JP5898418B2 - 低減メモリ要求を持つ３ｄ磁場較正用自動データ収集アルゴリズム - Google Patents

Description

[0001]磁気コンパスは、典型的には地球の磁場を歪ませ、それによりコンパスの精度を損なわせる他のコンポーネントと一体化される。これらの擾乱は通常、磁場の測定値を補正するための補償係数を決めるフィールド補償機構を使って補正される。補償係数の品質は、採取される磁場サンプルのデータセット次第であり、そのデータセットは、典型的にはサンプルの方位が十分にばらついた状態で３Ｄ空間に及ぶ。これらの方法は、データが収集される間いくつかの方位に向けてデバイスをしっかり持つこと、所定の方法でデバイスを移動させること、データを手動で選択することなど、退屈で時間のかかる作業をユーザが行うことを必要とする場合がある。典型的な埋め込み用途は、ユーザ入力のためのユーザインターフェイス要素をほとんど有さないので、データを手入力することは多くの場合厄介である。さらに、埋め込み用途では十分なデータサンプルを記憶するために大きなメモリ容量が要求される場合があり、そのような用途では、多くの場合、小さなサイズが少なくて貴重である。

[0002]一実施形態は、磁場の測定を行うための磁気計と、磁気コンパスを較正する処理ユニットとを含む、磁気コンパスを対象とする。その処理ユニットは、所定数の磁場サンプルを検査し、検査された磁場サンプルから較正係数を計算するように構成される。検査されるそれぞれの磁場サンプルは、検査される他の全ての磁場サンプルから少なくとも最小分離角度離れている。

デバイス内に統合された磁気コンパスの一実施形態のブロック図である。 磁場の硬化鉄擾乱を示すグラフである。 擾乱磁場の１組の例示的サンプルベクトルを示すグラフである。 磁場サンプルを検査する方法の一実施形態の流れ図である。 磁気コンパスを較正する方法の一実施形態の流れ図である。

[0008]様々な図面の中の同様の参照番号および記号表示は、同様の要素を示す。
[0009]本明細書に記載する諸実施形態は、磁気コンパスと一体化したデバイスおよびコンポーネントに起因する、地球の磁場における硬化鉄擾乱を補償するように磁気コンパスを較正する。一部の実施形態では、補償係数を計算するために、他の全てのサンプルから少なくとも最小分離角度離れた磁場のサンプルが使用される。一部の実施形態では、磁場の三次元スパンを確保するよう、最小分離角度およびサンプルの総数が予め定められる。

[0010]図１は、デバイス１００内に統合された磁気コンパス１２０の一実施形態のブロック図である。磁気コンパス１２０は、自らがさらされる磁場の測定を行い、デバイス１００に方向情報を提供する、少なくとも１つの磁気計１２２を含む。磁気コンパス１２０は、処理ユニット１０２およびメモリ１０４をさらに含む。図１に示す実施形態では、磁気コンパス１２０は、少なくとも１つの加速度計１２４も含む。デバイス１００は、機能回路１４２および表示デバイス１１０を含む。デバイス１００は、例えばナビゲーションデバイス、車両、他の任意の機器など、方向情報を使用する任意のシステムまたは機器である。機能回路１４２は、例えばナビゲーションや照準付けのために方向情報を使用する任意の回路である。デバイス１００の各コンポーネントは、適切なインターフェイスおよび相互接続を使用し、必要に応じて互いに通信結合される。

[0011]表示デバイス１１０は、例えば磁気コンパスの測定値を表示し、またはユーザ入力を要求する。表示デバイス１１０の諸実施形態には、デジタルディスプレイ、ＬＣＤモニタ、ＬＥＤディスプレイ等が含まれる。ユーザインターフェイス１４０が、表示デバイス１１０と一体化し、ユーザ入力用の物理ボタンまたは論理ボタンを備える。

