JP2011185861A - Geomagnetism detector - Google Patents

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幸光 山田
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希世 廣部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a geomagnetism detector for highly accurately calculating a rotating position and angular velocity with noises removed by using a triaxial sensor for detecting geomagnetism. <P>SOLUTION: A coordinate point of a geomagnetism vector is computed based on detection outputs from three magnetic sensors for detecting the geomagnetic vector. If next coordinate point data D3 are contained in an area A1 of a radius r1 centering on an extension L1, the area A1 containing coordinate point data D1 and D2 computed, the data are extracted as normal coordinate point data while coordinate point data falling outside the area A1 are ignored as noise. By using a plurality of sets of normal coordinate point data, a locus circle along which coordinate point data move is found to determine the motion of the geomagnetic detector. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、直交する3方向のそれぞれに向けられた磁気センサで地磁気を検知する地磁気検知装置に係り、特に磁気センサを搭載した磁気検知部が三次元空間内で回動したときに、その回転運動を知ることができる地磁気検知装置に関する。   The present invention relates to a geomagnetism detection device that detects geomagnetism with magnetic sensors directed in three orthogonal directions, and in particular, when a magnetic detection unit equipped with a magnetic sensor is rotated in a three-dimensional space, the rotation is performed. The present invention relates to a geomagnetic detection device that can know the movement.

互いに直交する3方向の磁界強度を検知する3軸の磁気センサを使用して地磁気を検知する地磁気検知装置は、方位検出装置、回転検出装置、姿勢検知装置などとして使用されている。   A geomagnetism detection device that detects geomagnetism using a triaxial magnetic sensor that detects magnetic field strengths in three directions orthogonal to each other is used as an orientation detection device, a rotation detection device, an attitude detection device, and the like.

特許文献1に記載された磁気式ジャイロは、3軸直交座標上に配置された地磁気を検知する3軸磁気センサを有している。この磁気式ジャイロは、三次元空間内で回転させたときに、3軸の出力データを用いて異なる2時点間の差分ベクトルを求め、その差分ベクトルが予め決められたしきい値よりも小さくなるか否かを判定して、3軸のうちのどの軸を中心として回転しているのかを特定するというものである。   The magnetic gyro described in Patent Document 1 has a three-axis magnetic sensor that detects geomagnetism arranged on three-axis orthogonal coordinates. When this magnetic gyroscope is rotated in a three-dimensional space, a difference vector between two different time points is obtained using output data of three axes, and the difference vector becomes smaller than a predetermined threshold value. It is determined whether or not one of the three axes is rotating as a center.

特許文献1に記載された磁気式ジャイロは、磁気センサの向きで決められた3軸のいずれの軸を中心として回転したときに、回転状態を検知することができるが、前記3軸以外の軸を中心として回転させたときには回転軸を認識できなくなり、どの回転平面内で回転しているのかを特定できなくなる。つまり、特許文献1に記載された1個の磁気式ジャイロだけで、三次元空間内の任意の軸を中心として回転させたときの角速度を検知できない。   The magnetic gyro described in Patent Document 1 can detect the rotation state when rotating around any of the three axes determined by the orientation of the magnetic sensor. When it is rotated about the rotation axis, the rotation axis cannot be recognized, and it cannot be specified in which rotation plane it is rotating. That is, the angular velocity when rotating around an arbitrary axis in the three-dimensional space cannot be detected with only one magnetic gyro described in Patent Document 1.

特許文献2には、飛行機などに搭載される姿勢センサが開示されている。この姿勢センサは、地磁気検知装置を有しているとともに、負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられている。飛行機などとともに姿勢センサが傾いたときに、力検出装置の検知出力により重力の方向に対する傾きを検出し、地磁気検知装置で得られる方位出力を、力検出装置で得られた傾き姿勢に関する情報を用いて修正するというものである。   Patent Document 2 discloses an attitude sensor mounted on an airplane or the like. This attitude sensor has a geomagnetic detection device, and is provided with a load weight and a force detection device that detects gravity acting on the load weight. When the attitude sensor is tilted with an airplane, etc., the inclination with respect to the direction of gravity is detected by the detection output of the force detection device, and the azimuth output obtained by the geomagnetic detection device is used as information on the inclination posture obtained by the force detection device. To correct.

特許文献2に記載された姿勢センサは、地磁気検知装置のみならず負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられているために、装置が大きくまた重くなり、例えば携帯用の小型機器などに搭載することが難しい。   Since the posture sensor described in Patent Document 2 includes not only a geomagnetic detection device but also a load weight and a force detection device that detects the gravity acting on the load weight, the device becomes large and heavy. It is difficult to install in small equipment for the purpose.

特許文献3に記載された3軸姿勢検出装置は、目的物体の姿勢を検出するものであるが、3方向の検出が可能な磁気センサと、3方向の検出が可能なジャイロセンサの双方が搭載されている。そのため、携帯用の小型機器などに搭載するのに適しておらず、また、磁気センサとジャイロセンサの双方を搭載しているため、消費電力が多くなる欠点を有している。   The three-axis attitude detection device described in Patent Document 3 detects the attitude of a target object, and is equipped with both a magnetic sensor capable of detecting in three directions and a gyro sensor capable of detecting in three directions. Has been. For this reason, it is not suitable for mounting on a portable small device or the like, and both the magnetic sensor and the gyro sensor are mounted.

また、磁気センサによって微弱な地磁気を検知する際に、検知出力にノイズが重畳するのを避けることができない。特許文献1ないし3に記載の地磁気検知装置は、検知した地磁気を利用する手段が開示されているが、ノイズについてどのように対処するかについては記載されていない。   In addition, when weak geomagnetism is detected by the magnetic sensor, it is inevitable that noise is superimposed on the detection output. The geomagnetism detection devices described in Patent Documents 1 to 3 disclose means for using the detected geomagnetism, but do not describe how to deal with noise.

特開2008−224642号公報JP 2008-224642 A 特開平2−238336号公報JP-A-2-238336 特開平11−248456号公報JP 11-248456 A

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、直交する3軸方向に向く磁気センサで地磁気を検知するものであり、磁気センサの検知出力から、回転運動の軌跡を特定することができる地磁気検知装置を提供することを目的としている。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, detects geomagnetism with a magnetic sensor oriented in three orthogonal axes, and can identify the locus of rotational motion from the detection output of the magnetic sensor. The object is to provide a detection device.

また本発明は、磁気センサの検知ノイズの影響を最少限にでき、回転運動の軌跡の演算誤差を少なくできる地磁気検知装置を提供することを目的としている。   Another object of the present invention is to provide a geomagnetism detection device that can minimize the influence of detection noise of the magnetic sensor and reduce the calculation error of the locus of rotational movement.

本発明は、互いに直交するX方向とY方向およびZ方向が基準方向として決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、X方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるX軸センサと、Y方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるY軸センサ、およびZ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるZ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、前記X軸センサと前記Y軸センサおよび前記Z軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
前記演算部は、前記検知出力から求められる地磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データに変換し、2つの座標点データを結ぶ延長線を中心として、その周囲の一定の範囲内に入った座標点データを次に得られた正規の座標点データとし、これを繰り返して得られた複数の正規の座標点データから、前記座標点データが移動する軌跡円を求めることを特徴とするものである。
The present invention includes a magnetic detection unit in which the X direction, the Y direction, and the Z direction orthogonal to each other are determined as reference directions, and a calculation unit.
An X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction is directed to the geomagnetism direction and the absolute value of the detection output when the Y direction is directed to the geomagnetism direction. Is mounted as a Y-axis sensor having a maximum value, and a Z-axis sensor having a maximum detection output when the Z direction is directed in the direction of geomagnetism. It is rotatable in a three-dimensional direction while maintaining the orthogonal relationship between the Y-axis sensor and the Z-axis sensor,
The arithmetic unit converts the direction of the geomagnetic vector obtained from the detection output into coordinate point data on three-dimensional coordinates, and enters an area around the extension line connecting the two coordinate point data. The obtained coordinate point data is used as normal coordinate point data obtained next, and a trajectory circle along which the coordinate point data moves is obtained from a plurality of normal coordinate point data obtained by repeating this. It is.

