JPWO2019020962A5 - - Google Patents

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本発明は、一般的に言うと、磁気慣性技術に関する。 The present invention relates generally to magnetic inertial technology.

より正確には、本発明は、磁力計による方位の決定に関する。 More precisely, the invention relates to determination of orientation by means of a magnetometer.

特に、本発明は、有利には、都市圏または「屋内で」すなわち建物内部における測定の場合に適用される。 In particular, the invention is advantageously applied in the case of measurements in metropolitan areas or "indoors", ie inside buildings.

従来は、磁力計は、埋め込みシステムにおける方位の計算のために用いられる。 Conventionally, magnetometers are used for orientation calculations in implanted systems.

この場合、センサにより測定される磁場が、水平成分のために磁北を指す地球の磁場であるという仮説がなされる。磁北の方向と地理的な北との間の差(磁気偏角と呼ばれる)は、既知であり、表化される。一般性を失うことなく、以下、磁北および地理的な北が統合され、それゆえ、磁力計が北と呼ばれているものを指し示すとみなされる。 In this case the hypothesis is made that the magnetic field measured by the sensor is the earth's magnetic field pointing towards magnetic north due to the horizontal component. The difference between the direction of magnetic north and geographic north (called the magnetic declination) is known and tabulated. Without loss of generality, magnetic north and geographic north are hereinafter considered to be merged and therefore the magnetometer points to what is called north.

典型的には、磁力計測定値からの方位の計算に用いられる決定方法は、以下に基づく。
-磁力計によって供給される測定値とシステムの方位に関する情報とを関連させるモデリング
-行われる測定のためのこの関係の関連の特徴付け
Typically, the determination method used to calculate orientation from magnetometer measurements is based on the following.
- Modeling associating the measurements supplied by the magnetometers with information about the orientation of the system - Characterization of the association of this relationship for the measurements to be made

従来の方法では、実施される計算は、測定値として磁場を有するカルマンタイプ・フィルタリングでもよく、関連の特性の関数である測定ノイズとともに状態内に含まれる方位を再調整することを可能にする。 In conventional methods, the calculations performed may be Kalman-type filtering with the magnetic field as the measurement, allowing readjustment of the orientations contained within the state along with the measurement noise, which is a function of the relevant properties.

モデリングは、測定された磁場Mが、例えば方程式

Figure 2019020962000004
によって、方位情報を含むと書くことにあり、Rは、回転行列であり、物体の基準フレームから地球の慣性座標系に進むことを可能にする。ψ、θ、φは、オイラー角であり、MEARTHは、地球の磁場である。 Modeling assumes that the measured magnetic field M is, for example, the equation
Figure 2019020962000004
contains orientation information, and R is a rotation matrix that allows one to go from the body's frame of reference to the earth's inertial frame of reference. ψ, θ, φ are the Euler angles and M EARTH is the earth's magnetic field.

この方程式の関連は、測定分散によって特徴付けられる、すなわち、この等式における誤差が、期待値ゼロのガウス確率変数であると仮定される。 The relationship in this equation is characterized by the measurement variance, ie the error in this equation is assumed to be a Gaussian random variable with zero expected value.

この分散は、再調整に重みづけするカルマンゲインを自動的に計算するように機能し、異なるノイズ(外部環境に関連する動的ノイズおよび磁力計測定ノイズ)を考慮する。 This variance serves to automatically compute the Kalman gain weighting the readjustments , taking into account different noises (dynamic noise and magnetometer measurement noise related to the external environment).

さらに他の方法では、線形フィルタリングによる計算は、同じタイプのモデリングおよび特徴付けを用いて実施される。 In still other methods, computation with linear filtering is performed using the same type of modeling and characterization.

この方法では、その関連を特徴付けるのは、方程式のゲインの大きさの相対的な調整である。一般的に、このゲインは、手動で調整される。次に、当業者は、モデリングの関連の関数として、それに重み付けする方法を知るであろう。 In this method, it is the relative adjustment of the gain magnitudes in the equation that characterizes the relationship. Generally, this gain is manually adjusted. Those skilled in the art will then know how to weight it as a function of modeling relevance.

このように、これらの2つの方法では、モデルの関連を特徴付けるパラメータ(カルマンフィルタの場合のガウスノイズの分散、線形フィルタリングの場合のゲイン)は、一般的に、測定された磁場に関係なく、一定のパラメータである。 Thus, in these two methods, the parameters characterizing the model association (variance of Gaussian noise for Kalman filtering, gain for linear filtering) are generally constant, regardless of the measured magnetic field. is a parameter.

