JP2005207799A - 立体画像表示システム及び立体ナビゲーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 使用者が磁気センサ自体のキャリブレーション手順を負担しなくでも、着磁などによる磁場の変化を常に補正できる、また、立体方位ナビゲーションのほかに、歩行移動量の機能を付加した立体画像表示システム及び立体ナビゲーションシステムを得る。
【解決手段】 立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサ１２から得られた方位情報と、傾斜センサ１５から得られた傾斜情報によって使用者が画面を見ている方向（視点）を特定し、前記視点からの立体画像を所定の手段により立体画像データを基に構成し、表示する立体画像表示システムとする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、携帯機器により位置と方位情報を案内する立体画像表示システム及び携帯機器の傾斜を補正して表示する方法の立体ナビゲーションシステムに関するものである。

携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Ａsistant、個人向けの携帯型情報通信機器）に代表される携帯機器では、ＧＰＳ（Global Positioning System、全地球測位システム）及び基地局からの位置情報による位置情報と併せて方角をナビゲーションする磁気コンパスが用いられてきている。携帯機器は、傾斜させて使用することが多いため、傾斜角を含めて情報を取得する必要がある。傾斜角は傾斜ベクトルに置き換え、地磁気ベクトルから傾斜ベクトルに沿った成分を除くと磁気方位が検出できる。携帯機器では、小型化の要求が大きく、傾斜角を求めるためには、最も小型の半導体容量型傾斜センサが多く用いられている。

傾斜センサによって重力ベクトルを求めることができれば、地磁気ベクトルから磁極の方位を計算することができる。大きさ１の重力ベクトルをｇとし、地磁気ベクトルをＭとおくと、地磁気ベクトルの重力ベクトルへの射影ベクトルの大きさは、双方の内積ｇ・Ｍとなるため、射影ベクトルは（ｇ・Ｍ）ｇとなる。故に、磁極の方位ベクトルはＭ−（ｇ・Ｍ）ｇとなる。方位ナビゲーションを行う際は、ｇに垂直となる平面上に現在地の地図を北の磁極の方位Ｍ−（ｇ・Ｍ）ｇを北として表示すれば良い。

先行技術として、特許文献１に、３軸地磁気センサと２軸傾斜センサの出力より傾斜補正を行う方位角検出装置が公開されている。３軸地磁気センサとして、化合物半導体ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等を用いた高感度ホール素子を用いており、ホール素子の接続端子を切り替えるチョッパを用いることでオフセットをキャンセルしている。また、特許文献２に、２軸フラックスゲートセンサと１軸ホール磁気センサにより３軸地磁気センサを構成し、２軸の傾斜センサにより傾斜補正を行う方法についても公開されている。

また、磁気センサ付近に磁性体があった場合、磁気センサを方位に対して３６０度回転させて、地磁気による方位円の中心のずれを磁性体の着磁分の磁場として差し引くことで補正を行っている。また、携帯電話にＪａｖａ（Ｒ）やＢｒｅｗ等のソフトウェアが導入され、３Ｄグラフィックのポリゴン表示を行うプログラミングが可能となり、立体ポリゴン画像のサービスが提供され、十字キーやセンタージョグ等でポリゴン画像の視点や光源等を変えて３Ｄポリゴン画像を見ることができ来る。

公開特許２００３−６５７９１号公報 公開特許２００２−１９６０５５号公報

従来の技術では、建物の中や山間あるいは樹木によりＧＰＳの電波が妨げられたり、山林や郊外などで基地局からの電波が届かない圏外にある場合、傾斜補正された方位情報は取得できるが、位置情報は取得できないという問題点があった。このため、使用者への現在地及び方位ナビゲーションが不可能となる。また、開けた場所を通過すればＧＰＳや基地局の電波が届くため、その時点での補正ができるが、このような場合は、位置情報が取得できない間の補助的な位置ナビゲーションが必要となる。

