JP5469670B2 - 地磁気検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャリブレーション後にオフセットずれが生じた場合の補正手段を備えた地磁気検出装置に関する。

地磁気検出装置では、周辺部品の着磁等の影響により磁気センサの出力に地磁気量以外にオフセットが加わっている。このため、地磁気ジャイロの角速度や方位計算等を行う際には、まず磁気センサの出力の基準点（地磁気ベクトルの原点）を求めるためのキャリブレーションを行い、前記キャリブレーションによりオフセット補正を行っていた（下記特許文献参照）。

しかしながら、前記オフセットは、キャリブレーション終了後に、外部環境の影響（例えば温度の影響や周辺の磁場の影響）によりずれが生じる問題があった。

下記特許文献に記載された発明には、上記したように、キャリブレーション後にオフセットずれが生じたとき、前記オフセットずれを補正する手段については記載されていない。

そして、オフセットずれが生ずると、角速度や方位計算を安定して高精度に行うことができなかったり、あるいは誤検知する問題があった。

国際公開第２００７／１２９６５３号 特開２００７−１０７９２１号公報 特開２００７−１３９７１５号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、キャリブレーション後に生じたオフセットずれを補正できる補正手段を備えた地磁気検出装置を提供することを目的としている。

本発明における地磁気検出装置は、２軸以上で構成される磁気センサと、前記磁気センサの出力の基準点を求めるキャリブレーション手段及び、オフセットずれを補正する補正手段を備える制御部と、を有し、
前記補正手段では、前記基準点を中心とした地磁気ベクトルの大きさで規定される半径Ｒの仮想円の外縁あるいは仮想球の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある複数の座標点のうちの判別用の出力座標点が前記基準点から任意の閾値以上外れているかを判別する判別ステップと、
前記閾値以上外れていると判別されたときに複数の前記座標点から少なくとも２つの出力座標点を抽出する抽出ステップとを有し、
少なくとも２つの前記出力座標点のうちの第１の出力座標点から前記基準点を通る仮想直線上であって前記第１の出力座標点から半径Ｒの距離分、前記基準点に向けて移動させた座標位置をマークする第１ステップと、第２の出力座標点から前記第１ステップで得られたマーク位置を通る仮想直線上に前記第２の出力座標点から半径Ｒの距離分、前記マーク位置に向けて移動させた座標位置を、新たにマークする第２ステップと、直近に設定したマーク位置を新たなマーク位置に順次変更する前記第２ステップを、第１の出力座標点と第２の出力座標点との間で順に繰り返して行って前記マークの位置を収束させることによって、
少なくとも２つの前記出力座標点と前記判別用の出力座標点とを含む仮想円または仮想球の中心である新たな基準点が求められることを特徴とするものである。

本発明によれば、キャリブレーション後に、オフセットずれが生じた場合でも、前記オフセットずれを適切に補正することが出来る。特に上記した発明では微小なオフセットずれに適切に対応できる。また、仮想円あるいは仮想球の半径Ｒ（地磁気ベクトルの大きさ）を用いて演算処理でき、オフセットずれを少ない演算量で適切且つ容易に補正することが出来、制御部への負担を軽減できる。

本発明では、３軸の前記磁気センサで構成され、前記抽出ステップでは、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想球の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある少なくとも３つの出力の座標点を抽出して、前記マーク位置を収束させる、あるいは、２軸の前記磁気センサで構成され、前記抽出ステップでは、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想円の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある少なくとも２つの出力の座標点を抽出して、前記マーク位置を収束させる構成に好ましく適用される。

また本発明は、前記補正手段では、出力の座標点が、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想円あるいは仮想球の外縁から外方に外れ、且つ前記基準点から半径Ｒの長さの所定倍以上離れた座標位置にあるとき、前記判別ステップよりも前に、前記座標点と前記基準点との間に仮想直線を引き、前記出力座標点から半径Ｒの距離分、前記基準点に向けて移動した座標位置を新たな前記基準点に設定し直す第１の補正ステップを備えることが好ましい。

大幅なオフセットずれが生じた場合には、まず前記抽出ステップ及び第１ステップないし第３ステップを行わずに上記の第１の補正ステップを行ってダイナミックにオフセットずれを補正する。このダイナミックなオフセットずれ補正は、仮想円あるいは仮想球の半径Ｒ（地磁気ベクトルの大きさ）を用いて演算処理でき、オフセットずれを少ない演算量で簡易的に補正でき、前記制御部への負担を軽減できる。

