JP2006194856A - 移動物体の方向検出方法及びそのシステム - Google Patents

移動物体の方向検出方法及びそのシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 一つ以上のマグネティックコンパスの磁場情報及び角度情報を同時に用いて、物体の移動空間における磁場干渉を最小化することで、移動物体の方向を正確に検出する移動物体の方向検出方法及びシステムを提供する。また、移動物体の現在位置が地磁場領域にあるかを判断し、現在位置が地磁場領域にある場合、移動物体に設置された一つ以上のマグネティックコンパスの方位角を移動物体の方向として決定する移動物体の方向検出方法及びシステムを提供する。
【解決手段】 一つ以上のマグネティックコンパスが地磁場領域内に位置するかを判断するために、磁場干渉成分のない一つ以上の地磁場条件を設定する段階;一つ以上のマグネティックコンパスを用いて移動物体に印加された磁場の大きさを計算する段階;計算された磁場の大きさが一つ以上の地磁場条件を満足するかを判断することで、移動物体の方向を検出する段階；を含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マグネティックコンパスを用いた移動物体の方向検出方法及びそのシステムに関するもので、詳しくは、物体の移動空間における磁場干渉を最小化して移動物体の方向を正確に検出する方法及びそのシステムに関するものである。
一般に、ロボットは、多様な産業分野で多様な目的で用いられるが、掃除ロボット、サービスロボットなどの室内で用いられる移動ロボット(以下、移動物体という)の方向検出は、物体の移動を正確に制御するために必要である。
移動物体の方向を検出するセンサには、常に北極に向かう地磁場(ＥＭＦ;Earth Magnetic Field)の方向を用いて、移動物体の方位角、すなわち、絶対的な方向を計算するマグネティックコンパスがある。
このマグネティックコンパスを用いた移動物体の方向検出方法は、非特許文献１で開示されている。
上記の非特許文献１で開示された方法は、図１及び図２に示すように、移動物体１に設置された二つのマグネティックコンパス３から二つの方位角θｃ１，θｃ２を読み取り(Ｓ１０)、二つの方位角θｃ１，θｃ２を互いに比較する(Ｓ１１)。二つの方位角θｃ１，θｃ２が互いに同一である場合、移動物体の位置空間内に磁場干渉がないと判断し、二つの方位角のいずれか一つθｃ１を移動物体１の方向θとして設定する(Ｓ１２)。そうでない場合、Ｓ１０から方位角決定過程が繰り返して行われる。
一方、図３に示すように、物体１の移動空間内には、地磁場(ＥＭＦ)領域の外部に磁場干渉領域が存在するが、マグネティックコンパス３は、磁場干渉領域では移動物体１を北に示すことができない。すなわち、磁場干渉領域では、磁場干渉が引き起こされる。
したがって、二つのマグネティックコンパス３が同一の値を有する場合、その領域で磁場干渉が起こってないと判断することで、移動物体１の方向決定時に重大なエラーを引き起こすことになる。
例えば、磁場干渉領域の磁場干渉の結果として、二つのマグネティックコンパス３が同一の値を有する場合がある。しかしながら、この値は、地磁場の方位角と大いに異なるため、図２の移動物体の方向検出方法は、マグネティックコンパス３から獲得した方位角が地磁場の方位角であるか、磁場干渉による方位角であるかを判断できないという問題点があった。
L．Ojeda and J．Borenstein著、"Experimental results with the KVH C-100 Fluxgate Compass in Mobile Robots、"、Proc．Of IASTED Int．Conf Robotics and Applications、Honolulu、Hawaii、2000年
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、一つ以上のマグネティックコンパスの磁場情報及び角度情報を同時に用いて、物体の移動空間における磁場干渉を最小化することで、移動物体の方向を正確に検出する移動物体の方向検出方法及びそのシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、移動物体の現在位置が地磁場領域にあるかを判断し、現在位置が地磁場領域にある場合、移動物体に設置された一つ以上のマグネティックコンパスの方位角を移動物体の方向として決定する移動物体の方向検出方法及びそのシステムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、一つ以上のマグネティックコンパスが設置された移動物体の方向検出方法において、前記一つ以上のマグネティックコンパスが地磁場領域内に位置するかを判断するために、磁場干渉成分のない一つ以上の地磁場条件を設定する段階と;前記一つ以上のマグネティックコンパスを用いて移動物体に印加された磁場の大きさを計算する段階と;前記計算された磁場の大きさが一つ以上の地磁場条件を満足するかを判断することで、移動物体の方向を検出する段階と；を含むことを特徴とする。
前記一つ以上の地磁場条件を設定する段階は、地磁場領域の複数の位置で前記一つ以上のマグネティックコンパスを回転することで、複数の磁場の水平成分及び垂直成分の軌跡を得る段階と;前記軌跡を正弦波状の曲線に近接させる一つ以上のパラメータを得る段階と;前記一つ以上のパラメータの上限及び下限を得ることで、一つ以上の地磁場条件を計算する段階と；を含むことを特徴とする。
