JP2006275523A - 電子方位装置および記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁場の影響を受ける電子方位装置は、外乱磁場環境下では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、外乱磁場の影響を受けやすい歩行ナビゲーションで使用される携帯情報端末に組み込まれる電子方位装置は、小型化、省電力化が要求され、外乱磁場の影響を排除するための様々な手段を搭載することが困難であり、簡易な構成で外乱磁場の影響を排除することが望まれていた。
【解決手段】２軸の傾斜センサのデータを利用して携帯情報端末の水平方向の姿勢変化を検出し、磁気センサと傾斜センサより算出された方位変化と姿勢変化とを比較し、姿勢変化と方位変化が一致しない場合には方位算出が無効であることを示す、方位判定無効信号を出力する構成および手段を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地磁気を検出する磁気センサを有し、方位を測定する電子方位装置および記録媒体に関するものである。特に、携帯情報端末等に持ち運びを要する機器に組み込むために、機器の傾きによる方位測定誤差を、傾きを検知する傾斜センサを用いて補正する方位測定装置であって、地磁気検出に基づく方位測定の障害となる外乱磁場着磁量の程度によって方位出力を変更する機能を備えた電子方位装置およびその電子方位計に用いる記録媒体に関する。

電子方位装置は、センサなどを用いて電気的に方位を測定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装置を構成する。この磁気センサは、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様になる。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等を利用した歩行ナビゲーション向けの携帯情報端末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。この端末に電子方位装置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装置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、電子方位装置に要求される課題としては、より質、精度の高いもの（より正確に方位を測定すること）が求められていくことは必然である。

しかしながら、磁気センサの周辺機器の着磁の影響で、正確に方位が算出されないことがある。それは、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が、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からである。このオフセットがｘｙｚオフセット値に相当し、磁気センサが３軸にそれぞれ配置されて、それぞれの軸でオフセット量が発生することとなる。よって、その着磁量(以降、この着磁量を外乱磁場着磁量として説明する)に相当する補正を行わないと、地磁気に相当する出力、ひいては正しい方位を取得することが出来なくなる。すなわち、地磁気を利用する電子方位装置では、外乱磁場の検出とそれに基づく補正が必須となる。

この様な地磁気以外の外乱磁場着磁量の変化は、いわゆる静的な外乱磁場着磁量と動的な外乱磁場着磁量が考えられる。この静的な外乱磁場着磁量とは、周辺機器の着磁量が一定、もしくは経過時間に対しゆるやかな変化であると想定したものを指す。そして、動的な外乱磁場着磁量とは、静的な外乱磁場着磁量として保持しているｘｙｚオフセット値よりもはるかに大きい外部磁場着磁量の変化、およびｘｙｚオフセット補正算出に要する時間よりも短時間における外部磁場着磁量の変化のことを指す。

この静的な外乱磁場着磁量に対するｘｙｚオフセット値算出方法には、さまざまな方法が提案されているが、いずれも測定した磁気センサの周辺機器の着磁量をｘｙｚオフセット値として、方位の算出に使用する。そして、統計的手法により時間経過とともに外乱磁
場着磁量を測定し、ｘｙｚオフセット値を変更し、外乱磁場着磁量の変化の影響を少なくするために、外乱磁場変化の影響を可能な限り排除して、検出誤差の補正を高精度で行う装置が開示された（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に示される電子方位装置は、車両に搭載されたものであって、入力磁気ベクトルを検出し、車両の進行方位を検出する一方、入力磁気ベクトルを補正用データとして離散的に所定数収集し、この補正用データに基づいて方位円の原点を算出する構成となっている。そして、統計的手法により所定の収束範囲に入らない場合、収集した補正用データを用いての検出進行方位の補正を禁止する手段を備えることにより、着磁量の変化による検出誤差の補正を自動的に行うことができ、外乱磁気の影響をでき得る限り排除して検出誤差の補正を高精度で行うことが可能となる。

また、動的な外乱磁場着磁量が発生した外乱磁場環境下では、保持しているｘｙｚオフセット値を基にした算出手段で正しい方位算出ができなくなり、この電子方位装置を組み込んだ電子方位装置では正しい方位を表示することができないという問題がある。そのため、速度を考慮した外乱磁場検知による方位補正の方法が開示された（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載の電子方位装置は、複数の検知手段で取得した方位情報の差を、速度で除算した判定値に基づいて判定するものであって、第１の方位関連情報手段で検出される方位角速度を、第２の方位関連情報手段で検出される絶対方位に基づく方位補正値によって補正して演算方位角速度を求め、この演算方位角速度を積分して移動体の絶対方位を表す方位推定値を算出する手段を採用している。そして、この方位推定値と検出絶対方位との差である方位差を移動体の速度によって除算して方位用判定値を求め、この方位用判定値の大小により、方位推定値演算に係わる方位補正値を調整するので、移動体と外乱磁場発生源との相対速度の影響をなくし、高い精度で方位を推定することが出来るようになる。