また、従来の技術では、傾斜センサにより傾斜補正された方位情報のみが使用され、傾斜情報そのものは活用されておらず、傾斜情報を使用者の入力情報として活用して、より直感的に現在地の方位、位置情報ナビゲーションを実現していない。

同時に従来技術では、方位情報、傾斜情報は地図のナビゲーションとしてしか想定されていない。携帯電話でＪａｖａ（Ｒ）やＢｒｅｗ等のソフトウェアが導入されたため、３Ｄのポリゴンイメージの表示を行うプログラミングが可能となりサービスが提供されているが、視点や光源は十字キーやセンタージョグ等で入力して手動で操作するようになっており、方位情報、傾斜情報によって視点を変えることで実物が携帯電話の中にあるかのような仮想現実感を出すことについては実現していない。

さらに、従来の技術では携帯機器中の磁性体の着磁による磁場及び磁気センサ自体の特性誤差を補正するため、使用者が補正を行っているが、使用者によっては、補正手順が正確に行われないという問題点があった。

従って、発明の目的は、使用者が磁気センサ自体のキャリブレーション手順を実行しなくでも、着磁などによる磁場の変化を常に補正できる、また、立体方位ナビゲーションのほかに、歩行移動量の機能を付加した立体画像表示システム及び立体ナビゲーションシステムを提供することである。

本発明は、３軸地磁気センサと１軸以上の検出軸を持つ傾斜センサとを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムにおいて、３軸地磁気センサと傾斜センサで傾斜補正された方位に対して歩行者が歩いた歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求める立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、３軸地磁気センサと重力センサを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムにおいて、３軸地磁気センサと重力センサで傾斜補正された方位に対して歩行者が歩いた歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求める立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムは、一様な地磁気を受けることで得られる３軸地磁気センサ出力より地磁気ベクトルの大きさを算出し、様様な方位や傾斜においても、３軸地磁気センサ出力より求まる地磁気ベクトルの大きさが一定となるように３軸地磁気センサの出力特性を補正する立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムにおいて、前記傾斜センサの出力あるいは重力センサの出力が０．５〜２Ｈｚの範囲の周期変動を検出した場合、検出されている間、周期変動の回数を歩行数としてカウントする立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムにおいて、方位角情報からの動作として所定の手段で使用者の方位と画面内立体地図の方位が一致するように地図を回転し、直感的に地図の方位を使用者に案内するヘディングアップ機能を持ち、傾斜角度情報からの動作として所定の手段で使用者の水平面と画面内立体地図の水平面が一致するように立体地図を傾斜回転させたものを表示することができる機能を持つ立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムにおいて、位置及び方位情報案内システムは前記３軸地磁気センサ及び前記傾斜センサあるいは前記重量センサ（加速度センサ）と回路処理、演算を行うＩＣ及び望ましくは液晶の表示部によって構成され、システム全体で携帯可能な８０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ以下の形状である立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムにおいて、前記３軸地磁気センサは取り付け基板面に対して約３５度の成す角を持つ磁気センサを互いにほぼ正三角形となるように配置した磁気センサである立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、前記立体ナビゲーションシステムにおいて、前記３軸地磁気センサは長手方向に垂直に磁化容易軸がある細長い磁性体に１ＭＨｚ以上の高周波電流を通電し外部磁場に対して細長い磁性体のインピーダンスが変化することを利用した磁気インピーダンスセンサである立体ナビゲーションシステムである。

また、本発明は、立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、傾斜センサから得られる傾斜情報によって使用者が画面を見ている視点を特定し、前記視点からの立体画像を表示する立体画像表示システムである。

また、本発明は、立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、重力センサから得られた傾斜情報によって使用者が画面を見ている視点を特定し、前記視点からの立体画像を表示する立体画像表示システムである。

また、本発明は、立体画像を３次元の座標データの集合として記憶しておき、記憶していた３次元座標データに対して方位角情報と傾斜角情報により必要となる角度分だけ １次行列変換を行い、表示装置の画面を二次元平面として射影座標を求めて表示させる立体画像表示システムである。