本発明は、X軸センサとY軸センサおよびZ軸センサの検知出力によって特定される地磁気ベクトルの情報を三次元座標上の座標点データとして複数個取得し、複数の座標点データを用いて、座標点データが移動する軌跡円を演算している。よって、磁気検知部が任意の回転動作を行ったときに、絶対的な回転運動を求めることが可能である。   The present invention acquires a plurality of pieces of information on geomagnetic vectors specified by detection outputs of the X-axis sensor, the Y-axis sensor, and the Z-axis sensor as coordinate point data on three-dimensional coordinates, and uses the plurality of coordinate point data, The locus circle along which the coordinate point data moves is calculated. Therefore, it is possible to obtain an absolute rotational motion when the magnetic detection unit performs an arbitrary rotational operation.

また、継続して得られる座標点データのうち軌跡から大きく外れていると判断される座標点データを演算から除外しているので、ノイズなどの影響を最少限にできる。   Further, since coordinate point data determined to be greatly deviated from the locus is excluded from the calculation among coordinate point data obtained continuously, the influence of noise and the like can be minimized.

すなわち、本発明は、前記範囲内から外れた座標点データはノイズとして無視し、その後に前記範囲内の座標点データが得られたときは、その座標点データを正規の座標点データと判断するものである。   That is, the present invention ignores the coordinate point data out of the range as noise, and when the coordinate point data within the range is obtained thereafter, the coordinate point data is determined as the normal coordinate point data. Is.

本願発明は、前記軌跡円が特定されているときに、複数の正規の座標点データの、軌跡円の中心からの開き角度と、前記座標点データが得られた時間とから移動角速度を求めることができる。   When the locus circle is specified, the present invention finds the moving angular velocity from the opening angle of the plurality of regular coordinate point data from the center of the locus circle and the time when the coordinate point data is obtained. Can do.

上記のように、磁気検知部を空間内で自由に回転させたときに、その運動の角速度を正確に知ることができる。さらに、本発明は、算出された角速度を前記時間で微分して角加速度を求めることも可能である。   As described above, when the magnetic detection unit is freely rotated in the space, the angular velocity of the movement can be accurately known. Further, according to the present invention, the angular acceleration can be obtained by differentiating the calculated angular velocity with respect to the time.

本発明は、前記範囲内から外れた座標点データが所定数となったときに、前記軌跡円の設定を解消し、その後に得られた座標点データから新たな軌跡円を演算することが可能である。   The present invention can cancel the setting of the trajectory circle and calculate a new trajectory circle from the obtained coordinate point data when the number of coordinate point data out of the range reaches a predetermined number. It is.

上記の演算では、軌跡円の半径が大きく変化したときに、その変化に追従した演算を行うことができる。   In the above calculation, when the radius of the trajectory circle changes greatly, an operation following the change can be performed.

例えば、本発明は、前記延長線上で一定の半径の円に入ったものを正規の座標点データとするものである。   For example, according to the present invention, data in a circle with a certain radius on the extension line is used as normal coordinate point data.

あるいは、本発明は、先に得られた座標点データから前記延長線上のある時点までの距離Lと、その時点での前記延長線からの半径Rとの比、R/Lの範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとするものであってもよい。   Alternatively, the present invention exists within the range of R / L, the ratio of the distance L from the previously obtained coordinate point data to a certain point on the extension line and the radius R from the extension line at that point in time. The coordinate point data being used may be regular coordinate point data.

また、先に得られた座標点データを原点とする二次曲線を、前記延長線の回りに回転させた形状の範囲を設定し、前記範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとするものであってもよい。   In addition, a range of a shape obtained by rotating a quadric curve with the coordinate point data obtained previously as the origin around the extension line is set, and the coordinate point data existing in the range is set as normal coordinates. It may be point data.

本発明は、直交する3軸方向に向けられた磁気センサの検知出力を用い、磁気検知部の任意の運動の軌跡を求めることができる。また、磁気センサの検知ノイズなどの影響を少なくでき、精度の高い演算結果を得ることができる。   The present invention can obtain the trajectory of an arbitrary motion of the magnetic detection unit using the detection output of the magnetic sensor directed in the three axial directions orthogonal to each other. In addition, the influence of detection noise of the magnetic sensor can be reduced, and a highly accurate calculation result can be obtained.

本発明の実施の形態の地磁気検知装置の回路ブロック図、The circuit block diagram of the geomagnetism detection device of the embodiment of the present invention, 図1に示す地磁気検知装置に設けられた演算部の機能を説明するブロック図、The block diagram explaining the function of the calculating part provided in the geomagnetic detection apparatus shown in FIG. データバッファの処理動作を示す説明図、Explanatory drawing showing the processing operation of the data buffer, 地磁気検知部に設けられたX軸センサとY軸センサおよびZ軸センサの説明図、Explanatory drawing of the X-axis sensor, the Y-axis sensor and the Z-axis sensor provided in the geomagnetism detection unit, 地磁気ベクトルの検知動作の原理を示す三次元座標の説明図、Explanatory diagram of 3D coordinates showing the principle of geomagnetic vector detection operation, 磁気検知部が任意の軸を中心として回転しているときの地磁気ベクトルの検知動作を示す三次元座標の説明図、Explanatory drawing of three-dimensional coordinates showing the detection operation of the geomagnetic vector when the magnetic detection unit is rotating around an arbitrary axis, 座標点データの抽出方法の一例を説明する説明図、Explanatory drawing explaining an example of the extraction method of coordinate point data, 移動軌跡が大きく変化したときの座標点データの抽出方法説明する説明図、Explanatory drawing explaining the extraction method of coordinate point data when a movement locus | trajectory changes greatly, 座標点データの抽出方法の他の例を説明する説明図、Explanatory drawing explaining the other example of the extraction method of coordinate point data, 座標点データの抽出方法の他の例を説明する説明図、Explanatory drawing explaining the other example of the extraction method of coordinate point data, 軌跡円の演算手法の一例を示す説明図、An explanatory view showing an example of a method of calculating a locus circle,

図1に示す本発明の実施の形態の地磁気検知装置1は、磁気検知部2を有している。図4に示すように、地磁気検知装置1では、互いに直交する基準軸であるX軸とY軸およびZ軸が固定軸として決められている。X軸とY軸およびZ軸の交点が、基準原点Oである。地磁気検知装置1は携帯用機器などに搭載されており、磁気検知部2は、X軸とY軸およびZ軸の直交関係を維持したまま、空間内で自由に移動できる。   A geomagnetic detection device 1 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the geomagnetic detection device 1, the X axis, the Y axis, and the Z axis, which are reference axes orthogonal to each other, are determined as fixed axes. The intersection of the X axis, the Y axis, and the Z axis is the reference origin O. The geomagnetism detection device 1 is mounted on a portable device or the like, and the magnetic detection unit 2 can freely move in space while maintaining the orthogonal relationship between the X axis, the Y axis, and the Z axis.

図4に示すように、磁気検知部2には、X軸センサ3がX軸に沿って固定され、Y軸センサ4がY軸に沿って固定され、Z軸センサがZ軸に沿って固定されている。X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5は、いずれもGMR素子で構成されている。GMR素子は、Ni−Co合金やNi−Fe合金などの軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。   As shown in FIG. 4, the X-axis sensor 3 is fixed along the X-axis, the Y-axis sensor 4 is fixed along the Y-axis, and the Z-axis sensor is fixed along the Z-axis. Has been. The X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 are all composed of GMR elements. The GMR element is composed of a pinned magnetic layer and a free magnetic layer made of a soft magnetic material such as a Ni—Co alloy or a Ni—Fe alloy, and a nonmagnetic material such as copper sandwiched between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer. And a conductive layer. An antiferromagnetic layer is laminated under the pinned magnetic layer, and the magnetization of the pinned magnetic layer is pinned by antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer.