[0012]図１に示す実施形態では、処理ユニット１０２によって実行されるソフトウェア１３２内に、較正ルーチン１３４および計算ルーチン１３３が実装される。ソフトウェア１３２は、適切な記憶デバイスまたは記憶媒体１３０上に記憶されるプログラム命令を含む。適切な記憶デバイスまたは記憶媒体１３０には、例として半導体メモリデバイス（消去可能プログラム可能読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリデバイスなど）、磁気ディスク（ローカルハードディスクやリムーバブルディスクなど）、および光ディスク（コンパクトディスク−読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）ディスクなど）が含まれる、例えば不揮発性メモリの諸形態が含まれる。さらに、この記憶デバイスまたは記憶媒体１３０は、デバイス１００にとってローカルである必要はない。一実施形態では、記憶デバイスまたは記憶媒体１３０が磁気コンパス１２０内に統合される。典型的には、処理ユニット１０２によって実行されるソフトウェア１３２の一部分、および実行中にソフトウェア１３２によって使用される１つまたは複数のデータ構造がメモリ１０４内に記憶される。そのような実施形態の一実装形態では、メモリ１０４には、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）など、現在知られているまたは後に開発される任意の適切な形態のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）が含まれる。他の実施形態では、他の種類のメモリが使用される。

[0013]計算ルーチン１３３は、磁気コンパスの測定値から方向を計算する。他の実施形態では、計算ルーチン１３３は、デバイス１００のロールおよびピッチも計算する。正確なコンパス測定値は、統合磁気コンパス１２０の動作環境の、変化する磁場を補償することを伴う。例えば、たとえ最大限の精度を得るように磁気コンパス１２０を工場で較正することができても、その磁気コンパス１２０が他のコンポーネントと一体化すると、周辺環境によってもたらされる擾乱が磁気コンパス１２０に影響を与える。較正ルーチン１３４は、磁気コンパス１２０の動作環境に対する磁気擾乱を補償する。

[0014]較正ルーチン１３４は、選択ルーチン１３６および補償ルーチン１３８を含む。選択ルーチン１３６は、少なくとも最小分離角度互いに離れたいくつかの磁場サンプルを検査する。磁場サンプルを検査することは、磁気コンパスを較正する際に使用するサンプルを選択し、そのサンプルはメモリ１０４内に記憶される一方、無効にされる磁場サンプルは破棄される。最小分離角度とは、ある磁場サンプルと検査される磁場サンプルそれぞれとの間の角度を検査するために必要な最小角度値である。補償ルーチン１３８は、硬化鉄擾乱を補償するために、検査される磁場サンプルから補償係数を計算する。補償ルーチン１３８は、例えば数値探索や最小二乗法を含む、任意の現在知られているまたは後に開発される方法により計算される。

[0015]硬化鉄擾乱は、コンパスプラットフォーム上の永久磁石および磁化材料から生じる。これらの擾乱は一定のままであり、所与の設置先に関するあらゆる向きの方位にわたり、磁気コンパス１２０に対して不変である。非擾乱磁場では、地球の場が一定の大きさを有する。３Ｄでプロットすると、非擾乱場は原点を中心とする球である。硬化鉄擾乱があることは、その球の中心をシフトする一定の大きさの場成分を追加する。軟化鉄擾乱は、地球の磁場とコンパス近くの磁気的に柔らかい材料との相互作用から生じる。軟化鉄擾乱は、球を楕円体へと変形させ、コンパス１２０の方位に依拠する。軟化鉄擾乱と硬化鉄擾乱との組合せは、中心が原点から離れてシフトされる楕円体をもたらす。この楕円体は、擾乱の性質に応じて回転させることもできる。較正ルーチン１３４は、楕円体の擾乱磁場を原点に位置する球へと変形させる。

[0016]図２Ａは、磁場に対する硬化鉄擾乱を示すグラフ２００である。簡潔にするために、グラフ２００は三次元（３Ｄ）磁場の二次元（２Ｄ）投影として図示し、本明細書で論じる原理は３Ｄに拡張可能である。原点を中心とする半径Ｈ_ｍの非擾乱磁場２１０を示す。一実施形態では、この非擾乱場２１０は地球の磁場である。この例では、硬化鉄擾乱が、非擾乱磁場２１０を正のｘ方向にＨ_ｘ、正のｙ方向にＨ_ｙだけシフトさせる。非擾乱磁場２１０が硬化鉄擾乱によって擾乱されるとき、球の中心はシフトするが、擾乱磁場２２０の形状は、半径Ｈ_ｍの球のままである。硬化鉄擾乱が取り込まれた磁気コンパスは、（Ｈ_ｘ，Ｈ_ｙ）を中心とする擾乱磁場２２０を測定する。