また、本発明は、前記立体画像表示システムにおいて、位置及び方位情報案内システムは前記３軸地磁気センサ及び傾斜センサあるいは重力センサと回路処理、演算を行うＩＣ及び望ましくは液晶の表示部によって構成され、システム全体で携帯可能な８０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ以下の形状である立体画像表示システムである。

また、本発明は、前記立体画像表示システムにおいて、前記３軸地磁気センサは取り付け基板面に対して約３５度の成す角を持つ磁気センサを互いにほぼ正三角形となるように配置した磁気センサである立体画像表示システムである。

また、本発明は、前記立体画像表示システムにおいて、前記３軸地磁気センサは長手方向に垂直に磁化容易軸がある細長い磁性体に１ＭＨｚ以上の高周波電流を通電し外部磁場に対して細長い磁性体のインピーダンスが変化することを利用した磁気インピーダンスセンサである立体画像表示システムである。

本発明により、位置情報が取得できなくなる山間や郊外や建物の中でも位置情報及び方位情報のナビゲーションを継続できる方法を提供できる。また、本発明により、携帯機器の傾斜動作を利用して、より直感的な現在地情報のナビゲーション手段を提供できる。さらに、本発明により、携帯機器の磁気センサ補正手順を使用者が実行することなく一定以上の精度で補正できる手段を提供できる。

本発明によれば、使用者が磁気センサ自体のキャリブレーション手順を負担しなくでも、着磁などによる磁場の変化を常に補正できる、また、立体方位ナビゲーションのほかに、歩行移動量の機能を付加した立体画像表示システム及び立体ナビゲーションシステムを提供できる。

本発明の実施の形態による立体画像表示システム及び立体ナビゲーションシステムについて、説明する。
（実施の形態１）

本発明の立体ナビゲーションシステムは、３軸地磁気センサと１軸以上の検出軸を持つ傾斜センサとを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムである。ここで、前記傾斜センサで傾斜補正された方位に対して歩行者が歩いた歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と前記歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求める立体ナビゲーションシステムとする。

また、他の方式として、本発明の立体ナビゲーションシステムは、３軸地磁気センサと重力センサを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムである。ここで、前記重力センサで傾斜補正された方位に対して歩行者が歩いた歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求める立体ナビゲーションシステムとする。

前記、両方式の立体ナビゲーションシステムにて、３軸地磁気センサに関して、一様な地磁気を受けることで得られる３軸地磁気センサ出力より地磁気ベクトルの大きさを算出し、様々な方位や傾斜においても、３軸地磁気センサ出力より求まる地磁気ベクトルの大きさが一定となるように３軸地磁気センサの出力特性を補正する。
（実施の形態２）

本発明の立体画像表示システムは、立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、傾斜センサから得られた傾斜情報によって使用者が画面を見ている方向を特定し、前記視点からの立体画像を所定の手段により立体画像データを基に構成し、表示する立体画像表示システムである。

また、他の方式として、本発明の本発明の立体画像表示システムは、立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、重力センサから得られた傾斜情報によって使用者が画面を見ている方向（視点）を特定し、前記視点からの立体画像を所定の手段により立体画像データを基に構成し、表示する立体画像表示システムである。

前記両方式の立体画像表示システムにおいて、前記所定の手段は、立体画像を３次元の座標データの集合として記憶しておき、記憶していた３次元座標データに対して方位角情報と傾斜角情報により必要となる角度分だけ１次行列変換を行い、表示装置の画面を二次元平面として射影座標を求めて表示させることである。