X軸センサ3は、地磁気のX方向に向く成分を検知するものであり、固定磁性層の磁化の向きがX軸に沿うPX方向に固定されている。自由磁性層の磁化の向きは地磁気の向きに反応する。自由磁性層の磁化の向きがPX方向と平行になるとX軸センサ3の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがPX方向と逆向きになるとX軸センサ3の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の磁化の向きがPX方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。   The X-axis sensor 3 detects a component of the geomagnetism facing in the X direction, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed in the PX direction along the X axis. The direction of magnetization of the free magnetic layer responds to the direction of geomagnetism. When the magnetization direction of the free magnetic layer is parallel to the PX direction, the resistance value of the X-axis sensor 3 is minimized, and when the magnetization direction of the free magnetic layer is opposite to the PX direction, the resistance value of the X-axis sensor 3 is maximized. become. Further, when the magnetization direction of the free magnetic layer is orthogonal to the PX direction, the resistance value is an average value of the maximum value and the minimum value.

図1に示す磁場データ検知部6では、X軸センサ3と固定抵抗とが直列に接続され、X軸センサ3と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、X軸センサ3と固定抵抗との間の電圧がX軸の検知出力として取り出される。X軸センサ3にX方向に向く磁界が与えられていないとき、またはPXに対して直交する磁界が与えられているときに、X軸の検知出力が中点電位となる。   In the magnetic field data detection unit 6 shown in FIG. 1, the X-axis sensor 3 and the fixed resistance are connected in series, and a voltage is applied to the series circuit of the X-axis sensor 3 and the fixed resistance. The voltage between the resistors is taken out as an X axis detection output. When a magnetic field directed in the X direction is not applied to the X-axis sensor 3, or when a magnetic field orthogonal to PX is applied, the X-axis detection output becomes a midpoint potential.

磁気検知部2の全体を傾け、X軸センサ3の固定磁性層の磁化の固定方向PXを地磁気ベクトルVと同じ向きにするとX軸センサ3に与えられる磁界成分が極大値となる。このときのX軸の検知出力は、前記中点電位に対してプラス側の極大値となる。逆に、X軸センサ3の固定磁性層の磁化の固定方向PXを地磁気ベクトルVと反対に向けると、X軸センサ3に与えられる逆向きの磁界成分が極大値となる。このときのX軸の検知出力は、前記中点電位に対してマイナス側の極大値となる。   When the entire magnetic detection unit 2 is tilted and the fixed direction PX of the magnetization of the fixed magnetic layer of the X-axis sensor 3 is set in the same direction as the geomagnetic vector V, the magnetic field component applied to the X-axis sensor 3 becomes a maximum value. The X-axis detection output at this time has a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. Conversely, when the fixed direction PX of the magnetization of the fixed magnetic layer of the X-axis sensor 3 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the reverse magnetic field component applied to the X-axis sensor 3 has a maximum value. At this time, the detected output of the X axis has a maximum value on the minus side with respect to the midpoint potential.

Y軸センサ4とZ軸センサ5も、それぞれ固定抵抗とが直列に接続され、Y軸センサ4またはZ軸センサ5と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、各センサと固定抵抗との間の電圧がY軸またはZ軸の検知出力として取り出される。   Each of the Y-axis sensor 4 and the Z-axis sensor 5 is also connected to a fixed resistor in series, and a voltage is applied to the Y-axis sensor 4 or a series circuit of the Z-axis sensor 5 and the fixed resistor. Is taken out as a Y-axis or Z-axis detection output.

Y軸センサ4の固定磁性層の磁化の固定方向PYを地磁気ベクトルVと同じ向きにすると、Y軸の検知出力が、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Y軸センサ4の固定磁性層の磁化の固定方向PYを地磁気ベクトルVと反対に向けると、Y軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。同様に、Z軸センサ5の固定磁性層の磁化の固定方向PZを地磁気ベクトルVと同じ向きにすると、Z軸の検知出力が、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Z軸センサ5の固定磁性層の磁化の固定方向PZを地磁気ベクトルVと反対に向けると、Z軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。   When the fixed direction PY of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Y-axis sensor 4 is set to the same direction as the geomagnetic vector V, the Y-axis detection output becomes a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. When the fixed direction PY of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Y-axis sensor 4 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the detection output of the Y-axis becomes a negative maximum value with respect to the midpoint potential. Similarly, if the fixed direction PZ of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Z-axis sensor 5 is set in the same direction as the geomagnetic vector V, the Z-axis detection output becomes a maximum value on the plus side with respect to the midpoint potential. When the fixed direction PZ of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Z-axis sensor 5 is directed opposite to the geomagnetic vector V, the detection output of the Z-axis becomes a negative maximum value with respect to the midpoint potential.

地磁気ベクトルVの大きさが一定であれば、X軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5からの検知出力は、いずれもプラス側の極大値の絶対値と、マイナス側の極大値の絶対値とが同じである。   If the magnitude of the geomagnetic vector V is constant, the detection outputs from the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 are all of the absolute value of the plus side maximum value and the minus side maximum value. The absolute value is the same.

X軸センサ3としては、地磁気ベクトルの向きによってプラス側の検知出力とマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の極大値とマイナス側の検知出力の極大値とで絶対値が同じになれば、GMR素子以外の磁気センサで構成することもできる。例えば、X軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはMR素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはMR素子を組み合わせて、X軸センサ3として使用してもよい。これは、Y軸センサ4とZ軸センサ5においても同じである。   As the X-axis sensor 3, a positive detection output and a negative detection output are obtained depending on the direction of the geomagnetic vector, and the absolute value is the same between the maximum value of the positive detection output and the maximum value of the negative detection output. If it becomes, it can also be comprised with magnetic sensors other than a GMR element. For example, a Hall element or MR element that can detect only the positive magnetic field intensity along the X axis and a Hall element or MR element that can detect only the negative magnetic field intensity may be combined and used as the X axis sensor 3. Good. The same applies to the Y-axis sensor 4 and the Z-axis sensor 5.

図1に示すように、磁場データ検知部6で検知されたX軸とY軸およびZ軸のそれぞれの向きの検知出力は、演算部10に与えられる。演算部10は、A/D変換部とCPUおよびクロック回路などから構成されている。演算部10のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部6で検知されたX軸とY軸およびZ軸の磁気成分の検知出力が、短いサイクルで間欠的にサンプリングされて演算部10に読み出される。それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記A/D変換部によってディジタル値に変換される。   As shown in FIG. 1, the detection outputs of the respective directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis detected by the magnetic field data detection unit 6 are given to the calculation unit 10. The arithmetic unit 10 includes an A / D converter, a CPU, a clock circuit, and the like. According to the measurement time of the clock circuit of the calculation unit 10, the detection outputs of the magnetic components of the X axis, the Y axis, and the Z axis detected by the magnetic field data detection unit 6 are sampled intermittently in a short cycle, and the calculation unit 10 Is read out. Each detection output is converted into a digital value by the A / D conversion unit provided in the calculation unit.

演算部10を構成するCPUにはメモリ7が接続されている。メモリ7には、演算処理のためのソフトウエアがプログラミングされて格納されている。演算部10の演算処理は前記ソフトウエアによって実行される。   A memory 7 is connected to the CPU constituting the arithmetic unit 10. In the memory 7, software for arithmetic processing is programmed and stored. The arithmetic processing of the arithmetic unit 10 is executed by the software.

図2に示すように、演算部10は、ソフトウエアに基づいて複数段階の演算処理を行う。ディジタルデータに変換されたX軸の検知出力とY軸の検知出力およびZ軸の検知出力は、主演算部15で演算処理され、図5に示すX−Y−Zの三次元座標上の座標点データDに変換される。   As shown in FIG. 2, the arithmetic unit 10 performs a plurality of stages of arithmetic processing based on software. The X-axis detection output, the Y-axis detection output, and the Z-axis detection output converted into digital data are arithmetically processed by the main calculation unit 15, and the coordinates on the three-dimensional coordinates of XYZ shown in FIG. Converted to point data D.

