JP5017527B2 - 電子コンパスシステム - Google Patents
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Description
本発明は、３軸方向の地磁気を検出して携帯電話の方位を任意の姿勢で算出する電子コンパスシステムに関するものである。
従来より、３軸方向の地磁気を検出して携帯電話の方位を測定する電子コンパスが開発されている。
例えば、引用文献１には、３軸の磁気センサと２軸のチルトセンサからなるコンパスにおいて、チルトセンサにより傾斜角を算出して地球水平面に射影したのち、３軸の磁気センサにより方位を算出する技術が開示されている。
例えば、引用文献１には、３軸の磁気センサと２軸のチルトセンサからなるコンパスにおいて、チルトセンサにより傾斜角を算出して地球水平面に射影したのち、３軸の磁気センサにより方位を算出する技術が開示されている。
また、引用文献２には、３軸の磁気センサのみで既知の傾斜角にしたときの３軸地磁気データと、通常使用する姿勢での傾斜角にしたときの３軸地磁気データとから傾斜角データを算出し、傾斜角データを用いて地磁気の地球水平面に射影した値を利用して方位角を補正する技術が開示されている。
しかし、方位角の算出にチルトセンサを要する方法では構成部品が多くなり、加速度の影響を防ぐために静止状態のもとにしか適切に行えないという問題がある。
また、傾斜角データを用いる方法では、操作が煩雑となる問題がある。
また、傾斜角データを用いる方法では、操作が煩雑となる問題がある。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、３軸の磁気センサのみで、携帯電話の傾斜角と方位角を簡便に算出することができる電子コンパスシステムを提供しようとするものである。
本発明にかかる電子コンパスシステムは、地磁気ベクトルＭ０の互いに直交する３軸成分を検出する３軸の磁気センサと、
該磁気センサを内蔵する携帯機器と、
該携帯機器が存在する場所における、上記地磁気ベクトルＭ ０ の伏角βのデータを予め取得する伏角データ取得手段とを備え、
上記磁気センサの直交３軸のうち１軸を水平方向に固定し、他の１軸を所望の方位に向けた状態において、上記磁気センサを使って、該磁気センサのセンサ座標系における上記地磁気ベクトルＭ ０ の上記３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を検出すると共に、該３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）と、上記伏角データ取得手段により取得した上記伏角βのデータとを下記数式（４）（５）（６）に代入することにより、上記他の１軸と水平面とのなす角度である傾斜角φと、上記他の１軸を上記水平面に投影した線と磁北とのなす角度である方位角θとを算出することを特徴とする（請求項１）。
該磁気センサを内蔵する携帯機器と、
該携帯機器が存在する場所における、上記地磁気ベクトルＭ ０ の伏角βのデータを予め取得する伏角データ取得手段とを備え、
上記磁気センサの直交３軸のうち１軸を水平方向に固定し、他の１軸を所望の方位に向けた状態において、上記磁気センサを使って、該磁気センサのセンサ座標系における上記地磁気ベクトルＭ ０ の上記３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を検出すると共に、該３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）と、上記伏角データ取得手段により取得した上記伏角βのデータとを下記数式（４）（５）（６）に代入することにより、上記他の１軸と水平面とのなす角度である傾斜角φと、上記他の１軸を上記水平面に投影した線と磁北とのなす角度である方位角θとを算出することを特徴とする（請求項１）。
本発明の効果としては、チルトセンサなしで方位角を求めることができる。また、傾斜角データを測定するという煩雑な処理を省いて、直接傾斜角および方位角を求めることができる。
また、上記電子コンパスシステムにおいて、上記携帯機器は、上記伏角βのデータを記憶したデータベースを有し、上記伏角データ取得手段は、上記データベースから上記伏角βのデータを読み出すことが好ましい（請求項２）。
また、上記電子コンパスシステムにおいて、上記携帯機器は、上記伏角βのデータを記憶したデータベースを有し、上記伏角データ取得手段は、上記データベースから上記伏角βのデータを読み出すことが好ましい（請求項２）。
本発明にかかる電子コンパスシステムを図１により説明する。
図１は、本発明にかかる電子コンパスを携帯電話に搭載したときの姿勢状態を示す図である。
本発明の電子コンパスを構成する３軸の磁気センサは、ｘ軸方向の地磁気成分Ｈｘを検出するｘ軸磁気センサと、ｙ軸方向の地磁気成分Ｈｙを検出するｙ軸磁気センサと、ｚ軸方向の地磁気成分Ｈｚを検出するｚ軸磁気センサとからなる。これらの磁気センサとしてマグネトインピーダンス磁気センサ（以下、ＭＩセンサという。）、ホール素子等からなり、３軸が互いに直交して配置されており、各軸方向の地磁気成分に応じた大きさのセンサ信号を出力するようになっている。
