System, das in die tragbare elektronische Vorrichtung integriert werden kann, beinhaltet ein Zwei- oder Dreiachsenakzelerometer und einen Dreiachsenmagnetfeldsensor, so beispielsweise einen elektronischen Kompass. Die Messungen aus dem Akzelerometer und dem Magnetfeldsensor werden zunächst von einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet, die Raumstellungswinkel und eine Winkelrate berechnet. Diese Daten werden sodann in Eingabesignale für eine spezifisches Anwendungsprogramm, das der tragbaren elektronischen Vorrichtung zugeordnet ist, übersetzt.Disclosed is a spacecraft and motion detection system for a portable electronic device, such as a cell-based telephone, a gaming machine, and the like. The system that can be integrated into the portable electronic device includes a two- or three-axis accelerometer and a three-axis magnetic field sensor, such as an electronic compass. The measurements from the accelerometer and the magnetic field sensor are first processed by a signal processing unit that calculates the spatial position angle and an angular rate. These data are then translated into input signals for a specific application program associated with the portable electronic device.

Insbesondere ist das System in der Lage, dynamische Nick-/Roll-/Gierwinkel und dynamische Nick-/Roll-/Gierwinkelraten ohne Verwendung eines Gyroskopes durch in einem Filter erfolgende Verwendung von Raumstellungskinematikeigenschaften in Kombination mit Messdaten aus dem Akzelerometer und dem Magnetometer direkt zu messen.In particular, the system is capable of directly measuring dynamic pitch / roll / yaw angles and dynamic pitch / roll / yaw rate rates without the use of a gyroscope, by using spatial attitude kinematics in combination with acelerometer and magnetometer measurement data ,

Kurzbeschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die vorgenannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der begleitenden Zeichnung dargestellt sind, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen.The foregoing and other objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following more particular description of preferred embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings, in which like reference characters designate like parts throughout the several views.

1 ist ein Diagramm zur Darstellung der Raumstellungswinkel eines starren Objektes im Raum entsprechend dem Stand der Technik. 1 is a diagram showing the spatial position angle of a rigid object in space according to the prior art.

2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Prozedur der Eingabesignalerzeugung entsprechend dem Stand der Technik. 2 Fig. 10 is a block diagram illustrating a procedure of input signal generation according to the prior art.

3 ist ein Diagramm einer Einrichtung, die die vorliegende Technologie in Verbindung mit einer dreidimensionalen Kartenanwendung verwendet. 3 Figure 12 is a diagram of a device utilizing the present technology in conjunction with a three-dimensional map application.

4 ist ein Diagramm einer Einrichtung, die die vorliegende Technologie in Verbindung mit einer Flugsimulatorspielanwendung verwendet. 4 Figure 10 is a diagram of an apparatus utilizing the present technology in conjunction with a flight simulator game application.

5 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung einer Raumstellung und Änderung von Raumstellungssignalen für ein Anwendungsprogramm entsprechend der vorliegenden Erfindung. 5 Figure 3 is a flow chart of a method for providing a spatial attitude and change of spatial position signals for an application program according to the present invention.

6A ist ein Diagramm zur Darstellung eines Nickwinkels in Bezug auf einen Trägerkörperbezugsrahmen und einen Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen entsprechend dem Stand der Technik. 6A FIG. 10 is a diagram illustrating a pitch angle with respect to a body reference frame and a prior art local navigation tangent reference frame. FIG.

6B ist ein Diagramm zur Darstellung eines Rollwinkels in Bezug auf einen Trägerkörperbezugsrahmen und einen Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen entsprechend dem Stand der Technik. 6B FIG. 12 is a diagram illustrating a roll angle with respect to a carrier body reference frame and a prior art local navigation tangent reference frame. FIG.

6C ist ein Diagramm zur Darstellung eines Gierwinkels in Bezug auf einen Trägerkörperbezugsrahmen und einen Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen entsprechend dem Stand der Technik. 6C FIG. 12 is a diagram illustrating a yaw angle with respect to a carrier body reference frame and a prior art local navigation tangent reference frame. FIG.

7 ist ein Diagramm von Raumstellungs- und Bewegungserfassungssystemen entsprechend der vorliegenden Erfindung. 7 Figure 11 is a diagram of attitude and motion detection systems according to the present invention.

8 ist ein Diagramm eines ersten Raumstellungs- und Winkelratenfilters entsprechend der vorliegenden Erfindung. 8th FIG. 12 is a diagram of a first space position and angle rate filter according to the present invention. FIG.

9 ist ein Diagramm eines zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilters entsprechend der vorliegenden Erfindung. 9 FIG. 12 is a diagram of a second attitude and angle rate filter according to the present invention. FIG.

Detailbeschreibungdetailed description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Raumstellungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der Raumstellung eines Objektes und eine Bewegungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der Winkelrate eines Objektes, so beispielsweise eines Trägers. Die Raumstellungs- und Bewegungserfassungsvorrichtung beinhaltet einen Dreiachsenmagnetfeldsensor, so beispielsweise ein Dreiachsenmagnetometer, und eine Zwei- oder Dreiachsenbeschleunigungserfassungsvorrichtung, so beispielsweise ein Zwei- oder Dreiachsenakzelerometer. Insbesondere verwendet die Raumstellungs- und Bewegungserfassungsvorrichtung, die in den Träger integriert ist, einen elektronischen Kompass zum Bestimmen der Raumstellung und Winkelraten des Trägers zur Erzeugung von Eingabesignalen entsprechend der Raumstellung und Winkelrate für andere Anwendungen in dem Träger, so beispielsweise für dreidimensionale Karten (3D-Karten), Spiele und dergleichen mehr.The present invention relates to a space position detecting device for detecting the spatial position of an object and a motion detecting device for detecting the angular rate of an object, such as a carrier. The attitude and motion detection apparatus includes a triaxial magnetic field sensor, such as a triaxial magnetometer, and a two or three axis acceleration sensing device, such as a two or three axis accelerometer. In particular, the spacecraft and motion sensing device integrated into the carrier uses an electronic compass to determine the attitude and angular rates of the carrier to produce input signals corresponding to the attitude and angular rate for other applications in the carrier, such as three-dimensional maps (3D). Cards), games and the like.

Bezugsrahmenframe of reference

Die Raumstellung eines starren Objektes 10 im Raum kann durch drei Winkel beschrieben werden, nämlich das Gieren, das Nicken und das Rollen (siehe 1). Üblicherweise sind diese Winkel auf eine Lokaltangentialebene bezogen, so beispielsweise auf eine Ebene senkrecht zum Erdschwerkraftvektor oder der ekliptischen Ebene der Erde. Das Gieren (Ψ) ist als Winkel definiert, der im Uhrzeigersinn in der Lokaltangentialebene von einer echten Nordrichtung, das heißt der erdeigenen Magnetpolachse, zur Vorwärtsrichtung des Objektes 10 gemessen wird. Das Nicken (θ) ist als Winkel zwischen der dem Objekt zu eigenen Längsachse und der Lokalhorizontalebene definiert. Konventionsgemäß bezeichnet in luftfahrttechnischen Anwendungen ein positives Nicken „Nase nach oben”, während ein negatives Nicken „Nase nach unten” bezeichnet. Das Rollen (φ) ist als Drehwinkel um die Längsachse zwischen der Lokalhorizontalebene und der tatsächlichen Ebene des Objektes definiert. Konventionsgemäß bezeichnet in luftfahrttechnischen Anwendungen ein positives Rollen „rechter Flügel nach unten”, während ein negatives Rollen „rechter Flügel nach oben” bezeichnet.The spatial position of a rigid object 10 in the room can be described by three angles, namely yawing, pitching and rolling (see 1 ). Typically, these angles are related to a local tangent plane, such as a plane perpendicular to the earth gravity vector or the ecliptic plane of the earth. Yawing (Ψ) is defined as an angle that is clockwise in the local tangential plane from a true north direction, that is, the earth's magnetic pole axis, to the forward direction of the object 10 is measured. The pitch (θ) is defined as the angle between the object's own longitudinal axis and the local horizontal plane. Conventionally, in aeronautical applications, they refer to a positive "nose up" pitch, while a negative pitch refers to "nose down". The rolling (φ) is defined as a rotation angle about the longitudinal axis between the local horizontal plane and the actual plane of the object. By convention, in aeronautical applications, a positive roll designates "right wing down", while a negative roll designates "right wing up".

6A bis 6C zeigen die Beziehung zwischen einem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T), einem Standardkörperkoordinatenbezugsrahmen (B) („Objekt” oder „Träger”) und einem Lokalebenenbezugsrahmen (L), von denen alle drei zur Beschreibung der Raumstellung des Objektes verwendet werden können. Der Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T) ist als Nordachse (N), Ostachse (E) und Abwärts- bzw. Nach-unten-Achse (D) definiert. Die Achsen in dem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T) werden mit X^N, Y^E und Z^D bezeichnet. Die Achsen des Körperkoordinatenbezugsrahmens (B) sind als positive X^B-Achse durch die dem Objekt zu eigene Vorwärtsrichtung, positive Y^B-Achse durch die „Rechts”-Richtung und positive Z^B-Achse, die „abwärts bzw. nach unten” gerichtet ist, definiert. 6A to 6C show the relationship between a local navigation tangent reference frame (T), a standard body coordinate reference frame (B) ("object" or "bearer") and a local-level reference frame (L), all of which can be used to describe the spatial position of the object. The local navigation tangent reference frame (T) is defined as North (N), East (E), and Down (D) axes. The axes in the local navigation tangent reference frame (T) are designated X ^N , Y ^E and Z ^D. The axes of the body coordinate frame (B) are positive X ^B axis is defined by the object's own forward direction, positive Y ^B axis through the "right" direction and positive Z ^B axis directed "downwards".