図5に示す三次元座標のX−Y−Zの各軸は、地磁気検知装置1に固定されており、図4に示すように、X軸センサ3はX軸に沿って固定され、Y軸センサ4はY軸に沿って固定され、Z軸センサ5はZ軸に沿って固定されている。   Each axis of XYZ of the three-dimensional coordinates shown in FIG. 5 is fixed to the geomagnetic detection device 1, and as shown in FIG. 4, the X-axis sensor 3 is fixed along the X-axis, and the Y-axis The sensor 4 is fixed along the Y axis, and the Z axis sensor 5 is fixed along the Z axis.

図5に示すように、地磁気検知装置1が地球上のいずれかの場所に置かれると、磁場データ検知部6から、X軸方向の検知出力xbと、Y軸方向の検知出力yb、およびZ軸方向の検知出力zbが得られる。図2に示す演算部10の主演算部15において、三次元の検知出力から座標点データD(xb,yb,zb)が演算される。磁場データ検知部6で検知される検知出力は一定のサイクルでサンプリングされるため、この検知出力から座標点データDが次々と演算される。   As shown in FIG. 5, when the geomagnetic detection device 1 is placed anywhere on the earth, the magnetic field data detection unit 6 detects the detection output xb in the X-axis direction, the detection output yb in the Y-axis direction, and Z An axial detection output zb is obtained. In the main calculation unit 15 of the calculation unit 10 shown in FIG. 2, the coordinate point data D (xb, yb, zb) is calculated from the three-dimensional detection output. Since the detection output detected by the magnetic field data detection unit 6 is sampled at a constant cycle, the coordinate point data D is calculated one after another from this detection output.

図5に示すように、座標点データD(xb,yb,zb)は三次元座標上に設定される球面G上の点として表わされる。ここで、球面Gの中心が、地磁気検知装置1に設定されているX−Y−Zの三次元座標の基準原点Oに一致していると仮定すると、座標点データDと基準原点Oとを結ぶ線が地磁気ベクトルVであり、座標点データDと基準原点Oとの距離が地磁気ベクトルVの絶対値である。地磁気ベクトルVの絶対値は、磁場データ検知部6で得られるX軸方向とY軸方向およびZ軸方向のそれぞれの検知出力の極大値の絶対値に比例する。また、この球面Gの半径Rは、地磁気ベクトルVの絶対値に比例する。   As shown in FIG. 5, the coordinate point data D (xb, yb, zb) is represented as a point on the spherical surface G set on three-dimensional coordinates. Here, assuming that the center of the spherical surface G coincides with the reference origin O of the three-dimensional coordinates of XYZ set in the geomagnetic detection device 1, the coordinate point data D and the reference origin O are The connecting line is the geomagnetic vector V, and the distance between the coordinate point data D and the reference origin O is the absolute value of the geomagnetic vector V. The absolute value of the geomagnetic vector V is proportional to the absolute value of the maximum value of each detection output in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction obtained by the magnetic field data detection unit 6. The radius R of the spherical surface G is proportional to the absolute value of the geomagnetic vector V.

ここで、地磁気検知装置1に設定されているZ軸が重力方向に向けられていると仮定すると、X−Y座標面と地磁気ベクトルVとの成す角度から地磁気の伏角を求めることができる。伏角は、地球上の場所に応じて変化する。   Here, if it is assumed that the Z axis set in the geomagnetic detection device 1 is directed in the direction of gravity, the geomagnetic dip angle can be obtained from the angle formed by the XY coordinate plane and the geomagnetic vector V. The dip changes depending on the location on the earth.

磁気検知部2のZ軸を重力の方向に正確に固定したまま、磁気検知部2をZ軸を中心として回転させると、一定時間毎にサンプリングされる検知出力から演算される座標点データHaが、軌跡円H0に沿って移動する。球面Gの中心が、地磁気検知装置1に設定されている三次元座標の基準原点Oに一致していると仮定すると、軌跡円H0は、X−Y−Zの三次元座標の基準原点Oを中心とする球面Gの緯度線に一致する。   When the magnetic detection unit 2 is rotated around the Z axis while the Z axis of the magnetic detection unit 2 is accurately fixed in the direction of gravity, the coordinate point data Ha calculated from the detection output sampled at regular intervals is obtained. And move along the locus circle H0. Assuming that the center of the spherical surface G coincides with the reference origin O of the three-dimensional coordinates set in the geomagnetic detection device 1, the locus circle H0 defines the reference origin O of the three-dimensional coordinates of XYZ. It coincides with the latitude line of the spherical surface G as the center.

ただし、磁気検知部2は、周辺に存在する磁気発生源の影響を受け、またX軸センサ3とY軸センサ4およびZ軸センサ5には感度のばらつきがあり、さらに磁場データ検知部6などの回路にノイズが重畳する。実際に磁場データ検知部6から得られる各検知出力には、地磁気の検知出力のみならず、他の検出値やノイズが重畳している。したがって、主演算部15で座標点データDを演算した段階では、得られた座標点データDと、X−Y−Zの三次元座標の基準原点Oとの関係が不明である。すなわち、座標点データDが移動する球面Gの中心と、磁気検知部2に設定されているX軸、Y軸、Z軸の基準原点Oとが必ずしも一致していない。   However, the magnetic detection unit 2 is affected by a magnetic generation source existing in the vicinity, the X-axis sensor 3, the Y-axis sensor 4, and the Z-axis sensor 5 have variations in sensitivity, and the magnetic field data detection unit 6 and the like. Noise is superimposed on this circuit. In actuality, each detection output obtained from the magnetic field data detection unit 6 includes not only the geomagnetic detection output but also other detection values and noise. Accordingly, at the stage where the main calculation unit 15 calculates the coordinate point data D, the relationship between the obtained coordinate point data D and the reference origin O of the three-dimensional coordinates of XYZ is unknown. That is, the center of the spherical surface G on which the coordinate point data D moves does not necessarily match the reference origin O of the X axis, Y axis, and Z axis set in the magnetic detection unit 2.

この場合に、地磁気検知装置1が移動して複数の座標点データDを得たときに、磁気検知部2において設定されている三次元座標上で座標点データDがどのような軌跡で移動しているのかを正確に知ることができず、その結果、回転時の軌跡を特定できず、角速度の演算などができなくなる問題が生じる。   In this case, when the geomagnetic detection device 1 moves and obtains a plurality of coordinate point data D, the locus of the coordinate point data D moves on the three-dimensional coordinates set in the magnetic detection unit 2. As a result, there is a problem that the locus during rotation cannot be specified and the angular velocity cannot be calculated.

そこで、図2に示す演算部10では、次のソフトウエアを実行することで、地磁気検知装置1を任意の向きで運動させたときに、どの向きでどのような運動が行われているのかを演算できるようにしている。   Therefore, in the calculation unit 10 shown in FIG. 2, by executing the following software, when the geomagnetism detecting device 1 is moved in an arbitrary direction, it is determined which direction and what type of movement is being performed. It can be calculated.

図6には、地磁気検知装置1が、X−Y−Z以外の任意の軸を中心として回転しているときに得られる座標点データD1,D2,・・・,Dnが示されている。   FIG. 6 shows coordinate point data D1, D2,..., Dn obtained when the geomagnetism detection device 1 is rotating around an arbitrary axis other than XYZ.

図2に示すデータ抽出部12では、主演算部15で演算された座標点データDが得られているときに、この座標点データが連続性のあるものと無いものとに区別され、連続性のある座標点データが正規の座標点データとして抽出される。抽出された正規の座標点データの最新のものが、図3に示すデータバッファ11の格納部11aに格納される。このとき、過去の正規の座標点データが、格納部11b,11c,・・・に順にシフトして格納されていく。データの格納場所は、新たな正規の座標点データが得られる毎に、順次移動して行き、最も古い座標点データが格納部11mから捨てられる。   In the data extraction unit 12 shown in FIG. 2, when the coordinate point data D calculated by the main calculation unit 15 is obtained, the coordinate point data is distinguished from those having continuity and those having no continuity. The coordinate point data with the is extracted as normal coordinate point data. The latest extracted regular coordinate point data is stored in the storage unit 11a of the data buffer 11 shown in FIG. At this time, the past normal coordinate point data is sequentially shifted and stored in the storage units 11b, 11c,. The data storage location moves sequentially each time new regular coordinate point data is obtained, and the oldest coordinate point data is discarded from the storage unit 11m.