特許第３５９５０４８号公報 （第１０頁、第１図） 特許第３５０５４９４号公報 （第１４頁、第３図）

しかしながら、上述した特許文献１に示される電子方位装置は、主に車両等に搭載される電子方位装置に用いることができるものであり、外乱磁場着磁量が所定の収束範囲に入らない場合は、その収集した補正用データを使用した方位の補正を禁止することができるが、外部磁場着磁量が所定の収束範囲に入る場合は、たとえば地磁気が指し示す方位と全く逆の方位を出力してしまう場合がある。この電子方位装置を、歩行ナビゲーション等に使用する携帯情報端末へ適用することは可能であるが、この携帯情報端末の使用者に、位置確認、進行方向の判定に不安を与えるものとなってしまい、装置信頼性に欠けたものでしかなかった。

また、特許文献２に示される電子方位装置は、外部磁場発生源との相対速度を正規化することにより、方位測定に影響する外部磁場着磁量の変化を排除しているが、速度を測定するための速度計が必要となる。そのため、車両等に搭載される電子方位装置に用いることは可能であるが、歩行ナビゲーション等に使用する携帯情報端末では、速度計の搭載が不可能であるのでこの用途には用いることができない。

そこで本発明は、上記課題を解決して、歩行ナビゲーション等に使用する携帯情報端末に使用可能であり、歩行環境下において、外乱磁場による不正な方位出力を抑制し、携帯
情報端末が使用者を惑わすような方向指示をしないようにして、装置の信頼性を向上させた電子方位装置およびその電子方位装置に用いる記録媒体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電子方位装置および記録媒体は、基本的に下記記載の手段を採用するものである。

本発明にかかる電子方位装置は、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ｘｙｚ軸に配置された磁気センサ手段と、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手段と、ｘｙｚ３次元座標値と、前述した傾斜角に基づいて第１の方位を演算する方位演算手段と、前述した傾斜角から水平移動成分を抽出して水平移動情報を出力する水平移動情報演算手段と、第１の方位を記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶されている第１の方位と、所定期間後に方位演算手段から出力された第２の方位との差から導き出される方位の変化と、前述した水平移導情報とが一致しないときは、外部磁場環境が変化したものと判定し、方位無効信号を出力する外部磁場環境判定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる電子方位装置は、前述した外部磁場環境判定手段が、第２の方位が有効であるときには、そのまま第２の方位を出力し、第２の方位が無効であるときには、第２の方位を出力せずに、方位無効信号を出力する手段であることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる電子方位装置は、前述した記憶手段が、外部磁場環境判定手段が有効な方位であると判定したときの方位を第３の方位として記憶し、外部磁場環境判定手段が、第２の方位が有効であるときにはそのまま第２の方位を出力し、第２の方位が無効であるときには方位無効信号を出力するとともに、第３の方位を出力する手段であることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる電子方位装置は、前述した記憶手段が、外部磁場環境判定手段が有効な方位であると判定した有効判定時刻を記憶し、外部磁場環境判定手段が、第２の方位が無効であるときには、有効判定時刻と現在時刻の差である方位無効時間とともに方位無効信号を出力する手段であることを特徴とするものである。

本発明の記録媒体は、ｘｙｚ軸に配置された磁気センサ手段により取得される、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力であるｘｙｚ３次元座標値と、傾斜センサ手段により得られる、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に相当する傾斜角とに基づいて第１の方位を演算する方位演算手段と、傾斜角から水平移動成分を抽出して水平移動情報を出力する水平移動情報演算手段と、第１の方位を記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶されている第１の方位と所定期間後に方位演算手段から出力された第２の方位との差から導き出される方位の変化と、水平移動情報とが一致しないときは外部磁場環境が変化したものと判定し、方位無効信号を出力する外部磁場環境判定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の記録媒体は、前述した外部磁場環境判定手段が、第２の方位が有効であるときにはそのまま第２の方位を出力し、第２の方位が無効であるときには第２の方位を出力せずに、方位無効信号を出力する手段であることを特徴とするものである。

また、本発明の記録媒体は、前述した記憶手段が、外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定したときの方位を第３の方位として記憶し、さらに、外部磁場環境判定手段
が、第２の方位が有効であるときにはそのまま第２の方位を出力し、第２の方位が無効であるときには方位無効信号を出力するとともに、第３の方位を出力する手段であることを特徴とするものである。

また、本発明の記録媒体は、前述した記憶手段が、外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定した有効判定時刻を記憶する手段であり、外部磁場環境判定手段が、前述した第２の方位が無効であるときには有効判定時刻と現在時刻の差である方位無効時間とともに方位無効信号を出力する手段であることを特徴とするものである。