Optional können die drei Achsen der Beschleunigungserfassungsvorrichtung und der Magnetfelderfassungsvorrichtung mit dem Körperkoordinatenbezugsrahmen (B) ausgerichtet sein. Ein beliebiger Versatz oder eine Fehlausrichtung beeinflusst die Ergebnisse oder Lehren der vorliegenden Erfindung jedoch nicht. Die x-Achse (X^L) des Lokalebenenbezugsrahmens (L) ist als Projektion der x-Achse des Körperbezugsrahmens (X^B) in der Lokalebenenebene definiert. Die y-Achse (Y^L) des Lokalebenenbezugsrahmens (L) ist senkrecht zur x-Achse (X^L) des Lokalebenenbezugsrahmens (L). Die z-Achse (Z^L) des Lokalebenenbezugsrahmens (L) ist abwärts bzw. nach unten gerichtet.Optionally, the three axes of the acceleration sensing device and the magnetic field sensing device may be aligned with the body coordinate reference frame (B). However, any misalignment or misalignment does not affect the results or teachings of the present invention. The x-axis (X ^L ) of the local-level reference frame (L) is defined as the projection of the x-axis of the body reference frame (X ^B ) in the local-level plane. The y-axis (Y ^L ) of the local plane reference frame (L) is perpendicular to the x-axis (X ^L ) of the local plane reference frame (L). The z-axis (Z ^L ) of the local plane reference frame (L) is directed downwards or downwards.

EingabesignalerzeugungssystemInput signal generating system

2 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Eingabesignalerzeugungssystems 20. Der Dreiachsenmagnetsensor 22, das Dreiachsenakzelerometer 24, der A/D-Wandler 26 und die Datenverarbeitungseinheit 28 sind dafür strukturiert und angeordnet, eine Raumstellungs- und Winkelratenlösung bereitzustellen. Der Übersetzer 29 verwendet die Raumstellungs- und Winkelratenlösung zur Erzeugung eines geeigneten Eingabesignals 27 für das Anwendungsprogramm 21. 2 shows a block diagram of a typical input signal generation system 20 , The three-axis magnetic sensor 22 , the three-axis accelerometer 24 , the A / D converter 26 and the data processing unit 28 are structured and arranged to provide a space attitude and angular rate solution. The translator 29 uses the space position and angular rate solution to generate a suitable input signal 27 for the application program 21 ,

Ändert sich die Raumstellung einer Erfassungsvorrichtung beziehungsweise von Erfassungsvorrichtungen 22, 24, was bedeutet, dass sich die Erfassungsvorrichtung beziehungsweise Erfassungsvorrichtungen 22, 24 um wenigstens eine ihrer X-, Y- und Z-Achsen dreht beziehungsweise drehen, so erzeugt die Erfassungsvorrichtung 22, 24 beziehungsweise erzeugen die Erfassungsvorrichtungen 22, 24 ein Ausgabesignal, das zu den gemessenen Magnetfeldstärken M_x, M_y und M_z und zu den Beschleunigungen A_x, A_y und A_z proportional ist. Üblicherweise erfasst der Magnetfeldsensor 22 M_x, M_y und M_z, während das Akzelerometer 24 A_x, A_y, A_z erfasst.Changes the spatial position of a detection device or detection devices 22 . 24 , meaning that the detection device or detection devices 22 . 24 rotate around at least one of its X, Y and Z axes, so generates the detection device 22 . 24 or generate the detection devices 22 . 24 an output signal which is proportional to the measured magnetic field strengths M _x , M _y and M _z and to the accelerations A _x , A _y and A _z . Usually, the magnetic field sensor detects 22 M _x , M _y and M _z while the accelerometer 24 A _x , A _y , A _z recorded.

Die sechs Magnetfeldstärken- und Beschleunigungsparameter werden an eine Verarbeitungseinheit 25 übertragen, die in eine oder mehrere der Erfassungsvorrichtungen 22, 24 integriert sein kann oder die eine separate vor Ort oder entfernt befindliche elektronische Vorrichtung sein kann. Die Verarbeitungseinheit 25 beinhaltet Signal- und Datenverarbeitungseinheiten zur Verarbeitung der gemessenen Parameterdaten. So kam die Verarbeitungseinheit 25 beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler (A/D) 26 zur A/D-Wandlung, eine Datenverarbeitungseinheit 28 zur Datenverarbeitung und dergleichen mehr beinhalten.The six magnetic field strength and acceleration parameters are sent to a processing unit 25 transferred to one or more of the detection devices 22 . 24 may be integrated or may be a separate on-site or remote electronic device. The processing unit 25 includes signal and data processing units for processing the measured parameter data. So came the processing unit 25 for example, an analog-to-digital converter (A / D) 26 for A / D conversion, a data processing unit 28 for data processing and the like more.

Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinheit 28 dafür ausgelegt sein, die Magnetfeld- und Beschleunigungsmessungen zu verarbeiten, um Raumstellungswinkel und Winkelraten zu berechnen. Diese Daten können sodann in eine Übersetzereinheit 29 eingegeben werden, die dafür ausgelegt ist, die Daten in ein Eingabesignal 27 zu übersetzen. Das übersetzte Eingabesignal 27 wird sodann an eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung 21 übertragen, die eine Anwendung oder ein Treiberprogramm zum Umsetzen der übersetzten Raumstellungswinkel- und Winkelratendaten in einen Bewegungszustand beinhaltet.In particular, the data processing unit 28 be configured to process the magnetic field and acceleration measurements to calculate spatial position angles and angular rates. These data can then be translated into a translator unit 29 which is designed to convert the data into an input signal 27 to translate. The translated input signal 27 is then sent to an electronic processing device 21 which translates to an application or driver program for translating translated spatial attitude angle and angular rate data into a motion state.

Entsprechend dem Stand der Technik können Dreiachsenmagnetfeldsensoren dafür eingesetzt werden, die Magnetfeldstärke um eine X-, eine Y- und eine Z Achse, also M_x, M_y, M_z, zu messen, während Dreiachsenakzelerometer dafür eingesetzt werden können, die Beschleunigung in der X-, Y- und Z-Achse, also A_x, A_y und A_z zu messen. Das Nicken (Pitch) des Objektes 10 im Raum wird daher durch die nachfolgende Formel berechnet: Pitch = θ = –arcsin(accel B / x) (1) According to the prior art, three-axis magnetic field sensors can be used to measure the magnetic field strength about an X, Y and Z axis, ie M _x , M _y , M _z , while three-axis accelerometers can be used to calculate the acceleration in the X, Y and Z axis, so A _x , A _y and A _z to measure. The pitch of the object 10 in space is therefore calculated by the following formula: Pitch = θ = -arcsin (accel B / x) (1)

Das Rollen (roll) des Objektes 10 im Raum wird durch die nachfolgende Formel berechnet: roll = ϕ= arctan2(accel B / y, accel B / z) (2) The roll of the object 10 in space is calculated by the following formula: roll = φ = arctan2 (accel B / y, accel B / z) (2)

Hierbei entspricht [accel B / x, accel B / y, accel B / z]T This corresponds [accel B / x, accel B / y, accel B / z] T

Beschleunigungsmessungen (in g) aus dem Dreiachsenakzelerometer, die in dem Trägerkörperbezugsrahmen aufgenommen sind. Entsprechend kann man sowohl das Nicken wie auch das Rollen unter Verwendung eines Zwei- oder Dreiachsenakzelerometers bestimmen. Man beachte, dass das Rollen in Gleichung 2 auch in Näherung unter Verwendung der Gleichung roll = ϕ = arcsin(accel B / y) berechnet werden kann, wenn ein Zweiachsenakzelerometer verwendet wird und der dem Träger zu eigene Nickwinkel vergleichsweise klein ist, das heißt bei weniger als etwa 20° liegt.Acceleration measurements (in g) from the three-axis accelerometer taken in the carrier body reference frame. Accordingly, you can both nodding as well as rolling under Use a two- or three-axis accelerometer. Note that rolling in Equation 2 also approximates using the equation roll = φ = arcsin (accel B / y) can be calculated when a two-axis accelerometer is used and the carrier is at its own pitch angle comparatively small, that is less than about 20 °.

Die Berechnung des Gierens ist ein wenig aufwändiger und erfordert Messdaten sowohl aus dem Akzelerometer wie auch aus dem Magnetfeldsensor. Insbesondere kann das Gieren unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen berechnet werden:

heading = ψ = atan2(mag L / y, mag L / x) (4)

The calculation of yawing is a little more complex and requires measurement data from both the accelerometer and the magnetic field sensor. In particular, the yawing can be calculated using the following equations:

heading = ψ = atan2 (likes L / y, likes L / x) (4)

Hierbei entspricht [mag B / x, mag B / y, mag B / z]^T dem Erdmagnetfeld aus dem Dreiachsenmagnetometer bei einer Messung in dem Trägerkörperbezugsrahmen (B). Angenäherte Winkelraten können durch Berechnen der Zeitableitung der Winkeländerung jeweils unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen erhalten werden: ω_x = θdϕ / dt; ω_y = dθ / dt; ω_z = dΨ / dt (5) This corresponds [likes B / x, likes B / y, likes B / z] ^T the earth's magnetic field from the three-axis magnetometer at a measurement in the carrier body reference frame (B). Approximate angular rates can be obtained by calculating the time derivative of the angle change using the following equations, respectively: ω _x = θdφ / dt; ω _y = dθ / dt; ω _z = dΨ / dt (5)

Hierbei entsprechen ω_x, ω_y, ω_z den Winkelraten der dem Objekt zu eigenen Drehung um die X-, Y- beziehungsweise Z-Achse.In this case, ω _x , ω _y , ω _z correspond to the angular rates of the object's own rotation about the X, Y or Z axis.

