JP3958289B2

JP3958289B2 - 電子コンパスの自動補正方法

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Publication number: JP3958289B2
Application number: JP2004010615A
Authority: JP
Inventors: 鎮龍姜; 愿太崔; 暢 ▲玄▼ 金; 夏雄鄭; 漢 ▲吉▼ 趙; 五照權
Original assignee: 三星電機株式会社
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: CN1624425A; KR20050053863A; JP2005164564A; KR100550871B1; US6871411B1; CN100451546C

Description

本発明は電子コンパスの自動補正方法に関するもので、とりわけタイマーを用いて予め設定した時間のあいだに地磁気軸の１回転を感知して自動で地磁気信号のオフセットとスケールを計算する補正を行うことにより、使用者による別途の入力無しでも地磁気信号のオフセットとスケールを計算する自動補正が可能で、環境の変化により迅速に対応できる電子コンパスの自動補正方法に関するものである。

一般に、小型、安価の地磁気センサモジュールまたは電子コンパスが開発され、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術の発達によりチップ型地磁気センサモジュールが開発され様々な応用分野に取り入られているが、地磁気センサの信号は２軸の場合にはｘ軸のオフセット及び振幅と、ｙ軸のオフセット及び振幅とを相互に等しくさせなければならず、また３軸の場合にはｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に対する補正回路または補正プログラムが必要となる。

図４は一般の電子コンパスの構成図である。図４のように、一般の電子コンパスは地磁気方位を検出する地磁気センサ部（１１１）と、上記地磁気センサ部（１１１）からの検出信号を増幅し、またノイズ除去のためにフィルタリングするアナログ処理部（１１２）と、上記アナログ処理部（１１２）からの地磁気信号をＡ／Ｄ変換過程によりデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（１１３）と、上記Ａ／Ｄ変換部（１１３）からのデジタル信号に基づき地磁気の方位角を求め、以後オフセット及びスケールを計算する補正過程を行うデジタル処理部（１１４）とを含む。

ここで、上記オフセットは交流波形の中間地点の電圧を意味するもので、下記数１のように定義され、上記スケールは波形の最大値と最小値との幅に関連するもので下記数２のように定義される。こうしたオフセットとスケールを用いて上記方位角の偏差補正を行えるようになる。

一方、上記地磁気センサ部（１１１）は地球磁場の強さを測定するセンサで、これは相互に直角に配置されたＸ軸センサ、Ｘ軸センサ、及びＺ軸センサを含む。こうした信号は使用者が補正のために外部入力を与えなければならず、使用者の入力が無ければ補正が行われないという欠点があり、また地磁気センサの出力は周辺環境に敏感に反応するので周囲環境に応じて信号のオフセット及び大きさが異なりかねないという問題がある。

こうして、補正過程が使用者の入力によってのみ行われる場合、信号のオフセット及び大きさが異なってもリアルタイムでそうしたデータが反映され、正確な方位角を演算できなくなる問題がある。

このように構成された従来の電子コンパスにおけるオフセット及びスケール補正方法について図５を参照しながら説明する。図５は従来の電子コンパスの補正方法を示したフローチャートである。図５に示した従来の電子コンパスの補正方法を行うためには補正制御を司る制御部が外部スイッチまたはホストプロセッサから補正信号を受ける（Ｓ２１）。そして、センサを駆動させた後（Ｓ２２）、センサにより検出されたデータの入力を受ける（Ｓ２３）。即ち、使用者が外部入力を与えて補正を始めるようになっている。補正が始まると地磁気センサを駆動させ、センサからアナログ信号が出力されるようにする。

こうして出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換によりデジタル信号に変換し、以後地平面に対して水平な地磁気センサから出力する検出信号は図６に示したように、方位角に対して正弦（ｓｉｎｅ）または余弦（ｃｏｓｉｎｅ）形態の波形であらわれる。

次に、入力されたデータを利用して最大及び最小値を探索して求め（Ｓ２４）、以後１回転に該当する１閉ループ（１−ＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐ）であるか判断後（Ｓ２５）、１回転した場合には入力されたデータを利用して地磁気センサの信号に対するオフセットとスケールを計算し（Ｓ２６）これを記憶する（Ｓ２７）。即ち、地磁気センサを１回転以上回転させると補正のためのセンサのデータ収集が完了する。

この際、１回転以上センサが回転すると補正データをＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリーなどの非揮発性メモリーに記憶し、以後上記メモリーに記憶されたデータは各軸の最小値と最大値または各軸の最小値と最大値を利用して計算したスケール値とオフセット値を含む。こうしたスケールとオフセットを求める計算過程が本発明の補正過程であり、ここで各軸に対するスケール及びオフセットは下記数１及び２により求められる。

