JP4559888B2 - 地磁気測定装置および地磁気測定方法 - Google Patents

地磁気測定装置および地磁気測定方法 Download PDF

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Description

本発明は地磁気測定装置および地磁気測定方法に関し、特に、携帯機器に搭載する電子コンパスに適用して好適なものである。
近年、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などの普及により、歩行者用ナビゲーションシステムのニーズが高まっており、歩行者の現在位置と共に進行方向を計測するための携帯機器に搭載可能な方位角測定装置の需要が高まっている。
ホール素子は従来より良く知られた磁気センサであり、小型・軽量・安価という特徴があるが、近年、ホール素子を用いて地磁気を検出する方位角測定装置も見受けられる。
しかしながら、ホール素子はオフセット量が大きく、チョッパ回路などの良く知られているオフセットキャンセルの手法をとったとしても、残留のオフセット分が存在する。また、磁気センサからの出力を増幅する増幅器などの後段回路に起因するオフセット分も存在する。さらに、携帯機器内部には、スピーカなどの磁性部品に起因する漏洩磁場が存在し、これも地磁気信号に対するオフセット分として寄与する。
これらのオフセット分は地磁気信号に対して大きい場合もしばしばであり、方位角測定装置としては、磁気センサから出力される大きなオフセット成分に重畳した小さな地磁気信号を検出するという構図が見られている。
このような方位角測定装置の構成としては、2軸または3軸の磁気センサの出力をA/Dコンバータによってデジタル変換し、デジタル信号処理にて方位角を演算する手法が一般的である。
この場合、地磁気信号より大きなオフセット量の元で、ホール素子からの出力をデジタル変換して信号処理を行うには、入力範囲の大きなA/Dコンバータが必要になる。この結果、地磁気信号測定の精度を保つためには、入力ビット数の大きなA/Dコンバータを用いる必要が生じるが、そのようなA/Dコンバータは高価であり、方位角測定装置のコストアップを招くとともに、地磁気信号を増幅する方位角測定装置のアナログ回路部分における1ビット当たりの電圧精度も厳しくなり、回路設計上の負担が増加する。
一方、特許文献1にて出願人が提案している技術では、オフセット分に相当する信号をD/Aコンバータで発生させ、減算回路を通して磁気センサからの出力に重畳させることで、A/Dコンバータに入力される信号からオフセット分を減算することができる。したがって、地磁気信号に相当する成分のみをA/Dコンバータに入力することが可能となり、A/Dコンバータの入力範囲を小さく済ませることができる。このため、ビット数が小さなA/Dコンバータを用いることができ、方位角測定装置を安価に実現できる。
図7は、従来の方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図7において、方位角測定装置には、磁気センサ11、増幅器12、減算器13、A/Dコンバータ14、オフセット算出手段15、D/Aコンバータ16、メモリ17および方位角演算手段18が設けられている。また、メモリ17には、磁気センサ11の真のオフセット値17aおよび入力範囲調整用オフセット値17bが格納される。
ここで、磁気センサ11の真のオフセット値17aには、地磁気信号に対するオフセット値も含まれ、具体的には、磁気センサ11に固有のオフセットだけでなく、磁気センサ11が搭載される携帯機器内部で磁場を発生するスピーカなどの漏洩磁場が磁気センサ11により検出される出力分も含むことができる。また、入力範囲調整用オフセット値17bは、増幅器12の出力が減算器13を通してA/Dコンバータ14の入力範囲に収まるように設定することができる。また、増幅器12の出力がA/Dコンバータ14の入力範囲を越える場合においても、増幅器12の出力が減算器13を通してA/Dコンバータ14の入力範囲に収まるように、入力範囲調整用オフセット値17bが設定されているので、入力範囲調整用オフセット値17bのアナログ値が減算された増幅器12の出力を、A/Dコンバータ14を用いて正常にA/D変換することができる。
そして、磁気センサ11からの出力は増幅器12にて増幅され、減算器13に入力される。一方、オフセット算出手段15は、入力範囲調整用オフセット値17bをメモリ17から読み出し、入力範囲調整用オフセット値17bをD/Aコンバータ16に出力する。そして、D/Aコンバータ16は、入力範囲調整用オフセット値17bをアナログ値に変換し、そのアナログ変換後の入力範囲調整用オフセット値17bを減算器13に出力する。
そして、減算器13は、増幅器12の出力と、入力範囲調整用オフセット値17bのアナログ値との差分を算出し、入力範囲調整用オフセット値17bのアナログ値が減算された増幅器12の出力をA/Dコンバータ14に出力する。
そして、A/Dコンバータ14にて、入力範囲調整用オフセット値17bのアナログ値が減算された増幅器12の出力がデジタル値に変換されると、オフセット算出手段15は、入力範囲調整用オフセット値17bをメモリ17から読み出す。
そして、入力範囲調整用オフセット値17bのアナログ値が減算された増幅器12のデジタル出力に、入力範囲調整用オフセット値17bをデジタル的に加算し、入力範囲調整用オフセット値17bを減算する前の増幅器12のデジタル出力を算出する。
これにより、増幅器12の出力自体をA/Dコンバータ14に通すことなく、増幅器12の元の出力のデジタル値を算出することができ、A/Dコンバータ14の入力範囲が増幅器12の出力範囲よりも狭い場合においても、増幅器12のアナログ出力をデジタル化することができる。
そして、オフセット算出手段15は、増幅器12のデジタル出力が得られると、磁気センサ11の真のオフセット値17aをメモリ17から読み出し、増幅器12のデジタル出力から磁気センサ11の真のオフセット値17aを減算する。そして、方位角演算手段18は、真のオフセット値17aが減算された増幅器12のデジタル出力に基づいて、方位角を演算する。
図8は、図7のオフセット算出手段15が入力範囲調整用オフセット値17bを算出する動作を示すフローチャートである。
図8において、図7の磁気センサ11の出力は増幅器12で増幅され、減算器13を経てA/Dコンバータ14に入力される。そして、オフセット算出手段15によって算出された入力範囲調整用オフセット値17bがD/Aコンバータ16へ入力され、D/Aコンバータ16にてアナログ信号に変換された後、減算器13へ入力される。ここで、オフセット算出手段15は、D/Aコンバータ16から出力される入力範囲調整用オフセット値17bの初期値をD/Aコンバータ16の全出力範囲の1/2とし、A/Dコンバータ14に入力された減算器13の出力を評価することができる。
すなわち、D/Aコンバータ16から入力範囲調整用オフセット値17bの初期値としてD/Aコンバータ16の全出力範囲の1/2を減算器13に出力する(ステップS11)。
次に、nを1に初期化した後(ステップS12)、磁気センサ11の出力を増幅した増幅器12の出力からD/Aコンバータ16の出力を減算器13にて減算した後、A/Dコンバータ14に出力する(ステップS13)。
そして、オフセット算出手段15は、減算器13の出力がA/Dコンバータ14の入力範囲の中心よりも大であるか小であるかを判別し(ステップS17)、減算器13の出力がA/Dコンバータ14の入力範囲の中心よりも大であったならば、D/Aコンバータ16の全出力の1/(2n)を入力範囲調整用オフセット値17bの初期値に加算し(ステップS18)、更新されたD/Aコンバータ16の出力を減算器13に入力する(ステップS20)。
一方、減算器13の出力がA/Dコンバータ14の入力範囲の中心よりも小であったならば、D/Aコンバータ16の全出力の1/(2n)を入力範囲調整用オフセット値17bの初期値から減算し(ステップS19)、更新されたD/Aコンバータ16の出力を減算器13に入力する(ステップS20)。
この状態で減算器13から出力されA/Dコンバータ14へ入力された信号に対して、再びオフセット算出手段15が評価をする。そして、nを1づつ加算しながらnが所定値以上になるまで同様の処理を繰り返すことで(ステップS15、S16)、A/Dコンバータ14に入力される減算器13の出力は、A/Dコンバータ14の入力範囲の中心へと収斂される(ステップS14)。
特開2003−294447号公報 特許第1422942号公報 特許第1660613号公報
しかしながら、上記技術においては、磁気センサ11や増幅器12の出力のオフセット分をD/Aコンバータ16の出力で完全に相殺することはできないので、磁気センサ11から出力され、増幅器12で増幅された地磁気信号がA/Dコンバータ14の入力範囲の高側または低側に偏って存在する可能性がある。この場合、磁気センサ11や増幅器12のオフセットやゲインの変動、さらに環境磁界の変動などにより、減算器13の出力がA/Dコンバータ14の入力範囲を越えてしまい、オーバーフローが生じてしまうことがある。そして、このオーバーフローが起こると、正しい方位角情報を得られないばかりか、D/Aコンバータ16の出力を再設定しなければならず、方位角の測定を最初から行わなければならないという問題があった。