測定された磁場を地球の磁場の地磁気モデルと比較しながら、考慮するモデリングの関連の特徴付けが、最近、例えば以下の刊行物において提案された。
-W.T.Faulkner、R.Alwood、W.T.DavidおよびJ.Bohlin、「Gps-denied pedestrian tracking in indoor environments using an imu and magnetic compass(IMUおよび磁気コンパスを用いた、屋内環境においてGPSが拒否された歩行者の追跡)」、The Institute of Navigationの2010年国際技術会議の議事録、(サンディエゴ、CA)、p.198-204、2010年1月
-M.H.Afzal、V.RenaudinおよびG.Lachapelle、「Magnetic field based heading estimation for pedestrian navigation environments(歩行者のナビゲーション環境のための磁場に基づく方位推定)」、Indoor Positioning and Indoor Navigationの2011年国際会議、(ギマランイス、ポルトガル)、2011年9月
Relevant characterizations of modeling that take account of the measured magnetic field while comparing it with a geomagnetic model of the earth's magnetic field have recently been proposed, for example in the following publications.
-W. T. Faulkner, R. Alwood, W. T. David andJ. Bohlin, "GPS-denied pedestrian tracking in indoor environments using an imu and magnetic compass," The Institute of Navigation International Technology 2010. Conference Proceedings, (San Diego, Calif.), p. 198-204, January 2010-M. H. Afzal, V. Renaudin and G. Lachapelle, "Magnetic field based heading estimation for pedestrian navigation environments", International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, 9 January 2011, (Guimarães, Portugal), 9 January 2011.

しかしながら、このように実行される特徴付けは、十分な満足を与えるわけではない。第1に、それらが所望の正確さと同じくらい少なくとも正確なモデルを有することを必要とする磁場の演繹的なモデルに基づくからであり、第2に、それらがすべての擾乱を拒絶することができないからである。 However, the characterization performed in this way does not give full satisfaction. First, because they are based on an a priori model of the magnetic field, which requires having a model that is at least as accurate as desired, and second, because they cannot reject all disturbances . It is from.

文献「Unscented Filtering for Spacecraft Attitude Estimation(宇宙船姿勢推定のための無香料フィルタリング)」(J.L.CrassidisおよびF.Landis Markley)は、宇宙船の配向を推定するためのモデルを記載する。このモデルは、カルマンフィルタの適用に基づき、いかなる相関も考慮しない。しかしながら、このモデルはまた、その部分のために信頼性をあまり高めないバイアスを有する。 The document "Unscented Filtering for Spacecraft Attitude Estimation" (JL Crassidis and F. Landis Markley) describes a model for estimating spacecraft orientation. This model is based on applying a Kalman filter and does not consider any correlation. However, this model also has a bias that makes it less reliable for its part.

単純化されたモデルを提案することは、文献EP2264485からも公知であり、推定された磁場は、測定された磁場の値と、磁気擾乱の値と、測定ノイズの値と、の合計に等しい。しかしながら、擾乱における変化のこのモデルは、擾乱の時間的関係を考慮するだけであり、このことにより、信頼性をあまり高めない。 Proposing a simplified model is also known from document EP2264485, where the estimated magnetic field is equal to the sum of the measured magnetic field value, the magnetic disturbance value and the measurement noise value. However, this model of changes in disturbances only considers the temporal relationship of the disturbances , which does not add much reliability.

本発明の全体的な目的は、特に非常に擾乱された環境において用いられるモデリングの関連のより良好な特徴付けを可能にする解決法を提案することである。 A general aim of the invention is to propose a solution that allows a better characterization of modeling relationships, especially those used in highly disturbed environments.

特に、本発明は、磁気センサにより方位を決定する方法を提案し、磁場は、磁力計により測定され、計算手段は、所定のサンプリング時間の間、再帰的な処理計算を実施し、
-以前のサンプリング時間に決定される方位の関数である方位予測を推定し、
-磁力計測定値から決定される磁方位の関数として推定され、予測された方位を再調整する。
In particular, the invention proposes a method of determining orientation by means of a magnetic sensor, the magnetic field being measured by means of a magnetometer, the computing means performing recursive processing computations during a predetermined sampling time,
- estimating a heading prediction that is a function of the heading determined at the previous sampling time;
- Readjust the estimated and predicted orientation as a function of magnetic orientation determined from magnetometer measurements.

好適実施形態では、前記再調整する間、計算手段は、再調整大きさを、
-2つのサンプリング時間の間の磁気擾乱における変更のモデルの関数として推定し、かつ、
擾乱大きさの演繹的な推定の関数として推定する。
In a preferred embodiment, during said readjustment , the computing means determines the magnitude of the readjustment as:
- estimated as a function of a model of change in the magnetic disturbance between two sampling times, and
- estimated as a function of an a priori estimate of the disturbance magnitude .

このようにして、処理は、2つのサンプリング時間の間の磁方位擾乱における変化を考慮し、連続したサンプリング時間の場合の環境のための擾乱の潜在的な空間的相関を考慮する。 In this way, the process takes into account the change in magnetic orientation perturbations between two sampling times and the potential spatial correlation of perturbations due to the environment for consecutive sampling times.