（数１）
スケール（ｓｃａｌｅ）＝Ｃ／（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）、ここでＣは任意の定数

ところで、こうした従来の補正方法は、地磁気センサの各軸に対するオフセット及びスケールを計算する補正過程のためには使用者による入力が必ず必要であり、電子コンパス使用中環境が変化する場合に補正データが変化された環境に相応すべく更新されないという問題を抱えている。

本発明は前記の諸問題を解決すべく提案されたもので、その目的はタイマーを利用して予め設定した時間のあいだに地磁気軸の１回転を感知して自動で地磁気信号のオフセットとスケールを計算する補正を行う電子コンパスの伏角探索方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は使用者による別途の入力無しでも地磁気信号のオフセットとスケールを計算する自動補正が可能で、環境変化により迅速に対応できる電子コンパスの自動補正方法を提供することにある。

前記した本発明の目的を成し遂げるために、本発明の電子コンパスの方位角の補正方法は、適用システムにおいて要求される補正有効最小及び最大時間が予め設定され、地磁気センサ信号に基づき方位角を求める電子コンパスに適用される方位角の自動補正方法において、初期化した後に地磁気センサを駆動させ地磁気データの入力を受けて方位角を計算する段階；上記入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態を検出する段階；上記入力された地磁気データを利用して地磁気センサの各軸センサの信号に対する最大値及び最小値を探し出す段階；現在補正にかかった時間が予め設定した補正有効最大時間を経過しなかったか否かを判断する段階；上記補正有効最大時間を経過しなかった場合、上記検出した信号入力の現状態が予め設定した正常な流れ状態に該当するか否かを判断する段階；上記正常な流れ状態の場合、上記地磁気センサの１回転に該当する信号が入力されたか否かを判断する段階；１回転に該当する信号が入力された場合、現在時間が予め設定した補正有効最小時間を経過したか否かを判断する段階；及び、上記補正有効最小時間を経過した場合、上記最大値及び最小値を利用してオフセット及びスケールを計算し、この計算されたオフセット、スケール、及び方位角データを記憶する段階、を具備することを特徴とする。

また、上記信号入力の現状態検出段階は、上記地磁気センサの信号の一サイクルを複数の状態で区分してから、上記入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態が上記複数の状態中どれに該当するかを判断するようになっていることを特徴とする。上記補正有効最大時間経過判断段階は、上記現在時間が予め設定した補正有効最大時間を経過した場合には最初段階に進行するようになっていることを特徴とする。また、上記正常な流れ状態判断段階において正常な流れ状態は、上記複数の状態を利用して、地磁気センサの信号が正常状態の信号入力順序であるかを判断すべく、予め決定された複数の正常な流れ状態を含んで成ることを特徴とする。とりわけ、上記正常な流れ状態判断段階において正常な流れ状態は、上記複数の状態を利用して正常な流れ状態に該当する複数の時計周りの正常な流れ状態または逆時計周りの正常な流れ状態で設定することを特徴とする。そして、上記１回転信号入力判断段階は、１回転に該当する信号が入力されなければ地磁気センサが１回転していないと判断して、上記センサ駆動段階に進行するようになっていることを特徴とする。また、上記補正有効最小時間判断段階は、現在時間が予め設定した補正有効最小時間を経過しなければ上記最初段階に進行するようになっていることを特徴とする。

前述したような本発明によると、電子コンパスの自動補正方法において、タイマーを利用して予め設定した時間のあいだに地磁気軸の１回転を感知して自動で地磁気信号のオフセットとスケールを計算する補正効果を奏する。また、使用者による別途の入力無しでも地磁気信号のオフセットとスケールを計算する自動補正が可能で、環境変化により迅速に対応できる効果を奏する。

以下、本発明の好ましき実施の形態について添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明を実施するための電子コンパスの制御部構成図である。図１によると、本発明を実施するための電子コンパスの制御部には適用システムが要求する補正有効最小及び最大時間（Ｔ１、Ｔ２）が予め設定されるが、ここで上記補正有効最小時間（Ｔ１）は補正が有効に取り扱われる最小限の所要時間で、上記補正有効最大時間（Ｔ２）は補正が有効に取り扱われる最大限の時間であり、これにより補正が有効に取り扱われるためには補正所要時間が上記補正有効最小時間（Ｔ１）よりは大きく、上記補正有効最大時間（Ｔ２）よりは小さくなければならない。

