DE112017004127T5

DE112017004127T5 - Elektronischer Kompass

Info

Publication number: DE112017004127T5
Application number: DE112017004127.9T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Kobayashi
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN109716064B; JP6667002B2; US20190242707A1; CN109716064A; US11112243B2; WO2018055975A1; JPWO2018055975A1

Abstract

Dieser elektronische Kompass 1 weist einen Magnetsensor 10 zum Erfassen von zwei vorbestimmten Achskomponenten aus den drei erdmagnetischen Achskomponenten an einem Ort auf und erzeugt biaxiale magnetische Erfassungsdaten (hx', hy') entsprechend den Größen der Komponenten, einen Beschleunigungssensor 20 zum Erfassen von drei Achskomponenten seiner Beschleunigung und zum Erzeugen dreiachsiger Beschleunigungserfassungsdaten (ax, ay, az) entsprechend den drei Achskomponenten, und eine Azimutwinkelerfassungseinheit 30 zum Berechnen angenommener magnetischer Erfassungsdaten hz' entsprechend der einen verbleibenden, nicht-erfassten Achskomponente der drei erdmagnetischen Achskomponenten aus den biaxialen magnetischen Erfassungsdaten (hx', hy'), den dreiachsigen Beschleunigungserfassungsdaten (ax, ay, az) und der Größe |M| und dem magnetischen Neigungswinkel α des erdmagnetischen Feldes und zum Erfassen eines Azimutwinkels θ durch Bestimmen der Komponente des erdmagnetischen Feldes parallel zur Erdoberfläche unter Verwendung der angenommenen magnetischen Erfassungsdaten hz'.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kompass.
Stand der Technik
Viele moderne Mobilgeräte wie Mobiltelefone und Smartphones sind mit einem elektronischen Kompass (Azimutwinkelsensor) ausgestattet, um die Orientierung zu erfassen, in der sie sich befinden.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 4552658
Nicht-Patentliteratur
Überblick über die Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
Um die Orientierung richtig zu erfassen, sind im Allgemeinen ein Beschleunigungssensor und ein dreiachsiger Magnetsensor erforderlich, damit der Neigungswinkel bezüglich der Erdoberfläche berücksichtigt werden kann. Dreiachsige Magnetsensoren erfordern jedoch oft eine komplizierte Fertigungstechnologie und sind daher in der Regel entsprechend teuer.
Im Patentdokument 1 wird eine Technologie vorgeschlagen, die eine ebenso genaue Erfassung der Ausrichtung oder Position mit einem biaxialen Magnetsensor ermöglicht, der im Vergleich zu einem dreiachsigen Magnetsensor kostengünstiger als dieser ist. Diese herkömmliche Technologie verwendet ein Verfahren, bei dem zwei Achskomponenten des Erdmagnetismus erfasst und dann unter Verwendung der erfassten Werte die dritte Achskomponente des Erdmagnetismus geschätzt wird.
Es ist jedoch bekannt, dass die Größe des Erdmagnetismus sich selbst an demselben Ort zwischen drinnen und draußen unterscheidet. So ist es etwa in einer Situation, in der sich die Größe des Erdmagnetismus dadurch ändern kann, dass man sich zwischen drinnen und draußen bewegt (z.B. wenn man in ein Gebäude eintritt oder aus einem Gebäude herauskommt), nicht immer einfach, die dritte Achskomponente des Erdmagnetismus zu schätzen, die nur auf zwei Achskomponenten des Erdmagnetismus basiert, was möglicherweise bei der Azimutwinkelmessung eine nicht ausreichende Genauigkeit mit sich bringt.
Angesichts der oben genannten Problemstellung, die von den beteiligten Erfindern erkannt wurde, ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen elektronischen Kompass bereitzustellen, der die Orientierung mit einem biaxialen Magnetsensor genau erfassen kann.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Gemäß einem Aspekt des hier Offenbarten umfasst ein elektronischer Kompass: einen Magnetsensor, der zwei vorbestimmte Achskomponenten von drei Achskomponenten des Erdmagnetismus an einer gegebenen Stelle erfasst, um zweiachsige magnetische Abtastdaten zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen Komponenten entsprechen; einen Beschleunigungssensor, der drei Achskomponenten der Beschleunigung erfasst, die auf den Sensor selbst aufgebracht wird, um dreiachsige Beschleunigungsabtastdaten zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen Komponenten entsprechen; einen Azimutwinkeldetektor, der eingerichtet ist, virtuelle magnetische Abtastdaten zu berechnen, die aus den drei Achskomponenten des Erdmagnetismus einer verbleibenden, nicht erfassten Einachskomponente basierend auf den zweiachsigen magnetischen Abtastdaten, den dreiachsigen Beschleunigungsdaten und der Größe und der Inklination des Erdmagnetismus entsprechen, um dadurch die bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu bestimmen, um einen Azimutwinkel zu erfassen (erste Konfiguration).