図１は、本発明の立体ナビゲーションシステムによる実施例の一例を説明する図面であり、立体画像を基準にした仮想空間における視点の図である。使用者の方位と水平面を３軸地磁気センサと加速度センサあるいは傾斜センサによって検出し、仮想空間上の立体画像の方位と水平面を使用者のものと一致させる。その上で使用者の見ている携帯機器画面の方位と傾斜を求め、携帯機器画面を通して立体画像を見た場合に見える画面を計算、構成し、携帯機器画面に表示する。なお、立体画像は、立体的に構成された地図のほかに、任意のオブジェやライブ中継画像を立体データとして構成したものでもよい。任意の立体オブジェの場合には携帯機器のボタン操作で立体オブジェを回転させたり動作させる機能を付加することで、さらに仮想現実感を高めることができる。

図５は、３軸地磁気センサの着磁によるゼロ点補正の説明図である。図５のセンサ検出軸に対して、３軸加速度センサによって得られた重力ベクトルを大きさ１となるよう規格化し、（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ）とおく、３軸地磁気センサによって得られた地磁気ベクトルを大きさ１となるよう規格化し（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）とおく。立体画像の座標データを北をＸ軸、水平面の鉛直方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に直交する軸をＹ軸として構成しておく。立体画像の座標データを（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ，ｚ_ｊ）とおく。

携帯機器の座標系にて立体画像の座標データ（ｘ'_ｊ，ｙ'_ｊ，ｚ'_ｊ）を表現するためには、１次変換行列Ａとして、
（ａ₁₂，ａ₂₂，ａ₃₂）＝（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）×（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ）・・・・・（１）を東の方位ベクトル、
（ａ₁₃，ａ₂₃，ａ₃₃）＝（−ｇ_ｘ，−ｇ_ｙ，−ｇ_ｚ）・・・・・（２）を鉛直ベクトル、
（ａ₁₁，ａ₂₁，ａ₃₁)＝(ａ₁₂，ａ₂₂，ａ₃₂)×(ａ₁₃，ａ₂₃，ａ₃₃)・・・・・（３）とおき（ここで、×はベクトルの外積演算を表す）、数１により１次変換を行うことで得られる。

なお、（ａ₁₄，ａ₂₄，ａ₃₄）は立体画像の表示位置を決める原点ベクトルであり、立体画像全体が画面表示できるよう適宜調整を行うことが望ましい。例えば、携帯機器が地面に水平な場合、広域の地図を表示し、前記携帯機器が地面に垂直に近い場合は、現在地から見える景色を立体的に表示するようにする。

携帯機器の画面の法線ベクトルは、図５のセンサ検出軸におけるＺ軸方向であるため、携帯機器の画面への立体画像の射影を携帯機器の画面の２次元座標系で表現し直すことで立体画像を表示することができる。図５の表示画面座標軸ｘ'、ｙ'の座標値として、（１）式のｘ'_ｊ，ｙ'_ｊを代入し、ｚ'_ｊはデータとして切り捨てるか奥行きデータとして活用する。

具体的には、表示画面の中心を（０，０）の原点に設定し、ｚｊの小さい順に立体画像を描画してゆくと同時に、画面表示のスケールをｚ'ｊに比例した値とし、場合によっては非線形なスケールを取っても良い。画面表示座標を（ｘ''_ｊ、ｙ''_ｊ）とおくと、数２で表される。なお、ｆ（ｚ_ｊ）は、線形でも非線型でも良いが、単調増加関数でｚ_ｊ＝０でｆ（ｚ_ｊ）＝１となることが望ましい。

図２は、重力センサの出力の時間変動と半周期差分による歩行検出の説明図である。ここで、歩行周期である１秒の半分０．５秒の間隔で差分を取っている。この場合、歩行による振幅を検出できる。歩行による振幅、しきい値を１Ｇ程度としてカウントし、周期変動が５０％以内で連続して５回検出（カウント）された場合、歩行していると判断し、それ以降の歩行を１歩当りの歩行距離を掛け合わせることで歩行距離を計算し、方位情報より進行方向を求めて現在の位置から進行方向に歩行距離分だけ進んだものとして現在地データを更新する。