上記制御部は地磁気センサ信号に基づき方位角を求める電子コンパスに適用される方位角の自動補正を行うが、これは次のように行われる。上記制御部は、入力される地磁気センサのデータ（Ｄｉｎ）を利用して信号入力の現状態を検出する状態チェック部（４１）と、補正開始時点から時間を記録する補正時間記録用タイマー（４２）と、オフセットとスケールを含む補正データを補正するための臨時記憶用バッファ部（４３）とを含む。

また、上記制御部は、地磁気センサから地磁気データの入力を受け方位角を計算し、上記方位角の偏差補正のために、上記入力された地磁気データを利用して地磁気センサの各軸センサの信号に対する最大値（ｍａｘ）及び最小値（ｍｉｎ）を探し出し、現在補正にかかった時間（ｔ）が予め設定した補正有効最大時間（Ｔ２）を経過しない状態で、上記検出した信号入力の現状態が予め設定した正常な流れ状態に該当するかを判断し、入力される信号の流れが正常な流れ状態に該当し、上記地磁気センサの１回転に該当する信号が入力され、また現在時間（ｔ）が予め設定した補正有効最小時間（Ｔ１）を経過した場合に、上記最大値及び最小値を利用してオフセット及びスケールを計算し記憶するよう制御する制御器（４４）を含む。

ここで、上記制御器（４４）において行われる過程は予め用意したソフトウェアにより行われ、本発明の補正過程は方位角の偏差補正のためオフセットとスケールなどの補正データを求める過程を意味する。

以下、本発明の作用及び効果を添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は電子コンパスの自動補正方法において、タイマーを利用して予め設定した時間のあいだに地磁気軸の１回転を感知して自動で補正を行うことにより、使用者による別途の入力無しでも自動補正が可能で環境変化に一層迅速に対応できる。これについては図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明による電子コンパスの自動補正方法を示したフローチャートである。本発明が適用される電子コンパスなどの適用システムには補正に必要な最小及び最大時間が存在するが、これを予め補正有効最小及び最大時間（Ｔ１、Ｔ２）として設定しておく。

一方、上記補正有効最小時間（Ｔ１）は補正が有効に取り扱われる最小限の所要時間で、上記補正有効最大時間（Ｔ２）は補正が有効に取り扱われる最大限の時間であり、こうして補正が有効に取り扱われるためには補正所要時間が上記補正有効最小時間（Ｔ１）よりは大きく、上記補正有効最大時間（Ｔ２）よりは小さくなければならない。

図２によると、先ず、本発明の制御器（４４）は補正開始時点から時間を計数する補正時間記録用タイマー（４２）並びにオフセット及びスケールなどの補正データを一時的に記憶するための補正データ臨時記憶用バッファ（４３）を各々初期化する（Ｓ５３）。即ち、自動補正モードが選択された場合、補正が完了するまでの時間を記録するタイマー（４２）を「０」に初期化し、またオフセットとスケールを含む補正データを一時的に記憶するためのバッファ部（４３）を初期化する。この際、上記バッファ部（４３）において地磁気センサの各軸の最大値を記憶するバッファは補正に必要な最小値に初期化され、各軸の最小値を記憶するバッファは補正に必要な最大値に初期化される。

次いで、上記制御器（４４）は地磁気センサを駆動させ、上記地磁気センサにおいて地磁気信号を検出し、この検出された地磁気信号をＡ／Ｄ変換した後、上記データの入力を受けて方位角を計算する（Ｓ５４）。即ち、センサを駆動して出力されるアナログ信号をＡ／Ｄ変換過程によりデジタルデータに変換後このデジタルデータを利用して方位角を計算する。

続いて、上記制御器（４４）の制御により、本発明の状態チェック部（４１）においては入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態を検出する（Ｓ５５）。これを具体的に説明すると、上記信号入力の現状態検出段階（Ｓ５５）は、上記地磁気センサの信号の一サイクルを複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）に区分した後、上記入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態が上記複数の状態中どれに該当するかを判断する。

例えば、図３に示したように、Ｘ軸及びＹ軸地磁気の検出信号の交流波形各々が基準オフセットより上方であれば「＋」符合を割当て、基準オフセットより下方であれば「−」符合を割当て、こうした判断基準に応じて図３に示した波形に対する状態は下記表１のように定義される。

一旦、方位角を計算した後に、オフセットとスケールを自動的に計算する自動補正過程に進行するが、先ず地磁気データを利用して現在の状態を判断する。これは図３を参照しながら詳細に説明する。

図３は地磁気センサからの検出信号に対する状態定義グラフである。図３のように、上記地磁気センサにより検出される正常的な信号波形において、例えば、各状態はＳ１〜Ｓ４までの４段階に分けられるが、こうした各状態Ｓ１〜Ｓ４は下記表１のように定義される。