前記一つ以上のパラメータは、正弦波状の曲線に近接した振幅を含むことを特徴とする。
前記一つ以上の地磁場条件は、複数の地磁場条件を含み；前記複数の地磁場条件が前記計算された磁場の大きさによって満足されると、前記一つ以上のマグネティックコンパスのデータが有効であると判断して移動物体の方向を決定し、前記複数の地磁場条件のいずれか一つを満足しないと、前記一つ以上のマグネティックコンパスのデータが無効であると判断することを特徴とする。
前記一つ以上のマグネティックコンパスは、二つ以上のマグネティックコンパスを含むことを特徴とする。
前記複数の地磁場条件は、前記一つ以上のマグネティックコンパスの方位角及び一つ以上のマグネティックコンパスの磁場大きさに比較されるように設定されて式１で定義される第１条件と、前記一つ以上のマグネティックコンパスの磁場大きさの差に比較されるように設定されて式２で定義される第２条件と、から構成されることを特徴とする。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
θは、測定された方位角値である。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
θは、測定された方位角値である。
また、前記計算された磁場の大きさは、一つ以上のマグネティックコンパスを用いて式３によって得られることを特徴とする。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
は、振幅値を示し、Ox, Oyは、オフセット値を示し、rx, ryは、一つ以上のマグネティックコンパスのローデータ値を示し、|HE| は、地磁場の大きさを示している。
また、本発明は、一つ以上のマグネティックコンパスが設置された移動物体の方向検出システムにおいて、前記一つ以上のマグネティックコンパスが地磁場領域に位置するかを判断するために、磁場干渉成分のない一つ以上の地磁場条件を設定する磁場条件設定部と;前記一つ以上のマグネティックコンパスを用いて、移動物体に印加された磁場の大きさを計算する磁場算出部と;前記計算された磁場の大きさが一つ以上の地磁場条件を満足するかを判断し、移動物体の位置が地磁場領域内にあるかを判断する地磁場領域判断部と;前記移動物体の位置が地磁場領域に該当すると、一つ以上のマグネティックコンパスの一つ以上の方位角に基づいて移動物体の方向を決定する方向決定部と；を含むことを特徴とする。
前記磁場条件設定部は、磁場干渉成分が少ないか全くない磁場内の一つ以上の候補位置を選択する候補位置選択部と;前記選択された一つ以上の候補位置で一つ以上のマグネティックコンパスを回転し、水平成分及び垂直成分を有する磁場のローデータの軌跡を得ることで、一つ以上のパラメータを獲得するローデータ獲得部と;前記ローデータの軌跡が正弦波状に近接すると、現在のコンパスの位置を一つ以上の地磁場条件を満足する候補位置として決定し、前記決定結果に基づいて候補位置グループを生成する候補位置決定部と;前記候補位置グループ内の各候補位置で得られた上限及び下限を決定し、一つ以上の地磁場条件を決定する条件獲得部と；を含むことを特徴とする。
前記候補位置決定部は、選択された一つ以上の各候補位置で振幅及びオフセットを互いに比較し、前記比較結果に基づいて特異値を有する一つ以上の候補位置を候補位置グループから除外することを特徴とする。
前記一つ以上のマグネティックコンパスは、二つ以上のマグネティックコンパスを含むことを特徴とする。
前記一つ以上の地磁場条件は、複数の地磁場条件を含み、前記地磁場領域判断部は、磁場の大きさが複数の磁場条件を全て満足する場合、移動物体の位置が磁場干渉成分のない地磁場領域に該当すると判断し、磁場の大きさが複数の磁場条件のいずれか一つを満足しない場合、移動物体の位置が地磁場領域に該当しないと判断することを特徴とする。
本発明による移動物体の方向検出方法及びそのシステムは、コンパスから得られた磁場情報及び角度情報を用いて物体の移動空間における磁場干渉を最小化することで、移動物体の方向を正確に検出できるという効果がある。
また、本発明による移動物体の方向検出方法及びそのシステムは、移動物体の現在位置が地磁場領域にあるかを調査し、移動物体の現在位置が地磁場領域内にあると、マグネティックコンパスの方位角に基づいて移動物体の方向を決定することで、移動物体が自身の現在位置を認識し、かつ、その認識に基づいて自身の移動を制御できるという効果がある。
また、本発明による移動物体の方向検出方法及びそのシステムは、携帯用機器にも適用できるという効果がある。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、複数のマグネティックコンパスを用いて移動物体の方向を正確かつ確実に検出するものである。
図４は、本発明の一実施形態による移動物体の方向検出システムを示したブロック図であって、このシステムは、磁場算出部２１０、磁場比較部２２０、地磁場領域判断部２３０及び方向決定部２４０を含む磁場判断部２００によって構成される。これら磁場算出部２１０、磁場比較部２２０、地磁場領域判断部２３０及び方向決定部２４０は、オンライン磁場判断方法を行う。さらに、このシステムは、磁場条件設定部１００を含む。