具体的には、現在の緯度と経度を（φ，λ）、現在向いている方位ベクトルを、北を向いているときに（１，０）、東を向いているときに（０，１）となるように方位角度をθとおき、（ｃｏｓθ，ｓｉｎθ）と表す。歩行距離をＬとおき、地球の半径をｒとおくと、更新される現在の緯度と経度は、ｄｅｇ単位で以下の値となる。

［φ＋Ｌ×ｃｏｓθ／(２πｒ×３６０),λ＋Ｌ×ｓｉｎθ／(２πｒ ｃｏｓφ×３６０)］ ・・・・・・・・・・・・・（４）

以上の方法でＧＰＳや基地局からの位置情報が取得できていない間も位置ナビゲーションを継続することができる。地磁気センサ付近に磁性体がある場合、磁性体により地磁気が歪められたり、磁性体が発生する磁場によってゼロ磁場でも、地磁気センサの出力が０にならないことも起こりうる。そのような場合、３軸地磁気センサであれば、使用しながら感度、ゼロ点補正を行うことで、磁性体が付近にあっても補正してキャンセルすることができる。

３軸地磁気センサの出力を（ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚ）とおくとき、感度補正パラメーターを（Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ，Ｓ_ｚ）、磁場ゼロ点ずれ補正のパラメーターを（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）とおき、感度、ゼロ点補正後の地磁気ベクトルを（ｍ'_ｘ，ｍ'_ｙ，ｍ'_ｚ）とおくと、数３のようになる。

図３は、３軸地磁気センサの感度補正方式を示す図面である。３軸地磁気センサのいずれかの軸に地磁気ベクトルがほぼ平行となった場合、例えば地磁気ベクトルの大きさが４００×１０^-4ｍＴの場合、平行でない２軸の成分によって構成されたベクトルの大きさが４０×１０^-4ｍＴ以下であれば、ほぼ平行と判断する。地磁気と平行な軸がｍ_ｘ軸であった場合、地磁気ベクトルの大きさの規格値をｍ_ｔと決めておき、式（３）の感度補正係数Ｓ_ｘ＝ｍ_ｔ／ｍ_ｘとして補正すれば良い。

なお、感度補正係数を更新する際は、以前の感度補正係数をＳ'_ｘとし、Ｓ''_ｘ＝ｍ_ｔ／ｍ_ｘとおいたとき、感度補正係数Ｓ_ｘ＝［ａ／（ａ＋ｂ）］Ｓ'_ｘ＋［ｂ／（ａ＋ｂ）］Ｓ''_ｘとする。こうすることで、前回の履歴データとの平均を取ることになり、ノイズの影響や突発的な磁気変動を取り除くことができるため望ましい。ｍ_ｙ軸、ｍ_ｚ軸も同様の方法で補正できる。このような方法で３軸間の感度誤差を１％以内に抑えたキャリブレーションを行うことができる。

図４は、３軸地磁気センサ付近の磁性体の着磁による磁場ゼロ点のずれを補正する方式を説明する図面である。５つの地磁気ベクトルの値を格納するメモリを確保し、順番に互いの地磁気ベクトルの成す角が６０°以上となるようにデータを格納する。５つのメモリ値が得られたならば、５つのメモリされた地磁気ベクトルの平均値を求め、磁性体の着磁分の磁気成分とする。以上の方法で求めた着磁分の磁気成分は粗い計算値のため、例えばｍ_ｘ軸成分において、以前のゼロ点補正係数をｍ_０'とし、ｍ_０''＝（ｍ_１＋ｍ_２＋ｍ_３＋ｍ_４＋ｍ_５）／５とおいたとき、ゼロ点補正係数ｍ_０＝［ａ／（ａ＋ｂ）］ｍ_００’＋［ｂ／（ａ＋ｂ）］ｍ_０''とおくことで、前回の履歴データとの平均を取ることにする。このようにすることで、ノイズの影響や突発的な磁気変動を取り除くことができるため望ましい。ａとｂの比率は１０：１であることが望ましい。ｍ_ｙ軸、ｍ_ｚ軸も同様の方法で補正できる。