Im elektronischen Kompass der vorstehend beschriebenen ersten Konfiguration, ist der Azimutwinkeldetektor vorzugsweise eingerichtet, als einen Verarbeitungsschritt eine bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus basierend auf der Größe und der Inklination des Erdmagnetismus zu berechnen (zweite Konfiguration).
Im elektronischen Kompass der zweiten Konfiguration kann der Azimutwinkeldetektor eingerichtet werden, als einen Verarbeitungsschritt einen Neigungswinkel relativ zur Bodenoberfläche basierend auf den dreiachsigen Beschleunigungsdaten zu berechnen, um eine Rotationsmatrix abzuleiten (dritte Konfiguration).
Im elektronischen Kompass der dritten Konfiguration kann der Azimutwinkeldetektor eingerichtet werden, als einen Verarbeitungsschritt dreiachsige magnetische Abtastdaten zu multiplizieren, die sich aus der Kombination der zweiachsigen magnetischen Abtastdaten und der virtuellen magnetischen Abtastdaten durch die Rotationsmatrix ergeben, um die bodenhorizontalen Komponenten und die bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus als Funktion der virtuellen magnetischen Abtastdaten abzuleiten (vierte Konfiguration).
Im elektronischen Kompass der vierten Konfiguration kann der Azimutwinkeldetektor eingerichtet werden, als einen Verarbeitungsschritt die virtuellen magnetischen Abtastdaten basierend auf der bekannten bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus zu berechnen, um die bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu bestimmen (fünfte Konfiguration).
Im elektronischen Kompass der fünften Konfiguration kann der Azimutwinkeldetektor eingerichtet werden, um als einen Verarbeitungsschritt den Azimutwinkel basierend auf den bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu erfassen (sechste Konfiguration).
Im elektronischen Kompass irgend einer der ersten bis sechsten Konfiguration kann der Azimutwinkeldetektor eingerichtet werden, als einen Verarbeitungsschritt basierend auf den zweiachsigen magnetischen Abtastdaten, die sich mit der Zeit ändern, entweder den Maximalwert eines resultierenden Vektors der beiden Achskomponenten oder die Hälfte des größeren der Differenzen zwischen dem Maximal- und Minimalwert der beiden Achskomponenten zu bestimmen, um den bestimmten Wert als Größe des Erdmagnetismus zu nehmen (siebte Konfiguration).
Im elektronischen Kompass irgendeiner der ersten bis siebten Konfigurationen kann der Magnetsensor eingerichtet sein, ein Hallelement, ein Magnetwiderstandselement (MR) oder ein Magnetimpedanzelement (MI) zu umfassen (achte Konfiguration).
Gemäß einem weiteren Aspekt des hier Offenbarten, umfasst ein in der vorliegenden Beschreibung offenbartes elektronisches Gerät einen elektronischen Kompass in irgendeiner der ersten bis achten Konfigurationen (neunte Konfiguration).
Gemäß einem weiteren Aspekt des hier Offenbarten, ist ein Azimutwinkelmessverfahren, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart wird, ein Verfahren zum Erfassen eines Azimutwinkels unter Verwendung eines Magnetsensors zum Erfassen von zwei vorbestimmten aus drei Achskomponenten des Erdmagnetismus an einem gegebenen Ort, um zweiachsige magnetische Erfassungsdaten zu erzeugen, die den Größen der beiden jeweiligen Achskomponenten entsprechen, und eines Beschleunigungssensors zum Erfassen von drei Achskomponenten der Beschleunigung, die auf den Sensor selbst aufgebracht werden, um dreiachsige Beschleunigungserfassungsdaten entsprechend den Größen der jeweiligen drei Achskomponenten zu erzeugen. Das Verfahren umfasst: Berechnen einer bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus basierend auf einer Größe und einer Inklination des Erdmagnetismus; Berechnen eines Neigungswinkels relativ zu einer Bodenoberfläche basierend auf den dreiachsigen Beschleunigungsabtastdaten, um eine Rotationsmatrix abzuleiten; Multiplizieren von dreiachsigen magnetischen Abtastdaten einschließlich der zweiachsigen magnetischen Abtastdaten und einachsigen virtuellen magnetischen Abtastdaten durch die Rotationsmatrix, um bodenhorizontale Komponenten und die bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus als Funktion der virtuellen magnetischen Abtastdaten abzuleiten; Berechnen der virtuellen magnetischen Abtastdaten basierend auf einer bekannten bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus zum Bestimmen der bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus; Erfassen des Azimutwinkels basierend auf den bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus (zehnte Konfiguration).
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Mit der hierin offenbarten Erfindung ist es möglich, einen kostengünstigen elektronischen Kompass anzubieten, der die Orientierung mit einem biaxialen Magnetsensor genau erfassen kann.
Figurenliste

1 Ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines elektronischen Kompasses zeigt.