図7と図8には、データ抽出部12において、連続性のある正規の座標点データを抽出するための演算手法が示されている。図7に示すように、データ抽出部12では、主演算部15で演算された座標点データD1とD2が得られたときに、座標点データD1とD2を結ぶ線が、延長線L1として演算される。座標点データD1とD2は、三次元座標上の座標点として得られるため、この座標点データD1とD2から、延長線L1の方程式を計算できる。   FIGS. 7 and 8 show a calculation method for extracting normal coordinate point data having continuity in the data extraction unit 12. As shown in FIG. 7, in the data extraction unit 12, when the coordinate point data D1 and D2 calculated by the main calculation unit 15 are obtained, the line connecting the coordinate point data D1 and D2 is calculated as the extension line L1. Is done. Since the coordinate point data D1 and D2 are obtained as coordinate points on the three-dimensional coordinates, the equation of the extension line L1 can be calculated from the coordinate point data D1 and D2.

例えば、座標点データD1の座標を(x1,y1,z1)とし、座標点データD2の座標を(x2,y2,z2)とすると、延長線L1上の点の座標(x,y,z)は、Tを変数として
x=x1+T×(x1−x2)
y=y1+T×(y1−y2)
z=z1+T×(z1−z2)
で表わすことができる。
For example, if the coordinates of the coordinate point data D1 are (x1, y1, z1) and the coordinates of the coordinate point data D2 are (x2, y2, z2), the coordinates (x, y, z) of the points on the extension line L1 Where T is a variable x = x1 + T × (x1−x2)
y = y1 + T × (y1-y2)
z = z1 + T × (z1-z2)
It can be expressed as

図7と図8に示すように、データ抽出部12では、演算された前記延長線L1を中心とする半径r1の円筒状のエリアA1が設定される。そして、次に主演算部15から得られた座標点データD3が前記エリアA1内に入っていると判断されたときに、その座標点データD3が正規の座標点データとして抽出されて、図3に示すデータバッファ11の格納部11aに格納される。このとき、座標点データD2は格納部11bに送られ、座標点データD1が格納部11cに送られる。   As shown in FIGS. 7 and 8, the data extraction unit 12 sets a cylindrical area A1 having a radius r1 centered on the calculated extension line L1. Then, when it is determined that the coordinate point data D3 obtained from the main calculation unit 15 is within the area A1, the coordinate point data D3 is extracted as normal coordinate point data, and FIG. Are stored in the storage unit 11a of the data buffer 11 shown in FIG. At this time, the coordinate point data D2 is sent to the storage unit 11b, and the coordinate point data D1 is sent to the storage unit 11c.

図7では、その後に得られる座標点データD3,D4,D5,D6,D7,D8が全てエリアA1内に入る正規の座標点データと判断されて、データバッファ11に次々に格納される。ただし、図7では、正規の座標点データD7と正規の座標点データD8を結ぶ延長線L7を中心とする半径r1のエリアA1から、その後の座標点データD9,D10,D11,D12が外れるため、この座標点データD9,D10,D11,D12は、正規の座標点データとして抽出されず、データバッファ11に格納されない。   In FIG. 7, the coordinate point data D3, D4, D5, D6, D7, and D8 obtained thereafter are all determined to be normal coordinate point data that falls within the area A1, and are sequentially stored in the data buffer 11. However, in FIG. 7, the subsequent coordinate point data D9, D10, D11, and D12 deviate from the area A1 having the radius r1 centered on the extension line L7 connecting the normal coordinate point data D7 and the normal coordinate point data D8. The coordinate point data D9, D10, D11, and D12 are not extracted as normal coordinate point data and are not stored in the data buffer 11.

前記座標点データD9,D10,D11,D12は、座標点データD7を結ぶ延長線L6を中心とする半径r1のエリアA1内に復帰しないので、同じ軌跡円を移動している連続性のある座標点データが途切れたものと判断する。また、前記座標点データD9,D10,D11,D12は、互いの座標上の位置が接近しているため、主演算部15では、地磁気検知装置1の回転運動が、座標点データD8が得られた時点で停止したと判断する。   The coordinate point data D9, D10, D11, and D12 do not return to the area A1 having the radius r1 centered on the extension line L6 that connects the coordinate point data D7. It is determined that the point data has been interrupted. Further, the coordinate point data D9, D10, D11, and D12 are close to each other in coordinate positions. Therefore, the main calculation unit 15 obtains coordinate point data D8 by the rotational motion of the geomagnetism detecting device 1. Judged to have stopped at the time.

すなわち、座標点データD1とD2のように2つの座標点データの距離が予め設定された長さ以上であるときは、2つの座標点データD1とD2を結ぶ延長線L1が演算され、この延長線L1を含む半径r1のエリアA1が設定されて、次の座標点データD3がエリアA1の領域内であるかが判断される。ただし、前記座標点データD9,D10,D11,D12のように、連続して得られる座標点データの座標上での距離が設定された前記長さ未満であるときは、延長線L1およびエリアA1を設定することなく、地磁気検知装置1の運動が停止しているものと判断する。   That is, when the distance between the two coordinate point data is equal to or longer than a preset length like the coordinate point data D1 and D2, an extension line L1 connecting the two coordinate point data D1 and D2 is calculated, and this extension An area A1 having a radius r1 including the line L1 is set, and it is determined whether or not the next coordinate point data D3 is within the area A1. However, when the distance on the coordinates of the coordinate point data obtained continuously, such as the coordinate point data D9, D10, D11, D12, is less than the set length, the extension line L1 and the area A1 It is determined that the movement of the geomagnetism detection device 1 is stopped without setting.

図8に示す例では、座標点データD1,D2,D3,D4が正規の座標点データとして抽出されデータバッファ11に順に格納されていく。ここで、座標点データD4の次に得られた座標点データDjは、正規の座標点データD3,D4から求められる延長線L3を中心とする半径r1のエリアA1から外れている。したがって、座標点データDjはノイズと判断し、データ抽出部12で抽出せず、データバッファ11に格納しない。ただし、その後に得られた座標点データD5が、延長線L3を中心とする半径r1のエリアA1の範囲内に入っているので、この座標点データD5が、正規の座標点データとして抽出される。その後の座標点データD6も延長線L4を中心とする半径r1のエリアA1に入っているので、これも正規の座標点データとして抽出される。   In the example shown in FIG. 8, the coordinate point data D1, D2, D3, and D4 are extracted as normal coordinate point data and sequentially stored in the data buffer 11. Here, the coordinate point data Dj obtained next to the coordinate point data D4 is out of the area A1 having the radius r1 centered on the extension line L3 obtained from the normal coordinate point data D3 and D4. Accordingly, the coordinate point data Dj is determined as noise, and is not extracted by the data extraction unit 12 and is not stored in the data buffer 11. However, since the coordinate point data D5 obtained thereafter is within the range of the area A1 having the radius r1 centered on the extension line L3, the coordinate point data D5 is extracted as normal coordinate point data. . Since the subsequent coordinate point data D6 is also in the area A1 with the radius r1 centered on the extension line L4, it is also extracted as normal coordinate point data.

このように、いずれかの座標点データがエリアA1から外れたときは、その後に得られる座標点データがエリアA1の範囲内に復帰したときに、その座標点データが連続性のある正規の座標点データとして抽出される。   As described above, when any coordinate point data deviates from the area A1, when the coordinate point data obtained thereafter returns to the range of the area A1, the coordinate point data is a continuous normal coordinate. Extracted as point data.