本発明によれば、キャリブレーション後に、オフセットずれが生じた場合でも、前記オフセットずれを適切に補正することが出来る。

本発明の実施の形態の地磁気検出装置の回路ブロック図、 センサ部に設けられたＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサおよびＺ軸磁気センサの説明図、 キャリブレーション処理により得られた出力の基準点Ｏｇ及び、基準点Ｏｇを中心とした半径Ｒの仮想球の模式図、 第１のオフセットずれ補正（ダイナミック補正）を行うステップを説明するための模式図、 第２のオフセットずれ補正を行うステップを説明するための模式図、 制御部のオフセットずれ補正部による動作を説明するためのフローチャート図、 第２のオフセットずれ補正を行うステップのフローチャート図。

図１は、本発明の実施の形態の地磁気検出装置の回路ブロック図、図２は、センサ部に設けられたＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサおよびＺ軸磁気センサの説明図、図３は、キャリブレーション処理により得られた出力の基準点Ｏｇ及び、基準点Ｏｇを中心とした半径Ｒの仮想球の模式図、である。

図１に示す本発明の実施形態の地磁気検出装置１に設けられた磁気センサ２は３軸に対応した構成となっている。すなわち、磁気センサ２は、Ｘ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４およびＺ軸磁気センサ５を備えて構成される。

図１，図２の実施形態では、Ｘ軸磁気センサ３、Ｙ軸磁気センサ４およびＺ軸磁気センサ５が、いずれもＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ホール素子等で構成されている。

Ｘ軸磁気センサ３は、地磁気の基準Ｘ方向に向く成分Ｂｘを検知するものであり、基準Ｘ方向でのプラス方向の磁界成分Ｂ＋ｘと、基準Ｘ方向でのマイナス方向の磁界成分Ｂ−ｘを検知できる。

Ｙ軸磁気センサ４は、地磁気の基準Ｙ方向に向く成分Ｂｙを検知するものであり、基準Ｙ方向でのプラス方向の磁界成分Ｂ＋ｙと、基準Ｙ方向でのマイナス方向の磁界成分Ｂ−ｙを検知できる。

Ｚ軸磁気センサ５は、地磁気の基準Ｙ方向に向く成分Ｂｚを検知するものであり、基準Ｚ方向でのプラス方向の磁界成分Ｂ＋ｚと、基準Ｚ方向でのマイナス方向の磁界成分Ｂ−ｚを検知できる。

図１に示す磁場データ検知部６では、各センサ３、４,５と固定抵抗とが直列に接続された電気回路を備え、Ｘ軸磁気センサ３と固定抵抗との間の中点電圧をＸ軸の検知出力として、Ｙ軸磁気センサ４と固定抵抗との間の中点電圧をＹ軸の検知出力として、Ｚ軸磁気センサ５と固定抵抗との間の中点電圧をＺ軸の検知出力として夫々取り出すことが出来る。

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軸の検知出力は、制御部１０に与えられる。制御部１０は、キャリブレーション部１０ａ、オフセットずれ補正部１０ｂ及び演算部１０ｃ等を有して構成される。演算部１０ｃは、角速度演算部、角加速度演算部や方位演算部等を有し、キャリブレーション部１０ａ、オフセットずれ補正部１０ｂ及び演算部１０ｃは、いずれもプログラミングされたソフトウエアによって実行される。

以下、制御部１０の動作について説明する。本実施形態では、図６に示すように、ステップＳＴ１として、キャリブレーション部１０ａにてキャリブレーション処理（オフセット補正）を行う。

すなわち、地磁気検出装置１では、周辺部品の着磁等の影響により磁気センサの出力に地磁気量以外にオフセットが加わっている。このため、まず磁気センサの出力の基準点（地磁気ベクトルの原点）を求めるためのキャリブレーションを行い、前記キャリブレーションによりオフセット補正を行うことが必要となる。