2 Ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem ein Magnetsensor in Bezug auf die Bodenoberfläche horizontal gehalten wird.
3 Ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem der Magnetsensor in Bezug auf die Bodenoberfläche geneigt ist.
4 Ein schematisches Diagramm, das die Größe und die Inklination des Erdmagnetismus zeigt.
5 Ein schematisches Diagramm, das einen Drehwinkel p um die X-Achse und einen Drehwinkel r um die Y-Achse zeigt.
6 Ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem die Azimutwinkelmessung basierend auf der bodenhorizontalen Komponente des Erdmagnetismus durchgeführt wird.
7 Ein Flussdiagramm, das ein ein Beispiel für ein Verfahren zur Azimutwinkelmessung zeigt.
8 Eine Außenansicht eines Smartphones.
9 Eine Außenansicht eines Tablet-Computers.
10 Eine Außenansicht einer Smartwatch.

Beschreibung von Ausführungsformen
<Elektronischer Kompass>
1 ist ein Blockdiagramm mit einem Konfigurationsbeispiel eines elektronischen Kompasses. Der elektronische Kompass 1 dieses Konfigurationsbeispiels weist einen Magnetsensor 10, einen Beschleunigungssensor 20 und einen Azimutwinkeldetektor 30 auf.
Der Magnetsensor 10 ist ein biaxialer Magnetsensor zum Erfassen von zwei vorbestimmten Achskomponenten (X-Achs- und Y-Achskomponente) aus drei Achskomponenten (X-Achs-, Y-Achs- und Z-Achskomponente) des Erdmagnetismus an einem bestimmten Ort (dem Ort, an dem sich der elektronische Kompass 1 befindet), um zweiachsige magnetische Abtastdaten (hx', hy') entsprechend den Größen der jeweiligen Komponenten zu erzeugen. Das heißt, im Magnetsensor 10 ist die Z-Achskomponente des Erdmagnetismus kein Abtastobjekt, so dass keine magnetischen Abtastungsdaten hz' der Z-Achse (siehe gestrichelte Linie im Diagramm) erzeugt werden. Die oben genannten Achsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) können orthogonal zueinander ausgelegt werden. Als Magnetsensor 10 kann beispielsweise ein Hallelement, ein Magnetwiderstandselement (MR) oder ein Magnetimpedanzelement (MI) verwendet werden.
Der Beschleunigungssensor 20 ist ein dreiachsiger Beschleunigungssensor zum Erfassen von drei Achskomponenten (X-Achs-, Y-Achs- und Z-Achskomponente) der auf den Sensor selbst (und damit auf den elektronischen Kompass 1) ausgeübten Beschleunigung, um dreiachsige Beschleunigungsdaten (ax, ay, az) zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen Komponenten entsprechen.
Der Azimutwinkeldetektor 30 erfasst den Azimutwinkel θ (die Richtung, in die der elektronische Kompass zeigt) basierend auf den zweiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy'), den dreiachsigen Beschleunigungsdaten (ax, ay, az) und der Größe |M| und der Inklination α des Erdmagnetismus an der betreffenden Stelle. Die interne Verarbeitung im Azimutwinkeldetektor 30 wird später ausführlich beschrieben.
Obwohl im Diagramm gezeigt wird, dass Daten, die sich auf die Inklination α und die Größe |M| des Erdmagnetismus beziehen, von außerhalb des Azimutwinkeldetektors 30 zugeführt werden, können diese Daten auch innerhalb des Azimutwinkeldetektors 30 erzeugt werden. Dies wird gleichfalls später beschrieben.
< Neigung bezüglich der Bodenoberfläche >
Wie bereits erwähnt, ist der in den elektronischen Kompass 1 integrierte Magnetsensor 10 ein biaxialer Magnetsensor, der preiswerter ist als ein dreiachsiger Magnetsensor. Bei der Erfassung des Azimutwinkels θ mit einem biaxialen Magnetsensor ist es im Allgemeinen notwendig, eine Azimutwinkelmessung durchzuführen, während der Magnetsensor 10 horizontal zur Bodenoberfläche gehalten wird (2), so dass der Neigungswinkel des Magnetsensors 10 zur Bodenoberfläche nicht berücksichtigt werden muss.
Viele elektronische Geräte, die mit dem elektronischen Kompass 1 ausgestattet sind, sind jedoch Handgeräte (wie Mobiltelefone und Smartphones), die oft in der Hand eines Benutzers bedient werden, und der Magnetsensor 10 kann in unterschiedlichen Winkeln zur Bodenoberfläche geneigt werden (3). Während also der Azimutwinkel θ erfasst wird, muss der Benutzer aufgefordert werden, den Magnetsensor 10 in einem horizontalen Zustand zu halten, wie in 2 dargestellt, und dabei handelt es sich kaum um eine praktische Einsatzmöglichkeit.
