JP2005265414A - 電子方位計及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜した環境下においては、従来の手法では正確なオフセットを取得することができず、よって方位を正確に算出することができないという問題があった。特に、携帯機器用の電子方位計の利用者は、様々な使用方法、持ち方をすることが想定され、電子方位計が水平面に対して傾斜した状態で使用することも十分に考えられ、より正確に方位を測定できる構成が望まれていた。
【解決手段】本発明の電子方位計は、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力であるｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有する磁気センサ、相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値のデータを利用してｘｙｚオフセット値を取得する機能を有するオフセット取得装置と、方位演算装置、方位演算装置で得られた方位を表示する機能を有する方位表示装置とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気センサを用いて方位を測定する電子方位計及びその記録媒体に関するものである。特に、任意の傾斜環境下において周辺機器の着磁の影響によって地磁気以外のオフセット（ｘｙｚオフセット値）が発生する場合のオフセット補正に関する電子方位計及びその記録媒体を提供するものである。

電子方位計は、センサなどを用いて電気的に方位を表示できるという特徴を有する。一般的には、複数の磁気センサを配置して電子方位計を構成する。磁気センサは、センサと平行（あるいは垂直）な磁界に対して線形な出力を示す。よって、直交配置された複数の磁気センサの出力から得られたデータを演算することで、基準に決めた方向から方位角を算出することができる。この方位角から得られた方位は、アナログ、デジタルの電気信号として処理できるため、携帯電話、ＰＤＡといった携帯情報端末や腕時計、車両用方位計であるカーナビゲーション装置、航空機の姿勢検出、視覚障害者向け、ゲーム機といった様々な電子機器への応用が期待されている。

特に近年、ＧＰＳ等を利用した携帯情報端末向けの位置情報提供サービスが始まっている。このサービスによれば、利用者は現在の位置情報を端末上の画面を見ながらにして判るようになっている。この端末に電子方位計を組み合わせることで、利用者が今どの方位を向いているのか、或いは歩行中であるならばどこに向かおうとしているのかが判る。この位置情報と電子方位計に関する情報提供サービスは、今後多くの産業界に新しいビジネスを生み出すものと考えられ、また利用者に有益な情報をもたらす。そのようなサービスが進展していく中で、電子方位計に要求される課題としては、より質、精度の高いものが求められていくことは必然である。

上記の質と精度の向上とは、より正確に方位を測定するということを示しているが、磁気センサの周辺機器の着磁の影響で、正確に方位を算出されないことがある。磁気センサが、地磁気に相当する出力のみを発生する場合には方位は計算上正確に求まる。しかし、磁気センサの周辺の部品や機械などが着磁していると、磁気センサの出力電圧にオフセットが加わり、地磁気量に相当する出力を得ることができなくなる。なお、このオフセットがｘｙｚオフセット値であり、磁気センサが３軸に配置されていれば、それぞれの軸にそれぞれのオフセットが発生することを意味している。よって、その着磁量に相当する補正を行わないと、地磁気に相当する出力を得ることができなくなり、正しい方位を取得することが出来なくなることは容易に理解できよう。

この様な問題を解決するための従来の着磁補正の方法としては、磁気センサを含む機器を１周回させ、その出力の最大値と最小値の平均を算出することでオフセットを得る方法が知られている。しかし、この方法では、機器を一回転させなければならないという煩雑さがあり、特に車両などに搭載した電子方位計で正確な方位を得たい場合では、一回転するのに必要な場所を見つけるのにも時間と労力がかかるという問題があった。更に着磁の状態は、周辺機器含めて測定をする環境によって変化し易く、この着磁量は経時的にも変化するため、一度行ったとしても着磁の状態が変わる度に車両を一周回させて新たに補正を行わなければならないという問題があった。

上記の問題点に対して、車両を一周回させるという煩わしい事をせずとも、地磁気センサの方位誤差の補正を行うことができる方法と装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
これは、周辺機器の着磁量に応じたオフセットを得て補正する方法であり、具体的には着磁後（着磁状態が変化した後）であっても、その後着磁状態が変化しない間にサンプリングされた相異なる３組の２次元座標値が定める３点を用いてオフセットを得る。つまり、この方法及び装置は、本来磁気センサの周辺機器の着磁の影響がないときの出力を原点とした場合、その原点に対して３点が所定の距離にある２次元座標値（３円の交点）を得る。これが、オフセット（ｘｙオフセット値）に相当して、このオフセットを用いて正しい方位を得ようとするものである。

この方法について、更に詳細に図を用いて説明を行う。図１３は、電子方位計を含む機器を水平状態下で一周回させたときのｘ、ｙ軸磁気センサの出力の関係を示したものである。本図面における水平状態下とは、ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇが０度、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇが０度の状態を示し、一周回とは方位角０度から３６０度まで回転させることを示している。

この図１３から、水平状態下でのｘｙ出力グラフ１０１は円形状となっていることが判る。また、この円の半径１０２は地磁気の水平成分に相当する出力を表しており、円の中心座標１０３はｘ磁気センサ出力とｙ磁気センサ出力の原点（０，０）に対するｘｙオフセット値を示すこととなる。ここで、この出力円上の３点のｘｙ２次元座標、例えば方位角θが４０度、９０度、３１０度でのｘｙ出力座標１０４、１０５、１０６が判ると、それぞれの座標から所定の同じ距離にある座標が中心座標を示すことから、それぞれの座標で所定の円を描きその３円の交点を利用することにより、目的のオフセットを求めることができる。

この方法によれば、周辺機器の着磁量が経時的に変化した場合であっても、その都度、着磁に係るオフセットを取得できるため、特に水平状態下で利用されることの多い車両に設置した場合においては、正確な方位を得る手段となり得る。

特開平８−１０５７４５号公報（第６頁、図３）

上述した機能を有する電子方位計を傾けた状態（傾斜環境下）で利用者が方位を得ようとした場合、つまり、携帯機器用の電子方位計の利用者は、様々な使用方法や、持ち方をすることが想定され、その際の電子方位計に内蔵された磁気センサが、水平面に対して傾斜した状態で使用する場合がある。しかしながら、この様な環境下においては上記の手法では正確なオフセットを取得することができず、よって方位を正確に算出することができないという問題があった。

上述した傾斜環境下では、正確なオフセットを取得することができない理由について更に詳細に図を用いて説明を行う。図１４は、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇを０度で一定とし、ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇが０度、２０度、４０度、６０度として、磁気センサを含む電子方位計を一周回させたときのｘ、ｙ軸磁気センサの出力の関係を示したものであり、符号２０１は０度の時の出力、符号２０２は２０度の時の出力、符号２０３は４０度の時の出力、符号２０４は６０度の時の出力を表している。

この図から、ピッチ角β_ｇが大きくなるに従って、出力グラフが円形状から楕円形状になってゆき、またその中心座標が順にシフトしていくことが判る。すなわち、水平状態下でのｘｙオフセット値に相当する出力グラフ２０１の中心座標はｘ軸で−３０ｍＶ、ｙ軸で−１１０ｍＶであったが、傾斜角が大きくなるに従って、本来のｘｙオフセット値からズレを発生してしまうことが判る。したがって、傾いた状態でこの楕円上の３点のｘｙ出
力座標を用いて中心座標を求めようとしても、出力グラフが楕円になってしまうことと、真のオフセットから中心座標が傾斜角に応じてシフトしてしまうという２つの現象があるため、正確なオフセットを取得することができないのである。この様に、正確なオフセットが得られなければ、傾斜環境下では周辺機器の着磁量に応じた正確なオフセットを取得できず、正確な方位を得ることは不可能であることは容易に理解できよう。