本発明の電子方位装置は、傾斜センサを用いて装置の姿勢変化と、磁気センサおよび傾斜センサの出力値より算出した方位変化とを比較することにより、外乱磁場による不正方位の判断し、携帯情報端末における表示手段にて不正な方位の表示を行わないようにすることが可能となる。

特に、本発明の電子方位装置は、歩行ナビゲーション等に使用する携帯情報端末に使用可能であり、歩行環境下において、外乱磁場による不正な方位出力を抑制し、携帯情報端末が使用者を惑わすような方向指示をしないようにして、信頼性を向上させることができる。

以下に、本発明の電子方位装置の構成およびこの電子方位計に用いる記録媒体について詳細に説明する。本発明の電子方位装置およびこの電子方位装置に用いる記録媒体を採用すれば、歩行環境下であっても外乱磁場による不正な方位出力を抑制し、携帯情報端末が使用者を惑わすような方向指示をしないようにすることができる。

まず、本発明の電子方位計の構成と機能について説明をする。図１は本発明の電子方位装置の構成例を示すブロック図である。

本発明の電子方位装置１０１は、ｘｙｚ軸方向の３次元磁気ベクトル１１２を出力する磁気センサ１０２と、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に相当する傾斜角ベクトル１１３を出力する傾斜センサ１０３とを有する。

また、この装置は、前述した３次元磁気ベクトル１１２と、傾斜角ベクトル１１３に基づいて、方位演算手段１０４にて方位１１４を演算し、傾斜センサ１０３の出力する傾斜角ベクトル１１３から水平移動成分を抽出して、水平移動情報演算手段１０５にて水平移動情報１１５を出力するようになっている。なお、この水平移動情報１１５とは、装置の姿勢変化（傾斜センサ１０３から得られる±符号で規定された回転方向）のことを指している。その内容詳細については後段で説明をする。

そして、この水平移動情報１１５と、方位１１４とを、それぞれ記憶手段１０６にて記憶しておき、記憶手段１０６に記憶されている水平移動情報１１５および方位１１４と、所定期間後に方位演算手段１０４から出力された方位１１４とを比較して、外部磁場の程度を判定した上で、外部磁場環境判定手段１０７により、方位判定信号１１７と方位１１８との出力を制御するようになっている。以下に、上述した各構成要件毎にその機能の詳細について説明をする。

上述した磁気センサ１０２は、ｘ、ｙ、ｚ軸の直交した軸上にそれぞれ配置された３本の磁気センサから構成され、３次元磁気ベクトル１１２を出力する機能を有する。この３
次元磁気ベクトル１１２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次元座標値に相当する。なお、この３次元地磁気出力ベクトル１１２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、正規化されたベクトル（ｘ_Ｈ，ｙ_Ｈ，ｚ_Ｈ）を出力するものとする。この様に正規化されたベクトルを出力するためには、各軸の磁気オフセット、および磁気量を、あらかじめキャリブレーション等の方法により記憶しておく必要があるが、本発明ではこの機能についての説明は省略する。

また、傾斜センサ１０３は、磁気センサ１０２のｘ軸と水平面のなすピッチ角β_ｇ、およびｙ軸と水平面のなすロール角α_ｇからなる、傾斜角ベクトル１１３（β_ｇ、α_ｇ）を出力する。傾斜角ベクトル１１３も、磁気センサ１０２と同様、正規化された値とする。この傾斜センサ１０３の構成と作用、およびこれにより出力される傾斜ベクトル１１３の詳細は後述する。

また、方位演算手段１０４は、磁気センサ１０２が出力する３次元磁気ベクトル１１２と、傾斜センサ１０３が出力する傾斜角ベクトル１１３を用いて演算を行い、電子方位装置１０１の方位１１４を出力する。方位１１４の演算は、例えば、以下の手順により行われる。

ｘ軸回転角αは、傾斜角ベクトル１１３を用い、次式（１）より算出される。

また、ｙ軸回転角βは、次式（２）より算出される。

３次元磁気ベクトル１１２とｘ軸回転角α、およびｙ軸回転角βより、電子方位装置１０１の方位１１４（下記の式（３）ではこの方位１１４をθとして示している。）は、次式（３）より算出される。

また、記憶手段１０６は、任意のサンプリング時刻において、方位演算手段１０４から出力された方位１１４を記憶する。また、所定時間（以降、１サンプリング時間）経過後には、方位演算手段１０４から出力された方位１１４でもって、１サンプリング時間前に記憶された情報を上書きして記憶する。

また、水平移動情報演算手段１０５は、傾斜センサ１０３が出力する傾斜角ベクトル１１３を用いて、装置の姿勢変化に相当する水平移動情報１１５を算出して出力する。ここ
で、水平移動情報１１５の具体的な算出方法を、図２〜図９を用いて説明する。図２は、本発明の電子方位装置１０１における水平移動情報演算手段１０５の動作原理を示す図面である。

