JP2005172787A - チルト補償型電子コンパスの伏角探索方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はチルト補償型電子コンパスを提供することにある。
【解決手段】本発明は、２軸地磁気センサを用いる電子コンパスに適用され、任意の環境において最適の伏角を探索する方法において、地磁気センサの水平状態に該当する任意の方位角を基準方位角（Ψｒｅｆ）として設定する段階（Ｓ４１）；上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に該当する方位角状態とやや傾いた状態とにおいて、予め設定した伏角探索範囲内の予め設定した１ステップずつ伏角（λ）を増加させながら各伏角に対する方位角（Ψｍｉ）を計算する段階（Ｓ４２−Ｓ４７）；上記計算した複数の方位角（Ψｍｉ）と上記設定した基準方位角（Ψｒｅｆ）とを比較して、上記計算した方位角（Ψｍｉ）中上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に最も近接する方位角を探し出す段階（Ｓ４８）；及び、上記探し出した方位角に適用された伏角（λ）を該方位角における伏角として設定する段階（Ｓ４９）から成る。
【選択図】図１

Description

本発明はチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法に関するもので、とりわけ方位角を測定する前に現環境に適合した伏角を探索することにより、該伏角を利用して２軸地磁気センサを用いる電子コンパスにおいてより正確な方位角が検出できるチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法に関するものである。

最近、小型且つ安価な地磁気センサモジュールが開発されており、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術の発達によりチップ型地磁気センサモジュールが開発され諸応用分野に用いられている。しかし、地磁気センサが水平を保てない応用分野においては傾いた角に該当する伏角を考慮すべきなので２軸地磁気センサのみでは正確な方位角情報が得られない。

こうしてセンサの水平が保たれない応用分野において方位角を検出するためには、傾いた状態を水平状態に補償しなければならないが、このためには２軸地磁気センサと傾いた状態を測定できる加速度センサとを併用して、傾いた座標（ｔｉｌｔｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）を水平座標（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）へ座標変換することにより方位角誤差を補償しなければならない。

図３（Ａ）、３（Ｂ）は一般の電子コンパスの３軸地磁気センサ及び２軸地磁気センサを示した斜視図である。図３（Ａ）に示した３軸地磁気センサを利用する場合には、センサ装着空間上の制約などの問題があるので、小型マルチメディア機器などには適用しがたいという制限を伴う。そうして図３（Ｂ）に示した２軸地磁気センサで傾き補償を行う方法が研究及び開発され続けている。

図４は一般の電子コンパスの２軸地磁気センサを示した構成図である。図４に示したように、一般の電子コンパスの２軸地磁気センサは地磁気方位を検出する地磁気センサ部（２１）と、地表面に対して磁界が傾いた角を検出する加速度センサ部（２２）と、上記各センサ（２１、２２）からの検出信号を増幅及びフィルタリングするアナログ処理部（２３）と、上記アナログ処理部（２３）からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（２４）と、上記Ａ／Ｄ変換部（２４）からのデジタル信号に基づき地磁気の方位角を検出するデジタル処理部（２５）とを含む。

ここで、上記地磁気センサ部（２１）は地球磁場の強度を測定するセンサで、これは相互直角に配置されたＸ軸センサ及びＹ軸センサを含む。

このような構成の従来の電子コンパスにおける傾き補償方法について説明すれば次の通りである。通常、電子コンパスにおいて、傾き補償のためには傾いた座標系と水平座標系同士の座標変換数式である下記数１及び座標変換行列である数２を利用して水平座標系に補償しなければならない。

図５（Ａ）は水平座標系と傾いた座標系との図式的関係を示す。ここで、θは水平座標系のｘ軸が傾いた角を意味し、Φは水平座標系のｙ軸が傾いた角を意味する。そしてＸｈ、Ｙｈ、Ｚｈは水平座標系の数値を意味し、Ｘｍｃ、Ｙｍｃ、Ｚｍｃは傾いた座標系の数値を意味する。

また、下記数３は方位角（Ψ）を求める公式であり、方位角を求めるためにはＸｍｃ、Ｙｍｃ、Ｚｍｃの値とθ及びΦの値が必要で、θ及びΦの値は２軸加速度センサから得られ、Ｘｍｃ、Ｙｍｃの値は２軸地磁気センサから得られるが、２軸センサによってはＺｍｃの数値は分からない。

一方、下記数４は加速度センサから得られるθ及びΦの数値である。

ここで、ｇ：重力加速度、ａｘ：加速度センサのｘ軸成分値、ａｙ：加速度センサのｙ軸成分値である。

また、下記数５は上記数２と数３から求めることができ、下記数５からＺｍｃを求めるためにはＺｈが必要となる。

そして、図５（Ｂ）は地磁界と水平座標系との関係を示したグラフであり、図５（Ｂ）を参照すると、ここでＸｈ、Ｙｈ、Ｚｈは水平座標系の数値で、Ｘｄ、Ｙｄ、Ｚｄは地磁界の数値で、Ｎｍは磁北を示す。λは地磁界と水平座標系とが成す角、即ち伏角である。