図8に示す例では、正規の座標点データD6の後に得られた座標点データDa,Db,Dc,・・・が、いずれも座標点データD5,D6から延びる延長線L5を中心とする半径r1のエリアA1から外れている。ただし、座標点データDa,Db,Dc,・・・は、三次元座標上で予め設定されている距離以上に離れている。データ抽出部12では、予め設定された数を越える座標点データがいずれもエリアA1に入らず、これらの座標点データの距離が所定値以上離れているときは、地磁気検知装置1が停止していないと判断し、座標点データD1〜D6が得られたときの運動軌跡と異なる運動軌跡に沿う運動に変化したと判断する。そして、改めて座標点データDa,Db,Dc,・・・を使用したデータの抽出に移行する。   In the example shown in FIG. 8, the coordinate point data Da, Db, Dc,... Obtained after the normal coordinate point data D6 are all radii centered on the extension line L5 extending from the coordinate point data D5, D6. It is out of the area A1 of r1. However, the coordinate point data Da, Db, Dc,... Are more than a predetermined distance on the three-dimensional coordinates. In the data extraction unit 12, when no coordinate point data exceeding the preset number enters the area A1, and the distance between these coordinate point data is more than a predetermined value, the geomagnetic detection device 1 is stopped. It is determined that the motion has changed along a motion track different from the motion track when the coordinate point data D1 to D6 are obtained. Then, the process proceeds to data extraction using the coordinate point data Da, Db, Dc,.

新たな運動軌跡の運動に変化したと判断したときは、図8に示すように、座標点データDaとDbを結ぶ延長線La、およびこの延長線Laを中心とする半径raのエリアAaが設定される。その後に得られる座標点データDcがエリアAaに入るときにこの座標点データDaが正規の座標点データして抽出され、データバッファ11に格納される。図8では、座標点データDc,Dd,De,・・・が、エリアAaの範囲内に現れる正規の座標点データとして抽出され、データバッファ11に格納される。   When it is determined that the movement has changed to a new movement locus, as shown in FIG. 8, an extension line La connecting the coordinate point data Da and Db and an area Aa having a radius ra centered on the extension line La are set. Is done. When the coordinate point data Dc obtained thereafter enters the area Aa, the coordinate point data Da is extracted as normal coordinate point data and stored in the data buffer 11. In FIG. 8, coordinate point data Dc, Dd, De,... Are extracted as normal coordinate point data appearing within the area Aa and stored in the data buffer 11.

ここで、エリアA1の半径r1およびアリアAaの半径raは、データ抽出部12において、次のようにして設定される。図7と図8の示すように、三次元座標上で予め決められた距離以上の間隔を空けた座標点データDが次々に得られているときは、データ抽出部12において、地磁気検知装置1が連続する運動をしていると判断する。そして、2つの座標点データDから演算された延長線Lを中心とする半径rのエリアAが設定される。このときの半径rは最小値を選択する。その後に得られる座標点データDが半径rのエリアAに入らないときは、半径rを少し大きくする。これを繰り返して、予め設定された数の座標点データD1,D2,D3,・・・がエリア内に入るに至ったときに、エリアA1の半径r1を固定する。   Here, the radius r1 of the area A1 and the radius ra of the area Aa are set in the data extraction unit 12 as follows. As shown in FIGS. 7 and 8, when coordinate point data D spaced apart by a predetermined distance or more on three-dimensional coordinates is obtained one after another, the data extraction unit 12 uses the geomagnetic detection device 1. Is determined to be continuously exercising. Then, an area A having a radius r centered on the extension line L calculated from the two coordinate point data D is set. At this time, a minimum value is selected as the radius r. When the coordinate point data D obtained thereafter does not enter the area A having the radius r, the radius r is slightly increased. By repeating this, when a predetermined number of coordinate point data D1, D2, D3,... Enters the area, the radius r1 of the area A1 is fixed.

図8に示す座標点データDa,Db,Dc,・・・が得られているときも、最初に最小の半径rのエリアAが設定され、その後に一定の距離以上を空けて得られる座標点データの所定数以上がエリアに入るまで半径rを変化させて、エリアAaの半径raが固定される。   Even when the coordinate point data Da, Db, Dc,... Shown in FIG. 8 are obtained, the coordinate point obtained by first setting the area A having the minimum radius r and then leaving a certain distance or more. The radius r of the area Aa is fixed by changing the radius r until a predetermined number or more of data enters the area.

データ抽出部12および主演算部15では、エリアA1の半径r1がエリアAaの半径raに切換えられたときに、地磁気検知装置1の運動軌跡が変化したと判断する。   The data extraction unit 12 and the main calculation unit 15 determine that the motion trajectory of the geomagnetic detection device 1 has changed when the radius r1 of the area A1 is switched to the radius ra of the area Aa.

図2の演算部10に設けられた軌跡円計算部13では、正規の座標点データとして抽出されてデータバッファ11に格納されたデータを用いて軌跡円の演算が行われる。   In the locus circle calculation unit 13 provided in the operation unit 10 of FIG. 2, the locus circle is calculated using data extracted as normal coordinate point data and stored in the data buffer 11.

図7と図8に示すように、正規の座標点データD1,D2,D3,・・・が抽出されてデータバッファ11に格納されているときに、軌跡円演算部13では、ある時点での正規の座標点データとそれ以前に得られた正規の座標点データを呼び出して基準座標点データとする。   As shown in FIGS. 7 and 8, when the normal coordinate point data D1, D2, D3,... Are extracted and stored in the data buffer 11, the trajectory circle calculation unit 13 performs a certain point in time. The normal coordinate point data and the normal coordinate point data obtained before that are called to obtain reference coordinate point data.

例えば、座標点データD1とそれ以前に得られた座標点データDnが基準座標点データとして設定される。そして、基準座標点データD1と基準座標点データDnの間に位置する複数の座標点データD2,D3,D4,・・・が中間座標点データに設定される。なお、基準座標点データD1と基準座標点データDnの間に位置する正規の座標点データの全てを中間座標点データD2,D3,D4,・・・として、演算に使用してもよいし、基準座標点データD1と基準座標点データDnの間に位置する複数の正規の座標点データのうちの幾つかを抽出して中間座標点データD2,D3,D4,・・・として、演算に使用してもよい。   For example, coordinate point data D1 and previously obtained coordinate point data Dn are set as reference coordinate point data. A plurality of coordinate point data D2, D3, D4,... Positioned between the reference coordinate point data D1 and the reference coordinate point data Dn are set as intermediate coordinate point data. All of the normal coordinate point data located between the reference coordinate point data D1 and the reference coordinate point data Dn may be used as the intermediate coordinate point data D2, D3, D4,. Some of a plurality of normal coordinate point data located between the reference coordinate point data D1 and the reference coordinate point data Dn are extracted and used as intermediate coordinate point data D2, D3, D4,. May be.

図11に示すように、軌跡円計算部13では、2つの基準座標点データD1および基準座標点データDnと、ひとつの中間座標点データD2を含む仮想円Haが求められる。基準座標点データD1,Dnと中間座標点データD2は、いずれもX−Y−Zの三次元座標上の座標(x,y,z)で現されるため、3つの座標点データを含む円の方程式を求めることで仮想円Haが特定される。また、基準座標点データD1および基準座標点データDnと中間座標点データD3を含む仮想円Hbが演算され、同様に、基準座標点データD1および基準座標点データDnと中間座標点データD4を含む仮想円Hcと、基準座標点データD1および基準座標点データDnと中間座標点データD5を含む仮想円Hdが演算され、さらに他の仮想円も中間座標点データ毎に演算される。   As shown in FIG. 11, the locus circle calculation unit 13 obtains a virtual circle Ha including two reference coordinate point data D1, reference coordinate point data Dn, and one intermediate coordinate point data D2. Since the reference coordinate point data D1, Dn and the intermediate coordinate point data D2 are all expressed by coordinates (x, y, z) on the three-dimensional coordinates of XYZ, a circle including three coordinate point data The virtual circle Ha is specified by obtaining the above equation. Further, a virtual circle Hb including the reference coordinate point data D1, the reference coordinate point data Dn, and the intermediate coordinate point data D3 is calculated, and similarly includes the reference coordinate point data D1, the reference coordinate point data Dn, and the intermediate coordinate point data D4. A virtual circle Hd including the virtual circle Hc, the reference coordinate point data D1, the reference coordinate point data Dn, and the intermediate coordinate point data D5 is calculated, and other virtual circles are also calculated for each intermediate coordinate point data.