結果として生ずる再調整は、従来技術より信頼性が高い。 The resulting readjustment is more reliable than the prior art.

有利には、前記再調整することは、測定された磁場の勾配の関数である。このようにして、環境が擾乱されるほど、勾配はより高く、それゆえ、方位の測定はより多く改ざんされるという事実が考慮される。 Advantageously, said readjustment is a function of the measured magnetic field gradient. In this way, the fact is taken into account that the more disturbed the environment, the higher the gradient and therefore the more corrupted the orientation measurement.

特に、所定のサンプリング時間k+1のために、計算手段は、

Figure 2019020962000005
を計算することによって、関連する方位擾乱を推定し、
Figure 2019020962000006
であり、
Figure 2019020962000007
は、分散a[k](1-α[k])のガウス確率変数であり、
-kは、以前のサンプリング時間であり、
-a[k]は、磁気擾乱の演繹的な大きさを表すパラメータであり、
-u^およびσは、擾乱における変化の期待値および分散の推定として計算手段によって計算される2つのパラメータである。なお、
Figure 2019020962000008
は、u^として表す。 In particular, for a given sampling time k+1, the computing means
Figure 2019020962000005
Estimate the associated azimuth disturbance by computing
Figure 2019020962000006
and
Figure 2019020962000007
is a Gaussian random variable of variance a[k] 2 (1−α[k] 2 ),
-k is the previous sampling time,
−a[k] is a parameter representing the a priori magnitude of the magnetic disturbance ,
−u and σ u are two parameters calculated by the computing means as the expected value of the change in the disturbance and an estimate of the variance. note that,
Figure 2019020962000008
is represented as u.

有利には、計算手段は、パラメータa[k]を磁場勾配のノルムの線形関数として推定する。 Advantageously, the computing means estimate the parameter a[k] as a linear function of the norm of the magnetic field gradient.

パラメータu^[k]は、例えばその部分のために、時間k+1およびkのための磁力計出力から直接決定される磁方位の間の差として計算手段によって計算され、この差から、予測される方位(ω[k]dt)における変化が減算される。 The parameter u[k] is calculated by the computing means as the difference between the magnetic orientations determined directly from the magnetometer outputs for times k+1 and k, for example for that part, and from this difference, the predicted Changes in orientation (ω[k]dt) are subtracted.

パラメータσは、変位の速度または2つの連続するサンプリング時間の間の変位の関数として推定されてもよい。 The parameter σ u may be estimated as a function of displacement rate or displacement between two consecutive sampling times.

処理は、例えば、状態が少なくともパラメータとして実際の方位および磁方位擾乱(ψ,ψ(d))を有するカルマンフィルタリングを実施する。 The processing, for example, performs Kalman filtering where the states have at least the actual orientation and magnetic orientation perturbations (φ,φ (d) ) as parameters.

方位予測は、慣性ユニットの1つまたは複数のセンサの測定値の関数として決定されてもよい。 The heading prediction may be determined as a function of measurements of one or more sensors of the inertial unit.

変化モデルは、擾乱における変化の空間的または時間的相関を考慮するために、あらかじめ決定される。 A change model is predetermined to consider the spatial or temporal correlation of changes in the disturbance .

本発明は、さらに、磁気センサにより方位を決定するための装置に関するものであり、磁力計および前記磁力計により測定される磁場から方位を計算するための計算手段を備え、計算手段は、異なる連続したサンプリング時間のために、上述した処理を実施する。 The invention further relates to a device for determining orientation by means of a magnetic sensor, comprising a magnetometer and computing means for computing the orientation from the magnetic field measured by said magnetometer, said computing means comprising: For the sampling time set, the processing described above is performed.

本発明はまた、この種の方位測定装置を少なくとも1つ備える磁気慣性航法システムを提案する。 The invention also proposes a magnetic inertial navigation system comprising at least one azimuth measuring device of this kind.

有利には、この種のシステムは、都市環境または建物内部において用いられる。 Advantageously, a system of this kind is used in an urban environment or inside a building.

本発明はまた、
-プログラムがコンピュータにおいて実行されるとき、上述したタイプの方法の実行のためのコード命令を含むコンピュータプログラム製品
-コンピュータプログラム製品がこの種の方法の実行のためのコード命令を含む、コンピュータ装置によって読み込み可能な記憶手段
に関するものである。
The present invention also provides
- a computer program product containing code instructions for the execution of a method of the type described above when the program is run on a computer - a computer program product containing code instructions for the execution of a method of this type, readable by a computer device It concerns possible storage means.

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明からより明白になり、以下の説明は、単に説明のためであり、制限するものではなく、添付の図面に関して読むべきである。 Other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description, which is merely illustrative and non-limiting and should be read in conjunction with the accompanying drawings.

