JP5866893B2 - Geomagnetic measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、地磁気測定装置に関する。   The present invention relates to a geomagnetism measuring apparatus.

近年、携帯電話等の携帯機器や、自動車等の移動体に搭載され、地磁気を検出する3次元磁気センサが開発されている。一般に、3次元磁気センサは、磁界のベクトルを互いに直交する3方向の成分に分解してスカラー量として検知するための3つの磁気センサモジュールを備え、3つの磁気センサモジュールが各々出力するスカラー量を3つの成分とする3次元のベクトルデータを出力する。   In recent years, a three-dimensional magnetic sensor that is mounted on a mobile device such as a mobile phone or a mobile body such as an automobile and detects geomagnetism has been developed. In general, a three-dimensional magnetic sensor includes three magnetic sensor modules for decomposing magnetic field vectors into three orthogonal components and detecting them as scalar quantities. The three magnetic sensor modules each output a scalar quantity. Outputs three-dimensional vector data as three components.

3次元磁気センサが搭載される携帯電話等の機器は、着磁性を有する各種金属や、電気回路等、磁界を発生させる部品が備えられることが多い。この場合、3次元磁気センサが出力するベクトルデータは、地磁気を表すベクトルの他に、機器に搭載された部品が発する磁界等を表すベクトルも含む値となる。従って、地磁気の値を正確に知るためには、3次元磁気センサが出力するベクトルデータから、機器の部品が発する内部磁界を表すベクトルを取り除く補正処理が必要となる。このように、検出対象である地磁気の正確な値を得るために、補正処理において、3次元磁気センサから出力されるデータから取り除かれる成分をオフセットと呼ぶ。   A device such as a mobile phone on which a three-dimensional magnetic sensor is mounted is often provided with various components having magnetic fields, such as various kinds of magnetized metals and electric circuits. In this case, the vector data output from the three-dimensional magnetic sensor is a value including a vector representing a magnetic field generated by a component mounted on the device in addition to a vector representing geomagnetism. Therefore, in order to accurately know the value of geomagnetism, it is necessary to perform a correction process for removing a vector representing an internal magnetic field generated by a component of the device from vector data output from the three-dimensional magnetic sensor. Thus, in order to obtain an accurate value of the geomagnetism that is the detection target, a component that is removed from the data output from the three-dimensional magnetic sensor in the correction process is referred to as an offset.

内部磁界は、機器の部品が発する磁界であり、機器に対して一定の方向を向き、一定の大きさを有する。内部磁界は、機器に搭載された3次元磁気センサから見た場合には、機器をどのような姿勢に変化させた場合であっても、一定の方向と一定の大きさを有するベクトルとして表される。
一方、地磁気は、磁極北に向かう水平成分と伏角方向の鉛直成分とを有する磁界であり、地面に対して一定の方向と一定の大きさとを有する一様な磁界である。従って、地面に対して機器の姿勢を変化させる場合には、機器から見た地磁気の方向も変化することになる。すなわち、機器に搭載された3次元磁気センサから見た場合、地磁気は、機器の姿勢の変化に伴い向きを変化させる一定の大きさのベクトルとして表される。
3次元磁気センサを上下左右方向に回転させて3次元的に大きく姿勢変化させつつ複数の磁気データを取得した場合、3次元磁気センサが順次出力する複数のベクトルデータの示す複数の座標は、内部磁界を表すベクトルの示す座標を中心点とし、地磁気を表すベクトルの大きさを半径とする球面近傍に分布する。
The internal magnetic field is a magnetic field generated by a component of the device, and is directed in a certain direction with respect to the device and has a certain magnitude. The internal magnetic field is represented as a vector having a certain direction and a certain magnitude when viewed from a three-dimensional magnetic sensor mounted on the device, regardless of the posture of the device. The
On the other hand, the geomagnetism is a magnetic field having a horizontal component toward the north of the magnetic pole and a vertical component in the dip direction, and is a uniform magnetic field having a certain direction and a certain magnitude with respect to the ground. Therefore, when the posture of the device is changed with respect to the ground, the direction of geomagnetism viewed from the device also changes. That is, when viewed from a three-dimensional magnetic sensor mounted on a device, the geomagnetism is expressed as a vector having a certain magnitude that changes its direction with a change in the posture of the device.
When a plurality of magnetic data is acquired while rotating the three-dimensional magnetic sensor in the vertical and horizontal directions to greatly change the posture three-dimensionally, a plurality of coordinates indicated by a plurality of vector data sequentially output by the three-dimensional magnetic sensor are Distributed around a spherical surface with the coordinates of the vector representing the magnetic field as the center point and the magnitude of the vector representing the geomagnetism as the radius.

特許文献1には、このような地磁気及び内部磁界の性質を利用することで、3次元磁気センサの姿勢を変化させつつ取得した複数の磁気データに基づいて、内部磁界を表す一定の向き及び大きさを有するベクトルを算出し、この内部磁界を表すベクトルをオフセットとして出力データから取り除く補正処理を行うことで、正確な地磁気の向きを算出する方法が開示されている。   In Patent Document 1, by utilizing such properties of the geomagnetism and the internal magnetic field, based on a plurality of magnetic data acquired while changing the attitude of the three-dimensional magnetic sensor, a certain direction and magnitude representing the internal magnetic field are disclosed. There is disclosed a method for calculating an accurate geomagnetic direction by calculating a vector having a thickness and performing a correction process for removing the vector representing the internal magnetic field from the output data as an offset.

ところで、3次元磁気センサが搭載された機器の部品が、軟磁性材料を有する場合、3次元磁気センサから順次出力されるベクトルデータの示す複数の座標は、軟磁性材料が磁化される結果として発する磁界の影響により、球面近傍には分布せず、楕円面近傍に分布する。すなわち、軟磁性材料が発する磁界の影響が無ければ、球面近傍に分布するはずの複数の座標は、軟磁性材料が発する磁界の影響により、楕円面の主軸方向に伸縮するように移動する結果、球面と同一の中心点を有する楕円面近傍に分布することになる。このように、軟磁性材料が磁化される結果として発する磁界の影響により、3次元磁気センサから順次出力されるベクトルデータの示す複数の座標が楕円面近傍に分布する現象は、ソフトアイアン効果と呼ばれている。
ソフトアイアン効果が生じている場合、楕円面近傍に存在する座標に基づいて、地磁気の正確な向きを算出することはできない。地磁気の正確な向きを算出するためには、楕円面上の座標を、球面上の座標へと移動させる座標変換、すなわち、楕円面の中心点を起点として楕円面の主軸方向に伸縮するように移動させる座標変換を行う必要がある。このような、楕円面上の座標を球面上の座標へ変換する処理を、楕円補正と呼ぶ。楕円補正を行うことで算出される座標変換後の座標から、球面の中心点の示す座標を減算することにより、地磁気の向きを算出することができる。
By the way, when the component of the device in which the three-dimensional magnetic sensor is mounted has a soft magnetic material, a plurality of coordinates indicated by vector data sequentially output from the three-dimensional magnetic sensor are emitted as a result of the soft magnetic material being magnetized. Due to the influence of the magnetic field, it is not distributed near the spherical surface but distributed near the elliptical surface. That is, if there is no influence of the magnetic field generated by the soft magnetic material, the plurality of coordinates that should be distributed in the vicinity of the spherical surface move so as to expand and contract in the principal axis direction of the ellipsoid due to the influence of the magnetic field generated by the soft magnetic material. It is distributed in the vicinity of an ellipsoid having the same center point as the spherical surface. In this way, a phenomenon in which a plurality of coordinates indicated by vector data sequentially output from a three-dimensional magnetic sensor due to the influence of a magnetic field generated as a result of magnetizing a soft magnetic material is distributed near the ellipsoid is called a soft iron effect. It is.
When the soft iron effect is generated, it is not possible to calculate the correct direction of geomagnetism based on the coordinates existing in the vicinity of the ellipsoid. In order to calculate the correct orientation of the geomagnetism, coordinate transformation to move the coordinates on the ellipsoid to coordinates on the sphere, that is, to expand and contract in the principal axis direction of the ellipsoid starting from the center point of the ellipsoid It is necessary to perform coordinate transformation to move. Such a process of converting the coordinates on the ellipsoid into coordinates on the sphere is called ellipse correction. The direction of geomagnetism can be calculated by subtracting the coordinate indicated by the center point of the spherical surface from the coordinate after coordinate conversion calculated by performing ellipse correction.

非特許文献1及び非特許文献2には、ソフトアイアン効果が生じている場合に、3次元磁気センサから出力されるベクトルデータの示す楕円面上の座標を、球面上の座標に座標変換を行うための、座標変換行列を算出する方法が開示されている。
具体的には、3次元磁気センサから順次出力される複数のベクトルデータの示す座標が楕円面上に位置することを表す連立一次方程式を定め、当該連立一次方程式の解として尤もらしい値に基づいて、座標変換行列の候補となる行列を算出する。その後、座標変換行列の候補となる行列を、座標変換後の座標と球面との誤差を表す非線形関数の値を最小化する非線形最適化演算の初期値に適用し、座標変換行列の候補となる行列の各成分を逐次更新することで、座標変換行列の最適値、すなわち、座標変換後の座標と球面との誤差が最小となる座標変換行列を算出する方法が開示されている。
In Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, when the soft iron effect occurs, the coordinates on the ellipsoid indicated by the vector data output from the three-dimensional magnetic sensor are converted into coordinates on the sphere. Therefore, a method for calculating a coordinate transformation matrix is disclosed.
Specifically, a simultaneous linear equation representing that the coordinates indicated by a plurality of vector data sequentially output from the three-dimensional magnetic sensor are located on the ellipsoid is defined, and based on a plausible value as a solution of the simultaneous linear equation. Then, a matrix that is a candidate for the coordinate transformation matrix is calculated. After that, the candidate matrix of the coordinate transformation matrix is applied to the initial value of the nonlinear optimization operation that minimizes the value of the nonlinear function representing the error between the coordinate after the coordinate transformation and the spherical surface, and becomes the candidate of the coordinate transformation matrix. There is disclosed a method for calculating an optimum value of a coordinate transformation matrix, that is, a coordinate transformation matrix that minimizes an error between a coordinate after coordinate transformation and a spherical surface by sequentially updating each component of the matrix.

特開2007−240270号公報JP 2007-240270 A

J. F. Vasconcelos, G. Elkaim, C. Silvestre, P. Oliveira, and B. Cardeira, “A Geometric Approach to Strapdown Magnetometer Calibration in Sensor Frame”, in IFAC Workshop on Navigation, Guidance and Control of Underwater Vehicles, Killaloe, Ireland, April 2008JF Vasconcelos, G. Elkaim, C. Silvestre, P. Oliveira, and B. Cardeira, “A Geometric Approach to Strapdown Magnetometer Calibration in Sensor Frame”, in IFAC Workshop on Navigation, Guidance and Control of Underwater Vehicles, Killaloe, Ireland, April 2008 C. C. Foster and G. H. Elkaim, “Extension of a Two-Step Calibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 44, No. 3, July 2008C. C. Foster and G. H. Elkaim, “Extension of a Two-Step Calibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 44, No. 3, July 2008

しかし、非特許文献1及び非特許文献2に開示された方法で算出される座標変換行列の初期値、つまり、座標変換行列の候補となる行列は、非線形関数の大局的最適解となる座標変換行列とは大きく異なる値である場合がある。
非線形最適化演算に用いられる初期値が、非線形関数の大局的最適解と大きく異なる値である場合、非線形最適化演算により求められる最適解が、大局的最適解とは異なる局所最適解となる可能性が高い。従って、非特許文献1及び非特許文献2に開示された方法で算出される座標変換行列を用いて、3次元磁気センサから出力されるベクトルデータを座標変換しても、正確な地磁気の向きを求めることはできない可能性が高いという問題点があった。
However, the initial value of the coordinate transformation matrix calculated by the method disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Literature 2, that is, the matrix that is a candidate for the coordinate transformation matrix is a coordinate transformation that is a global optimum solution of the nonlinear function. The value may be very different from the matrix.
If the initial value used for the nonlinear optimization operation is a value that differs greatly from the global optimal solution of the nonlinear function, the optimal solution obtained by the nonlinear optimization operation can be a local optimal solution different from the global optimal solution. High nature. Therefore, even if the coordinate conversion of the vector data output from the three-dimensional magnetic sensor is performed using the coordinate conversion matrix calculated by the method disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, an accurate geomagnetic direction can be obtained. There was a problem that there was a high possibility that it could not be obtained.

本発明は、上述した事情を鑑み、非線形最適化問題の対象となる非線形関数の大局的最適解に近い正確な初期値を算出し、当該初期値に基づいて座標変換行列を算出することにより、正確な地磁気の方向を算出することを解決課題とする。   In view of the circumstances described above, the present invention calculates an accurate initial value close to the global optimal solution of the nonlinear function that is the target of the nonlinear optimization problem, and calculates a coordinate transformation matrix based on the initial value. The problem to be solved is to calculate an accurate direction of geomagnetism.

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために本実施形態、変形例、及び添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が本実施形態に限定されるものではない。   The present invention will be described below. In addition, in order to make an understanding of this invention easy, although this embodiment, a modified example, and the reference sign of an accompanying drawing are attached in parentheses, this invention is not limited to this embodiment by it.

上述した課題を解決するため、本発明に係る地磁気測定装置は、軟磁性材料を有する部品を備えた機器に組み込まれ、互いに直交する第1軸、第2軸、及び第3軸の3方向の磁気成分をそれぞれ検出する3次元磁気センサと、前記3次元磁気センサから、3軸の座標系において表現される3次元のベクトルデータとして順次出力される磁気データ(q)を蓄積する蓄積部と、複数の前記磁気データ(q〜q)の各々が示す3軸の座標を近傍に有し、互いに形状の異なる第1楕円面(Vxx)、第2楕円面(Vyy)、及び第3楕円面(Vzz)のうち、少なくとも2つの楕円面の各々の中心点を表す3軸の座標を算出する初期楕円面生成部(310)と、前記少なくとも2つの楕円面の各々の中心点を表す3軸の座標の相互間の距離が、第1閾値(Δc)以下であるか否かを判定する、初期楕円面中心点判定部(322)と、前記初期楕円面中心点判定部の判定結果が肯定である場合、前記少なくとも2つの楕円面のうち、少なくとも1つの楕円面の形状を表す係数行列に基づいて、初期楕円面補正行列(T)を算出すると共に、前記少なくとも1つの楕円面の中心点を表す3軸の座標に基づいて、初期中心点(cE0)の3軸の座標を算出する、初期補正値生成部(330)と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a geomagnetism measuring apparatus according to the present invention is incorporated in a device including a component having a soft magnetic material, and is in three directions of a first axis, a second axis, and a third axis orthogonal to each other. A three-dimensional magnetic sensor for detecting each magnetic component, and a storage unit for storing magnetic data (q i ) sequentially output from the three-dimensional magnetic sensor as three-dimensional vector data expressed in a three-axis coordinate system; A first ellipsoid (V xx ), a second ellipsoid (V yy ) having three-axis coordinates indicated by each of the plurality of magnetic data (q 1 to q N ) in the vicinity and having different shapes, and Of the third ellipsoid (V zz ), an initial ellipsoid generator (310) for calculating three-axis coordinates representing the center point of each of at least two ellipsoids, and the center of each of the at least two ellipsoids The distance between the coordinates of the three axes representing the point is the first threshold (Δ ) If the determination result of the initial ellipsoid center point determination unit (322) and the initial ellipsoid center point determination unit is affirmative, it is determined whether at least two of the at least two ellipsoids An initial ellipsoid correction matrix (T 0 ) is calculated based on a coefficient matrix representing the shape of one ellipsoid, and an initial center point is determined based on three-axis coordinates representing the center point of the at least one ellipsoid. an initial correction value generation unit (330) that calculates three-axis coordinates of (c E0 ).

ソフトアイアン効果が生じている場合、複数の磁気データの示す座標は、楕円面近傍に分布するため、地磁気の向きを算出するためには、楕円面近傍に分布する座標を、当該楕円面と同一の中心点を有する球面近傍に分布する座標へと変換する座標変換(つまり、楕円補正)を行う必要がある。このような座標変換を行うための行列を算出するためには、複数の磁気データを近傍に有し、複数の磁気データの分布形状を正確に表現する楕円面の形状を特定することが必要となる。   When the soft iron effect has occurred, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data are distributed in the vicinity of the ellipsoid. Therefore, in order to calculate the direction of the geomagnetism, the coordinates distributed in the vicinity of the ellipse are the same as the ellipse. It is necessary to perform coordinate transformation (that is, ellipse correction) for transformation into coordinates distributed in the vicinity of a spherical surface having the center point. In order to calculate a matrix for performing such coordinate transformation, it is necessary to specify the shape of an ellipsoid having a plurality of magnetic data in the vicinity and accurately expressing the distribution shape of the plurality of magnetic data. Become.

しかし、複数の磁気データの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合、例えば、複数の磁気データの示す座標の分布が広がりを有さず特定の座標の近傍に分布する場合であっても、複数の磁気データの示す座標を近傍に有するような楕円面を強引に算出することができる。
このような楕円面は、複数の磁気データの分布形状を正確に表現したものではない。複数の磁気データの示す座標の分布形状を正確に表さない不適切な楕円面に基づいて生成される座標変換行列により楕円補正を行う場合、正確な地磁気の向きを算出することは困難である。従って、複数の磁気データの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合には、楕円補正を行うための座標変換行列が算出されることを防止する必要がある。
However, if it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the shape of the distribution of coordinates indicated by multiple magnetic data, for example, the distribution of coordinates indicated by multiple magnetic data does not have a spread and is near a specific coordinate Even in the case of being distributed in an elliptical plane, it is possible to forcibly calculate an elliptical surface having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data in the vicinity.
Such an ellipsoid is not an accurate representation of the distribution shape of a plurality of magnetic data. When performing ellipse correction using a coordinate transformation matrix generated based on an inappropriate ellipsoid that does not accurately represent the coordinate distribution shape indicated by multiple magnetic data, it is difficult to calculate the correct geomagnetic direction. . Therefore, when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the shape of the coordinate distribution indicated by the plurality of magnetic data, it is necessary to prevent the calculation of a coordinate transformation matrix for performing ellipse correction. .

この発明によれば、初期楕円面生成部は、複数の磁気データの示す座標を近傍に有する楕円面として、第1楕円面、第2楕円面、及び、第3楕円面の3つの異なる楕円面のうち、少なくとも2つの楕円面の各々の中心点の座標を算出する。そして、初期楕円面中心点判定部は、2つの楕円面各々の中心点の相互間の距離が、第1閾値以下であることを判定する。
初期楕円面中心点判定部の判定結果が肯定である場合、初期楕円面生成部が生成する少なくとも2つの楕円面は、いずれも、複数の磁気データの示す座標を近傍に有し、初期楕円面生成部が生成する少なくとも2つの楕円面各々の中心点の示す座標は、同一と看做すことができる。従って、初期楕円面中心点判定部の判定結果が肯定である場合、初期楕円面生成部が生成する少なくとも2つの楕円面は、同一の形状を有すると看做すことができる。
According to this invention, the initial ellipsoid generating unit has three different ellipsoids of the first ellipsoid, the second ellipsoid, and the third ellipsoid as the ellipsoid having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data in the vicinity. Of these, the coordinates of the center point of each of at least two ellipsoids are calculated. Then, the initial ellipsoid center point determination unit determines that the distance between the center points of the two ellipsoid surfaces is equal to or less than the first threshold value.
When the determination result of the initial ellipsoid center point determination unit is affirmative, at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generation unit each have coordinates indicated by a plurality of magnetic data in the vicinity, and the initial ellipsoid The coordinates indicated by the center point of each of the at least two ellipsoids generated by the generation unit can be regarded as the same. Therefore, when the determination result of the initial ellipsoid center point determination unit is affirmative, it can be considered that at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generation unit have the same shape.

複数の磁気データの示す座標が、楕円面の形状を特定することができるような形状に分布している場合、初期楕円面生成部において生成される少なくとも2つの異なる楕円面は、複数の磁気データの分布により特定される楕円面の形状と、同一と看做すことのできる形状を有する楕円面として、各々算出される。
逆に、複数の磁気データの示す座標の分布形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合、初期楕円面生成部が生成する少なくとも2つの楕円面の形状の各々は、複数の磁気データの示す座標を近傍に有するという条件のみに基づいて定められる。この場合、少なくとも2つの楕円面の形状は、同一の形状と看做すことができない可能性が高く、少なくとも2つの楕円面の中心点の各々が示す座標も、同一の座標とは看做すことができない可能性が高い。
When the coordinates indicated by the plurality of magnetic data are distributed in such a shape that the shape of the ellipsoid can be specified, at least two different ellipsoids generated in the initial ellipsoid generator are the plurality of magnetic data. Are calculated as an elliptical surface having a shape that can be regarded as the same as the shape of the elliptical surface specified by the distribution of.
Conversely, when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data, each of the at least two ellipsoid shapes generated by the initial ellipsoid generator generates a plurality of magnets. It is determined based only on the condition that the coordinates indicated by the data are in the vicinity. In this case, it is highly likely that the shape of at least two ellipsoids cannot be regarded as the same shape, and the coordinates indicated by the center points of at least two ellipsoids are also regarded as the same coordinates. It's likely that you can't.

本発明に係る地磁気測定装置は、第1楕円面、第2楕円面、及び第3楕円面のうち、少なくとも2つの楕円面が同一の形状と看做すことができることを判定したうえで、初期楕円面補正行列を生成する。従って、複数の磁気データの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合に、不適切な初期楕円面補正行列が生成されることを防止することができる。   The geomagnetism measuring apparatus according to the present invention determines that at least two of the first ellipsoid, the second ellipsoid, and the third ellipsoid can be regarded as having the same shape. Generate an ellipsoid correction matrix. Therefore, it is possible to prevent an inappropriate initial ellipsoid correction matrix from being generated when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the shape of the coordinate distribution indicated by the plurality of magnetic data.

また、上述した地磁気測定装置において、前記初期楕円面生成部(310)は、複数の前記磁気データの各々が示す3軸の座標が、楕円面の近傍に確率的に分布すると仮定して、前記楕円面を、前記第1軸成分の二乗を表す項(x)、前記第2軸成分の二乗を表す項(y)、及び前記第3軸成分の二乗を表す項(z)を含む楕円面方程式により表現したとき、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標を前記楕円面方程式のうち前記第1軸成分の二乗を表す項以外の項に代入して得られる値と、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標のうち前記第1軸成分の二乗値との誤差を最小化する前記第1楕円面の中心点(cxx)を表す3軸の座標を算出する、第1楕円面生成部(311)、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標を前記楕円面方程式のうち前記第2軸成分の二乗を表す項以外の項に代入して得られる値と、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標のうち前記第2軸成分の二乗値との誤差を最小化する前記第2楕円面の中心点(cyy)を表す3軸の座標を算出する、第2楕円面生成部(312)、及び、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標を前記楕円面方程式のうち前記第3軸成分の二乗を表す項以外の項に代入して得られる値と、複数の前記磁気データの各々が表す3軸の座標のうち前記第3軸成分の二乗値との誤差を最小化する前記第3楕円面の中心点(czz)を表す3軸の座標を算出する、第3楕円面生成部(313)のうち、少なくとも2つを備えることを特徴とする、ことが好ましい。 In the geomagnetism measuring apparatus described above, the initial ellipsoid generation unit (310) assumes that the three-axis coordinates indicated by each of the plurality of magnetic data are probabilistically distributed in the vicinity of the ellipsoid, A term (x 2 ) representing the square of the first axis component, a term (y 2 ) representing the square of the second axis component, and a term (z 2 ) representing the square of the third axis component are defined on the ellipsoid. A value obtained by substituting the three-axis coordinates represented by each of the plurality of magnetic data into a term other than the term representing the square of the first axis component in the ellipsoid equation, , Three-axis coordinates representing a center point (c xx ) of the first ellipsoid that minimizes an error from the square value of the first-axis component among the three-axis coordinates represented by each of the plurality of magnetic data. A first ellipsoidal surface generation unit (311) to calculate, the three-axis coordinates represented by each of the plurality of magnetic data, the ellipse A value obtained by substituting a term other than the term representing the square of the second axis component in the equation, and a square value of the second axis component among the three-axis coordinates represented by each of the plurality of magnetic data A second ellipsoid generating unit (312) for calculating coordinates of three axes representing a center point (c yy ) of the second ellipsoid that minimizes an error, and three axes represented by each of the plurality of magnetic data; Of the ellipsoidal equation into a term other than the term representing the square of the third axis component, and the third axis among the three axis coordinates represented by each of the plurality of magnetic data At least two of the third ellipsoid generation units (313) that calculate the three-axis coordinates representing the center point (c zz ) of the third ellipsoid that minimizes the error from the square value of the component are provided. It is preferable to be characterized by this.

複数の磁気データの示す座標が、楕円面の形状を特定することができるような形状に分布している場合、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差をどのような形式により表現しても、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差を最小化することにより生成される楕円面は、複数の磁気データの分布により特定される楕円面の形状と同一と看做すことのできる形状に定められる。
逆に、複数の磁気データの示す座標の分布形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差を最小化することにより生成される楕円面の形状は、誤差の表現形式に依存した形状となる。
When the coordinates indicated by multiple magnetic data are distributed in a shape that can specify the shape of the ellipsoid, the error between the coordinates indicated by the multiple magnetic data and the ellipsoid is expressed in any format. However, the ellipsoid generated by minimizing the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data and the ellipsoid is considered to be the same as the shape of the ellipsoid specified by the distribution of the plurality of magnetic data. The shape can be determined.
Conversely, when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data, it is generated by minimizing the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data and the ellipsoid. The shape of the ellipsoid depends on the error expression format.

この発明によれば、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差を第1軸成分の二乗値に基づいて表現したときに当該誤差を最小化する第1楕円面、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差を第2軸成分の二乗値に基づいて表現したときに当該誤差を最小化する第2楕円面、及び、複数の磁気データの示す座標と楕円面との誤差を第3軸成分の二乗値に基づいて表現したときに当該誤差を最小化する第3楕円面のうち、少なくとも2つの楕円面を生成する。すなわち、初期楕円面生成部の生成する少なくとも2つの楕円面の各々は、異なる形式で表現された誤差を各々最小化することで定められる。   According to this invention, when the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data and the ellipsoid is expressed based on the square value of the first axis component, the first ellipse that minimizes the error, and the plurality of magnetic data When the error between the indicated coordinates and the ellipsoid is expressed based on the square value of the second axis component, the error between the second ellipse that minimizes the error and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data and the ellipsoid is obtained. At least two ellipsoids are generated among the third ellipsoids that minimize the error when expressed based on the square value of the third axis component. That is, each of the at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generation unit is determined by minimizing errors expressed in different formats.

従って、複数の磁気データの示す座標の分布形状から楕円面の形状を特定することが可能な場合、初期楕円面生成部の生成する少なくとも2つの楕円面は、複数の磁気データの示す座標の分布形状により特定される楕円面の形状と同一と看做すことのできる形状に定められる。
一方、複数の磁気データの示す座標の分布形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合、初期楕円面生成部の生成する少なくとも2つ楕円面は、誤差の表現形式に依存した異なる形状を有する。この場合、少なくとも2つ楕円面の各々の中心点は、同一の座標と看做すことはできず、初期楕円面補正行列は生成されない。
このように、本発明によれば、複数の磁気データの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合に、不適切な初期楕円面補正行列が生成されることを防止することができる。
Therefore, when it is possible to specify the shape of the ellipsoid from the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data, the at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generator are the distribution of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data. The shape is determined to be the same as the shape of the ellipsoid specified by the shape.
On the other hand, when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data, at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generator differ depending on the error expression format. Has a shape. In this case, the center points of at least two ellipsoidal surfaces cannot be regarded as the same coordinates, and no initial ellipsoidal correction matrix is generated.
As described above, according to the present invention, when it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the shape of the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data, an inappropriate initial ellipsoid correction matrix is generated. Can be prevented.

また、上述した地磁気測定装置は、3次元の変数ベクトル(c)の示す3軸の座標を起点として前記磁気データ(q)の示す3軸の座標を表す3次元のベクトルを第1変数ベクトル(q−c)とし、前記第1変数ベクトルを、変数行列(T)により変換して得られる3次元のベクトルを第2変数ベクトル(s−c)とし、前記第2変数ベクトルの示す3軸の座標を表すデータを変換後データ(sXi)とし、複数の前記変換後データ(sX1〜sXN)の各々が示す3軸の座標と、前記変数ベクトルの示す3軸の座標を中心とする球面との誤差を表し、前記変数行列の各成分と、前記変数ベクトルの各要素とを変数とする関数を、楕円面最適化関数(fEL)としたとき、前記楕円面最適化関数の変数の初期値として、前記初期楕円面補正行列の各成分と、前記初期中心点の示す3軸の座標とを適用し、その後、前記楕円面最適化関数の変数の値を逐次更新することにより、前記楕円面最適化関数を最小化する解として、最適楕円面補正行列(TOP)と、最適中心点(cEOP)の示す3軸の座標とを算出する、楕円面最適補正値生成部(400)と、前記3次元磁気センサから出力される磁気データ(q)の示す3軸の座標を、前記最適中心点の示す3軸の座標から表した3次元のベクトル(q−cEOP)を、前記最適楕円面補正行列により変換することにより(s−cEOP)、地磁気(Bg)の向きを算出する、地磁気算出部(600)と、を更に備えることを特徴とすることが好ましい。 Further, the above-described geomagnetism measuring apparatus uses a three-dimensional vector representing the three-axis coordinates indicated by the magnetic data (q i ) as a first variable vector, starting from the three-axis coordinates indicated by the three-dimensional variable vector (c). (q i −c), a three-dimensional vector obtained by transforming the first variable vector with a variable matrix (T) is a second variable vector (s X −c), and indicates the second variable vector. The data representing the coordinates of the three axes is converted data (s Xi ), and the three-axis coordinates indicated by each of the plurality of converted data (s X1 to s XN ) and the three-axis coordinates indicated by the variable vector are When an elliptical surface optimization function (f EL ) is used as a function that represents an error from the center spherical surface and each component of the variable matrix and each element of the variable vector is a variable, the elliptical surface optimization As initial values of function variables, each of the initial ellipsoid correction matrices As a solution for minimizing the ellipsoidal optimization function by applying the minute and the three-axis coordinates indicated by the initial center point, and then successively updating the values of the variables of the ellipsoidal optimization function, optimal ellipsoid correction matrix and (T OP), computes the coordinates of the three axes indicated by the optimum center point (c EOP), ellipsoidal optimum correction value generating section (400), outputted from the 3-dimensional magnetic sensor A three-dimensional vector (q i −c EOP ) representing the three-axis coordinates indicated by the magnetic data (q i ) from the three-axis coordinates indicated by the optimum center point is converted by the optimum ellipsoidal correction matrix. (S i −c EOP ) and a geomagnetism calculation unit (600) for calculating the direction of geomagnetism (Bg).

この発明によれば、楕円面最適化関数の変数の初期値として、初期楕円面補正行列の各成分と、初期中心点の示す座標とを適用する。
前述の通り、初期楕円面補正行列及び初期中心点は、初期楕円面生成部が生成する少なくとも2つ楕円面に基づいて生成される値であり、複数の磁気データの示す座標の分布形状を正確に表現する楕円面に基づいて定められる値である。
一方、楕円面最適化関数を最小化する非線形最適化演算は、複数の磁気データの示す座標との誤差を最小化する楕円面を算出するための演算である。つまり、楕円面最適化関数の大局的最適解は、複数の磁気データの示す座標の分布形状を最も正確に表現する楕円面の形状を表す行列及び当該楕円面の中心点となる。従って、初期楕円面補正行列及び初期中心点は、楕円面最適化関数の大局的最適化に近い値を有する正確な値である。
すなわち、本発明に係る地磁気測定装置は、大局的最適解に近い正確な値を、非線形最適化演算の初期値として適用することにより、非線形最適化演算が、局所最適解を算出することを防止し、正確な地磁気の向きを算出することができる。
According to the present invention, each component of the initial ellipsoid correction matrix and the coordinates indicated by the initial center point are applied as the initial values of the variables of the ellipsoid optimization function.
As described above, the initial ellipsoid correction matrix and the initial center point are values generated based on at least two ellipsoids generated by the initial ellipsoid generation unit, and the distribution shape of coordinates indicated by a plurality of magnetic data is accurately determined. Is a value determined based on the ellipsoidal surface expressed in
On the other hand, the non-linear optimization calculation that minimizes the ellipsoidal optimization function is an operation for calculating an ellipsoid that minimizes an error from the coordinates indicated by a plurality of magnetic data. That is, the global optimal solution of the ellipsoidal optimization function is a matrix representing the shape of the ellipsoid that most accurately represents the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data, and the center point of the ellipsoid. Therefore, the initial ellipsoid correction matrix and the initial center point are accurate values having values close to the global optimization of the ellipsoid optimization function.
That is, the geomagnetic measurement apparatus according to the present invention prevents the nonlinear optimization calculation from calculating the local optimum solution by applying an accurate value close to the global optimum solution as the initial value of the nonlinear optimization calculation. Thus, an accurate geomagnetic direction can be calculated.

また、上述した地磁気測定装置において、前記3次元磁気センサから出力される磁気データ(q)の示す3軸の座標を、前記初期中心点(cE0)の示す3軸の座標から表した3次元のベクトル(q−cE0)を、前記初期楕円面補正行列(T)により変換することにより(s−cE0)、地磁気(Bg)の向きを算出する、地磁気算出部(600)を更に備えることを特徴とすることが好ましい。 In the geomagnetism measuring apparatus described above, the three-axis coordinates indicated by the magnetic data (q i ) output from the three-dimensional magnetic sensor are represented by the three-axis coordinates indicated by the initial center point (c E0 ). A geomagnetism calculation unit (600) that calculates a direction of geomagnetism (Bg) by transforming a dimension vector (q i −c E0 ) by the initial ellipsoid correction matrix (T 0 ) (s i −c E0 ). ) Is further provided.

この発明によれば、簡易な計算により楕円補正を行うことができ、地磁気の向きの算出に係る計算負荷を軽減することが可能となる。   According to the present invention, the ellipse can be corrected by a simple calculation, and the calculation load related to the calculation of the geomagnetism direction can be reduced.

本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する磁界の概要を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the outline | summary of the magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する地磁気と内部磁界とについて説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the geomagnetism and internal magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する地磁気と内部磁界とについて説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the geomagnetism and internal magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する着磁磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetizing magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する着磁磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetizing magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが測定する着磁磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetizing magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention measures. 本発明の実施形態に楕円面補正行列について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an ellipsoid correction matrix in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る3次元磁気センサが搭載される機器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the apparatus by which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention is mounted. 本発明の実施形態に係る地磁気測定装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the geomagnetic measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る楕円面初期補正値生成部の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the ellipse surface initial correction value production | generation part which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る第1楕円面、第2楕円面、及び第3楕円面について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the 1st ellipsoid, the 2nd ellipsoid, and the 3rd ellipsoid concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る初期楕円面補正行列について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the initial stage ellipsoid correction matrix which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る第2の条件について説明する概念図である。It is a key map explaining the 2nd condition concerning the embodiment of the present invention. 楕円補正において回転が発生する場合について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the case where rotation generate | occur | produces in ellipse correction. 第2実施形態に係る地磁気測定装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the geomagnetic measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る3次元磁気センサが測定する地磁気、内部磁界、着磁磁界、及び外部磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the geomagnetism, the internal magnetic field, the magnetization magnetic field, and the external magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on 2nd Embodiment measures. 第2実施形態に係る3次元磁気センサが測定する外部磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the external magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on 2nd Embodiment measures. 第2実施形態に係る3次元磁気センサが測定する外部磁界について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the external magnetic field which the three-dimensional magnetic sensor which concerns on 2nd Embodiment measures. 第2実施形態に係る地磁気測定装置の動作を表すフローチャートある。It is a flowchart showing operation | movement of the geomagnetic measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る中心点算出処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the center point calculation process which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る磁気データ分布判定処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetic data distribution determination process which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る磁気データ分布判定処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetic data distribution determination process which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る歪判定処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the distortion determination process which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る歪判定処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the distortion determination process which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る歪判定処理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the distortion determination process which concerns on 2nd Embodiment.

<A.第1実施形態>
以下、本発明の実施の形態を説明する。
<A. First Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described below.