次に、上記制御器（４４）は上記入力された地磁気データを利用して地磁気センサの各軸センサの信号に対する最大値（ｍａｘ）及び最小値（ｍｉｎ）を探し出す（Ｓ５６）。

続いて、現在補正に所要された時間（ｔ）が予め設定した補正有効最大時間（Ｔ２）を経過しなかったかを判断するが（Ｓ５７）、即ち最大値（ｍａｘ）と最小値（ｍｉｎ）を探し出した後に、上記タイマー（４２）による現在時間を補正有効最大時間（Ｔ２）と比較して、補正が完了するまで補正有効最大時間が経過しなかったかを判断する。

ここで、もし現在時間が上記補正有効最大時間を経過した場合は、補正に必要な適正時間を超過した為に再び上記最初の過程に戻って方位角計算及び自動補正過程を繰り返す。

次に、現在時間が上記補正有効最大時間を経過しない場合、上記検出した信号入力の現状態が予め設定した正常な流れ状態に該当するか否かを判断する（Ｓ５８）。

これをより具体的に述べると、上記正常流れ状態判断段階（Ｓ５８）において正常な流れ状態は、上記地磁気センサの信号の一サイクルを複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）に区分した後、この複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）を利用して地磁気センサの信号が正常状態の信号入力順序であるかを判断すべく予め設定した複数の正常な流れ状態（ＳＦ１−ＳＦ４またはＳＦ５−ＳＦ８）のうち、一つに該当する。

前述したように、もし上記タイマー（４２）の現在時間（ｔ）が補正有効最大時間（Ｔ２）より小さければ以後状態の変化をチェックするが、この際、補正が完了する有効な状態とは地磁気センサを一方に、例えば時計周りまたは逆時計周りに回転させた場合である。この場合、有効な状態変化を下記表２に示した。

上記表２のように、８種の正常な流れ状態、即ち複数の時計方向の正常流れ状態（ＳＦ１−ＳＦ４）または逆時計周りの正常流れ状態（ＳＦ５−ＳＦ８）を除く場合、例えば、「Ｓ１→Ｓ２→Ｓ１」や「Ｓ１→Ｓ３→Ｓ２」などのように、状態が定義されない流れで変化する場合は入力が正常流れ状態でないものと判断して補正過程は再び最初の過程に戻る。

次に、上記正常な流れ状態の場合、上記地磁気センサの１回転、即ち１閉ループ（１−ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐ）に該当する信号が入力されたか否かを判断するが（Ｓ５９）、即ち状態変化が有効であれば地磁気センサが１回転以上回転したのか判断する。

ここで、上記１回転に該当する信号入力を判断する段階（Ｓ５９）においては、１回転に該当する信号が入力されなければ地磁気センサがまだ１回転していないと判断し、上記センサ駆動段階（Ｓ５４）に進行するが、反面上記地磁気センサが１回転以上回転した場合は補正が完了したので次の段階に進行する。

続いて、１回転に該当する信号が入力された場合、現在時間（ｔ）が予め設定した補正有効最小時間（Ｔ１）を経過したか否かを判断するが（Ｓ６０）、もし上記補正有効最小時間（Ｔ１）判断段階（Ｓ６０）において現在時間（ｔ）が予め設定した補正有効最小時間（Ｔ１）を経過しない場合には再び上記最初の段階（Ｓ５３）に進行する。

再び説明すると、地磁気センサ回転が速すぎる場合、地磁気信号の最大値と最小値を正確に探し出せず、これによりセンサ回転が１回転以上になった場合にはタイマー（４２）の現在時間を補正有効最小時間（Ｔ１）と比較して補正があまりにも速い時間内に完了されたか否かを判断する。ここで、補正完了時間が上記補正有効最小時間（Ｔ１）より小さければ自動補正過程の最初の段階から再び繰り返し実行する。

次に、上記タイマー（４２）の現在時間が上記補正有効最小時間（Ｔ１）を経過した場合、上記最大値及び最小値を利用してオフセット及びスケールを計算し、この計算されたオフセット、スケール、及び方位角データを記憶する（Ｓ６１）。

即ち、上記タイマー（４２）の現在時間（ｔ）が上記補正有効最小時間（Ｔ１）より大きいか又は同じであれば補正が適正時間に完了したものと判断できる為、各軸の最大値（ｍａｘ）、最小値（ｍｉｎ）を記憶したり各軸の最大値、最小値を利用して各軸センサ信号のオフセットとスケール値を計算し内部メモリーに記憶する。以後、終了以前であれば本発明の最初段階に進行して本発明の全体過程を繰り返し実行する。このように計算されたオフセットとスケールを利用して以前計算された方位角の偏差を補正できるようになる。