前記磁場条件設定部１００は、有効な磁場領域を判断するために磁場大きさの条件を設定するもので、特に、複数のコンパスの有効な磁場領域を判断するために地磁場の条件を決定する。ここで、地磁場の地磁場条件は、移動物体が地磁場領域にあるときに決定される一つ以上の条件を定義する二つ以上の条件(第１磁場条件及び第２磁場条件)を含む。磁場領域は、磁場干渉が少しあるか全くない空間を意味する。また、複数のコンパスは、二つのコンパス(第１コンパス及び第２コンパス)を含む。磁場条件は、複数のコンパスによって制御されるデータから生じた複数のパラメータにしたがって決定される。
前記磁場算出部２１０は、移動物体に設置された複数のコンパスのローデータ(raw data)に基づいて移動物体に印加された磁場の大きさを計算し、磁場比較部２２０は、計算された磁場の大きさが地磁場条件を満足するかどうかを判断する。
前記地磁場領域判断部２３０は、計算された前記磁場の大きさが地磁場条件を満足すると、移動物体が主に地磁場(磁場干渉が少ないか全くない)によって影響を受ける地磁場領域に位置すると判断し、その反面、計算された前記磁場の大きさが地磁場条件を満足しないと、前記地磁場領域判断部２３０は、移動物体が磁場干渉領域に位置すると判断する。ここで、磁場干渉は、地磁場との干渉を引き起こす外部磁場に起因する。また、二つ以上のコンパスが用いられ、計算された二つ以上のコンパスの前記磁場の大きさが地磁場条件を全て満足すると、前記地磁場領域判断部２３０は、磁場干渉が少ないか全くない地磁場によって主に影響を受ける領域(地磁場領域)に移動物体が位置すると判断し、その反面、計算されたコンパスの前記磁場の大きさが地磁場条件のいずれか一つを満足しないと、前記地磁場領域判断部２３０は、磁場干渉によって影響を受ける領域(磁場干渉領域)に移動物体が位置すると判断する。
前記方向決定部２４０は、地磁場領域判断部２３０によって移動物体が地磁場領域に位置すると判断されるか否かに基づいて、複数のコンパスの方位角が有効であるか否かを判断し、移動物体が地磁場領域に位置すると、前記方向決定部２４０は、その方位角を移動物体の方向として設定する。
このように、磁場判断部２００は、複数のコンパス及び他のセンサによって制御されたデータにしたがって有効な方位角を提供できる。
図５は、図４の磁場条件設定部１００を示した図であって、前記磁場条件設定部１００は、候補位置選択部１１０、ローデータ獲得部１２０、候補位置決定部１３０、候補位置排除部１４０及び条件獲得部１５０を含んでいる。
前記候補位置選択部１１０は、磁場干渉が少ないか全くない位置(例えば、壁、柱及び金属から遠く離れた位置)で複数のコンパスを校正するキャリブレーション位置としての候補位置を選択する。前記候補位置選択部１１０は、候補位置グループの各候補位置で対応する磁場に対して複数のコンパスを校正する一つの候補位置グループを選択する。
前記ローデータ獲得部１２０は、現在の候補位置で複数のコンパスまたは複数のコンパスが装着された移動物体を回転し、地磁場の水平成分Ｈｘ及び垂直成分Ｈｙを獲得するためのローデータの軌跡を得る。前記ローデータ獲得部１２０は、複数のコンパスによって収集されたローデータから振幅Ａｘ，Ａｙ及びオフセットＯｘ，Ｏｙを含むキャリブレーションパラメータを得る。
前記候補位置決定部１３０は、収集された前記ローデータの軌跡が正弦波状に近接すると、現在の候補位置が地磁場条件を満足すると判断し、その反面、ローデータの軌跡が正弦波状と著しく異なると、前記候補位置決定部１３０は、候補位置グループ内の他のキャリブレーション位置(現在の候補位置を含まない)の合計を生成する。
前記候補位置排除部１４０は、前記候補位置グループの各候補位置で磁場の振幅及びオフセット(キャリブレーションパラメータ)を互いに比較し、特異値(Outlier points)を有する候補位置を候補位置グループの合計から除外する。ここで、磁場の振幅及びオフセットは、候補位置グループの合計に含まれる各候補位置で９５％の信頼性を有する。
前記条件獲得部１５０は、候補位置グループ内の候補位置で磁場の振幅及びオフセットの上限及び下限
Figure 2006194856
を得て、この得られた上限及び下限に基づいて地磁場条件を決定する。
図６は、本発明の一実施形態による統計的キャリブレーション方法を示したフローチャートであって、統計的キャリブレーション方法は、複数のコンパスのキャリブレーションパラメータを統計的に獲得することで、磁場干渉によるキャリブレーションパラメータの歪曲問題を解決し、このキャリブレーションパラメータは、磁場判断部２００の地磁場条件を判断するのに用いられる。
統計的キャリブレーション方法は、オフラインで行われ、複数のコンパスのキャリブレーションは、振幅及びオフセットを含むキャリブレーションパラメータを獲得するのに用いられる過程である。さらに、キャリブレーションパラメータは、２進ローデータを方位角データに変える換算係数(scale factor)を含む。
図７は、地磁場Ｈを用いて方位角データを得るために用いられるデータ収集過程を示したグラフである。図７に示すように、ｘ、ｙ軸方向に対応する地磁場成分Ｈｘ，Ｈｙに基づく逆正接(arctangent)値は、方位角データを得るために複数のコンパスによって決定される。ここで、地磁場成分Ｈｘ，Ｈｙは、データ収集過程を通して得られたコンパスのローデータｒｘ，ｒｙ(１６ビットシステムで０〜６５５３６の範囲)から計算される。