次に、仮想円Haの円弧と、全ての中間座標点データD2,D3,D4,・・・との距離を求める。または仮想円Haの中心点と全ての中間座標点データD2,D3,D4,・・・との距離を求める。仮想円Haは、X−Y−Zの三次元座標上で方程式として表すことができ、それぞれの中間座標点データも、X−Y−Zの三次元座標上の点として表されるため、前記距離は、円の方程式と中間座標点データの座標データとを用い最小二乗法で計算して求めることができる。   Next, the distance between the arc of the virtual circle Ha and all the intermediate coordinate point data D2, D3, D4,. Alternatively, the distance between the center point of the virtual circle Ha and all the intermediate coordinate point data D2, D3, D4,. The virtual circle Ha can be expressed as an equation on the three-dimensional coordinates of XYZ, and each intermediate coordinate point data is also expressed as a point on the three-dimensional coordinates of XYZ. The distance can be obtained by calculating by the least square method using the equation of the circle and the coordinate data of the intermediate coordinate point data.

全ての仮想円Ha,Hb,Hc,Hd,・・・毎に、中間座標点データD2,D3,D4,・・・との距離が最小二乗法などにより計算される。計算された距離が最も短いとされる仮想円が、座標点が移動している軌跡円H1として特定される。図11の例では、基準座標点データD1および基準座標点データDnと中間座標点データD4を含む仮想円Hcが軌跡円H1として特定される。   For every virtual circle Ha, Hb, Hc, Hd,..., The distance to the intermediate coordinate point data D2, D3, D4,. The virtual circle with the shortest calculated distance is specified as the locus circle H1 in which the coordinate point is moving. In the example of FIG. 11, the virtual circle Hc including the reference coordinate point data D1, the reference coordinate point data Dn, and the intermediate coordinate point data D4 is specified as the locus circle H1.

軌跡円H1を特定することで、地磁気検知装置1がどのような軌跡で運動しているかを知ることができる。   By specifying the trajectory circle H1, it is possible to know what trajectory the geomagnetic detection device 1 is moving.

図7と図8に示すように、連続性を有する座標点データD1,D2,D3,・・・が同じエリアA1に入っていると検知されている間は、軌跡円計算部13では、地磁気検知装置1が一定の軌跡円H1に沿って運動していると判断される。そして、図8に示すように座標点データが入るか否かを判断するエリアの半径がr1からraに切換えられたときに、図11に示す手法で演算された新たな軌跡円H2に更新され、地磁気検知装置1が、新たな軌跡円H2に沿って運動していると判断される。   As shown in FIGS. 7 and 8, while it is detected that coordinate point data D1, D2, D3,... Having continuity are in the same area A1, the trajectory circle calculation unit 13 performs geomagnetism. It is determined that the detection device 1 is moving along a constant locus circle H1. Then, as shown in FIG. 8, when the radius of the area for determining whether or not coordinate point data is entered is switched from r1 to ra, it is updated to a new locus circle H2 calculated by the method shown in FIG. It is determined that the geomagnetic detection device 1 is moving along the new locus circle H2.

軌跡円計算部13では、図6に示すように、演算されて設定されている軌跡円H1の中心O1が求められ、軌跡円H1を含む面に垂直で且つ中心O1を通る軸が、回転軸S0として求められる。そして、基準座標点データD1から基準座標点データDnまでのいずれかの座標点データを抽出して、その座標点データの中心O1からの開き角度が求められる。この開き角度を、2つの座標点データが得られた時間で微分することで地磁気検知装置1の回転角速度が求められる。軌跡円がH2に更新されたときも、同様にして回転角速度が求められる。   As shown in FIG. 6, the locus circle calculation unit 13 obtains the center O1 of the locus circle H1 calculated and set, and the axis perpendicular to the plane including the locus circle H1 and passing through the center O1 is the rotation axis. It is obtained as S0. Then, any coordinate point data from the reference coordinate point data D1 to the reference coordinate point data Dn is extracted, and the opening angle from the center O1 of the coordinate point data is obtained. The rotational angular velocity of the geomagnetism detecting device 1 is obtained by differentiating the opening angle with the time when two coordinate point data are obtained. Similarly, when the locus circle is updated to H2, the rotational angular velocity is obtained.

ある軌跡円H1とその回転軸S0が演算された後に、図8に示す正規の座標点データDa,Db,Dc,・・・が得られて、他の軌跡円H2とその回転軸S1とが求められたときは、図6に示すように、2つの回転軸S0とS1の交点Oaを求めることで、座標点データDが移動する球面Gaの中心を求めることができる。この交点Oaの座標を、地磁気検知装置1に設定されているX−Y−Zの三次元座標の基準原点Oの座標として更新することことで、座標点データが移動する球面の中心を求めるキャリブレーション動作を行うことができる。   After calculating a certain locus circle H1 and its rotation axis S0, normal coordinate point data Da, Db, Dc,... Shown in FIG. 8 are obtained, and another locus circle H2 and its rotation axis S1 are obtained. When it is obtained, as shown in FIG. 6, the center of the spherical surface Ga on which the coordinate point data D moves can be obtained by obtaining the intersection point Oa of the two rotation axes S0 and S1. Calibration for obtaining the center of the spherical surface on which the coordinate point data moves by updating the coordinates of the intersection Oa as the coordinates of the reference origin O of the three-dimensional coordinates of XYZ set in the geomagnetic detection device 1 Action can be performed.

キャリブレーション動作により、球面の中心を基準原点Oに一致させることができるので、その後は、座標点データの座標位置をX−Y−Z座標上のデータとして正確に把握できる。   Since the center of the spherical surface can be made coincident with the reference origin O by the calibration operation, thereafter, the coordinate position of the coordinate point data can be accurately grasped as data on the XYZ coordinates.

また、地磁気検知装置1に重力方向を検知する加速度センサなどを設けておき、検知された重力方向をZ軸に一致させる補正を行うと、キャリブレーション動作で求められた球面Gaの向きを、X−Y−Z座標上で特定できる。よって、地磁気ベクトルVの方位や伏角を求めることも可能になる。   Further, if an acceleration sensor or the like that detects the direction of gravity is provided in the geomagnetic detection device 1 and correction is performed so that the detected direction of gravity coincides with the Z-axis, the orientation of the spherical Ga obtained by the calibration operation is changed to X Can be specified on -YZ coordinates. Therefore, it is possible to obtain the azimuth and dip angle of the geomagnetic vector V.

図9は、データ抽出部12で実行される他のデータ抽出方法を示している。
このデータ抽出方法は、座標点データD1と座標点データD2とを結ぶ延長線L1が求められ、次の座標点データD3が得られたときに、座標点データD2と座標点データD3の延長線上での距離L1とそのときの半径R1が一定の比R/Lとなるように円錐形状のエリアA3が設定される。座標データD3がこのエリアA3内に入っていれば正規の座標点データとして抽出される。
FIG. 9 shows another data extraction method executed by the data extraction unit 12.
In this data extraction method, an extension line L1 connecting the coordinate point data D1 and the coordinate point data D2 is obtained, and when the next coordinate point data D3 is obtained, the coordinate line data D2 and the coordinate point data D3 are on the extension line. The cone-shaped area A3 is set so that the distance L1 at this time and the radius R1 at that time have a constant ratio R / L. If coordinate data D3 is within this area A3, it is extracted as normal coordinate point data.

このエリアA3の設定方法は、地磁気検知装置1の運動の角速度が変化している場合に有効である。図9では、座標点データD1から座標点データD4までは角速度がほぼ一定であるが、座標点データD4が得られた後に角速度が早くなっている。座標点データのサンプル周期は一定であるため、角速度が早くなると、三次元座標上での座標点データの距離が長くなる。   This setting method of the area A3 is effective when the angular velocity of the motion of the geomagnetic detection device 1 is changing. In FIG. 9, the angular velocity is substantially constant from the coordinate point data D1 to the coordinate point data D4, but the angular velocity is increased after the coordinate point data D4 is obtained. Since the sampling period of the coordinate point data is constant, when the angular velocity increases, the distance of the coordinate point data on the three-dimensional coordinates increases.