図５は、３軸地磁気センサ付近の磁性体の着磁による磁場ゼロ点のずれを補正する別の方式を説明する図面である。４つの地磁気ベクトルの値を格納するメモリを確保し、順番に互いの地磁気ベクトルの成す角が６０°以上となるようにデータを格納する。図５における隣り合う２点ｍ₁，ｍ₂の中点を通り、２点の間を繋ぐ直線方向を法線ベクトルとする３次元における平面を求めると、平面上の点は全て２点に対して同じ距離離れている。

同様に、さらに隣り合う別の１点を含めるｍ₂，ｍ₃の２点でも同様な平面を求めると、２つの平面の交わる部分にできる直線は、ｍ₁，ｍ₂，ｍ₃の３点に対して同じ距離を持つ。さらに、ｍ₃，ｍ₄の２点での平面を同様に求めれば、ゼロ点が確定するが、図５では、同じ平面内にｍ₁，ｍ₂，ｍ₃，ｍ₄があるため、４点に対して同じ距離をとるのは直線全体となる。その場合には、直線の中でもｍ₁，ｍ₂，ｍ₃，ｍ₄に最も距離が近い点をゼロ点とする。

図６は、本発明におけるシステム構成の一例を表している。ケース１内の取り付け基板１０には、ディスプレイ１１、３軸地磁気センサ１２、及び傾斜センサ１５と信号処理回路１３と方位及び傾斜角計算回路１４が実装されている。３軸地磁気センサ１２は、内部に１方向成分ずつ検出する地磁気センサが図６に示すように実装されている。

図７は、図７の各軸の地磁気センサチップ２は誘電体基板２０に細長い磁性体２１と引き出し電極２２によって構成されており、半田２３により取り付け基板電極２４と接続されている。細長い磁性体の長手方向は、取り付け基板面に対して約３５度の傾きを持っている。このような地磁気センサを３個、図７の上面図のように、ほぼ正三角形になるように配置して、互いの検出軸を直交させる。さらに、取り付け基板の鉛直方向に磁気バイアスを加えるための巻線ボビン３を取り付けた構成となっている。このような構成とすることで、３軸の磁気センサの高さを削減できるだけでなく、ボビンが一つで済み、形状も小型に形成できる点、コストが低くて済む点で望ましい。

磁性体膜を細長い長方形に形成する方法を以下に述べる。第一の方法としては、フォトレジストによるマスキングの後のスパッタ法、蒸着法、メッキなどによる製膜、第２の方法としては、前記製膜法の後のフォトレジストによるマスキングを行った後の化学エッチング、イオンエッチングが選択される。細長い形状に形成された磁性体２１は、不活性化雰囲気中で磁性体の幅方向に磁場を印加して熱処理を行うことで、零磁場中で磁性体の幅方向に磁化を整列させる。処理後の磁性体２１の長手方向に磁場を印加すると磁化が長手方向に数百マイクロテスラの磁場で整列し、それに伴って１ＭＨｚ以上の高周波インピーダンスが、図８に示すように、一旦、増加し、飽和の後、減少する特性を持つ、長手方向に指向性を持つ磁気センサとなる。

３軸地磁気センサ１２と信号処理回路１３により地磁気ベクトルを検出する。信号処理回路１３は、図９の回路図のように、発振回路３１、信号検出回路３２、及び増幅回路３３より成っている。発振回路３１は、マルチバイブレーター、水晶振動子等により１ＭＨｚ以上の高周波電圧を発生し、巻線ボビン３により適正な磁気バイアスを加えられた磁気センサと抵抗の分圧の変化を信号検出回路３２にてピークホールド等により電圧振幅を検出する。さらに、増幅回路３３により適正な信号レベルに増幅する。この際、巻線ボビン３の磁気バイアスを同量正負に交互に加えて、磁気バイアス正負の場合の磁気センサ信号出力の差を検出するか、または磁気バイアスの正か負の場合の片側の磁気センサ信号出力を反転させて平滑化させる方法で磁気センサ出力のオフセット変動を抑制する方法を用いるのが望ましい。