複数のコンパスのデータ収集過程は、次の三つの段階に分けられる。
（１）複数のコンパスまたは複数のコンパスが装着された移動物体を回転する。
（２）複数のコンパスから３個以上のローデータを獲得する。
（３）獲得したローデータの限界値から換算係数、振幅及びオフセットを計算する。
例えば、ローデータが最小値rmin及び最大値rmaxを有する場合、地磁場成分は、下記の数学式１のように表現される。
Figure 2006194856
ここで、ox、oyは、オフセットを示し、ox=０．５(rxmax+rxmin)、oy=０．５(rymax+rymin)であり、|HE|は、地磁場の大きさを示している。
上記のような従来のキャリブレーション過程を経ると、移動物体の内部の磁場干渉は補償されるが、外部の磁場干渉によるエラーは補償されないため、従来のキャリブレーション過程が行われるとき、正確なキャリブレーションパラメータを得るために、磁場領域(外部の磁場干渉が少ないか全くない領域)内でコンパスが校正されるべきである。
さらに、従来のキャリブレーションは、コンパスによって収集されたローデータが統計的に意味のない特異値である最大値及び最小値を有するとき、磁場干渉の結果として、歪曲されたキャリブレーションパラメータが得られ、結果的に、歪曲された方位角が計算されるという短所がある。
図６に示した統計的キャリブレーション方法は、上記の短所を克服し、かつ、データ収集過程が外部の磁場干渉によって影響を受けないように、磁場干渉が少ないか全くない位置を探索する。また、図６に示した方法は、移動物体が磁場領域にあるかを判断するために、複数の候補位置で収集されたデータの検査によって決定される磁場条件を用いる。すなわち、前記方法は、複数のコンパスによって収集されたローデータが有効であるかどうかを判断するために、磁場領域内で得られたローデータを特徴化する。
まず、磁場干渉が少ないか全くないと予想される場所(例えば、壁、柱及び金属から遠く離れた位置)を、複数のコンパスを校正する候補位置として選択する(Ｓ１００)。
次いで、候補位置が選択されると、複数のコンパスまたは複数のコンパスが装着された移動物体を前記選択された候補位置で一定の速度で回転し、前記選択された候補位置で磁場の水平成分Ｈｘ及び垂直成分Ｈｙを得るために用いられるローデータを獲得し、その獲得されたローデータを保存する(Ｓ１１０)。
保存されたローデータの軌跡は、図８に示すように、近似的に正弦波状を有する。この軌跡から、下記の数学式２-１，２-２に対するカイ二乗カーブフィッティング(Chi-square curve fitting)によってキャリブレーションパラメータ(すなわち、振幅Ａｘ，Ａｙ及びオフセットＯｘ，Ｏｙ)が得られる(Ｓ１２０)。
Figure 2006194856
ここで、ｅｘ(ｔ)及びｅｙ(ｔ)は、速度エラー、モーション追従エラー、測定エラー、チルトエラー及び磁場干渉などのエラーを示し、εｐは、位相エラーを示し、Ａｘ、Ａｙは、振幅を示し、Ｏｘ、Ｏｙは、オフセットを示している。
候補位置グループの各候補位置でカイ二乗カーブフィッティング(Chi-square curve fitting)によって数学式２-１及び２-２のキャリブレーションパラメータを獲得した後、適正公差値(best-fit value)(パラメータの範囲)を計算し、予め設定された閾値と比較する(Ｓ１３０)
適正公差値が予め設定された閾値以下である場合、現在の候補位置が地磁場領域に存在せず、候補位置グループ内に含まれないと判断する。他の候補位置は、Ｓ１８０でチェックされ、対応する適正公差が予め設定された閾値以下であるか否かにしたがって、他の候補位置が候補位置グループ内に含まれるか否かが決定される。
その反面、適正公差値が予め設定された閾値以上である場合、現在の候補位置は、候補位置グループの合計に含められる(Ｓ１４０)。
適正公差値は、ローデータの軌跡がどれほど数学式２-１，２-２の曲線に近接するかを示すもので、この適正公差値が大きいほど、磁場干渉が少なくなる。
次いで、候補位置グループが決定されると、各候補位置では、磁場の振幅及びオフセットを候補位置グループの合計内で互いに比較し、特異値を有する候補位置を候補位置グループの合計から除外する(Ｓ１５０)。ここで、候補位置グループの合計に含まれた候補位置は、９５％の信頼性を有する。
次いで、各振幅及びオフセットのモード、最大値及び最小値は、キャリブレーションパラメータとして判断する(Ｓ１６０)。
そして、候補位置グループの合計内に存在する振幅の上限及び下限
Figure 2006194856
は、地磁場条件を計算するために決定される(Ｓ１７０)。以下、Ｓ１７０を詳しく説明する。
候補位置グループの合計内の各候補位置における磁場のオフセットの間の差が大きくないので、本発明は、オフセットの間の差を考慮せず、各候補位置における磁場の振幅の間の差を基準に述べたが、オフセットの間の差を用いて適用することもできる。
図６に示すように、本発明の統計的キャリブレーション方法は、磁場干渉及び特異値と関連した問題を解決することで、一層正確かつ信頼性のあるキャリブレーションパラメータを提供する。また、統計的キャリブレーション方法が行われるときに得られる統計的分布情報は、複数のマグネティックコンパスの地磁場条件を決定するのに適用される。