[1. 3次元磁気センサが検出する磁界の概要]
本実施形態では、3次元磁気センサが検出する磁界として、検出対象である地磁気の他に、3次元磁気センサが搭載される機器に備えられる部品が発する磁界である内部磁界、及び部品の備える軟磁性材料が機器外部からの磁界により磁化される結果生じる着磁磁界の存在を想定する。
以下、図1乃至図5を用いて、本実施形態において想定するこれら3種類の磁界の概要、及び、これらの磁界を3次元磁気センサが検出した場合に3次元磁気センサから出力されるベクトルデータについて説明する。
[1. Outline of magnetic field detected by 3D magnetic sensor]
In the present embodiment, as the magnetic field detected by the three-dimensional magnetic sensor, in addition to the geomagnetism that is the detection target, an internal magnetic field that is a magnetic field generated by a component included in a device on which the three-dimensional magnetic sensor is mounted, and a soft component Assume the presence of a magnetizing magnetic field that results from the magnetic material being magnetized by a magnetic field from outside the device.
Hereinafter, an outline of these three types of magnetic fields assumed in the present embodiment and vector data output from the three-dimensional magnetic sensor when the three-dimensional magnetic sensor detects these magnetic fields will be described with reference to FIGS. Will be described.

図1は、測定対象である地磁気Bg、3次元磁気センサの搭載された機器1が備える部品2が発する内部磁界Bi、及び、部品2のうち軟磁性材料21が発する着磁磁界Bmについて説明する図である。   FIG. 1 illustrates a geomagnetism Bg to be measured, an internal magnetic field Bi generated by a component 2 included in a device 1 equipped with a three-dimensional magnetic sensor, and a magnetized magnetic field Bm generated by a soft magnetic material 21 of the component 2. FIG.

地磁気Bgは、磁極北に向かう一様な向き及び大きさを有する磁界である。地磁気Bgの向き及び大きさは、厳密には地域によって異なるが、例えば、異なる都市に移動する等の大きな移動をしない場合には、一様な向き及び大きさを有する。
内部磁界Biは、機器1に備えられた部品2の発する磁界であり、機器1から見て一定の向き及び一定の大きさを有する磁界である。すなわち、機器1の姿勢がどのように変化しても、内部磁界Biは、3次元磁気センサ60によって、一定の向き及び大きさを有する磁界として検知される。
着磁磁界Bmは、機器1の外部の物体から発せられる磁界(すなわち、地磁気Bg)の影響により軟磁性材料21が磁化される結果、軟磁性材料21が発する磁界である。従って、着磁磁界Bmは、地磁気Bgの向き及び大きさや、軟磁性材料21の材質、大きさ、形状等に依存して、向き及び大きさを変化させる磁界である。
The geomagnetism Bg is a magnetic field having a uniform direction and magnitude toward the magnetic pole north. Strictly speaking, the direction and size of the geomagnetism Bg varies depending on the region, but has a uniform direction and size, for example, when a large movement such as moving to a different city is not performed.
The internal magnetic field Bi is a magnetic field generated by the component 2 provided in the device 1 and has a certain direction and a certain magnitude when viewed from the device 1. That is, no matter how the attitude of the device 1 changes, the internal magnetic field Bi is detected by the three-dimensional magnetic sensor 60 as a magnetic field having a fixed direction and magnitude.
The magnetizing magnetic field Bm is a magnetic field generated by the soft magnetic material 21 as a result of the soft magnetic material 21 being magnetized by the influence of a magnetic field (that is, geomagnetism Bg) generated from an object outside the device 1. Therefore, the magnetizing magnetic field Bm is a magnetic field that changes the direction and magnitude depending on the direction and magnitude of the geomagnetism Bg and the material, size, and shape of the soft magnetic material 21.

説明の便宜上、図1に示すような地上座標系Σ及びセンサ座標系Σを導入する。図1に記載された各ベクトルの左上に付された添字Gは、当該ベクトルが地上座標系Σにおいて表現されたベクトルであることを意味する。
地上座標系Σは、地上に固定された座標系であり、地上の任意の一点を原点とし、互いに直交する3つの方向、例えば、東、北、及び鉛直上向きを、それぞれx軸、y軸、及びz軸とする座標系である。
センサ座標系Σは3次元磁気センサ60に固定された座標系であり、3次元磁気センサ60の有する3つの各々のセンサモジュールの出力する値を、それぞれ、x軸(第1軸)、y軸(第2軸)、z軸(第3軸)上にプロットするように設けられた座標系である。すなわち、3次元磁気センサ60が出力する磁気データは、センサ座標系Σのベクトルデータとして表現される。なお、図1に示す姿勢μは、地上座標系Σにおけるセンサ座標系Σの各軸の向き(すなわち、地上座標系Σにおける、3次元磁気センサ60の向き)を表す。
以下において、姿勢μを変化させた場合、地上座標系Σ及びセンサ座標系Σの各々において、内部磁界Bi及び着磁磁界Bmの向きがどのように変化するかについて説明する。
For convenience of explanation, a ground coordinate system Σ G and a sensor coordinate system Σ S as shown in FIG. 1 are introduced. Subscript G attached to the upper left of each vector described in Figure 1 means that the vector is a vector expressed in ground coordinate system sigma G.
The ground coordinate system Σ G is a coordinate system fixed on the ground. The origin is an arbitrary point on the ground, and three directions orthogonal to each other, for example, east, north, and vertical upward are respectively represented by the x axis and the y axis. , And the z-axis coordinate system.
The sensor coordinate system Σ S is a coordinate system fixed to the three-dimensional magnetic sensor 60, and the values output from the three sensor modules of the three-dimensional magnetic sensor 60 are respectively expressed as x-axis (first axis) and y-axis. This is a coordinate system provided to plot on the axis (second axis) and the z-axis (third axis). That is, the magnetic data output from the 3D magnetic sensor 60 is expressed as vector data of the sensor coordinate system sigma S. Incidentally, the posture μ shown in Figure 1, represents the direction of each axis of the sensor coordinate system sigma S in ground coordinate system sigma G (i.e., in the ground coordinate system sigma G, the three-dimensional magnetic sensor 60 orientation).
In the following, the case of changing the posture mu, in each of the ground coordinate system sigma G and the sensor coordinate system sigma S, or explained the direction of the internal magnetic field Bi and magnetizing field Bm how changes.

まず、図2及び図3を参照しながら、地上座標系Σ及びセンサ座標系Σにおいて、内部磁界Bi及び地磁気Bgがどのように表されるかについて説明する。なお、図2及び図3においては、簡単のために、機器1は軟磁性材料21を備えず、着磁磁界Bmが存在しない場合を想定する。
図2は、内部磁界Bi及び地磁気Bgの向き及び大きさを、地上座標系Σにおいて表した図である。機器1の姿勢μが、姿勢μから姿勢μに変化した場合、内部磁界Biは、大きさは一定であるが、向きは姿勢μの変化に伴い変化する。一方、地磁気Bgの向き及び大きさは一定である。
First, how the internal magnetic field Bi and the geomagnetism Bg are represented in the ground coordinate system Σ G and the sensor coordinate system Σ S will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 and 3, for the sake of simplicity, it is assumed that the device 1 does not include the soft magnetic material 21 and there is no magnetizing magnetic field Bm.
2, the direction and magnitude of the internal magnetic field Bi and geomagnetism Bg, a diagram representing the ground coordinate system sigma G. Equipment 1 posture mu is, when changing from the posture mu 1 the posture mu 2, the internal magnetic field G Bi, but is the size constant, the orientation is changed along with the change in the attitude mu. On the other hand, it is constant direction and magnitude of the geomagnetism G Bg.

図3は、内部磁界Bi及び地磁気Bgの向き及び大きさを、センサ座標系Σにおいて表現した図である。具体的には、図3は、機器1の姿勢μをμ〜μと変化させつつ磁界を測定した場合に、3次元磁気センサ60が出力するN個の磁気データq〜qの示す座標を、センサ座標系Σにおいてプロットした図である(Nは精度よくオフセットを導出するために必要な磁気データの規定測定回数を表す9以上の自然数)。ここで、図3に記載された各ベクトルの左上に付された添字Sは、当該ベクトルがセンサ座標系Σにおいて表されたベクトルであることを意味する。 3, the direction and magnitude of the internal magnetic field Bi and geomagnetism Bg, a diagram expressing the sensor coordinate system sigma S. Specifically, FIG. 3, when measured magnetic field while the posture mu equipment 1 is changed from mu 1 ~Myu N, of N magnetic data q 1 to q N output from the three-dimensional magnetic sensor 60 coordinates indicating a diagram plotting the sensor coordinate system sigma S (N is 9 or more natural number representing a prescribed number of measurements of the magnetic data required to derive accurately offset). Here, the subscript S attached to the upper left of each vector described in Figure 3, it means that the vector is a vector expressed in the sensor coordinate system sigma S.

センサ座標系Σにおいて、内部磁界Biは、一定の向き及び一定の大きさを持つベクトルBi(センサ座標系Σの原点から中心点cOGへと向かうベクトル)として表現される。一方、地磁気Bgは、大きさは一定であるが、向きは3次元磁気センサ60の姿勢μに伴い変化する。つまり、地磁気Bgは、機器1の姿勢μに依存した向きの、一定の大きさのベクトルBg(μ)として表現される。従って、ベクトルBg(μ)の起点を中心点cOGに配置して姿勢μを変化させた場合、ベクトルBg(μ)の終点は、中心点cOGを中心点とし、地磁気Bgの大きさを半径とする、球面S上の座標を示す。 In the sensor coordinate system Σ S , the internal magnetic field Bi is expressed as a vector S Bi having a constant direction and a constant magnitude (a vector going from the origin of the sensor coordinate system Σ S to the center point c OG ). On the other hand, the magnitude of the geomagnetism Bg is constant, but the direction changes with the attitude μ of the three-dimensional magnetic sensor 60. That is, the geomagnetism Bg is expressed as a vector S Bg (μ) having a certain magnitude in a direction depending on the attitude μ of the device 1. Therefore, when the starting point of the vector S Bg (μ) is arranged at the center point c OG and the posture μ is changed, the end point of the vector S Bg (μ) is centered on the center point c OG and the magnitude of the geomagnetism Bg the a radius, indicating the coordinates on the sphere S G is.

センサ座標系Σにおいて、複数の磁気データq〜qの示す座標の各々は、内部磁界Bi及び地磁気Bgの和を表すため、複数の磁気データq〜qの示す座標は、球面S上に分布する。なお、3次元磁気センサ60の測定値は、測定誤差を有するため、複数の磁気データq〜qの示す座標は、厳密には、球面Sの近傍に確率的に分布する。
従って、磁気データqの示す座標から内部磁界Biを引き算することにより、センサ座標系Σにおける地磁気Bgの向き及び大きさを算出することが可能となる。
このように、検出対象である地磁気Bgの正確な向きを得るために、磁気データqの示す座標から、3次元磁気センサ60の出力する内部磁界Biを表す球面Sの中心点cOGの示す座標を減算する処理を、補正処理と呼ぶ。
また、補正処理において磁気データqから取り除かれるベクトルをオフセットcOFFと呼ぶ。すなわち、オフセットcOFFは、内部磁界を表すベクトルBiであり、センサ座標系Σにおいて、原点から球面Sの中心点cOGを示すベクトルとして表される。
In the sensor we coordinate system sigma S, each of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is to represent the sum of the internal magnetic field S Bi and geomagnetism S Bg, coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is distributed on a spherical surface S G. The measurement values of the three-dimensional magnetic sensor 60, since it has a measurement error, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, strictly speaking, it is stochastically distributed in the vicinity of the sphere S G.
Therefore, by subtracting the internal magnetic field S Bi from the coordinates indicated by the magnetic data q i, it is possible to calculate the direction and magnitude of the geomagnetism S Bg in the sensor coordinate system sigma S.
As described above, in order to obtain the correct orientation of the geomagnetism Bg that is the detection target, the center point c OG of the spherical surface S G that represents the internal magnetic field Bi output from the three-dimensional magnetic sensor 60 is determined from the coordinates indicated by the magnetic data q i . The process of subtracting the indicated coordinates is called a correction process.
A vector removed from the magnetic data q i in the correction process is referred to as an offset c OFF . That is, the offset c OFF is a vector S Bi representing the internal magnetic field, in the sensor coordinate system sigma S, expressed as a vector indicating the center point c OG of the spherical S G from the origin.

機器1が軟磁性材料21を備える場合、地磁気Bgの影響を受けて軟磁性材料21が磁化される結果、軟磁性材料21は着磁磁界Bmを発する。機器1の姿勢μを変化させた場合、着磁磁界Bmの向き及び大きさが、地上座標系Σ及びセンサ座標系Σの各々においてどのように変化するかについて、図4及び図5を参照しながら説明する。 When the device 1 includes the soft magnetic material 21, the soft magnetic material 21 is magnetized under the influence of the geomagnetism Bg. As a result, the soft magnetic material 21 generates a magnetizing magnetic field Bm. FIGS. 4 and 5 show how the orientation and magnitude of the magnetizing magnetic field Bm change in each of the ground coordinate system Σ G and the sensor coordinate system Σ S when the attitude μ of the device 1 is changed. The description will be given with reference.

図4は、地上座標系Σにおける、着磁磁界Bmの向き及び大きさ例示した図である。図4は、機器1が、センサ座標系Σのx軸に平行な長辺211a及び211bと、センサ座標系Σのy軸に平行な短辺212a及び212bとを有する直方体の軟磁性材料21を備え、軟磁性材料21が、センサ座標系Σのx軸上に位置するように配置されている場合を例示している。 4, in the ground coordinate system sigma G, it is illustrated FIGS direction and magnitude of the magnetizing magnetic field Bm. 4, apparatus 1 is cuboid soft magnetic material having parallel long sides 211a and 211b in the x-axis of the sensor coordinate system sigma S, the short sides parallel 212a and 212b in the y-axis of the sensor coordinate system sigma S with 21, the soft magnetic material 21 exemplifies a case which is arranged so as to be positioned on the x-axis of the sensor coordinate system sigma S.

着磁磁界Bmは、軟磁性材料21が地磁気Bgにより磁化された結果として生じる磁界であり、機器1の姿勢μ及び軟磁性材料21の材質、大きさ、形状等に依存して、向き及び大きさを変化させる磁界である。機器1の姿勢μが姿勢μから姿勢μに変化した場合、着磁磁界Bmの向き及び大きさは、Bm(μ)からBm(μ)へと変化する。例えば、機器1の姿勢μが姿勢μの場合、軟磁性材料21は、軟磁性材料21の短辺212aから他方の短辺212bへと向かう着磁磁界Bm(μ)を発生させ、機器1の姿勢μが姿勢μの場合、軟磁性材料21は、軟磁性材料21の長辺211aから他方の長辺211bへと向かう着磁磁界Bm(μ)を発生させる。
3次元磁気センサ60が検出する着磁磁界Bm(μ)の向き及び大きさは、姿勢μと、センサ座標系Σにおける軟磁性材料21の位置Pmとに依存する。例えば、図4の場合、3次元磁気センサ60は、着磁磁界Bm(μ)を、地磁気Bg(μ)と同じ方向を向いた磁界として測定する。また、3次元磁気センサ60は、着磁磁界Bm(μ)を、地磁気Bg(μ)とは逆の方向を向いた磁界として測定する。
なお、軟磁性材料21は、地磁気Bgの他に、部品2が発するセンサ座標系Σから見て一定の向き及び大きさの磁界により磁化される。センサ座標系Σから見て一定の向き及び大きさの磁界により磁化される結果として軟磁性材料21が発する磁界は、機器1の姿勢μが変化した場合であっても一定の方向及び大きさを有する。このような、軟磁性材料21が磁化された結果発する磁界のうち、姿勢μが変化しても一定の向き及び大きさを有する磁界は、前述した内部磁界Biに包含されるものとする。
The magnetizing magnetic field Bm is a magnetic field generated as a result of the soft magnetic material 21 being magnetized by the geomagnetism Bg, and depends on the orientation μ of the device 1 and the material, size, shape, etc. of the soft magnetic material 21. It is a magnetic field that changes the height. When the posture of the apparatus 1 mu is changed from the attitude mu 1 the posture mu 2, the direction and magnitude of the magnetizing magnetic field G Bm is changed from G Bm (μ 1) to G Bm (μ 2). For example, if the posture of the apparatus 1 mu is the posture mu 1, the soft magnetic material 21, magnetizing field G Bm going from a short side 212a of the soft magnetic material 21 to the other short side 212b (μ 1) is generated, If the device 1 posture mu is the posture mu 2, the soft magnetic material 21, the other to generate a magnetizing field G Bm towards the long sides 211b (μ 2) from the long sides 211a of the soft magnetic material 21.
Direction and magnitude of the three-dimensional magnetic sensor 60 detects magnetizing field G Bm (mu) is dependent and attitude mu, and the position S Pm of the soft magnetic material 21 in the sensor coordinate system sigma S. For example, in the case of FIG. 4, the three-dimensional magnetic sensor 60 measures the magnetizing magnetic field G Bm (μ 1 ) as a magnetic field oriented in the same direction as the geomagnetism G Bg (μ 1 ). The three-dimensional magnetic sensor 60 measures the magnetizing magnetic field G Bm (μ 2 ) as a magnetic field facing in the opposite direction to the geomagnetism GB B2 ).
Incidentally, the soft magnetic material 21, in addition to the geomagnetic Bg, viewed from the sensor coordinate system sigma S to component 2 emitted is magnetized by the magnetic field of a constant direction and magnitude. Magnetic field, constant direction and magnitude even when the posture of the apparatus 1 mu is changed when viewed from the sensor coordinate system sigma S soft magnetic material 21 is emitted as a result of being magnetized by the magnetic field of a constant direction and magnitude Have Among the magnetic fields generated as a result of the soft magnetic material 21 being magnetized, a magnetic field having a fixed direction and magnitude even when the posture μ changes is included in the internal magnetic field Bi described above.

図5は、機器1が姿勢μとなるときに測定される磁気データqと、姿勢μとなるときに測定される磁気データqとを、センサ座標系Σにおいてプロットした図である。
磁気データqは、中心点cOGの示す座標を起点とし、地磁気Bg(μ)と同じ向きを有する着磁磁界Bm(μ)と、地磁気Bg(μ)とを加算したベクトル(μ)により示される座標である。よって、磁気データqは球面Sの外側に存在する。一方、磁気データqは、中心点cOGの示す座標を起点とし、地磁気Bg(μ)と逆向きの着磁磁界Bm(μ)と、地磁気Bg(μ)とを加算したベクトル(μ)により示される座標である。よって、磁気データqは球面Sの内側に存在する。
すなわち、磁気データq及びqは、球面Sを、ベクトルBg(μ)方向に引き延ばし、且つ、ベクトルBg(μ)方向に縮めることで得られる楕円面V上に分布する。
このように、3次元磁気センサが、軟磁性材料を備える機器に組み込まれている場合、軟磁性材料が地磁気等の機器の外部からの磁界により磁化される結果として生じる着磁磁界の影響により、3次元磁気センサの測定する複数の磁気データの示す座標が球面近傍に分布せず、楕円面近傍に分布する。このような、軟磁性材料が磁化された結果生じる磁界の影響により、複数の磁気データの示す座標が楕円面近傍に分布する現象は、ソフトアイアン効果と呼ばれている。
Figure 5 includes a magnetic data q 1 to be measured when the device 1 is attitude mu 1, a magnetic data q 2 to be measured when the posture mu 2, a diagram plotting the sensor coordinate system sigma S is there.
Magnetic data q 1 is a starting point coordinates indicating the center point c OG, a geomagnetic S Bg (μ 1) and magnetizing field S Bm having the same orientation (mu 1), geomagnetism S Bg (μ 1) and the sum The coordinates indicated by the vector S B E1 ). Accordingly, the magnetic data q 1 is present outside the sphere S G. On the other hand, the magnetic data q 2 is the starting point coordinates indicating the center point c OG, a geomagnetic S Bg 2) opposite to the magnetizing field S Bm 2), and a geomagnetism S Bg 2) This is the coordinate indicated by the added vector S B E2 ). Accordingly, the magnetic data q 2 is present inside the sphere S G.
That is, the magnetic data q 1 and q 2 are spherical S G, stretched to the vector S Bg 1) direction and distributed on an ellipsoid V E obtained by shortening the vector S Bg 2) Direction To do.
In this way, when the three-dimensional magnetic sensor is incorporated in a device including a soft magnetic material, due to the influence of the magnetization magnetic field generated as a result of the soft magnetic material being magnetized by a magnetic field from the outside of the device such as the geomagnetism, The coordinates indicated by the plurality of magnetic data measured by the three-dimensional magnetic sensor are not distributed near the spherical surface but distributed near the elliptical surface. Such a phenomenon in which coordinates indicated by a plurality of magnetic data are distributed in the vicinity of an ellipsoid due to the influence of a magnetic field generated as a result of magnetizing a soft magnetic material is called a soft iron effect.

ソフトアイアン効果が生じる場合に、3次元磁気センサ60が出力する複数の磁気データq〜qの示す座標について、図6を参照しつつ説明する。
図6は、3次元磁気センサ60の姿勢μをμ〜μ(Nは精度よくオフセットを導出するために必要な磁気データの規定測定回数を表す9以上の自然数)と変化させつつ磁界を測定した場合に、3次元磁気センサ60が出力するN個の磁気データq〜qの示す座標を、センサ座標系Σにおいてプロットした図である。図6は、ソフトアイアン効果により、複数の磁気データq〜qの示す座標が、中心点cOGを中心とする楕円面V上に分布する場合を想定している。なお、図6では、3次元磁気センサ60の測定誤差を考慮していないが、測定誤差を考慮する場合、複数の磁気データq〜qの示す座標は、楕円面V上には分布せず、楕円面Vの近傍に確率的に分布する。つまり、楕円面Vは、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化するようにして定められる楕円面である。
The coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N output from the three-dimensional magnetic sensor 60 when the soft iron effect occurs will be described with reference to FIG.
FIG. 6 shows the magnetic field while changing the attitude μ of the three-dimensional magnetic sensor 60 to μ 1 to μ N (N is a natural number of 9 or more representing the specified number of measurement times of magnetic data necessary for accurately deriving the offset). as measured, the coordinates indicated by the N magnetic data q 1 to q N output from the 3D magnetic sensor 60 is a diagram plotting the sensor coordinate system sigma S. 6, the soft iron effect, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is, it is assumed that the distributed on an ellipsoid V E around the center point c OG. In FIG. 6, is not considered a measurement error of the 3D magnetic sensor 60, when considering the measurement error, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, distribution on ellipsoidal V E without the stochastically distributed in the vicinity of the ellipsoidal V E. In other words, the ellipsoidal V E is the ellipsoid defined so as to minimize the error between the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N.

楕円面Vの主軸を、長い順番にLE1、LE2、及びLE3とし、これら3つの主軸の長さをrE1、rE2、及びrE3とする(但し、rE1≧rE2≧rE3>0とする)。また、球面Sの半径をrとする。
このとき、中心点cOGから磁気データqの表す座標を示すベクトル(μ)は、地磁気を表すベクトルBg(μ)のうち、主軸LE1に平行な成分をrE1/r倍したベクトル、主軸LE2に平行な成分をrE2/r倍したベクトル、及び主軸LE3に平行な成分をrE3/r倍したベクトルの和を表すベクトルとなる。
従って、中心点cOGから磁気データqの表す座標を示すベクトル(μ)の向きと、地磁気を表すベクトルBg(μ)の向きとは異なる。また、ベクトル(μ)及びベクトル(μ)とのなす角(つまり、2つの磁気データq及びqの示す座標を、中心点cOGから見たときのなす角)と、地磁気を表すベクトルBg(μ)及びベクトルBg(μ)のなす角とは、異なる。このように、ソフトアイアン効果が生じている場合、磁気データqの座標から中心点cOGの座標を減算しても、地磁気Bg(μ)の向きを正確に求めることはできない。
The main axis of the ellipsoidal V E, and L E1, L E2, and L E3 long sequence, the length of the three main axis r E1, r E2, and the r E3 (where, r E1r E2 ≧ r E3 > 0). Further, the radius of the spherical surface S G is r G.
At this time, the vector S B Ei ) indicating the coordinates represented by the magnetic data q i from the center point c OG has a component parallel to the main axis L E1 in the vector S Bg (μ i ) representing the geomagnetism r E1. / r G multiplied by the vector, the vector representing the vector components parallel to the main axis L E2 was doubled r E2 / r G, and the vector sum of the component parallel to the main axis L E3 and r E3 / r G times.
Therefore, the direction of the vector S B Ei ) indicating the coordinates represented by the magnetic data q i from the center point c OG is different from the direction of the vector S Bg (μ i ) indicating the geomagnetism. Further, the angle formed by the vector S B Ei ) and the vector S B Ej ) (that is, the coordinates indicated by the two magnetic data q i and q j when viewed from the center point c OG). The angle formed by the vector S Bg (μ i ) and the vector S Bg (μ j ) representing the geomagnetism is different. As described above, when the soft iron effect is generated, the direction of the geomagnetism S Bg (μ i ) cannot be accurately obtained even if the coordinates of the center point c OG are subtracted from the coordinates of the magnetic data q i .

そこで、本実施形態では、図7に示すように、楕円面V上の座標を、半径1の球面S上の座標へと変換する楕円面補正行列Tを算出し、楕円面補正行列Tによって、磁気データqの示す座標を、変換後磁気データsにより表される球面S上の座標へと変換する。中心点cOGから変換後磁気データsの表す座標を示すベクトルBs(μ)は、地磁気を表すベクトルBg(μ)と同じ方向を向く。従って、変換後磁気データsの示す座標から、中心点cOGの示す座標を減算することにより、地磁気を表すベクトルBg(μ)の向きを求めることができる。
このように、地磁気Bgの向きを算出するために、楕円面近傍に分布する複数の磁気データの示す座標を、当該楕円面と同一の中心点を有する半径1の球面近傍に分布する複数の座標へと変換する処理を、楕円補正と呼ぶ。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 7, and calculates the coordinates on the ellipsoid V E, the ellipsoid correction matrix T E be converted to coordinates on a spherical surface S E of radius 1, ellipsoid correction matrix By T E , the coordinates indicated by the magnetic data q i are converted into coordinates on the spherical surface S E represented by the converted magnetic data s i . The vector S Bs (μ i ) indicating the coordinates represented by the converted magnetic data s i from the center point c OG is oriented in the same direction as the vector S Bg (μ i ) representing the geomagnetism. Therefore, the direction of the vector S Bg (μ i ) representing the geomagnetism can be obtained by subtracting the coordinates indicated by the center point c OG from the coordinates indicated by the converted magnetic data s i .
As described above, in order to calculate the direction of the geomagnetism Bg, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data distributed in the vicinity of the ellipsoid are converted into the plurality of coordinates distributed in the vicinity of the spherical surface of radius 1 having the same center point as the ellipse. The process of converting to is called ellipse correction.

楕円面補正行列Tが行う、楕円面V上の磁気データqの示す座標から、球面S上の変換後磁気データsの示す座標への座標変換は、以下の式(1)に表される。
ここで、楕円面補正行列Tは、以下の式(2)に示される3行3列の対称行列である。また、式(3)に示される3次元の変数ベクトルqは、磁気データqの座標を表すための変数ベクトルであり、式(4)に示される3次元の変数ベクトルsは、変換後磁気データsの座標を表すための変数ベクトルであり、式(5)に示される3次元の変数ベクトルcは、中心点cOGの座標(すなわち、オフセットcOFF)を表すための変数ベクトルである。
なお、式(1)において、ベクトル(q−c)は、楕円面Vの中心点cOGをセンサ座標系Σの原点に平行移動させて得られる楕円面上の座標を示し、ベクトル(s−c)は、座標系Σの原点を中心とする半径1の球面上の座標を示す。

Figure 0005866893
Performed by the ellipsoid correction matrix T E, the coordinate transformation from the coordinate indicated by the magnetic data q i on the ellipsoid V E, the coordinates indicated by the converted magnetic data s i on the sphere S E has the following formula (1) It is expressed in
Here, the ellipsoidal correction matrix TE is a symmetric matrix of 3 rows and 3 columns shown in the following equation (2). The three-dimensional variable vector q shown in the equation (3) is a variable vector for representing the coordinates of the magnetic data q i , and the three-dimensional variable vector s shown in the equation (4) This is a variable vector for representing the coordinates of the data s i , and the three-dimensional variable vector c shown in Equation (5) is a variable vector for representing the coordinates of the center point c OG (ie, offset c OFF ). .
In the equation (1), a vector (q-c) represents a coordinate on an ellipsoid obtained by the center point c OG of ellipsoidal V E is translated to the origin of the sensor coordinate system sigma S, vector ( s-c) show the coordinates on a sphere of radius 1 centered at the origin of the coordinate system sigma S.
Figure 0005866893

前述の通り、楕円面補正行列Tは、楕円面Vの中心点cOGを原点とする座標系において、楕円面V上の座標を、半径1の球面S上の座標へと変換するための行列である。つまり、楕円面補正行列Tは、互いに直交する3つの固有ベクトルの各々と、楕円面Vの3つの主軸の各々とが平行になり、3つの固有ベクトルに対応する3つの固有値の各々と、楕円面Vの3つの主軸の各々の長さの逆数とが等しくなるように定められる。
ここで、楕円面補正行列Tの有する3つの固有ベクトルをuT1、uT2、及びuT3とし、対応する固有値をλT1、λT2、及びλT3(但し、λT1≧λT2≧λT3>0)とする。このとき、固有ベクトルuT1は、主軸LE1と平行となり、固有ベクトルuT2は、主軸LE2と平行となり、固有ベクトルuT3は、主軸LE3と平行となるように定められる。また、固有値λT1は、主軸LE1の長さrE1の逆数に等しくなり、固有値λT2は、主軸LE2の長さrE2の逆数に等しくなり、固有値λT3は、主軸LE3の長さrE3の逆数に等しくなるように定められる。すなわち、楕円面補正行列Tは、任意のベクトルに対して、固有ベクトルuT1方向の成分を固有値λT1倍に伸縮し、固有ベクトルuT2方向の成分を固有値λT2倍に伸縮し、固有ベクトルuT3方向の成分を固有値λT3倍に伸縮する行列である。
なお、楕円面補正行列Tの有する3つの固有値をλT1、λT2、及びλT3は、いずれも正の値であり、楕円面補正行列Tは、正定値行列である。
As described above, the ellipsoidal correction matrix T E is converted in the coordinate system to the center point c OG of ellipsoidal V E as the origin, the coordinates on the ellipsoid V E, into coordinates on a spherical surface S E of radius 1 It is a matrix to do. In other words, the ellipsoidal correction matrix T E includes each of the three eigenvectors are orthogonal to each other, and each of the three principal axes of the ellipsoidal V E is parallel, and each of the three eigenvalues corresponding to the three eigenvectors, oval the length reciprocal of each of the three principal axes of the plane V E is determined to be equal.
Here, the three eigenvectors having the ellipsoidal correction matrix T E and u T1, u T2, and u T3, the corresponding eigenvalues lambda T1, lambda T2, and lambda T3 (where, λ T1 ≧ λ T2 ≧ λ T3 > 0). At this time, the eigenvector u T1 is determined to be parallel to the main axis L E1 , the eigenvector u T2 is set to be parallel to the main axis L E2 , and the eigenvector u T3 is set to be parallel to the main axis L E3 . The eigenvalue λ T1 is equal to the reciprocal of the length r E1 of the main axis L E1 , the eigenvalue λ T2 is equal to the reciprocal of the length r E2 of the main axis L E2 , and the eigenvalue λ T3 is equal to the length of the main axis L E3 . R is determined to be equal to the reciprocal of E3 . That is, the ellipsoid correction matrix T E expands or contracts the component in the eigenvector u T1 direction to the eigenvalue λ T1 times with respect to an arbitrary vector, expands and contracts the component in the eigenvector u T2 direction to the eigenvalue λ T2 times, and the eigenvector u T3 This is a matrix that expands and contracts the direction component to the eigenvalue λ T3 times.
Incidentally, the three eigenvalues having the ellipsoidal correction matrix T E lambda T1, lambda T2, and lambda T3 are both positive values, ellipsoidal correction matrix T E is a positive definite matrix.

ところで、図7に示すように、中心点cOGから変換後磁気データsにより表される座標を示すベクトルBs(μ)と、地磁気を表すベクトルBg(μ)との間には、ずれ角ψが生じる場合がある。この場合、変換後磁気データsから、ベクトルBg(μ)の正確な向きを算出することはできない。
しかし、ずれ角ψは、軟磁性材料21と3次元磁気センサ60との相互位置関係(すなわち、ベクトルPmの向き及び大きさ)に依存する値である。従って、ベクトルPmよりずれ角ψを特定することが可能であり、特定されたずれ角ψと、複数の変換後磁気データsとから、正確な地磁気Bgの向きを算出することが可能である。また、軟磁性材料21の配置を工夫することにより、ずれ角ψを小さく抑えることも可能である。
By the way, as shown in FIG. 7, between the vector S Bs (μ i ) indicating the coordinates represented by the converted magnetic data s i from the center point c OG and the vector S Bg (μ i ) indicating the geomagnetism. May cause a shift angle ψ. In this case, the correct direction of the vector S Bg (μ i ) cannot be calculated from the converted magnetic data s i .
However, the deviation angle [psi, a value that depends on the mutual positional relationship between the soft magnetic material 21 and the three-dimensional magnetic sensor 60 (i.e., the direction and magnitude of the vector S Pm). Therefore, it is possible to identify the deviation angle ψ from the vector S Pm, can from a shift angle ψ identified, a magnetic data s i after multiple conversion, calculate the direction of the correct geomagnetism Bg is there. Further, by devising the arrangement of the soft magnetic material 21, the shift angle ψ can be suppressed to a small value.

以下において、楕円面Vの形状を求め、楕円面補正行列Tを算出することにより楕円補正を行い、正確な地磁気Bgの方向を算出する方法について述べる。 In the following, we determined the shape of the ellipsoid V E, performs elliptic correction by calculating the ellipsoid correction matrix T E, describes a method of calculating the direction of the correct geomagnetism Bg.

[2. 機器構成及びソフトウェア構成]
図8は、本発明の第1実施形態に係る機器1の構成を示すブロック図である。
機器1は、各種の構成要素とバスを介して接続され装置全体を制御するCPU10、CPU10の作業領域として機能するRAM20、各種プログラムやデータを記憶したROM30、通信を実行する通信部40、画像を表示する表示部50、及び磁気を検出して磁気データを出力する3次元磁気センサ60を備える。
[2. Device configuration and software configuration]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the device 1 according to the first embodiment of the present invention.
The device 1 includes a CPU 10 that is connected to various components via a bus and controls the entire apparatus, a RAM 20 that functions as a work area of the CPU 10, a ROM 30 that stores various programs and data, a communication unit 40 that performs communication, an image A display unit 50 for displaying and a three-dimensional magnetic sensor 60 for detecting magnetism and outputting magnetic data are provided.

3次元磁気センサ60は、X軸地磁気センサ61、Y軸地磁気センサ62、及びZ軸地磁気センサ63を備える。各センサは、MI素子(磁気インピーダンス素子)、MR素子(磁気抵抗効果素子)などを用いて構成することができる。地磁気センサI/F64は、各センサから出力信号をAD変換して磁気データqを出力する。この磁気データqは、X軸地磁気センサ61、Y軸地磁気センサ62、及びZ軸地磁気センサ63からの出力の各々を、センサ座標系Σの、x軸、y軸及びz軸の3成分によって示す、センサ座標系Σ上のベクトルデータである。 The three-dimensional magnetic sensor 60 includes an X-axis geomagnetic sensor 61, a Y-axis geomagnetic sensor 62, and a Z-axis geomagnetic sensor 63. Each sensor can be configured using an MI element (magnetoimpedance element), an MR element (magnetoresistance effect element), or the like. The geomagnetic sensor I / F 64 AD-converts the output signal from each sensor and outputs magnetic data q. The magnetic data q are each output from the X-axis geomagnetic sensor 61, Y-axis geomagnetic sensor 62 and the Z-axis geomagnetic sensor 63, the sensor coordinate system sigma S, x-axis, the three components of the y-axis and z-axis It shows a vector data on the sensor coordinate system sigma S.

CPU10、RAM20、3次元磁気センサ60、及び磁気データ処理プログラム70は、3次元磁気センサ60が検出し出力する磁気データqに基づき、正確な地磁気の向きを示す地磁気データを算出する地磁気測定装置として機能する。
表示部50は、CPU10が磁気データ処理プログラム70を実行することにより算出した地磁気の向きを、方位情報として矢印等により表示する。なお、磁気データ処理プログラム70は、地図アプリケーション等との連携を想定するものであってもよく、表示部50は、地磁気の向きを示す方位情報である矢印等を地図上に表示してもよい。
The CPU 10, the RAM 20, the three-dimensional magnetic sensor 60, and the magnetic data processing program 70 are geomagnetic measurement devices that calculate geomagnetic data indicating the correct geomagnetic direction based on the magnetic data q detected and output by the three-dimensional magnetic sensor 60. Function.
The display unit 50 displays the direction of geomagnetism calculated by the CPU 10 executing the magnetic data processing program 70 as azimuth information using arrows or the like. The magnetic data processing program 70 may be assumed to be linked with a map application or the like, and the display unit 50 may display an arrow or the like, which is direction information indicating the direction of geomagnetism, on the map. .