本発明による方法の実施態様のための装置の図である。1 is a diagram of an apparatus for an embodiment of the method according to the invention; FIG. 本発明による方法の実施のためのケースの一例をより詳細に表す。An example of a case for implementation of the method according to the invention is represented in more detail. 本発明の一実施形態に従う方法の主要なステップを示す。1 shows the main steps of a method according to an embodiment of the invention;

概論-測定装置
図1に関して、提案された測定装置は、例えば、

Figure 2019020962000009
と記載される周囲磁場(典型的には、近くの金属物体によってわずかに変化しうる地球の磁場)内で移動する物体1の運動の推定のために用いられる。既に知られているように、磁場は3次元ベクトル場であり、すなわち、3次元のベクトルを、物体が移動可能な各3次元の点に関連付ける。 General remarks - measuring device With respect to Fig. 1, the proposed measuring device is for example:
Figure 2019020962000009
is used for estimating the motion of an object 1 moving in an ambient magnetic field (typically the earth's magnetic field, which can be slightly altered by nearby metallic objects). As is already known, the magnetic field is a three-dimensional vector field, ie it associates a three-dimensional vector with each three-dimensional point to which the object can move.

この物体1は、位置が知られていることが要求される任意の可動物体でもよく、例えば、車両、ドローン等および歩行者でもよい。 This object 1 may be any movable object whose position is required to be known, for example vehicles, drones etc. and pedestrians.

物体1は、ケース2(サポート)内に複数の磁気測定センサ20、すなわち軸磁力計20を備える。軸磁力計は、前記磁場の成分、すなわち、前記磁力計20のレベルでその軸に沿った前記磁場ベクトル

Figure 2019020962000010
の投影を測定できる要素を意味するものである。 The object 1 comprises a plurality of magnetic measurement sensors 20, namely axial magnetometers 20, in a case 2 (support). An axial magnetometer measures the component of the magnetic field, i.e. the magnetic field vector along its axis at the level of the magnetometer 20
Figure 2019020962000010
means the element from which the projection of the can be measured.

より正確に言うと、磁力計20は、ケース2と一体である。磁力計20は、地上の基準フレームにおけるケース2に対しておよび物体1に対して実質的に同一の運動を有する。 More precisely, magnetometer 20 is integral with case 2 . The magnetometer 20 has substantially the same motion with respect to the case 2 and with respect to the object 1 in the ground frame of reference.

好ましくは、物体1の基準フレームは、正規直交デカルトの基準点を備え、磁力計20は、この基準点における所定の位置を有する。 Preferably, the reference frame of the object 1 comprises an orthonormal Cartesian reference point and the magnetometer 20 has a predetermined position at this reference point.

図2では、ケース2は、取り付け手段23によって物体1(例えば歩行者の肢)に固定される。これらの取り付け手段23は、例えばブレスレットからなり、例えば肢をグリップし、一体結合を可能にするセルフ・グリッピング・ストラップを有する。 In FIG. 2 the case 2 is fixed to an object 1 (eg a leg of a pedestrian) by attachment means 23 . These attachment means 23 consist, for example, of bracelets, for example with self-gripping straps that grip the limb and allow an integral connection.

明らかに、本発明は、歩行者の運動の推定に限定されるものではないが、この種の使用において特に有利である。なぜなら、それは、体積を非常に減少することができ、このことは、人間がケースを人間工学的な方法で携帯できるのに必要だからである。 Clearly, the invention is not limited to estimating motion of pedestrians, but is particularly advantageous in this type of use. Because it can greatly reduce the volume, which is necessary for a person to be able to carry the case in an ergonomic way.

ケース2は、本方法の処理動作を直接リアルタイムに実行するための計算手段21(典型的にはプロセッサ)を備えてもよいし、または、その代わりに、測定値は、外部装置、例えば移動端末(スマートフォン)3またはリモートサーバ4に通信手段25を介して送信されてもよいし、または、その代わりに、測定値は、例えばサーバ4上の事後処理のためにローカルのデータ記憶手段22(例えばフラッシュタイプメモリ)内に記録されてもよい。 Case 2 may comprise computing means 21 (typically a processor) for performing the processing operations of the method directly in real time, or alternatively the measurements may be sent to an external device, e.g. (smartphone) 3 or to a remote server 4 via communication means 25, or alternatively the measurements are stored in local data storage means 22 (e.g. flash type memory).

通信手段25は、近距離無線通信、例えばブルートゥースまたはWi-Fiを(特に移動端末3を有する実施形態において)実施することもできるし、または、長距離通信のための携帯電話ネットワーク(典型的にはUMTS/LTE)に接続するための手段とすることさえできる。通信手段25が例えばローカルデータ記憶手段22から移動端末3またはサーバ4にデータを転送するための有線接続(典型的にはUSB)でもよい点に留意されたい。 The communication means 25 may also implement short-range wireless communication, such as Bluetooth or Wi-Fi (especially in embodiments with a mobile terminal 3), or a cellular network for long-range communication (typically may even be a means for connecting to UMTS/LTE). It should be noted that the communication means 25 may also be a wired connection (typically USB), eg for transferring data from the local data storage means 22 to the mobile terminal 3 or the server 4 .