図9に示すように、座標点データD5と座標点データD6の距離が大きく広げられているときに、座標点データD4,D5を含む延長線上において、座標点データD5が得られてから座標点データD6が得られるまでの延長線上の距離L4とそのときの半径R4が、前記と同じ比R/Lとなるように円錐形状のエリアA3が設定。座標点データD6は、このエリアA3の範囲内にあれば、正規の座標点データとして抽出される。   As shown in FIG. 9, when the distance between the coordinate point data D5 and the coordinate point data D6 is greatly widened, the coordinate point data D5 is obtained on the extension line including the coordinate point data D4 and D5 and then the coordinate point data D5 is obtained. The conical area A3 is set so that the distance L4 on the extension line until the data D6 is obtained and the radius R4 at that time have the same ratio R / L as described above. If the coordinate point data D6 is within the area A3, it is extracted as normal coordinate point data.

この抽出方法では、地磁気検知装置1が円運動をしており、座標点データが、三次元座標上でほぼ同じ軌跡円上を移動していれば、角速度が変化して、座標点データの距離が変化しても、常に同じ基準で正規の座標点データを抽出することができる。   In this extraction method, if the geomagnetic detection device 1 is moving in a circle and the coordinate point data is moving on the same locus circle on the three-dimensional coordinates, the angular velocity changes, and the distance between the coordinate point data Even if changes, normal coordinate point data can always be extracted based on the same standard.

図10は、データ抽出部12で実行される他のデータ抽出方法を示している。
このデータ抽出方法は、座標点データD1と座標点データD2とを結ぶ延長線L1が求められたときに、座標点D2を原点とする二次曲線を、延長線L1を中心として回転させたエリアA4を設定する。二次曲線は例えば放物線である。このエリアA4は、二次曲線の方程式を使用して容易に設定できる。
FIG. 10 shows another data extraction method executed by the data extraction unit 12.
In this data extraction method, when an extension line L1 connecting the coordinate point data D1 and the coordinate point data D2 is obtained, an area obtained by rotating a quadratic curve having the coordinate point D2 as the origin about the extension line L1 Set A4. A quadratic curve is, for example, a parabola. This area A4 can be easily set using a quadratic equation.

また、エリアA4は、図9に示すエリアA3と同様に、座標点データ間の距離が長くなると、エリアA4の半径が大きくなる。よって、角速度が変化して、座標点データの距離が変化しても、常に同じ基準で正規の座標点データを抽出することができる。   Further, in the area A4, as in the area A3 shown in FIG. 9, the radius of the area A4 increases as the distance between the coordinate point data increases. Therefore, even if the angular velocity changes and the distance of the coordinate point data changes, normal coordinate point data can always be extracted based on the same reference.

本発明の地磁気検知装置は、三次元の回転運動を特定して角速度を算出できる。よって、携帯用のゲーム装置やゲーム装置の入力装置に使用することができる。またロボットの腕や関節などの姿勢の変化を検知する検知部として使用することもできる。   The geomagnetic detection device of the present invention can calculate an angular velocity by specifying a three-dimensional rotational motion. Therefore, it can be used for a portable game device or an input device of a game device. It can also be used as a detection unit that detects changes in posture of the robot's arms and joints.

1 地磁気検知装置
2 磁気検知部
3 X軸センサ
4 Y軸センサ
5 Z軸センサ
6 磁場データ検知部
7 メモリ
10 演算部
11 データバッファ
12 データ抽出部
13 軌跡円計算部
14 角速度計算部
15 主演算部
A エリア
D1,D2,D3,D4,・・・ 座標点データ
L 延長線
r 半径
V 地磁気ベクトル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Geomagnetism detection apparatus 2 Magnetic detection part 3 X-axis sensor 4 Y-axis sensor 5 Z-axis sensor 6 Magnetic field data detection part 7 Memory 10 Calculation part 11 Data buffer 12 Data extraction part 13 Trajectory circle calculation part 14 Angular velocity calculation part 15 Main calculation part A Area D1, D2, D3, D4, ... Coordinate point data L Extension line r Radius V Geomagnetic vector

Claims (7)

互いに直交するX方向とY方向およびZ方向が基準方向として決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、X方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるX軸センサと、Y方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるY軸センサ、およびZ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるZ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、前記X軸センサと前記Y軸センサおよび前記Z軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
前記演算部は、前記検知出力から求められる地磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データに変換し、2つの座標点データを結ぶ延長線を中心として、その周囲の一定の範囲内に入った座標点データを次に得られた正規の座標点データとし、これを繰り返して得られた複数の正規の座標点データから、前記座標点データが移動する軌跡円を求めることを特徴とする地磁気検知装置。
A magnetic detection unit in which the X direction, the Y direction, and the Z direction orthogonal to each other are determined as reference directions, and a calculation unit;
An X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction is directed to the geomagnetism direction and the absolute value of the detection output when the Y direction is directed to the geomagnetism direction. Is mounted as a Y-axis sensor having a maximum value, and a Z-axis sensor having a maximum detection output when the Z direction is directed in the direction of geomagnetism. It is rotatable in a three-dimensional direction while maintaining the orthogonal relationship between the Y-axis sensor and the Z-axis sensor,
The arithmetic unit converts the direction of the geomagnetic vector obtained from the detection output into coordinate point data on three-dimensional coordinates, and enters an area around the extension line connecting the two coordinate point data. The obtained coordinate point data is used as normal coordinate point data obtained next, and a trajectory circle along which the coordinate point data moves is obtained from a plurality of normal coordinate point data obtained by repeating this data. Detection device.
前記範囲内から外れた座標点データはノイズとして無視し、その後に前記範囲内の座標点データが得られたときは、その座標点データを正規の座標点データと判断する請求項1記載の地磁気検知装置。   2. The geomagnetism according to claim 1, wherein the coordinate point data outside the range is ignored as noise, and when the coordinate point data within the range is obtained thereafter, the coordinate point data is determined as normal coordinate point data. Detection device. 前記軌跡円が特定されているときに、複数の正規の座標点データの、軌跡円の中心からの開き角度と、前記座標点データが得られた時間とから移動角速度を求める請求項1または2記載の地磁気検知装置。   The moving angular velocity is obtained from an opening angle of a plurality of regular coordinate point data from the center of the locus circle and a time when the coordinate point data is obtained when the locus circle is specified. The geomagnetic detection device described. 前記範囲内から外れた座標点データが所定数となったときに、前記軌跡円の設定を解消し、その後に得られた座標点データから新たな軌跡円を演算する請求項1ないし3のいずれかに記載の地磁気検知装置。   4. The method according to claim 1, wherein when a predetermined number of coordinate point data is out of the range, the setting of the locus circle is canceled and a new locus circle is calculated from the coordinate point data obtained thereafter. The geomagnetic detection device according to the above. 前記延長線上で一定の半径の円に入ったものを正規の座標点データとする請求項1ないし4のいずれかに記載の地磁気検知装置。   The geomagnetic detection device according to claim 1, wherein normal coordinate point data is included in a circle having a certain radius on the extension line. 先に得られた座標点データから前記延長線上のある時点までの距離Lと、その時点での前記延長線からの半径Rとの比、R/Lの範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとする請求項1ないし4のいずれかに記載の地磁気検知装置。   The ratio of the distance L from the previously obtained coordinate point data to a certain point on the extension line and the radius R from the extension line at that point, the coordinate point data existing within the range of R / L The geomagnetism detecting device according to any one of claims 1 to 4, wherein is a normal coordinate point data. 先に得られた座標点データを原点とする二次曲線を、前記延長線の回りに回転させた形状の範囲を設定し、前記範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとする請求項1ないし4のいずれかに記載の地磁気検知装置。   A range of a shape obtained by rotating a quadric curve with the coordinate point data obtained previously as the origin around the extension line is set, and the coordinate point data existing in the range is set as normal coordinate point data The geomagnetic detection device according to any one of claims 1 to 4.
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