先に示した傾斜センサ１０３は、例えばｘ軸、ｙ軸の２軸にそれぞれ配置されるものであるが、図２（ｂ）では、傾斜センサ１０３の原理を１軸に注目して模式的に示した。本図面では、角度検出部６０１に錘５０２が懸垂しているとみなし、角度検出部６０１が水平面５０３に対して傾くことにより、角度検出部６０１における錘５０２と角度検出部鉛直方向５０４のなす角φを、傾斜角としている。

そして、図２（ｂ）に示す角度検出部６０１を１回転させたとき、この角度検出部６０１は、図２（ａ）のように軸周りの傾斜角φにしたがって、正弦曲線に沿った出力電圧Ｖを出力する。この様に、本図（ａ）における出力電圧Ｖに基づき、その軸まわりの傾斜角φを求めることができる。例えば、傾斜センサ１０３の１軸が出力電圧Ｖ１を出力したときは、軸周りの傾斜角はφ１またはφ１’と判断することができる。

また、この傾斜センサ１０３に対して、図２（ｃ）に示すように、この角度検出部６０１に水平方向に加速度５０６を与えると、錘５０２は慣性力５０８により、角度検出部６０１と角度検出部鉛直方向５０４のなす角がφ’だけ戻され、水平移動はこのφ’をもって検知することができる。なお、錘５０２の運動方向は、紙面に対し平行な方向に対してのみ抑制されているので、紙面に対し鉛直な方向の運動の加速度に対しては反応しない。

次に、２軸の角度検出部からなる傾斜センサ１０３による、水平移動情報１０５の検出方法を説明する。図３は、本発明の構成をなす傾斜センサ１０３の原理を示した図面である。

傾斜センサ１０３は、図３に示すように、装置のｘ軸と水平面６０３のなす傾斜角（以降、ピッチ角β_ｇ）を検知する角度検出部６０１と、ｙ軸と水平面のなす傾斜角（以降、ロール角α_ｇ）を検知する角度検出部６０２とから構成される。この角度検出部６０１，６０２は、それぞれの傾斜角ごとに、図２（ａ）で説明したように、傾斜角φに応じて正弦曲線に従った出力電圧Ｖを出力する。

ここでは、説明の簡略のために、これら角度検出部６０１，６０２が水平面６０３に置かれている状態、すなわちピッチ角β_ｇおよびロール角α_ｇが０［ラジアン］を出力しているものとする。この状態で、ｘ軸方向に等加速と等減速したときに、角度検出部６０１が出力する傾斜角（ピッチ角β_ｇ）の様子を図４（ａ）に、ｙ軸方向に等加速、等減速したときに、角度検出部６０２が出力する傾斜角（ロール角α_ｇ）の様子を図４（ｂ）に示す。なお、本図面に示すｔｓは、１サンプリング時間を表す。それぞれの軸に、等加減速運動を与えれば、β_０＝α_０となる。

この様に、傾斜センサ１０３を備えた装置が等加速と等減速を繰り返すと、図２に示した動作原理に従って、角度検出部６０２が出力するピッチ角β_ｇは、この図４（ａ）に示す様に、−β_０からβ_０に変化をすることとなる。このとき角度検出部６０１の出力は常にゼロとなる。同様に、角度検出部６０１が出力するロール角α_ｇは、図４（ｂ）に示す様に、α_０から−α_０に変化する。このとき角度検出部６０２の出力は常にゼロとなる。

したがって、この２つの角度検出部６０１，６０２を、図３に示す様に、それぞれ同一平面上に直交して配置をすれば、水平２次元方向の装置の移動を検知することができ、装置が全方位に水平移動した際の判定が可能となることが判る。

次に、傾斜センサ１０３のそれぞれ角度検出部６０１，６０２の中心でない点、例えば図３中の点Ｃを中心として、水平面上の運動方向６０４で示す方向へ回転運動させたときの傾斜センサ１０３の出力について図５、図６を用いて説明する。図５は、本発明の電子方位装置１０１における傾斜センサ１０３により得られる加速度ベクトル８０４を導出する原理を示した図面である。図６は、傾斜センサ１０３を、回転中心Ｃを中心として運動方向６０４（図３参照）に示す方向へ回転運動させたときの、角度検出部６０１，６０２からの一方の出力例を示した図面である。

図５（ａ）に示すように、図示する検知方向を持つ角度検出部６０１を、回転中心Ｃを中心に回転させたとき、角度検出部６０１に懸垂した錘（図２（ｃ）参照）に働く慣性力５０８は、速度ベクトル８０２と速度ベクトル８０３の変化により、図５（ｂ）に示す加速度ベクトル８０４を得ることができ、これを角度検出部６０１で回転角度として出力する。そして、直交配置される他方の角度検出部６０２を持つ傾斜センサ１０３においても同様の原理により加速度ベクトルを出力する。