しかしながら、複数のマグネティックコンパスのみを用いて方位角が計算されるとき、方位角が地磁場領域で計算されたものであるか、または、磁場干渉領域で計算されたものであるか判断しにくい。そのため、本発明の磁場判断部２００(図４を参照)は、複数のマグネティックコンパスが地磁場領域に位置するか否かを判断するために、地磁場条件を用いて移動物体の方向を決定する。
まず、複数のコンパスを用いてローデータが得られる場合、現在の候補位置における磁場大きさは、下記の数学式３を用いて決定される。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
は、統計的キャリブレーション方法によって得られたキャリブレーションパラメータの振幅である。その反面、上限及び下限を用いると、振幅は、９５％の信頼性を有して下記の数学式４-１，４-２によって表現される。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
は、地磁場領域における振幅の真の値としての未知の値である。ここで、オフセットは、複数のコンパスが校正される候補位置とは関係なしに、ほとんど一定であるため、常数として仮定されて式４-１及び４-２に影響を及ばない。振幅に不確実性が発生する理由は、地磁場領域に磁場干渉が少しあるか、コンパスの回転軸とキャリブレーション運動時の回転軸との差が磁場干渉を増加したか、測定エラー、回転運動追従エラー、底の不均一性などのエラーが存在するためである。この不確実性は、通常、コンパスのｘ軸及びｙ軸に同一に影響を及ぼすので、下記の数学式５が仮定される。
Figure 2006194856
ここで、iは、候補位置グループの合計内におけるキャリブレーション位置のインデックスを意味する。この数学式５から、候補位置グループの合計のｘ、ｙ軸振幅の統計的分布は、次の近似的な線状関係式６によって表現される。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
数学式６と同様に、振幅の真の値も、このような統計的分布に従うと予想されるので、次の数学式７も有効である。
Figure 2006194856
そのため、第１コンパス及び第２コンパスが一つの移動物体に互いに対称的に設置される場合、第１及び第２コンパスからのキャリブレーションパラメータも、数学式６及び数学式７で有効である。したがって、候補グループの合計から計算された第１コンパス及び第２コンパスの振幅の統計的な分布は、下記の数学式８-１，８-２によって表現される。
Figure 2006194856
ここで、αｘ、βｘ、αｙ、βｙは、数学式６のａ、ｂと同じ方式で定義される。これと同様に、各コンパスの真の値も、数学式６の統計的分布に従うと予想されるので、次の関係式９-１，９-２も有効である。
Figure 2006194856
地磁場条件を誘導するために、新しい未知変数
Figure 2006194856
及び安全余裕(safety margin)γｘ，γｙを定義する。すると、前記新しい未知変数及び安全余裕の定義から、下記の数学式１０-１，１０-２が誘導される。
Figure 2006194856
実験の結果に基づくと、安全余裕γｘ，γｙは、０．１〜０．２の間の値になる。
第１地磁場条件は、下記のように得られる。
まず、磁場干渉が少ないか全くない地磁場領域に複数のマグネティックコンパスが位置する場合、数学式３から下記の数学式１１が誘導される。
Figure 2006194856
数学式１１及び数学式３を次の数学式１２のように表現することで、方位角θが得られる。
Figure 2006194856
ここで、方位角θは、コンパスが地磁場領域に位置するとの仮定下で、
Figure 2006194856
と判断される。数学式１２は、数学式１３によって表現される。
Figure 2006194856
数学式１０及び数学式７を数学式１３に適用すると、次の数学式１４が得られる。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
であり、方位角θは、測定値を示している。第１及び第２コンパスが地磁場領域に位置するとき、数学式１４によって示される第１地磁場条件が満足される。
数学式１４は、第１及び第２コンパスに対して有効であるべきである。そのため、このような条件が適用されると、第２地磁場条件は、第１及び第２コンパスの磁場大きさの差に対して次の数学式１５によって得られる。
Figure 2006194856
ここで、
Figure 2006194856
であり、方位角θは、予め設定された値が選択されたときに生成される第１コンパス及び第２コンパスの測定値である。ここで、第１コンパス及び第２コンパスの測定値が互いに異なると、第１条件は満足されない。
以上の地磁場条件を用いて、移動物体が地磁場領域にあるか否かを決定する磁場判断部２００(図４を参照)を、図９で詳しく説明する。
図９は、本発明による移動物体が実質的に磁場干渉のない領域にあるか否かによって移動物体の方向を決定する方法を示したフローチャートであり、特に、図９は、オフラインで獲得した地磁場条件を用いて、移動物体が移動するとき、複数のコンパスからの方位角が有効であるか否かを判断する方法を示している。
もちろん、地磁場条件を満足するとして、常に移動物体が地磁場領域にあるとは判断されないが、本発明の磁場判断部２００(図４を参照)は、地磁場条件に基づいて、一層高い信頼性を有して現在コンパスが地磁場領域に位置するか否かを判断する。
磁場判断部２００は、磁場をオンラインで判断する。