図１は、本発明にかかる電子コンパスを携帯電話に搭載したときの姿勢状態を示す図である。
本発明の電子コンパスを構成する３軸の磁気センサは、ｘ軸方向の地磁気成分Ｈｘを検出するｘ軸磁気センサと、ｙ軸方向の地磁気成分Ｈｙを検出するｙ軸磁気センサと、ｚ軸方向の地磁気成分Ｈｚを検出するｚ軸磁気センサとからなる。これらの磁気センサとしてマグネトインピーダンス磁気センサ（以下、ＭＩセンサという。）、ホール素子等からなり、３軸が互いに直交して配置されており、各軸方向の地磁気成分に応じた大きさのセンサ信号を出力するようになっている。
また、図１に示すようにＸ軸を北方向、Ｙ軸を西方向、そしてＺ軸を重力方向とした地上座標系を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、ｘ軸を携帯電話の表示画面（以下、表示画面という。）の縦方向と一致させ、ｙ軸を表示画面の横方向と一致させ、ｚ軸を表示画面の法線方向と一致させた電子コンパスの３軸座標系（以下、電子コンパス座標系という。）を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。このときの電子コンパスの姿勢状態を傾斜角φ、方位角θによって表す。
傾斜角φは、電子コンパス座標系と水平面（地上座標系のＸ−Ｚ面である。）とのなす角であり、方位角θは、電子コンパス座標系のｘ軸を地上座標系のＸ−Ｙ面に投影した軸とのなす角である。
さらに、図２に示すように、地磁気ベクトルＭ０、伏角βで表す。
地磁気ベクトルＭ０は、地上座標系のＸ−Ｙ平面とＺ軸のなす原点を通る地磁気ベクトルであり、伏角βは地上座標系のＸ−Ｙ平面と地磁気ベクトルＭ０とのなす角である。
ここで、地磁気ベクトルＭ０ の大きさ｜Ｍ ０ ｜は、任意の方位において磁気センサにより測定した３軸の磁気成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、次式（１）により求められる。
地磁気ベクトルＭ０は、地上座標系のＸ−Ｙ平面とＺ軸のなす原点を通る地磁気ベクトルであり、伏角βは地上座標系のＸ−Ｙ平面と地磁気ベクトルＭ０とのなす角である。
ここで、地磁気ベクトルＭ０ の大きさ｜Ｍ ０ ｜は、任意の方位において磁気センサにより測定した３軸の磁気成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、次式（１）により求められる。
伏角βは、測定地点における既知の伏角のデータをデータベースから出力する。または、上記の測定した３軸の磁気成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から、次式（２）により求められる。
次に、図１及び図２を参照して、傾斜角φ及び方位角θの算出方法を説明する。
地磁気ベクトルＭ０と電子コンパス座標系のｚ軸とを一致させ、電子コンパス座標系のｘ軸を地磁気の北方向に固定し、かつ、電子コンパス座標系のｙ軸を水平方向に固定して電子コンパスの座標系を固定する。この座標系における測定値Ｍｘは、地磁気ベクトルＭ０の回転変換行列ＩＩと次式（３）のような関係がある。
地磁気ベクトルＭ０と電子コンパス座標系のｚ軸とを一致させ、電子コンパス座標系のｘ軸を地磁気の北方向に固定し、かつ、電子コンパス座標系のｙ軸を水平方向に固定して電子コンパスの座標系を固定する。この座標系における測定値Ｍｘは、地磁気ベクトルＭ０の回転変換行列ＩＩと次式（３）のような関係がある。
なお、ａは、次式（４）により、Ｍ０は式（１）により求められる。
式（３）の方程式から傾斜角φ及び方位角θを求めると、それぞれ次式（５）、（６）に表すことができる。
式（５）からφを求めると、平方根の正符号からφ＋、負符号からφ−の値が求められる。φ＋又はφ−のどちらかの決定は、傾斜角を保持した状態で左右に振って、その時にφの値が一定となる符号を採用する。
式（５）からφを求めると、平方根の正符号からφ＋、負符号からφ−の値が求められる。φ＋又はφ−のどちらかの決定は、傾斜角を保持した状態で左右に振って、その時にφの値が一定となる符号を採用する。
式（５）から決定された符合のφを用いて式（６）に代入すると、方位角θが決定される。また、コンパスを使用中に方位を変化させた場合、θが北向き方位の場合にはφ＋をとり、θが南向き方位の場合にはφ−をとる。北向きから南向きに、又は南向きから北向きに変化したときに、Ｈｘ／Ｍ０＞ｃｏｓ ａ ｓｉｎφの場合にはφ＋をとり、Ｈｘ／Ｍ０＞ｃｏｓ ａ ｓｉｎφの場合にはφ−をとる。
以下、具体的な実施の形態を説明する。
まず、Ｈｘ＝０、Ｈｙ＝０、Ｈｚ＝｜Ｍ ０ ｜を示す携帯電話の姿勢を求める。その際、Ｈｘのプラス方向が地磁気の北方向を示し、Ｈｙは水平方向とする。
次に、伏角βを測定する。伏角βは式（２）により求められる。ここで、仮に伏角βの測定値が４５°とする。