図9は、地磁気測定装置のうち、CPU10が磁気データ処理プログラム70を実行することにより実現される機能を表す、機能ブロック図である。地磁気測定装置は、複数の磁気データq〜qを蓄積する蓄積部100と、最適中心点cEOPの座標及び最適楕円面補正行列TOPを算出する楕円面補正部200と、磁気データq、最適中心点cEOP、及び最適楕円面補正行列TOPに基づいて地磁気Bgの方向を算出する地磁気算出部600と、を備える。ここで、最適中心点cEOPとは、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化するように定められる楕円面である最適楕円面VEOPの中心点である。また、最適楕円面補正行列TOPとは、最適楕円面VEOP上の座標を、最適中心点cEOPを中心とする球面SEOP上の座標へと変換するための、3行3列の対称行列である。 FIG. 9 is a functional block diagram showing functions realized by the CPU 10 executing the magnetic data processing program 70 in the geomagnetism measuring apparatus. Geomagnetism measuring apparatus includes a storage unit 100 for storing a plurality of magnetic data q 1 to q N, ellipsoidal correction unit 200 for calculating the coordinates and optimum ellipsoidal correction matrix T OP of the optimum center point c EOP, magnetic data q comprising i, the optimum center point c EOP, and the geomagnetic calculation unit 600 for calculating the direction of the geomagnetism Bg based on the optimal ellipsoidal correction matrix T OP, a. Here, the optimum center point c EOP is a center point of the optimum ellipse surface V EOP which is an ellipsoid surface determined so as to minimize an error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. The optimal ellipsoid correction matrix T OP is a 3 × 3 symmetry for converting coordinates on the optimal ellipsoid V EOP into coordinates on the spherical surface S EOP centered on the optimal center point c EOP. It is a matrix.

蓄積部100は、3次元磁気センサ60から順次出力される磁気データq〜qをバッファBU1に蓄積する(Nは、精度よくオフセットを導出するために必要な磁気データの規定測定回数を表す9以上の自然数)。バッファBU1はRAM20によって形成される。 The accumulating unit 100 accumulates the magnetic data q 1 to q N sequentially output from the three-dimensional magnetic sensor 60 in the buffer BU 1 (N represents the specified number of times of measurement of magnetic data necessary for accurately deriving the offset. A natural number of 9 or more). The buffer BU1 is formed by the RAM 20.

楕円面補正部200は、楕円面初期補正値生成部300と、楕円面最適補正値生成部400とを備える。
楕円面初期補正値生成部300は、蓄積部100に蓄積された複数の磁気データq〜qに基づいて初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標を算出する。ここで、初期中心点cE0とは、蓄積部100に蓄積された複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する初期楕円面VE0の中心点である。また、初期楕円面補正行列Tとは、初期楕円面VE0上の座標を、初期中心点cE0を中心とする球面SE0上の座標へと変換するための3行3列の対称行列である。
The ellipsoidal correction unit 200 includes an ellipsoidal initial correction value generation unit 300 and an ellipsoidal optimal correction value generation unit 400.
The ellipsoid initial correction value generation unit 300 calculates the coordinates of the initial ellipse correction matrix T 0 and the initial center point c E0 based on the plurality of magnetic data q 1 to q N stored in the storage unit 100. Here, the initial center point c E0 is the center point of the initial ellipsoid V E0 having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N stored in the storage unit 100 in the vicinity. The initial ellipsoid correction matrix T 0 is a 3-by-3 symmetric matrix for converting coordinates on the initial ellipsoid V E0 into coordinates on the sphere S E0 centered on the initial center point c E0. It is.

楕円面最適補正値生成部400は、楕円面初期補正値生成部300が出力する初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標に基づいて、複数の磁気データq〜qの各々が示す座標と楕円面との誤差を最小化する最適楕円面VEOPの中心点である最適中心点cEOPの座標と、最適楕円面VEOP上の座標から最適中心点cEOPを中心点に有する球面SEOP上の座標への座標変換を表す最適楕円面補正行列TOPとを算出する。
複数の磁気データq〜qの示す座標と最適楕円面VEOPとの誤差が最小化され「0」となる場合、楕円面Vと最適楕円面VEOPとは一致し、最適中心点cEOPと中心点cOG(すなわち、内部磁界Biの示す座標)とは一致する。
Ellipsoidal optimum correction value generation unit 400, based on the coordinates of the initial ellipsoidal correction matrix T 0 and the initial center point c E0 output from the ellipsoidal initial correction value generation unit 300, a plurality of magnetic data q 1 to q N the coordinates of the optimum center point c EOP an error between the coordinates and ellipsoidal each representing a center point of the ideal ellipsoid V EOP to minimize, the central point the optimum center point c EOP from the coordinates of the optimum ellipsoidal V EOP It calculates the optimum ellipsoidal correction matrix T OP representing the coordinate transformation to the coordinate on the sphere S EOP having to.
If the error between the plurality of magnetic data q 1 to q N coordinates and ideal ellipsoid V EOP indicated by is minimized "0", it matches the ellipsoid V E and the optimum ellipsoidal V EOP, the optimum center point c EOP and the center point c OG (that is, the coordinates indicated by the internal magnetic field Bi) coincide with each other.

地磁気算出部600は、3次元磁気センサ60から出力される磁気データqの示す座標に対して、楕円面補正行列TとオフセットcOFFとを用いた楕円補正を施し、センサ座標系Σにおける地磁気Bgの向き(厳密には、ベクトルBs(μ)の向き)を算出する。
具体的には、地磁気算出部600は、オフセット採用部610と、地磁気ベクトル計算部620とを備える。オフセット採用部610は、楕円面補正行列Tとして最適楕円面補正行列TOPを採用するとともに、オフセットcOFFとして最適中心点cEOPの座標を示すベクトルを採用する。また、地磁気ベクトル計算部620は、3次元磁気センサ60から出力される磁気データqに対して、楕円面補正行列T及びオフセットcOFFを用いた楕円補正を行い、地磁気Bgの向きを算出する。
以下において、楕円面初期補正値生成部300、楕円面最適補正値生成部400、及び、地磁気算出部600の詳細について、述べる。
The geomagnetism calculation unit 600 performs ellipse correction using the ellipsoid correction matrix T E and the offset c OFF on the coordinates indicated by the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60, and the sensor coordinate system Σ S The direction of the geomagnetism S Bg at (specifically, the direction of the vector S Bs (μ i )) is calculated.
Specifically, the geomagnetism calculation unit 600 includes an offset adoption unit 610 and a geomagnetism vector calculation unit 620. Offset employed unit 610 is configured to adopt the optimum ellipsoidal correction matrix T OP as ellipsoid correction matrix T E, employing a vector representing the coordinates of the optimum center point c EOP as an offset c OFF. Further, the geomagnetic vector calculation unit 620 performs ellipse correction on the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60 using the ellipsoid correction matrix T E and the offset c OFF to change the direction of the geomagnetism S Bg. calculate.
Details of the ellipsoid initial correction value generation unit 300, the ellipsoid optimal correction value generation unit 400, and the geomagnetism calculation unit 600 will be described below.

[3. 初期楕円面の生成]
図10は、楕円面初期補正値生成部300の機能構成を示す機能ブロック図である。
本実施形態では、複数の磁気データq〜qに基づいて初期楕円面VE0を算出する際に、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzを生成し、これら3つの楕円面に基づいて初期楕円面VE0を生成する。
以下、本実施形態における初期楕円面VE0の生成方法について具体的に説明する。
[3. Generation of initial ellipsoid]
FIG. 10 is a functional block diagram illustrating a functional configuration of the ellipsoid initial correction value generation unit 300.
In the present embodiment, when calculating the initial ellipsoidal V E0 based on a plurality of magnetic data q 1 to q N, first ellipsoid V xx with coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity , A second ellipsoid V yy and a third ellipse V zz are generated, and an initial ellipse V E0 is generated based on these three ellipses.
Hereinafter, a method for generating the initial ellipsoid V E0 in the present embodiment will be specifically described.

楕円面初期補正値生成部300は、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzの各々の係数行列(Dxx、Dyy、Dzz)及び中心点(cxx、cyy、czz)の座標を算出する初期楕円面生成部310、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzの各々の係数行列及び中心点に基づいて初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標を算出することが適切であるか否かを判断する初期楕円面判定部320、及び、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzの各々の係数行列及び中心点の座標に基づいて、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標を算出する初期補正値生成部330を備える。 The ellipsoid initial correction value generation unit 300 includes a coefficient matrix (D xx , D yy , D zz ) and a center point of each of the first ellipse V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz. c xx , c yy , c zz ) coordinates of the initial ellipsoid generation unit 310, the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz coefficient matrix and center point Based on the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 to determine whether it is appropriate to calculate the initial ellipsoid determination unit 320, and the first ellipsoid V xx , second An initial correction value generation unit 330 that calculates the coordinates of the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 based on the coefficient matrix and the coordinates of the center point of each of the ellipsoid V yy and the third ellipse V zz. Is provided.

初期楕円面生成部310は、蓄積部100に蓄積された複数の磁気データq〜qに基づいて、第1楕円面Vxxの形状を表す第1楕円面係数行列Dxxと、第1楕円面Vxxの中心点cxxの座標とを算出する第1楕円面生成部311、複数の磁気データq〜qに基づいて、第2楕円面Vyyの形状を表す第2楕円面係数行列Dyyと、第2楕円面Vyyの中心点cyyの座標とを算出する第2楕円面生成部312、及び、複数の磁気データq〜qに基づいて、第3楕円面Vzzの形状を表す第3楕円面係数行列Dzzと、第3楕円面Vzzの中心点czzの座標とを算出する第3楕円面生成部313、を備える。
以下において、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、及び第3楕円面係数行列Dzzと、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標の算出方法について述べる。
The initial ellipsoid generation unit 310 includes a first ellipsoid coefficient matrix D xx representing the shape of the first ellipsoid V xx based on the plurality of magnetic data q 1 to q N accumulated in the accumulation unit 100, and the first ellipsoid coefficient matrix D xx first ellipsoid generating unit 311 calculates the coordinates of the center point c xx ellipsoid V xx, based on a plurality of magnetic data q 1 to q N, second ellipsoid representing the shape of the second ellipsoid V yy Based on the second ellipsoid generating unit 312 that calculates the coefficient matrix D yy and the coordinates of the center point c yy of the second ellipsoid V Vyy , and the third ellipsoid based on the plurality of magnetic data q 1 to q N and a third ellipsoid coefficient matrix D zz representing a shape of V zz, third ellipsoid generating unit 313 for calculating the coordinates of the center point c zz third ellipsoid V zz, the.
In the following, a first ellipsoidal coefficient matrix D xx, a second elliptical surface coefficient matrix D yy, and a third elliptical surface coefficient matrix D zz, the center point c xx coordinates, the coordinates of the center point c yy, and the center point c A method for calculating the coordinates of zz will be described.

3次元磁気センサ60より出力される磁気データqの示す座標を表す変数を、式(3)で表す場合、磁気データqを表面上に有する楕円面の方程式(楕円面方程式)は、以下の式(6)で表される。なお、式(6)は楕円面を表すので、式(6)に現れる係数θxx、θyy、及びθzzはいずれも正の値となる。

Figure 0005866893
When the variable representing the coordinates indicated by the magnetic data q output from the three-dimensional magnetic sensor 60 is expressed by equation (3), the equation of the ellipsoid having the magnetic data q on the surface (elliptic surface equation) is the following equation: It is represented by (6). Note that since Equation (6) represents an ellipsoidal surface, the coefficients θ xx , θ yy , and θ zz that appear in Equation (6) are all positive values.
Figure 0005866893

式(6)に示される楕円面方程式は、以下の式(7)に変形される。

Figure 0005866893
The ellipsoidal equation shown in the equation (6) is transformed into the following equation (7).
Figure 0005866893

複数の磁気データq〜qの示す座標の全てが、式(6)に示された楕円面上に位置する場合、以下の式(8)が成立する。
但し、ベクトルθXXは、式(9)に示すように、式(7)の9つの係数を並べた9次元のベクトルである。また、行列Rxxは、式(10)に示すように、式(13)に示す9次元のベクトルQxxに対して、式(11)に示す複数の磁気データq〜qの示す座標の各々を代入して得られるN個のベクトルを転置したうえで各行に並べたN行9列の行列である。ベクトルWxxは、式(12)に示すように、複数の磁気データq〜qの示す座標のうち、x成分の2乗値にマイナスを掛けた値を各成分に有する、N次元のベクトルである。

Figure 0005866893
When all of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are located on the ellipsoid represented by Expression (6), the following Expression (8) is established.
However, the vector θ XX is a nine-dimensional vector in which the nine coefficients of Expression (7) are arranged as shown in Expression (9). In addition, as shown in Expression (10), the matrix R xx is the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N shown in Expression (11) with respect to the nine-dimensional vector Q xx shown in Expression (13). Is a matrix of N rows and 9 columns arranged in each row after transposing N vectors obtained by substituting each of. The vector W xx is an N-dimensional vector having a value obtained by multiplying the square value of the x component by minus among the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N , as shown in the equation (12). Is a vector.
Figure 0005866893

式(8)は、ベクトルθXXの各要素を変数とする連立一次方程式である。従って、式(8)をベクトルθXXについて解くことで、式(7)の係数が決定され、複数の磁気データq〜qの示す座標を表面上に有する楕円面方程式を特定できる。
しかし、3次元磁気センサ60の測定誤差等を考慮すると、複数の磁気データq〜qの示す各々の座標の全てが、式(7)に示す楕円面上に正確に一致する位置に存在することはない。従って、式(8)は解を有さず、式(8)の解としてベクトルθXXを算出することはできない。そこで、本実施形態では、式(8)の解として尤もらしいベクトルθXXを、統計的手法を用いることにより算出する。
例えば、式(7)の右辺に現れる8つの項(xy、xz、y、yz、z、x、y、及びz)をそれぞれ独立変数と看做し、式(7)の左辺に現れるxを従属変数と看做したうえで、最小二乗法を用いて式(14)に示す正規方程式を導出し、その解として、ベクトルθXXを求める。この正規方程式の解として表されるベクトルθXXは、行列(Rxx xx)が正則なときに、式(15)で表すことができる。式(15)により算出されたベクトルθXXを係数として式(7)に適用することにより表される楕円面を、第1楕円面Vxxと呼ぶ。

Figure 0005866893
Equation (8) is a simultaneous linear equation with each element of the vector θ XX as a variable. Therefore, by solving the equation (8) with respect to the vector θ XX , the coefficient of the equation (7) is determined, and an elliptical equation having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N on the surface can be specified.
However, considering a measurement error of the 3D magnetic sensor 60, all of each of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is present in a position that exactly matches the elliptic plane shown in Equation (7) Never do. Therefore, Equation (8) has no solution, and the vector θ XX cannot be calculated as the solution of Equation (8). Therefore, in the present embodiment, a plausible vector θ XX is calculated as a solution of Expression (8) by using a statistical method.
For example, eight terms (xy, xz, y 2 , yz, z 2 , x, y, and z) appearing on the right side of Equation (7) are regarded as independent variables and appear on the left side of Equation (7). the x 2 after having regarded as the dependent variable, by using the least square method to derive the normal equation shown in equation (14), as a solution, obtaining the vector theta XX. A vector θ XX expressed as a solution of this normal equation can be expressed by Expression (15) when the matrix (R xx T R xx ) is regular. An ellipsoid represented by applying the vector θ XX calculated by the equation (15) to the equation (7) as a coefficient is referred to as a first ellipsoid V xx .
Figure 0005866893

ここで、図11(A)に示すように、xy、xz、y、yz、z、x、y、及びzの各々を変数として表す8本の軸を有する8次元の空間πxxと、xの値を変数として表す第1評価軸ξとからなる、9次元の空間Ω上に、複数の磁気データq〜qの各々をプロットする。このとき、楕円面Vxxは、楕円面Vxxと、複数の磁気データq〜qが空間Ω上で示す座標との、第1評価軸ξ方向の誤差を最小化する立体(空間Ω上の8次元平面)として求められる。すなわち、楕円面Vxxは、複数の磁気データq〜qを、空間πxx上にプロットして得られる複数の8次元のベクトルqπxx1〜qπxxNの各要素を式(7)の右辺に代入して得られる値qxx1〜qxxNと、複数の磁気データq〜qの示す座標のうちx軸成分の2乗値x 〜x との誤差を最小化する立体として定められる。 Here, as shown in FIG. 11A, an eight-dimensional space π xx having eight axes representing each of xy, xz, y 2 , yz, z 2 , x, y, and z as variables, and , X 2 , and a first evaluation axis ξ 1 representing the value as a variable, each of a plurality of magnetic data q 1 to q N is plotted on a nine-dimensional space Ω. At this time, the ellipsoid V xx is a solid (space that minimizes the error in the first evaluation axis ξ 1 direction between the ellipse V xx and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N on the space Ω. (8-dimensional plane on Ω). In other words, the ellipsoidal V xx is a plurality of magnetic data q 1 to q N, the right side of the equation (7) the elements of the plotted plurality of 8-dimensional vector q obtained πxx1 ~q πxxN on space [pi xx the value q xx1 to q xxn obtained by substituting the sterically minimizing the error between the square value x 1 2 ~x N 2 in the x-axis component of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N It is determined as

式(7)に示される第1楕円面Vxxの方程式は、式(17)に示す第1楕円面係数行列Dxxを用いて、式(16)に変形される。このとき、第1楕円面Vxxの中心点cxxの座標は、式(18)で表される。第1楕円面生成部311は、以上に示したように、第1楕円面係数行列Dxx及び第1楕円面Vxxの中心点cxxを算出し、これらを出力する。なお、式(16)が楕円面を表すための必要条件は、第1楕円面係数行列Dxxが正定値となることである。

Figure 0005866893
The equation of the first ellipsoidal surface Vxx shown in Equation (7) is transformed into Equation (16) using the first ellipsoidal coefficient matrix Dxx shown in Equation (17). At this time, the coordinates of the center point c xx of the first ellipsoid V xx are expressed by Expression (18). As described above, the first ellipsoid generating unit 311 calculates the first ellipsoid coefficient matrix D xx and the center point c xx of the first ellipsoid V xx and outputs them. Note that a necessary condition for the expression (16) to represent an ellipsoid is that the first ellipsoid coefficient matrix Dxx is a positive definite value.
Figure 0005866893

次に、式(6)に示される楕円面方程式を、以下の式(19)に変形する。

Figure 0005866893
Next, the ellipsoidal equation shown in the equation (6) is transformed into the following equation (19).
Figure 0005866893

式(19)に示される方程式は、ベクトルθYYの各要素を変数とする連立一次方程式である式(20)に変形される。式(8)と同様に、式(20)の解としてベクトルθYYを算出することはできないため、式(20)の解として尤もらしい値として、ベクトルθYYを算出する。具体的には、式(24)に示す正規方程式において、行列(Ryy yy)が正則なときには、ベクトルθYYは式(25)により算出される。式(25)により特定されたベクトルθYYを係数として式(19)に適用することにより表される楕円面を、第2楕円面Vyyと呼ぶ。なお、ベクトルθYYは、式(21)に示す9次元のベクトルであり、行列Ryyは、式(22)に示すN行9列の行列であり、ベクトルWyyは、式(23)に示すN次元のベクトルである。

Figure 0005866893
The equation shown in Equation (19) is transformed into Equation (20), which is a simultaneous linear equation with each element of the vector θ YY as a variable. Similar to equation (8), since vector θ YY cannot be calculated as the solution of equation (20), vector θ YY is calculated as a plausible value as the solution of equation (20). Specifically, in the normal equation shown in Expression (24), when the matrix (R yy T R yy ) is regular, the vector θ YY is calculated by Expression (25). An ellipsoid represented by applying the vector θ YY specified by the equation (25) to the equation (19) as a coefficient is referred to as a second ellipsoid V yy . The vector θ YY is a 9-dimensional vector shown in Expression (21), the matrix R yy is an N-row 9-column matrix shown in Expression (22), and the vector W yy is expressed in Expression (23). This is an N-dimensional vector.
Figure 0005866893

ここで、図11(B)に示すように、x、xy、xz、yz、z、x、y、及びzの各々を変数として表す8本の軸を有する8次元の空間πyyと、yの値を変数として表す第2評価軸ξとからなる、9次元の空間Ω上に、複数の磁気データq〜qの各々をプロットする。このとき、楕円面Vyyは、楕円面Vyyと、複数の磁気データq〜qが空間Ω上で示す座標との、第2評価軸ξ方向の誤差を最小化する立体(空間Ω上の8次元平面)として求められる。すなわち、楕円面Vyyは、複数の磁気データq〜qを、空間πyy上にプロットして得られる複数の8次元のベクトルqπyy1〜qπyyNの各要素を式(19)の右辺に代入して得られる値qyy1〜qyyNと、複数の磁気データq〜qの示す座標のうちy軸成分の2乗値y 〜y との誤差を最小化する立体として定められる。 Here, as shown in FIG. 11B, an eight-dimensional space π yy having eight axes representing each of x 2 , xy, xz, yz, z 2 , x, y, and z as variables, and , Y 2 and a second evaluation axis ξ 2 representing the values as variables, and plotting each of a plurality of magnetic data q 1 to q N on a nine-dimensional space Ω. At this time, the ellipsoid V yy is a solid (space that minimizes the error in the direction of the second evaluation axis ξ 2 between the ellipse V yy and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N on the space Ω. (8-dimensional plane on Ω). In other words, the ellipsoidal V yy is a plurality of magnetic data q 1 to q N, the right side of the equation (19) the elements of the plotted plurality of 8-dimensional vector q obtained πyy1 ~q πyyN on space [pi yy the value q yy1 ~q yyN obtained by substituting the sterically minimizing the error between the square value y 1 2 ~y N 2 in the y-axis component of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N It is determined as

式(19)に示される第2楕円面Vyyの方程式は、式(27)に示す第2楕円面係数行列Dyyを用いて、式(26)に変形される。このとき、第2楕円面Vyyの中心点cyyの座標は、式(28)で表される。第2楕円面生成部312は、以上に示したように、第2楕円面係数行列Dyy及び第2楕円面Vyyの中心点cyyを算出し、これらを出力する。なお、式(26)が楕円面を表すための必要条件は、第2楕円面係数行列Dyyが正定値となることである。

Figure 0005866893
The equation of the second ellipsoidal surface V yy shown in Equation (19) is transformed into Equation (26) using the second ellipsoidal coefficient matrix D yy shown in Equation (27). At this time, the coordinates of the center point c yy of the second ellipsoidal surface V yy are expressed by Expression (28). As described above, the second ellipsoid generating unit 312 calculates the second ellipsoid coefficient matrix D yy and the center point c yy of the second ellipsoid V yy and outputs them. Note that a necessary condition for the expression (26) to represent an ellipsoid is that the second ellipsoid coefficient matrix D yy is a positive definite value.
Figure 0005866893

次に、式(6)に示される楕円面方程式を、以下の式(29)に変形する。

Figure 0005866893
Next, the ellipsoidal equation shown in Expression (6) is transformed into the following Expression (29).
Figure 0005866893

式(29)に示される方程式は、ベクトルθZZの各要素を変数とする連立一次方程式である式(30)に変形される。式(8)と同様に、式(29)の解としてベクトルθZZを算出することはできないため、式(29)の解として尤もらしい値として、ベクトルθZZを算出する。具体的には、式(34)に示す正規方程式において、行列(Rzz zz)が正則なときには、ベクトルθZZは式(35)により算出される。式(35)により特定されたベクトルθZZを係数として式(29)に適用することにより表される楕円面を、第3楕円面Vzzと呼ぶ。なお、ベクトルθZZは、式(31)に示す9次元のベクトルであり、行列Rzzは、式(32)に示すN行9列の行列であり、ベクトルWzzは、式(33)に示すN次元のベクトルである。

Figure 0005866893
The equation shown in Equation (29) is transformed into Equation (30), which is a simultaneous linear equation with each element of the vector θ ZZ as a variable. Similar to equation (8), since vector θ ZZ cannot be calculated as the solution of equation (29), vector θ ZZ is calculated as a plausible value as the solution of equation (29). Specifically, in the normal equation shown in Expression (34), when the matrix (R zz T R zz ) is regular, the vector θ ZZ is calculated by Expression (35). The ellipsoid represented by applying the identified vector theta ZZ by equation (35) into equation (29) as a factor, it referred to as a third ellipsoid V zz. The vector θ ZZ is a 9-dimensional vector shown in Expression (31), the matrix R zz is an N-row 9-column matrix shown in Expression (32), and the vector W zz is expressed in Expression (33). This is an N-dimensional vector.
Figure 0005866893

ここで、図11(C)に示すように、x、xy、xz、y、yz、x、y、及びzの各々を変数として表す8本の軸を有する8次元の空間πzzと、zの値を変数として表す第3評価軸ξとからなる、9次元の空間Ω上に、複数の磁気データq〜qの各々をプロットする。このとき、楕円面Vzzは、楕円面Vzzと、複数の磁気データq〜qが空間Ω上で示す座標との、第3評価軸ξ方向の誤差を最小化する立体(空間Ω上の8次元平面)として求められる。すなわち、楕円面Vzzは、複数の磁気データq〜qを、空間πzz上にプロットして得られる複数の8次元のベクトルqπzz1〜qπzzNの各要素を式(29)の右辺に代入して得られる値qzz1〜qzzNと、複数の磁気データq〜qの示す座標のうちz軸成分の2乗値z 〜z との誤差を最小化する立体として定められる。 Here, as shown in FIG. 11C, an eight-dimensional space π zz having eight axes representing each of x 2 , xy, xz, y 2 , yz, x, y, and z as variables, and , Z 2 , and a third evaluation axis ξ 3 that represents the value as a variable, each of a plurality of magnetic data q 1 to q N is plotted on a nine-dimensional space Ω. At this time, the ellipsoid V zz is a solid (space) that minimizes an error in the direction of the third evaluation axis ξ 3 between the ellipse V zz and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N on the space Ω. (8-dimensional plane on Ω). In other words, the ellipsoidal V zz has a plurality of magnetic data q 1 to q N, the right side of the equation (29) the elements of the plotted plurality of 8-dimensional vector q obtained πzz1 ~q πzzN on space [pi zz the value q zz1 ~q zzN obtained by substituting the sterically minimizing the error between the square value z 1 2 to z N 2 in the z-axis component of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N It is determined as

式(29)に示される第3楕円面Vzzの方程式は、式(37)に示す第3楕円面係数行列Dzzを用いて、式(36)に変形される。このとき、第3楕円面Vzzの中心点czzの座標は、式(38)で表される。第3楕円面生成部313は、以上に示したように、第3楕円面係数行列Dzz及び第3楕円面Vzzの中心点czzを算出し、これらを出力する。なお、式(36)が楕円面を表すための必要条件は、第3楕円面係数行列Dzzが正定値となることである。

Figure 0005866893
The equation of the third ellipsoidal surface Vzz shown in Equation (29) is transformed into Equation (36) using the third ellipsoidal coefficient matrix Dzz shown in Equation (37). At this time, the coordinates of the center point c zz of the third ellipsoid V zz are expressed by Expression (38). Third ellipsoid generating unit 313, as shown above, to calculate a third ellipsoid coefficient matrix D zz and the center point c zz third ellipsoid V zz, and outputs these. Note that a necessary condition for the expression (36) to represent an ellipsoid is that the third ellipsoid coefficient matrix Dzz is a positive definite value.
Figure 0005866893

このように、初期楕円面生成部310は、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、第3楕円面係数行列Dzz、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標を算出し、これらを出力する。 Thus, the initial ellipsoid generating unit 310, a first ellipsoidal coefficient matrix D xx, second ellipsoidal coefficient matrix D yy, third ellipsoid coefficient matrix D zz, the coordinates of the center point c xx, center point c yy And the coordinates of the center point czz are calculated and output.

初期楕円面判定部320は、図10に示すように、初期楕円面係数行列判定部321と、初期楕円面中心点判定部322とを備える。初期楕円面係数行列判定部321及び初期楕円面中心点判定部322には、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、第3楕円面係数行列Dzz、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標が供給される。
初期楕円面係数行列判定部321は、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、及び第3楕円面係数行列Dzzの全てが正定値であるという条件(第1の条件)が満たされるか否かを判定する。また、初期楕円面中心点判定部322は、式(39)に示すように中心点cxxと中心点cyyとの距離が第1閾値Δc以下であり、且つ、式(40)に示すように中心点cyyと中心点czzとの距離が第1閾値Δc以下であり、且つ、式(41)に示すように中心点czzと中心点cxxとの距離が第1閾値Δc以下であるという条件(第2の条件)が満たされるか否かを判定する。
第1の条件に係る判定結果が肯定であり、且つ、第2の条件に係る判定結果が肯定である場合、初期楕円面判定部320は、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、第3楕円面係数行列Dzz、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標を出力する。
一方、第1の条件または第2の条件の判定結果が否定である場合、地磁気測定装置は、処理を中断する。

Figure 0005866893
As shown in FIG. 10, the initial ellipsoid determining unit 320 includes an initial ellipsoid coefficient matrix determining unit 321 and an initial ellipsoid center point determining unit 322. The initial ellipsoidal coefficient matrix determining unit 321 and the initial ellipsoidal center point determining unit 322 include a first ellipsoidal coefficient matrix Dxx , a second ellipsoidal coefficient matrix Dyy , a third ellipsoidal coefficient matrix Dzz , and a center point c. The coordinates of xx , the center point c yy , and the center point c zz are supplied.
The initial ellipsoidal coefficient matrix determining unit 321 determines that all of the first ellipsoidal coefficient matrix Dxx , the second ellipsoidal coefficient matrix Dyy , and the third ellipsoidal coefficient matrix Dzz are positive definite values (first It is determined whether or not (condition) is satisfied. In addition, the initial ellipsoid center point determination unit 322 has a distance between the center point c xx and the center point c yy that is equal to or less than the first threshold Δc as shown in the equation (39), and as shown in the equation (40). The distance between the center point c yy and the center point c zz is equal to or less than the first threshold value Δc, and the distance between the center point c zz and the center point c xx is equal to or less than the first threshold value Δc as shown in Expression (41). Whether or not the condition (second condition) is satisfied is determined.
When the determination result according to the first condition is affirmative and the determination result according to the second condition is affirmative, the initial ellipsoidal determination unit 320 includes the first ellipsoidal coefficient matrix D xx and the second ellipsoidal surface. coefficient matrix D yy, third ellipsoid coefficient matrix D zz, the coordinates of the center point c xx, and outputs the coordinates of the center point c yy, and the coordinates of the center point c zz.
On the other hand, when the determination result of the first condition or the second condition is negative, the geomagnetism measuring apparatus interrupts the process.
Figure 0005866893

なお、本実施形態では、初期楕円面判定部320は、初期楕円面係数行列判定部321及び初期楕円面中心点判定部322を備え、第1の条件及び第2の条件の双方を満たすか否かを判定するが、本発明はこのような判定方法に限定されるものではない。
例えば、初期楕円面判定部320は、初期楕円面係数行列判定部321を備えずに構成されてもよい。この場合、初期楕円面判定部320は、第1の条件についての判定を行わず、第2の条件についての判定のみを行い、判定結果が肯定である場合に、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、第3楕円面係数行列Dzz、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標を出力してもよい。
In the present embodiment, the initial ellipsoid determining unit 320 includes an initial ellipsoid coefficient matrix determining unit 321 and an initial ellipsoid center point determining unit 322, and whether or not both the first condition and the second condition are satisfied. However, the present invention is not limited to such a determination method.
For example, the initial ellipsoid determining unit 320 may be configured without the initial ellipsoid coefficient matrix determining unit 321. In this case, the initial ellipsoidal surface determination unit 320 does not perform the determination on the first condition, performs only the determination on the second condition, and when the determination result is affirmative, the first ellipsoidal coefficient matrix D xx , Second ellipsoidal coefficient matrix D yy , third ellipsoidal coefficient matrix D zz , coordinates of center point c xx , coordinates of center point c yy , and coordinates of center point c zz may be output.

初期補正値生成部330は、初期楕円面判定部320が行う判定の判定結果が肯定である場合、初期楕円面判定部320からの出力に基づいて、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を算出する。
ここで、初期楕円面補正行列Tとは、図12に示すように、初期中心点cE0を中心点とする初期楕円面VE0上の座標を、初期中心点cE0を中心点とする球面SE0上の座標へと変換する行列である。初期楕円面VE0は、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び、第3楕円面Vzzのうち、少なくとも1つの楕円面に基づいて定められる楕円面であり、複数の磁気データq〜qの示す座標を表面近傍に有する楕円面である。
When the determination result of the determination performed by the initial ellipsoid determination unit 320 is affirmative, the initial correction value generation unit 330 determines the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point based on the output from the initial ellipse determination unit 320. c Calculate E0 .
Here, the initial ellipsoidal correction matrix T 0, as shown in FIG. 12, the coordinates on the initial ellipsoid V E0 centered point the initial center point c E0, the center point of the initial center point c E0 This is a matrix for conversion to coordinates on the spherical surface S E0 . The initial ellipsoid V E0 is an ellipsoid determined based on at least one ellipsoid among the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz. It is an ellipsoid having the coordinates indicated by the data q 1 to q N in the vicinity of the surface.

初期楕円面補正行列Tの具体的な算出方法を説明するにあたり、まず、楕円面Vの形状が既知であると仮定したときの、楕円面補正行列Tの算出方法について説明する(段落0043及び図7参照)。楕円面補正行列Tは、楕円面V上の座標を、楕円面Vの中心点cOGを中心とする半径1の球面S上の座標に変換する行列であり、楕円面Vの形状を表す楕円面係数行列Dと、楕円面Vの中心点cOGとに基づき算出される。 In describing the specific method for calculating the initial ellipsoidal correction matrix T 0, first, when the shape of an ellipsoid V E is assumed to be known, the method for calculating the ellipsoidal correction matrix T E will be described (paragraph 0043 and FIG. 7). Ellipsoid correction matrix T E is the coordinates on the ellipsoid V E, a matrix for converting the coordinates on the sphere S E of radius 1 centered on the center point c OG of ellipsoidal V E, ellipsoidal V E and ellipsoid coefficient matrix D representing the shape of, is calculated based on the center point c OG of the ellipsoidal V E.

式(6)に示した楕円面Vを表す楕円面方程式は、以下の式(43)に示す楕円面係数行列Dを用いて、以下の式(42)に変形できる。また、楕円面Vの中心点cOGの示す座標は、以下の式(44)により表される。

Figure 0005866893
Ellipsoidal equation representing the ellipsoidal V E shown in Formula (6), using the ellipsoid coefficient matrix D shown in the following equation (43) can be transformed into the following equation (42). The center point c coordinates indicated by OG ellipsoid V E is expressed by the following equation (44).
Figure 0005866893

ここで、M行M列の正定値対称行列Gと、M行M列の正定値対称行列Hとの間に、式(45)の関係が成立する場合、行列Gを行列Hの平方根行列と呼ぶ。以下では、行列Hの平方根行列Gを、式(46)のように、行列の2分の1乗として表現する。

Figure 0005866893
Here, when the relationship of Expression (45) is established between the positive definite symmetric matrix G of M rows and M columns and the positive definite symmetric matrix H of M rows and M columns, the matrix G is defined as a square root matrix of the matrix H. Call. In the following, the square root matrix G of the matrix H is expressed as a half power of the matrix as shown in Expression (46).
Figure 0005866893

このとき、行列Hの平方根行列Gは、式(47)により求められる。但し、行列U及び行列Λは、式(48)に示すように、行列Hを対角化することで算出される行列である。具体的には、行列Λは、式(49)に示すように、行列HのM個の正の固有値λH1〜λHMを対角成分とするM行M列の行列であり、行列Uは、行列Hの固有値λH1〜λHMに対応する固有ベクトルを正規化したうえで各列に並べたM行M列の回転行列である。

Figure 0005866893
At this time, the square root matrix G of the matrix H is obtained by Expression (47). However, the matrix U and the matrix Λ are matrices calculated by diagonalizing the matrix H as shown in the equation (48). Specifically, the matrix Λ is an M-row M-column matrix having M positive eigenvalues λ H1 to λ HM of the matrix H as diagonal components as shown in the equation (49), and the matrix U is , A rotation matrix of M rows and M columns in which the eigenvectors corresponding to the eigenvalues λ H1 to λ HM of the matrix H are normalized and arranged in each column.
Figure 0005866893

楕円面係数行列Dと、楕円面補正行列Tとの関係は、以上で定義した平方根行列を用いて、以下の式(50)で表される。なお、値r(D)は、以下の式(51)に示すように、複数の磁気データq〜qの示す座標を楕円面係数行列Dの平方根行列により変換した複数の座標と、中心点cOGとの距離の平均値を表す値である。

Figure 0005866893
And ellipsoid coefficient matrix D, the relationship between the ellipsoid correction matrix T E, using the square root matrix as defined above, is expressed by the following equation (50). Note that the value r (D) includes a plurality of coordinates obtained by converting the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N using the square root matrix of the ellipsoidal coefficient matrix D, and the center as shown in the following formula (51): It is a value representing the average value of the distance from the point c OG .
Figure 0005866893

楕円面係数行列Dの固有値λD1、λD2、及びλD3の各々は、楕円面Vの主軸の長さrE1、rE2、及びrE3の各々の2乗値の逆数に等しい。よって、楕円面補正行列Tの固有値λT1、λT2、及びλT3の各々は、楕円面Vの主軸の長さrE1、rE2、及びrE3の各々の逆数に等しくなる。従って、楕円面補正行列Tにより、楕円面V上の座標を、半径1の球面S上の座標へと変換することができる。 Each of the eigenvalues lambda D1, lambda D2, and lambda D3 ellipsoid coefficient matrix D, the length of the major axis of the ellipsoidal V E r E1, r E2, and equal to the inverse of the squared value of each of the r E3. Accordingly, each eigenvalue lambda T1, lambda T2, and lambda T3 ellipsoid correction matrix T E, the length of the major axis of the ellipsoidal V E r E1, r E2, and equal to each of the inverse of r E3. Therefore, the ellipsoidal correction matrix T E, the coordinates on the ellipsoid V E, can be converted into coordinates on a spherical surface S E of radius 1.