Dieser Lösungsweg weist den großen Vorteil einer geringen Rechenlast auf. Ungeachtet dessen bringt er die Nachteile der Zeitlatenz, der dynamischen Fehler, der Vernachlässigung der Kopplung von Rollen/Nicken/Gieren und der Anfälligkeit hinsichtlich einer Änderung der Hart-/Weicheisenumgebung mit sich, was bei einigen Anwendungen inakzeptabel sein kann. Dieser Lösungsweg geht davon aus, dass die Körperachsendrehwinkelraten gleich der Änderungsrate der Euler'schen Raumstellungswinkel sind, was annähernd genau ist. Einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließt sich, dass bei Mobilvorrichtungen Hart- und Weicheisenverfälschungen infolge von Lokalkonzentrationen von harten/weichen magnetischen Materialien, so beispielsweise von Eisen, bewirken können, dass sich die Winkel kontinuierlich ändern.This approach has the great advantage of low computational burden. Nevertheless, it involves the disadvantages of time latency, dynamic errors, neglecting the coupling of rolls / pitch / yaw, and the susceptibility to changing the hard / soft iron environment, which may be unacceptable in some applications. This approach assumes that the body axis rotation angle rates are equal to the rate of change of Euler's spatial position angles, which is approximately accurate. One skilled in the art will appreciate that in mobile devices, hard and soft iron distortions due to local concentrations of hard / soft magnetic materials, such as iron, may cause the angles to change continuously.

Die vorliegende Erfindung stellt hochgenaue Winkelraten- und Raumstellungsmessungen in ungünstigen Umgebungen bereit, was hochdynamische Manöver sowie Schwingungen einschließt.The present invention provides highly accurate angular rate and attitude measurements in adverse environments, including highly dynamic maneuvers as well as vibrations.

Verbesserte Raumstellung und WinkelratenImproved spatial position and angular rates

Eine hauptsächliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik beinhaltet die Integration eines Raumstellungs- und Winkelratenfilters in das System, um die genaue und unmittelbare Raumstellung und Winkelrate zu erhalten. Wie nachstehend noch detaillierter beschrieben wird, werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des Raumstellungs- und Winkelratenfilters beschrieben, bei denen ein Raumstellungskinematikmodell als Teil der Filterzustandsgleichung (als erste und zweite Raumstellungs- und Winkelratenfilter bezeichnet) verwendet wird.A major improvement over the prior art involves the integration of a spacecraft and angle rate filter into the system to obtain the accurate and immediate attitude and angular rate. As will be described in more detail below, two preferred embodiments of the attitude and angle rate filter are described in which a space attitude kinematics model is used as part of the filter state equation (referred to as first and second attitude and angle rate filters).

Gezeigt ist in 7 ein System 70, das ausgelegt ist zum Bestimmen von Dreiachsenwinkelratendaten, dynamischen Roll-, dynamischen Nick- und dynamischen Kurssteuerwinkelmessdaten zur Bereitstellung von raumstellungs- und bewegungsbezogenen Eingabedaten für ein Programm oder eine Anwendung, als weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtungen 22, 24, 26 und 28 (2). Das System 70 beinhaltet ein Dreiachsenmagnetometer 71, das ausgelegt ist zum dynamischen Messen des Erdmagnetfeldes und zum Erzeugen von Magnetfeldmessdatensignalen 79, die in dem dem Träger zu eigenen Körperkoordinatenbezugsrahmen (B) ausgedrückt werden; ein Dreiachsenakzelerometer 72, das ausgelegt ist zum Erzeugen von Gesamtbeschleunigungsmessdatensignalen 78, die ebenfalls in dem dem Träger zu eigenen Körperkoordinatenbezugsrahmen (B) ausgedrückt werden; und einen Prozessor 75, der die Datensignale 78 und 79 empfängt, um die Dreiachsenwinkelrate, die Dreiachsenbeschleunigung und Raumstellungswinkel zu berechnen.Shown is in 7 a system 70 adapted to determine three-axis angle rate data, dynamic roll, dynamic pitch and dynamic heading angle measurement data for providing space and motion related input data to a program or application as another preferred embodiment of the devices 22 . 24 . 26 and 28 ( 2 ). The system 70 includes a three-axis magnetometer 71 adapted for dynamically measuring the earth's magnetic field and generating magnetic field measurement data signals 79 which are expressed in the body coordinate reference frame (B) belonging to the wearer; a three-axis accelerometer 72 , which is designed to generate Total accelerometer data signals 78 also expressed in the body coordinate reference frame (B) belonging to the wearer; and a processor 75 that the data signals 78 and 79 receives to calculate the three-axis angle rate, the three-axis acceleration and the attitude angle.

Das Magnetometer 71 und das Akzelerometer 72 sind detailliert vorstehend beschrieben worden und werden nachstehend nicht eingehender beschrieben, es sei denn, es ist dies zur Erläuterung ihrer Beziehung zueinander und ihrer Wechselwirkung miteinander oder zu/mit dem Prozessor 75 notwendig. Der Prozessor 75 ist unter anderem ausgelegt zum Empfangen und Speichern der Daten aus dem Magnetometer 71 und dem Akzelerometer 72 und darüber hinaus zum Verwenden der Daten zur Berechnung und zur Ausgabe von Dreiachsenwinkelratendaten und dynamischen Roll-/Nick-/Kurssteuerwinkeldaten zur Eingabe in eine Anwendung oder ein Programm, die/das auf dem Objekt oder Träger läuft. Vorzugsweise kombiniert der Prozessor 75 optimal die Erdmagnetfeldmessdaten 79 und die Gesamtbeschleunigungsmessdaten 78 mit Kinematikmodellen der dem Träger zu eigenen Raumstellung und Winkelrate unter Verwendung von einem der Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80, 90.The magnetometer 71 and the accelerometer 72 have been described in detail above and will not be described in more detail below, except to explain their relationship to each other and their interaction with each other or to / with the processor 75 necessary. The processor 75 is among other things designed to receive and store the data from the magnetometer 71 and the accelerometer 72 and further using the data to calculate and output three-axis angular rate data and dynamic pitch / heading angle data for input to an application or program running on the object or carrier. Preferably, the processor combines 75 optimal the geomagnetic field data 79 and the total acceleration measurement data 78 with kinematics models of the wearer's own spatial attitude and angular rate using one of the spacecraft and angular rate filters 80 . 90 ,

Die Erdmagnetfeldmessungen unterliegen lokalen Magnetfeldverfälschungen, so beispielsweise Weicheisen- und Harteisenverfälschungen. In kleinen Mobilvorrichtungsanwendungen ändern sich Hart- und Weicheisenverfälschungen aus dem Host-System gegebenenfalls fortwährend. Im Ergebnis beinhaltet die Verarbeitungsvorrichtung 75 ein Magnetometerautokalibriermodul 84 (7) und ein Ausgleichsmodul 85 (7). Das Magnetometerautokalibriermodul 84 schätzt Magnetometerfehler, darunter die sich ändernden Hard- und Weicheisenverfälschungseffekte in einwirkenden Umgebungen auf Grundlage des Prinzips, dass die Skalarlänge des Lokalmagnetfeldes eine Konstante ist. Das Ausgleichsmodul 85 verwendet die geschätzten Magnetometerfehler, darunter diejenigen des Hart- und Weicheisens, um die unbearbeiteten Magnetfeldmessdaten zu berichtigen.Earth's magnetic field measurements are subject to local magnetic field distortions, such as soft iron and Harteisenverfälschungen. In small mobile device applications, hard and soft iron adulterations from the host system may continually change. As a result, the processing apparatus includes 75 a magnetometer autocalibration module 84 ( 7 ) and a compensation module 85 ( 7 ). The magnetometer autocalibration module 84 estimates magnetometer errors, including the changing hard and soft iron distortion effects in acting environments, based on the principle that the scalar length of the local magnetic field is a constant. The compensation module 85 uses the estimated magnetometer errors, including those of the hard and soft iron, to correct the unprocessed magnetic field measurement data.

Bei kleinen Mobilvorrichtungsanwendungen werden kostengünstige Akzelerometer zudem oftmals am Herstellungsort nicht genau kalibriet. Im Ergebnis können die Akzelerometer eine merkliche Bias-Drift während der Betriebs in Abhängigkeit von der Betriebszeit und Temperaturbereichen aufweisen. Um die Genauigkeit des Akzelerometers weiter zu verbessern, beinhaltet die Verarbeitungsvorrichtung 75 ein Akzelerometerautokalibriermodul 76 (7) und ein Ausgleichsmodul 77 (7). Das Akzelerometerautokalibriermodul 76 schätzt eine Akzelerometerfehlerquelle unter vorteilhafter Nutzung der Tatsache, dass die unbearbeiteten Ausgaben des Akzelerometers nur die Schwerkraftbeschleunigung wiedergeben, wenn der Träger statisch ist. Das Ausgleichsmodul 77 verwendet den geschätzten Akzelerometerfehler zur Berichtigung der unbearbeiteten Gesamtbeschleunigungsmessdaten.In addition, in small mobile device applications, cost-effective accelerometers are often not accurately calibrated at the point of manufacture. As a result, the accelerometers may exhibit significant bias drift during operation as a function of operating time and temperature ranges. To further improve the accuracy of the accelerometer, the processing device includes 75 an accelerometer auto-calibration module 76 ( 7 ) and a compensation module 77 ( 7 ). The accelerometer auto-calibration module 76 estimates an accelerometer error source taking advantage of the fact that the unprocessed outputs of the accelerometer only reflect the gravitational acceleration when the wearer is static. The compensation module 77 uses the estimated accelerometer error to correct the unprocessed overall accelerometer data.