それが「インテリジェンス」を有する移動端末3(またはサーバ4)である場合、それは、以下に記載されている本方法の処理動作を実施するためのプロセッサのような計算手段31(または41)を含む。用いられる計算手段がケース2の計算手段21であるとき、ケース2は、推定された位置を送信するための通信手段25をさらに含んでもよい。例えば、所有者の位置は、移動端末3に送信され、ナビゲーション・ソフトウェア・インタフェースにおいて位置を表示してもよい。 If it is a mobile terminal 3 (or server 4) with "intelligence", it includes computing means 31 (or 41), such as a processor, for performing the processing operations of the method described below. . When the computing means used are the computing means 21 of Case 2, Case 2 may further comprise communication means 25 for transmitting the estimated position. For example, the owner's location may be transmitted to the mobile terminal 3 to display the location in the navigation software interface.

ケース2、スマートフォン3およびリモートサーバ4のそれぞれのデータ計算手段21、31、41は、無関係にかつアプリケーションに従って、方法のステップの全部または一部を実施してもよい。 The respective data computing means 21, 31, 41 of case 2, smart phone 3 and remote server 4 may perform all or part of the steps of the method independently and according to the application.

それらは、各々、このために、方法の実行のためのコード命令のシーケンスの全部または一部が記憶される記憶手段を備える。 They each comprise storage means for this purpose in which sequences of code instructions for execution of the method are stored wholly or partly.

予測および再調整
計算手段は、一方では(ステップ101)予測によって方位値の推定を計算するフィルタリング100を実施し、他方では(ステップ102)誤差推定の関数として再調整を実施する(図3)。
The prediction and readjustment computation means performs on the one hand (step 101) a filtering 100 that computes an estimate of the orientation value by prediction, and on the other hand (step 102) performs a readjustment as a function of the error estimate (FIG. 3).

特に、例えばジャイロメータによって与えられる角速度ωが既知の場合、ステップ101は、時間k+1での方位ψ(k+1)を、ψ(k+1)=ψ+ω.Δtに等しいように計算し、ψは、前の時間kの方位であり、Δtは、これらの2つのサンプリング時間を分離する期間である。 In particular, if the angular velocity ω is known, for example given by a gyrometer, step 101 calculates the orientation ψ (k+1) at time k+1 as ψ (k+1) = ψ k +ω . Calculated to be equal to Δt, ψ k is the orientation of the previous time k, and Δt is the period separating these two sampling times.

再調整102は、磁力計20によって行われる測定を考慮する。 Readjustment 102 takes into account measurements made by magnetometer 20 .

以下、所定の時間kにおける(磁力計の測定値から導出される)磁方位の測定値は、zψ[k]と記載され、zψ[k]=ψである。 In the following, the magnetic orientation measurement (derived from magnetometer measurements) at a given time k is denoted as z ψ [k], where z ψ [k]=ψ k .

典型的には、磁方位は、

Figure 2019020962000011
によって与えられ、MyおよびMxは、地上の基準フレームにおける磁場の2つの水平成分であり、これらの2つの成分は、その慣性ユニットによって物体1のために決定される姿勢の関数として計算される。 Typically, the magnetic orientation is
Figure 2019020962000011
, and My and Mx are the two horizontal components of the magnetic field in the ground reference frame, and these two components are calculated as a function of the attitude determined for body 1 by its inertial unit.

計算手段は、時間k+1に対応する再調整方位

Figure 2019020962000012
を、この時点で推定された方位ψ(k+1)の合計に等しいように計算し、有利には、再調整は、
-前の時間kに関して計算または調整されるゲインKの関数であり、
-予測された方位ψ(k+1)と測定値zψとの間の誤差Err(ψ(k+1),zψ)の推定の関数である。 The calculation means calculates the readjustment heading corresponding to time k+1.
Figure 2019020962000012
is calculated to be equal to the sum of the currently estimated orientations ψ (k+1) , and advantageously the readjustment is
- a function of the gain K k calculated or adjusted with respect to the previous time k;
- is a function of the estimate of the error Err(ψ (k+1) , z ψ ) between the predicted heading ψ (k+1) and the measured value z ψ .