図9は、従来のオフセット算出法によるD/Aコンバータ16の出力とA/Dコンバータ14の入力範囲の中心の変化の様子を説明する図である。なお、図9では、8bitのA/Dコンバータ14とD/Aコンバータ16を例として示している。
図9において、D/Aコンバータ16の出力は、A/Dコンバータ14の入力範囲の中心が測定信号つまり磁気センサ11の出力を増幅した増幅器12の出力に近づくように、(A)→(B)→(C)と変化してゆく。この状態の時、減算器13からの出力はA/Dコンバータ14の入力範囲の中心に位置するが、必ずしも磁気センサ11によって感知された地磁気信号の中心がA/Dコンバータ14の中心であるとは限らない。
例えば、オフセット補正動作を行った際の地磁気信号がたまたま磁気子午線から90度離れた方向であった場合は、磁気センサ11が感知する地磁気信号は地磁気信号の中心であり、上記オフセット補正によって地磁気信号の中心がA/Dコンバータ14の入力範囲の中心になる。すなわち、2軸の直交座標系X、Yを考えたときに、X方向が磁気子午線方向であったときに、Y方向の磁界を感知する磁気センサはこれに相当する。しかしながら、同じ時に、X方向を検知する磁気センサは、磁気子午線方向の磁界成分に感度を持ち、地磁気信号としては最大または最小の値を検知していることになる。
例えば、磁気センサ11が地磁気信号の最小の値を検知している(南方向の磁界に相当)場合(図9の(D))、地磁気信号は、A/Dコンバータ14の入力範囲の高域側半分に位置することになる。地磁気信号がA/Dコンバータ14の入力範囲の1/4以上の振幅を持っているとすると、オーバーフローする可能性があるために、通常はオーバーフローしないようなゲインが増幅器12で設定されているが、その場合でも、オフセット補正を行った後に、磁気センサ11や増幅器12のゲインが変わったとか、環境磁界のオフセットが加わったなどの外部要因があると、減算器13からの出力がA/Dコンバータ14の入力範囲を容易に超えてしまい、オーバーフローを起こしてしまう(図9の(E))。
そして、オーバーフローが起これば、その際のデータをもとに演算した方位角は正しい値を示さないので、D/Aコンバータの16出力を再度設定しなくてはならなくなり、また方位角を演算するための地磁気信号が描く軌跡の中心を求めるキャリブレーション操作を再び行う必要があるなどの問題が生ずる。なお、キャリブレーション操作については、例えば、特許文献2および特許文献3に開示されている。
一方、オーバーフローを起こりにくくするためには、増幅器12のゲインを下げることで、地磁気信号の最大または最小値からA/Dコンバータ14の入力範囲までの余裕を確保することが考えられるが、その場合は地磁気信号に相当するA/Dコンバータ14のビット数が少なくなり、したがって方位角の分解能が下がってしまう。分解能をあげるためにA/Dコンバータ14のビット数を上げれば、D/Aコンバータ16でオフセットを補正する技術の本来の目的と相反することになり、この手法の利点がなくなってしまう。
そこで、本発明の目的は、地磁気方位によらずに、A/Dコンバータの入力範囲の中心に地磁気信号の中心を設定することが可能であり、かつA/Dコンバータの入力範囲をできるだけ大きな信号振幅を持つ地磁気信号で利用できるような、地磁気測定装置および地磁気測定方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、請求項1記載の地磁気測定装置によれば、磁気センサと、前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する増幅手段と、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバータと、前記増幅手段からの出力と前記D/Aコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、前記減算器から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、前記増幅手段によって所定の利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記減算器の出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第1のオフセット算出手段と、前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第2のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする。
また、請求項2記載の地磁気測定装置によれば、前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記増幅手段の利得の第1の利得より大きい第2の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第1の利得から前記第2の利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値の補正を行い、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力し、前記第2の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする。
また、請求項3記載の地磁気測定装置によれば、前記第2のオフセット値は、前記増幅手段の利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項4記載の地磁気測定装置によれば、前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする。
また、請求項5記載の地磁気測定装置によれば、前記第1の利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように前記第1の増幅手段のゲインが設定されており、前記第2の利得は、前記第1の利得の約2倍であることを特徴とする。
また、請求項6記載の地磁気測定装置によれば、磁気センサと、前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する第1の増幅手段と、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバータと、前記第1の増幅手段からの出力と前記D/Aコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、前記減算器から出力されるアナログ信号を所定の利得で増幅する第2の増幅手段と、前記第2の増幅手段からの出力をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段によって、前記第1の増幅手段の利得と前記第2の増幅手段の利得の合計利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記第2の増幅手段の出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第1のオフセット算出手段と、前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第2のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする。
また、請求項7記載の地磁気測定装置によれば、前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記第1の増幅手段の利得と前記第2の増幅手段の利得を合わせた第1の合計利得より大きい第2の合計利得で前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第1の合計利得から前記第2の合計利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正し、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力し、前記第2の合計利得で前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段が増幅したアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする。
また、請求項8記載の地磁気測定装置によれば、前記第2のオフセット値は、前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項9記載の地磁気測定装置によれば、前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする。