Das Magnetometerautokalibriermodul 84 und das Akzelerometerautokalibriermodul 76 unterstützen die Lokusrandbedingungen der Erdmagnetfeldvektormessungen und der Erdschwerkraftbeschleunigungsmessungen in Abhängigkeit von der Zeit in einem begrenzten geographischen Bereich. Sind keine Fehler in den Messungen vorhanden, so sollte der Lokus (geometrischer Ort) eine Kugel sein. Bei Sensorfehlern, darunter Hart-/Weichfehlern, wird der Lokus ein Ellipsoid. Erreicht werden kann die Sensorfehlerschätzung durch eine Parameteridentifikation des Ellipsoids, das den gegebenen Lokusrandbedingungen genügt. Das Magnetometerautokalibriermodul 84 und das Akzeleromterautokalibriermodul 76 sind mit dem Ziel der Verbesserung des Leistungsvermögens bei einer großen Vielzahl von Betriebsumgebungen, der Sicherstellung der Kompatibilität, Flexibilität und Adaptabilität des Systems 70 mit den Host-Systemen und der Unterstützung von neuen Hardware-Fähigkeiten implementiert.The magnetometer autocalibration module 84 and the accelerometer auto-calibration module 76 support the locus constraints of geomagnetic field vector measurements and earth gravity acceleration measurements versus time in a limited geographic area. If there are no errors in the measurements, the locus (geometric location) should be a sphere. For sensor errors, including hard / soft defects, the locus becomes an ellipsoid. The sensor error estimation can be achieved by a parameter identification of the ellipsoid which satisfies the given locus constraints. The magnetometer autocalibration module 84 and the Accelerometer Auto Calibration Module 76 They are designed to improve performance in a wide variety of operating environments, to ensure compatibility, flexibility and adaptability of the system 70 implemented with the host systems and the support of new hardware capabilities.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Kalman-Filterbasierter Netzwerklösungsweg für Raumstellungs- und Winkelratenfilter eingesetzt, um gleichzeitig die Roll-/Nick-/Kurssteuerwinkel und die Winkelraten aus den Erdmagnetfeldmessungen und den Beschleunigungsmessungen (spezifische Kraft) zu schätzen. Ein Kalman-Filter ist ein rekursiver Optimalschätzer zum Ausfindigmachen von von Interesse seienden Parametern aus indirekten Messungen, die in Abhängigkeit von der Zeit beobachtet werden und Rauschen und andere Ungenauigkeiten beinhalten, und nicht nur zum Ausfiltern des Rausches aus den Datenmessungen. Neue Messungen können durchgeführt werden, sobald sie verfügbar sind. Die geschätzten von Interesse seienden Parameter werden zu einem Zustandsvektor vereint. Indirekte und Rauschbeobachtungen werden zu einem Messvektor vereint.In a preferred embodiment, a Kalman filter based network solution path for spacecraft and angular rate filters is used to simultaneously estimate the roll / pitch / heading angles and the angular rates from the earth's magnetic field measurements and the acceleration measurements (specific force). A Kalman filter is a recursive optimal estimator for locating interest parameters from indirect measurements that are time-dependent and that contain noise and other inaccuracies, and not just to filter out the noise from the data measurements. New measurements can be made as they become available. The estimated parameters of interest are combined into a state vector. Indirect and noise observations are combined into one measurement vector.

Eine Zustandsgleichung und eine Messgleichung müssen für ein Kalman-Filter aufgestellt werden. Die Berechnung der Kalman-Filterung beinhaltet zwei Phasen, nämlich die Zeitausbreitung und Messaktualisierungen. Die Zeitausbreitung breitet den Zustandsvektor von dem vorherigen Messzeitpunkt zu dem aktuellen Messzeitpunkt als vorherige Schätzung des Zustandsvektors zur aktuellen Messzeit aus. Die Messaktualisierung berichtigt die vorherige Schätzung des Zustandsvektors unter Verwendung des aktuellen Messvektors.An equation of state and a measurement equation must be set up for a Kalman filter. Calculation of Kalman filtering involves two phases, namely time propagation and measurement updates. The time propagation propagates the state vector from the previous measurement time to the current one Measuring time as a previous estimate of the state vector at the current measuring time off. The measurement update corrects the previous estimate of the state vector using the current measurement vector.

Mathematisch kann die Raumstellung eines Trägers mittels einer Raumstellungsquaternion ausgedrückt werden. Entsprechend dem Euler'schen Theorem werden die Komponenten der Raumstellungsquaternion folgendermaßen ausgedrückt:

Mathematically, the spatial position of a carrier can be expressed by means of a spatial position quaternion. According to Euler's theorem, the components of the spatial position quaternion are expressed as follows:

Die Kosinusdrehmatrix vom Trägerkörperrahmen zum Lokalnavigationsrahmen wird unter Verwendung der Raumstellungsquaternion direkt gebildet als:

The cosine matrix from the carrier body frame to the local navigation frame is formed directly using the spatial position quaternion as:

Dynamische Roll-(roll), dynamische Nick-(pitch) und dynamische Gierwinkel (yaw) können aus der Kosinusdrehmatrix C^T _B folgendermaßen abstrahiert bzw. abgeleitet werden:

Dynamic roll, dynamic pitch, and yaw can be abstracted from the cosine matrix C ^T _{B as} follows:

Man kann eine Raumstellungsquaternionkinematikdifferenzialgleichung also folgendermaßen definieren: [Q .] = [ 1 / 2·Ω_angularRate·Q] (9) One can thus define a spatial position quaternion kinematic differential equation as follows: [Q.] = [1/2 · Ω _{angular rate} · Q] (9)

Hierbei beinhaltet die Raumstellungsquaterniondifferenzialgleichung eine Matrixdarstellung der Winkelrate Ω_angularRate (eine schiefsymmetrische 4×4 Matrix). Die Winkelratenmatrix Omega Ω_angularRate besteht folgendermaßen aus den Winkelraten um jede Koordinatenachse:

Here, the spatial position quaternion differential equation contains a matrix representation of the angular rate Ω angular _rate (a skew-symmetric 4 × 4 matrix). The angular _{rate matrix} Omega Ω _angularRate consists of the angular _rates around each coordinate axis as follows:

Wie in 8 gezeigt ist, setzt ein erstes Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80 eine Zustandsgleichung ein, die aus der Raumstellungsquaterniondifferenzialgleichung und dem Winkelratenkinematikdifferenzialmodell besteht. Das Winkelratenkinematikdifferenzialmodell kann mit Prozessen niedriger und/oder hoher Ordnung modelliert werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können ω ._x, ω ._y, ω ._z, als Markov-Prozesse erster Ordnung modelliert werden.As in 8th is shown sets a first attitude and angle rate filter 80 an equation of state consisting of the spatial position quaternion differential equation and the angular rate kinematic differential model. The angular rate kinematic differential model can be modeled with low and / or high order processes. In a preferred embodiment ω. _x , ω. _y , ω. _z , are modeled as Markov processes of the first order.

Die Zustandsgleichung ist gegeben durch: X . = f(X) (11) The equation of state is given by: X. = f (X) (11)

Der Zustandsvektor für das erste Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80 wird durch die nachfolgende Gleichung dargestellt: X = [q₀, q₁, q₂, q₃, ω_x, ω_y, ω_z]^T (12) The state vector for the first attitude and angle rate filter 80 is represented by the following equation: X = [q ₀ , q ₁ , q ₂ , q ₃ , ω _x , ω _y , ω _z ] ^T (12)

Das Rollen/Nicken/Gieren, die direkt aus den Akzelerometerdaten und den Magnetometerdaten berechnet werden, werden als Pseudowinkel bestimmt, die als Messvektor des ersten Raumstellungs- und Winkelratenfilters 80 verwendet werden. Die Messgleichungen des ersten Raumstellungs- und Winkelratenfilters 80 verwenden Gleichung (8), die die Beziehung zwischen der Raumstellungsquaternion und dem Rollen/Nicken/Gieren angibt. Die Pseudowinkelmessungen werden folgendermaßen berechnet: pseudo_roll = ϕ = arctan2(accel B / y, accel B / z) (13) pseudo_Pitch = θ = –arcsin(accel B / x) (14)

pseudo_heading = ψ = atan2(mag L / y, mag L / x) (16)

Rolling / pitching / yawing, calculated directly from the accelerometer data and the magnetometer data, are determined to be pseudo-angles which serve as the measurement vector of the first spacecraft and angular rate filter 80 be used. The measurement equations of the first space position and angle rate filter 80 use Equation (8), which indicates the relationship between the spatial position quaternion and the roll / pitch / yaw. The pseudo-angular measurements are calculated as follows:

pseudo_roll = φ = arctan2 (accel B / y, accel B / z) (13)

pseudo_pitch = θ = -arcsin (accel B / x) (14)

pseudo_heading = ψ = atan2 (likes L / y, likes L / x) (16)

Hierbei entspricht [mag B / x, mag B / y, mag B / z]^T dem Erdmagnetfeld aus dem Dreiachsenmagnetometer bei einer Messung in dem Trägerkörperbezugsrahmen (B). [accel B / x, accel B / y, accel B / z]^T entspricht Beschleunigungsmessungen (in g) aus dem Dreiachsenakzelerometer, die in dem Trägerkörperbezugsrahmen aufgenommen werden.This corresponds [likes B / x, likes B / y, likes B / z] ^T the earth's magnetic field from the three-axis magnetometer at a measurement in the carrier body reference frame (B). [accel B / x, accel B / y, accel B / z] ^T corresponds to acceleration measurements (in g) from the three-axis accelerometer taken in the carrier body reference frame.