方位及び傾斜角計算回路１４は、一旦、信号処理回路１３を一次変換行列により回転操作を行って、取り付け基板面内及び基板面鉛直の軸を持つ座標系に変換する。

図１０に示すように、３軸地磁気センサの各検出軸Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃をそれぞれ（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）とベクトル成分表示に置き換えた場合に、（１，１，１）方向に磁気バイアスＨｂを付加すると、３軸地磁気センサの各々に均等に磁場が付加される。

磁気バイアスＨｂの方向ベクトルを規格化すると、（１／３^1/2，１／３^1/2，１／３^1/2）となり、３軸地磁気センサの各検出軸Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３との成す角は約５５°である。磁気バイアス方向を取付基板に対して垂直方向に設定すると、取付基板と磁気センサ検出軸の成す角は、図１１より、９０゜からＨｂとの成す角を引いた、約３５゜となる。

また、図１２に示すように、Ｈｂを紙面垂直方向に設定して、Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃の取付基板への射影は１２０゜間隔となっている。

取付基板平面内と、垂直方向に検出軸を設定するよう、取付基板面内の２軸を（１，０，０）、（０，１，０）として、取付基板に垂直方向の軸を（０，０，１）とすると、（１，０，０）軸を中心として−ｔａｎ^-1（２^1/2）゜（約−５５゜）回転させ、さらに（０，０，１）軸を中心として−４５゜回転させる座標変換行列は、数４となる。

磁気センサＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃の出力をＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃とすると、軸変換後の出力を、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ、Ｖ_ｚとおくと、数５のように表される。

磁気センサＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃と、軸変換後出力Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ、Ｖ_ｚの検出軸の関係を図１３に示す。

図１４は、本発明による立体画像表示システムの演算のフローチャート図である。図１４のフローチャート図によって、３軸地磁気センサのデータと、３軸重力センサのデータとを、演算処理を行い、画面表示データを、立体画像として表示することができる。

本発明の立体ナビゲーションシステムによる実施例の一例を示す説明図。 重力センサの出力の時間変動と、半周期差分による歩行検出の説明図。 ３角座標系での感度補正方式の説明図。 着磁によるゼロ点補正の説明図。 着磁によるゼロ点補正の説明図。 本発明の実施例による立体画像表示システムの説明図。 本発明による３軸地磁気センサの構造の説明図、図７（ａ）は全体図、図７（ｂ）は上面図、図７（ｃ）は拡大図。 本発明による３軸地磁気センサのインピーダンス対印加磁場特性図。 本発明による３軸地磁気センサの処理回路の説明図。 本発明による３軸地磁気センサの感度のベクトル分解図。 本発明による３軸地磁気センサの感度のベクトル分解図。 本発明による３軸地磁気センサの感度のベクトル分解図。 本発明による３軸地磁気センサの感度のベクトル分解図。 本発明による立体画像表示システムの演算のフローチャート図。

符号の説明

１ ケース
３ 巻線ボビン
１０ 立体画像表示システム
１１ ディスプレイ
１２ ３軸地磁気センサ
１３ 信号処理回路
１４ 傾斜角計算回路
１５ 傾斜センサ
２１ 磁性体
２２ 電極
２３ 半田
３１ 発振回路
３２ 信号検出回路
３３ 増幅回路

Claims (14)