次に、初期楕円面補正行列T、及び、初期中心点cE0の座標の算出方法について説明する。
初期楕円面補正行列Tは、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、及び第3楕円面係数行列Dzzのうち、少なくとも1つに基づいて算出される。また、初期中心点cE0の座標は、中心点cxx、中心点cyy、及び中心点czzのうち、少なくとも1つに基づいて算出される。
前述した第2の条件を満たす場合、中心点cxx、中心点cyy、及び中心点czzのうち、任意の2点間の距離は、第1閾値Δcよりも近い。従って、第1閾値Δcの値を十分に小さくした場合、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzは、いずれも複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有し、いずれの中心点も同一の座標と看做すことができるため、これら3つの楕円面は(厳密には異なる形状を有するものの)実質的に同一の楕円面と看做すことができる。この場合、初期楕円面VE0として、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのいずれを採用してもよい。
本実施形態では、初期楕円面VE0として、第1楕円面Vxxを採用する。このとき、初期楕円面補正行列T及び、初期中心点cE0の座標は、以下に示す式(52)及び式(53)により表される。
初期補正値生成部330は、以上のように、初期楕円面補正行列Tと初期中心点cE0の座標とを生成し、これらを出力する。

Figure 0005866893
Next, a method for calculating the coordinates of the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 will be described.
The initial ellipsoid correction matrix T 0 is calculated based on at least one of the first ellipsoid coefficient matrix D xx , the second ellipsoid coefficient matrix D yy , and the third ellipsoid coefficient matrix D zz . The coordinates of the initial center point c E0 is the center point c xx, center point c yy, and out of the center point c zz, are calculated based on at least one.
When the second condition described above is satisfied, the distance between any two of the center point c xx , the center point c yy , and the center point c zz is closer than the first threshold value Δc. Therefore, when the value of the first threshold Δc is sufficiently small, each of the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz is a plurality of magnetic data q 1 to q N. These three ellipsoids are considered to be substantially the same ellipsoid (although strictly having different shapes) because the coordinates shown are in the vicinity and any center point can be regarded as the same coordinates. Can be tricked. In this case, the initial ellipsoid V E0, first ellipsoidal V xx, second ellipsoidal V yy, and all the may be adopted in the third ellipsoid V zz.
In the present embodiment, the first ellipsoid V xx is employed as the initial ellipsoid V E0 . At this time, the coordinates of the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 are expressed by the following equations (52) and (53).
As described above, the initial correction value generation unit 330 generates the initial ellipsoidal correction matrix T 0 and the coordinates of the initial center point c E0 and outputs them.
Figure 0005866893

なお、本実施形態では、楕円面初期補正値生成部300は、蓄積部100から取得した複数の磁気データq〜qを、楕円面最適補正値生成部400に対して出力するが、楕円面最適補正値生成部400は、蓄積部100より直接、複数の磁気データq〜qを取得してもよい。
また、本実施形態では、初期楕円面VE0として、第1楕円面Vxxを採用するが、本発明はこのような形態に限定するものではない。例えば、初期楕円面VE0として、第2楕円面Vyyを採用してもよい。このとき、初期楕円面補正行列Tは式(54)により表され、初期中心点cE0には中心点cyyが採用される。また、初期楕円面VE0として第3楕円面Vzzを採用してもよい。この場合、初期楕円面補正行列Tは式(55)により表され、初期中心点cE0には中心点czzが採用される。

Figure 0005866893
In the present embodiment, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 outputs a plurality of magnetic data q 1 to q N acquired from the storage unit 100 to the ellipse optimal correction value generation unit 400. The surface optimum correction value generation unit 400 may acquire a plurality of magnetic data q 1 to q N directly from the storage unit 100.
In the present embodiment, the first ellipsoid V xx is employed as the initial ellipsoid V E0 , but the present invention is not limited to such a form. For example, the second ellipsoidal surface V yy may be adopted as the initial ellipsoidal surface V E0 . At this time, the initial ellipsoid correction matrix T 0 is expressed by the equation (54), and the center point c yy is adopted as the initial center point c E0 . It is also possible to employ a third ellipsoid V zz as an initial ellipsoidal V E0. In this case, the initial ellipsoid correction matrix T 0 is expressed by the equation (55), and the center point c zz is adopted as the initial center point c E0 .
Figure 0005866893

また、初期楕円面補正行列Tは、以下に示す式(56)により算出してもよい。この場合、初期中心点cE0の座標を、以下に示す式(57)または式(58)により算出してもよい。

Figure 0005866893
The initial ellipsoid correction matrix T 0 may be calculated by the following equation (56). In this case, the coordinates of the initial center point cE0 may be calculated by the following formula (57) or formula (58).
Figure 0005866893

ところで、初期楕円面補正行列Tを算出する方法には、以下に示す方法(以下、「対比例」と称する)も存在する(「非特許文献2」参照)。
具体的には、まず、式(6)に示す楕円面方程式を、xの項、yの項、またはzの項の何れか1つの項で割り算をすることにより、楕円面方程式と等価な、以下の式(59)に示す連立一次方程式に変形する。次に、最小二乗法を用いて、式(59)から、以下の式(60)に示す正規方程式を算出する。行列(RR)が正則なときには、楕円面の形状を示すベクトルθは、式(60)に示す正規方程式の解として、以下の式(61)により算出される。式(61)により算出されるベクトルθと、式(43)、式(44)、及び(50)とを用いて、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を算出する。
なお、例えば、式(6)に示す楕円面方程式を、zの項により割り算することで、式(59)に示す連立一次方程式を算出する場合、ベクトルθは、以下の式(62)に示す9次元のベクトルであり、行列Rは、以下の式(63)に示す9次元のベクトルQに対して式(11)に示す複数の磁気データq〜qの示す座標を代入して得たベクトルを転置して各行に並べて生成される以下の式(64)に示すN行9列の行列であり、ベクトルWは、以下の式(65)に示す9次元のベクトルである。

Figure 0005866893
By the way, as a method for calculating the initial ellipsoid correction matrix T 0 , there is a method described below (hereinafter referred to as “comparative”) (see “Non-patent Document 2”).
Specifically, first, the ellipsoidal equation shown in the equation (6) is divided by any one of the terms x 2 , y 2 , or z 2 , and The equivalent linear equation shown in the following formula (59) is transformed. Next, the normal equation shown in the following equation (60) is calculated from the equation (59) using the least square method. When the matrix (R T R) is regular, the vector θ indicating the shape of the ellipsoid is calculated by the following equation (61) as a solution of the normal equation represented by the equation (60). The initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 are calculated using the vector θ calculated by the expression (61) and the expressions (43), (44), and (50).
Note that, for example, when the simultaneous linear equation shown in the equation (59) is calculated by dividing the elliptical equation shown in the equation (6) by the term of z 2 , the vector θ is expressed by the following equation (62): The matrix R is obtained by substituting the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N shown in the equation (11) into the 9-dimensional vector Q shown in the following equation (63). The obtained vector is transposed and arranged in each row to generate a matrix of N rows and 9 columns shown in the following formula (64), and the vector W is a 9-dimensional vector shown in the following formula (65).
Figure 0005866893

対比例は、楕円面方程式を、xの項、yの項、またはzの項の何れか1つの項で割り算をすることで生成される連立一次方程式により、楕円面の形状を決定するものである。つまり、対比例は、第1評価軸ξ、第2評価軸ξ、及び第3評価軸ξのうち、1つの評価軸のみを用いて、1つの楕円面を算出することと等しい。
この場合、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布形状が同一であっても、選択される評価軸が相違すれば、算出される楕円面の形状は異なる。しかし、対比例は、1つの楕円面のみを算出するため、仮に2つ以上の評価軸を用いて2つ以上の楕円面を算出したならば把握できるはずの複数の楕円面の形状の相違について、把握することができない。例えば、2つ以上の楕円面が算出されることを前提とする、第2の条件を用いた判定を行うことができない。
従って、図13に示す例のように、本実施形態に係る方法により、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち、少なくとも2つの楕円面を算出していたならば、第2の条件についての判定結果が否定となるような場合であっても、対比例によれば初期楕円面補正行列Tが算出されることになる。
このように、対比例は、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状から楕円面の形状を特定することが困難な場合であっても、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布形状を正確に表さない不適切な初期楕円面VE0に基づいた初期楕円面補正行列Tを生成する。
In contrast, the shape of the ellipsoid is determined by a simultaneous linear equation generated by dividing the ellipsoidal equation by one of the terms x 2 , y 2 , or z 2. To do. That is, the proportionality is equivalent to calculating one ellipsoid using only one evaluation axis among the first evaluation axis ξ 1 , the second evaluation axis ξ 2 , and the third evaluation axis ξ 3 .
In this case, even if the distribution shape of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is the same, if the selected evaluation axis is different, the calculated shape of the ellipsoid is different. However, since the contrast is calculated only for one ellipsoid, if two or more ellipsoids are calculated using two or more evaluation axes, the difference between the shapes of a plurality of ellipsoids that can be grasped is calculated. I ca n’t figure out. For example, the determination using the second condition on the assumption that two or more ellipsoidal surfaces are calculated cannot be performed.
Therefore, as in the example illustrated in FIG. 13, at least two ellipsoids among the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz are calculated by the method according to the present embodiment. If so, even if the determination result for the second condition is negative, the initial ellipsoid correction matrix T 0 is calculated according to the proportionality.
Thus, comparative example, even if it is difficult to identify the shape of the ellipsoid from the shape of the distribution of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, a plurality of magnetic data q 1 to q An initial ellipsoid correction matrix T 0 based on an inappropriate initial ellipse V E0 that does not accurately represent the distribution shape of the coordinates indicated by N is generated.

これに対して、楕円面初期補正値生成部300は、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を生成するにあたり、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzの3つの楕円面を生成する。第1楕円面Vxxは、空間Ω上の第1評価軸ξを基準として複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面であり、第2楕円面Vyyは、空間Ω上の第2評価軸ξを基準として複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面であり、第3楕円面Vzzは、空間Ω上の第3評価軸ξを基準として複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面である。すなわち、楕円面初期補正値生成部300は、空間Ω上の3つの異なる評価軸を用いて、3つの異なる楕円面を生成する。
さらに、楕円面初期補正値生成部300は、第1の条件及び第2の条件を用いて、算出された3つの異なる楕円面が、互いに近い形状を有することを判定する。つまり、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状が楕円面の形状とは大きく異なる形状であり、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち1つ以上が楕円面とは異なる形状となる場合、第1の条件は満たされない。また、図13に示す例のように、算出された3つの楕円面各々の中心点の相互間距離が離れている場合には、第2の条件は満たされない。
このように、楕円面初期補正値生成部300は、初期楕円面補正行列Tを生成する際に、3つの異なる楕円面を生成したうえで、第1の条件及び第2の条件が満たされているか否かを判定するため、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合に、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状とは異なる不正確な初期楕円面VE0に基づいた、不適切な初期楕円面補正行列Tが生成されることを防止する。
On the other hand, the elliptical surface initial correction value generation unit 300 generates the first elliptical surface V xx , the second elliptical surface V yy , and the third elliptical surface in generating the initial elliptical surface correction matrix T 0 and the initial center point c E0 . Three ellipsoids of ellipsoid Vzz are generated. The first ellipsoid V xx is an ellipsoid that minimizes an error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N with reference to the first evaluation axis ξ 1 on the space Ω. yy is an ellipsoid that minimizes an error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N with respect to the second evaluation axis ξ 2 on the space Ω, and the third ellipsoid V zz is a space Ω. This is an ellipsoid that minimizes an error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N with reference to the third evaluation axis ξ 3 above. That is, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 generates three different ellipsoids using three different evaluation axes on the space Ω.
Furthermore, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 determines that the three calculated ellipsoids have shapes close to each other using the first condition and the second condition. That is, the shape of the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is significantly different from the shape of the ellipsoid, and the first ellipse V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse When one or more of Vzz has a shape different from the ellipsoid, the first condition is not satisfied. Further, as in the example illustrated in FIG. 13, the second condition is not satisfied when the calculated distances between the center points of the three ellipsoidal surfaces are separated.
Thus, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 generates three different ellipsoids when generating the initial ellipsoid correction matrix T 0 , and the first condition and the second condition are satisfied. to determine whether it has, from the shape of the distribution of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, in case where it is difficult to identify the shape of an ellipsoid, a plurality of magnetic data q 1 to q N The generation of an inappropriate initial ellipsoid correction matrix T 0 based on an inaccurate initial ellipsoid V E0 that is different from the shape of the coordinate distribution indicated by is prevented.

[4. 最適楕円面の生成]
初期楕円面補正行列Tは、式(66)に示すように、初期中心点cE0を起点として磁気データqの示す座標を終点とするベクトル(q−cEO)を、初期楕円面VE0の3つの主軸方向に伸縮させることで、初期中心点cE0を起点として変換後磁気データs0iの示す座標を終点とするベクトル(s0i−cEO)に変換する行列である。磁気データqの示す座標が、初期楕円面VE0上に存在する場合には、変換後磁気データs0iの示す座標は、初期中心点cE0を中心とする球面SE0上に位置する。
図12に示すように、初期楕円面VE0は、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有するように定められる楕円面であるが、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化するように定められた楕円面ではない。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標と、初期楕円面VE0との間の誤差が大きい場合、初期楕円面VE0の中心点である初期中心点cE0の示す座標と、地磁気Bgを表す球面Sの中心点cOGの示す座標との間の誤差も大きくなる。この場合、磁気データqの示す座標を初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0により楕円補正した変換後磁気データs0iと、初期中心点cE0とに基づいて、地磁気Bgの正確な向きを算出することはできない。

Figure 0005866893
[4. Generation of optimal ellipsoid]
As shown in the equation (66), the initial ellipsoid correction matrix T 0 is a vector (q i −c EO ) starting from the initial center point c E0 and having the coordinates indicated by the magnetic data q i as the end point. This is a matrix that is converted into a vector (s 0i −c EO ) with the coordinates indicated by the converted magnetic data s 0i as the starting point, with the initial center point c E0 as the starting point, by expanding and contracting in the three principal axis directions of V E0 . When the coordinates indicated by the magnetic data q i are present on the initial ellipsoid V E0 , the coordinates indicated by the converted magnetic data s 0i are located on the spherical surface S E0 centered on the initial center point c E0 .
As shown in FIG. 12, the initial ellipsoidal V E0 is the ellipsoid defined coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N to have in the vicinity, of a plurality of magnetic data q 1 to q N It is not an ellipsoid determined so as to minimize the error from the coordinates shown. Accordingly, when the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the initial ellipsoid V E0 is large, the coordinates indicated by the initial center point c E0 that is the center point of the initial ellipsoid V E0 ; error between the sphere S G center point c coordinates indicated by OG of representing the geomagnetism Bg increases. In this case, the converted magnetic data s 0i elliptically corrected by the magnetic data q i initial ellipsoidal correction matrix coordinates indicated by T 0 and the initial center point c E0, on the basis of the initial center point c E0, accurate geomagnetism Bg The correct direction cannot be calculated.
Figure 0005866893

そこで、本実施形態では、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する最適楕円面VEOPに基づいて定められる最適楕円面補正行列TOPと、最適楕円面VEOPの中心点である最適中心点cEOPとに基づいて、磁気データqの示す座標を楕円補正する。具体的には、本実施形態に係る地磁気測定装置は、楕円面補正行列Tとして最適楕円面補正行列TOPを採用するとともに、オフセットcOFFとして最適中心点cEOPの示す座標を採用することで、式(1)を、以下の式(67)に変形し、地磁気Bgの向きを表すベクトル(s−cEOP)を算出する。以下、式(67)の右辺に現れるベクトル(q−cEOP)を第1磁気ベクトルと称し、式(67)の左辺に現れるベクトル(s−cEOP)を第2磁気ベクトルと称する。
最適楕円面VEOPは、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面であるため、楕円面Vと、最適楕円面VEOPとは、同一の図形と看做すことができる。よって、最適中心点cEOPの示す座標と中心点cOGの示す座標(オフセットcOFF)との誤差は、初期中心点cE0の示す座標と中心点cOGの示す座標との誤差に比べて小さく、最適中心点cEOPと中心点cOGとは、同一の座標を示すと看做すことができる。このような、最適楕円面補正行列TOPと、最適中心点cEOPとに基づいて、磁気データqの示す座標を楕円補正することにより、正確な地磁気Bgの向きを得ることができる。

Figure 0005866893
Therefore, in the present embodiment, the optimum ellipsoid correction matrix T OP defined based on the optimum ellipsoid VEOP that minimizes the error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the optimum ellipsoid VEOP The coordinates indicated by the magnetic data q i are elliptically corrected on the basis of the optimum center point c EOP that is the center point of. Specifically, the geomagnetic measurement apparatus according to this embodiment, while adopting the optimum ellipsoidal correction matrix T OP as ellipsoid correction matrix T E, adopting the coordinates indicated by the optimum center point c EOP as an offset c OFF in the formula (1), is deformed into the following equation (67), calculates a vector (s i -c EOP) indicating the direction of the geomagnetism S Bg. Hereinafter, the vector (q i −c EOP ) appearing on the right side of Expression (67) is referred to as a first magnetic vector, and the vector (s i −c EOP ) appearing on the left side of Expression (67) is referred to as a second magnetic vector.
Optimal ellipsoid V EOP are the ellipsoid to minimize the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, and ellipsoid V E, the optimum ellipsoidal V EOP, the same figure Can be seen. Therefore, the error between the coordinates indicated by the optimum center point c EOP and the coordinates indicated by the center point c OG (offset c OFF ) is larger than the error between the coordinates indicated by the initial center point c E0 and the coordinates indicated by the center point c OG. It can be considered that the optimal center point c EOP and the center point c OG are small and indicate the same coordinates. Such, the optimum ellipsoidal correction matrix T OP, based on the optimum center point c EOP, by ellipse correcting the coordinates indicated by the magnetic data q i, it is possible to obtain the orientation of the correct geomagnetism Bg.
Figure 0005866893

楕円面最適補正値生成部400は、以下の式(68)に示す楕円面最適化関数fEL(T,c)の値が最小化されるように、変数行列Tの各成分及び変数ベクトルcの各要素を逐次更新する非線形最適化演算を行い、楕円面最適化関数fEL(T,c)の値が最小化されたときの変数行列T及び変数ベクトルcを、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPとして算出する。
ここで、楕円面最適化関数fEL(T,c)は、以下の式(69)に示す3行3列の対称行列である変数行列Tの各成分と、式(5)に示した変数ベクトルcの各要素とを変数とする関数であり、以下の式(70)として表すことができる。変数行列T及び変数ベクトルcの初期値には、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0が適用される。

Figure 0005866893
The ellipsoidal optimal correction value generation unit 400 minimizes the value of the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) shown in the following equation (68) and the variable vector T and the variable vector c. A non-linear optimization operation that sequentially updates each element is performed, and the variable matrix T and the variable vector c when the value of the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) is minimized are expressed as the optimal ellipsoid correction matrix T. Calculated as OP and optimum center point c EOP .
Here, the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) includes the components of the variable matrix T that is a symmetric matrix of 3 rows and 3 columns shown in the following formula (69) and the variable shown in the formula (5). It is a function having each element of the vector c as a variable, and can be expressed as the following equation (70). The initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 are applied to the initial values of the variable matrix T and the variable vector c.
Figure 0005866893

楕円面最適化関数fEL(T,c)は、式(68)に示すように、変数ベクトルcの示す座標を起点として複数の磁気データq〜qの示す座標を表す複数の第1変数ベクトル(q−c)の各々を、変数行列Tにより変換することで得られる複数の第2変数ベクトルT(q−c)の長さの平均値が、「1」からどの程度の差異を有するかを表す関数である。
つまり、楕円面最適化関数fEL(T,c)は、複数の第2変数ベクトルT(q−c)を、変数ベクトルcの示す座標が起点となるように配置した場合、複数の第2変数ベクトルの各々が示す座標と、変数ベクトルcの示す座標を中心とする半径1の球面との誤差を表す。このとき、複数の第2変数ベクトルT(q−c)の示す複数の座標を表すデータを、複数の変換後データsX1〜sXNと呼ぶ。楕円面最適化関数fEL(T,c)の値を最小化することにより、複数の変換後データsX1〜sXNの示す座標と、変数ベクトルcの示す座標を中心とする半径1の球面との誤差を最小化することができ、このときの複数の変換後データsX1〜sXNは、複数の変換後磁気データs〜sを表す。
なお、本実施形態では、説明の便宜上、第2変数ベクトルT(q−c)を、変数ベクトルcの示す座標を起点として配置しているが、第2変数ベクトルT(q−c)を、センサ座標系Σの原点が起点となるように配置しても構わない。すなわち、式(68)は、第2変数ベクトルT(q−c)をセンサ座標系Σの原点が起点となるように配置した場合、第2変数ベクトルT(q−c)の示す座標と、センサ座標系Σの原点を中心とする半径1の球面との誤差を表す。また、この場合、複数の変換後磁気データs〜sは、原点を中心とする半径1の球面近傍に分布する。
As shown in Expression (68), the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) has a plurality of first values representing coordinates indicated by a plurality of magnetic data q 1 to q N starting from the coordinates indicated by the variable vector c. What is the average value of the lengths of the plurality of second variable vectors T (q i -c) obtained by converting each of the variable vectors (q i -c) by the variable matrix T from “1”? It is a function indicating whether or not there is a difference.
That is, the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) has a plurality of second variable vectors T (q i −c) arranged such that the coordinates indicated by the variable vector c are the starting points. It represents an error between the coordinates indicated by each of the two variable vectors and the spherical surface having a radius of 1 centered on the coordinates indicated by the variable vector c. At this time, data representing a plurality of coordinates indicated by a plurality of second variable vectors T (q i -c) is referred to as a plurality of post-conversion data s X1 to s XN . By minimizing the value of the ellipsoidal optimization function f EL (T, c), a spherical surface having a radius of 1 centered on the coordinates indicated by the plurality of converted data s X1 to s XN and the coordinates indicated by the variable vector c The plurality of converted data s X1 to s XN at this time represent the plurality of converted magnetic data s 1 to s N.
In this embodiment, for convenience of explanation, the second variable vector T (q i −c) is arranged starting from the coordinates indicated by the variable vector c, but the second variable vector T (q i −c) is used. the origin of the sensor coordinate system sigma S is may be arranged such that the starting point. That is, equation (68), when the origin of the second variable vector T (q i -c) the sensor coordinate system sigma S is arranged so that a starting point, indicated by the second variable vector T (q i -c) representing the coordinates, the error between the sphere of radius 1 centered at the origin of the sensor coordinate system sigma S. In this case, the plurality of post-conversion magnetic data s 1 to s N are distributed in the vicinity of the spherical surface with the radius 1 centered on the origin.

楕円面最適化関数fEL(T,c)の示す値を最小化することにより最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPを算出する非線形最適化演算は、公知の方法を適宜適用すればよい。例えば、非線形最適化演算として、ニュートン法を適用してもよい。
ニュートン法、最急降下法等の、非線形最適化演算は、非線形関数の示す値を最適化(最小化または最大化)するように、非線形関数の変数の値を逐次更新する。そして、非線形最適化演算は、非線形関数の値及び変数の値が予め規定された停止規準を満たしたときに、変数の値の更新を停止し、このときの変数の値を最適解として採用する。
なお、非線形最適化演算の停止規準としては、公知の基準を適宜適用すればよい。例えば、アルミホの規準(Armijo’s rule)を適用してもよい。
A non-linear optimization calculation for calculating the optimal ellipsoid correction matrix TOP and the optimal center point cEOP by minimizing the value indicated by the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) can be performed by appropriately applying known methods. That's fine. For example, the Newton method may be applied as the nonlinear optimization calculation.
In nonlinear optimization operations such as Newton's method and steepest descent method, the values of the variables of the nonlinear function are sequentially updated so as to optimize (minimize or maximize) the value indicated by the nonlinear function. The nonlinear optimization calculation stops updating the variable value when the value of the nonlinear function and the value of the variable satisfy a predetermined stop criterion, and adopts the value of the variable at this time as an optimal solution. .
It should be noted that a known standard may be applied as appropriate as the non-linear optimization calculation stop criterion. For example, you may apply the Armijo's rule.

非線形最適化演算は、非線形関数の最適解、すなわち非線形関数を最小化(または最大化)する大局的最適解を算出するための演算である。しかし、非線形最適化演算に適用される初期値が大局的最適解とは大きく異なる値である場合、非線形最適化演算の算出する最適解が、大局的最適解とは異なる局所的最適解となることがある。大局的最適解と大きく異なる初期値を適用した場合、大局的最適解よりも初期値に近い局所的最適解が存在する可能性があり、非線形最適化演算による解の更新を繰り返すうちに、解が大局的最適解に更新される前に、局所的最適解に更新される可能性が高いからである。従って、非線形最適化演算により局所的最適解が算出されることを防止するためには、初期値として、大局的最適解にできるだけ近い値を採用する必要がある。
本実施形態は、初期楕円面VE0に基づいて、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を算出し、これらの値を非線形最適化演算の初期値として適用する。複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有するように定められた初期楕円面VE0は、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面Vと近い形状を有する。従って、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の示す座標は、大局的最適解として算出されるべき値である楕円面補正行列T及び中心点cOGの示す座標に近い値である(図7及び図12参照)。このような初期値を用いた非線形最適化演算を行うことにより算出される最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPの示す座標は、局所的最適解ではなく、大局的最適解(厳密には、大局的最適解の近似値)となる。このように、本実施形態の非線形最適化演算は、大局的最適解に近い値の適切な初期値が設定されるため、局所的最適解に陥ることなく、大局的最適解を最適解として算出することができる。
The nonlinear optimization operation is an operation for calculating an optimum solution of a nonlinear function, that is, a global optimum solution that minimizes (or maximizes) the nonlinear function. However, if the initial value applied to the nonlinear optimization operation is a value that is significantly different from the global optimal solution, the optimal solution calculated by the nonlinear optimization operation is a local optimal solution that is different from the global optimal solution. Sometimes. If an initial value that is significantly different from the global optimal solution is applied, there may be a local optimal solution that is closer to the initial value than the global optimal solution. This is because there is a high possibility that is updated to the local optimal solution before being updated to the global optimal solution. Therefore, in order to prevent the local optimal solution from being calculated by the nonlinear optimization calculation, it is necessary to adopt a value as close as possible to the global optimal solution as the initial value.
In the present embodiment, an initial ellipsoid correction matrix T 0 and an initial center point c E0 are calculated based on the initial ellipsoid V E0 , and these values are applied as initial values for nonlinear optimization calculation. The initial ellipsoid V EO determined to have the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity is the ellipsoid V that minimizes the error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. It has a shape close to E. Accordingly, the coordinates indicated by the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 are close to the coordinates indicated by the ellipsoid correction matrix T E and the center point c OG , which are values to be calculated as a global optimum solution. Yes (see FIG. 7 and FIG. 12). The coordinates indicated by the optimal ellipsoid correction matrix TOP and the optimal center point cEOP calculated by performing the nonlinear optimization operation using such initial values are not the local optimal solution but the global optimal solution (strict (Approximate value of global optimum solution). As described above, in the nonlinear optimization calculation of the present embodiment, since an appropriate initial value close to the global optimal solution is set, the global optimal solution is calculated as the optimal solution without falling into the local optimal solution. can do.

ところで、本実施形態では、式(69)に示すように、非線形最適化演算において最適化の対象となる楕円面最適化関数fEL(T,c)の変数として実対称行列である変数行列Tを用いるが、変数行列Tの代わりに、対称行列に限定されない実行列一般を表す変数行列Tを変数として用いて非線形最適化演算を行う方法も存在する(「非特許文献1」参照)。
しかし、対称行列に限定されない変数行列Tは、任意のベクトルを変数行列Tの3つの固有ベクトル方向に各々伸縮させる座標変換に加え、任意のベクトルの向きを回転させる座標変換を表す場合がある。そのため、第1変数ベクトル(q−c)を変数行列Tにより変換することで得られるベクトルT(q−c)は、第2磁気ベクトルT(q−c)を任意角度回転させたベクトルとして算出される場合がある。すなわち、図14に示すように、変数行列Tを用いて算出される変換後磁気データROの示す座標は、変数行列Tを用いて算出される変換後磁気データsの示す座標を、球面SEOP上で任意角度回転させた座標として算出される。
この場合、変数行列Tを用いて算出される変換後磁気データROの示す座標に基づいて、地磁気Bgの向きを算出することは困難である。
By the way, in the present embodiment, as shown in the equation (69), a variable matrix T that is a real symmetric matrix as a variable of the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) to be optimized in the nonlinear optimization calculation. but using, instead of the variable matrix T, there is also a method of performing nonlinear optimization calculation using the variable matrix T R representing a real matrix generally not limited to symmetric matrix as a variable (see "non-Patent Document 1").
However, the variable matrix T R is not limited to symmetric matrices, in addition to the coordinate transformation for each stretch any vector three eigenvectors direction variable matrix T R, it may represent a coordinate transform that rotates the orientation of any vector . Therefore, the vector T R (q i -c) obtained by converting the first variable vector (q i -c) by the variable matrix T R rotates the second magnetic vector T (q i -c) by an arbitrary angle. May be calculated as a vector. That is, as shown in FIG. 14, the coordinates indicated by the converted magnetic data RO s i may be calculated by using a variable matrix T R, the coordinates indicated by the converted magnetic data s i may be calculated by using a variable matrix T , Calculated as coordinates rotated by an arbitrary angle on the spherical surface S EOP .
In this case, based on the coordinates indicated by the converted magnetic data RO s i may be calculated by using a variable matrix T R, it is difficult to calculate the direction of the geomagnetism Bg.

非特許文献1によれば、3次元磁気センサ60から見て方向が既知の参照磁界を用いることにより、変数行列Tが行う座標変換において生じた回転の角度を特定し、座標変換において回転が生じなかった場合の変換後磁気データsの示す座標を算出している。この方法は、機器1が、参照磁界を測定する機会を有することが必要となる。 According to Non-Patent Document 1, by direction as viewed from the three-dimensional magnetic sensor 60 using known reference magnetic field, to identify the angle of rotation generated in the coordinate transformation performed by the variable matrix T R, the rotation in the coordinate transformation The coordinates indicated by the converted magnetic data s i when not generated are calculated. This method requires the device 1 to have the opportunity to measure the reference magnetic field.

これに対して、本実施形態では、変数行列Tを実対称行列に限定している。実対称行列は、互いに直交する3つの固有ベクトルと、3つの固有ベクトルに対応する3つの固有値とを有する。そして、実対称行列によりベクトルを変換する場合、変換後のベクトルは、変換前のベクトルを実対称行列の3つの固有ベクトル方向を向く3つのベクトルの和で表したとき、3つのベクトルの各々を、その方向を変えずに対応する固有値倍だけ伸縮させた3つのベクトルの和として算出される。すなわち、実対称行列は、任意のベクトルを、当該実対称行列が有する各固有ベクトル方向に各々伸縮させる座標変換を行う行列である。
従って、実対称行列である変数行列Tを用いる非線形最適化演算は、最適楕円面補正行列TOPを、任意のベクトルを最適楕円面補正行列TOPの各固有ベクトル方向に各々伸縮させる座標変換を表す行列として算出するため、最適楕円面補正行列TOPは、回転を伴う座標変換は行わない。このような最適楕円面補正行列TOPにより、磁気データqの示す座標を、変換後磁気データsの示す座標へと変換することにより、地磁気Bgの正確な向きを得ることができる。
また、変数行列Tは3行3列の行列で9個の独立した成分を有し、楕円面最適化関数fEL(T,c)の変数は12個となるのに対して、本実施形態に係る変数行列Tは対称行列であるため6個の独立した成分を有し、楕円面最適化関数fEL(T,c)の変数は9個である。従って、本実施形態に係る非線形最適化演算は、変数行列Tを用いる非線形最適化演算に比べて変数の数が少なく、計算負荷が低減される。
On the other hand, in this embodiment, the variable matrix T is limited to a real symmetric matrix. The real symmetric matrix has three eigenvectors orthogonal to each other and three eigenvalues corresponding to the three eigenvectors. And when transforming a vector with a real symmetric matrix, the vector after the transformation is represented by the sum of three vectors facing the three eigenvector directions of the real symmetric matrix. It is calculated as the sum of the three vectors expanded and contracted by the corresponding eigenvalue multiple without changing the direction. That is, the real symmetric matrix is a matrix that performs coordinate transformation for expanding and contracting an arbitrary vector in each eigenvector direction of the real symmetric matrix.
Therefore, nonlinear optimization calculation using a variable matrix T is a real symmetric matrix, the optimum ellipsoidal correction matrix T OP, represents a coordinate conversion for each stretch any vector to each eigenvector direction of the optimum ellipsoidal correction matrix T OP Since the calculation is performed as a matrix, the optimal ellipsoid correction matrix TOP does not perform coordinate conversion with rotation. Such optimum ellipsoidal correction matrix T OP, the coordinates indicated by the magnetic data q i, by converting into a coordinate indicated by the converted magnetic data s i, it is possible to obtain an accurate orientation of the geomagnetic Bg.
Further, the variable matrix T R has nine independent components by a matrix of three rows and three columns, the variables ellipsoid optimization function f EL (T R, c) whereas the 12, the Since the variable matrix T according to the embodiment is a symmetric matrix, it has six independent components, and the ellipsoidal optimization function f EL (T, c) has nine variables. Therefore, the nonlinear optimization operation in accordance with this embodiment, fewer variables than the nonlinear optimization calculation using a variable matrix T R, the computation load is reduced.

なお、楕円面最適補正値生成部400は、最適楕円面補正行列TOPが正定値行列であることを判定したうえで、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPを出力してもよい。最適楕円面補正行列TOPは、楕円面上の座標を、当該楕円面の主軸方向に伸縮させることにより、球面上の座標へと変換する行列であるため、最適楕円面補正行列TOPの有する3つの固有値は、いずれも正の値となるからである。
楕円面最適補正値生成部400が出力した最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPは、蓄積部100に格納される。
The ellipsoidal optimum correction value generation unit 400 determines that the optimum ellipsoidal correction matrix TOP is a positive definite matrix and outputs the optimum ellipsoidal correction matrix TOP and the optimum center point cEOP. Good. Optimum ellipsoidal correction matrix T OP is the coordinates on the ellipsoid, by expanding and contracting in the main axis direction of the ellipsoid, since a matrix for transforming into coordinates on a sphere, with the optimum ellipsoidal correction matrix T OP This is because all three eigenvalues are positive values.
The optimum ellipsoidal correction matrix TOP and the optimum center point cEOP output from the ellipsoidal optimum correction value generation unit 400 are stored in the storage unit 100.