例えば、本実施形態における地磁気検出装置１をランダムに動かして、三次元空間における磁気センサ２の出力（ここでの出力とは磁場データ検知部６にて得られた出力を言う。以下同じである）の座標点を多数点、検出し、これらの座標点から得られる仮想球の中心をキャリブレーション部１０ａにて求める。そして図３に示すように、仮想球の中心を出力の基準点（地磁気ベクトルの原点）Ｏｇと設定する。図３に示すように、仮想球は基準点Ｏｇを中心とした半径Ｒの球体である。半径Ｒは地磁気ベクトルの大きさを示している。図３に示すように基準点Ｏｇは、基準Ｘ方向、基準Ｙ方向及び基準Ｚ方向の交点Ｏからずれた位置にあり、前記基準点Ｏｇと交点Ｏ間のずれ量がオフセットである。

本実施形態では、図１の３軸で構成される磁気センサ２により図３に示すような出力の基準点Ｏｇを中心とする仮想球をキャリブレーションにより求めることが出来るが、例えばＸ軸磁気センサ３とＹ軸磁気センサ４の２軸で構成される場合、図４に示すように、Ｘ−Ｙ座標面にて、磁気センサの出力の基準点Ｏｇ１を中心とする半径Ｒの仮想円２０をキャリブレーションにて求めることが出来る。以下、オフセットずれの補正について説明するが、説明をわかりやすくするために二次元にて説明する。

図６に示すキャリブレーション処理のステップＳＴ１が終了した後、温度の影響や周りの磁場の影響でオフセットがずれてしまう場合がある。かかる場合、本実施形態では、オフセットずれ補正部１０ｂにてオフセットずれを補正することが出来る。

まず図６のステップＳＴ２では、図４に示すように、今、得られた磁気センサの出力の座標点ａが、仮想円２０の外縁から外方の座標位置に外れ、しかも前記座標点ａが、基準点Ｏｇ１から半径Ｒの長さの所定倍以上（具体的には２倍以上であり例えば３倍と規定する）、離れていると、次の第１のオフセットずれ補正のステップ（第１の補正ステップＳＴ３）に移行する。

第１の補正ステップＳＴ３では、図４に示すように、出力の座標点ａと基準点Ｏｇ１との間に仮想直線Ｌ１を引き、前記座標点ａから半径Ｒの距離分、前記基準点Ｏｇ１に向けて移動した座標位置を新たな基準点Ｏｇ２に設定し直す。

前記第１の補正ステップＳＴ３では、例えばキャリブレーション終了後に、強い磁場の環境下に地磁気検出装置１を置き、大幅なオフセットずれが生じた場合に、第１の補正ステップＳＴ３にてダイナミックにオフセットずれを補正することが出来る。

なお図６に示すように、得られた出力の座標点が、基準点Ｏｇ１から半径Ｒの長さの所定倍以上、離れていない場合、第１の補正ステップＳＴ３には移行しない。すなわち大幅なオフセットずれが生じていない場合は第１の補正ステップＳＴ３には移行しないが微小なオフセットずれが生じている場合がある。また図４に示すようにダイナミックにオフセットずれを補正しても、新たな基準点Ｏｇ２から見て微小なオフセットずれが生じている場合がある。使用用途や求められる精度にもよるが、この微小なオフセットずれが、ステップＳＴ４で看過できない程度であると判断されると、抽出ステップＳＴ５及び第２のオフセットずれ補正（第２の補正ステップＳＴ６）に移行する。

図６に示すステップＳＴ４では、磁気センサの出力値が任意の閾値以上外れているか否かをオフセットずれ補正部１０ｂにて判定する。図５に示すように、磁気センサから得られた複数の出力値（出力座標点）ｂ，ｃ，ｄ，ｅのうち、出力座標点ｃ，ｄ，ｅは、仮想円２０（第１の補正ステップＳＴ３を経て図４に示す基準点Ｏｇ２に変更された場合は仮想円２１）の外縁から外方の座標位置に外れ且つ互いに異なる座標位置に存在している。

このうち、出力座標点ｅは、前記出力座標点eと基準点Ｏｇ１との間を直線で結んだときに仮想円２０と交わる交点ＣＲからずれ量Ｔ１以上となり、この状態を例えば、上記した「任意の閾値以上外れている」状態に設定する。

このずれ量Ｔ１をより小さい値に設定すれば、より微小なオフセットずれも補正できるが、使用用途や求められる精度、制御部１０への負担等を考慮してずれ量Ｔ１を任意に設定することが出来る。