また、請求項10記載の地磁気測定装置によれば、前記第1の合計利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段のゲインが設定されており、前記第2の合計利得は、前記第1の合計利得の約2倍であることを特徴とする。
また、請求項11記載の地磁気測定方法によれば、磁気センサの出力を所定の利得で増幅するステップと、前記増幅された出力とD/Aコンバータからの出力の差分を算出するステップと、前記差分に対応するアナログ信号をA/Dコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記差分に対応するアナログ信号が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出するステップと、前記算出された第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップと、前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出するステップと、
前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする。
また、請求項12記載の地磁気測定方法によれば、前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記所定の第1の利得より大きい第2の利得で増幅されたアナログ信号から、前記第1の利得から前記第2の利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正するステップと、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力するステップと、前記第2の利得で増幅されたアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする。
また、請求項13記載の地磁気測定方法によれば、前記第2のオフセット値は、前記利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項14記載の地磁気測定方法によれば、前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする。
また、請求項15記載の地磁気測定方法によれば、前記第1の利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように設定されており、前記第2の利得は、前記第1の利得の約2倍であることを特徴とする。
また、請求項16記載の地磁気測定方法によれば、磁気センサの出力を第1の利得で増幅するステップと、前記第1の利得で増幅された出力とD/Aコンバータからの出力の差分を算出するステップと、前記差分に対応するアナログ信号を第2の利得で増幅するステップと、前記第2の利得で増幅された出力をA/Dコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記第2の利得で増幅された出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出するステップと、前記算出された第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップと、前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出するステップと、
前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする。
また、請求項17記載の地磁気測定方法によれば、前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記第1の利得と前記第2の利得を合わせた第1の合計利得より大きい第2の合計利得で増幅されたアナログ信号から、前記第1の合計利得から前記第2の合計利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正するステップと、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力するステップと、前記第2の合計利得で増幅されたアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする。
また、請求項18記載の地磁気測定方法によれば、前記第2のオフセット値は、前記第1の利得と前記第2の利得の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項19記載の地磁気測定方法によれば、前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする。
また、請求項20記載の地磁気測定方法によれば、前記第1の合計利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように設定されており、前記第2の合計利得は、前記第1の合計利得の約2倍であることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、オフセット補正を行った際の地磁気方位によらずに地磁気信号を常にA/Dコンバータの入力範囲の中心に設定することができ、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるA/Dコンバータの出力飽和を起こり難くすることが可能となり、また、増幅器のゲインを増加させることができるため、方位角の測定精度が向上するとともに安定した測定を行うことができる。
以下、本発明の実施形態に係る方位角測定装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である
。なお、図1の方位角測定装置には、第1のオフセット算出手段5aのほかに第2のオフセット算出手段5bが設けられている。
すなわち、図1において、方位角測定装置には、磁気センサ1、増幅器2、減算器3、A/Dコンバータ4、第1のオフセット算出手段5a、第2のオフセット算出手段5b、D/Aコンバータ6、メモリ7および方位角演算手段8が設けられている。また、メモリ7には、第1のオフセット値7aおよび第2のオフセット値7bが格納される。なお、磁気センサ1としては、例えば、ホール素子を用いることができ、InSbやInAs、GaAsなどの化合物半導体系、あるいは、Siモノリシックホール素子であることが好ましい。
第1のオフセット算出手段5aは、減算器3の出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に近づくようなD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である第1のオフセット値7aを算出し、D/Aコンバータ6またはメモリ7へ出力できるとともに、その後方位角演算手段8による増幅器2のゲイン変更に応じて、メモリ7より第1のオフセット値7aを読み込み補正し、補正した値をメモリ7へ出力する機能を有する。第2のオフセット算出手段5bは、地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値を算出することができるとともに、その値を第2のオフセット値7bとしてメモリ7へ出力でき、メモリ7に格納されている第1のオフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力することができる。そして、その後の方位角演算手段8による増幅器2のゲイン変更に応じて、第2のオフセット値7bをメモリ7より読み込み補正し、メモリ7に格納されている第1のオフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力することができる。
また、第1のオフセット値7aは、ゲイン変更前に減算器3の出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に収まるようなD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器2のゲイン変更後に第1のオフセット算出手段5aによって補正され、変更することができる。第2のオフセット値7bは、ゲイン変更前に地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器2のゲイン変更後に第2のオフセット算出手段5bによって補正され、変更することができる。なお本発明の実施例においては、第2のオフセット値7bとはD/Aコンバータ6に入力されるデジタル値として考えているが、A/Dコンバータ4に入力される電圧として考え算出する方法もある。