Als Lösung ist der Azimutwinkeldetektor 30 eingerichtet, virtuelle magnetische Abtastdaten hz' zu berechnen, die der Z-Achsenkomponente des Erdmagnetismus entsprechen, basierend auf zweiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy'), dreiachsigen Beschleunigungsdaten (ax, ay, az), und der Größe |M| und der Inklination α des Erdmagnetismus an einem bestimmten Ort, um dadurch eine bodenhorizontale Komponente (die später ausführlich beschrieben wird) des Erdmagnetismus zu bestimmen, um den Azimutwinkel θ korrekt erfassen zu können, auch wenn der Magnetsensor 10 relativ zur Bodenoberfläche geneigt ist.
Besonders hervorzuheben ist, dass im Azimutwinkeldetektor 30 nicht nur die Größe |M| des Erdmagnetismus, sondern auch die Inklination α des Erdmagnetismus sinnvoll zur Durchführung der Azimutwinkelmessung eingesetzt wird. Deren technische Bedeutung wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
< Die Größe und die Inklination des Erdmagnetismus >
4 ist ein schematisches Diagramm, das die Größe |M| und die Inklination α des Erdmagnetismus zeigt. Der Erdmagnetismus (siehe dicker Pfeil im Diagramm) wirkt von etwa dem Südpol bis etwa zum Nordpol, und seine Größe |M| und die Inklination α (der Winkel, unter dem der Erdmagnetismus in die Erdoberfläche eintritt oder der Winkel, unter dem der Erdmagnetismus aus der Erdoberfläche austritt) variieren bekanntlich je nach Breite und Länge der Beobachtungsstelle.
Die Größe |M| des Erdmagnetismus kann unterschiedliche Werte haben, etwa auch zwischen innen und außen am gleichen Ort. Andererseits kann man davon ausgehen, dass die Inklination α des Erdmagnetismus allgemein unabhängig von drinnen und draußen im Rahmen der gewöhnlichen Aktivität durchschnittlicher Benutzer einen konstanten Wert hat (innerhalb des Bereichs der lokalen Aktivität, die keine Fernbewegungen mit dem Flugzeug oder dergleichen einschließt).
Basierend auf den oben genannten Erkenntnissen umfasst ein in der vorliegenden Beschreibung vorgeschlagenes Azimutwinkelmessverfahren nicht nur die Größe |M| des Erdmagnetismus, sondern auch die Inklination α des Erdmagnetismus sinnvoll zu nutzen, um dadurch virtuelle magnetische Abtastdaten der Z-Achse, die nicht vom Magnetsensor 10 erfasst werden, genau zu berechnen, um eine genauere Erfassung des Azimutwinkels θ zu erreichen.
< Azimutwinkelmessung >
Die Azimutwinkelmessung durch den Azimutwinkeldetektor 30 wird im Folgenden näher beschrieben. Erstens kann die Beziehung zwischen dreiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy', hz') (wobei hz' virtuelle magnetische Abtastdaten sind) und dreiachsigen projizierten magnetischen Abtastdaten (hx, hy, hz), die durch Projizieren der dreiachsigen magnetischen Abtastdaten auf die Boden-Horizontalebene erhalten werden, durch die folgende Formel (1) ausgedrückt werden. Von den dreiachsig projizierten magnetischen Abtastdaten (hx, hy, hz) entsprechen hx und hy den bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus, und hz entspricht einer bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus.
[Formel 1] $(\begin{matrix} hx \\ hy \\ hz \end{matrix}) = R^{T} (\begin{matrix} hx' \\ hy' \\ hz' \end{matrix}) = (\begin{matrix} cos (r) & 0 & - sin (r) \\ sin (p) sin (r) & cos (p) & sin (p) cos (r) \\ cos (p) sin (r) & - sin (p) & cos (p) cos (r) \end{matrix}) (\begin{matrix} hx' \\ hy' \\ hz' \end{matrix})$
In der obigen Formel (1) ist die Rotationsmatrix R, wie in 5 dargestellt, eine Rotationsmatrix zum Drehen der dreiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy', hz') um einen Drehwinkel (Neigungswinkel) p um die X-Achse und dann weiterdrehen um einen Drehwinkel (Neigungswinkel) r um die Y-Achse, und R^T ist ihre transponierte Matrix. Die Rotationsmatrix R wird durch die folgende Formel (2) ausgedrückt.
[Formel 2] $\begin{matrix} R = (\begin{matrix} cos (r) & 0 & sin (r) \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin (r) & 0 & cos (r) \end{matrix}) (\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos (p) & - sin (p) \\ 0 & sin (p) & cos (p) \end{matrix}) \\ = (\begin{matrix} cos (r) & sin (p) sin (r) & cos (p) sin (r) \\ 0 & cos (p) & - sin (p) \\ - sin (r) & sin (p) cos (r) & cos (p) cos (r) \end{matrix}) \end{matrix}$
Die Beziehung zwischen den dreiachsigen Beschleunigungsabtastdaten (ax, ay, az), die in einem Zustand erfasst werden, der durch einen Drehwinkel (Neigungswinkel) p um die X-Achse und durch einen Drehwinkel (Neigungswinkel) r um die Y-Achse geneigt ist, und der Schwerebeschleunigung (0, 0, 1) kann durch die folgende Formel (3) ausgedrückt werden.