1. ３軸地磁気センサと１軸以上の検出軸を持つ傾斜センサとを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムであって、傾斜補正された方位に対して歩行者が歩いた歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と前記歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求めることを特徴とする立体ナビゲーションシステム。
2. ３軸地磁気センサと重力センサを用いて歩行者の位置及び方位を案内する立体ナビゲーションシステムにおいて、傾斜補正された方位に対して歩行者の歩行数をカウントすることで歩行距離を割り出し、前記方位と歩行距離分進んだ情報を基に現在地を求めることを特徴とする立体ナビゲーションシステム。
3. 前記立体ナビゲーションシステムは、一様な地磁気を受けることで得られる３軸地磁気センサ出力より地磁気ベクトルの大きさを算出し、様様な方位や傾斜においても、３軸地磁気センサ出力より求まる地磁気ベクトルの大きさが一定となるように３軸地磁気センサの出力特性を補正することを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステム。
4. 前記立体ナビゲーションシステムにおいて、前記傾斜センサの出力あるいは重力センサの出力が０．５〜２Ｈｚの範囲の周期変動を検出した場合、検出されている間、周期変動の回数を歩行数としてカウントすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステム。
5. 前記立体ナビゲーションシステムにおいて、方位角情報から使用者の方位と画面内立体地図の方位が一致するように地図を回転し、直感的に地図の方位を使用者に案内するヘディングアップ機能を持ち、傾斜角度情報から使用者の水平面と画面内立体地図の水平面が一致するように立体地図を傾斜回転させたものを表示することができる機能を持つことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステムにおいて、位置及び方位情報案内システムは前記３軸地磁気センサ及び前記傾斜センサあるいは前記重力センサと回路処理、演算を行うＩＣ及び望ましくは液晶の表示部によって構成され、システム全体で携帯可能な８０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ以下の形状であることを特徴とする立体ナビゲーションシステム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステムにおいて、前記３軸地磁気センサは取り付け基板面に対して約３５度の成す角を持つ磁気センサを互いにほぼ正三角形となるように配置した磁気センサであることを特徴とする立体ナビゲーションシステム。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の立体ナビゲーションシステムにおいて、前記３軸地磁気センサは長手方向に垂直に磁化容易軸がある細長い磁性体に１ＭＨｚ以上の高周波電流を通電し外部磁場に対して細長い磁性体のインピーダンスが変化することを利用した磁気インピーダンスセンサであることを特徴とする立体ナビゲーションシステム。
9. 立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、傾斜センサから得られる傾斜情報によって使用者が画面を見ている視点を特定し、前記視点からの立体画像を表示することを特徴とする立体画像表示システム。
10. 立体画像データを画面に表示する立体画像表示システムであって、３軸地磁気センサから得られた方位情報と、重力センサから得られた傾斜情報によって使用者が画面を見ている視点を特定し、前記視点からの立体画像を表示することを特徴とする立体画像表示システム。
11. 立体画像を３次元の座標データの集合として記憶しておき、記憶していた３次元座標データに対して方位角情報と傾斜角情報により必要となる角度分だけ １次行列変換を行い、表示装置の画面を二次元平面として射影座標を求めて表示させることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の立体画像表示システム。
12. 請求項９ないし１１のいずれかに記載の立体画像表示システムにおいて、位置及び方位情報案内システムは前記３軸地磁気センサ及び傾斜センサあるいは重力センサと回路処理、演算を行うＩＣ及び望ましくは液晶の表示部によって構成され、システム全体で携帯可能な８０ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ以下の形状であることを特徴とする立体画像表示システム。
13. 請求項９ないし１２のいずれかに記載の立体画像表示システムにおいて、前記３軸地磁気センサは取り付け基板面に対して約３５度の成す角を持つ磁気センサを互いにほぼ正三角形となるように配置した磁気センサであることを特徴とする立体画像表示システム。
14. 請求項９ないし１３のいずれかに記載の立体画像表示システムにおいて、前記３軸地磁気センサは長手方向に垂直に磁化容易軸がある細長い磁性体に１ＭＨｚ以上の高周波電流を通電し外部磁場に対して細長い磁性体のインピーダンスが変化することを利用した磁気インピーダンスセンサであることを特徴とする立体画像表示システム。

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