また、方位角演算手段8は増幅器2のゲインを変更することができるとともに、ゲイン変更の前後で方位角を演算することができる。
まず、ゲインを変更する前までの方位角測定について説明する。
磁気センサ1の出力は増幅器2で増幅され、減算器3に出力される。また、減算器3には、D/Aコンバータ6からの出力が入力される。そして、減算器3にて、増幅器12の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算が行われ、その減算結果がA/Dコンバータ4に入力される。そして、減算器3からの出力がA/Dコンバータ4にてデジタル信号に変換された後、第1のオフセット算出手段5aおよび第2のオフセット算出手段5bに出力される。
ここで、第1のオフセット算出手段5aは、A/Dコンバータ4からの出力が入力されると、図8と同様の処理により、A/Dコンバータ4の出力を評価し、減算器3からの出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に位置するように第1のオフセット値7aを定め、メモリ7に第1のオフセット値7aとして記憶する。そして、第1のオフセット算出手段5aによって算出された第1のオフセット値7aがD/Aコンバータ6の出力設定値としてD/Aコンバータ6へ入力され、D/Aコンバータ6にてアナログ信号に変換された後、減算器3へ入力される。
その後に、第2のオフセット算出手段5bは、第1のオフセット値7aがD/Aコンバータ6に入力された時のA/Dコンバータ4からの出力に基づいて、地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分を算出し、その差分に相当するD/Aコンバータ6の出力設定値を第2のオフセット値7bとする。第2のオフセット値7bは、メモリ7に記憶されるとともに、第1のオフセット値7aをメモリ7から読み出し、第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bの和をD/Aコンバータ6よりアナログ信号に変換して出力させることで、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に一致させる。そして、方位角演算手段8は、A/Dコンバータ4の出力値に基づいて、方位角を演算することができる。これにより、オフセット補正を行った際の地磁気方位によらずに地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に設定することができる。このため、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるA/Dコンバータ4の出力飽和を起こり難くすることが可能となり、方位角測定を安定して行うことができる。
図2は、上記のゲイン変更をしない場合の図1の方位角測定装置が第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bを算出し、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心と一致させる手順を示すフローチャートである。
図2において、第1のオフセット算出手段5aは、増幅器2の出力からD/Aコンバータ6の出力を減算した減算器3からの出力が、A/Dコンバータ4の入力範囲の中心に位置するように第1のオフセット値7aを定め、D/Aコンバータ6の出力を設定する(ステップS1)。
次に、第2のオフセット算出手段5bは、地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分を算出し、その値に相当するD/Aコンバータ6の出力設定値を第2のオフセット値7bとする(ステップS2)。そして、第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bをD/Aコンバータ6に入力することにより、第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bの和をアナログ信号に変換させて出力し(ステップS3)、減算器3に入力させる(ステップS4)。そして、減算器3にて、増幅器2の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算を行わせ、その減算結果をA/Dコンバータ4に出力させる(ステップS5)。このようにして地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心が一致し、その後方位角演算手段8はA/Dコンバータ4の出力に基づいて方位角を演算することができる。
図3は、図1の方位角測定装置において2軸の磁気センサを利用した場合に、地磁気信号方位円E、A/Dコンバータ4の入力範囲及びD/Aコンバータ6の出力の関係を示す図である。
図3において、第1のオフセット値7aに相当するD/Aコンバータ6の出力OF1を出力した際の地磁気信号の描く方位円Eの中心O´点は、A/Dコンバータ4の入力範囲R1の中心O点とは別の場所に位置する。ここで、地磁気信号の強度は、一般に地磁気の全磁力と呼ばれるが、地球上の人間居住地域では20マイクロテスラから60マイクロテスラ程度まで分布し、日本の東京付近では、46マイクロテスラ程度と言われている。従って、最初の増幅器2のゲイン設定としては、60マイクロテスラがA/Dコンバータ4の入力範囲の1/4以下に相当するように設定することが好ましい。このようにすれば、第1のオフセット値7aを算出しOF1を出力した際に、地磁気信号の描く方位円EがA/Dコンバータ4の入力範囲R1を超え、オーバーフローするようなことが無くなるからである。
その上で第2のオフセット値7bを算出し、その値に相当するD/Aコンバータ6の出力OF2を、OF1にあわせてD/Aコンバータ6から出力することで、地磁気信号の描く方位円の中心O´点をA/Dコンバータ4の入力範囲R1の中心O点に設定することが可能となる。こうすることで、A/Dコンバータ4の入力範囲の中心をO点からO´点に移動させることが可能となり、OF1をD/Aコンバータ6より出力した時のA/Dコンバータ4の入力範囲R1を、OF1とOF2をあわせてD/Aコンバータ6より出力した時のA/Dコンバータ4の入力範囲R2に変更し、地磁気信号の描く方位円の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心を一致させることができる。このため、磁気センサ1や増幅器2のゲインが変わったとか、環境磁界のオフセットが加わったなどの外部要因があっても、A/Dコンバータ4は飽和しにくくなり、雑音や外乱に対する耐性の高い方位角測定装置を構成することができる。
なお、第2のオフセット値7bを算出する方法は、地磁気信号の描く2軸の方位円もしくは3軸の球面の中心を求める方法ならば何でもよいが、例えば、方位角測定装置を水平方向に一周回転させ、得られた軌跡のX座標およびY座標の最大値および最小値から求める方法や、出願人がWO2004/003476に提示している方位角測定装置を3次元方向に任意に動かした時の地磁気情報から統計的手法により球の中心を求める方法などが好ましい。
以下、図1の方位角測定装置のゲイン変更前までのD/Aコンバータ6の出力設定値の計算手法について説明する。
A/Dコンバータ4への入力電圧VADC(入力範囲の中心電圧は簡単のため0Vとする)は磁気センサ1、例えば、ホール素子の出力をVHE、増幅器2のゲインをG(地磁気信号の全磁力がA/Dコンバータ4の入力範囲の1/4以下になるような設定値)、D/Aコンバータ6の出力をDとすると、
ADC=VHE+D ・・・(1)
=ΔVDAC×d ・・・(2)
となる。ただし、dはD/Aコンバータ6の出力設定値(LSB)、ΔVDACはD/Aコンバータ6の1LSBに相当する電圧(V)である。
ここで、A/Dコンバータ4の入力範囲の大きさを電圧でRADC(V)、コードをLADC(LSB,A/Dコンバータ4のビット数をnとすると2n−1に相当する)とすると、A/Dコンバータ4の出力コードCADC(中心の出力コードは0LSB)は、
ADC=(LADC/RADC)VADC ・・・(3)
ここで、図9に示す方法で減算器3の出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に収まるように調整を行い、そのとき得られたD/Aコンバータ6の出力設定値をdとする。このdが第1のオフセット値7aとなる。また、通常図8の方法でdを求めると、A/Dコンバータ4の入力範囲の中心と、地磁気信号の描く方位円の中心の間にはオフセットが存在するため、そのオフセットをWO2004/003476に示されている方法で求める。
このとき、求められたオフセットに相当するA/Dコンバータ4の出力コードをODOE1とすると、測定される地磁気信号H(LSB)は、次式で表すことができる。
H=(CADC−ODOE1) ・・・(4)
(4)式は、(1)式、(2)式及び(3)式より、