これら角度検出部６０１，６０２における傾斜センサ１０３からの回転角度の出力に基づき、図６に示す様に、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間に水平方向に電子方位装置１０１が移動を始めたことを検知することが出来る。ここで、β１＜β０、α１＜α０の関係が成り立つのは明らかである。なお、あらかじめ傾斜センサ１０３が傾きを持っており、１サンプリング時間内でその傾きが変わらなければ、図６で示した出力にオフセットが掛かるだけであるので何ら問題は生じない。したがって、この電子方位装置１０１を組込む携帯情報端末の仕様、使い方に応じて、傾きが変わらない程度の１サンプリング時間を設定すれば良い。

次に、２軸の傾きセンサ１０３の出力をもって、回転方向を判別する方法について説明する。図７は、２軸の角度検出部６０１，６０２の配置関係、および回転中心の関係を上部からみたものである。

本図面に示す様に、２軸の角度検出部６０１，６０２は、ｘ軸、ｙ軸に沿って配置されており、その２つの角度検出部６０１，６０２によって決められる４象現における回転中心Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４により、装置が回転した場合を想定することができる。これら回転中心Ｃ１〜Ｃ４における回転方向と、角度検出部６０１，６０２の出力する値の符号との関係は、図８に示す通りである。

図８に示す様に、電子方位装置１０１には８通りの回転を考慮する必要がある。しかしながら、ここで挙げた以外の状況下で回転方向の判定が不可能なことも考えられるが、実際に電子方位装置１０１を携帯情報端末に組み込んで、その端末の使い方を想定した上で上記回転中心を選択することにより、目的の回転方向の判別が可能となる。これを図９を用いて説明する。図９は、携帯情報端末１２０１に本発明の電子方位装置１０１の組み込み方の１つの例を示した図面である。

例えば、本図面に示す携帯情報端末１２０１は、表示手段１２０２、およびキー操作部１２０３を備えた構成となっている。使用者がこの携帯情報端末１２０１における表示手段１２０２を見ながら携帯する場合、この端末は、仮想中心Ｏを中心に回転することとなる。本発明の電子方位装置１０１がこの携帯情報端末１２０１のどこに組み込まれていても、図７に示したＣ３、またはＣ４が回転中心のいずれかに特定できることは容易に推測できよう。そして、この様に、装置の使い方により、図７で示した２つの回転中心Ｃ３，Ｃ４に限定でき、図８に示す符合の組み合わせは４通りに限られる。そして、角度検出部６０１，６０２が出力する値の符号を判定することにより、装置の回転方向を一意に決定することが可能となる。

この様に規定された水平移動情報１１５に相当する回転方向の符号を、先に示した角度検出部６０１，６０２から出力される各回転角度に付して水平移動情報１１５とすることができる。

そして、外部磁場環境判定手段１０７により、任意の時間において出力された方位１１４と、記憶手段１０６に記憶された１サンプリング時間前の方位との差分と、上述した様にして求めた水平移動情報１１５とを比較することで、外部磁場情報（以降、外乱磁場）の有無を検出することができ様になる。そして、外乱磁場を検知した場合には、方位判定信号１１７を通して、方位無効信号を出力することができる。この外部磁場環境判定手段１０７の判定の詳細については、後述する。

次に、図１０のフローチャートを用い、本発明の記録媒体で外乱磁場を検出する手順を説明する。図１０は、本発明の記録媒体に従って行われるフローを示す図面である。

まず、所定のサンプリング時刻になると、方位演算手段１０４は、磁気センサ１０２より３次元磁気ベクトル１１２を読み出し（「磁気センサ読出」ステップ２０１）、さらに傾斜センサ１０３より傾斜角ベクトル１１３を読み出し（「傾きセンサ読出」ステップ２０２）、前述した数１、数２および数３に基づく方位演算を行う（「方位演算」ステップ２０３）。

次に、記憶手段１０６で、方位演算手段１０４が算出した方位を記憶する（「方位を記憶」ステップ２０４）。

次に、水平移動情報演算手段１０５で、傾斜センサ１０３から出力された傾斜角ベクトル１１３を用いて、水平移動情報１１５を算出する（「水平移動情報を算出」ステップ２０５）。この水平移動情報１１５は、傾斜角ベクトル１１３のピッチ角β_ｇ、およびロール角α_ｇの各値の符号の組み合わせにより、時計回り方向、または反時計回り方向のどちらかに決められる。この水平移動情報１１５は、装置の姿勢変化に読み替えることができる。

次に、外部磁場環境判定手段１０７で、記憶手段１０６より前回のサンプリング時刻に記憶された方位と、方位演算手段１０４より算出された今回の方位の差分と、ステップ２０５で得た水平移動情報１１５とを比較する（「前回の水平移動情報と方位変化を比較」ステップ２０６）。この方位の差分は、装置の方位変化に読み替えることができる。