[Formel 3] $(\begin{matrix} ax \\ ay \\ az \end{matrix}) = R (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) = (\begin{matrix} cos (p) sin (r) \\ - sin (p) \\ cos (p) cos (r) \end{matrix})$
Hier werden die Ausgabewerte der Beschleunigungsabtastdaten (ax, ay, az) entsprechend der folgenden Formel (4) normiert.
[Formel 4] $\begin{matrix} ax \leftarrow \frac{ax}{\sqrt{{ax}^{2} + {ay}^{2} + {az}^{2}}}, & ay \leftarrow \frac{ay}{\sqrt{{ax}^{2} + {ay}^{2} + {az}^{2}}}, & az \leftarrow \frac{az}{\sqrt{{ax}^{2} + {ay}^{2} + {az}^{2}}} \end{matrix}$
Somit können die Neigungswinkel p und r durch die folgenden Formeln (5a) bzw. (5b) bestimmt werden.
[Formel 5] $\begin{matrix} p = - {sin}^{- 1} (ay), & (- \frac{π}{2} \leq p < \frac{π}{2}) \end{matrix}$
$\begin{matrix} r = {tan}^{- 1} (\frac{ax}{ay}), & (- \frac{π}{2} \leq r < \frac{π}{2}) \end{matrix}$
In dem obigen Beispiel wird die Drehung „zuerst um die X-Achse und dann um die Y-Achse“ durchgeführt, aber wenn die Reihenfolge auf „zuerst um die Y-Achse und dann um die X-Achse“ geändert wird, ist zu beachten, dass die Rotationsmatrix R und die Neigungswinkel p und r anders dargestellt werden als oben. Insbesondere in der obigen Formel (2) verläuft die Multiplikation mit der Rotationsmatrix um die X-Achse und mit der Rotationsmatrix um die Y-Achse in umgekehrter Reihenfolge, und so wird die Rotationsmatrix R dann unterschiedlich ausgedrückt, womit auch die Neigungswinkel p und r unterschiedlich ausgedrückt werden. Aber auch dann ist die Denkweise die gleiche wie bei dem obigen Beispiel. Die folgende Fortsetzung der detaillierten Beschreibung setzt die Verwendung der Rotationsmatrix R voraus, die sich „zuerst um die X-Achse und dann um die Y-Achse dreht“ (Formel (2) oben).
Das Erfassen des Azimutwinkels θ erfordert, wie in 6 dargestellt, lediglich die Verwendung der bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus, d.h. von den dreiachsig projizierten magnetischen Abtastdaten (hx, hy, hz) in Formel (1) nur hx und hy. Um jedoch die bodenhorizontalen Komponenten hx und hy des Erdmagnetismus berechnen zu können, ist es notwendig, die nicht erfassten virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' der Z-Achse zu kennen, und somit sind praktisch alle dreiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy', hz') erforderlich.
Daher wird nun ein Verfahren zur Berechnung der virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' unter Verwendung der bodenvertikalen Komponente hz des Erdmagnetismus beschrieben, die nicht in direktem Zusammenhang mit der Erfassung des Azimutwinkels θ steht.
Basierend auf der obigen Formel (1) wird die bodenvertikale Komponente hz des Erdmagnetismus durch die folgende Formel (6) ausgedrückt.
[Formel 6] $hz = hx'cos p sin r - hy'sin p + hz'cos p cos r$
Wie aus 4 zu entnehmen ist, kann die bodenvertikale Komponente hz des Erdmagnetismus auch durch die folgende Formel (7) mit der Größe |M| und der Inklination α des Erdmagnetismus ausgedrückt werden.
[Formel 7] $hz = | M | sin α$
Somit können basierend auf den Formeln (6) und (7) die virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' der Z-Achse mit der folgenden Formel (8) berechnet werden.
[Formel 8] $hz'= \frac{| M | sin α− (hx'cos p sin r - hy'sin p)}{cos p cos r}$
Durch Ersetzen der virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' in Formel (1) können die bodenhorizontalen Komponenten hx und hy des Erdmagnetismus durch die folgenden Formeln (9a) bzw. (9b) bestimmt werden.