まず、第１及び第２コンパスを用いて実時間でローデータ1rx, 1ry, 2rx, 2ry を収集する(Ｓ２００)。
第１及び第２コンパスから得られたローデータ及びキャリブレーションパラメータは、図６の統計的キャリブレーション方法を用いてオフラインで判断される(Ｓ２０１)。キャリブレーションパラメータは、Ｓ２０１で提供される。数学式３によって第１及び第２コンパスの磁場大きさ |1H|， |2H|を計算し(Ｓ２１０)、第１及び第２コンパスの磁場大きさ|1H|， |2H|が計算されると、数学式１２を用いて第１及び第２コンパスの方位角1θ，2θを計算する(Ｓ２２０)。
前記計算された第１コンパスの方位角1θ、磁場の大きさ|1H|、図６の統計的キャリブレーション方法で得られた振幅の上限及び下限
Figure 2006194856
及びオフセットを用いて(Ｓ２２１)、第１コンパスの方位角1θ及び磁場大きさ|1H|が数学式１４によって得られた第１地磁場条件を満足するか否かを判断する(Ｓ２３０)。もし、第１コンパスの方位角1θ及び磁場の大きさ|1H|が第１地磁場条件を満足すると、計算された第２コンパスの方位角2θ及び磁場大きさ|2H|が数学式１４によって得られた第１地磁場条件を満足するか否かを判断する(Ｓ２４０)。
前記第１コンパス及び第２コンパスの方位角1θ，2θ及び磁場大きさ|1H|， |2H|が第１地磁場条件を満足すると、第１コンパス及び第２コンパスの磁場大きさ|1H|， |2H|の差が得られ、磁場大きさ|1H|， |2H|の間の差が数学式１５によって得られた第２地磁場条件を満足するか否かを判断する(Ｓ２５０)。
前記第１コンパス及び第２コンパスの磁場大きさ|1H|， |2H|の差が第２地磁場条件を満足すると、移動物体の現在位置が地磁場領域内にあると判断し、第１及び第２コンパスの方位角1θ，2θを有効なものとして判断する(Ｓ２６０)。
次いで、前記第１及び第２コンパスの方位角1θ，2θが有効であると判断されると、移動物体の方向は、前記第１及び第２コンパスの方位角1θ，2θを用いて決定される(Ｓ２７０)。
一方、前記第１コンパス及び第２コンパス２の方位角1θ，2θ及び磁場大きさ|1H|， |2H|のいずれか一つが第１地磁場条件を満足しないか、前記第１コンパス及び第２コンパスの磁場大きさ|1H|， |2H|の差が第２地磁場条件を満足しない場合、第１及び第２コンパスが装着された移動物体が磁場干渉領域に位置すると判断し、第１及び第２コンパスの方位角1θ，2θを無効なものとして判断する(Ｓ２８０)。本実施形態では、一つの磁場領域及び磁場干渉領域を述べているが、一つ以上の磁場領域及び磁場干渉領域もあり得る。また、磁場領域は、単純に地磁場と干渉する磁場干渉が少ないか全くない領域をいい、磁場干渉領域は、外部の磁場干渉が実質的に存在する領域をいう。
本発明の実施形態では、第１及び第２地磁場条件を述べて、移動物体の現在位置が地磁場領域にあるか、または、磁場干渉領域にあるかを判断する。さらに、第１及び第２条件だけでなく、他の磁場条件も用いられる。また、本発明の実施形態による磁場判断部は、第１及び第２地磁場条件のいずれか一つを用いて磁場を判断する。
図１０は、本発明の他の実施形態による移動物体の方向検出システムを示したブロック図である。図１０のシステムは、組み合わされたセンサによって得られた情報を用いており、第１及び第２コンパス４１０，４２０と、相対センサであるオドメータ４３０と、ジャイロスコープ４４０と、を含む。第１及び第２コンパス４１０，４２０、オドメータ４３０及びジャイロスコープ４４０は、磁場判断部２００(図４の図面符号２００と同一)が移動物体の方向を正確かつ確実に判断することを助ける。
磁場判断部２００は、第１及び第２コンパス４１０，４２０のデータが有効であるか否かを判断することで、第１及び第２コンパス４１０，４２０の方位角が有効であると判断する。カルマンフィルタ/パーティクルフィルタ４５０は、磁場判断部２００の判断及び組み合わされたセンサ(第１及び第２コンパス４１０，４２０、オドメータ４３０、ジャイロスコープ４４０を含む)によって得られた情報に基づいて移動物体の方向を信頼性よく判断できる。
本発明の実施形態は、マグネティック保存媒体(ＲＯＭｓ、ＲＡＭｓ、フロッピー（登録商標）ディスク、マグネティックテープなど)、光学的可読媒体(ＣＤ-ＲＯＭｓ、ＤＶＤｓなど)及び搬送波(インターネット上の伝送)などの保存媒体を含むが、これに限定されないコンピュータ可読媒体のプログラムを実行することで、コンピュータ内で実現できる。本発明の実施形態は、コンピュータ可読のプログラムコードを有するコンピュータ可読媒体として実現され、ネットワークを通して連結された複数のコンピュータシステムの分散処理を達成できる。
上記の説明は、本発明による移動物体の方向検出方法及びそのシステムを実施するための一つの実施形態に過ぎない。本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を有する者であれば、多様な変形が可能である。