図６に示すように、ステップＳＴ４が「Ｙｅｓ」であると、任意の距離離れた２つの出力の座標点を抽出する抽出ステップＳＴ５に移行する。ステップＳＴ５では少なくとも２点を抽出するが、これは図５に示すように二次元座標上でオフセットずれを補正する場合であり、図３に示すような三次元空間でオフセットずれを補正する場合は少なくとも３点（図３の座標点ｆ，ｇ，ｈ）を抽出することが必要である。

ここで出力座標点ｅから距離Ｔ２以上離れた出力座標点ｃ，ｄを、上記の「任意の距離離れた２点」と認定する。出力座標点ｃを第１の出力座標点ｃ、出力座標点ｄを第２の出力座標点ｄとして、図６に示す第２の補正ステップＳＴ６に移行する。ここで第１の出力座標点ｃと第２の出力座標点ｄは互いに異なる座標位置にあるととともに出力座標点ｃ，ｄ間は、予め定められた距離以上、離れている。

次に、第２の補正ステップＳＴ６を図５，図７を用いて詳しく説明する。第２の補正ステップＳＴ６ではまず第１ステップＳＴ７として、第１の出力座標点ｃから基準点Ｏｇ１を通る仮想直線Ｌ２を座標面上に引く。そして、前記仮想直線Ｌ２上であって、前記第１の出力座標点ｃから半径Ｒの距離分、前記基準点Ｏｇ１に向けて移動させた座標位置をマークする（マーク位置Ａの設定）。

次に第２の補正ステップＳＴ６の第２ステップＳＴ８として、第２の出力座標点ｄからマーク位置Ａを通る仮想直線Ｌ３を座標面上に引く。そして、前記仮想直線Ｌ３上であって、前記第２の出力座標点ｄから半径Ｒの距離分、前記マーク位置Ａに向けて移動させた座標位置をマークする（マーク位置Ｂの設定）。

上記した第２ステップＳＴ８を第１の出力座標点ｃと第２の出力座標点ｄとの間で交互に繰り返し行い、直近に設定したマーク位置を新たなマーク位置に順次変更する。すなわち、次に第１の出力座標点ｃからマーク位置Ｂを通る仮想直線を座標面上に引き、前記仮想直線上であって、前記第１の出力座標点ｃから半径Ｒの距離分、前記マーク位置Ｂに向けて移動させた座標位置をマークする（マーク位置Ｃの設定）。続いて、第２の出力座標点ｄからマーク位置Ｃを通る仮想直線を座標面上に引き、前記仮想直線上であって、前記第２の出力座標点ｄから半径Ｒの距離分、前記マーク位置Ｃに向けて移動させた座標位置をマークする（マーク位置Ｄの設定）。

上記した第２ステップＳＴ８を第１の出力座標点ｃと第２の出力座標点ｄとの間で交互に繰り返し行うと、マーク位置はやがて収束点Ｏｇ３に達し、第３ステップＳＴ９として、前記収束点Ｏｇ３を磁気センサの出力の新たな基準点に設定する。収束点（基準点）Ｏｇ３と第１の出力座標点ｃ間の距離、及び収束点（収束点）Ｏｇ３と第２の出力座標点ｄ間の距離、さらには収束点Ｏｇ３と前記第３の出力座標点ｅ間の距離は半径Ｒに等しくなっている。

なお第３ステップＳＴ９では、マーク位置が、ある所定の範囲内に入ったら収束したとして収束点を規定することも出来る。例えば、第１の出力座標点ｃと第２の出力座標点ｄの双方とマーク位置との間の距離が、半径Ｒ〜半径Ｒ＋αの範囲内に入ったら、前記マーク位置を収束点と規定することが出来る。

図５，図７に示す第２の補正ステップＳＴ６を行うことで、微小なオフセットずれを高精度に補正することができる。

図３に示すように、３次元空間の場合、第２の補正ステップＳＴ６を行うには異なる少なくとも３つの出力座標点ｆ，ｇ，ｈが必要であり、図７に示す第２の補正ステップＳＴ６の第１ステップＳＴ７を第１の出力座標点ｆと基準点Ｏｇとの間で行ってマーク位置Ａを設定した後、直近のマーク位置を新たなマーク位置に順次変更する第２ステップＳＴ８を、第２の出力座標点ｇ→第３の出力座標点ｈ→第１の出力座標点ｆ→第２の出力座標点ｇ→第３の出力座標点ｈ→・・・の順に繰り返し行い、三次元空間に収束点を導き出す。