したがって、実際の携帯機器の利用形態においては、携帯機器をある程度傾けた状態で利用するケースが多いので、この様な携帯用電子機器では、その都度オフセットを取得することは、現実的に不可能となる。よって、正確な方位を得るためには、水平状態下でオフセット取得のための煩わしいキャリブレーション操作を、傾斜環境下から水平に戻して再度行うことが必要となってしまう。

そこで本発明の目的は、あらゆる傾斜環境下においてもオフセットを取得でき、着磁状態の変化によりオフセットが変化した場合においても、その都度一周回させたキャリブレーションを行うことなく、ユーザーが意識せずとも自動でオフセットを取得して真の方位を得ることができる電子方位計及び記録媒体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電子方位計及びその電子方位計に用いる記録媒体は基本的には下記記載の形態を採用する。

請求項１の発明にかかる電子方位計は、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力値であるｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するｘｙｚ軸に配置された磁気センサと、磁気センサの測定環境の外的な影響が変化する前に、ｘｙｚ軸に配置された各磁気センサの方位と傾斜を変えた際の相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値のデータを利用して、外的な影響がない状態での原点位置からのずれ量に相当するｘｙｚオフセット値を取得する機能を有するオフセット取得装置と、ｘｙｚ３次元座標値とｘｙｚオフセット値を用いて方位を演算する方位演算装置とを備え、周辺機器の着磁などの影響によって発生するセンサのｘｙｚオフセット値を取得して、真の方位を得ることができるようにしたことを特徴とする。

請求項２の発明にかかる電子方位計は、少なくとも４組以上のｘｙｚ３次元座標値を記憶する機能を有するデータ記憶装置と、データ記憶装置に記憶された複数個の前記ｘｙｚ３次元座標値から相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するデータ取得装置とを更に備えたことを特徴とする。

請求項３の発明にかかる電子方位計は、ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇと、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇに相当する傾斜角の出力を取得する機能を有する傾斜センサを更に備え、方位演算装置はｘｙｚ３次元座標値と、ｘｙｚオフセット値と、ピッチ角と、ロール角に基づいて方位を演算する機能を更に有することを特徴とする。

請求項４の発明にかかる電子方位計は、少なくとも４組以上のｘｙｚ３次元座標値に相関させて傾斜角を記憶する機能を有するデータ記憶装置と、データ記憶装置に記憶された相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するデータ取得装置とを更に備えたことを特徴とする。

請求項５の発明にかかる電子方位計は、オフセット取得装置で取得されたｘｙｚオフセットを記憶するオフセット記憶装置を更に備えたことを特徴とする。

請求項６の発明にかかる電子方位計は、ｘｙｚ３次元座標値とオフセット記憶装置に記
憶されたｘｙｚオフセット値を用いて、地磁気ベクトルに相当する出力を演算する機能を有するベクトル量演算装置を更に備えたことを特徴とする。

請求項７の発明にかかる電子方位計は、方位演算装置で得られた方位を表示する機能を有する方位表示装置を更に備えたことを特徴とする。

請求項８の発明にかかる記録媒体は、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力値であるｘｙｚ３次元座標値を磁気センサから取得する磁気ベクトル取得手段と、磁気センサの測定環境の外的な影響が変化する前に、ｘｙｚ軸に配置された各磁気センサの方位と傾斜を変えた際の相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を用いて外的な影響がない状態での原点位置からのずれ量に相当するｘｙｚオフセット値を取得するオフセット取得手段と、ｘｙｚ３次元座標値とｘｙｚオフセット値を用いて方位を演算する方位演算手段とを備え、周辺機器の着磁などの影響によって発生する方位センサのｘｙｚオフセット値を取得して、真の方位を得られるように機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする。

請求項９の発明にかかる記録媒体は、少なくとも４組のｘｙｚ３次元座標値を記憶するデータ記憶手段と、データ記憶手段で取得された複数個のｘｙｚ３次元座標値から相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を取得するデータ取得手段とを更に有することを特徴とする。

請求項１０の発明にかかる記録媒体は、ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇと、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇに相当する各傾斜角の出力を取得する傾斜角取得手段を更に備え、方位演算手段が、ｘｙｚ３次元座標値と、ｘｙｚオフセット値と、ロール角と、ピッチ角に基づいて方位を演算する手段であることを特徴とする。

請求項１１の発明にかかる記録媒体は、少なくとも４組以上のｘｙｚ３次元座標値に相関させて傾斜角を記憶するデータ記憶手段と、データ記憶手段で記憶された相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を取得するデータ取得手段とを更に有することを特徴とする。

請求項１２の発明にかかる記録媒体は、相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値は、ロール角、ピッチ角のいずれかが異なる際に得られる座標値であることを特徴とする。

請求項１３の発明にかかる記録媒体は、データ取得手段が、相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値から選ばれる少なくとも２組のｘｙｚ３次元座標値（ｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉ、ｚ_ｓｉ）とｘｙｚ３次元座標値（ｘ_ｓｊ、ｙ_ｓｊ、ｚ_ｓｊ）が、予め設定された許容値δ_ｘ、δ_ｙ、δ_ｚに対して、

で表される座標値であり、上記の式で表される関係を少なくとも１つ満たす様に４組のｘｙｚ３次元座標値を取得する手段であることを特徴とする。

請求項１４の発明にかかる記録媒体は、データ取得手段が、４組のｘｙｚ３次元座標値
に相関させて記憶されたピッチ角とロール角の少なくとも２組のピッチ角、ロール角（α_ｇｉ、β_ｇｉ）と（α_ｇｊ、β_ｇｊ）の関係が、予め設定された許容値λ_α、λ_βに対して、

で表される関係を有し、上記の式で表される関係を少なくとも１つ満たす様に４組のｘｙｚ３次元座標値を取得する手段であることを特徴とする。

請求項１５の発明にかかる記録媒体は、ｘｙｚ３次元座標値とｘｙｚオフセット値を用いて、地磁気に相当する磁気ベクトル量を演算し、ここで得られた前記磁気ベクトル量と、過去に演算した磁気ベクトル量とを比較する磁気ベクトル量演算比較手段と、その比較した結果が許容値を超えていると判断された場合に、ｘｙｚオフセット値を再演算して二次ｘｙｚオフセット値を取得するオフセット再取得手段と、二次ｘｙｚオフセット値を記憶するオフセット記憶手段とを有することを特徴とする。

請求項１８の発明にかかる記録媒体は、方位演算手段で得られた方位を表示する機能を有する方位表示手段を更に有することを特徴とする。

上記の通り、本発明では磁気センサで取得した４組のｘｙｚ３次元座標値を用いてオフセットを演算する。ｘｙｚ３次元座標値とは、磁気ベクトルに相当する磁気センサの出力を表している。磁気センサの出力（磁気ベクトルに相当）とは、地磁気による地磁気出力（地磁気出力ベクトルに相当）と電子方位計の中の磁気センサと一緒に設置された周辺機器の着磁状態など地磁気以外の要因による出力と磁気センサ駆動回路による出力（オフセットベクトルに相当）を合成したものを表している。