[0017]ｘ軸から測定される、原点と擾乱磁場２２０のｙ軸上の最高点および最低点との間の角度は、それぞれθ_ｍａｘ２２２およびθ_ｍｉｎ２２４である。これらの角度は、次式のように示される。

[0018]Ｎ個のサンプルを採取するために、最小分離角度Δθは、次式の最大値にあることができる。

[0019]一実施形態では、サンプルは最高（Ｎ−１）Δθに至るまで、０、Δθ、２Δθ、３Δθ、等にあり、他の実施形態では、各サンプルは少なくともΔθ離れている。等式（３）に示すことができるように、ＮおよびΔθの値は、較正ルーチン１３６を満たすように選択される。ＮおよびΔθを選択するための基準には、利用可能メモリ、計算能力、および３Ｄ空間のデータスパンに基づく考察が含まれる。

[0020]図２Ｂは、擾乱磁場２５０を示すグラフ２４０である。擾乱磁場２５０について、１組の例示的サンプルベクトル２５２−１から２５２−８が検査されている。この例では、選択ルーチンがサンプルを採取し、Δθ＝２０度の最小分離角度を有する、Ｎ＝８個のサンプルを必要とする。一実施形態では、磁場サンプルが単一面の外部で採取されることを確実にし、故に３Ｄに及ぶように、ΔθおよびＮが選択される。

[0021]図３は、磁場サンプルを検査する方法３００の一実施形態の流れ図である。選択ルーチンが開始される（ブロック３０２）。開始時に、テストベクトルＶｔと呼ばれる、最初の磁場サンプルが採取される。この磁場サンプルは、採取される最初のテストベクトルなので、自動的に検査され、ｖ（０）として保存され、サンプルカウントｎが１に設定される（ブロック３０４）。この実施形態では、較正係数を計算するためにΔθの最小分離角度を有する合計Ｎ個の磁場サンプルが検査され、保存される。一実施形態では、ｎ＝１のとき、採取される最初のサンプルｖ（０）は常に適格である。

[0022]この方法３００は、サンプルの総数Ｎが採取されているかどうか、言い換えればｎ＝Ｎかどうかを問い合わせる（ブロック３１０）。サンプルの総数Ｎが検査されている場合、較正係数を計算する補償ルーチンが開始する（ブロック３１２）。ｎ≠Ｎの場合、もう１つの磁気コンパス測定値Ｖｔが採取される（ブロック３２０）。

[0023]テストベクトルの検査は、磁気ベクトルの全ての、最小角度分離に基づく。したがって、テストベクトルＶｔと検査されるサンプルｖ（ｉ）との間の、Φ（ｉ）と呼ばれる角度がΔθ以上であることを確実にするために、Ｖｔは、前に検査された全ての磁場サンプル（例えばｖ（０）、ｖ（１）等）と比較される。テストベクトルＶｔが、他の全てのサンプルｖ（ｉ）に関して適格であることを確実にするために、適格とされた前のサンプルを最初から最後までカウントするために使用されたインデックスｉが０に設定されて、検査プロセスが開始される（ブロック３２２）。

[0024]この方法３００は、ｉ＜Ｎかどうかを判定する（ブロック３２４）。ｉがＮ未満の場合、テストベクトルＶｔと検査されるサンプルｖ（ｉ）との間の角度Φ（ｉ）が、Δθ以上かどうかが判定される（ブロック３３０）。ｖ（ｉ）について、Φ（ｉ）＜Δθの場合、そのサンプルは不適格とされ、もう１つのサンプルが採取される（ブロック３２０）。テストベクトルが不適格である場合、そのテストベクトルは、較正係数を計算するために使用されるメモリ内に記憶されない。ｖ（ｉ）について、Φ（ｉ）≧Δθの場合、そのサンプルはｖ（ｉ）に関して適格とされるが、依然として他の全ての記憶済み磁場サンプルｖ（ｉ）に関して適格とされる必要がある。したがって、Ｖｔと次に検査されるサンプルとを比較するために、ｉが１だけインクリメントされ（ブロック３３２）、テストベクトルとｖ（ｉ）との間の比較を行うためのループが再び開始する（ブロック３２４）。