本実施形態では、大幅なオフセットずれの補正も微小なオフセットずれの補正もともに、キャリブレーションにより得られた仮想円あるいは仮想球の半径Ｒ（地磁気ベクトルの大きさ）を用いて演算処理でき、オフセットずれを少ない演算量で適切且つ容易に補正することが出来、制御部１０への負担を軽減できる。

本実施形態では、オフセットずれが大きい場合は図５で説明した第１補正ステップＳＴ２を行ってダイナミックに基準点Ｏｇ２を変更し、その後、必要に応じて、すなわち図６に示すステップＳＴ４にて「Ｙｅｓ」の判定がされた場合に、複数の出力座標点の抽出ステップＳＴ５と第２の補正ステップＳＴ６を行う。

本実施形態の地磁気検出装置１は地磁気ジャイロとして使用でき、本実施形態では、キャリブレーション後に、オフセットずれを適切に補正でき、角速度の計算精度を向上させることができる。あるいは、本実施形態の地磁気検出装置１は方位計として使用でき、方位精度を向上させることができる。

本発明の地磁気検出装置１は、携帯電話機等の携帯用機器、ゲーム機やロボット等に使用することができる。

１ 地磁気検出装置
２ 磁気センサ
３ Ｘ軸磁気センサ
４ Ｙ軸磁気センサ
５ Ｚ軸磁気センサ
１０ 制御部
１０ａ キャリブレーション部
１０ｂ オフセットずれ補正部
１０ｃ 演算部
２０、２１ 仮想円
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ マーク位置
ａ〜ｅ 出力座標点
Ｌ１〜Ｌ３ 仮想直線
Ｏｇ、Ｏｇ１、Ｏｇ２ 基準点
Ｏｇ３ 収束点
Ｒ 半径

Claims (4)

1. ２軸以上で構成される磁気センサと、前記磁気センサの出力の基準点を求めるキャリブレーション手段及び、オフセットずれを補正する補正手段を備える制御部と、を有し、
   前記補正手段では、前記基準点を中心とした地磁気ベクトルの大きさで規定される半径Ｒの仮想円の外縁あるいは仮想球の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある複数の座標点のうちの判別用の出力座標点が前記基準点から任意の閾値以上外れているかを判別する判別ステップと、
   前記閾値以上外れていると判別されたときに複数の前記座標点から少なくとも２つの出力座標点を抽出する抽出ステップとを有し、
   少なくとも２つの前記出力座標点のうちの第１の出力座標点から前記基準点を通る仮想直線上であって前記第１の出力座標点から半径Ｒの距離分、前記基準点に向けて移動させた座標位置をマークする第１ステップと、第２の出力座標点から前記第１ステップで得られたマーク位置を通る仮想直線上に前記第２の出力座標点から半径Ｒの距離分、前記マーク位置に向けて移動させた座標位置を、新たにマークする第２ステップと、直近に設定したマーク位置を新たなマーク位置に順次変更する前記第２ステップを、第１の出力座標点と第２の出力座標点との間で順に繰り返して行って前記マークの位置を収束させることによって、
   少なくとも２つの前記出力座標点と前記判別用の出力座標点とを含む仮想円または仮想球の中心である新たな基準点が求められることを特徴とする地磁気検出装置。
2. ３軸の前記磁気センサで構成され、前記抽出ステップでは、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想球の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある少なくとも３つの出力の座標点を抽出して、前記マーク位置を収束させる請求項１記載の地磁気検出装置。
3. ２軸の前記磁気センサで構成され、前記抽出ステップでは、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想円の外縁から外れ且つ互いに異なる座標位置にある少なくとも２つの出力の座標点を抽出して、前記マーク位置を収束させる請求項１記載の地磁気検出装置。
4. 前記補正手段では、出力の座標点が、前記基準点を中心とした半径Ｒの仮想円あるいは仮想球の外縁から外方に外れ、且つ前記基準点から半径Ｒの長さの所定倍以上離れた座標位置にあるとき、前記判別ステップよりも前に、前記座標点と前記基準点との間に仮想直線を引き、前記出力座標点から半径Ｒの距離分、前記基準点に向けて移動した座標位置を新たな前記基準点に設定し直す第１の補正ステップを備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の地磁気検出装置。

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