本発明によれば、任意の傾斜環境下でオフセットを取得することができる。更には、着磁状態が変化した後でも、そのまま利用することで、利用者が意識することなく、オフセットを自動的に取得することが可能となる。すなわち、電子方位計を任意の傾斜環境で利用しても正しいオフセットを自動で取得して、利用者は常に正しい方位を得ることができるようになる。

本発明は、磁気センサと、そのデータを記憶するためのデータ記憶装置と、オフセットを演算するためのデータを選択するデータ取得装置、オフセットを演算するためのオフセット取得装置、磁気センサ出力とオフセット出力から方位を演算するための方位算出装置、その演算された方位を表示するための方位表示装置によって基本的に構成される。

そして、このセンサ及び装置構成を利用して、オフセットを取得して方位を取得するが、その方位を取得するまでのステップとしては、基本的に以下の様に構成される。

まず、磁気ベクトル取得手段により、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力を磁気センサから取得する。次にデータ記憶手段により、そのｘ、ｙ、ｚ軸方向の磁気ベクトルをそれぞれデータ記憶装置に記憶する。この記憶されたｘ、ｙ、ｚそれぞれの磁気セン
サの出力データは、地磁気によって発生する出力と周辺の磁気或いは回路の影響を含んでいる。そして、さらにオフセット取得手段により、その記憶されたデータの中から４組の相異なるデータを取り出し、オフセット取得装置に転送する。オフセット取得装置では、転送された４組のデータを用いてｘ、ｙ、ｚそれぞれに対する周辺の磁気或いは回路の影響によるｘｙｚオフセット値を演算する。そして、方位算出手段で、これらにより得られたｘ、ｙ、ｚのｘｙｚオフセット値と磁気センサから得られたｘ_ｓ、ｙ_ｓ、ｚ_ｓの出力データを用いて方位を演算する手段を採用する。

ｘｙｚ軸方向の地磁気出力を合成した大きさ、すなわち地磁気による地磁気出力の大きさは測定場所が変わらなければ大きくは変わらない。しかし、ｘｙｚオフセット値は測定環境に影響され、経時的に容易に変化する。例えば、センサ検出回路などの電気的な要因であれば、環境温度の影響を受けやすく、また周辺の磁気の影響という要因であれば、磁界の強い所に置いた前後など、利用方法による履歴も影響する。これらの要因がｘｙｚオフセット値の変動の原因であるが、その経時的なｘｙｚオフセット値の変動は必ずしも早いものではなく、ある時間範囲では一定の値を示すものである。

そこである時間範囲内で、ｘｙｚそれぞれのｘｙｚオフセット値が一定で地磁気の大きさも一定であったと仮定し、任意の傾斜環境下でｘｙｚ３次元座標値を取得した場合について考える。このときの、ｘｙｚ３次元系における磁気センサのｘｙｚ出力であるｘｙｚ３次元座標値は、オフセット出力を中心座標とした球面上の座標で表すことができる。すなわち、その球体の半径が、地磁気出力に相当する大きさを表しており、その球体の中心座標がオフセットを示すことになる。周辺の着磁状態があまり変わらない状態にあり、かつ地磁気の大きさがあまり変わらない状態では、任意の傾斜環境下においてもｘｙｚ３次元座標値は球面上の座標として表すことができ、オフセットはその中心座標として表すことができるのである。

上記の内容について更に詳細に図９を用いて説明を行う。図９は、磁気ベクトル３０１、オフセットベクトル３０２、地磁気出力ベクトル３０３の関係を示した図であり、座標軸はそれぞれの磁気センサの出力を示している。

磁気ベクトル３０１は、ｘ、ｙ、ｚ軸の磁気センサの出力（ｘ_ｓ１，ｙ_ｓ１，ｚ_ｓ１）を表しており、これが本発明のｘｙｚ３次元座標値３０４に相当する。オフセットベクトル３０２は、周辺機器の着磁、回路の影響によるｘ、ｙ、ｚそれぞれのオフセット（ｘ_ｏｆｆｓ，ｙ_ｏｆｆｓ，ｚ_ｏｆｆｓ）を表しており、本発明のｘｙｚオフセット値３０５に相当する。地磁気出力ベクトル３０３は、地磁気の影響によって磁気センサが発生する出力に由来する出力ベクトルを示している。なお、この地磁気出力ベクトル３０３は、地磁気に相当するセンサの出力の大きさを有するベクトルを、各磁気センサのｘ、ｙ、ｚ軸の方向に射影したときの大きさとなるため、（ｘ_Ｈ，ｙ_Ｈ，ｚ_Ｈ）としても同様に表現できる。

以上の関係から分かる通り、磁気ベクトル３０１はオフセットベクトル３０２と地磁気ベクトル３０３の合成として表現でき、そのｘｙｚ３次元座標値３０４は、地磁気出力（ｘ_Ｈ，ｙ_Ｈ，ｚ_Ｈ）とｘｙｚオフセット値３０５を用いて、下記の関係式（６）で表すことができる。

ここで、ｘｙｚ３次元座標値の取りうる出力が球体であると説明したが、これは以下に示す通り、ｘｙｚ軸方向のそれぞれの磁気センサの感度が同じ値となる条件が必要となる。まず、磁気センサの出力は、磁界の大きさに比例した出力を発生する。ｘ、ｙ、ｚ軸それぞれの感度（例えばｍＶ／ｍＧａｕｓｓ）をＳ_ｘ、Ｓ_ｙ、Ｓ_ｚとして、地磁気の磁界量Ｆに対するｘ、ｙ、ｚ各軸方向の大きさをＦ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚとすると、下記の関係式が得られる。

ここで、地磁気出力ベクトルの大きさの２乗を考えてみると、上式（７）（８）より下記の関係式（９）が導かれる。

上記式（９）において、磁気センサの感度が等しい場合、下式（１０）の通りに右辺は定数となり、式（９’）の通りに全地磁気量Ｆに相当する出力Ｓ_ｈの２乗に等しくなる。

すなわち、ｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈから構成される地磁気出力ベクトルの大きさは、磁気センサの感度が同じである条件においては変化することがなく、図９中の球体の半径として表現することが可能となる。

以上、上記の説明が本発明の基本的な考え方のひとつであり、地磁気の大きさが一定であり、更に利用している磁気センサの感度がｘ、ｙ、ｚ軸で同じである条件下においては、ｘｙｚ３次元座標値で表される磁気センサ出力（磁気ベクトル３０１）は、ｘｙｚオフセット値３０５を中心とした球面上の点で表わされることが判る。更に、その条件下で図１０の通り、相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値４０１〜４０４（ｘ_ｓ１〜ｘ_ｓ４、ｙ_ｓ１〜ｙ_ｓ４、ｚ_ｓ１〜ｚ_ｓ４）が磁気センサから取得されると、その４組から球体の中心であるｘｙｚオフセット値４０５を取得することが可能となる。

以上の通り、本発明はオフセットとｘｙｚ３次元座標値の関係を上記のような球体を想定して取り扱うことに着眼して見い出されたものである。３次元系にある任意の球体は、球面上の相異なる４点が分かると、図１０の通り球体の中心座標と半径を演算することができる。すなわち、任意の傾斜環境下において測定された４組のｘｙｚ３次元座標値からｘｙｚオフセット値が取得できることを意味している。そしてこの正確なｘｙｚオフセット値を用いることによって、精度良く地磁気出力を求めることができ、真の方位角を得ることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の電子方位計のブロック構成を示した図であり、図２は図１における電子方位計を用いて方位を得るまでのフローチャートを示した図である。