Ein Pseudoroll-, Pseudonick- und Pseudokurssteuerberechnungsmodell 89 führt die dem Filter 80 zu eigene Messerzeugung durch, aus der ein Messvektor (Pseudorollen, Pseudonicken und Pseudokurssteuern) berechnet wird. Das Modul 89 kann eine für sich arbeitende Vorrichtung oder auch Teil der Verarbeitungsvorrichtung 75 sein. Eine Messaktualisierungsmodul 82 führt eine Messaktualisierung des Zustandsvektors zur Erzeugung der Berechnungsausgabe (Y_k) 88 durch, wenn ein Messvektor verfügbar ist. Der aktualisierte Zustandsvektor (X_k) 86 wird wiederum rekursiv zu einem Zeitausbreitungsmodul 83 rückgeführt. Das Zeitausbreitungsmodul 83 führt die Zeitausbreitung des Zustandsvektors zwischen Filtermessungen durch.A pseudoroll, pseudonick, and pseudo-course control calculation model 89 leads the the filter 80 to own measurement generation, from which a measurement vector (pseudo-roles, pseudo-pitches and pseudo-course-controls) is calculated. The module 89 can be a working device or even part of the processing device 75 be. A measurement update module 82 performs a measurement update of the state vector to generate the calculation output (Y _k ) 88 when a measurement vector is available. The updated state vector (X _k ) 86 in turn becomes recursively a time propagation module 83 recycled. The time propagation module 83 performs the time propagation of the state vector between filter measurements.

Wie in 9 gezeigt ist, setzt ein zweites Raumstellungs- und Winkelratenfilter 90 eine Zustandsgleichung ein, die aus der Raumstellungsquaterniondifferenzialgleichung, dem Winkelratenkinematikdifferenzialmodell und Magnetometerfehlern besteht. Der Zustandsvektor des zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilters 90 wird durch die nachfolgende Gleichung dargestellt: X = [q₀, q₁, q₂, q₃, ω_x, ω_y, ω_z, mag_x-error, mag_y-error, mag_z-error]^T (17) As in 9 is shown sets a second attitude and angle rate filter 90 a state equation consisting of the spatial position quaternion differential equation, the angular rate kinematic differential model and magnetometer errors. The state vector of the second spacecraft and angle rate filter 90 is represented by the following equation: X = [q _0, q _1, q _2, q _3, ω _x, ω _y, ω _z, like _x-error, like _y-error, may _z-error] ^T (17)

Hierbei bezeichnet mag_x-error, mag_y-error, mag_z-error Hereby designated likes _x-error , likes _y-error , likes _z-error

Magnetometerfehler, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Konstanten modelliert sein können. Obwohl die Verwendung der Konstanten einfach ist und dem wirklichen Fehlerverhalten von Magnetometern entspricht, erschließt sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet, dass bei zunehmender Rechenlast genauere Modelle höherer Ordnung verwendet werden können.Magnetometer errors, which may be modeled as constants in a preferred embodiment. Although the use of the constants is simple and corresponds to the true fault behavior of magnetometers, it will be apparent to those skilled in the art that more accurate, higher order models can be used as the computational load increases.

Die Messgleichungen des zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilters 90 verwenden die Gleichungen der Umwandlung des Magnetfeldvektors und Beschleunigungsvektors aus dem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen in den Körperkoordinatenbezugsrahmen, was folgendermaßen modelliert werden kann:

The measurement equations of the second space position and angle rate filter 90 use the equations of converting the magnetic field vector and acceleration vector from the local navigation tangent reference frame to the body coordinate reference frame, which can be modeled as follows:

Hierbei bezeichnen Z_mag und Zaccel den Vektor der Dreiachsenmagnetfeldmessung (nachdem ein Ausgleich für beliebige geschätzte Fehler, darunter Hart- und Weicheisen, in dem Magnetometerfehlerausgleichsmodul 85 erfolgt ist) beziehungsweise den Vektor der Dreiachsenbeschleunigungsmessung. C^T _B bezeichnet die Transponierte der Matrix C^B _T (Gleichung 7). [mag T / N, mag T / E, mag T / D]^T entspricht den Komponenten des Erdmagnetfeldvektors bei einer Messung in der Nordrichtung (N), Ostrichtung (E) und Nach-unten-Richtung (D) in dem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T).Here, Z _mag and zaccel denote the vector of the triaxial magnetic field measurement (after compensation for any estimated errors, including hard and soft iron, in the magnetometer error compensation module 85 is done) or the vector of the three-axis acceleration measurement. C ^T _B denotes the transpose of the matrix C ^B _T (Equation 7). [likes T / N, likes T / E, likes T / D] ^T corresponds to the components of the terrestrial magnetic field vector when measured in the north direction (N), east direction (E) and down direction (D) in the local navigation tangent reference frame (T).

Vorzugsweise sind diese bekannten Lokalmagnetfeldvektoren aus dem Weltmagnetmodell 73 (7) oder einem ähnlichen globalen Magnetfeldmodell, so beispielsweise dem Weltmagnetmodell, das von der United States National Geospatial Intelligence Agency (NGA), dem United Kingdom's Defence Geographic Centre (DGC) oder anderen bereitgestellt wird. Die sieben Magnetkomponenten, die aus den Weltmagnetmodell von NGA oder DGC berechnet werden, sind folgende:

F: Gesamtintensität des geomagnetischen Feldes
H: Horizontalintensität des geomagnetischen Feldes
X: Nordkomponente des geomagnetischen Feldes
Y: Ostkomponente des geomagnetischen Feldes
Z: Vertikalkomponente des geomagnetischen Feldes
I (DIP): Geomagnetische Inklination
D (DEC): Geomagnetischen Deklination (magnetische Schwankung)

Preferably, these known local magnetic field vectors are from the world magnetic model 73 ( 7 ) or a similar global magnetic field model, such as the world magnetic model provided by the United States National Geospatial Intelligence Agency (NGA), the United Kingdom's Defense Geographic Center (DGC), or others. The seven magnet components calculated from the NGA or DGC world magnet model are as follows:

F: Total intensity of the geomagnetic field
H: Horizontal intensity of the geomagnetic field
X: North component of the geomagnetic field
Y: East component of the geomagnetic field
Z: Vertical component of the geomagnetic field
I (DIP): Geomagnetic inclination
D (DEC): Geomagnetic declination (magnetic fluctuation)

Das Weltmagnetmodell 73 wendet automatisch Deklinationswinkelberichtigungen auf das magnetische Kurssteuern zur Referenzierung der Ablesungen auf die wahre Nordrichtung, das heißt den geographischen Norden, anstatt auf den magnetischen Norden an. Das der Erde zu eigene Lokalmagnetfeld in dem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T) ist für einen beliebigen globalen Standort infolge des Weltmagnetmodells 73 genau bekannt. Bei vielen Anwendungen ist die Positionslösung des Trägers aus einem GPS-Empfänger verfügbar (7). Ein Weltmagnetmodell 73 kann eingesetzt werden, um genaue Lokalmagnetfelddaten in dem Lokalnavigationstangentialbezugsrahmen (T) auf Grundlage der Daten hinsichtlich der geographischen Breite, geographischen Länge und geographischen Höhe, die von dem GPS-Empfänger 74 erzeugt werden, bereitzustellen.The world magnet model 73 automatically applies declination angle corrections to the magnetic heading control to refer the readings to the true north direction, that is, the geographic north, rather than the magnetic north. The earth's own local magnetic field in the local navigation tangent reference frame (T) is for any global location due to the world magnet model 73 known exactly. In many applications, the carrier's position solution is available from a GPS receiver ( 7 ). A world magnet model 73 can be used to obtain accurate local magnetic field data in the local navigation tangent reference frame (T) based on the latitude, longitude and altitude data provided by the GPS receiver 74 be produced to provide.

Optional kann ein Lokalmagnetfeldvektor beziehungsweise können Lokalmagnetfeldvektoren vorab mit annähernd „universellen” Werten in das zweite Raumstellungs- und Winkelratenfilter 91 geladen werden. Diese Option, die ein schlechteres Leistungsvermögen bietet, ist vorzuziehen, wenn keine GPS-Positionsinformation verfügbar ist. Die vorstehende Beschreibung soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung genau auf das Offenbarte begrenzen. Das Ausführungsbeispiel wurde gewählt und beschrieben, um eine Illustration der Prinzipien der Erfindung und der Anwendung hiervon bereitzustellen. Abwandlungen und Abänderungen sind im Umfang der Erfindung.Optionally, a local magnetic field vector or local magnetic field vectors can advance into the second spatial position and angular rate filter with approximately "universal" values 91 getting charged. This option, which offers poorer performance, is preferable when GPS position information is not available. The foregoing description is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise disclosure. The embodiment has been chosen and described to provide an illustration of the principles of the invention and the application thereof. Variations and modifications are within the scope of the invention.