マグネティックコンパスが装着された移動物体を示した斜視図である。 従来の図１に示した移動物体の方向検出方法を示したフローチャートである。 地磁場領域を通過する移動物体の軌跡を示した例示図である。 本発明の一実施形態による移動物体の方向検出システムを示したブロック図である。 図４の磁場条件設定部を示した詳細構成図である。 本発明の一実施形態による統計的キャリブレーション方法を示したフローチャートである。 地磁場Ｈを用いて方位角を得るためのデータ収集過程を示したグラフである。 図６のキャリブレーション方法によって得られたローデータの軌跡図である。 本発明の一実施形態において、移動物体が実質的に磁場干渉のない領域にあるか否かによって移動物体の方向を判断する方法を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態による移動物体の方向検出システムを示したブロック図である。
符号の説明
１００ 磁場条件設定部
２００ 磁場判断部
２１０ 磁場算出部
２２０ 磁場比較部
２３０ 地磁場領域判断部
２４０ 方向決定部

Claims (22)

  1. 一つ以上のマグネティックコンパスが設置された移動物体の方向検出方法において、
    前記一つ以上のマグネティックコンパスが地磁場領域内に位置するかを判断するために、磁場干渉成分のない一つ以上の地磁場条件を設定する段階と;
    前記一つ以上のマグネティックコンパスを用いて移動物体に印加された磁場の大きさを計算する段階と;
    前記計算された磁場の大きさが一つ以上の地磁場条件を満足するかを判断することで、移動物体の方向を検出する段階と；
    を含むことを特徴とする移動物体の方向検出方法。
  2. 前記一つ以上の地磁場条件を設定する段階は、
    地磁場領域の複数の位置で前記一つ以上のマグネティックコンパスを回転することで、複数の磁場の水平成分及び垂直成分の軌跡を得る段階と;
    前記軌跡を正弦波状の曲線に近接させる一つ以上のパラメータを得る段階と;
    前記一つ以上のパラメータの上限及び下限を得ることで、一つ以上の地磁場条件を計算する段階と；を含むことを特徴とする請求項１に記載の移動物体の方向検出方法。
  3. 前記一つ以上のパラメータは、正弦波状の曲線に近接した振幅を含むことを特徴とする請求項２に記載の移動物体の方向検出方法。
  4. 前記一つ以上の地磁場条件は、複数の地磁場条件を含み；
    前記複数の地磁場条件が前記計算された磁場の大きさによって満足されると、前記一つ以上のマグネティックコンパスのデータが有効であると判断して移動物体の方向を決定することを特徴とする請求項２に記載の移動物体の方向検出方法。
  5. 前記一つ以上のマグネティックコンパスは、二つ以上のマグネティックコンパスを含むことを特徴とする請求項４に記載の移動物体の方向検出方法。
  6. 前記複数の地磁場条件のいずれか一つを満足しないと、前記一つ以上のマグネティックコンパスのデータが無効であると判断することを特徴とする請求項４に記載の移動物体の方向検出方法。
  7. 前記複数の地磁場条件は、前記一つ以上のマグネティックコンパスの方位角及び一つ以上のマグネティックコンパスの磁場大きさに比較されるように設定されて式１で定義される第１条件と、前記一つ以上のマグネティックコンパスの磁場大きさの差に比較されるように設定されて式２で定義される第２条件と、から構成されることを特徴とする請求項４に記載の移動物体の方向検出方法。
    Figure 2006194856
     ここで、
    Figure 2006194856
     θは、測定された方位角値である。

    Figure 2006194856
     ここで、
    Figure 2006194856
     θは、測定された方位角値である。
  8. 前記計算された磁場の大きさは、一つ以上のマグネティックコンパスを用いて式３によって得られることを特徴とする請求項１に記載の移動物体の方向検出方法。
    Figure 2006194856
     ここで、
    Figure 2006194856
     は、振幅値を示し、Ox, Oyは、オフセット値を示し、rx, ryは、一つ以上のマグネティックコンパスのローデータ値を示し、|HE| は、地磁場の大きさを示している。
  9. 地磁場領域の複数の位置からキャリブレーション磁場データを収集する段階と、
    前記収集されたキャリブレーション磁場データを特徴化し、現在の地磁場データによって、移動物体が地磁場領域内にあるときに定義される一つ以上の規則を設定する段階と、を含むことを特徴とする移動物体の方向検出方法。
  10. 地磁場領域は、磁場干渉が最小であるか全くない少なくとも一つの空間を含み、キャリブレーション磁場データの収集段階は、
    地磁場領域内の複数の位置を推定する段階と、
    地磁場領域内の複数の位置で複数の磁場を計算する段階と、
    複数の磁場に対応する複数のキャリブレーションパラメータを判断する段階と、
    一つ以上の規則を設定するために、地磁場に近接させるように判断された複数のキャリブレーションパラメータのうち一つを選択する段階と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の移動物体の方向検出方法。
  11. 移動物体に配置された第１コンパスを用いて、第１磁場に対する現在の磁場データを収集する段階と、
    移動物体に配置された第２コンパスを用いて、第２磁場に対する現在の磁場データを収集する段階と、
    第１及び第２磁場の現在の磁場データが一つ以上の規則を満足するかを判断する段階と、
    第１及び第２磁場の現在の磁場データが一つ以上の規則を満足すると判断されると、第１及び第２磁場の現在の磁場データによって移動物体の方向を検出する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の移動物体の方向検出方法。