図１に示す様に、電子方位計２は、磁気センサ部４、データ記憶装置８、データ取得装置１０、オフセット取得装置１２、方位算出装置１４、方位表示装置１６から構成される。磁気センサ部４は、ｘ、ｙ、ｚ軸の磁気センサで構成され、各軸方向の出力を取り出して磁気ベクトルを得ることができる。データ記憶装置８は、磁気ベクトルに相当する出力であるｘｙｚ３次元座標値を記憶する機能を有する装置であり、データ取得装置１０は、データ記憶装置８に記憶された４組のｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有する装置であり、オフセット取得装置１２は、４組のｘｙｚ３次元座標値を利用してｘｙｚオフセット値を取得する機能を有する装置である。そして、方位算出装置１４は、ｘｙｚオフセット値とｘｙｚ３次元座標値を用いて方位を算出する装置であり、方位表示装置１６は、その方位を表示するための装置である。

次に、図２を用いてより具体的な本発明の電子方位計に用いる記録媒体についての説明を行う。

まず、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）は、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力値であるｘｙｚ３次元座標値を磁気センサから取得する手段である。このｘｙｚ３次元座標値（ｘ_ｓ、ｙ_ｓ、ｚ_ｓ）は、先に示した通り周辺の磁気や回路などに影響されたｘｙｚオフセット値に相当する出力と地磁気に相当する出力が合成されたものになる。なお、磁気センサの出力は、ノイズなどが含まれて誤差を含んでいることがあるため、データとしてはいくつか取り込んだものを平均化するような処理を加えることにより安定した出力を得ることが好ましい。

そして、データ記憶手段（Ｓ１２）では、上記で得られたｘｙｚ３次元座標値をデータ記憶装置８（図１参照）に記憶する。データ記憶装置８には、書き換え可能なＲＡＭを用いると良く、時間の経過とともに逐次データを書き込んでいく。ＲＡＭ容量一杯にデータが入れば、逐次時間の古いものから順に書き換えされてゆき、常に最新のデータがＲＡＭ内に残されている様にする。データ容量が少なすぎると、最新のデータの数が少なくなり、オフセット演算に有効なデータが得られないことがあるため、ある程度の容量を有することが望ましい。

次に、データ取得手段（Ｓ１４）では、上記のデータ記憶手段（Ｓ１２）で記憶されたデータから４組のデータ（ｘ_Ｓｉ、ｙ_Ｓｉ、ｚ_Ｓｉ）（ｉ＝１〜４）を取り出す。４組のデータは、相異なる値である様に選択する必要がある。また、更に好ましくは、先に示したｘｙｚオフセット値を中心とした球体の球面上において、なるべく離れた所にあるものを選ぶことにより、ここで求めるｘｙｚオフセット値の精度を高くすることができるようになる。

より具体的には、基準となる１組目のデータ（ｘ_ｓｉ，ｙ_ｓｉ，ｚ_ｓｉ）に対して、次の２組目からのデータとなる（ｘ_ｓｊ，ｙ_ｓｊ，ｚ_ｓｊ）の差分を演算し、その値がある許容値を越えている場合にデータを選択する様にする。例えば、ｘ、ｙ、ｚの出力がそれぞれδ_ｘ、δ_ｙ、δ_ｚ（ｍＶ）離れているデータを選択設定したい場合には、下記の式（１）（２）（３）の様に基準を設け、この条件を満たす４組の磁気センサ出力を取得する。

この許容値が小さすぎると、ｘｙｚオフセット値が正確に得られないことがある。逆にこの許容値が大きすぎると、データ取得に時間を要することとなる。電子方位計２を使用する用途に応じてこの許容値を適当な値に設定することが望ましい。また、式（１）（２）（３）全てを満たしている必要は必ずしもなく、そのうちのひとつでも満たしていれば良い。

この様にして、磁気センサの測定環境の外的な影響が変化する前に、ｘｙｚ軸に配置された各磁気センサの方位と傾斜を変えた際の相異なる４組の３次元座標値を得ることができるようになる。

オフセット取得手段（Ｓ６）は、ｘｙｚオフセット値を演算して取得する手段を示している。以下に具体的に数式を用いて説明を行う。まず、４組のデータは、地磁気Ｆに相当する出力Ｓ_ｈとｘｙｚオフセット値（ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓ）が同じ条件で取得されたものであるとすると、データ番号数をｉとして添え字に付けると、それぞれ下記の関係式で表すことができる。

この式（１１）を展開し、式（１３）、式（１４）に示す定数Ｋ^２、定数Ｊ^２に置き換えて示すと下記の式（１２）として表すことができる。

ここで、４組のデータの内、それぞれ２組のデータについて連立させ、Ｓ_ｈとＫの項を消去する。例えば、１組目のデータを基準とした場合では、上式（１２）から下記の関係式（１５）（１６）（１７）が得られる。

この関係式を整理すると、下記の式（１８）で表される。

更に、式（１８）をｘｙｚオフセット値（ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓ）について解くと、下記の行列式（１９）で表すことが可能となる。

上式（１９）における右辺は、全て磁気センサで得られた出力値によって決定する演算であり、磁気センサで得られた相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を上式（１９）に代入することによって、ｘ、ｙ、ｚそれぞれのｘｙｚオフセット値ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを取得することが可能となる。また一般的に知られているＣｒａｍｅｒの公式などを利用することで、式（１８）を用いてｘｙｚオフセット値を得ることが可能となる。

次に方位算出手段（Ｓ８）について説明を行う。以下の説明では、ｘｙｚ軸方向の磁気センサの出力と地磁気の関係について、地磁気によるセンサ出力（オフセットを差し引いたもの）のみを考慮して考える。また、この実施例では、３軸の磁気センサを用いており、傾斜補正としては、観測軸であるｘ軸のみ傾斜した状態を考慮して、水平に変換して計算する手段を採用した。方位算出手段（Ｓ８）は、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）で取得された３次元座標値ｘ_ｓ、ｙ_ｓ、ｚ_ｓと、オフセット取得手段（Ｓ６）で得られたｘｙｚオフセット値ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを用いて方位を演算する手段を示している。

地磁気によって発生する磁気センサ出力ｘ、ｙ、ｚをそれぞれｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈとすると、これらの関係は上式（６）により、下記の式（２０）（２１）（２２）で表される。

３軸磁気センサを用いて、観測軸であるｘ軸の傾斜角に相当するピッチ角β_ｇを算出するためには、磁気センサから得られた出力とピッチ角β_ｇの関係式を導く必要がある。その方法について図１１を用いて説明を行う。図１１は絶対座標系ＸＹＺ軸５０１〜５０３に対して、電子方位計を含む機器本体５００がどのような位置にあるかを表しており、地磁気の方位ベクトル５０４はＸ軸と伏角５０５をなす方向にあるものとする。観測座標系のｘｙｚ軸５１１〜５１３は絶対座標系ＸＹＺ軸５０１〜５０３をＹ軸５０２周り反時計方向にβ回転して、Ｚ軸５０３周りの反時計方向にθ回転させた軸に相当していると考える。