Das Zeitausbreitungsmodul 93 ist ausgelegt zum Durchführen einer Zeitausbreitung des Zustandsvektors zwischen Messungen des Filters 90. Das Messaktualisierungsmodul 92 ist zudem ausgelegt zum Durchführen einer Messaktualisierung des Zustandsvektors.The time propagation module 93 is designed to perform time propagation of the state vector between measurements of the filter 90 , The measurement update module 92 is also designed to perform a measurement update of the state vector.

Wie vorstehend offenbart worden ist, können, wenn die Standortinformation für das Weltmagnetfeldmodell nicht verfügbar ist, der Messvektor und die Messgleichung, die für das erste Raumstellungs- und Winkelratenfilter ausgelegt sind, auch für das zweite Raumstellungs- und Winkelratenfilter gebildet und verwendet werden. As disclosed above, if the location information for the world magnetic field model is not available, the measurement vector and the measurement equation designed for the first attitude and angular rate filter may also be formed and used for the second attitude and angle rate filter.

Da die System- und Messgleichungen der beiden ersten und zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80, 90 nichtlinear sind, können die ersten und zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80, 90 unter Verwendung eines nichtlinearen Kalman-Filters implementiert werden, so beispielsweise eines erweiterten Kalman-Filters, eines Sigma-Punkt-Kalman-Filters und dergleichen mehr.Because the system and measurement equations of the first and second spatial position and angular rate filters 80 . 90 nonlinear, the first and second attitude and angle rate filters can be used 80 . 90 may be implemented using a Kalman nonlinear filter, such as an extended Kalman filter, a sigma point Kalman filter, and the like.

Tatsächlich sind bei den ersten und zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfiltern 80, 90 die statischen Schwerkraftbeschleunigungsmessungen aus den Dreiachsenakzelerometern infolge der Beschleunigung des Trägers selbst dynamisch verfälscht. Um den Effekt der Trägerbeschleunigung zu mildern, passt das Filteradaptivsteuer- bzw. Regelmodul 81 (8), 92 (9) automatisch die Verstärkung der Raumstellungs- und Winkelratenfilter 80, 90 durch Überwachen der Länge der Beschleunigungsvektormessungen an. Wenn beispielsweise die Länge der Beschleunigungsvektormessungen größer als 1 g ist, so wird die Verstärkung der Filter 80 und 90 verringert.In fact, the first and second attitude and angle rate filters are 80 . 90 dynamically falsify the static gravity acceleration measurements from the triaxial accelerometers due to the acceleration of the carrier itself. To mitigate the effect of carrier acceleration, the Filter Adaptive Control Module fits 81 ( 8th ) 92 ( 9 ) automatically increases the gain and angle rate filters 80 . 90 by monitoring the length of the acceleration vector measurements. For example, if the length of the acceleration vector measurements is greater than 1 g, the gain will be the filter 80 and 90 reduced.

Große zeitveränderliche magnetische Störungen können beträchtliche Auswirkungen auf die Schätzung der Filter haben. Wenn beispielsweise der Träger nahe an einer großen magnetischen Quelle vorbeigelangt, was eine starke Verfälschung des Erdmagnetfeldes verursacht, so messen die Magnetometer diese große Verfälschung. Sobald der Träger über die Magnetfeldstärke der Magnetstörungsquelle hinausgelangt ist, kann das Erdmagnetfeld korrekt gemessen werden. Die Filter sind dafür ausgelegt, sehr schnell auf Situationen zu reagieren, wo die Messinformation nicht sicher ist.Large time-varying magnetic disturbances can have a considerable impact on the estimation of the filters. For example, if the carrier passes close to a large magnetic source, causing a strong distortion of the earth's magnetic field, the magnetometers will measure this large distortion. Once the carrier has gone beyond the magnetic field strength of the magnetic interference source, the Earth's magnetic field can be measured correctly. The filters are designed to respond very quickly to situations where the measurement information is uncertain.

Um die schädliche Wirkung einer momentanen Störung des Magnetfeldes zu mildern, ist eine Filterverstärkungsadaptivsteuerung bzw. Regelung 81 (8) vorgesehen, um eine hochgradig genaue Zustandsschätzung zu erreichen. Das Filterverstärkungsadaptivsteuer- bzw. Regelmodul 81 passt automatisch die Verstärkung 87 des Filters 80 in Bezug auf die Pseudokurssteuermessdaten 88 durch Überwachen der Skalarlänge der Magnetfeldvektormessung an. Wenn beispielsweise eine Änderung der Skalarlänge bei der Magnetfeldvektormessung erfasst wird, so passt das Filteradaptivsteuer- bzw. Regelmodul 81 die Verstärkung 87 des Filters in Bezug auf die Pseudokurssteuermessungen 88 an, das heißt, es verringert diese.To mitigate the deleterious effect of momentary disturbance of the magnetic field is a filter gain adaptive control 81 ( 8th ) to achieve a highly accurate state estimate. The filter gain adaptive control module 81 automatically adjusts the gain 87 of the filter 80 with respect to the pseudo-course control measurement data 88 by monitoring the scalar length of the magnetic field vector measurement. For example, if a change in the scalar length is detected in the magnetic field vector measurement, the filter adaptive control module fits 81 the reinforcement 87 of the filter with respect to the pseudo-course control measurements 88 that is, it reduces it.

Hierbei werden wiederum die Messungen unter Verwendung der zweiten Raumstellungs- und Winkelratenfilter 90 von den Erdmagnetfeldmessungen gebildet und sind im Ergebnis einer Magnetfeldstörung unterworfen. Zur Milderung des Effektes der Magnetfeldstörung ist die Filterverstärkungsadaptivsteuerung bzw. Regelung 92 dazu ausgestaltet, eine hochgradig genaue Zustandsschätzung zu erreichen.Here again the measurements are made using the second space position and angle rate filters 90 are formed by the earth's magnetic field measurements and as a result are subject to a magnetic field disturbance. To mitigate the effect of the magnetic field disturbance is the Filterverstärkungsadaptivsteuerung or regulation 92 designed to achieve a highly accurate state estimate.

Das Filteradaptivsteuer- bzw. Regelmodul 92 passt automatisch die Verstärkung 97 des Filters 90 in Bezug auf die Magnetfeldmessungen durch Überwachung der Skalarlänge der Magnetfeldvektormessungen an. Wenn beispielsweise eine Änderung der Skalarlänge der Magnetfeldvektormessung erfasst wird, so wird die Verstärkung 97 des Filters 90 in Bezug auf die Magnetfeldmessungen verringert.The filter adaptive control module 92 automatically adjusts the gain 97 of the filter 90 in terms of magnetic field measurements by monitoring the scalar length of the magnetic field vector measurements. For example, when a change in the scalar length of the magnetic field vector measurement is detected, the gain becomes 97 of the filter 90 reduced with respect to the magnetic field measurements.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Länge (Größe bzw. Magnitude) des Erdmagnetfeldvektors aus der Messung durch das Dreiachsenmagnetometer und die Länge (Größe bzw. Magnitude) des Gesamtbeschleunigungsvektors aus der Messung durch das Dreiachsenakzelerometer durch ein Bandpassdigitalfilter gefiltert, sodass sowohl das Rauschen wie auch der Gleichstromoffset (der Gleichstromoffset ist die mittlere Amplitude eines Signals) entfernt werden können, um einen verlässlichen Indikator für die Magnetfeldstörung und die Änderung der Beschleunigung für die Filteradaptivsteuer- bzw. Regelmodule 81 und 92 zu erhalten. Das Bandpassdigitalfilter weist eine niedrige Abschneidefrequenz und eine hohe Abschneidefrequenz auf, sodass nur das Signal mit einer Frequenz zwischen der niedrigen Abschneidefrequenz und der hohen Frequenz durch die Bandpassfrequenz gelassen wird.In a preferred embodiment, the length (magnitude) of the Earth's magnetic field vector from the measurement by the three-axis magnetometer and the length (magnitude) of the total acceleration vector from the measurement by the three-axis accelerometer are filtered by a band-pass digital filter, so that both the noise and the noise DC offset (the DC offset is the average amplitude of a signal) can be removed to provide a reliable indicator of the magnetic field disturbance and change in acceleration for the filter adaptive control modules 81 and 92 to obtain. The bandpass digital filter has a low cutoff frequency and a high cutoff frequency so that only the signal having a frequency between the low cutoff frequency and the high frequency is left through the bandpass frequency.

Exemplarische Verwendungen der TechnologieExemplary Uses of Technology

Eine Anwendung eines elektronischen Kompasses in einem zellenbasierten Telefon 30 ist in 3 gezeigt. Zum Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist das zellenbasierte Telefon 30 des Weiteren dafür ausgelegt, ein dreidimensionales Kartenprogramm (3D) auszuführen und Anwender in die Lage zu versetzen, das zellenbasierte Telefon (und daher die virtuelle Karte) um alle drei Achsen zu drehen. Herkömmliche zellenbasierte Telefone mit oder ohne Bewegungserfassung erfordern wenigstens sechs Eingabevorrichtungen (beispielsweise Tasten), um die Eingabesignalerzeugung zu bewerkstelligen, nämlich zwei Tasten für die X-Achsen-Drehung, zwei Tasten für die Y-Achsen-Drehung und zwei Tasten für die Z-Achsen-Drehung.An application of an electronic compass in a cell-based phone 30 is in 3 shown. For purposes of the present disclosure, the cell-based telephone is 30 further configured to execute a three-dimensional map program (3D) and enable users to rotate the cell-based phone (and therefore the virtual map) around all three axes. Traditional cell-based phones with or without motion detection require at least six input devices (for example, buttons) to accomplish the input signal generation, namely, two X-axis rotation buttons, two Y-axis rotation buttons, and two Z-axis rotation buttons.