[5. 地磁気の算出]
前述の通り、地磁気算出部600は、オフセット採用部610と、地磁気ベクトル計算部620とを備え、3次元磁気センサ60から出力される磁気データqの示す座標に対して、楕円補正を施すことにより、地磁気Bgの向きを算出する(図9参照)。以下において、地磁気算出部600の動作を説明する。
まず、オフセット採用部610は、楕円面補正行列Tとして最適楕円面補正行列TOPを採用するとともに、オフセットcOFFとして最適中心点cEOPの座標を示すベクトルを採用する。これにより、本実施形態に係る地磁気測定装置は、楕円補正を表す式(1)を式(67)に変形し、式(67)に基づいた楕円補正を行うことが可能となる。
次に、地磁気ベクトル計算部620は、式(67)に基づいて楕円補正を行い、地磁気Bgの向きを算出する。具体的には、地磁気ベクトル計算部620は、オフセットcOFFである最適中心点cEOPの座標を起点とし、磁気データqの示す座標を終点とする第1磁気ベクトル(q−cEOP)を、楕円面補正行列Tである最適楕円面補正行列TOPにより変換し、第2磁気ベクトル(s−cEOP)を算出する。このとき、第2磁気ベクトル(s−cEOP)は、ずれ角ψを考慮しなければ、地磁気Bgと同じ向きを向く。地磁気ベクトル計算部620は、必要な場合にはずれ角ψを考慮して(図7、及び段落0046参照)、第2磁気ベクトル(s−cEOP)から、地磁気Bgの向きを算出する。
なお、本実施形態では、説明の便宜上、第2磁気ベクトル(s−cEOP)を、最適中心点cEOPの示す座標を起点として配置しているが(図7参照)、第2磁気ベクトル(s−cEOP)を、センサ座標系Σの原点を起点として配置しても構わない。この場合、球面SEOPは、センサ座標系Σの原点を中心とする半径1の球面を表し、変換後磁気データsは原点を中心とする半径1の球面近傍に分布する。
[5. Calculation of geomagnetism]
As described above, the geomagnetism calculation unit 600 includes the offset adoption unit 610 and the geomagnetism vector calculation unit 620, and performs ellipse correction on the coordinates indicated by the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60. Accordingly, to calculate the direction of the geomagnetism S Bg (see FIG. 9). Hereinafter, the operation of the geomagnetism calculation unit 600 will be described.
First, the offset adopted section 610 is configured to adopt the optimum ellipsoidal correction matrix T OP as ellipsoid correction matrix T E, employing a vector representing the coordinates of the optimum center point c EOP as an offset c OFF. Thereby, the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment can perform the ellipse correction based on the equation (67) by transforming the equation (1) representing the ellipse correction into the equation (67).
Next, the geomagnetic vector calculation unit 620 performs ellipse correction based on Expression (67), and calculates the direction of the geomagnetism Bg. Specifically, the geomagnetic vector calculation unit 620 starts from the coordinates of the optimum center point cEOP having the offset c OFF and starts from the coordinates indicated by the magnetic data q i (q i −c EOP ). , was converted by the optimum ellipsoidal correction matrix T OP is ellipsoidal correction matrix T E, calculates a second magnetic vector (s i -c EOP). At this time, the second magnetic vector (s i −c EOP ) is oriented in the same direction as the geomagnetism Bg unless the shift angle ψ is taken into consideration. The geomagnetic vector calculation unit 620 calculates the direction of the geomagnetism Bg from the second magnetic vector (s i −c EOP ) in consideration of the shift angle ψ if necessary (see FIG. 7 and paragraph 0046).
In the present embodiment, for convenience of explanation, the second magnetic vector (s i −c EOP ) is arranged starting from the coordinates indicated by the optimum center point c EOP (see FIG. 7). the (s i -c EOP), may be disposed as a starting point the origin of the sensor coordinate system sigma S. In this case, the spherical surface S EOP represents a spherical surface with a radius 1 centered on the origin of the sensor coordinate system Σ S , and the converted magnetic data s i is distributed in the vicinity of the spherical surface with a radius 1 centered on the origin.

[6. 第1実施形態の結論]
以上に説明した第1実施形態では、複数の磁気データq〜qの示す座標が、楕円面近傍に分布すると仮定して、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する楕円面を特定し、複数の磁気データq〜qの示す座標を、当該楕円面と同一の中心点を有する球面近傍に座標変換する楕円補正を行った。
これにより、3次元磁気センサ60を搭載する機器が軟磁性材料を備え、ソフトアイアン効果が生じている場合に、複数の磁気データq〜qに基づいて、地磁気Bgの正確な方向を算出することができる。
[6. Conclusion of First Embodiment]
In the first embodiment described above, it is assumed that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the ellipsoid, and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are in the vicinity. An ellipsoid was specified, and ellipse correction was performed in which the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N were coordinate-converted to the vicinity of a spherical surface having the same center point as the ellipse.
As a result, when the device on which the three-dimensional magnetic sensor 60 is mounted includes a soft magnetic material and the soft iron effect is generated, the accurate direction of the geomagnetism Bg is calculated based on the plurality of magnetic data q 1 to q N. can do.

なお、3次元磁気センサ60を搭載する機器が軟磁性材料を備えず、ソフトアイアン効果が生じていない場合であっても、複数の磁気データq〜qの示す座標が楕円面の近傍に分布する場合がある。例えば、3次元磁気センサ60が備える、X軸地磁気センサ61、Y軸地磁気センサ62、及びZ軸地磁気センサ63の3つセンサの感度にバラつきがある場合、センサ座標系Σにおいて本来球面近傍に分布するはずの複数の磁気データq〜qの示す座標は、3つのセンサの感度に応じて当該球面をセンサ座標系Σの各軸方向に伸縮させた楕円面近傍に分布する。すなわち、センサ感度のバラつきがある場合、複数の磁気データq〜qの示す座標は、センサ座標系Σの3つの軸の向きと同じ方向を向く3つの主軸を有する楕円面近傍に分布する。
第1実施形態では、複数の磁気データq〜qの示す座標が楕円面近傍に分布しているものと看做して楕円補正を行う。この楕円補正に用いる楕円面の3つの主軸は、直交関係を保ちつつ任意の方向を向くことができるため、第1実施形態に係る楕円補正は、楕円面の主軸とセンサ座標系Σの3軸の方向が一致する場合についても、適用することが可能である。
従って、第1実施形態の楕円補正は、センサ感度のバラつきが原因で複数の磁気データq〜qの示す座標が楕円面近傍に分布する場合、つまり、楕円面の主軸とセンサ座標系Σの3軸の方向が一致する場合であっても、地磁気Bgの正確な向きを算出することができる。
Note that even if the device on which the three-dimensional magnetic sensor 60 is mounted does not include a soft magnetic material and the soft iron effect does not occur, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are in the vicinity of the ellipsoid. May be distributed. For example, it provided the three-dimensional magnetic sensor 60, if the sensitivity of the three sensors X-axis geomagnetic sensor 61, Y-axis geomagnetic sensor 62 and the Z-axis geomagnetic sensor 63, there is a variation, the original spherical near the sensor coordinate system sigma S coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N supposed distributed is distributed the spherical surface ellipsoidal neighborhood obtained by stretching in the direction of each axis in the sensor coordinate system sigma S in accordance with the sensitivity of the three sensors. That is, if there is a variation in sensor sensitivity, coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, distributed in the vicinity ellipsoid with three principal axes oriented in the same direction as the direction of the three axes of the sensor coordinate system sigma S To do.
In the first embodiment, ellipse correction is performed assuming that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the ellipsoid. Three major axis of the ellipsoidal used in the elliptical correction, it is possible to face any direction while maintaining the orthogonal relation, elliptical correction according to the first embodiment, the third main shaft and the sensor coordinate system sigma S ellipsoidal The present invention can also be applied when the directions of the axes coincide.
Therefore, the ellipse correction according to the first embodiment is performed when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the ellipsoid due to variations in sensor sensitivity, that is, the ellipse principal axis and the sensor coordinate system Σ. Even when the directions of the three axes of S coincide with each other, it is possible to calculate the correct direction of the geomagnetism Bg.

また、第1実施形態では、初期楕円面VE0の算出に当たり、空間Ω上の第1評価軸ξ、第2評価軸ξ、及び第3評価軸ξの3つの異なる評価軸を用いて、3つの異なる楕円面を生成したうえで、センサ座標系Σにおいてこれらの3つの異なる楕円面の各々の中心点の相互間の距離が全て第1閾値Δc以下であるか否かを判定した。そして判定結果が肯定となる場合に限り、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標を算出した。
これにより、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難な場合に、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状とは異なる不正確な初期楕円面VE0に基づいた、不適切な初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標が生成されることを防止することが可能となり、不正確な値がオフセットとして採用されることを防止することが可能となった。
In the first embodiment, three different evaluation axes, the first evaluation axis ξ 1 , the second evaluation axis ξ 2 , and the third evaluation axis ξ 3 on the space Ω, are used in calculating the initial ellipsoid V E0. Te, after generating three different ellipsoid, determining whether all the mutual distance of these three different ellipsoidal each of the center point of equal to or less than the first threshold value Δc in the sensor coordinate system sigma S did. Only when the determination result is affirmative, the coordinates of the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 were calculated.
Thus, the shape of the distribution of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, when it is difficult to identify the shape of the ellipsoid, the distribution of coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N It is possible to prevent generation of inappropriate initial ellipsoid correction matrix T 0 and initial center point c E0 coordinates based on an inaccurate initial ellipsoid V E0 different from the shape. It became possible to prevent the value from being adopted as an offset.

また、第1実施形態では、楕円面Vに近い形状を有する初期楕円面VE0に基づいて定められる初期楕円面補正行列Tの各成分及び初期中心点cE0の座標を初期値とする非線形最適化演算により、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPの座標を算出した。
非線形最適化は、初期値に、大局的最適解に近い値を採用することで、局所的最適解が最適解として算出される可能性を低減させ、大局的最適解が最適解として算出される可能性を高める。従って、本実施形態に係る非線形最適化演算は、局所的最適解が最適解として算出される可能性を低減し、不適切な最適楕円面補正行列TOPを用いた楕円補正による不正確な地磁気Bgの向きが算出される可能性を低減した。
In the first embodiment, the respective components and the coordinate of the initial center point c E0 of the initial ellipsoidal correction matrix T 0 that is determined based on the initial ellipsoid V E0 having a shape similar to ellipsoid V E and the initial value The coordinates of the optimum ellipsoid correction matrix TOP and the optimum center point cEOP were calculated by nonlinear optimization calculation.
Nonlinear optimization uses a value close to the global optimal solution as the initial value to reduce the possibility that the local optimal solution is calculated as the optimal solution, and the global optimal solution is calculated as the optimal solution. Increase possibilities. Therefore, the nonlinear optimization operation according to this embodiment, incorrect geomagnetism due to a local optimum solution to reduce the likelihood calculated as an optimal solution, elliptical correction using inappropriate optimum ellipsoidal correction matrix T OP The possibility of calculating the direction of Bg was reduced.

また、第1実施形態では、実対称行列である変数行列Tを変数とする楕円面最適化関数fEL(T,c)を最小化することで、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPを算出した。これにより、最適楕円面補正行列TOPは、任意のベクトルを、最適楕円面補正行列TOPの3つの固有ベクトル方向に伸縮させる座標変換を行う行列として算出されるため、回転を伴う座標変換は行わない。
すなわち、最適楕円面VEOP近傍に位置する磁気データqの示す座標を楕円補正することで算出される変換後磁気データsの示す座標は、最適中心点cEOPから見て、地磁気Bgと同じ方向を向く座標として求められるため、変換後磁気データsに基づいて、正確な地磁気Bgの向きを算出することができる。
In the first embodiment, the optimum ellipsoid correction matrix T OP and the optimum center point are minimized by minimizing the ellipsoid optimization function f EL (T, c) having the variable matrix T which is a real symmetric matrix as a variable. c EOP was calculated. Thus, the optimum ellipsoidal correction matrix T OP is an arbitrary vector, to be calculated as an optimal ellipsoid correction matrix T 3 single matrix to perform the coordinate transformation to be stretchable in the eigenvector direction of the OP, coordinate conversion involving rotation performed Absent.
That is, the coordinates indicated by the converted magnetic data s i calculated by elliptically correcting the coordinates indicated by the magnetic data q i located in the vicinity of the optimum ellipsoidal plane V EOP are the geomagnetism Bg as seen from the optimum center point c EOP. since it obtained as coordinates the same direction, based on the converted magnetic data s i, can calculate the direction of the correct geomagnetism Bg.

<B.第2実施形態>
以下、第2実施形態について説明する。
<B. Second Embodiment>
Hereinafter, a second embodiment will be described.

[7. 第2実施形態に係る地磁気測定装置の概要]
第1実施形態では、3次元磁気センサ60が測定する対象の磁界を、地磁気Bg、内部磁界Bi、及び着磁磁界Bmに限定し、複数の磁気データq〜qの示す座標が楕円面近傍に分布する場合を想定した。
しかし、機器1の外部に磁界を生じる物体が存在する場合、物体の発する外部磁界Bxの影響により、複数の磁気データq〜qの示す座標は、楕円面とは異なる形状に分布することがある。この場合には、複数の磁気データq〜qの示す座標が楕円面近傍に分布すると仮定して算出された楕円面の中心点の示す座標は、3次元磁気センサ60のオフセットを示す座標とは一致しない可能性が高く、楕円面の中心点の示す座標をオフセットとして補正を行っても正確な地磁気Bgの向きを求めることはできない。
また、機器1が軟磁性材料21を備えない場合、ソフトアイアン効果は生じないため、複数の磁気データq〜qの示す座標は、図3に示したように球面近傍に分布し、楕円面近傍には分布しない。この場合、楕円補正を行わなくても、正確な地磁気Bgの向きを求めることができる。
第2実施形態は、機器1の外部の物体の発する外部磁界Bxが存在する場合、及び、機器1が軟磁性材料21を備えず着磁磁界Bmが存在しない場合に対応した地磁気測定装置を実現することを目的とする。
[7. Outline of Geomagnetic Measurement Device According to Second Embodiment]
In the first embodiment, the magnetic field to be measured by the three-dimensional magnetic sensor 60 is limited to the geomagnetism Bg, the internal magnetic field Bi, and the magnetizing magnetic field Bm, and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are elliptical surfaces. A case of distribution in the vicinity was assumed.
However, when there is an object that generates a magnetic field outside the device 1, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in a shape different from the ellipsoid due to the influence of the external magnetic field Bx generated by the object. There is. In this case, the coordinates indicated by the center point of the ellipsoid calculated on the assumption that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the ellipsoid are coordinates indicating the offset of the three-dimensional magnetic sensor 60. And the correct geomagnetism Bg direction cannot be obtained even if correction is performed using the coordinates indicated by the center point of the ellipsoid as an offset.
Also, if the device 1 does not have the soft magnetic material 21, since the soft iron effect does not occur, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, distributed in a spherical near as illustrated in FIG. 3, the ellipse It is not distributed near the surface. In this case, an accurate geomagnetic Bg direction can be obtained without performing ellipse correction.
2nd Embodiment implement | achieves the geomagnetic measuring apparatus corresponding to the case where the external magnetic field Bx which the object of the exterior of the apparatus 1 emits exists, and when the apparatus 1 is not equipped with the soft-magnetic material 21 and the magnetizing magnetic field Bm does not exist. The purpose is to do.

図15は、第2実施形態に係る地磁気測定装置のうち、CPU10が磁気データ処理プログラムを実行することにより実現される機能を表す、機能ブロック図である。第2実施形態に係る地磁気測定装置は、楕円面球面変換部500、分布判定部700、中心点算出部800、及び歪判定部900を備える点と、地磁気算出部600の代わりに地磁気算出部600aを備える点とを除き、第1実施形態に係る地磁気測定装置(図9参照)と同様に構成される。   FIG. 15 is a functional block diagram showing functions realized by the CPU 10 executing a magnetic data processing program in the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment. The geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment includes an ellipsoid spherical surface conversion unit 500, a distribution determination unit 700, a center point calculation unit 800, and a strain determination unit 900, and a geomagnetism calculation unit 600a instead of the geomagnetism calculation unit 600. The configuration is the same as that of the geomagnetism measuring apparatus according to the first embodiment (see FIG. 9).

楕円面球面変換部500は、式(67)に基づいて、最適楕円面補正行列TOP、最適中心点cEOP、及び、複数の磁気データq〜qから、複数の変換後磁気データs〜sを算出する。具体的には、楕円面球面変換部500は、まず、式(67)に示ように、最適中心点cEOPの座標を起点として磁気データqの示す座標を終点とする第1磁気ベクトル(q−cEOP)を、最適楕円面補正行列TOPにより変換し、最適中心点cEOPを起点として変換後磁気データsの示す座標を終点とする第2磁気ベクトル(s−cEOP)を算出することで、変換後磁気データsの示す座標を算出する。その後、楕円面球面変換部500は、算出した複数の変換後磁気データs〜sを蓄積部100のバッファBU2に格納する。
分布判定部700は、センサ座標系Σにおいて、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布が、3次元的な広がりを有しているか否かを判定し、判定結果を出力する。
中心点算出部800は、センサ座標系Σにおいて、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する球面Sの中心点cの示す座標を算出する。図3において説明したように、3次元磁気センサ60が測定する磁界が、地磁気Bg及び内部磁界Biである場合、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面Sの近傍に分布するため、球面Sと球面Sとは一致すると看做すことができ、球面Sの中心点cの示す座標が、オフセットcOFFを表す。
第2実施形態に係る地磁気測定装置は、中心点算出部800を備えることで、着磁磁界Bmが存在せず、複数の磁気データq〜qの示す座標が球面近傍に分布する場合に、簡易な方法により、3次元磁気センサ60のオフセットcOFFを算出することが可能となる。
Based on the equation (67), the ellipsoid spherical surface conversion unit 500 calculates a plurality of converted magnetic data s from the optimum ellipsoid correction matrix T OP , the optimum center point c EOP , and the plurality of magnetic data q 1 to q N. 1 to s N are calculated. Specifically, as shown in Expression (67), the ellipsoid spherical surface conversion unit 500 first starts with the first magnetic vector (with the coordinates indicated by the magnetic data q i starting from the coordinates of the optimum center point c EOP as the starting point ( the q i -c EOP), was transformed by the optimum ellipsoidal correction matrix T OP, the second magnetic vector (s i -c EOP to the end point coordinates indicating the converted magnetic data s i the optimum center point c EOP starting ) To calculate the coordinates indicated by the converted magnetic data s i . Thereafter, the ellipsoid spherical surface conversion unit 500 stores the calculated plurality of post-conversion magnetic data s 1 to s N in the buffer BU 2 of the storage unit 100.
Distribution determining unit 700, in the sensor coordinate system sigma S, the distribution of coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N may determine whether it has a three-dimensional spread, and outputs the determination result .
Central point calculation unit 800, in the sensor coordinate system sigma S, calculates the coordinates indicated by the center point c S of the spherical S having coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity. As described in FIG. 3, the magnetic field three-dimensional magnetic sensor 60 is measured, when a geomagnetism Bg and internal magnetic field Bi, coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, distributed in the vicinity of the spherical S G to end, the sphere S and the sphere S G can be considered to match the coordinates indicated by the center point c S of the spherical S is, represents the offset c OFF.
The geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment includes the center point calculation unit 800, so that the magnetizing magnetic field Bm does not exist and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the spherical surface. The offset c OFF of the three-dimensional magnetic sensor 60 can be calculated by a simple method.

歪判定部900は、センサ座標系Σにおいて、複数の入力座標(複数の磁気データq〜qの示す座標、または複数の変換後磁気データs〜sの示す座標)がある立体近傍に分布すると仮定して、当該立体の形状と球面の形状との相違の程度を評価することで、立体の形状が球面と看做すことができる否かを判定し、判定結果を出力する。
外部磁界Bxが存在し、複数の磁気データq〜qの示す座標が球面または楕円面とは異なる歪んだ形状の立体近傍に分布する場合、3次元磁気センサ60のオフセットcOFFの正確な値を算出することは、困難である。
第2実施形態に係る地磁気測定装置は、歪判定部900を備えることで、外部磁界Bxの影響が大きく、オフセットcOFFの算出が困難な場合に、不正確なオフセットcOFFが算出されることを防止し、不正確なオフセットを用いた補正処理により不正確な地磁気Bgが算出されることを防止する。
In the sensor coordinate system Σ S , the strain determination unit 900 has a plurality of input coordinates (coordinates indicated by a plurality of magnetic data q 1 to q N or coordinates indicated by a plurality of converted magnetic data s 1 to s N ). Assuming distribution in the vicinity, by evaluating the degree of difference between the shape of the solid and the shape of the sphere, it is determined whether or not the shape of the solid can be regarded as a sphere, and the determination result is output .
When the external magnetic field Bx exists and the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of a distorted solid different from the spherical surface or the ellipsoidal surface, the offset c OFF of the three-dimensional magnetic sensor 60 is accurately determined. It is difficult to calculate a value.
The geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment includes the strain determination unit 900, and therefore, when the influence of the external magnetic field Bx is large and it is difficult to calculate the offset c OFF , the inaccurate offset c OFF is calculated. And inaccurate geomagnetism Bg is prevented from being calculated by a correction process using an inaccurate offset.

地磁気算出部600aは、オフセット採用部610の代わりにオフセット採用部610aを備える点を除き、地磁気算出部600と同様に構成される。オフセット採用部610aは、オフセットcOFFとして、最適中心点cEOPの座標を示すベクトルまたは球面Sの中心点cの座標を示すベクトルのいずれか一方を採用する。
そして、オフセット採用部610aは、オフセットcOFFとして中心点cの座標を示すベクトルを採用する場合、楕円面補正行列Tとして3行3列の単位行列Iを採用する。このとき、地磁気ベクトル計算部620は、オフセットcOFFである中心点cの示す座標と、楕円面補正行列Tである単位行列Iとを用いて、式(1)に基づいた楕円補正を行い、地磁気Bgの向きを算出する。具体的には、楕円面補正行列Tは単位行列Iであるため、地磁気ベクトル計算部620は、ベクトル(q−c)を、地磁気Bgの向きを表すベクトルとして算出する。なお、単位行列Iを用いる楕円補正とは、式(1)からも明らかなとおり、単に、磁気データqの示す座標からオフセットcOFFを減算する演算に過ぎず、実質的には楕円補正を行わないことを意味する。従って、楕円面補正行列Tとして単位行列Iが採用された場合、地磁気ベクトル計算部620は、式(1)に基づいた演算を行わず、単純に、磁気データqの示す座標からオフセットcOFFとして採用された中心点cの座標を減算する処理を行ってもよい。
一方、オフセット採用部610aは、オフセットcOFFとして最適中心点cEOPの座標を示すベクトルを採用する場合、楕円面補正行列Tとして最適楕円面補正行列TOPを採用する。このとき、地磁気ベクトル計算部620は、オフセットcOFFである最適中心点cEOPの示す座標と、楕円面補正行列Tである最適楕円面補正行列TOPとを用いて、式(1)に基づいた楕円補正を行い、地磁気Bgの向きを算出する。具体的には、地磁気ベクトル計算部620は、式(1)を変形した式(67)により、第2磁気ベクトル(s−cEOP)を、地磁気Bgの向きを表すベクトルとして算出する。
The geomagnetism calculation unit 600a is configured in the same manner as the geomagnetism calculation unit 600 except that an offset adoption unit 610a is provided instead of the offset adoption unit 610. The offset adopting unit 610a employs either a vector indicating the coordinates of the optimum center point c EOP or a vector indicating the coordinates of the center point c S of the spherical surface S as the offset c OFF .
The offset employed portion 610a, when employing a vector representing the coordinates of the center point c S as an offset c OFF, employing a unit matrix I of three rows and three columns as an ellipsoid correction matrix T E. In this case, the geomagnetic vector calculation unit 620, a coordinate indicated by the center point c S is the offset c OFF, by using the matrix I is ellipsoidal correction matrix T E, the elliptic correction based on equation (1) The direction of geomagnetism Bg is calculated. Specifically, since the ellipsoidal correction matrix TE is the unit matrix I, the geomagnetic vector calculation unit 620 calculates the vector (q i −c S ) as a vector representing the direction of the geomagnetism S Bg. Note that the ellipse correction using the unit matrix I is merely an operation of subtracting the offset c OFF from the coordinates indicated by the magnetic data q i , as is clear from the equation (1). It means not to do. Therefore, if the matrix I is employed as an ellipsoid correction matrix T E, the geomagnetic vector calculation unit 620 does not perform the calculation based on equation (1), simply offset c from the coordinates indicated by the magnetic data q i the coordinates of the adoption center point c S as OFF may perform a process of subtraction.
On the other hand, the offset employed portion 610a, when employing a vector representing the coordinates of the optimum center point c EOP as an offset c OFF, adopt an optimum ellipsoidal correction matrix T OP as ellipsoid correction matrix T E. In this case, the geomagnetic vector calculation section 620 uses the coordinates indicated by the optimum center point c EOP is offset c OFF, the optimum ellipsoidal correction matrix T OP is ellipsoidal correction matrix T E, the equation (1) Based on the ellipse correction, the direction of the geomagnetism Bg is calculated. Specifically, the geomagnetic vector calculation unit 620 calculates the second magnetic vector (s i −c EOP ) as a vector representing the direction of the geomagnetism S Bg using Expression (67) obtained by modifying Expression (1).

以下では、第2実施形態に係る地磁気測定の処理の詳細を説明する前提として、外部磁界Bxの性質について説明する。   Below, the property of the external magnetic field Bx will be described as a premise for explaining the details of the geomagnetic measurement process according to the second embodiment.

図16は、3次元磁気センサ60の検出対象である、地磁気Bg、内部磁界Bi、着磁磁界Bm、及び外部磁界Bxを、地上座標系Σにおいて表した概念図である。ここで、図16に示す位置Pは、地上座標系Σにおけるセンサ座標系Σの原点の位置(すなわち、地上座標系Σにおける、3次元磁気センサ60の位置)を表す。
第2実施形態に係る地磁気測定装置は、機器1の他に、図16に示す機器1aに適用することができる。ここで、機器1aは、部品2の代わりに、軟磁性材料21を含まない部品2aを備える点を除き、機器1と同様の構成である。すなわち、機器1aは、機器1と異なり、着磁磁界Bmを発しない。
Figure 16 is a detection target of the 3-dimensional magnetic sensor 60, a geomagnetic Bg, internal magnetic field Bi, magnetizing field Bm, and an external magnetic field Bx is a conceptual diagram illustrating the ground coordinate system sigma G. Here, the position P S shown in FIG. 16, representing the position of the origin of the sensor coordinate system sigma S in ground coordinate system sigma G (i.e., in the ground coordinate system sigma G, the three-dimensional magnetic sensor 60 position).
The geomagnetic measurement apparatus according to the second embodiment can be applied to the device 1a shown in FIG. Here, the device 1 a has the same configuration as that of the device 1 except that the device 1 a includes a component 2 a that does not include the soft magnetic material 21 instead of the component 2. That is, unlike the device 1, the device 1a does not generate a magnetizing magnetic field Bm.

図16に示すように、外部磁界Bxは、機器1または機器1aの外部に存在する物体3から発せられる磁界であり、物体3との相対的位置関係によって向き及び大きさが変化する不均一な磁界である。地上座標系Σにおける3次元磁気センサ60の位置Psを変化させた場合、3次元磁気センサ60が測定する外部磁界Bxの向き及び大きさが変化する。従って、外部磁界Bxは、地上座標系Σにおいて、位置Psに依存して方向及び大きさの双方を変化させるベクトルBx(Ps)として表現される。また、地上座標系Σにおける3次元磁気センサ60の姿勢μを変化させた場合、3次元磁気センサ60が測定する外部磁界Bxの向きが変化する。 As shown in FIG. 16, the external magnetic field Bx is a magnetic field generated from the object 3 existing outside the device 1 or the device 1 a, and is non-uniform in its direction and magnitude depending on the relative positional relationship with the object 3. Magnetic field. When changing the position Ps of the 3D magnetic sensor 60 in the ground coordinate system sigma G, three-dimensional magnetic sensor 60 is the direction and magnitude of the external magnetic field Bx changes to be measured. Accordingly, the external magnetic field Bx is the ground coordinate system sigma G, is represented as a vector G Bx (Ps) varying both the direction and magnitude depending on the position Ps. Also, when changing the posture of the 3D magnetic sensor 60 in the ground coordinate system sigma G mu, three-dimensional magnetic sensor 60 is the direction of the external magnetic field Bx changes to be measured.

図17は、3次元磁気センサ60の位置PsをPS1〜PSNと変化させると共に、姿勢μをμ〜μと変化させて磁界を測定したときの、3次元磁気センサ60が出力する複数の磁気データq〜qを、センサ座標系Σにおいてプロットした図である。
なお、図17では、簡単のために、着磁磁界Bmは存在せず、内部磁界Bi、地磁気Bg、及び外部磁界Bxのみが存在する場合を想定する。
17, the position Ps of the 3D magnetic sensor 60 with varying the P S1 to P SN, when measuring the magnetic field by changing the posture μ μ 1 ~μ N, and outputs the three-dimensional magnetic sensor 60 a plurality of magnetic data q 1 to q N, is a plot in the sensor coordinate system sigma S.
In FIG. 17, for the sake of simplicity, it is assumed that the magnetizing magnetic field Bm does not exist and only the internal magnetic field Bi, the geomagnetic Bg, and the external magnetic field Bx exist.

外部磁界Bxは、センサ座標系Σにおいて、3次元磁気センサ60の位置Psに依存して方向及び大きさの双方を変化させ、3次元磁気センサ60の姿勢μに依存して方向を変化させるベクトルBx(μ、Ps)として表現される。
3次元磁気センサ60が、内部磁界Bi、地磁気Bg、及び外部磁界Bxを測定する場合、複数の磁気データq〜qの各々の表す座標は、内部磁界を表すベクトルBi、地磁気を表すベクトルBg(μ)、及び外部磁界を表すベクトルBx(μ、Ps)の和を表すベクトルにより示される。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標は、中心点cOGを起点とする地磁気を表すベクトルBg(μ)の終点を表す球面Sと、中心点cOGを起点とする外部磁界を表すベクトルBx(μ、Ps)の終点を表す曲面SXとを、中心点cOGを起点として重ね合わせた立体SDの表面近傍に分布する。
External magnetic field Bx, in the sensor coordinate system sigma S, depending on the position Ps of the 3D magnetic sensor 60 is changed both the direction and magnitude, to change the direction depending on the orientation of the three-dimensional magnetic sensor 60 mu It is expressed as a vector S Bx (μ, Ps).
When the three-dimensional magnetic sensor 60 measures the internal magnetic field Bi, the geomagnetism Bg, and the external magnetic field Bx, the coordinates represented by each of the plurality of magnetic data q 1 to q N represent the vector S Bi representing the internal magnetic field and the geomagnetism. A vector S Bg (μ) and a vector representing the sum of vectors S Bx (μ, Ps) representing an external magnetic field are indicated. Therefore, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is the origin and spherical S G representing the end point of the vector S Bg (mu) representing the geomagnetism originating the center point c OG, the center point c OG The curved surface SX representing the end point of the vector S Bx (μ, Ps) representing the external magnetic field is distributed in the vicinity of the surface of the solid SD superimposed with the center point c OG as the starting point.

外部磁界Bxを表す曲面SXが、球面とは異なる歪んだ形状を有する場合には、立体SDも球面とは異なる歪んだ形状を有する。立体SDが、球面とは異なる歪んだ形状を有する場合、複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいて、地磁気Bgを表す球面Sの中心点cOGの座標を算出することは困難である。仮に、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有するような球面Sを定め、球面Sの中心点cを算出しても、球面Sの中心点cと球面Sの中心点cOGとは異なる座標となる可能性が高いからである。(図24参照)。このように、立体SDが球面とは異なる歪んだ形状を有し、球面Sの中心点cOGの示す座標の算出が困難である場合には、複数の磁気データq〜qに基づいたオフセットcOFFの算出を防止する必要がある。 When the curved surface SX representing the external magnetic field Bx has a distorted shape different from the spherical surface, the solid SD also has a distorted shape different from the spherical surface. When the solid SD has a distorted shape different from that of the spherical surface, the coordinates of the center point c OG of the spherical surface S G representing the geomagnetism Bg are calculated based on the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. Have difficulty. Even if the spherical surface S having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is determined in the vicinity and the center point c S of the spherical surface S is calculated, the center point c S of the spherical surface S and the spherical surface S G This is because there is a high possibility that the coordinates are different from the center point cOG . (See FIG. 24). Thus, they have different distorted shapes and three-dimensional SD spherical, when the calculation of the coordinates indicating the center point c OG of the spherical S G is difficult, based on a plurality of magnetic data q 1 to q N It is necessary to prevent the calculation of the offset c OFF .

但し、不均一な外部磁界Bxの影響が小さく、立体SDの形状がほぼ球面と看做せる場合には、複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいて、球面Sの中心点cOGの示す座標を算出することができる。例えば、図18(A)に示すように、外部磁界Bxが微弱である場合、地磁気Bgを表す球面Sと、外部磁界Bxを表す曲面SXとの重ね合わせである立体SDは、球面Sとほぼ同一の図形となる。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標は、球面Sの近傍に分布すると看做すことができるため、複数の磁気データq〜qから、球面Sの中心点cOGの示す座標を算出することができる。
また、図18(B)に示すように、不均一な外部磁界Bxが大きい場合であっても、立体SDの形状がほぼ球面と看做せる場合がある。例えば、不均一な外部磁界Bxが存在する場合であっても、N個の磁気データq〜qを取得する際に、機器1または機器1aの利用者が機器1または機器1aを手で握って3次元磁気センサ60の位置Pが変化するように振るのではなく、3次元磁気センサ60の位置Pを固定して姿勢μのみを変化させる場合には、外部磁界Bxは、センサ座標系Σにおいて、姿勢μに基づいてその方向のみを変化させる一定の大きさのベクトルBx(μ)として表現される。この場合、外部磁界Bxを表す曲面SXの形状は、中心点cOGを中心とする球面となるため、中心点cOGを中心とする球面Sと、中心点cOGを中心とする球面の形状の曲面SXとを、中心点cOGを中心に重ね合わせた立体SDの形状は、中心点cOGを中心とする球面となる。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいて、立体SDの表す球面の中心点の座標を算出することにより、球面Sの中心点cOGの示す座標を算出することができる。
However, small influence of non-uniform external magnetic fields Bx, when the shape of the three-dimensional SD is that substantially spherical and regarded, on the basis of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, the center point of the spherical surface S G c The coordinates indicated by the OG can be calculated. For example, as shown in FIG. 18 (A), when the external magnetic field Bx is weak, the spherical S G representing the geomagnetism Bg, a is stereoscopic SD is superposition of the curved surface SX representing the external magnetic field Bx, spherical S G And almost the same figure. Therefore, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, because it can be considered that the distribution in the vicinity of the spherical surface S G, a plurality of the magnetic data q 1 to q N, sphere S center point of G c The coordinates indicated by OG can be calculated.
Further, as shown in FIG. 18B, even when the non-uniform external magnetic field Bx is large, the shape of the solid SD may be regarded as a substantially spherical surface. For example, even when there is a non-uniform external magnetic field Bx, when the N pieces of magnetic data q 1 to q N are acquired, the user of the device 1 or the device 1 a holds the device 1 or the device 1 a by hand. If 3-dimensional magnetic sensor 60 rather than positions shake to P S is changed, the changing fixed and only the posture μ position P S of the three-dimensional magnetic sensor 60 holds the external magnetic field Bx, the sensor in the coordinate system sigma S, it is represented as a direction only certain varying the magnitude of the vector S Bx (mu) based on the attitude mu. In this case, the shape of the curved surface SX representing the external magnetic field Bx is, since the spherical surface centered at the center point c OG, the spherical S G centered on the center point c OG, the spherical surface centered at the center point c OG a curved SX shape, the shape of the three-dimensional SD superimposed around a central point c OG is a spherical surface centered at the center point c OG. Therefore, based on the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, by calculating the coordinates of the center point of the sphere representing three-dimensional SD, it is possible to calculate the center point c coordinates indicated by OG spherical S G it can.

本実施形態では、複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいて、外部磁界Bxによる影響の大きさ、すなわち、立体SDの形状と球面の形状との相違の程度を評価する。これにより、複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいて、オフセットcOFFが算出可能であるかを判断し、外部磁界Bxの影響を受けた不正確なオフセットが算出されることを防止することが可能となる。 In the present embodiment, the magnitude of the influence of the external magnetic field Bx, that is, the degree of difference between the shape of the solid SD and the shape of the spherical surface is evaluated based on the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. As a result, it is determined whether the offset c OFF can be calculated based on the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N , and the inaccurate offset affected by the external magnetic field Bx is calculated. It becomes possible to prevent.