次に、水平移動情報１１５に相当する姿勢変化と、方位の差に相当する方位変化とを比較して（「姿勢変化が一致」ステップ２０７）、双方の姿勢変化方向が一致した場合には、方位１１８を出力し（「方位を出力」ステップ２０８）、一致しない場合には、方位判定信号１１７を通して方位無効信号を出力する(「方位無効信号を出力」ステップ２０９)。

次に、上記フローにより得られる信号について説明をする。図１１は、本発明の電子方位装置１０１により得られる各信号の１つの出力例を示した図面である。

本発明の電子方位装置１０１の出力する方位は、図１１（ａ）で示すように、磁北を０度とし、時計回りを正とする方位を出力する。そして、任意の時刻ｔ０〜ｔ１において、図１１（ｂ）に示すように、傾斜センサ１０３でピッチ角β_ｇ、ロール角α_ｇの出力があるとき、前述した携帯情報端末に本発明の電子方位装置１０１を搭載した例（図９参照）より、電子方位装置１０１は、時計回り、すなわち正方向の姿勢変化が推定できるが、こ
のときの磁気センサ１０２より取得した方位は、反時計回り、すなわち負方向への方位変化を検知したとする。つまり、このときは、姿勢変化と方位変化とが一致していないと判断することができる。したがって、この様に姿勢変化と方位変化とが一致しないときには、外部磁場環境判定手段１０７で、外乱磁場が方位算出を狂わせたもの判断して、無効の方位判定信号１１７を出力する。

また、時刻ｔ２において方位変化が正方向に転換したときに、傾斜センサ１０３による姿勢変化の転換と、地磁気測定による方位変化の転換が一致したと判断して、外部磁場環境判定手段１０７からの無効の方位判定信号１１７の出力を停止する。

この様に構成された本発明の電子方位装置１０１は、傾斜センサ１０３を用いて電子方位装置１０１の水平移動情報１１５に基づく姿勢変化を検出し、この姿勢変化と、磁気センサ１０２および傾斜センサ１０３の出力値より算出した方位変化とを比較することにより、外乱磁場による不正方位の算出を判断することができる。そして、この様なプログラムを用いることで、携帯情報端末１２０１において表示手段１２０２にて不正な方位の表示を行わないようにすることが可能となる。さらに傾斜センサ１０３のみを用いることにより、歩行ナビゲーションに最適な携帯情報端末１２０１の小型化、および省電力化を実現することが可能となる。

ここで、本発明の電子方位装置１０１、および記録媒体が、特に歩行ナビゲーション等に好ましく形態である理由について説明をする。
歩行ナビゲーション等に使用する携帯情報端末（以下、歩行ナビ携帯端末と示す）に用いられる電子方位装置は、車両等に搭載される電子方位装置（以下、車両方位装置と示す）とは異なる特有の外部磁気環境を考慮して方位を決めなければならない。

例えば、車両方位装置は、各電子部品を限られたスペースに集約して搭載する必要がないため、外乱磁場の発生源が磁気センサに接近しない形態とすることが容易にできる。そのため、外乱磁場が方位測定に与える影響を極力少なくすることが可能となる。

一方、歩行ナビ携帯端末は、携帯性向上のために小型としており、周辺機器の実装密度が高く、必然的に外乱磁場発生源が磁気センサに近接した形態となる。またこの歩行ナビ携帯端末は、人が携帯するため、外乱磁場発生源に接近することとなり、外乱磁場が方位測定に与える影響が特に大きくなる傾向がある。

また、歩行ナビ携帯端末と車両方位装置とでは、その移動経路においても大きな違いがある。
車両方位装置においては、車道を走行することが前提で、急激な姿勢、例えば瞬時の逆方向転換のような進行方向の変化はない。そのため、大きな外乱磁場変化があっても、それに追従して瞬時に方位を再演算する必要はなく、速度計、ジャイロなどの補間手段を新たに設けて、必要に応じて外乱磁場による影響を排除すれば良い。

一方、歩行ナビ携帯端末は、端末を携行した使用者が、車両が通行できないような狭く、入り組んだ道を歩くことが想定され、また車両等の障害物を避けて移動しなければならない。例えば障害物回避のために、この使用者が一時、進路とは逆方向への進行の可能性もあり、逐次進行方向が変化することもある。また上記に述べたように、歩行ナビ携帯端末は、外乱磁場発生源に接近することも多く、外乱磁場が方位測定に与える影響が大きくなる。

さらに、歩行ナビ携帯端末においては、電子方位装置と外乱磁場発生源の相対速度は、車両に搭載された場合に比較して小さい。
外乱磁場発生源との相対速度が大きい場合（車両方位装置に搭載される電子方位装置）は、外乱磁場変化による検知情報の乱れる時間は短いので、方位測定に与える影響は小さい。しかしながら、外乱磁場発生源との相対速度が小さい場合（歩行ナビ携帯端末に搭載される電子方位装置）は、外乱磁場が方位測定に与える時間が長く、方位測定に与える影響が大きくなる。