前述したような本発明によると、使用者の入力により補正を行う方式と、方位角を測定するモードにおいて自動で補正データを探し出し補正を行う自動補正方式を選択することができる。

また、電子コンパスが動作を開始して使用者が手動補正を願う場合、従来のような方式で補正を行い、そうでなければ電子コンパスは地磁気センサのデータを受けて方位角演算を行いながら自動でスケール及びオフセットを計算する補正過程を行い補正完了条件が満足されると補正を完了して新たな補正データをＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリーなどの非揮発性メモリーに記憶する。

以上の説明は本発明の具体的な実施例に対する説明に過ぎないので、本発明はこうした具体的な実施例に限定されず、また本発明に対する前述した具体的な実施例からその構成の多様な変更及び改造が可能なことを本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者は容易に想到できる。

本発明を行うための電子コンパスの制御部構成図である。本発明による電子コンパスの自動補正方法を示したフローチャートである。地磁気センサからの検出信号に対する状態定義グラフである。一般の電子コンパスの構成図である。従来の電子コンパスの補正方法を示したフローチャートである。地磁気センサからの検出信号波形図である。

符号の説明

４１状態チェック部
４２タイマー
４３バッファ部
４４制御器

Claims

地磁気センサ信号に基づき方位角を求める電子コンパスに適用される自動補正方法において、
初期化した後に地磁気センサを駆動させて地磁気データの入力を受け方位角を計算する段階（Ｓ５３、Ｓ５４）と、
上記入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態を検出する段階（Ｓ５５）と、
上記入力された地磁気データを利用して地磁気センサの各軸センサの信号に対する最大値（ｍａｘ）及び最小値（ｍｉｎ）を探し出す段階（Ｓ５６）と、
現在補正に所要された時間（ｔ）が予め設定した補正が有効に取り扱われる最大限の所要時間の補正有効最大時間（Ｔ２）を経過しなかったか否かを判断する段階（Ｓ５７）と、
上記補正有効最大時間（Ｔ２）を経過しない場合、上記検出した信号入力の現状態が予め設定した正常な流れ状態に該当するか否かを判断する段階（Ｓ５８）と、
上記正常な流れ状態であれば、上記地磁気センサの１回転に該当する信号が入力されたか否かを判断する段階（Ｓ５９）と、
１回転に該当する信号が入力された場合、現在時間（ｔ）が予め設定した補正が有効に取り扱われる最小限の所要時間の補正有効最小時間（Ｔ１）を経過したか否かを判断する段階（Ｓ６０）と、
上記補正有効最小時間（Ｔ１）を経過した場合、上記最大値及び最小値を利用してオフセット及びスケールを計算し、この計算されたオフセット、スケール、及び方位角データを記憶する段階（Ｓ６１）と、
を有することを特徴とする電子コンパスの自動補正方法。
上記信号入力の現状態検出段階（Ｓ５５）は、上記地磁気センサの信号の一サイクルを複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）に区分した後に、上記入力された地磁気データを利用して信号入力の現状態が上記複数の状態中どれに該当するか否かを判断するようになることを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。
上記補正有効最大時間（Ｔ２）の経過判断段階（Ｓ５７）は、上記現在時間（ｔ）が予め設定した補正有効最大時間（Ｔ２）を経過した場合には最初の段階（Ｓ５３）に進行するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。
上記正常流れ状態判断段階（Ｓ５８）における正常な流れ状態は、上記複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）を利用して、地磁気センサの信号が正常状態の信号入力順序であるかを判断すべく予め決定された複数の正常な流れ状態（ＳＦ１−ＳＦ４またはＳＦ５−ＳＦ８）を有することを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。
上記正常な流れ状態判断段階（Ｓ５８）における正常な流れ状態は、上記複数の状態（Ｓ１−Ｓ４）を利用して正常流れ状態に該当する複数の時計方向の正常流れ状態（ＳＦ１−ＳＦ４）または逆時計周りの正常な流れ状態（ＳＦ５−ＳＦ８）に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。
上記１回転の信号入力判断段階（Ｓ５９）は、１回転に該当する信号が入力されなければ地磁気センサが１回転していないと判断し、上記センサ駆動段階（Ｓ５４）に進行するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。
上記補正有効最小時間（Ｔ１）判断段階（Ｓ６０）は、現在時間（ｔ）が予め設定した補正有効最小時間（Ｔ１）を経過しなければ上記最初の段階（Ｓ５３）に進行するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電子コンパスの自動補正方法。