[Formel 9] $hx = hx' (cos r + sin r tan r) - hy'tan p tan r - | M | sin α \frac{tan r}{cos p}$
$hy = hy' (cos p + sin p tan p) + | M | sin α tan p$
Schließlich kann der Azimutwinkel θ nach der folgenden Formel (10) mit den bodenhorizontalen Komponenten hx und hy des Erdmagnetismus berechnet werden:
[Formel 10] $θ = {tan}^{- 1} (\frac{hy}{hx})$
In der oben beschriebenen Reihenfolge der Azimutwinkelmessung kann der Magnetsensor 10 eine Offsetkorrektur erfordern. In diesem Fall kann jeder beliebige Offset-Korrekturalgorithmus unter Verwendung von zweiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy') und einachsigen virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' angewendet werden. Die Neigungswinkel p und r, die zur Berechnung der virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' verwendet werden, werden basierend auf Beschleunigungsdaten (ax, ay, az) bestimmt, daher ist zu beachten, dass die Kalibrierung für eine große Bewegung möglicherweise nicht gut funktioniert.
< Flussdiagramm >
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Azimutwinkelmessung zeigt, das bisher erläutert wurde. Sofern nicht anders angegeben, ist das Hauptmittel jedes Verarbeitungsschrittes der Azimutwinkeldetektor 30.
Zuerst wird in Schritt S1 die Inklination α des Erdmagnetismus am Standort bestimmt. Die Inklination α kann durch eine vorgegebene Näherungsformel berechnet werden, die auf Standortinformationen (Breiten- und Längengrad) basiert, die von einem Global Positioning System (GPS) erhalten werden, oder sie kann aus einer Inklinationskarten-Informationsbibliothek abgeleitet werden, wie sie von der japanischen Geodatenbehörde bereitgestellt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle eines GPS-Gerätes zuvor regionsspezifische (z.B. zustandsbezogene) Daten der Inklination α zu erstellen. Ist die Inklination α des Erdmagnetismus am Standort bekannt, kann der Wert automatisch oder durch manuelle Eingabe eingestellt werden. So beträgt beispielsweise die Inklination α in Tokio etwa 49 Grad (35 Grad nördlicher Breite, 139 Grad östlicher Länge) und in Berlin etwa 68 Grad (52 Grad nördlicher Breite, 13 Grad östlicher Länge)
Anschließend wird in Schritt S2 die Größe |M| des Erdmagnetismus am Standort vorläufig bestimmt. Wird als Magnetsensor 10 ein dreiachsiger Magnetsensor verwendet, kann die Größe des resultierenden Vektors von dreiachsigen magnetischen Abtastdaten als die Größe |M| des Erdmagnetismus angesehen werden. Der elektronische Kompass 1 dieses Konfigurationsbeispiels verwendet jedoch einen biaxialen Magnetsensor als Magnetsensor 10, und daher muss ein anderes Verfahren als das soeben erwähnte angewendet werden.
Eine mögliche Methode zur Bestimmung der Größe |M| des Erdmagnetismus ist die folgende. Während der elektronische Kompass 1 so bewegt wird, dass die X- und die Y-Achse des Magnetsensors 10 jeweils in der Nähe der Z-Achse verlaufen, als ob sie etwa die Zahl „8“ beschrieben, werden zeitlich veränderliche zweiachsige magnetische Abtastdaten (hx', hy') nacheinander erfasst, um entweder den Maximalwert des resultierenden Vektors der beiden Achskomponenten oder die Hälfte des größeren der Unterschiede zwischen dem Maximal- und Minimalwert der beiden Achskomponenten zu bestimmen. Der so bestimmte Wert wird als Größe des Erdmagnetismus |M| genommen.
Da die Inklination α durch eines der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt wird, kann auch die Größe |M| des Erdmagnetismus durch eine vorgegebene Näherungsformel basierend auf Standortinformationen aus einem GPS berechnet werden oder aus einer Inklinationskarten-Informationsbibliothek wie derjenigen der japanischen Geodatenbehörde abgeleitet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle eines GPS-Gerätes zuvor regionsspezifische (z.B. zustandsbezogene) Daten in der Größenordnung |M| des Erdmagnetismus aufzubereiten. Ist die Größe |M| des Erdmagnetismus am Standort bekannt, kann der Wert automatisch oder durch manuelle Eingabe eingestellt werden.
Anschließend wird in Schritt S3 überprüft, ob die zuvor bestimmte Größe |H| des Erdmagnetismus in einem geeigneten Bereich liegt. Wenn die Prüfung zu einem Ja führt, fährt der Vorgang mit Schritt 4 fort, und wenn die Prüfung zu einem Nein führt, kehrt der Vorgang zu Schritt S2 zurück. Der oben genannte Bereich kann unter Berücksichtigung der Größe des Erdmagnetismus (z.B. 10µT bis 70µT), wie sie allgemein auf der Erde beobachtet wird, eingestellt werden.
Wenn die Prüfung in Schritt S3 ein Ja ergibt, dann wird in Schritt S4 die bodenvertikale Komponente hz des Erdmagnetismus basierend auf der Größe |M| und der Inklination α des Erdmagnetismus unter Verwendung der zuvor genannten Formel (7) berechnet.