このように、計算手段は、磁力計による測定値から導出される磁方位を用いて、状態を再調整し、特に、

Figure 2019020962000013
を計算することによって方位を再調整する。 Thus, the computing means use the magnetic orientations derived from the magnetometer measurements to readjust the states and, in particular,
Figure 2019020962000013
Readjust the azimuth by calculating

典型的には、誤差Err(ψ(k+1),zψ)は、(再調整前の)時間k+1に推定される予測された方位と、磁力計の測定値から導出される磁方位zψと、の間の単純な差でもよい。 Typically, the error Err(φ (k+1) , z φ ) is a function of the predicted orientation estimated at time k+1 (before readjustment ) and the magnetic orientation z φ derived from magnetometer measurements. , can be a simple difference between

それにもかかわらず、特に非線形フィルタリングの場合、他の誤差関数が可能である。 Nevertheless, other error functions are possible, especially for non-linear filtering.

特に、再調整.Err(ψ(k+1),zψ)および特にゲインKは、有利には、磁力計20により測定される磁場勾配に依存してもよい。 In particular, the readjustment K k . Err(φ (k+1) , z φ ) and in particular the gain K k may advantageously depend on the magnetic field gradient measured by the magnetometer 20 .

このようにして、磁場が強く変化し、それゆえ方位測定上の重要な誤差を誘発しやすいとき、再調整の修正は、一層重要である。 Thus, realignment correction is all the more important when the magnetic field varies strongly and is therefore likely to induce significant errors in orientation measurements.

このことにより得られた再調整方位値は、前記計算手段21、31、41によって格納され、および/または、残りの処理のために、および、磁気慣性航法情報(直線速度、角速度、位置、方位等)の計算のために、前記手段によって用いられる。 The readjusted heading values thus obtained are stored by said computing means 21, 31, 41 and/or for the rest of the processing and magnetic inertial navigation information (linear velocity, angular velocity, position, heading etc.) is used by said means for the calculation of .

また、再調整方位値は、計算手段によってインタフェース手段に送信され、例えば電話のスクリーン上に表示されてもよい。 The readjusted heading values may also be transmitted by the computing means to the interface means and displayed, for example, on the screen of the telephone.

環境に関連する擾乱における変化のモデル
以下、磁方位zψの測定値が環境に関連する磁場の擾乱の推定によって修正される再調整のありうる計算の一例が詳述される。
Model of Change in Environment-Related Disturbances Below is detailed an example of a possible readjustment calculation in which the measured values of the magnetic orientation z ψ are corrected by an estimate of the environment-related magnetic field disturbances .

磁力計による測定値から導出される磁方位zψは、実際、以下のとおり分解されるとみなされうる。

Figure 2019020962000014
-ψは、決定されるのを望まれる実際の方位に対応し、

Figure 2019020962000015
は、ガウス測定誤差に対応し、
-ψ(d)は、環境に関連する磁方位擾乱に対応する(「d」は擾乱を意味する)(典型的には、擾乱は金属基盤に関連し、都市環境または建物内の電気ケーブルに関連する)。 The magnetic orientation z ψ derived from the magnetometer measurements can in fact be considered to be decomposed as follows.
Figure 2019020962000014
- ψ corresponds to the actual orientation desired to be determined,
-
Figure 2019020962000015
corresponds to the Gaussian measurement error and
−ψ (d) corresponds to the magnetic azimuth disturbance (“d” means perturbation ) associated with the environment (typically perturbations are associated with metal substrates, electrical cables in urban environments or buildings). related).

環境に関連する磁方位擾乱は、空間的に非常に相関している。環境の擾乱に関連する磁場は、実際、連続ベクトル場であり、2つの所定の点AおよびBが空間内で隣接するとき、これらの2つの点AおよびBの磁場は、一層接近する。 Environmentally related magnetic orientation disturbances are highly spatially correlated. The magnetic fields associated with environmental perturbations are in fact continuous vector fields, and when two given points A and B are adjacent in space, the magnetic fields of these two points A and B are closer together.

一実施形態では、環境に関連する方位擾乱ψ(d)は、変化相関を考慮する公式を用いて計算手段によって推定され、変化相関は、2つの連続するサンプリング時間の間の磁場擾乱のために予想されうる(時間的、空間的相関またはより複雑な相関)。 In one embodiment, the environment-related azimuth perturbation φ (d) is estimated by the computational means using a formula that takes into account the variation correlation, which is due to the magnetic field perturbation between two consecutive sampling times: Predictable (temporal, spatial or more complex correlations).

この推定は、ψにおける変化のためのマルコフモデル(再帰的フィルタにおいて用いられうる)を使用可能にするように構築され、
-磁方位擾乱における変化のモデルを考慮することを可能にし(時間的、空間的相関またはより複雑な相関)、
-方位が観察可能であるフィルタリングモデルを構築することを可能にする(さもなければ、方位の推定を構築するいかなる希望も失われる)。
This estimate is constructed to enable a Markov model for changes in ψ d (which can be used in a recursive filter),
- allows to consider models of changes in magnetic orientation perturbations (temporal, spatial correlations or more complex correlations),
- Allows building a filtering model in which the orientation is observable (otherwise any hope of building an orientation estimate is lost).