上述した様々な歩行ナビ携帯端末にまつわる問題点に対して本発明の電子方位装置１０１は、例え端末に外乱磁場による影響があったとしても、不正な方位の表示を行わないようにして、使用者の位置確認、進行方向の判定に不安を与えない形態とすることができ、使用者の装置に対する信頼性を向上させることができる。

この様な、歩行ナビ携帯端末が、特有の不正な方位を出力する例として、例えば鉄道の駅がある。大きな外乱磁場発生源である電動車両に接近、および乗車時には、巨大な外乱磁場変動を受け、方位測定どころか出力方位が回転し続けるという現象が起こるが、本発明の電子方位装置１０１は、この様な影響下であっても、不正な方位の表示を行わないようにして、使用者の位置確認、進行方向の判定に不安を与えない形態とすることができ、装置の信頼性を向上させることができる。

なお、上述した電子方位装置１０１における磁気センサ１０２、および傾斜センサ１０３から得られる信号を受けて、方位演算手段１０４、水平移動情報演算手段１０５、外部磁場環境判定手段１０７の機能を備えたＣＰＵ内で演算処理をして、このＣＰＵから方位判定信号１１７と方位１１８を出力する様にしても構わない。なお、方位演算手段１０４により導出された方位１１４を記憶する記憶手段１０６は、このＣＰＵ内に備えた構成としても構わないし、別途ＲＯＭを設けても良い。

次に、本発明の電子方位装置の他の構成例を図１２を用いて説明する。図１２は本発明の電子方位装置の他の構成例を示すブロック図である。

本発明の電子方位装置３０１は、実施例１における電子方位装置１０１（図１参照）の外部磁場環境判定手段１０７に代えて、外部磁場環境判定出力制御手段３０２を備えている。他の構成および機能は、実施例１で示した電子方位装置１０１と同じであるので、各構成要件に係る説明は省略する。

本実施例に示す電子方位装置３０１は、前述した実施例１に説明したと同じ様に外部磁場の判定を行い、その後、図１２に示す外部磁場環境判定出力制御手段３０２で、方位１１４が有効であると判定した場合には、それと同じ方位１１８を出力するとともに、その方位１１４を記憶手段１０６に記憶する。そして、方位１１４が無効であると判定した場合には、前回、方位が有効であると判定した時に記憶手段１０６に記憶した方位を出力するとともに、方位無効信号１１７を出力するものである。

この様に構成された本実施例における電子方位装置３０１は、実施例１で示した効果に加えて、下記記載の用途に適用できる様になる。

たとえば、本実施例における電子方位装置３０１は、携帯端末上に地図表示をしながらナビゲーションを行うアプリケーションソフトウェアで、方位１１４が有効である時には、出力された方位１１８と一致するように地図を表示して進路を指し示すことができ、方位１１４が無効である時には、記憶している直近の有効な方位と一致するように地図を表示し続けて、使用者に方位を見失うことによる不安感を与えないことが可能となる。

次に、本発明の電子方位装置のさらに他の構成例を図１３を用いて説明する。図１３は本発明のさらに他の電子方位装置の構成例を示すブロック図である。
本実施例における電子方位装置４０１は、実施例２に示した電子方位装置３０１に、さらに計時手段４０２が付加された構成となっている。他の構成は、実施例２と同じであるので、ここでの説明は割愛する。

本実施例に示す電子方位装置４０１は、前述した実施例１，２に説明したと同じ様に外部磁場の判定を行い、その後、図１３に示す外部磁場環境判定出力制御手段３０１で、方位１１４が有効であると判定した場合には、計時手段４０２により時刻を読み出し、時刻を記憶するとともに方位１１８を出力する。もし、この方位１１４が無効であると判定した場合には、計時手段４０２より時刻を読み出し、前回、方位が有効であると判定した時に記憶手段１０６に記憶した時刻との差を算出して、方位無効時間を得て、この方位無効時間を出力するとともに、方位無効信号１１７を出力するものである。

この様に構成された本実施例における電子方位装置４０１は、実施例１、実施例２で示した効果に加えて、下記記載の用途に適用できる様になる。

たとえば、本実施例における電子方位装置４０１は、携帯端末上に地図表示をしながらナビゲーションを行うアプリケーションソフトウェアで、方位１１４が有効である時には、出力された方位１１８と一致するように地図を表示して進路を指し示すことができ、方位１１４が無効である時には、出力された方位無効時間を基にナビゲーションの有効性についての判定を行い、所定時間が経過した場合に使用者に注意を促すことが可能となる。