H={(LADC/RADC)(VHE+ΔVDAC×d)−ODOE1
・・・(5)
となる。ここで、
=d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1 ・・・(6)
とおくと、(5)式は、
H=(LADC/RADC)(VHE+ΔVDAC×d
・・・(7)
となり、dにより設定したDをD/Aコンバータ6より出力することで、A/Dコンバータ4の入力範囲の中心に地磁気信号の中心を割り当てることができる。すなわち(6)式の右辺の負の符号も含めた第2項が第2のオフセット値7bとなる。
実際には、D/Aコンバータ6の出力設定値は整数であるので、(6)式で計算される値を設定することはできない。(6)式の丸め誤差も補正する設定式は以下で与えられる。
d’=rint{d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1
・・・(8)
ここで、rint()は四捨五入演算子とする。このとき、
D’=ΔVDAC×d’ ・・・(9)
である。
上記演算を、2軸または3軸の磁気センサのおのおのに対して行うことにより、磁気センサ1が感知する2次元平面上もしくは3次元空間上の磁気ベクトルに重畳するオフセット分をD/Aコンバータ6の出力によって減算することができ、地磁気ベクトルが成す方位円または方位球の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心付近に割り当てることができる。
なお、図3は説明の便宜上、2次元平面の信号に対して記述しているものであるが、3軸磁気センサの場合についても3次元空間上で同様に適用することができる。
さらに、上記のように第2のオフセット値7bを算出し、D/Aコンバータ6にオフセット値を再設定したことで、方位角測定装置の角度分解能を向上させることが可能となる。
すなわち、上記のように地磁気信号の強度がA/Dコンバータ4の入力範囲の1/4以下に相当するように増幅器2のゲインを設定した場合、地磁気信号の中心がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心になるように設定されると、地磁気信号は、最大でもA/Dコンバータ4の入力範囲の中心から、大小の方向に入力範囲の1/4の範囲を占めるだけである。従って、地磁気信号の中心がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心になった後は増幅器2のゲインを増やすことが可能となる。増幅器2のゲインの増加幅は想定される使用形態によって任意であり、磁気センサ1や増幅器2のゲイン変動や、環境磁界のオフセットなどの外部要因を考慮して決めることが可能である。実際に外部要因を考慮した場合、ゲインの増加分は2倍かそれ以下にすることが望ましい。これにより、A/Dコンバータ4の量子化サイズで定まる方位角測定装置の分解能を向上させることができる。
ただし、変更されたゲインに応じて増幅器2の出力に含まれている地磁気信号以外のオフセット成分も変動するため、第1のオフセット算出手段5a及び第2のオフセット算出手段5bは、上記のように算出した第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bを以下のように補正し、その変動分を減算器3で相殺する必要がある。
すなわち、方位角演算手段8により増幅器2のゲインを変更した後、ゲイン変更に応じて第1のオフセット算出手段5a及び第2のオフセット算出手段5bは、メモリ7に格納されている第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bを読み出し補正し、メモリ7に再び格納するとともに、その補正した第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bの和をD/Aコンバータ6よりアナログ信号に変換して減算器3へ出力する。そして、そのときのA/Dコンバータ4の出力から地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心の差に相当するD/Aコンバータ6の出力設定値を、第2のオフセット算出手段5bにより新たに算出し、その算出した値をメモリ7に格納されている第2のオフセット値7aに加えて、再度補正した第2のオフセット値7aとしてメモリ7に設定し、第1のオフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6より出力することで、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に一致させることができる。
次に。以上のような図1の方位角測定装置の増幅器2のゲインを変更する場合のD/Aコンバータ6の出力設定値の計算手法について述べる。ただし、以下では丸め誤差を補正した数式は省略する。
増幅器2のゲインを変動する場合、増幅器2のゲイン変動などにより変動するオフセットを考慮する必要があり、それを残留オフセットOとすると、第1のオフセット値7aを算出した後、(1)式は次のように変更される。
ADC=(VHE+D+O) ・・・(10)
そして、第2のオフセット値7bを求めると、D/Aコンバータ6の出力設定値d3は上記の(6)式と同様で、次のようになる。
3=d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1 ・・・(11)
ここで、増幅器2のゲインをGに変更する。ゲイン変更の前後で地磁気信号のHとHには次のような関係がある。
=(G/G)H ・・・(12)
仮にOが既知の量である場合、
=(G/G)d+(G/G−1)/ΔVDAC
・・・(13)
のようにD/Aコンバータ6の出力設定値を変更することで、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の中心へと持ってくることができる。しかし実際には、Oのゲイン変更に伴う増減が未知であり、その変化分は(13)式の第1項をD/Aコンバータ6の出力設定値とした上で算出し、相殺する。
すなわち、ゲイン変更後にD/Aコンバータ6の出力設定値として、
(G/G)d=(G/G)d−(G/G)RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1
・・・(14)
の右辺第1項を補正された第1のオフセット値7aとし、第2項を補正されたオフセット値7bとして設定する。この設定値のもとでは、地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との間にはオフセットが存在し、そのオフセットに相当するA/Dコンバータ4の出力をODOE2とすると、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へ設定するためのD/Aコンバータ6の出力設定値dは、
=(G/G)d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE2
・・・(15)
とすればよい。すなわち、
=(G/G)d−(G/G)RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE2
・・・(16)
ここで、右辺の第1項がゲイン変更後に補正される第1のオフセット値7aに相当し、負の符号も含めた第2項と第3項の和が最終的に補正される第2のオフセット値7bに相当する。D/Aコンバータ6の出力は、
=ΔVDAC×d ・・・(17)
となる。
図4は、図1の方位角測定装置が、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に一致させた後に、増幅器2のゲインを変更した場合の方位角を演算する手順を示すフローチャートである。