なお、詳細は後述するが、本実施形態に係る地磁気測定装置は、楕円面補正部200、楕円面球面変換部500、及び歪判定部900により、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状と、楕円面の形状との相違の程度について評価することもできる。複数の磁気データq〜qの示す座標を、楕円補正により複数の変換後磁気データs〜sの表す座標に変換した場合、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が球面と看做すことができれば、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形は、楕円面と看做すことができるからである。
すなわち、図15に示すように、楕円面補正部200、楕円面球面変換部500、及び歪判定部900は、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状が、球面と看做すことのできる形状、楕円面と看做すことのできる形状、または、球面と看做すことも楕円面と看做すこともできない歪んだ形状、のいずれに該当するかを判断する、歪形状判断部4として機能する。
そして、歪形状判断部4が、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状を、球面と看做すことのできる形状、または、楕円面と看做すことのできる形状であると判断した場合、地磁気測定装置は、オフセットcOFFを算出するが、球面とも楕円面とも異なる歪んだ形状であると判断した場合、オフセットcOFFを算出しない。
このように、本実施形態に係る地磁気測定装置は、歪形状判断部4を備えることにより、外部磁界Bxの影響による不正確なオフセットが算出されることを防止することが可能になるとともに、外部磁界Bxの影響が無視できる程度に小さい場合には、ソフトアイアン効果が生じている場合及び生じていない場合の双方において正確なオフセットcOFFの算出が可能になる。
Although the details will be described later, a geomagnetic measuring device according to the present embodiment shows ellipsoid correction unit 200, ellipsoidal spherical conversion unit 500, and by the distortion determining unit 900, a plurality of magnetic data q 1 to q N coordinates The degree of difference between the shape of the distribution and the shape of the ellipsoid can also be evaluated. The coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, when converted into coordinates representing a plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N by the elliptical correction, coordinate indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N if you can regarded as spherical shape of the three-dimensional SD E having in the vicinity of, the shape of the three-dimensional SD with coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity can be regarded as ellipsoidal Because.
That is, as shown in FIG. 15, the ellipsoid correction unit 200, the ellipsoid spherical surface conversion unit 500, and the distortion determination unit 900 consider that the shape of the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is a spherical surface. Judging whether it falls into a shape that can be considered as an elliptical surface, or a distorted shape that cannot be considered as a spherical surface or an elliptical surface, It functions as the distortion shape determination unit 4.
Then, the shape of the coordinate distribution indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is a shape that can be regarded as a spherical surface, or a shape that can be regarded as an elliptical surface. When it is determined that there is, the geomagnetism measuring device calculates the offset c OFF , but when it is determined that the shape is a distorted shape different from both the spherical surface and the ellipsoid, the offset c OFF is not calculated.
As described above, the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment includes the distortion shape determination unit 4, thereby making it possible to prevent an inaccurate offset from being calculated due to the influence of the external magnetic field Bx. When the influence of the magnetic field Bx is small enough to be ignored, it is possible to accurately calculate the offset c OFF both when the soft iron effect occurs and when it does not occur.

以下、本実施形態における、オフセットcOFFの候補となる座標の算出方法と、当該座標のオフセットcOFFへの採否の判断方法について、具体的に説明する。 Hereinafter, in the present embodiment, a method of calculating the coordinates of the candidate offset c OFF, the determination method adoption to offset c OFF of the coordinates will be specifically described.

[8. 第2実施形態に係る地磁気測定装置のオフセット導出処理フロー]
図19は、第2実施形態に係る地磁気測定装置が、オフセットを導出する動作を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、CPU10が、本実施形態に係る磁気データ処理プログラムを実行することにより実施される。
[8. Offset derivation process flow of the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment]
FIG. 19 is a flowchart for explaining the operation of deriving the offset by the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment. This flowchart is implemented by the CPU 10 executing the magnetic data processing program according to the present embodiment.

ステップS1において、地磁気測定装置は、初期化処理を行う。初期化処理は、蓄積部100に備えられるバッファBU1に格納された複数の磁気データq〜qと、蓄積部100に備えられるバッファBU2に格納された各種データ(複数の変換後磁気データs〜s等)とを、破棄する処理である。なお、本実施形態の地磁気測定装置は、初期化処理において、バッファBU1に格納された複数の磁気データq〜qの全部を廃棄するが、古い方から一定割合のデータのみを廃棄してもよい。 In step S1, the geomagnetism measuring apparatus performs an initialization process. The initialization process includes a plurality of magnetic data q 1 to q N stored in the buffer BU 1 provided in the storage unit 100 and various data (a plurality of converted magnetic data s stored in the buffer BU 2 provided in the storage unit 100. 1 to s N and the like). The geomagnetism measuring apparatus of the present embodiment discards all of the plurality of magnetic data q 1 to q N stored in the buffer BU1 in the initialization process, but only discards a certain percentage of data from the oldest one. Also good.

ステップS2において、地磁気測定装置は、磁気データ取得処理を行う。磁気データ取得処理は、3次元磁気センサ60から順次出力される複数の磁気データq〜qを、蓄積部100に備えられるバッファBU1に格納する処理である(Nは精度よくオフセットを導出するために必要な磁気データの規定測定回数を表す9以上の自然数)。 In step S2, the geomagnetism measuring apparatus performs magnetic data acquisition processing. The magnetic data acquisition process is a process of storing a plurality of magnetic data q 1 to q N sequentially output from the three-dimensional magnetic sensor 60 in a buffer BU 1 provided in the storage unit 100 (N is an offset that is accurately derived. A natural number of 9 or more representing the specified number of magnetic data measurements required).

ステップS3において、地磁気測定装置は、磁気データ分布判定処理を行う。磁気データ分布判定処理は、分布判定部700が行う処理である。磁気データ分布判定処理において、分布判定部700は、センサ座標系Σにおいて、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布が、3次元的な広がりを有しているか否かを判定し、判定結果を出力する。
判定結果が肯定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS4に進める。一方、判定結果が否定である場合、すなわち、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布が2次元的または1次元的である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS1に戻す。
In step S3, the geomagnetism measurement apparatus performs magnetic data distribution determination processing. The magnetic data distribution determination process is a process performed by the distribution determination unit 700. In the magnetic data distribution determining processing, distribution determining unit 700, it determines in the sensor coordinate system sigma S, the distribution of coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is whether it has a three-dimensional expanse And output the determination result.
If the determination result is affirmative, the geomagnetism measuring apparatus advances the process to step S4. On the other hand, when the determination result is negative, that is, when the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is two-dimensional or one-dimensional, the geomagnetism measuring apparatus returns the process to step S1.

ステップS4において、地磁気測定装置は、中心点算出処理を行う。中心点算出処理は中心点算出部800が行う処理である。中心点算出処理において、中心点算出部800は、センサ座標系Σにおいて、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する球面Sの中心点cの示す座標を算出し、これを出力する。 In step S4, the geomagnetism measuring apparatus performs a center point calculation process. The center point calculation process is a process performed by the center point calculation unit 800. In the center point calculation process, the center point calculation unit 800 calculates the coordinates indicated by the center point c S of the spherical surface S that has the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the sensor coordinate system Σ S , Output this.

ステップS5において、地磁気測定装置は、歪判定処理を行う。ステップS5における歪判定処理は、歪判定部900が行う処理である。ステップS5の歪判定処理において、歪判定部900は、複数の入力座標として複数の磁気データq〜qの示す座標を適用したうえで、複数の入力座標がある立体SDの近傍に分布すると仮定して、立体SDの形状と球面の形状との相違の程度を評価することで、立体SDの形状が球面と看做すことができるか否かを判定し、判定結果を出力する。
判定結果が肯定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS10に進める。一方、判定結果が否定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS6に進める。
In step S5, the geomagnetism measuring apparatus performs a distortion determination process. The distortion determination process in step S5 is a process performed by the distortion determination unit 900. In distortion determination process of step S5, the distortion determination section 900, after applying the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N as a plurality of input coordinate, when distributed in the vicinity of the three-dimensional SD with multiple input coordinates Assuming that the degree of difference between the shape of the solid SD and the shape of the spherical surface is evaluated, it is determined whether or not the shape of the solid SD can be regarded as a spherical surface, and the determination result is output.
If the determination result is affirmative, the geomagnetism measurement apparatus advances the process to step S10. On the other hand, when the determination result is negative, the geomagnetism measuring apparatus advances the process to step S6.

ステップS6において、地磁気測定装置は、初期楕円面生成処理を行う。初期楕円面生成処理は、3節において説明した楕円面初期補正値生成部300が行う処理である。前述の通り、初期楕円面生成処理において、楕円面初期補正値生成部300は、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する初期楕円面VE0の中心点である初期中心点cE0の座標と、初期楕円面VE0上の座標を球面SE0上の座標へと変換する初期楕円面補正行列Tとを算出する。また、楕円面初期補正値生成部300は、複数の磁気データq〜qに基づいて算出される、第1楕円面係数行列Dxx、第2楕円面係数行列Dyy、第3楕円面係数行列Dzz、中心点cxxの座標、中心点cyyの座標、及び中心点czzの座標が、第1の条件及び第2の条件の双方を満たすか否かの判定を行う。当該判定結果が肯定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS7に進める。一方、判定結果が否定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS1に戻す。
なお、前述のとおり、楕円面初期補正値生成部300は、第1の条件についての判定を行わず、第2の条件についてのみ判定を行うものであってもよい。
In step S6, the geomagnetism measuring apparatus performs initial ellipsoid generation processing. The initial ellipsoid generation process is a process performed by the ellipsoid initial correction value generation unit 300 described in Section 3. As described above, in the initial ellipsoid generation process, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 has an initial center point that is the center point of the initial ellipsoid V E0 having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N nearby. calculating the coordinates of c E0, the initial ellipsoid correction matrix T 0 for converting the coordinates on the initial ellipsoidal V E0 to coordinates on a sphere S E0. The ellipsoid initial correction value generation unit 300 calculates the first ellipsoid coefficient matrix D xx , the second ellipsoid coefficient matrix D yy , and the third ellipsoid calculated based on the plurality of magnetic data q 1 to q N. coefficient matrix D zz, the coordinates of the center point c xx, coordinates of the center point c yy, and coordinates of the center point c zz performs or satisfies both whether the determination of the first and second conditions. If the determination result is affirmative, the geomagnetism measuring apparatus advances the process to step S7. On the other hand, when the determination result is negative, the geomagnetism measuring apparatus returns the process to step S1.
Note that, as described above, the ellipsoid initial correction value generation unit 300 may perform determination only for the second condition without performing determination for the first condition.

ステップS7において、地磁気測定装置は最適楕円面生成処理を行う。最適楕円面生成処理は、4節において説明した楕円面最適補正値生成部400の行う処理である。前述の通り、最適楕円面生成処理において、楕円面最適補正値生成部400は、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0に基づいて最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPの座標を算出する。 In step S7, the geomagnetism measuring apparatus performs an optimum ellipsoid generation process. The optimum ellipsoid generation process is a process performed by the ellipsoid optimum correction value generation unit 400 described in Section 4. As described above, in the optimum ellipsoid generation process, the ellipsoid optimum correction value generation unit 400 uses the optimum ellipsoid correction matrix T OP and the optimum center point c EOP based on the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0. The coordinates of are calculated.

ステップS8において、地磁気測定装置は楕円面球面変換処理を行う。楕円面球面変換処理は、楕円面球面変換部500が行う処理である。楕円面球面変換処理において、楕円面球面変換部500は、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPに基づいて、最適楕円面VEOP近傍に存在する複数の磁気データq〜qの示す座標を、複数の変換後磁気データs〜sにより表される球面SEOP近傍の座標へと変換する。その後、楕円面球面変換部500は、複数の変換後磁気データs〜sを、蓄積部100に備えられたバッファBU2に格納する。バッファBU2は、RAM20により構成される。 In step S8, the geomagnetism measuring apparatus performs ellipsoidal sphere conversion processing. The ellipsoidal sphere conversion process is a process performed by the ellipsoidal sphere conversion unit 500. In ellipsoidal spherical conversion process, ellipsoid spherical conversion unit 500, the optimum ellipsoidal correction matrix based on the T OP and the optimum center point c EOP, optimum ellipsoidal V EOP present near a plurality of magnetic data q 1 to q N Are converted into coordinates in the vicinity of the spherical surface S EOP represented by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N. Thereafter, the ellipsoid spherical surface conversion unit 500 stores a plurality of converted magnetic data s 1 to s N in a buffer BU 2 provided in the storage unit 100. The buffer BU2 is composed of the RAM 20.

ステップS9において、地磁気測定装置は、歪判定処理を行う。ステップS9における歪判定処理は、ステップS5における歪判定処理と同様に、歪判定部900が行う処理である。ステップS9の歪判定処理において、歪判定部900は、複数の入力座標として複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を適用したうえで、複数の入力座標が立体SDの近傍に分布すると仮定して、立体SDの形状と球面の形状との相違の程度を評価することで、立体SDの形状が球面と看做すことができるか否かを判定し、判定結果を出力する。
判定結果が肯定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS10に進める。一方、判定結果が否定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS1に戻す。
なお、以下では、ステップS5において行われる歪判定処理と、ステップS9において行われる歪判定処理とを区別する場合、前者を第1の歪判定処理と称し、後者を第2の歪判定処理と称する。また、第1の歪判定処理において形状が評価される立体SDと区別するため、第2の歪判定処理において形状が評価される立体を立体SDと称する。第1の歪判定処理と第2の歪判定処理とは、複数の入力座標の値が異なる以外は、同一の処理である。
In step S9, the geomagnetism measuring apparatus performs a distortion determination process. The distortion determination process in step S9 is a process performed by the distortion determination unit 900, similarly to the distortion determination process in step S5. In distortion determination process in step S9, the distortion determination section 900, after applying the coordinates indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N as a plurality of input coordinate, a plurality of input coordinates in the vicinity of the three-dimensional SD E assuming that distribution, to assess the degree of difference between the shape and the spherical shape of the three-dimensional SD E, determines whether the shape of the three-dimensional SD E can be regarded as spherical, the determination result Output.
If the determination result is affirmative, the geomagnetism measurement apparatus advances the process to step S10. On the other hand, when the determination result is negative, the geomagnetism measuring apparatus returns the process to step S1.
Hereinafter, when distinguishing the distortion determination process performed in step S5 from the distortion determination process performed in step S9, the former is referred to as a first distortion determination process, and the latter is referred to as a second distortion determination process. . Further, in order to distinguish from the solid SD whose shape is evaluated in the first distortion determination process, the solid whose shape is evaluated in the second distortion determination process is referred to as a solid SD E. The first distortion determination process and the second distortion determination process are the same process except that the values of a plurality of input coordinates are different.

ステップS10において、地磁気測定装置は、オフセット採用処理を行う。
オフセット採用処理は、オフセット採用部610aが行う処理である。オフセット採用処理において、オフセット採用部610aは、中心点cまたは中心点cEOPの示す座標をオフセットcOFFとして採用するとともに、単位行列Iまたは最適楕円面補正行列TOPを楕円面補正行列Tとして採用する。
具体的には、ステップS5における判定結果が肯定である場合、オフセット採用部610aは、ステップS4において中心点算出部800が算出した球面Sの中心点cの座標を表すベクトルをオフセットcOFFとして採用するとともに、単位行列Iを楕円面補正行列Tとして採用する。一方、ステップS5における判定結果が否定であり、且つ、ステップS9における判定結果が肯定である場合、オフセット採用部610aは、ステップS7で楕円面最適補正値生成部400が算出した最適中心点cEOPの座標を表すベクトルをオフセットcOFFとして採用するとともに、楕円面最適補正値生成部400が算出した最適楕円面補正行列TOPを楕円面補正行列Tとして採用する。そして、オフセット採用部610aは、オフセットcOFFと楕円面補正行列Tとを出力する。
また、ステップS9における判定結果が否定である場合、オフセット採用部610aは、オフセットcOFF及び楕円面補正行列Tを採用しない。
なお、5節において説明したとおり、地磁気ベクトル計算部620は、オフセットcOFFと楕円面補正行列Tとを用いて、3次元磁気センサ60から出力される磁気データqの示す座標に対して楕円補正を施すことで、地磁気Bgの向きを算出する。地磁気ベクトル計算部620が楕円補正に用いるオフセットcOFF及び楕円面補正行列Tは、オフセット採用部610aから出力されるオフセットcOFF及び楕円面補正行列Tにより更新される。
In step S10, the geomagnetism measuring apparatus performs an offset adoption process.
The offset adoption process is a process performed by the offset adoption unit 610a. In the offset adoption processing, the offset adoption unit 610a employs the coordinates indicated by the center point c S or the center point c EOP as the offset c OFF , and uses the unit matrix I or the optimum ellipsoid correction matrix T OP as the ellipsoid correction matrix T E Adopt as.
Specifically, when the determination result in step S5 is affirmative, the offset adoption unit 610a sets the vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S calculated by the center point calculation unit 800 in step S4 as the offset c OFF. while adopting employs an identity matrix I as ellipsoid correction matrix T E. On the other hand, if the determination result in step S5 is negative and the determination result in step S9 is affirmative, the offset adoption unit 610a calculates the optimum center point c EOP calculated by the ellipsoidal optimal correction value generation unit 400 in step S7. the vector representing the coordinates as well as adopted as the offset c OFF, adopt an optimum ellipsoidal correction matrix T OP of ellipsoidal optimum correction value generation unit 400 is calculated as ellipsoid correction matrix T E. Then, the offset adopted section 610a outputs the offset c OFF and ellipsoidal correction matrix T E.
Further, when the result of the determination in step S9 is negative, the offset employed portion 610a is not adopted offset c OFF and ellipsoidal correction matrix T E.
Incidentally, as described in Section 5, the geomagnetic vector calculation unit 620, by using the offset c OFF and ellipsoidal correction matrix T E, with respect to the coordinates indicated by the magnetic data q i output from a 3D magnetic sensor 60 By applying ellipse correction, the direction of geomagnetism Bg is calculated. The offset c OFF and the ellipsoid correction matrix T E used by the geomagnetic vector calculation unit 620 for ellipse correction are updated by the offset c OFF and the ellipse correction matrix T E output from the offset adoption unit 610a.

本実施形態では、ステップS9において、判定結果が否定である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS1に戻すが、その際に、何らかのメッセージを表示部50に出力した上で処理を一旦停止させ、ユーザからの指示を待ってステップS1の処理を再開させてもよい。
N個の磁気データq〜qを取得する際に、利用者が機器1を手で握って回転させるのではなく、機器1の位置を固定したままその姿勢のみを変化させるようにすると、外部磁界Bxの影響を低く抑えることができる(図18(B)参照)。そのため、ステップS9における判定結果が否定である場合には、機器1の位置を固定したまま回転させることを、利用者に対して指示してもよい。利用者に対する指示は、機器1の表示部50に画像や動画等を表示したり、音声等を用いたりすることで、行ってもよい。
また、本実施形態では、ステップS6またはS9において、判定結果が否定である場合に、処理をステップS1に戻さずに、フローチャートに示された処理を終了してもよい。
In this embodiment, when the determination result is negative in step S9, the geomagnetism measurement apparatus returns the process to step S1, but at that time, after outputting some message to the display unit 50, the process is temporarily stopped. The process of step S1 may be resumed after waiting for an instruction from the user.
When acquiring N pieces of magnetic data q 1 to q N , if the user does not hold and rotate the device 1 with his hand, but only change the posture of the device 1 while fixing the position, The influence of the external magnetic field Bx can be kept low (see FIG. 18B). Therefore, when the determination result in step S9 is negative, the user may be instructed to rotate the device 1 while keeping the position of the device 1 fixed. The user may be instructed by displaying an image, a moving image, or the like on the display unit 50 of the device 1 or using a voice or the like.
In the present embodiment, if the determination result is negative in step S6 or S9, the processing shown in the flowchart may be ended without returning the processing to step S1.

このように、本実施形態の地磁気測定装置は、ステップS5において、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面Sの近傍に分布するか、球面とは異なる歪んだ形状の立体SDの近傍に分布するかを判定する。そして、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面とは異なる歪んだ形状の立体SDの近傍に分布すると判定された場合、ステップS6〜S9を実行することにより、複数の磁気データq〜qの示す座標が、最適楕円面VEOPの近傍に存在するか否かの判定を行う。
すなわち、本実施形態の地磁気測定装置は、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布形状が、球面、楕円面、及び球面とも楕円面とも異なる歪んだ形状の立体のうち、いずれの形状と看做すことが適当であるかについて、判別することが可能となる。
これにより、本実施形態に係る地磁気測定装置は、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面または楕円面の近傍に分布する場合には、これらの中心点をオフセットとして採用することにより、正確な地磁気の向きを算出することができる。一方、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面とも楕円面とも異なる歪んだ形状の立体の近傍に分布する場合、本実施形態に係る地磁気測定装置は、オフセットの算出を防止するため、不正確な地磁気の向きの算出を防止することができる。
As described above, in the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment, in step S5, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the spherical surface S or are distorted solid SD different from the spherical surface. It is determined whether it is distributed in the vicinity. When it is determined that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the distorted solid SD different from the spherical surface, the steps S 6 to S 9 are executed to thereby execute the plurality of magnetic data. It is determined whether or not the coordinates indicated by q 1 to q N exist in the vicinity of the optimal ellipsoid VEOP .
That is, in the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment, the coordinate distribution shape indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is any of a spherical shape, an elliptical surface, and a solid with a distorted shape different from the spherical surface and the elliptical surface. It is possible to determine whether it is appropriate to consider the shape.
Thereby, the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment adopts these center points as offsets when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the spherical surface or the ellipsoidal surface. Thus, the accurate geomagnetic direction can be calculated. On the other hand, when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of a distorted solid that is different from both a spherical surface and an elliptical surface, the geomagnetic measurement device according to the present embodiment prevents calculation of an offset. Therefore, it is possible to prevent inaccurate calculation of the direction of geomagnetism.

以下において、磁気データ分布判定処理、中心点算出処理、及び歪判定処理の詳細を説明する。なお、理解を容易なものとするために、中心点算出処理を説明した後に、磁気データ分布判定処理の説明を行う。   Details of the magnetic data distribution determination process, the center point calculation process, and the distortion determination process will be described below. In order to facilitate understanding, the magnetic data distribution determination process will be described after the description of the center point calculation process.

[9. 中心点算出処理]
図20を参照しつつ、ステップS4において、中心点算出部800が行う中心点算出処理について説明する。中心点算出処理は、3次元磁気センサ60が出力するN個の磁気データq〜qの示す座標が、半径rの球面Sの近傍に分布すると仮定して、球面Sの中心点cの座標を算出する処理である。球面Sは、センサ座標系Σ上で、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有するように定められる球面の中心点の座標を求めるために、計算の便宜上導入される球面であり、地磁気Bgを表す球面Sとは異なる球面である。なお、以下において記載されるベクトル及び座標は、特に断りがない場合には、センサ座標系Σにおいて表現されたものであるとする。
[9. Center point calculation process]
The center point calculation process performed by the center point calculation unit 800 in step S4 will be described with reference to FIG. Central point calculation process, the coordinates indicated by the N magnetic data q 1 to q N output from the three-dimensional magnetic sensor 60 is, on the assumption that the distribution in the vicinity of the sphere S of radius r S, the center point of the spherical surface S c This is a process for calculating the coordinates of S. Sphere S is on the sensor coordinate system sigma S, in order to determine the coordinates of a plurality of magnetic data q 1 to q center point of the sphere is defined to have near the coordinates indicated by the N, convenience introduced is spherical calculations and is a different sphere from the sphere S G representing the geomagnetism Bg. Incidentally, the vector and the coordinates are described in the following, especially when there is no otherwise mentioned, and those expressed in the sensor coordinate system sigma S.

複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する球面Sの中心点cの座標の算出は、公知の方法を適宜適用すればよい。例えば、以下の方法により算出してもよい。 The calculation of the coordinates of the center point c S of the spherical surface S having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity may be applied as appropriate. For example, it may be calculated by the following method.

磁気データqの示す座標を式(11)で表し、中心点cの座標を以下の式(72)で表した場合、複数の磁気データq〜qの示す座標が、半径rの球面S上に存在することは、以下の式(71)で表される。

Figure 0005866893
When the coordinates indicated by the magnetic data q i are expressed by Expression (11) and the coordinates of the center point c S are expressed by the following Expression (72), the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are the radius r S. The presence on the spherical surface S is expressed by the following formula (71).
Figure 0005866893

図20に示すように、磁気データqの示す座標を、複数の磁気データq〜qの重心qの示す座標を起点とするベクトル(q−q)で表現した場合、式(71)に対して複数の磁気データq〜qの示す座標の各々を代入した式と、式(71)とに基づいて、以下の式(73)を得ることができる。以下では、式(73)に示す方程式を、球面方程式と呼ぶ。ここで、重心qは、以下の式(74)及び式(75)で定義される3次元のベクトルである。また、行列Xは、式(76)に示すN行3列の行列であり、ベクトルjは、式(77)に示すN次元のベクトルであり、値RAVEは、式(78)に示す値である。

Figure 0005866893
As shown in FIG. 20, when the coordinates indicated by the magnetic data q i are expressed by a vector (q i −q C ) starting from the coordinates indicated by the center of gravity q C of the plurality of magnetic data q 1 to q N The following formula (73) can be obtained based on the formula obtained by substituting each of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N with respect to (71) and the formula (71). Hereinafter, the equation shown in Equation (73) is referred to as a spherical equation. Here, the center of gravity q C is a three-dimensional vector defined by the following equations (74) and (75). The matrix X is an N × 3 matrix shown in Expression (76), the vector j is an N-dimensional vector shown in Expression (77), and the value R AVE is a value shown in Expression (78). It is.
Figure 0005866893

式(73)に示した球面方程式は、複数の磁気データq〜qの示す座標の全てが、中心点cを中心とする球面S上に完全に一致する場合には解を有する。しかし、3次元磁気センサ60の測定誤差等を考慮すると、複数の磁気データq〜qの全てが、球面Sと完全に一致することはないため、球面方程式は解を持たない。そこで、統計的な手法により、球面方程式の尤もらしい解を得るために、式(79)で表す誤差を吸収するベクトルである第1球面誤差ベクトルδを導入する。ここで、式(79)に現れる変数ベクトルcは、式(5)に示した3次元のベクトルであるが、本節では、中心点cの座標を表すための変数として用いる。

Figure 0005866893
The spherical equation shown in the equation (73) has a solution when all of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N completely coincide on the spherical surface S centered on the center point c S. However, considering the measurement error of the three-dimensional magnetic sensor 60 and the like, since all of the plurality of magnetic data q 1 to q N do not completely coincide with the spherical surface S, the spherical equation has no solution. Therefore, the statistical method, in order to obtain a plausible solution of spherical equations, introducing a first spherical error vector [delta] S is a vector that absorbs errors expressed by equation (79). Here, the variable vector c appearing in the equation (79) is the three-dimensional vector shown in the equation (5), but in this section, it is used as a variable for representing the coordinates of the center point c S.
Figure 0005866893

第1球面誤差ベクトルδのノルムを最小にするベクトルc、換言すれば、(δ))を最小化するようなベクトルcの表す座標が、球面Sの中心点cの座標として尤もらしいものであるといえる。ここで、以下の式(80)で示される中心点算出関数f(c)を定義すると、中心点算出関数f(c)を最小化するベクトルcの表す座標が、球面Sの中心点cの座標として尤もらしい値となる。中心点cの座標は、式(82)に示す3行3列の共分散行列Aが正則である場合には、式(81)により算出される。

Figure 0005866893
Vector c to the norm of the first spherical error vector [delta] S to a minimum, in other words, coordinates, spherical S of the center point c S represented by the vector c which minimizes the (δ S) T (δ S ) It can be said that the coordinates are reasonable. Here, if the center point calculation function f S (c) represented by the following expression (80) is defined, the coordinates represented by the vector c that minimizes the center point calculation function f S (c) are the center point of the spherical surface S. c A reasonable value for the coordinates of S. The coordinates of the center point c S are calculated by the equation (81) when the 3 × 3 covariance matrix A shown in the equation (82) is regular.
Figure 0005866893

前述の通り、3次元磁気センサ60が、内部磁界Bi及び地磁気Bgのみを検出する場合には、球面Sと、地磁気Bgを表す球面Sとは、ほぼ同一の球面となり、球面Sの中心点cと、球面Sの中心点cOGとは、ほぼ同一の座標となる。従って、3次元磁気センサ60が内部磁界Bi及び地磁気Bgのみを検出する場合、式(81)に示される中心点cの座標を示すベクトルを、磁気センサのオフセットcOFFとして採用することができる。 As described above, three-dimensional magnetic sensor 60, when detecting only the internal magnetic field Bi and geomagnetism Bg has a sphere S, the sphere S G representing the geomagnetism Bg, becomes almost the same spherical surface, the center point of the spherical surface S and c S, with the center point c OG of the spherical S G, becomes almost the same coordinates. Therefore, when the three-dimensional magnetic sensor 60 detects only the internal magnetic field Bi and the geomagnetism Bg, the vector indicating the coordinates of the center point c S shown in the equation (81) can be adopted as the offset c OFF of the magnetic sensor. .

[10. 磁気データ分布判定処理]
以下では、ステップS3において、分布判定部700が行う磁気データ分布判定処理について説明する。
[10. Magnetic data distribution judgment process]
Hereinafter, the magnetic data distribution determination process performed by the distribution determination unit 700 in step S3 will be described.

前述した、中心点算出処理において、球面Sの中心点cを算出するためには、複数の磁気データq〜qの示す座標が、センサ座標系Σにおいて3次元的な広がりを有して分布していることを必要とする。しかし、機器1(3次元磁気センサ60)の姿勢μは、機器1の利用者が手で機器1を動かすことにより変化するため、機器1の動かし方が不十分な場合には、機器1の姿勢変化は3次元的とはならず2次元的なものとなることがある。この場合、センサ座標系Σにおける複数の磁気データq〜qの示す座標は、3次元的な広がりを有さず2次元的に分布する。
例えば、図21に示すように、複数の磁気データq〜qの示す座標が、センサ座標系Σの平面π上の円π近傍に2次元的に分布する場合、球面Sは、円πを切断面に有するような球面であるということしか特定できない。円πを切断面に有するような球面は、円πの中心点πCOを通り平面πに直交する直線π上の中心点cπ1を中心とする球面Sπ1であるかもしれないし、直線π上の中心点cπ2を中心とする球面Sπ2であるかもしれない。つまり、球面Sの中心点cは、直線π上に位置することまでは特定可能であるが、具体的に直線π上のどの位置に存在するかについては特定不可能である。このように、複数の磁気データq〜qの示す座標が2次元的に分布する場合、複数の磁気データq〜qに基づいて、正確な中心点cを算出することはできない。
In the above-described center point calculation process, in order to calculate the center point c S of the spherical surface S, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N have a three-dimensional spread in the sensor coordinate system Σ S. And need to be distributed. However, since the posture μ of the device 1 (three-dimensional magnetic sensor 60) changes when the user of the device 1 moves the device 1 by hand, if the method of moving the device 1 is insufficient, The posture change may be two-dimensional instead of three-dimensional. In this case, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the sensor coordinate system sigma S is two-dimensionally distributed without a three-dimensional spread.
For example, as shown in FIG. 21, when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are two-dimensionally distributed in the vicinity of a circle π C on the plane π of the sensor coordinate system Σ S , the spherical surface S is Only a spherical surface having a circle π C in the cut surface can be specified. A spherical surface having a circle π C as a cut surface may be a spherical surface S π1 centered on a central point c π1 on a straight line π L passing through the central point π CO of the circle π C and orthogonal to the plane π, it may be a spherical S .pi.2 around the center point c .pi.2 on the line [pi L. In other words, the center point c S of the sphere S is up to be located on the straight line [pi L but can be identified, it is specifically not specific about what exists in which position on the line [pi L. As described above, when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are two-dimensionally distributed, the accurate center point c S cannot be calculated based on the plurality of magnetic data q 1 to q N. .

複数の磁気データq〜qに基づいて球面Sの中心点cを算出するためには、図22に示すように、センサ座標系Σにおいて複数の磁気データq〜qの示す座標が3次元的に広がりを持って分布していることが必要となる。磁気データ分布判定処理において、分布判定部700は、複数の磁気データq〜qの示す座標が3次元的に分布しているか否かを判定する。複数の磁気データq〜qの示す座標が3次元的に分布しているか否かの判定は、公知の方法を適宜適用すればよいが、例えば、式(82)に示される共分散行列Aを用いて判定してもよい。以下において、共分散行列Aの性質を説明する。 In order to calculate the center point c S of the spherical surface S based on the plurality of magnetic data q 1 to q N , as shown in FIG. 22, the plurality of magnetic data q 1 to q N shown in the sensor coordinate system Σ S is shown. It is necessary that the coordinates are distributed in a three-dimensional manner. In the magnetic data distribution determination process, the distribution determination unit 700 determines whether or not the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed three-dimensionally. For determining whether or not the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are three-dimensionally distributed, a known method may be applied as appropriate. For example, a covariance matrix represented by Expression (82) is used. You may determine using A. Hereinafter, the properties of the covariance matrix A will be described.

共分散行列Aの固有値を、大きい順番に最大固有値λ、中間固有値λ、最小固有値λとし、それぞれの固有値に対応する大きさ1に正規化された固有ベクトルをu、u、uとする。また、磁気データqを、前述した重心qを原点とする重心座標系Σにおいて表したベクトルをと表す。このとき、固有値λ(j=1、2、3)は、固有ベクトルu方向の分散σ に等しい。
図22に示すように、各固有ベクトルu〜uを重心座標系Σの原点qを起点となるように配置する。このとき、例えばj=1の場合について検討する。固有値λは、ベクトルを、固有ベクトルuへ射影した長さLi1の二乗(Li1を、N個の磁気データ(i=1、2、…N)について平均した値に等しい。すなわち、固有値λは、N個の磁気データが、重心qから固有ベクトルu方向にどの程度離れているか、つまり、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布が固有ベクトルuの方向にどの程度の広がり有するかを表す。
The eigenvalues of the covariance matrix A are set to the largest eigenvalue λ 1 , the intermediate eigenvalue λ 2 , and the minimum eigenvalue λ 3 in descending order, and the eigenvectors normalized to the magnitude 1 corresponding to each eigenvalue are represented by u 1 , u 2 , u 3 . In addition, a vector representing the magnetic data q i in the centroid coordinate system Σ C having the centroid q C as an origin is represented as C q i . At this time, the eigenvalue λ j (j = 1, 2, 3) is equal to the variance σ 2 j in the eigenvector u j direction.
As shown in FIG. 22, placing each eigenvector u 1 ~u 3 as the starting point the origin q C of the center of gravity coordinates sigma C. At this time, for example, consider the case of j = 1. The eigenvalue λ 1 is the average of the square (L i1 ) 2 of the length L i1 obtained by projecting the vector C q i onto the eigenvector u 1 with respect to the N pieces of magnetic data C q i (i = 1, 2,... N). Is equal to That is, the eigenvalue λ j is determined by how far the N pieces of magnetic data C q i are away from the center of gravity q C in the eigenvector u j direction, that is, the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is the eigenvector. u represents the extent of spread in the j direction.

最小固有値λに対応する固有ベクトルuの方向が、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の広がりが最も小さい方向であり、最小固有値λが、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の広がりが最も小さい方向における広がりの程度を示す指標である。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標が3次元的に分布しているといえるためには、最小固有値λの値が、一定の閾値(分散許容値)λ以上であればよい。 Direction of the eigenvector u 3 corresponding to the minimum eigenvalue lambda 3 is the smallest direction spread of the distribution of the coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, the minimum eigenvalue lambda 3, a plurality of magnetic data q 1 ~ spread of the distribution of the coordinate indicated by q N is an index indicating the degree of spread in the smallest direction. Therefore, in order for the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N to be three-dimensionally distributed, the value of the minimum eigenvalue λ 3 must be equal to or greater than a certain threshold value (dispersion allowable value) λ 0. That's fine.

磁気データ分布判定処理において、分布判定部700は、共分散行列Aの最小固有値λが閾値λ以上であれば、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布が十分に3次元的であると判断して、処理を前述したステップS4の中心点算出処理へと進める。一方、分布判定部700は、最小固有値λが閾値λ未満である場合には、複数の磁気データq〜qの示す座標が3次元的な広がりを有さないと判断し、処理をステップS1の初期化処理に戻す。 In the magnetic data distribution determination process, the distribution determination unit 700 has a sufficiently three-dimensional distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N if the minimum eigenvalue λ 3 of the covariance matrix A is equal to or greater than the threshold λ 0. The process proceeds to the center point calculation process in step S4 described above. On the other hand, when the minimum eigenvalue λ 3 is less than the threshold λ 0 , the distribution determination unit 700 determines that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N do not have a three-dimensional spread, and performs processing Is returned to the initialization process of step S1.

[11. 歪判定処理]
歪判定部900は、ステップS5において第1の歪判定処理を行うとともに、ステップS9において第2の歪判定処理を行う。第2の歪判定処理は、複数の入力座標として、複数の磁気データq〜qの示す座標の代わりに、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を用いて歪判定処理を行う点を除いて、第1の歪判定処理と同様の処理である。
以下11.1節において、第1の歪判定処理について述べた上で、11.2節において、第2の歪判定処理について述べる。
[11. Distortion judgment processing]
The distortion determination unit 900 performs a first distortion determination process in step S5 and performs a second distortion determination process in step S9. The second distortion determination process uses the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N instead of the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N as the plurality of input coordinates. This process is the same as the first distortion determination process except that is performed.
In the following section 11.1, the first distortion determination process is described, and in section 11.2, the second distortion determination process is described.