そして、下記数６は地磁界と水平座標系の関係を示した数式で、下記数７は磁北を示す場合の地磁界基準座標値であり、下記数６と数７を利用して下記数８を誘導することができる。

こうして、λが分かると上記数５と数８を利用してＺｍｃを求めることができ、２軸地磁気センサのみで傾きを補償した方位角を求められる。

しかし、従来の方法は実験により予め設定した伏角（λ）に該当するデータを代入して方位角を計算し３軸地磁気センサを代われるようにした。

ところで、こうした従来の方法によると、伏角が同じく設定される地域において建物内と建物外での伏角が相異することを考慮できず、図６に示したように、方位角に応じて伏角誤差率範囲が±６．０となり、これは周辺の磁性体の影響により正確度が大きく落ちてしまうという問題を抱えている。

本発明は上記問題を解決すべく提案されたものとして、その目的は、方位角を測定する前に現環境に適合した伏角を探索することにより、該伏角を利用して２軸地磁気センサを用いる電子コンパスにおいてより正確な方位角を検出できるチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法を提供することにある。

上記した本発明の目的を成し遂げるために、本発明のチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法は、２軸地磁気センサを利用する電子コンパスに適用され、任意の環境において最適の伏角を探索する方法において、地磁気センサの水平状態に該当する任意の方位角を基準方位角として設定する段階；上記基準方位角に該当する方位角状態とやや傾いた状態とにおいて、予め設定した伏角探索範囲内の予め設定した１ステップずつ伏角を増加させながら各伏角に対する方位角を計算する段階；上記計算した複数の方位角と上記設定した基準方位角とを比較して、上記計算した方位角中上記基準方位角に最も近接する方位角を探し出す段階；及び、上記探し出した方位角に適用された伏角を当該方位角における伏角として設定する段階、から成ることを特徴とする。

上述したような本発明によると、チルト補償型電子コンパスの伏角探索方法において、方位角を測定する前に現環境に適合した伏角を探索することにより、かかる伏角を利用して２軸地磁気センサを用いる電子コンパスにおいてより正確な方位角を検出できる効果を奏する。
即ち、かかる本発明によると、実験による定数値を代入して得ていた従来の方式より正確な方位角が得られ、傾きが大きいほど誤った伏角による誤差が大きくなるが、現状態の伏角を探し出して方位角を求めればより正確な数値を得られ、携帯電話やＰＤＡなどに応用すれば使用者がディスプレイ板を見やすい角度で見ながら正確な方位角を得ることができる。

以下、本発明の好ましき実施の形態について添付の図面を参照しながら詳しく説明する。本発明が参照する図面において実質的に同一な構成と機能を有する構成要素には同一符号を付する。

本発明の方法は２軸地磁気センサを用いる電子コンパスに適用され、任意の環境において最適の伏角を探索する方法として、こうした方法を行うためのデジタル処理部は地磁気センサの水平状態に該当する任意の方位角を基準方位角（Ψｒｅｆ）として設定し、上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に該当する方位角状態とやや傾いた状態とにおいて、予め設定した伏角探索範囲内の予め設定した１ステップずつ伏角（λ）を増加させながら各伏角に対する方位角（Ψｍｉ）を計算し、上記計算した複数の方位角（Ψｍｉ）と上記設定した基準方位角（Ψｒｅｆ）とを比較して、上記計算した方位角（Ψｍｉ）中上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に最も近接する方位角を探し出し、上記探し出した方位角に適用された伏角（λ）を当該方位角における伏角として設定するようなっている。

上記デジタル処理部は約±９０範囲の伏角探索範囲内において、上記−９０°から＋９０°まで約１°ずつ伏角を増加させながら各伏角に対する方位角を計算するようになっている。

以下、本発明の作用及び効果について添付の図面を参照しながら詳しく説明する。本発明は、電子コンパスにおいて方位角を測定する前に現環境に適合した伏角を探索することにより、該伏角（λ）を利用して２軸地磁気センサを用いる電子コンパスにおいてより正確な方位角を検出することができるが、これについては図１及び図２を参照しながら説明する。

本発明が適用される２軸地磁気センサを有する電子コンパスにおいて、方位角（Ψ）を求めるためには上記数３を利用すべきで、正確な方位角（ψ）を求めるためにはＺｍｃ値が必要である。

また、Ｚｍｃ値を求めるためには上記数５及び８によりｓｉｎλ値を知らなければならないことが分かるが、即ち本発明においては２軸地磁気センサを用いて正確な方位角を求めるために従来の方式と異なり実際の環境に適合したｓｉｎλ値を求める。

図１は本発明によるチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法を示したフローチャートである。図１によると、先ず地磁気センサの水平状態に該当する任意の方位角を基準方位角（Ψｒｅｆ）として設定する（Ｓ４１）。即ち、伏角が現環境に適合した正確な数値でなければ正確な方位角を探し出せないので、正確な伏角を探し出すために先ず傾きが与えられない状態、即ち、水平状態における方位角を測定して該方位角を基準方位角（Ψｒｅｆ）として設定するのである。