Anschließend werden in Schritt S5 basierend auf dreiachsigen Beschleunigungsabtastdaten (ax, ay, az) die Neigungswinkel p und r des Magnetsensors 10 in Bezug auf die Bodenoberfläche (siehe zuvor angegebene Formeln (5a) und (5b)) berechnet, um die Rotationsmatrix R abzuleiten (siehe zuvor angegebene Formel (2)).
Anschließend wird in Schritt S6 durch Multiplikation dreiachsiger magnetischer Abtastdaten (hx', hy', hz'), die sich aus der Kombination von zweiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy') und einachsigen virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' mit der Rotationsmatrix R (oder genauer gesagt, durch seine transponierte Matrix R^T) werden die dreiachsigen magnetischen Abtastdaten (hx', hy', hz') auf die Boden-Horizontalebene projiziert und dadurch dreiachsige projizierte magnetische Abtastdaten (hx, hy, hz) bestimmt (siehe zuvor angegebene Formel (1)). Das heißt, in Schritt S6 werden die bodenhorizontalen Komponenten hx und hy und die bodenvertikale Komponente hz des Erdmagnetismus in Abhängigkeit von den virtuellen magnetischen Abtastdaten hz' abgeleitet.
Anschließend werden in Schritt S7 mit Fokus auf die bodenvertikale Komponente hz des Erdmagnetismus (zuvor angegebene Formeln (6) und (7)), virtuelle magnetische Abtastdaten hz' (zuvor angegebene Formel (8)) berechnet, und außerdem werden basierend auf den zuvor angegebenen Formeln (9a) und (9b) die bodenhorizontalen Komponenten hx und hy des Erdmagnetismus bestimmt.
Schließlich wird in Schritt S8 der Azimutwinkel θ basierend auf den bodenhorizontalen Komponenten hx und hy des Erdmagnetismus unter Verwendung der zuvor angegebenen Formel (10) berechnet. Anschließend kehrt das Verfahren zu Schritt S5 zurück, und danach wird Schritt S5 bis S8 wiederholt, so dass das Erfassen des Azimutwinkels θ fortgesetzt wird.
<Wirkungen der Erfindung>
Wie vorstehend erläutert, ist es mit dem elektronischen Kompass 1 dieses Konfigurationsbeispiels möglich, mit einem biaxialen Magnetsensor, der preiswerter ist als ein dreiachsiger Magnetsensor, eine genauso genaue Orientierungserfassung durchzuführen, wie mit einem dreiachsigen Magnetsensor.
Der elektronische Kompass 1 dieses Konfigurationsbeispiels nutzt bei der Azimutwinkelmessung sinnvoll nicht nur die Größe |M| des Erdmagnetismus, sondern auch die Inklination α des Erdmagnetismus, die lokal als konstant angesehen werden kann. Selbst in einer Situation, in der sich die Größe |M| des Erdmagnetismus ändern kann, wenn man sich etwa zwischen innen und außen bewegt (z.B. wenn man in ein Gebäude eintritt oder aus einem Gebäude herauskommt), ist es demnach möglich, die Erdmagnetisierungskomponente für die nicht erfasste Achse korrekt zu schätzen, was eine genaue Erfassung des Azimutwinkels θ bei beliebigen Neigungswinkeln ermöglicht.
< Anwendungsbeispiele für den elektronischen Kompass >
Die 8 bis 10 sind Außenansichten mit Beispielen von elektronischen Geräten (ein Smartphone 100, ein Tablet-Computer 200 und eine Smartwatch 300), die mit einem elektronischen Kompass ausgestattet sind. Die Integration des oben genannten elektronischen Kompasses 1 in diese Geräte ermöglicht eine genaue Orientierungserfassung. Die Kombination eines Global Positioning System (GPS) mit dem elektronischen Kompass 1 ermöglicht insbesondere eine höhere Genauigkeit der Standortbestimmung in Kartenanwendungen und Navigationsanwendungen.
< Andere abgewandelte Beispiele >
Die verschiedenen hierin offenbarten technischen Merkmale können auf jede andere Weise als in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umgesetzt werden und ermöglichen viele Modifikationen und Variationen im Sinne technischen Einfallsreichtums. Die obigen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht beschreibend und nicht einschränkend zu verstehen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die Beschreibung der vorstehend genannten Ausführungsformen, sondern durch die beigefügten Ansprüche definiert und sollte so verstanden werden, dass er jegliche Änderungen mit umfasst, die innerhalb der Idee und des Schutzumfanges vorgenommen wurden, welche denjenigen der Ansprüche gleichwertig ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Erfindung findet Anwendung in elektronischen Kompassen, die in Mobilgeräten wie Mobiltelefonen, Smartphones, Tablet-Computern oder Smartwatches integriert sind.