Bei einem elektronischen Kompass als Bewegungserfassungsvorrichtung benötigt man die Richtungspfeiltasten jedoch nicht. Insbesondere können bei einem elektronischen Kompass, wenn das zellenbasierte Telefon 30 gedreht wird, die Sensorsignale verarbeitet werden, um Raumstellungswinkel (Φ, θ und Ψ) und Winkelraten (ω_x, ω_y, ω_z) bereitzustellen. Die Raumstellungswinkel und Winkelraten können in den Übersetzer 29 eingegeben werden, der die Raumstellungswinkel und Winkelraten in geeignete Eingabesignale 27 für das Anwendungsprogramm 21 umwandelt.However, with an electronic compass as a motion sensing device, you do not need the directional arrow keys. In particular, in the case of an electronic compass, if the cell-based phone 30 which processes sensor signals to provide spatial position angles (Φ, θ and Ψ) and angular rates (ω _x , ω _y , ω _z ). The spatial position angles and angular rates can be in the translator 29 input the spatial position angle and angle rates into appropriate input signals 27 for the application program 21 transforms.

Kurzum, die Erzeugung des Eingabesignals 27 erfordert keine Richtungspfeiltasten. Man ändern vielmehr lediglich die Raumstellung des zellenbasierten Telefons 30, um Sensorsignale zu erzeugen, so beispielsweise M_x, M_y, M_z, A_x, A_y, A_z. Ist das Anwendungsprogramm eine 3D-Karten-Anwendung, so ist eine Kartendrehung um drei Achsen möglich. Vorteilhafterweise ist der Feldoberflächenbereich, der für die herkömmlichen Navigationstasten benötigt wird, nicht erforderlich. Infolgedessen kann der Oberflächenbereich, der ansonsten für die Navigationstasten verwendet werden müsste, zu anderen Zwecken genutzt werden, und/oder es kann das zellenbasierte Telefon 30 auch kleiner ausgestaltet werden.In short, the generation of the input signal 27 does not require directional arrow keys. Rather, you change only the spatial position of the cell-based phone 30 to generate sensor signals, such as M _x , M _y , M _z , A _x , A _y , A _z . If the application program is a 3D map application, a map rotation of three axes is possible. Advantageously, the field surface area required for the conventional navigation keys is not required. As a result, the surface area that would otherwise have to be used for the navigation keys may be used for other purposes, and / or may be the cell-based telephone 30 be made smaller as well.

Ein Beispiel für ein Flugsimulatorspiel, das auf einer tragbaren Spielmaschine 40 ausführbar ist, ist in 4 gezeigt. Obwohl zu Zwecken dieses Ausführungsbeispiels die Spielmaschine 40 ein Flugsimulator ist, erschließt sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet die Anwendbarkeit der Lehre der vorliegenden Erfindung auf eine Unzahl von Spielmaschinen 40 und Spielprogrammen, die drei Dimensionen und eine Raumstellungssteuerung bzw. Regelung benötigen.An example of a simulator game playing on a portable gaming machine 40 is executable is in 4 shown. Although for purposes of this embodiment, the game machine 40 is a flight simulator, one skilled in the art will understand the applicability of the teachings of the present invention to a myriad of gaming machines 40 and game programs that require three dimensions and a spatial position control.

Eine herkömmliche Spielmaschine zur Steuerung bzw. Regelung der Raumstellung eines Flugzeuges erfordert zahlreiche Eingabevorrichtungen, so beispielsweise Tasten an der Oberfläche der Spielvorrichtung, oder alternativ einen Joystick, der funktionell mit der Spielvorrichtung gekoppelt ist. Im Gegensatz hierzu erzeugt entsprechend der vorliegenden Erfindung bei einem elektronischen Kompass ein Drehen der Spielmaschine bezüglich einer oder mehrerer von seinen X-, Y- und/oder Z-Achsen Flugzeugraumstellungseingabesignale, die zur Steuerung bzw. Regelung der Raumstellung des Flugzeuges verwendet werden können.A conventional game machine for controlling the attitude of an aircraft requires numerous input devices, such as buttons on the surface of the gaming device, or, alternatively, a joystick that is operatively coupled to the gaming device. In contrast, in accordance with the present invention, in an electronic compass, rotating the gaming machine relative to one or more of its X, Y, and / or Z axes generates aircraft space position input signals that may be used to control the aircraft's attitude.

Nachdem Systeme zur Bewegungs- und Raumstellungserfassung sowie tragbare elektronische Vorrichtungen mit derartigen Systemen beschrieben worden sind, werden nunmehr Verfahren beschrieben zur Bereitstellung von Raumstellungs- und Raumstellungseingabesignalen für ein Anwendungsprogramm, zum Bestimmen der Trägheitsraumstellung und Änderung der Trägheitsraumstellung eines Objektes und zum Ändern einer Operation, die an einem Anwendungsprogramm durchgeführt wird, das von dem Objekt ausgeführt wird, sowie zum Erzeugen von Eingabesignalen für ein Anwendungsprogramm, das auf einer tragbaren elektronischen Vorrichtung ausführbar ist. Wie in dem Ablaufdiagramm von 5 und 2 gezeigt ist, beinhalten die Verfahren ein Integrieren eines Zwei- oder Dreiachsenakzelerometers und eines Dreiachsenmagnetfeldsensors in eine tragbare elektronische Vorrichtung (Schritt 1) und zudem ein Anpassen des Zwei- oder Dreiachsenakzelerometers zur Erzeugung eines ersten Satzes von Signalen (Schritt 2A) und ein Anpassen des Dreiachsenmagnetfeldsensors, beispielsweise eines elektronischen Kompasses, zur Erzeugung eines zweiten Satzes von Signalen (Schritt 2B).Having described systems for motion and attitude detection and portable electronic devices having such systems, methods for providing attitude and space position inputs to an application program, determining the inertial space position, and changing the inertial space position of an object and changing an operation, are now described is performed on an application program executed by the object and for generating input signals for an application program executable on a portable electronic device. As in the flowchart of 5 and 2 4, the methods include integrating a two or three axis accelerometer and a three axis magnetic field sensor into a portable electronic device (step 1 and also adjusting the two- or three-axis accelerometer to produce a first set of signals (step 2A ) and adjusting the three-axis magnetic field sensor, for example an electronic compass, to generate a second set of signals (step 2 B ).

Der erste Satz von Signalen, der von dem Zwei- oder Dreiachsenakzelerometer (Schritt 2A) erzeugt wird, entspricht Beschleunigungen und/oder Beschleunigungsänderungen in den X-, Y- und Z-Richtungen, also A_x, A_y, A_z, die proportional zu Änderungen der Trägheitsraumstellung der tragbaren elektronischen Vorrichtung sind. Auf ähnliche Weise entspricht der zweite Satz von Signalen, die von dem Dreiachsenmagnetfeldsensor erzeugt werden (Schritt 2B), der Magnetfeldstärke und/oder Änderungen der Magnetfeldstärke um die X-, Y- oder Z-Achsen, also M_x, M_y, M_z, die proportional zu Änderungen der Trägheitsraumstellung der tragbaren elektronischen Vorrichtung sind.The first set of signals from the two- or three-axis accelerometer (step 2A ), corresponds to accelerations and / or acceleration changes in the X, Y and Z directions, that is, A _x , A _y , A _z which are proportional to changes in the inertial space position of the portable electronic device. Similarly, the second set of signals generated by the triaxial magnetic field sensor (step 2 B ), the magnetic field strength and / or changes in the magnetic field strength about the X, Y or Z axes, ie M _x , M _y , M _z , which are proportional to changes in the inertial space position of the portable electronic device.

Die ersten und zweiten Sätze von Signalen werden sodann verarbeitet (Schritt 3), was ohne Beschränkung ein Umwandeln von Analogsignalen in Digitalsignale unter Verwendung eines A/D-Wanders beinhalten kann. Die Digitalsignale können sodann beispielsweise durch eine Verarbeitungseinheit verarbeitet werden, um eines oder mehrere von einem Nicken, Gieren, Rollen zu berechnen, das heißt die Raumstellung der Vorrichtung und/oder Änderungen hiervon, und die Winkelrate um die X-, Y- und/oder Z-Achse (Schritt 4) und/oder Änderungen hiervon.The first and second sets of signals are then processed (step 3 ), which may include, without limitation, converting analog signals to digital signals using an A / D converter. The digital signals may then be processed, for example, by a processing unit to calculate one or more of a pitch, yaw, roll, that is, the spatial position of the device and / or changes thereof, and the angular rate about the X, Y and / or Z axis (step 4 ) and / or changes thereof.