すると、ｘ軸５１１が観測軸であり、βが傾斜角であるピッチ角β_ｇ５０６に相当し、絶対座標系のＸ軸５０１と観測軸のｘ軸を水平面に射影したベクトル５０７とのなす角が方位角５０８を表し、その方位角はθに相当していることが判る。また、そのときの観測座標系のｘｙｚ軸５１１〜５１３の各成分は、絶対座標系において下記の回転行列式を掛け合わせた式（２３）（２４）（２５）で表される。

なおここで、（ｘ_Ｘ，ｘ_Ｙ，ｘ_Ｚ）は観測軸ｘ軸を絶対座標ＸＹＺ系で表したときの座標を示しており、ｙ軸、ｚ軸も同様である。また、式（２３）〜（２５）ではそれぞれピッチ角β_ｇ、方位角θ周りの回転角に単位ベクトルを掛け合わせているが、この段階では観測座標ｘｙｚ軸のそれぞれの方位の関係が判れば良く、また後の処理を容易にするために単位ベクトルを用いている。

その磁気センサの出力ｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈは、地磁気の方位ベクトルとの内積により与えられ、特にｘ軸が地磁気方向にある場合、ｘ軸の磁気センサの出力値は最大値Ｓ_ｈを示す（Ｓ_ｈは地磁気全体の大きさに相当するセンサの出力）とすると、その出力は下記の関係式（２６）（２７）（２８）で表すことができる。

なお、ここで地磁気の方位ベクトル５０４が水平面となす角である伏角５０５をＩとし、水平面より上側を正の角度とした。よって、日本においては、水平面より下側に向いているために負の角度を示すこととなる。

この式（２６）（２７）（２８）におけるｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈは、地磁気に関係する出力（地磁気出力）を示しており、上記の式（２６）（２７）（２８）をまとめると、下記の式（２９）である地磁気出力と方位角及びピッチ角との基本関係式が得られる。

更に、ピッチ角β_ｇを磁気センサの出力を用いて演算する方法について説明する。

上記の式（２９）のｘ_Ｈの関係式からｃｏｓθについて解くと、下記の関係式（３０）が得られる。

そして、上記の式（２９）のｚ_Ｈの関係式に上記式（３０）を代入すると、下記の関係式（３１）を得ることができる。

よってβ_ｇについての関係式は、式（３１）を展開して下記の式（３３）から与えられる。

ここで、伏角ＩはＧＰＳの位置情報などを利用して取得することもできる。具体的には、測定位置の緯度φと経度λを取得し、その場所における伏角値Ｉを算出して出力する。日本国内各地での伏角値Ｉは、下記の２次式（３５）で近似できる。

なお、ここで算出されるＩは、正の値となるため、式（３３）などに代入する際には負の値とする。以上、これらの手段により、ピッチ角β_ｇ（＝回転角β）に相当する角度を磁気センサ出力から取得することができる。

次に方位計算について説明する。
まず式（２９）のｙ_Ｈの式からｃｏｓＩの関係式を導き、それをｘ_Ｈ、ｚ_Ｈに代入すると下記の関係式（３８）（３９）が得られる。

上記２つの関係式の右辺第２項を消去してまとめると、方位角とセンサ出力の基本関係式（４０）を得ることができる。

以上、３軸の磁気センサを用いて、観測軸であるｘ軸のみが傾斜したときの傾斜補正の計算方法について説明した。具体的には、上式（４０）のβ_ｇに式（３３）で求めたピッチ角β_ｇを、またｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈを代入することによって、方位を算出することが可能となる。なお、上記にも示したが、ｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈは、ｘｙｚ３次元座標値であるセンサ出力ｘ_Ｓ、ｙ_Ｓ、ｚ_Ｓから、ｘｙｚオフセット値ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを差分することが必要であり、正確なｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈを算出するためには、正確なｘｙｚオフセット値が必要となる。正確なｘｙｚオフセット値を得るためには、本実施例のオフセット取得の方法が有効となる。

以上本実施例の構成によれば、周辺機器の着磁状態が変化した場合でも、その後着磁状態と傾斜角が変化しない間に取得された４組の磁気センサ出力を用いれば、ｘｙｚオフセット値を取得することができる。よって、この場合にはユーザーがその都度キャリブレーションのための特別な操作を行うことなく、自動でキャリブレーションを行い、現状の正確なｘｙｚオフセット値を取得できる。更に３軸の磁気センサを用いて傾斜補正による方位計算を行うことで、傾斜環境下での正確な方位を得ることが可能となる。

本発明の第２の実施例について説明を行う。図３は本発明の実施例２における電子方位計のブロック構成を示した図であり、図４は図３に示したブロック構成を用いて方位を得るまでの各ステップを説明するためのフローチャートである。

本実施例における電子方位計のブロック構成は基本的に図１と同じであるが、新たに傾斜センサ部６が加えられている点のみが、先の実施例とは異なる。また、この実施例におけるデータ記憶装置８は、磁気センサの出力だけでなく、傾斜センサの出力も併せて記憶する機能を有する。そして、データ取得装置１０は、その記憶された傾斜センサの出力と磁気センサの出力が相異なる４組のデータを、データ記憶装置８から取得する機能を有する装置である。

図４のフローチャートを用いて本発明の実施例２の説明を行う。本フローチャートに示す磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）は先の実施例１と同様に行う。次の傾斜角取得手段（Ｓ４）は、ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇ及びｙ軸と水平面の成すロール角α_ｇを、傾斜センサから取得する手段である。この傾斜センサに加速度センサを用いた場合、各軸方向の重力加速度の大きさに比例した出力を得ることができる。これらセンサの出力は、ノイズなどが含まれて誤差を含んでいることがあるため、予め複数個のデータを記憶しておき、これらデータを平均化するような処理を加えるとより、安定した出力を得ることができるようになる。

次に行うデータ記憶手段（Ｓ１２）は、上記の磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）及び傾斜角取得手段（Ｓ４）で得られた磁気センサ出力と傾斜角を対応させて記憶する手段である。データ記憶装置８には、書き換え可能なＲＡＭを用いると良く、時間の経過とともに逐次データが書き込まれるようにする。

このデータ記憶装置８であるＲＡＭは、容量一杯にデータが入れば、時間の古いものから順に書き換えられていき、常に最新のデータがＲＡＭ内に残されている様にする。ＲＡＭのデータ容量が少なすぎると、最新のデータの数が少なくなり、オフセット演算に有効なデータが得られないことから、ある程度の容量を有することが望ましい。

また、データ取得手段（Ｓ１４）は、データ記憶手段（Ｓ１２）で記憶されたデータの中から相異なる４組の磁気センサ出力のデータを取得する手段を示している。しかし、どのような値でも構わずに取得するのではなく、磁気センサ出力と同時に記憶されている傾
斜角が、相異なるものを選択した後に、必要なデータのみを取得することが好ましい。

具体的には、基準となる１組目のデータに対して、α_ｇとβ_ｇそれぞれの差分を演算し、その値がある許容値を越えている場合にデータを選択する様にする。例えば、α_ｇとβ_ｇの出力がそれぞれλ_α、λ_β（ｄｅｇ）離れているデータを選択設定したい場合には、下記の式（４）（５）の様に基準を設け、この条件を満たす傾斜角α_ｇとβ_ｇとを有する４組の磁気センサ出力を取得する。