[11.1. 第1の歪判定処理]
歪判定処理は、複数の入力座標、すなわち、複数の磁気データq〜qの示す座標が、球面とは異なる歪んだ形状の立体SDの表面近傍に分布すると仮定する。立体SDは、図23に示すように、球面(第2球面)Sと、歪誤差ベクトルk(E)とを、足し合わせることで得られる図形であり、以下の式(83)により表される。以下では、式(83)に示す方程式を、立体方程式と呼ぶ。
ここで、球面Sは、中心点(第2球面の中心点)cS2を中心とする球面であり、立体方程式のうち、歪誤差ベクトルk(E)以外の成分「X(c−q)−j」として表される。
歪誤差ベクトルk(E)は、以下の式(84)により表されるN次元ベクトルである。但し、歪評価行列Eは、以下の式(85)に表される3行3列の対称行列であり、基準点wKEは、以下の式(86)により表される3次元ベクトルである。また、式(83)の右辺に現れる0はN次元の零ベクトルである。式(83)の左辺に現れる変数ベクトルcは、式(5)で示された3次元のベクトルであるが、本節では、球面Sの中心点cS2を表すための変数として用いる。
歪判定処理は、立体方程式のうち、歪を表す成分k(E)の大きさを評価することにより、立体SDの形状と、球面Sの形状とが、どの程度相違しているかについて評価する。具体的には、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響の大きさを、後述する式(93)及び式(94)で示される歪評価値g(E)に基づいて評価する。

Figure 0005866893
[11.1. First distortion determination process]
In the distortion determination processing, it is assumed that a plurality of input coordinates, that is, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the surface of the distorted solid SD different from the spherical surface. Stereo SD, as shown in FIG. 23, a spherical (second spherical) and S 2, and a strain error vectors k (E), a figure obtained by summing, represented by the following formula (83) The Hereinafter, the equation shown in Equation (83) is referred to as a solid equation.
Here, the spherical surface S 2 is a spherical surface centered on the central point (the central point of the second spherical surface) c S2 , and the component “X (c−q C ) other than the distortion error vector k (E) in the solid equation. ) -J ".
The distortion error vector k (E) is an N-dimensional vector represented by the following equation (84). However, the distortion evaluation matrix E is a 3 × 3 symmetric matrix expressed by the following equation (85), and the reference point w KE is a three-dimensional vector expressed by the following equation (86). Further, 0 N appearing on the right side of the equation (83) is an N-dimensional zero vector. Variable vector c appearing in the left-hand side of equation (83) is a three-dimensional vector represented by the formula (5), in this section, it is used as a variable for representing the center point c S2 spherical S 2.
Distortion determination process, among the three-dimensional equations, by assessing the magnitude of the component k (E) representing the distortion, the three-dimensional SD shape, and a spherical S 2 shapes are evaluated for how well different . Specifically, the magnitude of the influence of the distortion error vector k (E) in the three-dimensional equation is evaluated based on the distortion evaluation value g D (E) represented by the expressions (93) and (94) described later.
Figure 0005866893

N次元の歪誤差ベクトルk(E)を構成するN個の要素のうち、第i行目の要素ke(q−wKE)は、以下の式(87)で表される関数ke(v)に対して、基準点wKEの示す座標を起点として磁気データqの示す座標を表すベクトル(q−wKE)を代入することにより与えられる。関数ke(v)は、式(85)に示す歪評価行列Eを係数行列とし、式(88)に示すベクトルvの3つの要素を変数とする、二次形式で表現される関数である。つまり、関数ke(v)は、ベクトルvと、ベクトルvを歪評価行列Eにより変換したベクトルEvとの内積を示す。
なお、第1の歪判定処理では、基準点wKEとして、以下の式(89)に示すように、球面Sの中心点cを採用する。

Figure 0005866893
Of the N elements constituting the N-dimensional distortion error vector k (E), the element ke (q i −w KE ) in the i-th row is a function ke (v expressed by the following equation (87). ) Is substituted by a vector (q i −w KE ) representing the coordinates indicated by the magnetic data q i starting from the coordinates indicated by the reference point w KE . The function ke (v) is a function expressed in a quadratic form in which the distortion evaluation matrix E shown in Expression (85) is a coefficient matrix and the three elements of the vector v shown in Expression (88) are variables. That is, the function ke (v) represents the inner product of the vector v and the vector Ev obtained by converting the vector v by the distortion evaluation matrix E.
In the first distortion determination process, the center point c S of the spherical surface S is adopted as the reference point w KE as shown in the following equation (89).
Figure 0005866893

3次元磁気センサ60の測定誤差等を考慮すると、複数の磁気データq〜qの示す座標の全てが、立体SDと完全に一致する位置に存在することはないため、式(83)に示した立体方程式は解を持たない。そこで、統計的な手法により、立体方程式の解として尤もらしい値を得るために、式(90)で表される誤差を吸収するベクトルである立体誤差ベクトルδSDを導入する。立体誤差ベクトルδSDは、以下の式(91)に示す第2球面誤差ベクトルδS2と、歪誤差ベクトルk(E)とを加算したものである。第2球面誤差ベクトルδS2は、立体方程式のうち、球面Sを表す成分「X(c−q)−j」に対応する成分である。
立体誤差ベクトルδSDは、複数の磁気データq〜qの示す座標と、立体SDの表面との誤差を表す、N次元のベクトルである。立体誤差ベクトルδSDのノルムを最小にする変数ベクトルc及び歪評価行列E、換言すれば、以下の式(92)で示す歪評価関数fSD(E、c)を最小化する変数ベクトルc及び歪評価行列Eによって、複数の磁気データq〜qの示す座標を表面近傍に有する立体SDが表現される。

Figure 0005866893
Considering the measurement error of the three-dimensional magnetic sensor 60, all the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N do not exist at positions that completely coincide with the solid SD. The solid equation shown has no solution. Therefore, in order to obtain a plausible value as a solution of the solid equation by a statistical method, a solid error vector δ SD that is a vector that absorbs the error represented by the equation (90) is introduced. The stereo error vector δ SD is obtained by adding a second spherical error vector δ S2 expressed by the following equation (91) and a distortion error vector k (E). The second spherical error vector δ S2 is a component corresponding to the component “X (c−q C ) −j” representing the spherical surface S 2 in the solid equation.
The three-dimensional error vector δ SD is an N-dimensional vector that represents an error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the surface of the three-dimensional SD. The variable vector c and the distortion evaluation matrix E that minimize the norm of the stereo error vector δ SD , in other words, the variable vector c that minimizes the distortion evaluation function f SD (E, c) represented by the following equation (92) A three-dimensional SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity of the surface is represented by the strain evaluation matrix E.
Figure 0005866893

以下で、式(90)に示した立体誤差ベクトルδSDの性質を、式(79)に示した第1球面誤差ベクトルδの性質と対比しつつ説明する。
まず、第1球面誤差ベクトルδは、複数の磁気データq〜qの示す座標と、球面Sとの誤差を吸収するためのベクトルである。第1球面誤差ベクトルδを構成する1行目〜N行目の各要素は、それぞれ独立した変数である。従って、第1球面誤差ベクトルδによって、複数の磁気データq〜qが示す座標と球面Sとの誤差を吸収する場合には、複数の磁気データq〜qが示す座標と球面SとのN個の誤差の各々は、互いに制約の無い、N個が互いに独立して定められる値となる。つまり、第1球面誤差ベクトルδによって表されるN個の誤差は、それぞれが独立に確率的に定められるものであり、N個の誤差は全体として、対称性を有し、かつ方向依存性のないホワイトノイズである。
すなわち、中心点算出処理は、複数の磁気データq〜qの示す座標と、球面Sとの誤差をホワイトノイズである第1球面誤差ベクトルδにより表現し、第1球面誤差ベクトルδを最小化する球面Sの中心点cを求める処理である。
Hereinafter, the property of the stereo error vector δ SD shown in the equation (90) will be described in comparison with the property of the first spherical error vector δ S shown in the equation (79).
First, the first spherical error vector δ S is a vector for absorbing the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the spherical surface S. Each element of the first row ~N row constituting the first spherical error vector [delta] S is an independent variable. Thus, the first spherical error vector [delta] S, in the case of absorbing the error between the coordinates and the sphere S is represented by a plurality of magnetic data q 1 to q N, coordinates and spherical showing multiple magnetic data q 1 to q N Each of the N errors from S is a value that is independent of each other and that N is determined independently of each other. That, the N error expressed by a first spherical error vector [delta] S is for each determined probabilistically independent, as a whole the N error has symmetry, and the direction-dependent There is no white noise.
That is, the center point calculation process, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, the error between the sphere S represented by the first spherical error vector [delta] S is a white noise, the first spherical error vector [delta] S Is a process for obtaining the center point c S of the spherical surface S that minimizes.

一方、立体誤差ベクトルδSDは、第2球面誤差ベクトルδS2と歪誤差ベクトルk(E)との和によって表されるベクトルであり、磁気データq〜qの示す座標と立体SDとの誤差を吸収するベクトルである。
第2球面誤差ベクトルδS2は、第1球面誤差ベクトルδと同様に、磁気データq〜qの示す座標と、球面Sとの誤差を、ホワイトノイズとして表現するベクトルである。
一方、歪誤差ベクトルk(E)は、式(87)で示した3変数二次形式の関数ke(v)を各要素とするベクトルである。3変数の二次形式は、変数が2次の項から構成される関数であり、3次元空間上の様々な曲面、例えば、直線、平面、柱面、球面、楕円面、錐面、1葉双曲面、2葉双曲面、及び各種放物面等を描くことができる。従って、歪誤差ベクトルk(E)は、各磁気データq〜qが示す座標と球面SとのN個の誤差の各々を、互いに独立したものではなく、N個の誤差の全てが同一の関数ke(v)により表される3次元空間上の曲面上に存在するという制約を持った値として表現する。
このように、立体誤差ベクトルδSDは、各磁気データq〜qが示す座標と球面SとのN個の誤差を、ホワイトノイズである第2球面誤差ベクトルδS2と、球面Sからの歪を表す曲面を表す歪誤差ベクトルk(E)とに分離して表現する。
On the other hand, the solid error vector δ SD is a vector represented by the sum of the second spherical error vector δ S2 and the distortion error vector k (E), and the coordinates indicated by the magnetic data q 1 to q N and the solid SD It is a vector that absorbs errors.
The second spherical error vector [delta] S2, similarly to the first spherical error vector [delta] S, the coordinates indicated by the magnetic data q 1 to q N, the error between the sphere S 2, a vector representing a white noise.
On the other hand, the distortion error vector k (E) is a vector having each function of the function ke (v) in the three-variable quadratic form shown in the equation (87). The quadratic form of three variables is a function in which the variable is composed of quadratic terms, and various curved surfaces in a three-dimensional space, for example, straight lines, planes, cylindrical surfaces, spherical surfaces, ellipsoidal surfaces, conical surfaces, and one leaf A hyperboloid, a two-leaf hyperboloid, and various parabolas can be drawn. Therefore, the distortion error vector k (E) is not independent of each of the N errors between the coordinates indicated by the magnetic data q 1 to q N and the spherical surface S 2. It is expressed as a value having a constraint that it exists on a curved surface in a three-dimensional space represented by the same function ke (v).
Thus, the three-dimensional error vector [delta] SD, N number of error between the coordinates and spherical S 2 indicated by each magnetic data q 1 to q N, a second spherical error vector [delta] S2 is a white noise, the spherical S 2 And a distortion error vector k (E) representing a curved surface representing the distortion from the above.

立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響が、無視できる程度に小さい場合、立体SDと球面Sとは、等しい図形と看做すことができ、式(92)に定める歪評価関数fSD(E、c)と、式(80)に定める中心点算出関数f(c)とは、等しい関数と看做すことができる。このとき、歪評価関数fSD(E、c)を最小化して求められる立体SDと、中心点算出関数f(c)を最小化して求められる球面Sとは、等しいものと看做すことができるため、立体SDの表面近傍に分布する複数の磁気データq〜qが示す座標は、球面Sの近傍にも分布すると看做すことができる。前述の通り、立体SDの形状が球面と看做せる場合、立体SDが表す球面の中心点の示す座標と、球面Sの中心点cOGとは、一致すると看做すことができる。よって、球面Sの中心点cの示す座標と、球面Sの中心点cOGの示す座標は、等しいと看做すことができる。
このように、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響が小さい場合、中心点算出手段において算出した球面Sの中心点cの示す座標は、球面Sの中心点cOGの示す座標と等しいと看做されるため、中心点cの示す座標をオフセットcOFFとして採用することができる。
When the influence of the distortion error vector k (E) in the solid equation is small enough to be ignored, the solid SD and the spherical surface S 2 can be regarded as equal figures, and the distortion evaluation function f defined in the equation (92) SD (E, c) and the center point calculation function f S (c) defined in Equation (80) can be regarded as equal functions. At this time, the solid SD obtained by minimizing the distortion evaluation function f SD (E, c) and the spherical surface S obtained by minimizing the center point calculation function f S (c) are regarded as equal. Therefore, it can be considered that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N distributed near the surface of the solid SD are also distributed near the spherical surface S. As described above, if you regarded as three-dimensional SD shape spherical, the coordinates indicated by the center point of the sphere represented by the three-dimensional SD, and the center point c OG of the spherical S G, it can be considered matching. Thus, a coordinate indicated by the center point c S of the spherical S, the coordinate indicated by the central point c OG of the spherical S G can be regarded as equal.
Thus, when the influence of the distortion error vector k in the three-dimensional equation (E) is small, the coordinates indicated by the center point c S of the spherical S calculated at the center point calculating unit, coordinates indicated by the central point c OG of the spherical S G to be considered equal if the coordinates indicated by the center point c S can be adopted as the offset c OFF.

逆に、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響が大きい場合、図23に示すように、複数の磁気データq〜qが示す座標と球面Sとの誤差は、ホワイトノイズである第2球面誤差ベクトルδS2と、球面Sからの歪を表す歪誤差ベクトルk(E)とによって吸収される。この場合、立体SDの形状は、球面とは異なる形状を有する。
また、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響が大きい場合、歪評価関数fSD(E、c)と、中心点算出関数f(c)とは、異なる関数となる。この場合、図24に示すように、歪評価関数fSD(E、c)を最小化して求められる立体SDと、中心点算出関数f(c)を最小化して求められる球面Sとは、異なる図形となり、立体SDの表面近傍に分布する複数の磁気データq〜qの示す座標は、球面Sの近傍に分布すると看做すことはできない。
中心点算出処理は、複数の磁気データq〜qの示す座標が球面Sの近傍に存在していることを前提として、球面Sの中心点cOGと等しいと看做すことのできる中心点cの示す座標を算出する処理である。従って、複数の磁気データq〜qの示す座標が球面Sの近傍に存在しない場合、中心点cと、中心点cOGとは、一致しない。この場合、中心点cの座標を示すベクトルを、オフセットcOFFとして採用することはできない。
Conversely, when the influence of the distortion error vector k (E) in the solid equation is large, as shown in FIG. 23, the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the spherical surface S 2 is white noise. there second spherical error vector [delta] S2, is absorbed by the distortion error vector representative of the distortion from the spherical S 2 k (E). In this case, the shape of the solid SD has a shape different from the spherical surface.
Further, when the influence of the strain error vector k (E) in the solid equation is large, the strain evaluation function f SD (E, c) and the center point calculation function f S (c) are different functions. In this case, as shown in FIG. 24, the solid SD obtained by minimizing the distortion evaluation function f SD (E, c) and the spherical surface S obtained by minimizing the center point calculation function f S (c) are: The coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N that are different figures and distributed in the vicinity of the surface of the solid SD cannot be regarded as being distributed in the vicinity of the spherical surface S.
The center point calculation process can be regarded as being equal to the center point c OG of the spherical surface S G on the assumption that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N exist in the vicinity of the spherical surface S. it is a process of calculating the coordinates indicated by the center point c S. Therefore, when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N do not exist in the vicinity of the spherical surface S, the center point c S and the center point c OG do not match. In this case, a vector indicating the coordinates of the center point c S cannot be adopted as the offset c OFF .

このように、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響の大きさを評価することにより、球面Sの中心点cを、オフセットcOFFとして採用することの可否を判断することが可能である。以下では、立体方程式おける歪誤差ベクトルk(E)の影響の大きさを評価する方法について述べる。 Thus, by evaluating the magnitude of the influence of the distortion error vector k (E) in the solid equation, it is possible to determine whether or not the center point c S of the spherical surface S can be adopted as the offset c OFF. is there. Hereinafter, a method for evaluating the magnitude of the influence of the distortion error vector k (E) in the solid equation will be described.

ここで、以下の式(93)及び(94)に示す歪評価値g(E)を、立体方程式における歪誤差ベクトルk(E)の影響の大きさを評価する評価値として定義する。歪評価値g(E)は、歪評価行列Eの有する3つの固有値のうち、絶対値が最大となる最大固有値λE1の絶対値(つまり、歪評価行列Eのノルム)である。
歪評価値g(E)が、歪許容値δ以下の小さな値であれば、立体SDと球面Sとは等しい図形であると看做すことができ、立体SDの表面近傍に分布する複数の磁気データq〜qの示す座標は、球面Sの近傍に分布すると看做すこともできる。この場合、中心点算出処理により求められた球面Sの中心点cの座標を表すベクトルを磁気センサのオフセットcOFFとして採用することができる。

Figure 0005866893
Here, distortion evaluation values g D (E) shown in the following equations (93) and (94) are defined as evaluation values for evaluating the magnitude of the influence of the distortion error vector k (E) in the solid equation. The distortion evaluation value g D (E) is an absolute value of the maximum eigenvalue λ E1 having the maximum absolute value among the three eigenvalues of the distortion evaluation matrix E (that is, the norm of the distortion evaluation matrix E).
If the strain evaluation value g D (E) is a small value equal to or less than the strain allowable value δ 0 , the solid SD and the spherical surface S 2 can be regarded as the same figure, and distributed near the surface of the solid SD. It can be considered that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed in the vicinity of the spherical surface S. In this case, a vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S obtained by the center point calculation process can be adopted as the offset c OFF of the magnetic sensor.
Figure 0005866893

ところで、前述の通り、歪誤差ベクトルk(E)の各要素は、基準点wKEの示す座標から見た磁気データqの示す座標を表すベクトル(q−wKE)と、当該ベクトル(q−wKE)を歪評価行列Eにより変換したベクトルE(q−wKE)との内積である。
つまり、歪誤差ベクトルk(E)を構成する複数の要素の絶対値は、当該要素に対応する磁気データqの示す座標を基準点wKEの示す座標から表したベクトル(q−wKE)と、歪評価行列Eが有する3つの固有値のうち絶対値の大きさが最大となる最大固有値λE1に対応する固有ベクトルuE1とが平行となる場合には、大きな値となる。
従って、球面Sとの誤差が大きな座標を示す磁気データqが多く存在する領域を、基準点wKEの示す座標から表した方向と、歪評価行列Eの最大固有値λE1に対応する固有ベクトルuE1の方向とが等しくなるように歪評価行列Eの各成分を定める場合、歪誤差ベクトルk(E)は、複数の磁気データq〜qの示す座標と、球面Sとの誤差の大きさを正確に表現する。
歪評価関数fSD(E、c)を最小化する歪評価行列Eは、複数の磁気データq〜qの示す座標と、球面Sとの誤差を正確に表現するように定められる。従って、歪評価行列Eの各成分は、最大固有値λE1に対応する固有ベクトルuE1の向きと、球面Sからの誤差が大きな磁気データが多く存在する領域を基準点wKEの示す座標から表したベクトルの方向とが、近づくように定められる。そして、歪評価行列Eの最大固有値λE1は、球面Sからの誤差が大きな磁気データqについての、その誤差の大きさを表現する値となる。
本実施形態は、立体SDと球面との形状の相違の程度を示す歪評価値g(E)を、歪評価行列Eの最大固有値λE1の値に基づいて定める。従って、歪評価値g(E)によって、球面Sからの距離が大きな座標を示す磁気データqと、球面Sとの誤差の大きさ、すなわち、立体SDと球面との形状の相違の程度を評価することが可能となる。
As described above, each element of the distortion error vector k (E) includes a vector (q i −w KE ) representing the coordinates indicated by the magnetic data q i viewed from the coordinates indicated by the reference point w KE , and the vector ( q i −w KE ) is an inner product with a vector E (q i −w KE ) converted by a distortion evaluation matrix E.
That is, the absolute value of a plurality of elements constituting the distortion error vector k (E) represented the coordinates indicated by the magnetic data q i corresponding to the element from the coordinates indicated by the reference point w KE vector (q i -w KE ) And the eigenvector u E1 corresponding to the maximum eigenvalue λ E1 having the maximum absolute value among the three eigenvalues of the distortion evaluation matrix E are parallel to each other.
Accordingly, an eigenvector corresponding to the direction represented from the coordinates indicated by the reference point w KE and the maximum eigenvalue λ E1 of the distortion evaluation matrix E in a region where there are many magnetic data q i indicating coordinates having a large error from the spherical surface S 2. When each component of the strain evaluation matrix E is determined so that the direction of u E1 is equal, the strain error vector k (E) is an error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the spherical surface S 2. Express the size of.
The strain evaluation matrix E that minimizes the strain evaluation function f SD (E, c) is determined so as to accurately represent the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N and the spherical surface S 2 . Thus, each component of the distortion evaluation matrix E, the table from the maximum eigenvalue λ and orientation of the eigenvector u E1 corresponding to E1, the coordinates indicated by the reference point w KE regions error is large magnetic data exist many from spherical S 2 The direction of the vector is determined so as to approach. The maximum eigenvalue λ E1 of the distortion evaluation matrix E is a value representing the magnitude of the error for the magnetic data q i having a large error from the spherical surface S 2 .
In the present embodiment, the distortion evaluation value g D (E) indicating the degree of difference in shape between the solid SD and the spherical surface is determined based on the maximum eigenvalue λ E1 of the distortion evaluation matrix E. Therefore, the distortion evaluation value g D (E), and magnetic data q i of the distance from the sphere S 2 exhibits a large coordinate, an error in the size of the spherical S 2, i.e., the difference in shape of the three-dimensional SD and the spherical It is possible to evaluate the degree of.

以下に、歪評価値g(E)を求める方法について説明する。
まず、式(87)に示した関数ke(v)は、以下の式(95)に変形できる。また、歪誤差ベクトルk(E)の第i行目の要素ke(q−wKE)は、式(97)によって示される6次元のベクトルke(i)、及び、式(98)によって表される歪評価行列Eの各成分を並べた6次元のベクトルeを用いて、以下の式(96)に変形できる。

Figure 0005866893
Hereinafter, a method for obtaining the strain evaluation value g D (E) will be described.
First, the function ke (v) shown in the equation (87) can be transformed into the following equation (95). Further, the element ke (q i −w KE ) of the i-th row of the distortion error vector k (E) is expressed by the 6-dimensional vector ke 2 (i) expressed by the equation (97) and the equation (98). By using a 6-dimensional vector e E in which the components of the distortion evaluation matrix E represented are arranged, the following equation (96) can be obtained.
Figure 0005866893

ここで、式(99)で示す行列Xを導入する。行列Xは、ベクトルke(i)を転置した1行6列のベクトルと、ベクトル(q−q)を転置した1行3列のベクトルとを、各行に並べて生成された、N行9列の行列である。

Figure 0005866893
We introduce the matrix X 2 represented by the formula (99). The matrix X 2 is generated by arranging a vector of 1 row and 6 columns obtained by transposing the vector ke 2 (i) and a vector of 1 row and 3 columns obtained by transposing the vector (q i −q C ) in each row. It is a matrix with 9 rows.
Figure 0005866893

行列Xを用いて、式(92)に示した歪評価関数fSD(E、c)は、以下の式(100)に表す関数gSD(e)に変形される。なお、ベクトルeは、以下の式(101)に示すように、ベクトルeと、以下の式(102)に示す3次元のベクトルeとを並べた、9次元のベクトルである。

Figure 0005866893
Using the matrix X 2, wherein distortion evaluation function f SD (E, c) shown in (92) is transformed to the function g SD (e) representing the following formula (100). Note that the vector e is a nine-dimensional vector in which the vector e E and the three-dimensional vector e X shown in the following equation (102) are arranged as shown in the following equation (101).
Figure 0005866893

式(100)に示す関数gSD(e)を最小化する解e=eは、以下の式(103)に示す連立方程式に対して、ガウス消去法や、コレスキー分解法などを適用することで求められる。なお、式(103)は、式(100)に対して、最小二乗法を適用することによって算出される正規方程式である。

Figure 0005866893
The solution e = e 0 that minimizes the function g SD (e) shown in the equation (100) applies the Gaussian elimination method, the Cholesky decomposition method, or the like to the simultaneous equations shown in the following equation (103). Is required. Equation (103) is a normal equation calculated by applying the least square method to equation (100).
Figure 0005866893

このようにして得た解eに基づき、式(85)の歪評価行列Eを復元する。そして、式(93)に示した歪評価値g(E)の値、即ち、歪評価行列Eのノルムを求め、歪評価値g(E)の値が歪許容値δ以下であるか否かを判定する。なお、歪評価行列Eのノルムは、歪評価行列Eの有する3つの固有値のうち絶対値が最大となる固有値λE1の絶対値に等しいため、ヤコビ法や、冪乗法により求めることができる。 Based on the solution e 0 obtained in this way, the distortion evaluation matrix E of Expression (85) is restored. Then, the value of the strain evaluation value g D (E) shown in the equation (93), that is, the norm of the strain evaluation matrix E is obtained, and the value of the strain evaluation value g D (E) is equal to or less than the strain allowable value δ 0. It is determined whether or not. Note that the norm of the distortion evaluation matrix E is equal to the absolute value of the eigenvalue λ E1 having the maximum absolute value among the three eigenvalues of the distortion evaluation matrix E, and thus can be obtained by the Jacobian method or the power method.

歪評価値g(E)が歪許容値δ以下である場合、地磁気測定装置は、処理をステップS10のオフセット採用処理に進め、球面Sの中心点cの座標を表すベクトルを、オフセットcOFFとして採用する。
一方、歪評価値g(E)が歪許容値δよりも大きな値である場合には、球面Sの中心点cの座標を表すベクトルを、オフセットcOFFとして採用することはできない。この場合、地磁気測定装置は、処理をステップS6の初期楕円面生成処理に進める。
When the strain evaluation value g D (E) is equal to or less than the strain allowable value δ 0 , the geomagnetism measuring device advances the processing to the offset adoption processing in step S10, and offsets a vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S. c Adopt as OFF .
On the other hand, when the strain evaluation value g D (E) is larger than the strain allowable value δ 0 , a vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S cannot be adopted as the offset c OFF . In this case, the geomagnetism measurement apparatus advances the process to the initial ellipsoid generation process in step S6.

このように、第1の歪判定処理は、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDと球面との形状の相違の程度を評価する。立体SDと球面との形状の相違が無視できる程度に小さい場合には、立体SDを球面と看做すことができるため、球面Sの中心点cの座標を表すベクトルを、オフセットcOFFとして採用することができる。この場合には、ソフトアイアン効果が生じていないと看做すことができるため、ステップS6〜S8に示す楕円補正(初期楕円面生成処理、最適楕円面生成処理、及び楕円面球面変換処理)を行うことなく、地磁気Bgの向きを算出することができる。
すなわち、本実施形態に係る地磁気測定装置は、第1の歪判定処理を行うことにより、ソフトアイアン効果の有無を判断し、ソフトアイアン効果が生じていないと判断される場合には、楕円補正を行うことなく地磁気Bgの向きを算出する。これにより、本実施形態に係る地磁気測定装置は、地磁気Bgの向きの算出に係る計算負荷を大幅に低減することが可能となる。
Thus, the first distortion determination process evaluates the degree of difference in shape between the solid SD and the spherical surface that have the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity. If the difference in shape between the solid SD and the spherical surface is small enough to be ignored, the solid SD can be regarded as a spherical surface. Therefore, a vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S is set as an offset c OFF. Can be adopted. In this case, since it can be considered that the soft iron effect does not occur, the ellipse correction (initial ellipsoid generation processing, optimum ellipsoid generation processing, and ellipsoid spherical transformation processing) shown in steps S6 to S8 is performed. Without doing so, the direction of the geomagnetism Bg can be calculated.
That is, the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment determines the presence or absence of the soft iron effect by performing the first distortion determination process, and if it is determined that the soft iron effect does not occur, the ellipse correction is performed. The direction of the geomagnetism Bg is calculated without performing it. Thereby, the geomagnetism measuring apparatus according to the present embodiment can greatly reduce the calculation load related to the calculation of the direction of the geomagnetism Bg.

なお、本実施形態では、歪評価値g(E)が歪許容値δ以下である場合に、オフセット採用部610aは、球面Sの中心点cの座標を表すベクトルをオフセットcOFFとして採用するが、球面Sの中心点cS2の座標を表すベクトルをオフセットcOFFとして採用してもよい。歪評価値g(E)の値が閾値δ以下である場合には、球面Sの中心点cの示す座標と、球面Sの中心点cS2の示す座標とは、ほぼ等しくなり、いずれもオフセットcOFFとして採用することができるからである。
なお、球面Sの中心点cS2の座標は、関数gSD(e)を最小化する解eのうち式(101)のeに相当する3次元のベクトルを、式(102)に代入した場合の、変数ベクトルcとして算出される。
In the present embodiment, when the strain evaluation value g D (E) is equal to or less than the strain allowable value δ 0 , the offset adopting unit 610a sets the vector representing the coordinates of the center point c S of the spherical surface S as the offset c OFF. is adopted, the vector may be adopted as the offset c OFF the representative of the coordinates of the center point c S2 spherical S 2. When the value of the strain evaluation value g D (E) is equal to or less than the threshold value δ 0 , the coordinates indicated by the center point c S of the spherical surface S and the coordinates indicated by the center point c S2 of the spherical surface S 2 are substantially equal. This is because any of them can be adopted as the offset c OFF .
Note that the coordinates of the center point c S2 of the spherical surface S 2 are the three-dimensional vectors corresponding to e X in the equation (101) among the solutions e 0 that minimize the function g SD (e) in the equation (102). When substituted, it is calculated as a variable vector c.

[11.2. 第2の歪判定処理]
図25を参照しつつ、ステップS9において、歪判定部900が行う第2の歪判定処理について説明する。
第2の歪判定処理は、ステップS5における第1の歪判定処理における判定結果が否定である場合、すなわち、図25(A)に示すように、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が球面とは異なる歪んだ形状であると判定された場合に、図25(B)に示すように、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標の分布形状を評価するための処理である。すなわち、第2の歪判定処理において、歪判定部900は、複数の入力座標として、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を用いる。
[11.2. Second distortion determination process]
The second distortion determination process performed by the distortion determination unit 900 in step S9 will be described with reference to FIG.
In the second distortion determination process, when the determination result in the first distortion determination process in step S5 is negative, that is, as shown in FIG. 25A, coordinates indicated by a plurality of magnetic data q 1 to q N As shown in FIG. 25B, the coordinates of the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N are determined. This is a process for evaluating the distribution shape. That is, in the second distortion determination process, the distortion determination unit 900 uses the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N as the plurality of input coordinates.

第1の歪判定処理において、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が球面とは異なる歪んだ形状であると評価される場合、立体SDの歪の原因が、不均一な外部磁界Bxではなく、ソフトアイアン効果である場合がある。不均一な外部磁界Bxは存在せず、且つ、ソフトアイアン効果が生じている場合、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDは、楕円面Vと同一の形状を有すると看做すことができる。この場合、複数の磁気データq〜qの示す座標を、最適楕円面補正行列TOPにより変換して得られる複数の変換後磁気データs〜sの示す座標は、球面SEOP近傍に分布するため、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を近傍に有する立体SDの形状は、球面と看做すことができる。
逆に、不均一な外部磁界Bxが存在する場合、図25(A)に示すように、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDは、球面とは異なる歪んだ形状を有し、且つ、楕円面とも異なる形状を有する。この場合、複数の磁気データq〜qの示す座標を、最適楕円面補正行列TOPにより変換して得られる複数の変換後磁気データs〜sの示す座標は、図25(B)に示すように球面SEOPとは異なる歪んだ形状の立体SDの近傍に分布する。
In the first distortion determination process, when it is evaluated that the shape of the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is a distorted shape different from the spherical surface, the cause of the distortion of the solid SD However, there may be a soft iron effect instead of the non-uniform external magnetic field Bx. Inhomogeneous external magnetic field Bx is absent, and, if the soft iron effect occurs, stereo SD is having coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity, the same shape as the ellipsoid V E Can be considered as having In this case, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, coordinates indicated by the optimum ellipsoidal correction matrix T after multiple conversion obtained by converting the OP magnetic data s 1 ~s N, spherical S EOP vicinity to distribution, the shape of the three-dimensional SD E with coordinates indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N in the vicinity can be regarded as spherical.
Conversely, when there is a non-uniform external magnetic field Bx, as shown in FIG. 25A, the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is distorted differently from the spherical surface. It has a shape and a shape different from the elliptical surface. In this case, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N, coordinates indicated by the optimum ellipsoidal correction matrix T after multiple conversion obtained by converting the OP magnetic data s 1 ~s N, FIG. 25 (B distributed in the vicinity of the three-dimensional SD E of different distorted shape from the spherical S EOP as shown in).

このように、第2の歪判定処理は、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を近傍に有する立体SDの形状と球面(例えば、球面SEOP)の形状との相違の程度を評価することにより、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状と楕円面(例えば、楕円面V)の形状との相違の程度を評価する処理である。 Thus, the second strain determination process, the shape and spherical steric SD E with coordinates indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N near (e.g., spherical S EOP) differences between the shape of the In the process of evaluating the degree, the degree of difference between the shape of the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity and the shape of the ellipsoid (for example, the ellipse VE ) is evaluated. is there.

なお、第2の歪判定処理において、立体SDの形状が、球面の形状と等しいと看做すことができる場合、ソフトアイアン効果が生じているが、不均一な外部磁界Bxの影響は存在しないため、最適中心点cEOPの示す座標をオフセットcOFFとして採用することができる。
一方、図25(B)に示すように、第2の歪判定処理において、立体SDの形状が、球面の形状とは異なる歪を持った形状であると評価される場合、複数の磁気データq〜qは不均一な外部磁界Bxの影響を受けたものであるため、複数の磁気データq〜qに基づいてオフセットcOFFの算出をすることはできない。
In the second distortion determination process, the shape of the three-dimensional SD E, if it can be regarded as equal to the spherical shape, but soft iron effect is caused, the effect of non-uniform external magnetic field Bx present Therefore, the coordinates indicated by the optimum center point c EOP can be adopted as the offset c OFF .
On the other hand, as shown in FIG. 25 (B), in the second distortion determination process, the shape of the three-dimensional SD E, if the spherical shape is evaluated as a shape having a different strain, a plurality of magnetic data Since q 1 to q N are affected by the non-uniform external magnetic field Bx, the offset c OFF cannot be calculated based on the plurality of magnetic data q 1 to q N.