Das berechnete Nicken, Gieren, Rollen und/oder Winkeldrehungen werden sodann in Eingabesignale übersetzt, die mit einem Anwendungsprogramm kompatibel sind, das in der tragbaren elektronischen Vorrichtung ausgeführt wird oder durch diese ausführbar ist (Schritt 5). Insbesondere werden das berechnete Nicken, Gieren, Rollen und/oder die Winkelpositionen in Eingabesignale übersetzt, die den Betrieb des Anwendungsprogramms ändern können. The calculated pitch, yaw, roll and / or angular rotations are then translated into input signals that are compatible with an application program that is executing in or executable by the portable electronic device (step 5 ). In particular, the calculated pitch, yaw, roll and / or angular positions are translated into input signals that can change the operation of the application program.

Bei Verwendung in Verbindung mit einer 3D-Bildanwendung können beispielsweise die Beschleunigungen und Magnetfeldstärken zunächst berechnet und sodann derart angepasst werden, dass sie eine Bewegung und Verschiebung des 3D-Bildes entlang der X-, Y- und/oder Z-Achse oder eine Drehung um diese beschreiben. Wenn sodann die tragbare elektronische Vorrichtung um eine oder mehrere ihrer Trägheitsachsen gedreht wird, so ändern sich einige oder alle der Beschleunigungen und Magnetfeldstärken, was in Änderungen des Nickens, Gierens und Rollens und/oder der Winkeldrehung übersetzt wird. Werden diese Änderungen übersetzt und in das Anwendungsprogramm, das auf der tragbaren Vorrichtung ausgeführt wird, eingegeben, so wird das 3D-Bild proportional zu den Eingabesignalen aus der gedrehten tragbaren elektronischen Vorrichtung bewegt.For example, when used in conjunction with a 3D imaging application, the accelerations and magnetic field strengths may first be calculated and then adjusted to accommodate movement and displacement of the 3D image along the X, Y, and / or Z axes, or rotation describe this. Then, when the portable electronic device is rotated about one or more of its axes of inertia, some or all of the accelerations and magnetic field strengths change, which translates into changes in pitching, yawing and rolling, and / or angular rotation. When these changes are translated and input to the application program executed on the portable device, the 3D image is moved in proportion to the input signals from the rotated portable electronic device.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf tragbare Vorrichtungen beschränkt. So ist die vorliegende Erfindung im Grunde auf eine beliebige elektronische Vorrichtung – sei sie nun tragbar oder nicht – anwendbar, so nur eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, das heißt eine Anwender-Maschine-Schnittstelle, vorhanden ist. Anpassen kann ein Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet beispielsweise die Nick-, Gier- und Rollfunktionen der vorliegenden Erfindung an eine Verwendung mit einer Maus, um Eingabesignale für einen Personalcomputer zu erzeugen, und mit einer Fernsteuerung, um Signale für eine Host-Vorrichtung zu erzeugen, so beispielsweise und ohne Einschränkung einen Fernseher, ein Radio, ein DVD-Abspielgerät, ein Stereosystem oder eine andere Multimediavorrichtung und ein elektronisches Instrument, so beispielsweise ein elektronisches Klavier oder eine elektronische Orgel.The application of the present invention is not limited to portable devices. Thus, the present invention is basically applicable to any electronic device, be it portable or not, so only a human-machine interface, that is, a user-machine interface, is present. For example, one skilled in the art may adapt the pitch, yaw and roll functions of the present invention to use with a mouse to generate input signals to a personal computer and to remotely control to generate signals for a host device. for example, and without limitation, a television, a radio, a DVD player, a stereo system or other multimedia device, and an electronic instrument such as an electronic piano or an electronic organ.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7138979 [0008]
US 7216055 [0018]

Claims

A method of determining motion information including a spatial position and an angular rate of a dynamic object, wherein the spatial position includes dynamic roll, dynamic pitch, and dynamic yaw measurements of the dynamic object, the method comprising: Providing a detection device comprising a three-axis acceleration sensor and a three-axis magnetic field sensor; measuring, in a body coordinate reference frame, at least one of an intensity and a direction of a magnetic field in three perpendicular or substantially perpendicular directions using the magnetic field sensor; Measuring a total acceleration of the object in the body coordinate reference frame using the acceleration sensor; and combining in a filter the at least one of an intensity and a direction of a magnetic field in three perpendicular or substantially perpendicular directions and the total acceleration with a kinematics model of the spatial position and angular rate of the object to calculate the spatial position and angular rate.

The method of claim 1, wherein the first space position and angle rate filter uses a pseudo-roll, a pseudo-pitch and a pseudo-course control as the measurement vector and a relationship of a spatial position quaternion and a roll / pitch / yaw as a measurement equation, wherein the pseudo-roll and the pseudo-pitch are calculated using the total acceleration and calculating the pseudo-heading control using magnetic field measurements that are converted from the body coordinate reference frame to a local-level reference frame.

The method of claim 1 or 2, wherein the filter is a second spatial position and angular rate filter having a gain and a state equation including a spatial position quaternion differential equation, an angular rate kinematic differential equation of the object, and an error modeling equation for the magnetic field sensor.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein errors of the magnetic field sensor are modeled as constant values.

The method of claim 3 or 4, wherein the second attitude and angle rate filter uses the magnetic field measurements from the triaxial magnetic field sensor and acceleration measurements from the triaxial acceleration sensor as the filter to own measurement vector and converts the magnetic field vector and acceleration vector from the local navigation tangent reference frame into the body coordinate reference frame as the filter to its own measurement model equation wherein the magnetic field vector is known in the local navigation tangent reference frame.

The method of one of claims 1 to 5, further comprising performing a measurement update of a state vector when a measurement vector is available.

The method of claims 1 to 5, further comprising performing a time propagation of the state vector between filter measurements.

The method of claim 3, further comprising adjusting the gain of the second attitude and angle rate filter to reduce the measurement update when the subject experiences an acceleration perturbation or magnetic field perturbation.

The method of claim 1, further comprising using a Global Positioning System (GPS) receiver to determine a position of the object, wherein the position includes a geographic length, a latitude, and a geographic altitude.

The method of claim 9, further comprising providing a local magnetic field vector as an expression in the local navigation tangent reference frame using the geographic latitude, the latitude, and the geographic altitude in combination with a world magnet model.

Method according to one of claims 1 to 10, further comprising a step of automatically calibrating the three-axis magnetic field sensor by estimating a source of error, hard / Soft iron objects of the environment, wherein the estimation is based on the principle that a length of an error-free local magnetic field vector is a constant.

The method of claim 1, further comprising a step of automatically calibrating the three-axis acceleration sensor by estimating three-axis acceleration error sources, wherein the estimation is based on the principle that an error-free acceleration measurement when the object is static is only gravitational acceleration.

A system for determining motion information that includes a spatial position and an angular rate of a dynamic object, comprising: a magnetic field sensor configured to measure, in a body coordinate reference frame, at least one of an intensity and a direction of a magnetic field in three perpendicular or substantially perpendicular directions; an acceleration sensor configured to measure a total acceleration of the object in the body coordinate reference frame; and a processor configured to calculate a spatial position and angular rate by combining in a filter total acceleration measurement data and magnetic field measurement data with a kinematics model of the spatial position and angular rate of the object.

The system of claim 13, wherein the filter is a first spatial position and angular rate filter having a gain and a system state equation that includes a spatial position quaternion differential equation and an angular rate kinematic differential equation of the object.

The system of claim 13 or 14, wherein the angular rate kinematic differential equation of the object is modeled as a first order Markov process.

A system according to claim 14 or 15, wherein said first space position and angle rate filter uses pseudo-roll, pseudo-nick and pseudo-course control angles as the filter to own measurement vector and a relationship between the spatial position quaternion and the roll, pitch and yaw angles as the filter to own measurement equation, wherein the pseudo-roles and pseudo-nicks are calculated using the total acceleration and the pseudo-heading control is calculated using magnetic field measurements converted from the coordinate-body reference frame to a local-level reference frame.

The system of any one of claims 13 to 17, wherein the filter performs a measurement update of a state vector when the measurement vector is available, and / or wherein the filter performs a time propagation of the state vector between filter measurements.

The system of claim 13, wherein the processor is structured and arranged to automatically calibrate the triaxial magnetic field sensor by estimating a source of error including hard / soft iron distortions of the magnetic field from the surrounding environment of the three-axis magnetic field sensor, wherein the error source estimation is based on the principle that a length of an error-free local magnetic field vector is a constant.

The system of any one of claims 14 to 18, wherein the filter further adapts the gain of the first spatial position and angular rate filter to reduce the measurement update when the subject experiences an acceleration or magnetic field disturbance.

The system of claim 13, wherein the filter is a second spatial position and angular rate filter having a gain and a state equation including a spatial position quaternion differential equation, an angular rate kinematic differential equation of the object, and an error modeling equation of the three-axis magnetic field sensor.

The system of claim 20, wherein the second attitude and angle rate filter uses magnetic field measurements from the triaxial magnetic field sensor and acceleration measurements from the triaxial acceleration sensor as the filter to own measurement vector and substitutes the conversion equations of a magnetic field vector and an acceleration vector from the local navigation tangent reference frame into the body coordinate reference frame as the filter to its own measurement model equation wherein the magnetic field vector is known in the local navigation tangent reference frame.

The system of any one of claims 13 to 21, further comprising a Global Positioning System (GPS) receiver configured to determine a position of the object, the position being a geographic longitude, a latitude and a geographic altitude includes.

The system of claim 22, further comprising means for providing the magnetic field vector in the local navigation tangent reference frame using the geographic latitude, the latitude, and the geographic altitude in combination with a world magnet model.