本発明の電子方位装置のブロック構成例を示す図面である。 本発明の電子方位装置における水平移動情報演算手段の動作原理を示す図面である。 本発明の電子方位装置に備える傾斜センサの原理を示す図面である。 本発明の電子方位装置に備える傾斜センサの出力例を示す図面である。 本発明の電子方位装置における傾斜センサにより得られる加速度ベクトルを導出する原理を示す図面である。 本発明の電子方位装置を図３に示した回転中心Ｃを中心として運動方向に示す方向へ回転運動させたときの、傾斜センサからの一方の出力例を示す図面である。 本発明の電子方位装置に備える２軸の傾斜センサの配置関係と、電子方位装置の回転中心の関係を示す図面である。 本発明の電子方位装置に備える傾斜センサの出力例を示す図面である。 本発明の電子方位装置を携帯情報端末に搭載した例を示す図面である。 本発明の電子方位装置で行う方位測定の手順を示すフローチャートである。 本発明の電子方位装置における出力例を示す図面である。 本発明の電子方位装置の他の構成例を示す図面である。 本発明の電子方位装置のさらに他の構成例を示す図面である。

符号の説明

１０１ 電子方位装置
１０２ 磁気センサ
１０３ 傾斜センサ
１０４ 方位演算手段
１０５ 水平移動情報演算手段
１０６ 記憶手段
１０７ 外部磁場環境判定手段
１１２ ３次元磁気ベクトル
１１３ 傾斜角ベクトル
１１４ 方位
１１５ 水平移動情報
１１７ 方位判定信号
１１８ 方位
３０１ 電子方位装置
３０２ 外部磁場環境判定出力制御手段
４０１ 電子方位装置
４０２ 計時手段
５０２ 錘
５０３ 水平面
５０４ 角度検出部鉛直方向
５０６ 加速度
５０８ 慣性力
６０１，６０２ 角度検出部
６０３ 水平面
６０４ 運動方向
８０２，８０３ 速度ベクトル
８０４ 加速度ベクトル
１２０１ 情報携帯端末
１２０２ 表示手段
１２０３ キー操作部

Claims (8)

1. 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ｘｙｚ軸に配置された磁気センサ手段と、
   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手段と、
   前記ｘｙｚ３次元座標値と、前記傾斜角に基づいて第１の方位を演算する方位演算手段と、
   前記傾斜角から水平移動成分を抽出し、水平移動情報を出力する水平移動情報演算手段と、
   前記第１の方位を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶されている前記第１の方位と、所定期間後に前記方位演算手段から出力された第２の方位との差から導き出される方位の変化と、前記水平移動情報とが一致しないときは、外部磁場環境が変化したものと判定し、方位無効信号を出力する外部磁場環境判定手段と、
   を備えることを特徴とする電子方位装置。
2. 前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が有効であるときには、そのまま前記第２の方位を出力し、前記第２の方位が無効であるときには、前記第２の方位を出力せずに、前記方位無効信号を出力する手段であることを特徴とする請求項１に記載の電子方位装置。
3. 前記記憶手段は、前記外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定したときの方位を第３の方位として記憶する手段であり、
   前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が有効であるときには、そのまま前記第２の方位を出力し、前記第２の方位が無効であるときには、前記方位無効信号を出力するとともに、前記第３の方位を出力する手段であることを特徴とする請求項１に記載の電子方位装置。
4. 前記記憶手段は、さらに前記外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定した有効判定時刻を記憶する機能を有し、
   前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が無効であるときには、前記有効判定時刻と現在時刻の差である方位無効時間とともに前記方位無効信号を出力する手段であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子方位装置。
5. ｘｙｚ軸に配置された磁気センサ手段により取得される、ｘｙｚ軸方向の磁気ベクトルに相当する出力であるｘｙｚ３次元座標値と、傾斜センサ手段により得られる、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に相当する傾斜角とに基づいて第１の方位を演算する方位演算手段と、
   前記傾斜角から水平移動成分を抽出して、水平移動情報を出力する水平移動情報演算手段と、
   前記第１の方位を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶されている前記第１の方位と所定期間後に前記方位演算手段から出力された第２の方位との差から導き出される方位の変化と、前記水平移動情報とが一致しないときは、外部磁場環境が変化したものと判定し、方位無効信号を出力する外部磁場環境判定手段と、
   を備えることを特徴とする記録媒体。
6. 前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が有効であるときには、そのまま前記第２の方位を出力し、前記第２の方位が無効であるときには、前記第２の方位を出力せずに
   、前記方位無効信号を出力する手段であることを特徴とする請求項５に記載の記録媒体。
7. 前記記憶手段は、さらに前記外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定したときの方位を第３の方位として記憶する手段であり、
   前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が有効であるときには、そのまま前記第２の方位を出力し、前記第２の方位が無効であるときには、前記方位無効信号を出力するとともに、前記第３の方位を出力する手段であることを特徴とする請求項５に記載の記録媒体。
8. 前記記憶手段は、さらに前記外部磁場環境判定手段で有効な方位であると判定した有効判定時刻を記憶する手段であり、
   前記外部磁場環境判定手段は、前記第２の方位が無効であるときには、前記有効判定時刻と現在時刻の差である方位無効時間とともに前記方位無効信号を出力する手段であることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の記録媒体。

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