次に、携帯電話を４５°傾けた状態で真西方向を測定すると測定値Ｍｘが得られる。そのときの測定値は、
となる。
まず、Ｈｘ＝０、Ｈｙ＝０、Ｈｚ＝｜Ｍ ０ ｜を示す携帯電話の姿勢を求める。その際、Ｈｘのプラス方向が地磁気の北方向を示し、Ｈｙは水平方向とする。
次に、伏角βを測定する。伏角βは式（２）により求められる。ここで、仮に伏角βの測定値が４５°とする。
次に、携帯電話を４５°傾けた状態で真西方向を測定すると測定値Ｍｘが得られる。そのときの測定値は、
この値を式（５）及び式（６）に代入すると、
よって、φ＝４５°、θ＝９０°を得ることができる。任意の方位における測定値Ｍｘによる３軸の磁気成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から傾斜角φ及び方位角θを求めることができる。
他の実施の形態を表１及び表２に示し、説明する。
まず、表１には、ａ＝４５°（伏角βは４５°のとき）にて、携帯電話を６０°傾けた状態（傾斜角φ＝６０°）で携帯電話を真北方向から３０°、１５０°、２１０°、３３０°回転した４方向（方位角θ＝３０°、１５０°、２１０°、３３０°）におけるそれぞれの測定値Ｍｘ（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を示している。
これらの測定値Ｍｘを式（５）及び式（６）に挿入して算出すると出力値として傾斜角φは６０°、方位角θは３０°、１５０°、２１０°、３３０°が求められる。表１から分かるように上記の４方向の傾斜角φ及び方位角θと一致する。
まず、表１には、ａ＝４５°（伏角βは４５°のとき）にて、携帯電話を６０°傾けた状態（傾斜角φ＝６０°）で携帯電話を真北方向から３０°、１５０°、２１０°、３３０°回転した４方向（方位角θ＝３０°、１５０°、２１０°、３３０°）におけるそれぞれの測定値Ｍｘ（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を示している。
これらの測定値Ｍｘを式（５）及び式（６）に挿入して算出すると出力値として傾斜角φは６０°、方位角θは３０°、１５０°、２１０°、３３０°が求められる。表１から分かるように上記の４方向の傾斜角φ及び方位角θと一致する。
次に、表２には、ａ＝３０°（伏角βは６０°のとき）にて、携帯電話を４５°傾けた状態（傾斜角φ＝４５°）で携帯電話を真北方向から３０°、１５０°、２１０°、３３０°回転した４方向（方位角θ＝３０°、１５０°、２１０°、３３０°）におけるそれぞれの測定値Ｍｘ（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を示している。
これらの測定値Ｍｘを同様に式（５）及び式（６）に挿入して算出すると出力値として傾斜角φは４５°、方位角θは３０°、１５０°、２１０°、３３０°が求められる。表２から分かるように上記の４方向の傾斜角φ及び方位角θと一致する。
これらの測定値Ｍｘを同様に式（５）及び式（６）に挿入して算出すると出力値として傾斜角φは４５°、方位角θは３０°、１５０°、２１０°、３３０°が求められる。表２から分かるように上記の４方向の傾斜角φ及び方位角θと一致する。
上記の発明の実施の形態では、地磁気ベクトルＭ０と磁気センサの座標系の一致させる第１軸をｚ軸とし、上記座標系の地磁気の北方向とする第２軸のプラス方向をｘ軸とし、上記座標系の水平方向とする第３軸をｙ軸として説明したが、これに限定されるものでない。
１ 電子コンパス
Claims (2)
- 地磁気ベクトルＭ０の互いに直交する３軸成分を検出する３軸の磁気センサと、
該磁気センサを内蔵する携帯機器と、
該携帯機器が存在する場所における、上記地磁気ベクトルＭ ０ の伏角βのデータを予め取得する伏角データ取得手段とを備え、
上記磁気センサの直交３軸のうち１軸を水平方向に固定し、他の１軸を所望の方位に向けた状態において、上記磁気センサを使って、該磁気センサのセンサ座標系における上記地磁気ベクトルＭ ０ の上記３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を検出すると共に、該３軸成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）と、上記伏角データ取得手段により取得した上記伏角βのデータとを下記数式（４）（５）（６）に代入することにより、上記他の１軸と水平面とのなす角度である傾斜角φと、上記他の１軸を上記水平面に投影した線と磁北とのなす角度である方位角θとを算出することを特徴とする電子コンパスシステム。
- 請求項１に記載の電子コンパスシステムにおいて、上記携帯機器は、上記伏角βのデータを記憶したデータベースを有し、上記伏角データ取得手段は、上記データベースから上記伏角βのデータを読み出すことを特徴とする電子コンパスシステム。
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