次いで、上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に該当する方位角状態とやや傾いた状態とにおいて、予め設定した伏角探索範囲内の予め設定した１ステップずつ伏角（λ）を増加させながら各伏角に対する方位角（Ψｍｉ）を計算する（Ｓ４２−Ｓ４７）。ここで、上記予め設定した伏角探索範囲を約±９０範囲に設定することができ、また予め設定した１ステップを約１°に設定できる。

例えば、約±９０範囲の伏角探索範囲内において、上記−９０°から＋９０°まで約１°ずつ伏角を増加させながら各伏角（λ）に対する方位角（Ψｍｉ）を計算する。ここで、上記方位角（Ψｍｉ）において「ｉ」を「１」から「１８０」までの整数とし、伏角−９０から＋９０まで１°増加する伏角に対して当該方位角を「Ψｍ１−Ψｍ１８０」とすることができる。

続いて、上記計算した複数の方位角（Ψｍｉ）と上記設定した基準方位角（Ψｒｅｆ）とを比較して、上記計算した方位角（Ψｍｉ）中上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に最も近接する方位角を探し出すが（Ｓ４８）、上記方位角「Ψｍ１−Ψｍ１８０」中基準方位角（Ψｒｅｆ）と偏差が最も小さい方位角を探すのである。

次に、上記探し出した方位角に適用された伏角（λ）を該方位角における伏角として設定する（Ｓ４９）。かかる本発明の方法により、方位角を測定する前に現環境における最適の伏角を探索し予め設定しておくと、各環境毎により正確な方位角を測定できるようになるのである。

かかる本発明の方法により伏角を求めると、図２に示したように、各方位角における伏角誤差率を従来に比して大幅に縮減できることが分かる。図２は本発明の伏角探索による伏角誤差グラフである。図２において縦軸は伏角誤差率で、横軸は方位角を意味するが、図２によると、約３６０°の方位角に対する伏角誤差率の範囲は約±１程度で、従来の伏角誤差率範囲の約±６に比するとかなり伏角誤差率を縮めたものであることが分かる。

先述したように、本発明によると、傾きを与えた場合の補償数式による方位角は基準方位角とほぼ等しくなるべきであるが、これに基づき傾きが無い場合の基準方位角と傾きがある場合の複数の測定方位角とを求めてから、該測定方位角中最も基準方位角に近い伏角を検索し現状態の伏角を測定することができる。こうすることで現在の環境に最も一致した方位角を測定できるようになる。

以上の説明は本発明の具体的な実施例に対する説明に過ぎず、本発明はかかる具体的な実施例に限定されるわけではなく、また本発明に対する上述した具体的な実施例からその構成における多様な変更及び改造が可能なことは本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者であれば容易に想到できることである。

本発明によるチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法を示したフローチャートである。 本発明の伏角探索による伏角誤差グラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は一般の電子コンパスの３軸地磁気センサ及び２軸地磁気センサを示した斜視図である。 一般の電子コンパスの２軸地磁気センサの構成図である。 （Ａ）、（Ｂ）は傾いた座標系と水平座標系及び伏角の説明図である。 従来の伏角探索による伏角誤差グラフである。

符号の説明

２１ 地磁気センサ部
２２ 加速度センサ部
２３ アナログ処理部
２４ Ａ／Ｄ変換部
２５ デジタル処理部

Claims (4)

1. ２軸地磁気センサを用いる電子コンパスに適用され、任意の環境において最適の伏角を探索する方法において、
   地磁気センサの水平状態に該当する任意の方位角を基準方位角（Ψｒｅｆ）として設定する段階（Ｓ４１）と、
   上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に該当する方位角状態とやや傾いた状態とにおいて、予め設定した伏角探索範囲内の予め設定した１ステップずつ伏角（λ）を増加させながら各伏角に対した方位角（Ψｍｉ）を計算する段階（Ｓ４２−Ｓ４７）と、
   上記計算した複数の方位角（Ψｍｉ）と上記設定した基準方位角（Ψｒｅｆ）とを比較して、上記計算した方位角（Ψｍｉ）中上記基準方位角（Ψｒｅｆ）に最も近接する方位角を探し出す段階（Ｓ４８）と、
   上記探し出した方位角に適用された伏角（λ）を該方位角における伏角として設定する段階（Ｓ４９）と、
   を有することを特徴とするチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法。
2. 上記方位角計算段階（Ｓ４２−Ｓ４７）は、約±９０範囲の伏角探索範囲内において、上記−９０°から＋９０°まで予め設定した１ステップずつ伏角を増加させながら各伏角に対する方位角を計算することを特徴とする請求項１に記載のチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法。
3. 上記方位角計算段階（Ｓ４２−Ｓ４７）は、予め設定した伏角探索範囲内において約１°ずつ伏角を増加させながら各伏角に対する方位角を計算することを特徴とする請求項１に記載のチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法。
4. 上記方位角計算段階（Ｓ４２−Ｓ４７）は、約±９０範囲の伏角探索範囲内において上記−９０°から＋９０°まで約１°ずつ伏角を増加させながら各伏角に対する方位角を計算することを特徴とする請求項１に記載のチルト補償型電子コンパスの伏角探索方法。

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