この許容値が小さすぎると、正確なｘｙｚオフセット値を得ることができない場合がある。しかし、逆にこの許容値が大きすぎると、データ取得に時間を要することとなる。そのため、電子方位計を使用する用途に応じてこの許容値を適当な値に設定することが望ましい。

ここで取得されたデータは、オフセット取得手段（Ｓ６）で演算され、ｘ、ｙ、ｚそれぞれのオフセットであるｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを取得する。具体的な方法は先の実施例１と同様であり、ここでは割愛する。

方位算出手段（Ｓ８）は、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）で取得されたｘ_ｓ、ｙ_ｓ、ｚ_ｓ、オフセット取得手段（Ｓ６）で得られたオフセットｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓ、また傾斜角取得手段（Ｓ４）で得られたα_ｇ、β_ｇを用いて方位を演算する手段を示している。この実施例では、３軸の磁気センサと２軸の傾斜センサを用いており、傾斜補正して計算する手段を採用した。

具体的には、先の実施例１と同様、図１２を用いながら説明を行う。図１２は絶対座標系ＸＹＺ軸６０１〜６０３に対して、電子方位計を含む機器６００がどのような位置にあるかを表しており、観測座標系のｘｙｚ軸６１１〜６１３は、絶対座標系のＸＹＺ軸６０１〜６０３をＸ軸６０１周り反時計方向にα回転して、Ｙ軸６０２周り反時計方向にβ回転して、Ｚ軸６０３周りの反時計方向にθ回転させた軸に相当していると考える。すると、βは傾斜角であるピッチ角β_ｇ６０６に相当し、ｘ軸６１１が観測軸であることは先の実施例１と同様であるが、ロール角α_ｇ６０９は回転角αとは異なる値となる。

観測軸のｘ軸６１１を水平面に射影したベクトルと、絶対座標系のＸ軸６０１とのなす角が方位角６０８を表し、その方位角はθに相当していることは先の実施例１と同様である。そのときの観測座標系のｘｙｚ軸６１１〜６１３の各成分は絶対座標系において、先の実施例と同様、各単位ベクトルに下記の回転行列式（４１）を掛け合わせた式で表される。

先の実施例と同様の方法で、地磁気ベクトルとの内積に着目して、展開して整理すると磁気センサ出力と方位角との間の基本的な関係式（４２）が得られる。

この式を連立させて、更に展開すると、方位角を算出するための関係式（４３）が得られる。

上記にも示したが、回転角βはピッチ角β_ｇに等しいが、回転角αはロール角α_ｇとは異なるため、下記の変換式（４４）（４５）を用いる。

以上、より精度良くｘｙｚオフセット値を取得し、更に３軸磁気センサと傾斜センサを用いて、任意の傾斜状態における傾斜補正の計算方法について説明した。具体的には、上式（４３）に回転角βとα、とｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈを代入することによって、方位を算出することが可能となる。なお、ｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈは、ｘｙｚ３次元座標値であるセンサ出力ｘ_Ｓ、ｙ_Ｓ、ｚ_Ｓから、ｘｙｚオフセット値ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを差分することが必要であり、正確なｘ_Ｈ、ｙ_Ｈ、ｚ_Ｈを算出するためには、正確なｘｙｚオフセット値が必要となる。正確なオフセット値を得るためには、本実施例のｘｙｚ３次元座標値が異なる４組のデータを取得する際に、実施例１に示した条件に加え、傾斜角が異なる条件を付加することで、より精度良くｘｙｚオフセット値を取得できることが判る。

上記で傾斜角が異なる条件を付加したのは、先のｘｙｚ３次元系で考えると、球体と任意の平面の交線で形成される円上に４組のデータが存在している場合に相当する。その状態は、通常の利用形態で考えると、ロールα_ｇ角とピッチ角β_ｇの傾斜角が同じ状態で取得された場合に相当している。よって、本実施例の様に傾斜角が異なる条件下で相異なる４組のデータを取得することによって、精度の良いｘｙｚオフセット値を取得することが可能となる。

よって、この場合にもユーザーがその都度キャリブレーションのための操作を行うことなく、自動でキャリブレーションを行い、現状のｘｙｚオフセット値を取得し、このｘｙｚオフセット値を用いて正確な方位を得ることが可能となる。

本発明の第３の実施例について説明を行う。図５は本発明の実施例３の電子方位計のブ
ロック構成を示した図であり、図６はフローチャートを示した図である。

構成は図４と同様であるが、ベクトル量演算装置１８とオフセットＳ_ｈ’記憶装置２０が加えられている。ベクトル量演算装置１８は、地磁気ベクトル量に相当する出力を演算し、以前のベクトル量との比較を行う装置である。また、地磁気ベクトル量演算比較手段（Ｓ２０）は、地磁気に相当する磁気ベクトル量を演算して以前の磁気ベクトル量のデータと比較する手段を示している。さきの実施例１と２では、常にデータの更新を行う様に記載を行ったが、この方法によれば必要なデータのみを記憶させ、必要に応じてそのデータを基に演算してオフセットを取得するということが可能となる。

図６のフローチャートを用いて本発明の実施例３の説明を更に詳細に行う。

まず、さきの実施例２と同様に、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）、傾斜角取得手段（Ｓ４）で傾斜角及びｘｙｚ３次元座標値を取得する。そして、オフセット・Ｓ_ｈ’取得手段（Ｓ６）では、オフセットＳ_ｈ’記憶装置２０に記憶されている以前のｘｙｚオフセット値を読み込む。

次に、地磁気ベクトル量演算比較手段（Ｓ２０）では、得られたｘｙｚ３次元座標値ｘ_ｓ、ｙ_ｓ、ｚ_ｓと読み込んだｘｙｚオフセット値ｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓ、ｚ_ｏｆｆｓを用いて演算を行う。具体的には下記の式（４６）によって演算を行う。

そして、上式（４６）で演算されたＳ_ｈと以前に記憶されていたＳ_ｈ’の比較を行い、以前のＳ_ｈ’の数値と演算された最新のＳ_ｈを比較して許容値より大きいか小さいかを比較判断する。この許容値を比較する具体的な方法としては、例えば下記の様な式（４７）を満たすかどうかで判断することができる。

上記式（４７）により、演算された値が許容値の範囲内であれば、先に取得したｘｙｚオフセット値をそのまま用いれば良く、その後に方位算出手段（Ｓ８）と方位表示手段（Ｓ１０）を引き続き行う。

逆に、上記式（４７）により、以前のＳ_ｈと演算されたＳ_ｈを比較して許容値を越えている場合には、オフセット再取得手段（Ｓ１６）の工程に移行し、傾斜角とｘｙｚ３次元座標値の記憶をデータ記憶手段（Ｓ１２）で開始する。そして、オフセット取得に必要な４組のデータが揃った時点で、データ取得手段（Ｓ１４）によりデータを取り出し、オフセットＳ_ｈ’再取得手段（Ｓ１６）でオフセットの再取得を行う。再取得を行った場合には、そのｘｙｚオフセット値の書き換えを行う必要があり、オフセットＳ_ｈ’記憶手段（Ｓ１８）はオフセット記憶装置２０にデータを書き換える手段を示している。また、新しく取得したｘｙｚオフセット値と、オフセット取得に利用した４組のデータの中のひとつを利用して、Ｓ_ｈ’を演算してオフセットと併せて保存する。