提案された推定では、再調整大きさは、2つのサンプリング時間の間の磁気擾乱における変化のモデルの関数として推定され、かつ、擾乱大きさの演繹的な推定の関数として推定される。 In the proposed estimation, the readjustment magnitude is estimated as a function of a model of the change in the magnetic disturbance between the two sampling times and as a function of an a priori estimate of the disturbance magnitude .

発明者は、以下のことを発見し、(かつ、数学的に検証した)。すなわち、空間的相関の場合(都市圏または屋内の擾乱の場合)、時間ステップによって分離される2つのサンプリング時間の間の擾乱ψ(d)における変化の適切な推定は、有利には、以下のとおりである。

Figure 2019020962000016
Figure 2019020962000017
-a[k]は、磁気擾乱の演繹的な大きさを表すパラメータであり、
-u^およびσは、2つのサンプリング時間の間の磁方位擾乱の変化のモデル(ガウス確率変数の形)である確率変数の期待値および分散であり、

Figure 2019020962000018
は、磁力計のノイズを考慮する推定である。 The inventors have discovered (and verified mathematically) the following. That is, in the case of spatial correlation (for metropolitan or indoor disturbances ), a good estimate of the change in the disturbance ψ (d) between two sampling times separated by a time step is advantageously: That's right.
Figure 2019020962000016
Figure 2019020962000017
−a[k] is a parameter representing the a priori magnitude of the magnetic disturbance ,
−u and σ u are the expectations and variances of random variables that are models (in the form of Gaussian random variables) of changes in magnetic orientation disturbances between two sampling times;
-
Figure 2019020962000018
is an estimate that takes into account magnetometer noise.

この推定は、誤差計算のためにzψから減算され、これは、ψ(k+1)と(zψ-ψ(d)[k+1])との間で直接計算可能であり、または、ψ(d)およびその状態のψの両方を有するカルマンタイプ・フィルタに限定される。 This estimate is subtracted from z ψ for the error calculation, which can be calculated directly between ψ (k+1) and (z ψ −ψ (d) [k+1]), or ψ (d ) and ψ of that state.

パラメータa[k]の決定
パラメータa[k]は、磁方位擾乱の演繹的な大きさを表す。それは、方位を特徴付け、例えば磁場勾配のノルムの線形関数として計算される。
Determining Parameter a[k] The parameter a[k] represents the a priori magnitude of the magnetic orientation disturbance . It characterizes the orientation and is calculated, for example, as a linear function of the norm of the magnetic field gradient.

例えば、

Figure 2019020962000019
Figure 2019020962000020
であり、aおよびaは、フィルタリング処理の実施前にあらかじめ固定される2つのパラメータであり、B^[k]は、時間kの磁場である。 for example,
Figure 2019020962000019
Figure 2019020962000020
where a 0 and a 1 are two parameters that are pre-fixed before the filtering process is performed, and B^[k] is the magnetic field at time k.

このように、上述したように、再調整項K.Err(ψ(k+1),zψ)は、磁力計20により測定される磁場勾配の関数であり、それは効果的な修正を可能にする。 Thus, as noted above, the readjustment terms K k . Err(φ (k+1) , z φ ) is a function of the magnetic field gradient measured by magnetometer 20, which allows effective correction.

パラメータa[k]を決定するための他の方法が可能である。 Other methods for determining the parameter a[k] are possible.

特に、a[k]はまた、地球の磁場のモデルと比較することによって決定されてもよく、例えば、刊行物
「Assessment of Indoor Magnetic Field Anomalies using Multiple Magnetometers Assessment of Indoor(屋内の複数の磁力計評価を用いた屋内の磁場異常の評価)」-M.H.Afzal、V.Renaudin、G.Lachapelle-The Satellite Division of the Institute of Navigationの第23回国際会議の議事録(IONGNSS2010)2010年9月21日-24日において提案されるような技術を実施することによって決定されてもよい。
In particular, a[k] may also be determined by comparison with a model of the Earth's magnetic field, see, for example, the publication Assessment of Indoor Magnetic Field Anomalies using Multiple Magnetometers Assessment of Indoor Evaluation of indoor magnetic field anomalies using )”-M. H. Afzal, V. Renaudin, G.; It may be determined by implementing techniques such as those proposed in the Proceedings of the 23rd International Conference of the Lachapelle-The Satellite Division of the Institute of Navigation (IONGNSS2010) September 21-24, 2010.

しかしながら、パラメータa[k]が磁場勾配の関数である解決法は、より良好な修正を可能にし、地球の磁場のモデルを必要としない。 However, the solution in which the parameter a[k] is a function of the magnetic field gradient allows better correction and does not require a model of the earth's magnetic field.