以下において、第2の歪判定処理の具体的な処理内容を説明する。
前述の通り、第2の歪判定処理は、歪判定処理に用いる複数の入力座標として、複数の磁気データq〜qの示す座標を用いる代わりに、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を用いる点を除いて、第1の歪判定処理と同様の処理である。つまり、第2の歪判定処理は、第1の歪判定処理で用いた複数の磁気データq〜qの示す座標に対して、以下の式(104)、式(105)に示す複数の変換後磁気データs〜sの示す座標の値を代入した後に、11.1節で述べた第1の歪判定処理を実行する処理である。
なお、歪判定処理で用いる値のうち、9節で述べた中心点算出処理において算出される値、例えば、式(83)に示す立体方程式に現れる行列X等も、複数の磁気データq〜qの示す座標代わりに、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を用いて算出される。例えば、式(74)に示す重心qには、以下の式(106)に示す、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標の重心sが代入されたうえで、第2の歪判定処理が行われる。これらの値の算出は中心点算出部800において行われるが、歪判定部900が行ってもよい。
また、基準点wKEには、中心点cの示す座標の代わりに、以下の式(107)に示す最適中心点cEOPの示す座標を代入して、第2の歪判定処理が行われる。
第2の歪判定処理は、このようにして複数の変換後磁気データs〜sの示す座標に基づいて定められる歪評価関数fSD(E、c)の値を最小化して求められる歪評価行列Eから歪評価値g(E)を算出することにより、立体SDと球面との形状の相違の程度を評価する。

Figure 0005866893
Hereinafter, specific processing contents of the second distortion determination processing will be described.
As described above, the second distortion determination process uses a plurality of converted magnetic data s 1 to s instead of using the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N as the plurality of input coordinates used for the distortion determination process. The process is the same as the first distortion determination process except that the coordinates indicated by N are used. That is, the second distortion determination process is performed with respect to the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N used in the first distortion determination process, by a plurality of expressions shown in the following expressions (104) and (105). This is a process of executing the first distortion determination process described in section 11.1 after substituting the coordinate values indicated by the converted magnetic data s 1 to s N.
Of the values used in the distortion determination process, the values calculated in the center point calculation process described in Section 9, such as the matrix X appearing in the solid equation shown in Expression (83), are also included in the plurality of magnetic data q 1 to Instead of the coordinates indicated by q N , the calculation is performed using the coordinates indicated by the plurality of post-conversion magnetic data s 1 to s N. For example, after the center of gravity s C of the coordinates indicated by the plurality of post-conversion magnetic data s 1 to s N shown in the following equation (106) is substituted into the center of gravity q C shown in equation (74), the second The distortion determination process is performed. The calculation of these values is performed by the center point calculation unit 800, but may be performed by the distortion determination unit 900.
Further, the second distortion determination process is performed by substituting the coordinates indicated by the optimum center point c EOP shown in the following equation (107) in place of the coordinates indicated by the center point c S for the reference point w KE. .
In the second strain determination process, the strain obtained by minimizing the value of the strain evaluation function f SD (E, c) determined based on the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N in this way. by the evaluation matrix E calculates a distortion evaluation value g D (E), to assess the degree of difference in the shape of a three-dimensional SD E and spherical.
Figure 0005866893

複数の変換後磁気データs〜sの示す座標に基づき算出された歪評価値g(E)が歪許容値δ以下である場合、ソフトアイアン効果が生じているが、不均一な外部磁界Bxの影響は存在しないため、地磁気測定装置は、処理をステップS10のオフセット採用処理に進め、最適中心点cEOPの座標を表すベクトルを、オフセットcOFFとして採用する。前述の通り、第2の歪判定処理における球面Sの中心点cS2の座標を表すベクトルをオフセットcOFFとして採用してもよい。
一方、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標に基づき算出された歪評価値g(E)が歪許容値δよりも大きな値である場合、不均一な外部磁界Bxの影響が存在するため、地磁気測定装置は、処理をステップS1の初期化処理に戻し、球面SEOPの最適中心点cEOPの座標を表すベクトルが、オフセットcOFFとして採用されることを防止する。
なお、本実施形態において、第1の歪判定処理における歪許容値δと、第2の歪判定処理における歪許容値δとは等しい値に設定されるが、異なる値に設定してもよい。
When the strain evaluation value g D (E) calculated based on the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N is equal to or less than the strain allowable value δ 0 , the soft iron effect is generated, but is not uniform. Since there is no influence of the external magnetic field Bx, the geomagnetism measuring apparatus advances the processing to the offset adoption processing in step S10, and adopts a vector representing the coordinates of the optimum center point c EOP as the offset c OFF . As described above, a vector representing the coordinates of the second center point c S2 of the spherical S 2 in the distortion determination process may be adopted as the offset c OFF.
On the other hand, when the strain evaluation value g D (E) calculated based on the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N is larger than the strain allowable value δ 0 , the non-uniform external magnetic field Bx Since there is an influence, the geomagnetism measuring apparatus returns the process to the initialization process of step S1, and prevents the vector representing the coordinates of the optimum center point c EOP of the spherical surface S EOP from being adopted as the offset c OFF .
In the present embodiment, a distortion allowable value [delta] 0 in the first distortion determining process, but is set to a value equal to the distortion tolerance [delta] 0 in the second distortion determination process, it is set to different values Good.

[12. 第2実施形態の結論]
以上に示したように、第2実施形態に係る地磁気測定装置は、歪判定部900を備えることにより、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDと球面との形状の相違の程度を評価する。
そして、立体SDの形状が球面と看做すことができる場合、簡易な計算により地磁気Bgの向きを算出することができる。具体的には、第2実施形態に係る地磁気測定装置は、複数の磁気データq〜qの示す座標が球面近傍に分布すると歪判定部900が判定した場合、中心点算出部800が算出する中心点cの座標を表すベクトルを、オフセットcOFFとして採用する。そして、地磁気測定装置は、中心点cの示す座標と、磁気データqの示す座標とに基づいて、地磁気Bgの向きを算出する。
このように、第2実施形態に係る地磁気測定装置は、3次元磁気センサ60が軟磁性材料を備えない機器1aに搭載され、ソフトアイアン効果が生じていない場合には、楕円補正を行うこと無く地磁気Bgの向きを算出するため、計算負荷を軽減することができる。
[12. Conclusion of Second Embodiment]
As described above, the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment includes the distortion determination unit 900, so that the shape of the solid SD and the spherical surface having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N nearby. Assess the degree of difference.
When the shape of the solid SD can be regarded as a spherical surface, the direction of the geomagnetism Bg can be calculated by simple calculation. Specifically, in the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment, when the strain determination unit 900 determines that the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed near the spherical surface, the center point calculation unit 800 calculates the coordinates. A vector representing the coordinates of the center point c S to be used is adopted as the offset c OFF . Then, the geomagnetism measuring device calculates the direction of the geomagnetism Bg based on the coordinates indicated by the center point c S and the coordinates indicated by the magnetic data q i .
As described above, in the geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment, when the three-dimensional magnetic sensor 60 is mounted on the device 1a not including the soft magnetic material and the soft iron effect is not generated, the ellipse correction is not performed. Since the direction of the geomagnetism Bg is calculated, the calculation load can be reduced.

また、第2実施形態に係る地磁気測定装置は、楕円面補正部200、楕円面球面変換部500、及び歪判定部900を備える。そして、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が球面とは異なる歪んだ形状であると歪判定部900が判定した場合に、歪判定部900は、楕円面球面変換部500の算出する複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を近傍に有する立体SDと球面との形状の相違の程度を評価することで、立体SDの歪の原因が、ソフトアイアン効果によるものであるのか、または、不均一な外部磁界Bxによるものであるのか、を区別する。
そして、立体SDの形状が球面とは異なる歪んだ形状である場合、つまり、立体SDの歪の原因が不均一な外部磁界Bxである場合には、地磁気測定装置は、不均一な外部磁界Bxの影響下で測定された複数の磁気データq〜qの示す座標に基づいてオフセットcOFFが算出されることを防止する。
一方、立体SDの形状が球面であると看做せる場合、つまり、ソフトアイアン効果が生じており、且つ、不均一な外部磁界Bxの影響がない場合、地磁気測定装置は、最適中心点cEOPの示す座標、最適楕円面補正行列TOP、及び、3次元磁気センサ60の出力する磁気データqの示す座標に基づいて、地磁気Bgの向きを算出する。
このように、楕円面補正部200、楕円面球面変換部500、及び歪判定部900は、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDが、球面、楕円面、及び、球面とも楕円面とも異なる歪んだ形状の立体のいずれであるかを判別する、歪形状判断部4として機能し、不正確なオフセットcOFFによる不正確な地磁気Bgの算出を防止することができる。
The geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment includes an ellipsoid correction unit 200, an ellipsoid spherical surface conversion unit 500, and a distortion determination unit 900. When the distortion determination unit 900 determines that the shape of the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is a distorted shape different from the spherical surface, the distortion determination unit 900 by evaluating the degree of difference in the shape of a three-dimensional SD E spherical having a coordinate indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N to calculate the surface spherical conversion unit 500 in the vicinity, causing steric SD distortion Is caused by the soft iron effect or by the non-uniform external magnetic field Bx.
When the shape of the solid SD E is a distorted shape different from the spherical surface, that is, when the cause of the distortion of the solid SD is the non-uniform external magnetic field Bx, the geomagnetism measuring apparatus uses the non-uniform external magnetic field. The offset c OFF is prevented from being calculated based on the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N measured under the influence of Bx.
On the other hand, when the shape of the three-dimensional SD E is that regarded as a spherical, i.e., has occurred soft iron effect, and, if there is no influence of non-uniform external magnetic fields Bx, geomagnetism measuring apparatus, the optimum center point c The direction of the geomagnetism Bg is calculated based on the coordinates indicated by EOP , the optimum ellipsoidal correction matrix T OP , and the coordinates indicated by the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60.
Thus, ellipsoid correction unit 200, ellipsoidal spherical conversion unit 500 and the distortion determination section 900, the three-dimensional SD with coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity, spherical, ellipsoidal, and It functions as the distorted shape determining unit 4 that determines which of the three-dimensional shapes is different from the spherical surface and the elliptical surface, and can prevent inaccurate calculation of the geomagnetism Bg due to an inaccurate offset c OFF. .

また、第2実施形態に係る地磁気測定装置は、分布判定部700を備えることにより、複数の磁気データq〜qの示す座標が、センサ座標系Σにおいて3次元的な広がりを有して分布しているか否かを判定することができる。これにより、複数の磁気データq〜qの示す座標が2次元的または1次元的に分布している場合に、中心点算出部800が中心点cの示す座標を算出することを防止でき、不正確な中心点cをオフセットcOFFとして採用することを防止できる。
また、複数の磁気データq〜qの示す座標が2次元的または1次元的に分布している場合に、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状から、楕円面の形状を特定することが困難であることが多い。従って、このような場合に、楕円面補正部200が、楕円補正を行うことを防止する。
Further, geomagnetism measuring apparatus according to the second embodiment is provided with the distribution determining unit 700, a coordinate indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N has a three-dimensional expanse in the sensor coordinate system sigma S It is possible to determine whether or not they are distributed. This prevents the center point calculation unit 800 from calculating the coordinates indicated by the center point c S when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are two-dimensionally or one-dimensionally distributed. It is possible to prevent the inaccurate center point c S from being adopted as the offset c OFF .
In addition, when the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N are distributed two-dimensionally or one-dimensionally, an elliptical surface is obtained from the shape of the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. It is often difficult to specify the shape of the. Accordingly, in such a case, the ellipsoid correction unit 200 is prevented from performing ellipse correction.

<C.変形例>
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下の変形が可能である。また、以下に示す変形例のうちの2以上の変形例を、矛盾しない範囲で適宜組み合わせることもできる。
<C. Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the following modifications are possible. Also, two or more of the modifications shown below can be appropriately combined within a consistent range.

(1)変形例1
上述した実施形態において、歪誤差ベクトルk(E)に用いられる基準点wKEには、式(89)に示した中心点c、または式(107)に示した最適中心点cEOPが採用されるが、本発明はこのような形態に限定されるものでは無く、基準点wKEとして、式(74)に示した重心q、または式(106)に示した重心sを採用してもよい。
歪評価行列Eの各成分は、基準点wKEの示す座標から見て、歪評価行列Eの最大固有値λE1に対応する固有ベクトルuE1の方向と、球面Sからの誤差が大きな磁気データq(または、変換後磁気データs)が多く存在する領域を示す方向とが、近づくように定められる。また、歪評価行列Eの最大固有値λE1は、基準点wKEから見て、固有ベクトルuE1の方向に存在する磁気データq(または、変換後磁気データs)の示す座標と球面Sとの誤差の大きさを表す値となる。
従って、基準点wKEをどのような値に設定しても、複数の磁気データq〜q(または複数の変換後磁気データs〜s)の示す座標が、基準点wKEから見て広く分布している場合には、歪評価行列Eによって、立体SD(または立体SD)と球面Sとの形状の相違の程度を評価することが可能となる。
(1) Modification 1
In the above-described embodiment, the center point c S shown in the equation (89) or the optimum center point c EOP shown in the equation (107) is adopted as the reference point w KE used for the distortion error vector k (E). However, the present invention is not limited to such a form, and the center of gravity q C shown in Expression (74) or the center of gravity s C shown in Expression (106) is adopted as the reference point w KE. May be.
Each component of the distortion evaluation matrix E, when viewed from the coordinates indicated by the reference point w KE, the direction of the eigenvector u E1 corresponding to the largest eigenvalue lambda E1 distortion evaluation matrix E, an error is large magnetic data q from spherical S 2 A direction indicating a region where i (or converted magnetic data s i ) is present is determined so as to approach. In addition, the maximum eigenvalue λ E1 of the distortion evaluation matrix E is the coordinates of the magnetic data q i (or converted magnetic data s i ) present in the direction of the eigenvector u E1 and the spherical surface S 2 when viewed from the reference point w KE. Is a value representing the magnitude of the error.
Thus, setting the reference point w KE to any value, the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N (or more converted magnetic data s 1 ~s N), from the reference point w KE In the case of wide distribution as seen, it is possible to evaluate the degree of difference in shape between the solid SD (or solid SD E ) and the spherical surface S 2 by the distortion evaluation matrix E.

(2)変形例2
上述した実施形態及び変形例において、第1の歪判定処理及び第2の歪判定処理は、いずれも、1つの基準点wKEを用いた歪誤差ベクトルk(E)に基づいて算出される歪評価値g(E)により、立体SD(または立体SD)と球面との形状の相違の程度を評価するが、本発明はこのような形態に限定されるものではなく、2つの基準点wKEを用いて算出される異なる2つの歪誤差ベクトルk(E)により、2つの歪評価値g(E)を算出して、立体SD(または立体SD)と球面との形状の相違の程度を評価してもよい。
例えば、第2の歪判定処理において、まず、最適中心点cEOPを基準点wKEに採用して算出された歪評価値g(E)に基づいて立体SDと球面との形状の相違の程度を評価し、その後、重心sを基準点wKEに採用して算出された歪評価値g(E)に基づいて立体SDと球面との形状の相違の程度を評価してもよい。この場合、2度の評価の両方において、立体SDの形状が球面の形状と看做すことができる場合に、歪判定処理の結果を肯定としてもよい。
このように、2つの基準点wKEを用いて、複数の磁気データq〜q(または、複数の変換後磁気データs〜s)の示す座標と球面Sとの誤差の大きさを評価することにより、1つの基準点wKEのみを用いる場合に比べて、立体SD(または、立体SD)と球面との形状の相違の程度を正確に評価することができる。
(2) Modification 2
In the embodiment and the modification described above, both the first distortion determination process and the second distortion determination process are distortions calculated based on a distortion error vector k (E) using one reference point w KE. Although the degree of difference in shape between the solid SD (or solid SD E ) and the spherical surface is evaluated by the evaluation value g D (E), the present invention is not limited to such a form, and two reference points Two distortion evaluation values g D (E) are calculated from two different distortion error vectors k (E) calculated using w KE , and the difference in shape between the solid SD (or the solid SD E ) and the spherical surface is calculated. May be evaluated.
For example, the second distortion determination process, first, the difference in shape of the three-dimensional SD E and the spherical based on the optimum center point c distortion evaluation value was calculated employing the reference point w KE the EOP g D (E) After that, the degree of difference in shape between the solid SD E and the spherical surface is evaluated based on the distortion evaluation value g D (E) calculated by adopting the center of gravity s C as the reference point w KE. Also good. In this case, in both of twice evaluation, if the shape of the three-dimensional SD E can be regarded as a spherical shape, it may be positive results of the distortion determination process.
In this way, using two reference points w KE , the magnitude of the error between the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N (or the plurality of converted magnetic data s 1 to s N ) and the spherical surface S 2. By evaluating the height , the degree of difference in shape between the solid SD (or the solid SD E ) and the spherical surface can be accurately evaluated as compared with the case where only one reference point w KE is used.

(3)変形例3
上述した実施形態及び変形例において、地磁気測定装置は、第1の歪判定処理(ステップS5)及び第2の歪判定処理(ステップS9)の双方を行うが、本発明はこのような形態に限定されるものでは無く、第1の歪判定処理または第2の歪判定処理のうち、一方のみを実施してもよい。
例えば、地磁気測定装置が、第1の歪判定処理のみを行う場合、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が、球面と看做すことができるか否かを判定することができるため、ソフトアイアン効果が生じているか否かを判定することができる。そして、ソフトアイアン効果が生じていない場合には、楕円面補正部200による楕円補正を行うこと無く、3次元磁気センサ60が出力する磁気データqの示す座標と、中心点算出部800の算出する球面Sの中心点cの示す座標とにより地磁気Bgの向きを算出することができるため、計算負荷の低減が可能となる。
(3) Modification 3
In the embodiment and the modification described above, the geomagnetism measuring apparatus performs both the first distortion determination process (step S5) and the second distortion determination process (step S9), but the present invention is limited to such a form. However, only one of the first distortion determination process and the second distortion determination process may be performed.
For example, when the geomagnetism measuring apparatus performs only the first strain determination process, whether or not the shape of the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N can be regarded as a spherical surface. Therefore, it is possible to determine whether or not the soft iron effect has occurred. When the soft iron effect does not occur, the coordinates indicated by the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60 and the calculation of the center point calculation unit 800 are performed without performing ellipse correction by the ellipsoidal surface correction unit 200. Since the direction of the geomagnetism Bg can be calculated from the coordinates indicated by the center point c S of the spherical surface S, the calculation load can be reduced.

また、例えば、地磁気測定装置が、第2の歪判定処理のみを行う場合、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を近傍に有する立体SDの形状が、球面と看做すことができるかを判定することができる。
そして、第2の歪判定処理における判定結果が肯定である場合、複数の磁気データq〜qの示す座標を近傍に有する立体SDの形状は、楕円面と看做すことができるため、3次元磁気センサ60が出力する磁気データqの示す座標、最適楕円面補正行列TOP、及び、最適中心点cEOPに基づいて、地磁気Bgの向きを算出することができる。なお、楕円面には球面が含まれるため(例えば、楕円面補正行列Tの有する3つの固有値が全て1の場合、等)、ソフトアイアン効果の発生の有無にかかわらず、地磁気Bgの向きを算出することができる。
一方、第2の歪判定処理における判定結果が否定である場合、複数の磁気データq〜qは不均一な外部磁界Bxの影響を受けているため、地磁気測定装置は、オフセットcOFF及び地磁気Bgの向きの算出を防止する。
Further, for example, a geomagnetic measuring device, when performing only the second distortion determination process, the shape of the three-dimensional SD E with coordinates indicated by the plurality of the converted magnetic data s 1 ~s N near spherical and regarded Can be determined.
When the determination result in the second distortion determination process is affirmative, the shape of the solid SD having the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N in the vicinity can be regarded as an ellipsoid, The direction of the geomagnetism Bg can be calculated based on the coordinates indicated by the magnetic data q i output from the three-dimensional magnetic sensor 60, the optimum ellipsoid correction matrix T OP , and the optimum center point c EOP . Incidentally, since the ellipsoidal include spherical (for example, if three eigenvalues having the ellipsoidal correction matrix T E are all 1, etc.), regardless of the occurrence of soft iron effect, the orientation of the geomagnetic Bg Can be calculated.
On the other hand, when the determination result in the second distortion determination process is negative, the plurality of magnetic data q 1 to q N are affected by the non-uniform external magnetic field Bx, and therefore the geomagnetism measuring apparatus has the offset c OFF and Calculation of the direction of geomagnetism Bg is prevented.

(4)変形例4
上述した実施形態及び変形例において、地磁気測定装置は、楕円面最適補正値生成部400を備え、最適楕円面補正行列TOP及び最適中心点cEOPに基づいて、磁気データqの示す座標を、変換後磁気データsの示す座標へと変換する楕円補正を行うが、本発明はこのような形態に限定されるものでは無く、地磁気測定装置が、楕円面最適補正値生成部400を備えずに構成されてもよい。この場合、地磁気測定装置(地磁気算出部600または地磁気算出部600a)は、楕円面初期補正値生成部300が生成する初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0の座標を、楕円面補正行列T及びオフセットcOFFとして採用して、楕円補正を行ってもよい。この場合、地磁気測定装置は、最適楕円面生成処理を行わないため、地磁気Bgの算出に係る計算負荷を低減することができる。
なお、楕円面初期補正値生成部300は、空間Ω上の第1評価軸ξ、第2評価軸ξ、及び、第3評価軸ξの3つの異なる評価軸を用いて、3つの異なる楕円面を生成した後に、これらの3つの楕円面の中心点の相互間の距離が第1閾値Δc以下であるか否かを判定し、判定結果が肯定となる場合に限り、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を生成する。従って、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0により表される初期楕円面VE0は、複数の磁気データq〜qの示す座標との誤差を最小化する楕円面ではないが、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布形状を正確に表す。すなわち、初期楕円面補正行列T及び初期中心点cE0を用いた楕円補正により、正確な地磁気Bgの向きを算出することができる。
(4) Modification 4
In the embodiments and modifications described above, the geomagnetic measurement device comprises a ellipsoidal optimum correction value generation unit 400, based on the optimum ellipsoidal correction matrix T OP and the optimum center point c EOP, the coordinates indicated by the magnetic data q i The ellipse correction to be converted into the coordinates indicated by the converted magnetic data s i is performed, but the present invention is not limited to such a form, and the geomagnetism measuring apparatus includes the ellipsoidal optimal correction value generation unit 400. It may be configured without. In this case, the geomagnetic measurement device (geomagnetism calculation unit 600 or the geomagnetism calculation unit 600a), the coordinates of the initial ellipsoidal correction matrix T 0 and the initial center point c E0 generated by the ellipsoid initial correction value generation unit 300, ellipsoidal correction Ellipse correction may be performed by employing the matrix T E and the offset c OFF . In this case, since the geomagnetism measuring apparatus does not perform the optimal ellipsoidal surface generation process, it is possible to reduce the calculation load related to the calculation of the geomagnetism Bg.
Note that the ellipsoid initial correction value generation unit 300 uses three different evaluation axes, ie, a first evaluation axis ξ 1 , a second evaluation axis ξ 2 , and a third evaluation axis ξ 3 on the space Ω. After generating different ellipsoids, it is determined whether or not the distance between the center points of these three ellipsoids is equal to or smaller than the first threshold value Δc, and only when the determination result is affirmative, the initial ellipsoid A correction matrix T 0 and an initial center point c E0 are generated. Therefore, the initial ellipsoid V EO represented by the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 is not an ellipsoid that minimizes an error from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. The distribution shape of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N is accurately represented. That is, an accurate geomagnetic Bg direction can be calculated by ellipse correction using the initial ellipsoid correction matrix T 0 and the initial center point c E0 .

(5)変形例5
上述した実施形態及び変形例において、地磁気測定装置は、第2の歪判定処理に用いられる複数の入力座標として、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を適用したが、本発明はこのような形態に限定されるものでは無く、複数の変換後磁気データs〜sの示す座標を最適中心点cEOPを起点として表した複数のベクトル、すなわち、ベクトル(s−cEOP)〜ベクトル(s−cEOP)を複数の入力座標に適用してもよい。この場合、歪判定処理に用いられるデータのサイズを小さくすることができ、処理に必要なメモリのサイズの節約をすると共に、処理速度を向上させるという利点を有する。
(5) Modification 5
In the embodiment and the modification described above, the geomagnetism measurement apparatus applies the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N as the plurality of input coordinates used for the second distortion determination processing. Is not limited to such a form, and a plurality of vectors in which the coordinates indicated by the plurality of converted magnetic data s 1 to s N are represented with the optimum center point c EOP as a starting point, that is, a vector (s 1 −c EOP ) to vector (s N -c EOP ) may be applied to a plurality of input coordinates. In this case, it is possible to reduce the size of data used for the distortion determination process, which has the advantage of saving the memory size necessary for the process and improving the processing speed.

(6)変形例6
上述した実施形態及び変形例において、初期楕円面生成部310は、3つの楕円面(第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzz)の各々の係数行列及び中心点の座標を算出するものであったが、本発明はこのような形態に限定されるものでは無く、初期楕円面生成部310は、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち、2つの楕円面の各々の係数行列及び中心点の座標を算出するものであってもよい。この場合、初期楕円面生成部310は、第1楕円面生成部311、第2楕円面生成部312、及び第3楕円面生成部313のうち、少なくとも2つを備えればよい。
図13において説明したように、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち2つの楕円面の形状の相違の程度(具体的には、2つの楕円面の2つの中心点間の距離)を評価することにより、複数の磁気データq〜qの示す座標から楕円面の形状を特定することが困難な場合であるか否かを把握することが可能である。従って、初期楕円面生成部310が、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち、少なくとも2つの楕円面各々の係数行列及び中心点の座標を算出すれば、不適切な初期楕円面補正行列Tが生成されることを防止することができる。また、初期楕円面生成部310が2つの楕円面各々の係数行列及び中心点の座標を算出する場合、3つの楕円面各々の係数行列及び中心点の座標を算出する場合に比べて、計算負荷の軽減が可能となる。
なお、初期楕円面生成部310が2つの楕円面の各々の係数行列及び中心点の座標を算出する場合、初期補正値生成部330は、当該2つの楕円面のうち、少なくとも1つの楕円面の係数行列に基づいて初期楕円面補正行列Tを算出すればよい。同様に、初期補正値生成部330は、当該2つの楕円面のうち、少なくとも1つの楕円面の中心点に基づいて、初期中心点cE0の座標を算出すればよい。
(6) Modification 6
In the embodiment and the modification described above, the initial ellipsoid generation unit 310 includes the coefficient matrix of each of the three ellipsoids (the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , and the third ellipse V zz ), and Although the coordinates of the center point are calculated, the present invention is not limited to such a form, and the initial ellipsoid generation unit 310 includes the first ellipsoid V xx , the second ellipse V yy , In addition, the coefficient matrix and the coordinates of the center point of each of the two ellipsoids of the third ellipsoid Vzz may be calculated. In this case, the initial elliptical surface generation unit 310 may include at least two of the first elliptical surface generation unit 311, the second elliptical surface generation unit 312, and the third elliptical surface generation unit 313.
As described with reference to FIG. 13, the degree of difference in shape between two ellipsoidal surfaces among the first ellipsoidal surface V xx , the second ellipsoidal surface V yy , and the third ellipsoidal surface V zz (specifically, two ellipsoidal surfaces By evaluating the distance between two center points of the surface, it is possible to grasp whether or not it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N Is possible. Therefore, the initial ellipsoid generation unit 310 calculates the coefficient matrix and the coordinates of the center point of each of at least two ellipsoids among the first ellipsoid Vxx , the second ellipse Vyy , and the third ellipse Vzz. if, it is possible to prevent the improper initial ellipsoidal correction matrix T 0 is generated. Further, when the initial ellipsoid generation unit 310 calculates the coefficient matrix and center point coordinates of each of the two ellipsoids, the calculation load is larger than when the coefficient matrix and center point coordinates of each of the three ellipsoids are calculated. Can be reduced.
Note that when the initial ellipsoid generation unit 310 calculates the coordinates of the coefficient matrix and the center point of each of the two ellipsoids, the initial correction value generation unit 330 selects at least one ellipsoid of the two ellipsoids. The initial ellipsoid correction matrix T 0 may be calculated based on the coefficient matrix. Similarly, the initial correction value generation unit 330 may calculate the coordinates of the initial center point cE0 based on the center point of at least one of the two ellipsoidal surfaces.

(7)変形例7
上述した実施形態及び変形例において、初期楕円面中心点判定部322は、中心点cxx、中心点cyy、及び中心点czzの3つの中心点の相互間の距離の全てが、第1閾値Δc以下であるか否か(第2の条件を充足するか否か)を判定するものであるが、本発明はこのような判定の方法に限定されるものでは無く、初期楕円面中心点判定部322は、中心点cxx、中心点cyy、及び中心点czzのうち2つの中心点間の距離が、第1閾値Δc以下であるか否かを判定するものであってもよい。
例えば、変形例6のように、初期楕円面生成部310が、第1楕円面Vxx、第2楕円面Vyy、及び第3楕円面Vzzのうち、2つの楕円面(例えは、第1楕円面Vxx及び第2楕円面Vyy)の各々の中心点(例えば、中心点cxx及び中心点cyy)の座標を算出する場合、初期楕円面中心点判定部322は、当該2つの中心点cxx及びcyyの間の距離が、第1閾値Δc以下であるか否かを判定するものであってもよい。
このような判定によっても、複数の磁気データq〜qの示す座標の分布の形状から楕円面の形状を特定することが困難な場合であるか否かを把握することが可能であり、不適切な初期楕円面補正行列Tが生成されることを防止することができる。
(7) Modification 7
In the embodiment and the modification described above, the initial ellipsoid center point determination unit 322 determines that the distances between the three center points of the center point c xx , the center point c yy , and the center point c zz are all the first distances. It is determined whether or not the threshold value Δc is equal to or less than the threshold value Δc (whether or not the second condition is satisfied). However, the present invention is not limited to such a determination method, and the initial ellipsoidal center point is determined. The determination unit 322 may determine whether the distance between two center points among the center point c xx , the center point c yy , and the center point c zz is equal to or less than the first threshold value Δc. .
For example, as in the sixth modification, the initial ellipsoid generation unit 310 has two ellipsoids (for example, the first ellipsoid Vxx , the second ellipsoid Vyy , and the third ellipsoid Vzz ) When calculating the coordinates of the center points (for example, the center point c xx and the center point c yy ) of each of the 1 ellipse surface V xx and the second ellipsoid surface V yy ), the initial ellipsoid surface center point determination unit 322 includes the 2 It may be determined whether the distance between the two center points c xx and c yy is equal to or less than the first threshold value Δc.
Even with such a determination, it is possible to determine whether or not it is difficult to specify the shape of the ellipsoid from the shape of the distribution of coordinates indicated by the plurality of magnetic data q 1 to q N. Inappropriate initial ellipsoid correction matrix T 0 can be prevented from being generated.

1…機器、60…3次元磁気センサ、Bg…地磁気、Bi…内部磁界、Bx…外部磁界、Bm…着磁磁界、q…磁気データ、s…変換後磁気データ、21…軟磁性材料、2…部品、T…楕円面補正行列、cOFF…オフセット、200…楕円面補正部、300…楕円面初期補正値生成部、400…楕円面最適補正値生成部、T…初期楕円面補正行列、cE0…初期中心点、TOP…最適楕円面補正行列、cEOP…最適中心点、310…初期楕円面生成部、320…初期楕円面判定部、330…初期補正値生成部、c…変数ベクトル、T…変数行列、800…中心点算出部、900…歪判定部、c…中心点。
1 ... apparatus, 60 ... three-dimensional magnetic sensor, Bg ... geomagnetism, Bi ... internal magnetic field, Bx ... external magnetic field, Bm ... magnetizing field, q i ... magnetic data, s i ... converted magnetic data, 21 ... soft magnetic material , 2 ... component, T E ... ellipsoidal correction matrix, c OFF ... offset, 200 ... ellipsoid correction unit, 300 ... ellipsoidal initial correction value generation unit, 400 ... ellipsoidal optimum correction value generation unit, T 0 ... initial ellipse Surface correction matrix, cE0 : initial center point, TOP : optimal elliptical surface correction matrix, cEOP : optimal centerpoint , 310 ... initial elliptical surface generation unit, 320 ... initial elliptical surface determination unit, 330 ... initial correction value generation unit , c ... variable vector, T ... matrixes, 800 ... center point calculating unit, 900 ... distortion determination unit, c S ... center point.

Claims (4)

軟磁性材料を有する部品を備えた機器に組み込まれ、互いに直交する第1軸、第2軸、及び第3軸の3方向の磁気成分であって前記軟磁性材料が生じる磁界に影響された磁気成分をそれぞれ検出し、検出結果を3軸の座標系におけるベクトルデータである磁気データとして順次出力する3次元磁気センサと
前記3次元磁気センサが出力する複数の磁気データを取得し、取得した前記複数の磁気データに基づいて、前記3軸の座標系において、互いに形状の異なる一の楕円面及び他の楕円面の各々の中心点の座標を算出する初期楕円面生成部と、
前記一の楕円面の中心点及び他の楕円面の中心点の距離が、第1閾値以下であるか否かを判定する、初期楕円面中心点判定部と、
前記初期楕円面中心点判定部の判定結果が肯定である場合、
前記一の楕円面及び前記他の楕円面のうち少なくとも1つの楕円面を球面形状に変換する初期楕円面補正行列を算出する初期補正値生成部と、
を備えることを特徴とする地磁気測定装置。
A magnetic component that is incorporated in a device having a component having a soft magnetic material and is affected by a magnetic field generated by the soft magnetic material, which is a magnetic component in three directions of the first axis, the second axis, and the third axis orthogonal to each other. A three-dimensional magnetic sensor that detects each component and sequentially outputs the detection result as magnetic data that is vector data in a three-axis coordinate system ;
A plurality of magnetic data output by the three-dimensional magnetic sensor is acquired, and each of one ellipsoid and another ellipsoid having different shapes in the three-axis coordinate system based on the acquired plurality of magnetic data An initial ellipsoid generator that calculates the coordinates of the center point of
An initial ellipsoid center point determination unit that determines whether a distance between the center point of the one ellipsoid and the center point of the other ellipsoid is equal to or less than a first threshold ;
When the determination result of the initial ellipsoid center point determination unit is affirmative,
An initial correction value generating unit that calculates an initial elliptical correction matrix that converts at least one of the ellipsoidal surface and the other ellipsoidal surface into a spherical shape;
Geomagnetism measuring device, characterized in that it comprises the.
前記初期楕円面生成部は、
前記3軸の座標系において、
前記第1軸成分の二乗を表す項、前記第2軸成分の二乗を表す項、及び前記第3軸成分の二乗を表す項を含む楕円面方程式のうち、
前記第1軸成分の二乗を表す項以外の項に前記複数の磁気データの各々の座標を代入して得られる値と、前記複数の磁気データの座標のうち前記第1軸成分の二乗値との誤差を最小化することで、前記一の楕円面の中心点の座標を算出する第1算出部と、
前記第2軸成分の二乗を表す項以外の項に前記複数の磁気データの各々の座標を代入して得られる値と、前記複数の磁気データの座標のうち前記第2軸成分の二乗値との誤差を最小化することで、前記他の楕円面の中心点の座標を算出する第2算出部と、
備えることを特徴とする、
請求項1に記載の地磁気測定装置。
The initial ellipsoid generator is
In the three-axis coordinate system,
Term representing the square of the first-axis component, term representing the square of the second shaft component, and out of the ellipsoidal equation includes a term representing the square of the third axis component,
A value obtained by substituting the coordinates of each of the plurality of magnetic data into terms other than the term representing the square of the first axis component, and the square value of the first axis component among the coordinates of the plurality of magnetic data ; , by minimizing the error of the first calculation unit for calculating the coordinates of the center point of the one ellipsoid,
A value obtained by substituting the coordinates of each of the plurality of magnetic data into a term other than a term representing the square of the second axis component, and a square value of the second axis component among the coordinates of the plurality of magnetic data ; , by minimizing the error of a second calculation unit for calculating the coordinates of the center point of the other ellipsoid,
Characterized in that it comprises a
The geomagnetic measurement apparatus according to claim 1.
前記3軸の座標系において、
変数ベクトルの示す座標を起点とするベクトルであって前記磁気データの座標を終点とするベクトルを第1ベクトルとし、
前記変数ベクトルの示す座標を起点とするベクトルであって前記第1ベクトルを変数行列により変換しベクトルを第2ベクトルとし、
前記第2ベクトルの終点の座標を表すデータを変換後データとし、
前記複数の磁気データに対応する複数の前記変換後データの各々の座標と、前記変数ベクトルの示す座標を中心とする球面との誤差を表し、前記変数行列の各成分と、前記変数ベクトルの各要素とを変数とする関数を、楕円面最適化関数とし、
前記楕円面最適化関数の変数の初期値として、前記初期楕円面補正行列の各成分と、前記少なくとも1つの楕円面の中心点の座標とを適用し、その後、前記楕円面最適化関数の変数の値を逐次更新することにより、前記楕円面最適化関数を最小化する解として、最適楕円面補正行列と、最適中心点の座標とを算出する、楕円面最適補正値生成部と、
前記3次元磁気センサから出力される磁気データの示す座標を終点とし前記最適中心点の座標を起点とするベクトルを、前記最適楕円面補正行列により変換することにより、地磁気の向きを算出する、地磁気算出部と、
を更に備えることを特徴とする、
請求項1または2に記載の地磁気測定装置。
In the three-axis coordinate system,
A vector starting from the coordinates indicated by the variable vector and starting from the coordinates of the magnetic data is defined as the first vector ,
The vector converted by the variable matrix said first vector a vector starting from the coordinates indicated by the variable vector and second vector,
Data representing the coordinates of the end point of the second vector is converted data,
Represents the error between the coordinates of each of the plurality of converted data corresponding to the plurality of magnetic data and the spherical surface centered on the coordinates indicated by the variable vector, each component of the variable matrix, and each variable vector A function whose elements are variables is an ellipsoidal optimization function ,
Applying each component of the initial ellipsoid correction matrix and the coordinates of the center point of the at least one ellipsoid as the initial value of the ellipsoid optimization function variable, and then the variable of the ellipsoid optimization function By sequentially updating the value of the ellipsoidal surface, an elliptical surface optimal correction value generating unit that calculates the optimal elliptical surface correction matrix and the coordinates of the optimal center point as a solution for minimizing the elliptical surface optimization function;
A geomagnetism direction is calculated by transforming a vector starting from the coordinates indicated by the magnetic data output from the three-dimensional magnetic sensor and starting from the coordinates of the optimum center point with the optimum ellipsoid correction matrix. A calculation unit;
Further comprising:
The geomagnetism measuring apparatus according to claim 1 or 2.
前記3次元磁気センサから出力される磁気データの示す座標を終点とし前記少なくとも1つの楕円面の中心点の座標を起点とするベクトルを、前記初期楕円面補正行列により変換することにより、地磁気の向きを算出する、地磁気算出部
を更に備えることを特徴とする、
請求項1または2に記載の地磁気測定装置。
By converting a vector starting from the coordinates indicated by the magnetic data output from the three-dimensional magnetic sensor and starting from the coordinates of the center point of the at least one ellipsoid by the initial ellipsoid correction matrix, Further comprising a geomagnetism calculation unit for calculating
The geomagnetism measuring apparatus according to claim 1 or 2.
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