上記のオフセット取得に必要なデータが揃う間は、以前のｘｙｚオフセット値を用いて方位算出手段（Ｓ８）、方位表示手段（Ｓ１０）を行う。場合によっては、方位表示手段（Ｓ１０）において、キャリブレーションが進行中である旨の情報を表示しても良い。その間の方位データは誤差を生じることとなるが、４組のデータを取得するまでの時間は、
さほど多くの時間を必要としないため、実用上大きな問題とはならない。

以上の構成により、常にデータの更新を行う必要がなく、必要なデータのみを記憶させ、そのデータを基に演算してｘｙｚオフセット値を取得するということが可能となる。そして、周辺機器の着磁状態が変化した場合、その後着磁状態が変わらない間に取得された４組のｘｙｚ３次元座標値を用いて、正確なｘｙｚオフセット値を取得することができ、このｘｙｚオフセット値を用いて、真の方位角を得ることができる。

本発明の第４の実施例について説明を行う。図７は第４の本発明の電子方位計のブロック構成を示した図であり、図８は本発明の第４の記録媒体のフローチャートを示した図である。オフセット取得に関する基本的な構成はさきの実施例１〜３と同様であるが、磁気センサが２軸となっており、新たに第３軸地磁気出力取得装置２２が設けられている。本実施例によれば、２軸磁気センサと２軸傾斜センサを用いたより少ない部品構成で、オフセットを自動で取得する効果を得ることができる。

図８のフローチャートを用いて説明を行う。まず、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）では、２軸の磁気センサを用いているので、ｘｙｚ軸から選ばれる２つの磁気センサからの出力を取得する。ここでは、ｘ軸とｙ軸に構成した場合について説明すると、ｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉと２つの磁気センサの出力を取得する。次に傾斜角取得手段（Ｓ４）に移行し、傾斜センサからα_ｇとβ_ｇそれぞれの傾斜角を取得する。

データ記憶手段（Ｓ１２）は、上記で得られたｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉ、α_ｇ、β_ｇをセットにして記憶する手段を示している。データ記憶手段（Ｓ１２）は、連続的にデータを記憶するのではなく、α_ｇとβ_ｇが共に０度、すなわち水平になったときのデータを取得する様にする。

先の実施例１〜３においては、任意の傾斜角度におけるデータの中で相異なる角度となるようにデータを取得し、α_ｇとβ_ｇとがどのような角度でも良かったが、本実施例においては２軸磁気センサとなっているため、この場合は任意の傾斜角度で方位を算出するが、オフセット取得のために用いるデータとしては、水平のデータを利用する。このようにして得られたデータからｘ_ｓｉとｙ_ｓｉを取得して、その中心座標を取得する。この場合には、円の中心座標を求める形になるため、取得するデータは３組で良く、具体的には下記式（４８）（４９）（５０）を用いてオフセットを取得する。

次に行うＳ_ｈ’入手手段（Ｓ２２）では、その測定位置での緯度φと経度λを入手して測定位置に対応する地磁気の磁界量である全地磁気量Ｆを出力し、更にそれに相当する出力値Ｓ_ｈ’を入手する手段を示している。具体的には、日本国内各地の全地磁気量Ｆは、下記の２次式（数９）で近似することができ、緯度φと経度λを代入して、その場所での全地磁気量Ｆを取得する。

上記で得られた全地磁気量Ｆに相当する出力値Ｓ_ｈ’が出力され、第３軸地磁気出力算出手段では、磁気ベクトル取得手段（Ｓ２）で得られたｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉ、オフセット取得手段（Ｓ６）で得られたｘ_ｏｆｆｓ、ｙ_ｏｆｆｓと上記Ｓ_ｈ’入手手段で得られたＳ_ｈ’を用いて第３軸の地磁気に相当する出力値ｚ_Ｈを取得する。具体的には、下記の式（５４）を用いて演算を行う。

上記で得られた第３軸地磁気出力値及び先に取得したｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉ、α_ｇ、β_ｇ、更にはｘ_ｏｆｆｓとｙ_ｏｆｆｓを用いて、方位算出手段（Ｓ８）と方位表示手段（Ｓ１０）を行い、方位を取得する。

以上、磁気センサと傾斜センサがｘ、ｙ、ｚ軸から選ばれるそれぞれ２軸で構成され、２軸方向の各地磁気量に相当する出力値を磁気センサから取得する地磁気出力取得手段（Ｓ１８）と、全地磁気量に相当する磁気センサ出力値Ｓ_ｈ’入手手段（Ｓ１６）及びＳ_ｈ’と、２軸方向の磁気センサの出力から残りの第３軸方向の地磁気量に相当する出力値を取得する第３軸地磁気量取得手段（Ｓ２０）を有する構成を基本構成に加えることにより、方位角θを測定することが可能となる。よって、２軸磁気センサと２軸傾斜センサを用いたより少ない部品構成で、任意の傾斜環境で測定されたデータからオフセットに必要なデータのみを取得することで、オフセットを自動で取得する効果を得ることが可能となる。

本発明の実施例１において、データ取得手段（Ｓ１４）で取得する４組のデータは、許容値を設けてそれを越える様な値を選択するように説明を行ったが、更に、そのとき測定した方位角θが離れているものを選択する方法にしても良い。この場合には、算出した方位角θの値を、再度データ記憶装置８にフィードバックして、相異なる４組の磁気センサ出力を選択する際に、なるべく方位角θが離れているものを選択する機能を更に備えれば、より正確な方位を得ることができる様になる。

また、本発明の実施例１と２において、常にデータを記憶してその都度ｘｙｚオフセット値を取得を行う様に説明を行ったが、それに限定されるものではない。本発明の実施例３の様に、ベクトル量演算装置１８を配置して、ｘｙｚオフセット値が変化したことを検知した場合にオフセット取得手段を実行する様にしても良い。更には、その都度データ記憶をして、ｘｙｚオフセット値を自動的に取得する方法ではなく、ユーザーがオフセットを選択して、必要な時に行える様な構成にしても当然良い。

また、本発明の実施例におけるデータ取得装置１０は、データを取得する際にデータ記憶装置８から４組だけ取得する様に説明を行ったが、４組に限定される訳ではなく、４組以上の複数のデータを取得しても良い。オフセット取得手段（Ｓ６）では、４組のデータでオフセットを取得するが、４組のデータを選定するには４組以上のデータを取り込んだ上で、上記に示した様な許容値演算を行う方法を用いても良い。

また、本発明の第１から第４の実施の形態に示した電子方位計は、ＩＣモジュールを用いた例を挙げて説明を行ったが、それに限定されるものではなく、表示装置、電源を備えて単体で動作する電子方位計でもよい。また、各種電子機器への組み込み用などとしての電子方位計に用いる記録媒体では、磁気センサ４、傾斜センサ６、データ取得装置１０、オフセット取得装置１２、方位算出装置１４、方位表示装置の全てを一つのパッケージにまとめて構成されていることに限定されず、例えばデータ取得、オフセット取得、方位演算の機能は、各種機器側のＣＰＵやマイコンで行っても良い。