  12. 前記収集された磁場データを特徴化し、一つ以上の規則を設定する段階は、
    第１及び第２磁場の全ての磁場データによって満足される第１規則を生成する段階と、
    第１及び第２磁場の磁場データ間の差によって満足される第２規則を生成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の移動物体の方向検出方法。
  13. 方向を検出する段階は、第１及び第２コンパスのいずれか一つの方位角を移動物体の方向として設定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の移動物体の方向検出方法。
  14. 移動物体の現在位置で磁場データを収集する段階と、
    前記収集された磁場データが、移動物体が地磁場領域にあるときに定義される一つ以上の所定の規則を満足するかを判断する段階と、
    前記収集された磁場データが一つ以上の所定の規則を満足するとき、前記収集された磁場データによって移動物体の方向を検出する段階と、を含むことを特徴とする移動物体の方向検出方法。
  15. 一つ以上のマグネティックコンパスが設置された移動物体の方向検出システムにおいて、
    前記一つ以上のマグネティックコンパスが地磁場領域に位置するかを判断するために、磁場干渉成分のない一つ以上の地磁場条件を設定する磁場条件設定部と;
    前記一つ以上のマグネティックコンパスを用いて、移動物体に印加された磁場の大きさを計算する磁場算出部と;
    前記計算された磁場の大きさが一つ以上の地磁場条件を満足するかを判断し、移動物体の位置が地磁場領域内にあるかを判断する地磁場領域判断部と;
    前記移動物体の位置が地磁場領域に該当すると、一つ以上のマグネティックコンパスの一つ以上の方位角に基づいて移動物体の方向を決定する方向決定部と；を含むことを特徴とする移動物体の方向検出システム。
  16. 前記磁場条件設定部は、
    磁場干渉成分が少ないか全くない磁場内の一つ以上の候補位置を選択する候補位置選択部と;
    前記選択された一つ以上の候補位置で一つ以上のマグネティックコンパスを回転し、水平成分及び垂直成分を有する磁場のローデータの軌跡を得ることで、一つ以上のパラメータを獲得するローデータ獲得部と;
    前記ローデータの軌跡が正弦波状に近接すると、現在のコンパスの位置を一つ以上の地磁場条件を満足する候補位置として決定し、前記決定結果に基づいて候補位置グループを生成する候補位置決定部と;
    前記候補位置グループ内の各候補位置で得られた上限及び下限を決定し、一つ以上の地磁場条件を決定する条件獲得部と；を含むことを特徴とする請求項１５に記載の移動物体の方向検出システム。
  17. 前記候補位置決定部は、選択された一つ以上の各候補位置で振幅及びオフセットを互いに比較し、前記比較結果に基づいて特異値を有する一つ以上の候補位置を候補位置グループから除外することを特徴とする請求項１６に記載の移動物体の方向検出システム。
  18. 前記一つ以上のマグネティックコンパスは、二つ以上のマグネティックコンパスを含むことを特徴とする請求項１５に記載の移動物体の方向検出システム。
  19. 前記一つ以上の地磁場条件は、複数の地磁場条件を含み、
    前記地磁場領域判断部は、磁場の大きさが複数の磁場条件を全て満足する場合、移動物体の位置が磁場干渉成分のない地磁場領域に該当すると判断し、磁場の大きさが複数の磁場条件のいずれか一つを満足しない場合、移動物体の位置が地磁場領域に該当しないと判断することを特徴とする請求項１５に記載の移動物体の方向検出システム。
  20. 地磁場領域内の複数の位置からキャリブレーション磁場データを収集する磁場算出部と、
    前記収集されたキャリブレーション磁場データを特徴化し、現在の磁場データによって、移動物体が地磁場領域内にあるときに定義される一つ以上の規則を設定する磁場条件設定部と、を含むことを特徴とする移動物体の方向検出システム。
  21. 前記磁場算出部は、移動物体に配置された第１コンパスを用いて第１磁場に対する現在の磁場データを収集し、移動物体に配置された第２コンパスを用いて第２磁場に対する現在の磁場データを収集し、
    第１及び第２磁場の現在の磁場データが前記設定された一つ以上の規則を満足するかを判断する地磁場判断部と、
    第１及び第２磁場の現在の磁場データが前記設定された一つ以上の規則を満足すると判断される場合、第１及び第２磁場の現在の磁場データによって移動物体の方向を決定する方向決定部と、をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の移動物体の方向検出システム。
  22. 移動物体の現在位置で磁場データを収集する磁場算出部と、
    前記収集された磁場データが、移動物体が地磁場領域にあるときに定義される一つ以上の所定の規則を満足するかを決定する磁場比較部と、
    前記収集された磁場データが一つ以上の所定の規則を満足するとき、前記収集された磁場データによって移動物体の方向を検出する方向検出部と、を含むことを特徴とする移動物体の方向検出システム。
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