すなわち、図2の手順にて地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心を一致させた後(ステップS101)、地磁気信号の大きさに応じて方位角演算手段8は増幅器2のゲインを増加させる(ステップ102)。そして、ゲイン変更に応じて第1のオフセット算出手段5a及び第2のオフセット算出手段5bは、第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bをメモリ7より読み出し補正し、メモリ7に再び格納する(ステップS103)。そして、第2のオフセット算出手段5bはその補正した第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bの和をD/Aコンバータ6へ出力し、D/Aコンバータ6よりアナログ信号に変換して出力する(ステップS104)。そして、減算器3にて、増幅器2の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算を行い、その減算結果をA/Dコンバータ4に出力する(ステップS105)。そして、A/Dコンバータ4からの出力から、第2のオフセット算出手段5bは地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力設定値を算出し(ステップS106)、算出された出力設定値をメモリ7に格納されている第2のオフセット値7bに加えて、あらたに補正した第2のオフセット値7bとしてメモリ7に格納する(ステップ107)。そして、メモリ7から読み出した第1オフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力し、D/Aコンバータ6より第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bの和をアナログ信号に変換して出力する(ステップ108)。そして、減算器3にて増幅器2の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算を行い、その減算結果をA/Dコンバータ4に出力する(ステップ109)。このようにしてゲイン変更後の地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心が一致したので、A/Dコンバータ4の出力から方位角演算手段8は変更されたゲインのもとで安定して方位角を演算することができる(ステップ110)。また以上の手順において、最終的にD/Aコンバータ6の出力設定値を決定するまでに第2のオフセット値7aの補正を2回行うことになる。
以上のようにすることで、増幅器2のゲインを増加させた場合にも地磁気方位によらずに地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に設定することができ、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるA/Dコンバータ4の出力飽和を起こり難くすることが可能である。また、増幅器2のゲインを大きくしたので、地磁気信号に割り当てられるA/Dコンバータ4の出力コード数が増加し、角度精度を向上させることが可能となる。すなわち、方位角の測定精度を向上させるとともに安定した測定を行うことができる。
以下に本発明における第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図5は本発明における第2の実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
第1の実施形態における図1の構成では、増幅手段は増幅器2が1つあった場合であるが、増幅器2では十分地磁気信号を増幅できない場合、図5のように減算器3の後に第2の増幅手段として積分器9を利用するような構成が考えられる。
すなわち、図5において積分器9は、減算器3の出力を積分によって増幅し、A/Dコンバータ4へ出力する。また積分器9は方位角演算手段8によって、ゲイン(積分時間など)を変更することができる。
また、第1のオフセット算出手段5aは、積分器9の出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に近づくようなD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である第1のオフセット値7aを算出し、D/Aコンバータ6またはメモリ7へ出力できるとともに、その後に方位角演算手段8による増幅器2または積分器9のゲイン変更に応じて、メモリ7より第1のオフセット値7aを読み込み補正し、補正した値をメモリ7へ出力する機能を有する。第2のオフセット算出手段5bは、地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値を算出することができるとともに、その値を第2のオフセット値7bとしてメモリ7へ出力でき、メモリ7に格納されている第1のオフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力することができる。そして、その後に方位角演算手段8による増幅器2または積分器9のゲイン変更に応じて、第2のオフセット値7bをメモリ7より読み込み補正し、メモリ7に格納されている第1のオフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力することができる。
また、第1のオフセット値7aは、ゲイン変更前に積分器9の出力がA/Dコンバータ4の入力範囲の中心に収まるようなD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器2または積分器9のゲイン変更後に第1のオフセット算出手段5aによって補正され、変更することができる。第2のオフセット値7bは、ゲイン変更前に地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器2または積分器9のゲイン変更後に第2のオフセット算出手段5bによって補正され、変更することができる。
また、方位角演算手段8は増幅器2または積分器9のゲインを変更することができるとともに、ゲイン変更の前後で方位角を演算することができる。
図5の上記で説明したもの以外の構成は図1と同様である。
図5の場合にも第1実施例と同様に、次のようにして地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へと移動させることができる。
積分器9のゲインをIiとすると、A/Dコンバータ4の入力電圧は以下のようにあらわされる。
ADC=(VHEi+Di+O)×Ii ・・・(18)
なお、ここで用いられている記号等は上記第1実施例と同様である。Oは残留オフセットを表し、増幅器2のゲイン変動などにより変動するオフセットである。これは、積分器で増幅されるために無視できない量となる。また、Gi、Iiにおける添え字はゲイン変更前後を1と2で表すためのものである。
第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bを求めた後、D/Aコンバータ6より、以下の設定値dを出力することにより、A/Dコンバータ4の入力範囲の中心に地磁気信号の中心を移動させることができる。ここで、初期の増幅器2のゲインをG、積分器9のゲインをIとすると(G及びIは第1実施例と同様に地磁気信号の全磁力がA/Dコンバータ4の入力範囲の1/4になるような設定値となっている)、
=ΔVDAC×d=ΔVDAC×{d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1
・・・(19)
である。
ここで、地磁気信号の大きさに応じて方位角演算手段8によりゲインを変更することで地磁気信号を大きくし、A/Dコンバータ4の入力範囲内を十分に活用することができる。ゲインの変更は、増幅器2または積分器9のみを変更する場合と両者を変更する場合がある。
まず、増幅器2のゲインを変更する場合について述べる。増幅器2のゲインGをGに変更する場合、第1実施例と同様な算出方法により、ゲイン変更後に第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bを補正した後に存在する地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するA/Dコンバータ4の出力コードをODOE3とすると、D/Aコンバータ6の出力設定値dは、
=(G/G)d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE3
・・・(20)
=ΔVDAC×d ・・・(21)
と設定すればよい。
以上のようにすることで、増幅器2のゲインを変更した場合に地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へと一致させることができる。
第2の増幅手段である積分器9のゲインのみを変更する場合について述べる。この場合には、積分器9の変更前後のゲインをI、Iとすると、
=(I/I)H ・・・(22)
であるが、ゲイン変更に伴ったOの未知の変動がなく、A/Dコンバータ4に入力される地磁気信号に対するオフセットの変化は積分器9のゲインに比例して変化するだけであるので、新たにODOE3の算出はしなくても良く、設定するD/Aコンバータ6の出力設定値dは変更されることはなく、dそのものである。
=d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE1 ・・・(23)
=ΔVDAC×d ・・・(24)
とすればよい。
増幅器2及び積分器9のゲインの両方を変更することも同様に行えるが、その場合は上記のように増幅器2のゲイン変更にともないOが変動する可能性があるので、ゲインを変更した場合の地磁気信号がA/Dコンバータ4の入力範囲をオーバーフローしないようにするため、先に増幅器2のゲインを変更し、ODOE3を算出して求めた後、積分器9のゲインを変更することが望ましい。その場合のD/Aコンバータ6の出力設定値dは、dに等しく、