本発明の基本構成となる電子方位計のブロック構成を示した図である。（実施例１） 本発明の基本構成となる記録媒体のフローチャートを示した図である。（実施例１） 本発明の電子方位計の他のブロック構成を示した図である。（実施例２） 本発明の他の記録媒体のフローチャートを示した図である。（実施例２） 本発明のさらに他の電子方位計のブロック構成を示した図である。（実施例３） 本発明のさらに他の記録媒体のフローチャートを示した図である。（実施例３） 本発明の更に他の記録媒体のブロック構成を示した図である。（実施例４） 本発明の更に他の記録媒体のフローチャートを示した図である。（実施例４） 絶対座標系ＸＹＺ軸に対する本発明の電子方位計を含む機器（ｘｙｚ軸磁気センサ）の位置構成を示した概念図である。（実施例１） 絶対座標系ＸＹＺ軸に対する本発明の電子方位計を含む機器の位置構成を示した概念図である。（実施例２） 磁気センサ出力を座標軸としたときの、本発明に係る磁気ベクトル、オフセットベクトル、地磁気出力ベクトルの関係を示した図である。 図１３のｘｙｚオフセット値のとき、異なる４組のｘｙｚ３次元座標値の一例を示した図である。 従来技術のオフセット取得法を説明する図である。 ロール角α_ｇが０度一定、ピッチ角β_ｇを０度から６０度まで２０度づつ変化させたときのｘ、ｙ軸磁気センサの出力の関係を示したものである。

符号の説明

２ 電子方位計
４ 磁気センサ部
６ 傾斜センサ部
８ データ記憶装置
１０ データ取得装置
１２ オフセット取得装置
１４ 方位算出装置
１６ 方位表示装置
１８ ベクトル量演算装置
２０ オフセットＳ_ｈ’記憶装置
２２ 第３軸地磁気出力取得装置

Claims (16)

1. ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力値であるｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するｘｙｚ軸に配置された磁気センサと、
   前記磁気センサの測定環境の外的な影響が変化する前に、前記ｘｙｚ軸に配置された各磁気センサの方位と傾斜を変えた際の相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値のデータを利用して、前記外的な影響がない状態での原点位置からのずれ量に相当するｘｙｚオフセット値を取得する機能を有するオフセット取得装置と、
   前記ｘｙｚ３次元座標値と前記ｘｙｚオフセット値を用いて方位を演算する方位演算装置とを備え、
   周辺機器の着磁などの影響によって発生するセンサの前記ｘｙｚオフセット値を取得して、真の方位を得ることができるようにしたことを特徴とする電子方位計。
2. 少なくとも４組以上の前記ｘｙｚ３次元座標値を記憶する機能を有するデータ記憶装置と、
   前記データ記憶装置に記憶された複数個の前記ｘｙｚ３次元座標値から相異なる４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するデータ取得装置とを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子方位計。
3. ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇと、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇに相当する傾斜角の出力を取得する機能を有する傾斜センサを更に備え、
   前記方位演算装置は、前記ｘｙｚ３次元座標値と、前記ｘｙｚオフセット値と、前記ピッチ角と、前記ロール角に基づいて方位を演算する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の電子方位計。
4. 前記少なくとも４組以上のｘｙｚ３次元座標値に相関させて前記傾斜角を記憶する機能を有するデータ記憶装置と、
   前記データ記憶装置に記憶された相異なる４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を取得する機能を有するデータ取得装置とを更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の電子方位計。
5. 前記オフセット取得装置で取得された前記ｘｙｚオフセット値を記憶するオフセット記憶装置を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子方位計。
6. 前記ｘｙｚ３次元座標値と前記オフセット記憶装置に記憶された前記ｘｙｚオフセット値を用いて、地磁気ベクトルに相当する出力を演算する機能を有するベクトル量演算装置を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の電子方位計。
7. 前記方位演算装置で得られた方位を表示する機能を有する方位表示装置を更に備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子方位計。
8. ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力値であるｘｙｚ３次元座標値を磁気センサから取得する磁気ベクトル取得手段と、
   前記磁気センサの測定環境の外的な影響が変化する前に、前記ｘｙｚ軸に配置された各磁気センサの方位と傾斜を変えた際の相異なる４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を用いて前記外的な影響がない状態での原点位置からのずれ量に相当するｘｙｚオフセット値を取得するオフセット取得手段と、
   前記ｘｙｚ３次元座標値と前記ｘｙｚオフセット値を用いて方位を演算する方位演算手段とを備え、
   周辺機器の着磁などの影響によって発生する方位センサの前記ｘｙｚオフセット値を取
   得して、真の方位を得られるように機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
9. 少なくとも４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を記憶するデータ記憶手段と、
   前記データ記憶手段で取得された複数個の前記ｘｙｚ３次元座標値から前記相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値を取得するデータ取得手段と、
   を有することを特徴とする請求項８に記載の記録媒体。
10. ｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇと、ｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇに相当する各傾斜角の出力を取得する傾斜角取得手段を更に備え、
    前記方位演算手段は、前記ｘｙｚ３次元座標値と、前記ｘｙｚオフセット値と、前記ロール角と、前記ピッチ角に基づいて方位を演算する手段であることを特徴とする請求項８に記載の記録媒体。
11. 前記少なくとも４組以上のｘｙｚ３次元座標値に相関させて前記傾斜角を記憶するデータ記憶手段と、
    前記データ記憶手段で記憶された相異なる４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を取得するデータ取得手段と、
    を有することを特徴とする請求項１０に記載の記録媒体。
12. 前記相異なる４組のｘｙｚ３次元座標値は、前記ロール角、前記ピッチ角のいずれかが異なる際に得られる座標値であることを特徴とする請求項１１に記載の記録媒体。
13. 前記データ取得手段は、前記相異なる４組の前記ｘｙｚ３次元座標値から選ばれる少なくとも２組の前記ｘｙｚ３次元座標値（ｘ_ｓｉ、ｙ_ｓｉ、ｚ_ｓｉ）と前記ｘｙｚ３次元座標値（ｘ_ｓｊ、ｙ_ｓｊ、ｚ_ｓｊ）が、予め設定された許容値δ_ｘ、δ_ｙ、δ_ｚに対して、
    

    

    で表される座標値であり、上記の式で表される関係を少なくとも１つ満たす様に４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を取得する手段であることを特徴とする請求項９または１１に記載の記録媒体。
14. 前記データ取得手段は、前記４組のｘｙｚ３次元座標値に相関させて記憶された前記ピッチ角と前記ロール角の少なくとも２組の前記ピッチ角と前記ロール角（α_ｇｉ、β_ｇｉ）と（α_ｇｊ、β_ｇｊ）との関係が、予め設定された許容値λ_α、λ_βに対して、
    

    

    で表される関係を有し、上記の式で表される関係を少なくとも１つ満たす様に４組の前記ｘｙｚ３次元座標値を取得する手段であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の記録媒体。
15. 前記ｘｙｚ３次元座標値と前記ｘｙｚオフセット値を用いて、地磁気に相当する磁気ベクトル量を演算し、ここで得られた前記磁気ベクトル量と、過去に演算した磁気ベクトル量とを比較する磁気ベクトル量演算比較手段と、
    その比較した結果が許容値を超えていると判断された場合に、前記ｘｙｚオフセット値を再演算して二次ｘｙｚオフセット値を取得するオフセット再取得手段と、
    前記二次ｘｙｚオフセット値を記憶するオフセット記憶手段と、
    を有することを特徴とする請求項８から１４のいずれか一項に記載の記録媒体。
16. 前記方位演算手段で得られた方位を表示する機能を有する方位表示手段を更に有することを特徴とする請求項８から１５のいずれか一項に記載の記録媒体。

Images