[0025]一実施形態では、角度分離Φ（ｉ）は、磁気サンプルＶｔおよびｖ（ｉ）と同じ方向を指す、単位ベクトルＶとＵ（ｉ）との間の内積を使用することによって計算される。前に検査された磁気ベクトルのサンプルｖ（ｉ）（例えばｖ（０）、ｖ（１）、等）ごとに、対応する１組の単位ベクトルが、Ｕ（ｉ），Ｉ＝１，．．．，ｋとして記憶される。テストベクトルは、次式が成立するときかつそのときに限ってのみ、検査され、記憶される。

ａｃｏｓ（＜Ｖ，Ｕ（ｉ）＞）≧Δθｆｏｒ ａｌｌ ｉ＝１，．．．，ｋ （４）
[0026]ｉ＝ｎになると、テストベクトルと前に検査された全てのサンプルとの間の角度Φ（ｉ）が比較されている。言い換えれば、等式４が真の場合、Ｕ（ｋ＋１）＝Ｖであり、磁気サンプルのテストベクトルＶｔが有効なデータ点として記憶される。つまり、ｉがｎ未満でない場合（ブロック３２４）、Ｖｔがｖ（ｎ）として記憶される（ブロック３４０）。次いで、ｎが１だけインクリメントされ（ブロック３４２）、ｎ＝Ｎが成立するかどうかを比較することにより、サンプルの最大数Ｎが記憶されているかどうかが判定される（ブロック３１０）。検査されるサンプルの数が所望のサンプル数Ｎに等しくなると、データ収集が完了し、較正係数を計算するために計算ルーチンが開始する（ブロック３１２）。

[0027]図４は、磁気コンパス１２０を較正する方法４００の一実施形態の流れ図である。例えばユーザコマンド時にまたは磁気コンパスへの電源投入時に、較正ルーチン１３４が開始される（ブロック４１０）。一実施形態では、選択ルーチン１３６が実行されているという指示が行われる。別の実施形態では、統合磁気コンパス１２０にとってのユーザに対して指示が行われる。さらに別の実施形態では、サンプルの総数Ｎ、およびどんな最小分離角度Δθを取るべきかをユーザが選択する。一部の例示的実施形態では、Ｎは６から２４に等しいが、任意の適切な数とすることができる。

[0028]較正ルーチンが開始すると、選択ルーチン４１２が開始する。この選択ルーチンは、磁場サンプルを採取する間、磁気コンパス１２０を回転させることを含む（ブロック４２０）。選択ルーチン４１２は、他の全てのサンプルから最小分離角度Δθ離れている、採取されるそれぞれの磁場サンプルを検査することをさらに含む（ブロック４３０）。一実施形態では、最初の磁場サンプルは自動的に検査される。磁場サンプルが前に検査された全ての磁場サンプルから少なくとも最小分離角度離れていることを確実にするために、磁場サンプルは、その磁場サンプルと前に検査された全ての磁場サンプルとの間の角度を繰返し比較することによって検査される。

[0029]磁場サンプルが検査されると、その磁場サンプルはメモリ１０４内に記憶される（ブロック４４０）。別の実施形態では、最初のサンプルが検査され記憶されたことを指示するメッセージが表示デバイス１１０上に表示される。サンプルの総数Ｎに到達するまで磁場サンプルは検査され、記憶される。一実施形態では、Ｎ個のサンプルが収集されたという指示が表示デバイス１１０上に表示される。別の実施形態では、所定の時間内にＮ個のサンプルが検査されるようにデバイス１００が回転されない場合、表示デバイス１１０上にタイムアウトメッセージが表示され、選択ルーチン１３６が終了する。

[0030]全てのサンプルＮが検査され、記憶されると、選択ルーチン４１２が完了する。補償ルーチン１３８が較正係数を計算し始める（ブロック４５０）。この補償ルーチン１３８は、擾乱磁場２２０を、原点を中心とする球にマップする変換行列を生成する。その較正係数を使い、磁気コンパス１２０が較正される（ブロック４６０）。つまり、磁場の擾乱を補償するように、将来の磁場サンプルに較正係数が適用される。別の実施形態では、結果として生じる較正係数を使い、磁気コンパスの方向が計算される。