=(G/G)d−RADC/(LADCΔVDAC)ODOE3
・・・(25)
=ΔVDAC×d ・・・(26)
とすればよい。
以上のようにD/Aコンバータ6の出力設定値を変更し、アナログ信号に変換して減算器3へ出力することで、ゲイン変更に対応して地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へ設定できる。
及びIは、地磁気信号の全磁力がA/Dコンバータ4の入力範囲の1/4になるような設定値となっているので、実際に外部要因を考慮した場合にA/Dコンバータ4の入力範囲をすべて利用する場合には、ゲインの増加分は2倍かそれ以下にすることが望ましい。
図6は以上の増幅器2または積分器9のゲイン変更を伴う場合の方位角演算の手順を示すフローチャートである。すなわち、第1のオフセット値7aを算出し(ステップS201)、第1のオフセット値7aをD/Aコンバータ6からアナログ信号に変換して出力させた場合のA/Dコンバータ4からの出力から第2のオフセット値7bを算出し(ステップS202)、第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bの和をD/Aコンバータ6よりアナログ信号に変換して出力することで(ステップS203)、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へと設定する。
そこで、外部要因などを考慮して、方位角演算手段8により増幅器2または積分器9のゲインを変更する(ステップS204)。増幅器2のゲインを変更した場合、そのゲイン変更に応じて第1のオフセット算出手段5a及び第2のオフセット算出手段5bは、第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bをメモリ7より読み出し補正し、メモリ7に再び格納する(ステップS205)。そして、第2のオフセット算出手段5bはその補正した第1のオフセット値7aと第2のオフセット値7bの和をD/Aコンバータ6へ出力し、D/Aコンバータ6よりアナログ信号に変換して出力する(ステップS206)。
そして、減算器3にて、増幅器2の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算を行い、その減算結果を積分器9で増幅してA/Dコンバータ4に出力する(ステップS207)。そして、A/Dコンバータ4からの出力から、第2のオフセット算出手段5bは地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心との差分に相当するD/Aコンバータ6の出力設定値を算出し(ステップS208)、算出された出力設定値をメモリ7に格納されている第2のオフセット値7bに加えて、あらたに補正した第2のオフセット値7bとしてメモリ7に格納する(ステップ209)。そして、メモリ7から読み出した第1オフセット値7aとあわせてD/Aコンバータ6へ出力し、D/Aコンバータ6より第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bの和をアナログ信号に変換して出力する(ステップ210)。そして、減算器3にて増幅器2の出力とD/Aコンバータ6からの出力との減算を行い、その減算結果を積分器9で増幅し、A/Dコンバータ4に出力する(ステップ211)。このようにしてゲイン変更後の地磁気信号の中心とA/Dコンバータ4の入力範囲の中心が一致したので、A/Dコンバータ4の出力から方位角演算手段8は変更されたゲインのもとで安定して方位角を演算することができる(ステップ212)。
一方、積分器9のゲインを変更した場合、ゲイン変更に応じた減算器3に入力されるオフセットの変動がないので、第1のオフセット値7a及び第2のオフセット値7bを補正せずに、ゲインを増加させた場合に測定される地磁気信号の描く方位円の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心へと設定することができる。その後、ゲイン変更されて測定された地磁気信号に基づいて方位角を演算する(ステップS212)。
以上の手順において、増幅器2のゲインを変更する場合は、D/Aコンバータ6の出力設定値を決定するまでに第2のオフセット値7aの補正を2回行うことになる。
本発明の第1実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。 ゲイン変更をしない場合の図1の方位角測定装置が第2のオフセット値7aと第2のオフセット値7bを算出し、地磁気信号の中心をA/Dコンバータ4の入力範囲の中心と一致させる手順を示すフローチャートである 地磁気信号方位円、図1のA/Dコンバータ4の入力範囲及びD/Aコンバータ6の出力の関係を示す図である。 図1の増幅器2のゲイン変更後の方位角演算手順を示すフローチャートである 本発明の第2実施形態に係る増幅器及び積分器を有する方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図5の増幅器2または積分器9のゲイン変更を伴う場合の方位角演算の手順を示すフローチャートである。 従来の方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図7のオフセット算出手段15の動作を示すフローチャートである。 従来のオフセット算出法によるD/Aコンバータ出力とA/Dコンバータ入力範囲の中心の変化の様子を説明する図である。
符号の説明
1 磁気センサ
2 増幅器
3 減算器
4 A/Dコンバータ
5a 第1のオフセット算出手段
5b 第2のオフセット算出手段
6 D/Aコンバータ
7 メモリ
7a 第1のオフセット値
7b 第2のオフセット値
8 方位角演算手段
9 積分器
OF1 第1のオフセット値をD/Aコンバータより出力したもの
OF2 第2のオフセット値をD/Aコンバータより出力したもの
R1、R2 A/Dコンバータの入力範囲

Claims (20)

  1. 磁気センサと、
    前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する増幅手段と、
    デジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバータと、
    前記増幅手段からの出力と前記D/Aコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、
    前記減算器から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、
    前記増幅手段によって所定の利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記減算器の出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第1のオフセット算出手段と、
    前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第2のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする地磁気測定装置。
  2. 前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記増幅手段の利得の第1の利得より大きい第2の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第1の利得から前記第2の利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値の補正を行い、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力し、前記第2の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする請求項1に記載の地磁気測定装置。
  3. 前記第2のオフセット値は、前記増幅手段の利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項2に記載の地磁気測定装置。
  4. 前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする請求項2または3に記載の地磁気測定装置。
  5. 前記第1の利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように前記第1の増幅手段のゲインが設定されており、前記第2の利得は、前記第1の利得の約2倍であることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の地磁気測定装置。
  6. 磁気センサと、
    前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する第1の増幅手段と、
    デジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバータと、
    前記第1の増幅手段からの出力と前記D/Aコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、
    前記減算器から出力されるアナログ信号を所定の利得で増幅する第2の増幅手段と、
    前記第2の増幅手段からの出力をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、
    前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段によって、前記第1の増幅手段の利得と前記第2の増幅手段の利得の合計利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記第2の増幅手段の出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第1のオフセット算出手段と、
    前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出し、前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力する第2のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする地磁気測定装置。
  7. 前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記第1の増幅手段の利得と前記第2の増幅手段の利得を合わせた第1の合計利得より大きい第2の合計利得で前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第1の合計利得から前記第2の合計利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正し、前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力し、前記第2の合計利得で前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段が増幅したアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする請求項6に記載の地磁気測定装置。
  8. 前記第2のオフセット値は、前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項7に記載の地磁気測定装置。
  9. 前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする請求項7から8のいずれか1項に記載の地磁気測定装置。
  10. 前記第1の合計利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように前記第1の増幅手段と前記第2の増幅手段のゲインが設定されており、前記第2の合計利得は、前記第1の合計利得の約2倍であることを特徴とする請求項7から9のいずれか1項に記載の地磁気測定装置。
  11. 磁気センサの出力を所定の利得で増幅するステップと、
    前記増幅された出力とD/Aコンバータからの出力の差分を算出するステップと、
    前記差分に対応するアナログ信号をA/Dコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、
    前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記差分に対応するアナログ信号が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出するステップと、
    前記算出された第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップと、
    前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出するステップと、
    前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする地磁気測定方法。
  12. 前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記所定の第1の利得より大きい第2の利得で増幅されたアナログ信号から、前記第1の利得から前記第2の利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正するステップと、
    前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力するステップと、
    前記第2の利得で増幅されたアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする請求項11に記載の地磁気測定方法。
  13. 前記第2のオフセット値は、前記利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項12に記載の地磁気測定方法。
  14. 前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする請求項12または13に記載の地磁気測定方法。
  15. 前記第1の利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように設定されており、前記第2の利得は、前記第1の利得の約2倍であることを特徴とする請求項12から14のいずれか1項に記載の地磁気測定方法。
  16. 磁気センサの出力を第1の利得で増幅するステップと、
    前記第1の利得で増幅された出力とD/Aコンバータからの出力の差分を算出するステップと、
    前記差分に対応するアナログ信号を第2の利得で増幅するステップと、
    前記第2の利得で増幅された出力をA/Dコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、
    前記A/Dコンバータからの出力に基づいて、前記第2の利得で増幅された出力が前記A/Dコンバータの入力範囲の中心に近づくように第1のオフセット値を算出するステップと、
    前記算出された第1のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップと、
    前記第1のオフセット値が前記D/Aコンバータに入力された時の前記A/Dコンバータからの出力に基づいて第2のオフセット値を算出するステップと、
    前記第1のオフセット値にあわせて前記第2のオフセット値を前記D/Aコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする地磁気測定方法。
  17. 前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値をあわせて前記D/Aコンバータに出力した後、前記第1の利得と前記第2の利得を合わせた第1の合計利得より大きい第2の合計利得で増幅されたアナログ信号から、前記第1の合計利得から前記第2の合計利得の変化に応じて前記第1のオフセット値と前記第2のオフセット値を補正するステップと、
    前記補正した第1のオフセット値と前記補正した第2のオフセット値の和を前記D/Aコンバータへ出力するステップと、
    前記第2の合計利得で増幅されたアナログ信号から前記D/Aコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする請求項16に記載の地磁気測定方法。
  18. 前記第2のオフセット値は、前記第1の利得と前記第2の利得の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記A/Dコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記D/Aコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項17に記載の地磁気測定方法。
  19. 前記第2のオフセット値の補正は、2回行うことを特徴とする請求項17から18のいずれか1項に記載の地磁気測定方法。
  20. 前記第1の合計利得は、地磁気信号の強度が前記A/Dコンバータの入力範囲の1/4を越えないように設定されており、前記第2の合計利得は、前記第1の合計利得の約2倍であることを特徴とする請求項17から19のいずれか1項に記載の地磁気測定方法。
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