Bezugszeichenliste

1: elektronischer Kompass (Azimutwinkelsensor)
10: magnetische Sensoren
20: Beschleunigungssensoren
30: Azimutwinkeldetektor
100: Smartphone
200: Tablet-Computer
300: Smartwatch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 4552658 [0003]

Claims

Ein elektronischer Kompass, umfassend: einen Magnetsensor, der zwei vorbestimmte Achskomponenten aus drei Achskomponenten des Erdmagnetismus an einem Ort erfasst, um zweiachsige magnetische Abtastdaten zu erzeugen, die den jeweiligen Größen der zwei Achskomponenten entsprechen; einen Beschleunigungssensor, der drei Achskomponenten der Beschleunigung erfasst, die auf den Beschleunigungssensor einwirkt, um dreiachsige Beschleunigungsabtastdaten zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen dreiachsigen Komponenten entsprechen; und einen Azimutwinkeldetektor, der eingerichtet ist: basierend auf den zweiachsigen magnetischen Abtastdaten, den dreiachsigen Beschleunigungsdaten, einer Größe sowie einer Inklination des Erdmagnetismus virtuelle magnetischer Abtastdaten zu berechnen, die einer verbleibenden, nicht erfassten Einachskomponente der drei Achsenkomponenten des Erdmagnetismus entsprechen, und unter Verwendung der virtuellen magnetischen Abtastdaten bodenhorizontale Komponenten des Erdmagnetismus zu bestimmen und dadurch einen Azimutwinkel zu erfassen.
Elektronischer Kompass nach Anspruch 1, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt eine bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus basierend auf der Größe und der Inklination des Erdmagnetismus zu berechnen.
Elektronischer Kompass nach Anspruch 2, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt basierend auf den dreiachsigen Beschleunigungsabtastdaten einen Neigungswinkel bezüglich einer Bodenoberfläche zu berechnen, um eine Rotationsmatrix abzuleiten.
Elektronischer Kompass nach Anspruch 3, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt dreiachsige magnetische Abtastdaten zu multiplizieren, die sich aus der Kombination der zweiachsigen magnetischen Abtastdaten und der virtuellen magnetischen Abtastdaten durch die Rotationsmatrix ergeben, um die bodenhorizontalen Komponenten und die bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus als Funktion der virtuellen magnetischen Abtastdaten abzuleiten.
Elektronischer Kompass nach Anspruch 4, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt die virtuellen magnetischen Abtastdaten basierend auf einer bekannten bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus zu berechnen, um die bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu bestimmen.
Elektronischer Kompass nach Anspruch 5, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt den Azimutwinkel basierend auf den bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu erfassen.
Der elektronische Kompass nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Azimutwinkeldetektor eingerichtet ist, als einen Verarbeitungsschritt basierend auf den zweiachsigen magnetischen Abtastdaten, die sich mit der Zeit ändern, entweder einen Maximalwert eines resultierenden Vektors der beiden Achskomponenten oder die Hälfte einer größeren Differenz zwischen Maximal- und Minimalwerten der beiden Achskomponenten zu bestimmen, um den ermittelten Wert als die Größe des Erdmagnetismus zu nehmen.
Der elektronische Kompass nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetsensor ein Hallelement, ein Magnetwiderstandselement (MR) oder ein Magnetimpedanzelement (MI) umfasst.
Elektronisches Gerät, umfassend den elektronischen Kompass nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Azimutwinkelmessverfahren zum Erfassen eines Azimutwinkels unter Verwendung eines Magnetsensors zum Erfassen von zwei vorbestimmten Achskomponenten aus drei Achskomponenten des Erdmagnetismus an einem Ort, um zweiachsige magnetische Abtastdaten zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen zwei Achskomponenten entsprechen, und einen Beschleunigungssensor zum Erfassen von drei Achskomponenten der Beschleunigung, die auf den Beschleunigungssensor aufgebracht wird, um dreiachsige Beschleunigungsabtastdaten zu erzeugen, die den Größen der jeweiligen drei Achskomponenten entsprechen, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen einer bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus basierend auf einer Größe und einer Inklination des Erdmagnetismus; Berechnen eines Neigungswinkels relativ zu einer Bodenoberfläche basierend auf den dreiachsigen Beschleunigungsabtastdaten, um eine Rotationsmatrix abzuleiten; Multiplizieren von dreiachsigen magnetischen Abtastdaten, einschließlich der zweiachsigen magnetischen Abtastdaten und der einachsigen virtuellen magnetischen Abtastdaten durch die Rotationsmatrix, um bodenhorizontale Komponenten und die bodenvertikale Komponente des Erdmagnetismus als Funktion der virtuellen magnetischen Abtastdaten abzuleiten; Berechnen der virtuellen magnetischen Abtastdaten basierend auf einer bekannten bodenvertikalen Komponente des Erdmagnetismus, um die bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus zu bestimmen; und Erfassen des Azimutwinkels basierend auf den bodenhorizontalen Komponenten des Erdmagnetismus.