[0031]一実施形態では、表示デバイス１１０は、較正係数が決められたことを指示するメッセージを表示し、その較正係数を使用すべきかどうかについてユーザに問い合わせる。その較正係数を使用すべきであるとユーザが入力する場合、デバイス１１０は、その較正係数をメモリ１０４などのメモリに書き込む。

[0032]方法４００の一実装形態では、ユーザによるどんな介入もなしに、サンプルが自律的に採取される。別の実施形態では、ユーザはいつでも較正ルーチン１３４を中断することができる。さらに別の実施形態では、デバイス１００は、較正ルーチン１３４の進捗に関するメッセージを表示しない。一実施形態では、この方法４００は、磁気コンパス１２０が別のデバイス１００上に装着されるたびに、または磁気擾乱の発生源がデバイス１００に追加され、もしくはデバイス１００から除去されるたびに完了する。

[0033]本明細書に記載した諸実施形態は、これだけに限定されないが、ナビゲーション、ポインティングアプリケーション、および銃が装備される用途を含む、磁気コンパスのデータを使用するどんな用途にも適用される。本明細書に示した諸実施形態は、必要とされるユーザ入力の数を減らし、より少ないデータ点が記憶されるので、データを記憶するために必要なメモリを減らす。ハンドヘルド用途など、メモリに余裕がなく、ユーザ入力が厄介かつ複雑であり得る埋め込み用途において、磁気コンパス較正の一実施形態が使用される。３Ｄ磁場の幅広いスパンを確保する、データ収集を自動化するためのアルゴリズムが開発される。

[0034]特許請求の範囲によって定義する本発明のいくつかの実施形態について記載してきた。それでも、特許請求する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、記載した諸実施形態に対して様々な修正を加えてもよいことが理解されよう。よって、他の実施形態も特許請求の範囲に記載の範囲に含まれる。

１００ デバイス
１０２ 処理ユニット
１０４ メモリ
１１０ 表示デバイス
１２０ 磁気コンパス
２１０ 非擾乱磁場
２２０ 擾乱磁場
２５０ 擾乱磁場
２５２−１〜２５２−８ サンプルベクトル

Claims (3)

1. 磁気コンパスを較正するためのプログラムであって、プログラム命令がその上に具体化されるプロセッサ可読媒体を含み、前記プログラム命令は、前記磁気コンパスに結合される少なくとも１つのプログラム可能プロセッサによって実行されるとき、前記磁気コンパスに、
   前記磁気コンパスを回転させる間に複数の磁場サンプルを収集するステップと、
   前記複数の磁場サンプルのうちのいくつかを検査済みの磁場サンプルとして選択するステップであって、前記検査済みの磁場サンプルの選択は、前記磁場サンプルの各々と前に検査された全ての磁場サンプルとの間の角度を繰返し比較して、前記選択された検査済みの磁場サンプルが前に検査された全ての磁場サンプルから少なくとも最小分離角度離れていることを確実にすることによって行われる、ステップと、
   前記選択された検査済みの磁場サンプルから、前記磁気コンパスを較正するのに用いられる較正係数を計算するステップと、
   を行わせるように動作可能である、プログラム。
2. 前記プログラム命令は、前記磁気コンパスに
   最初の磁場サンプルを最初の検査済みの磁場サンプルとして選択するステップと、
   次の磁場サンプルと前記最初の磁場サンプルとの間の角度、および前記次の磁場サンプルと第２の磁場サンプルとの間の角度が、どちらも前記最小分離角度以上であるとき、前記次の磁場サンプルを次の検査済みの磁場サンプルとして選択するステップと、
   を行わせるようにさらに動作可能である、請求項１に記載のプログラム。
3. 磁気コンパス（１２０）であって、
   磁場の測定を行うための磁気計（１２２）と、
   前記磁気コンパスを較正する処理ユニット（１０２）と、
   を備え、
   前記処理ユニットは、
   前記磁気コンパスを回転させる間に取得された磁場サンプルのうちのいくつかを検査済みの磁場サンプルとして選択するステップであって、それぞれの選択された検査済みの磁場サンプルは、他の全ての選択された検査済みの磁場サンプルから少なくとも最小分離角度離れている、ステップと、
   前記選択された検査済みの磁場サンプルから較正係数を計算するステップと、
   を行うように構成される磁気コンパス。

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