パラメータu^の決定
パラメータu^[k]は、擾乱における変化のための最確値を表す。
The decision parameter u[k] of parameter u represents the most probable value for the change in disturbance .

このパラメータは、例えば、短期間に修正するとみなされるジャイロメータを用いて計算される。次に、擾乱における最も可能性が高い変化は、磁方位測定における変化とジャイロメータの方位における変化との間の差によって与えられる。

Figure 2019020962000021
E[.]は数学的期待値であり、ω[k]はジャイロメータの回転速度であり、dtはサンプリングピッチである。 This parameter is calculated, for example, using a gyrometer, which is considered short-term correction. The most likely change in disturbance is then given by the difference between the change in magnetic orientation measurement and the change in gyrometer orientation.
Figure 2019020962000021
E[. ] is the mathematical expectation, ω[k] is the rotation speed of the gyrometer, and dt is the sampling pitch.

このように、パラメータu^[k]は、時間k+1およびkのための磁力計出力から直接決定される磁方位の間の差として計算手段によって計算され、この差から、予測された回転ω[k]dtが減算される。 Thus, the parameter u[k] is calculated by the computing means as the difference between the magnetic orientations determined directly from the magnetometer outputs for times k+1 and k, and from this difference the predicted rotation ω[ k]dt is subtracted.

パラメータσ の決定
パラメータσは、ステップkの擾乱とステップk+1の擾乱との間の相関のイメージを表す。
The decision parameter σ u of the parameter σ u represents the image of the correlation between the perturbation of step k and the perturbation of step k+1.

有利には、変位の速度(または類似する2つの連続するサンプリング時間の間の変位)について、それにインデックスを付けることを選択し、磁気擾乱の空間的相関を考慮することができる。 Advantageously, one can choose to index it on the rate of displacement (or the displacement between two similar consecutive sampling times) to take into account the spatial correlation of the magnetic disturbance .

例えば、

Figure 2019020962000022
をとることができ、cは、調整係数である。
for example,
Figure 2019020962000022
where c is an adjustment factor.

Claims (14)

磁気センサにより方位を決定するための方法であって、磁場は、磁力計により測定され、計算手段は、所定のサンプリング時間の間、再帰的な処理計算を実施し、
-以前のサンプリング時間に決定される方位の関数として予測された方位を推定し、
-磁力計測定値から決定される磁方位の関数として推定され前記予測された方位を補正し、
前記補正する間、前記計算手段は、前記補正の大きさを、
磁気擾乱の変化の空間的相関を考慮するためにあらかじめ決定され2つのサンプリング時間の間の磁気擾乱の変化のモデルの関数としてかつ、
-前記磁気擾乱の前記大きさについての演繹的定の関数として
推定する、
ことを特徴とする方法。
A method for determining orientation with a magnetic sensor, wherein a magnetic field is measured by a magnetometer, a computing means performs recursive processing computations for a predetermined sampling time,
- estimating the predicted heading as a function of the heading determined at the previous sampling time;
- correcting said predicted orientation estimated as a function of magnetic orientation determined from magnetometer measurements;
During the correction , the calculation means determines the magnitude of the correction by :
- as a function of the model of the magnetic disturbance change between two predetermined sampling times to take into account the spatial correlation of the magnetic disturbance change , and
- as a function of an a priori estimate of said magnitude of said magnetic disturbance ,
presume,
A method characterized by:
所定のサンプリング時間k+1のために、前記計算手段は、
Figure 2019020962000001
を計算することによって環境に関連する方位擾乱を推定し、ただし、
Figure 2019020962000002
であり、
Figure 2019020962000003
は、分散a[k](1-α[k])のガウス確率変数であり、
-kは、前記以前のサンプリング時間であり、
-a[k]は、前記演繹的推定の、前記磁気擾乱の前記補正の大きさを表すパラメータであり、
-u^およびσは、磁気擾乱における前記変化の期待値および前記分散の推定として前記計算手段によって計算される2つのパラメータである、
請求項1に記載の方法。
For a given sampling time k+1, said calculating means:
Figure 2019020962000001
Estimate the azimuth disturbance associated with the environment by computing , where
Figure 2019020962000002
and
Figure 2019020962000003
is a Gaussian random variable of variance a[k] 2 (1−α[k] 2 ),
-k is the previous sampling time;
-a[k] is a parameter representing the magnitude of the correction of the magnetic disturbance of the a priori estimation ;
- u^ and σ u are two parameters calculated by the computing means as the expected value of the change in the magnetic disturbance and an estimate of the variance;
The method of claim 1.
前記補正の大きさは、測定された磁場勾配の関数である、
請求項1または2に記載の方法。
the magnitude of the correction is a function of the measured magnetic field gradient;
3. A method according to claim 1 or 2.
前記計算手段は、前記パラメータa[k]を前記磁場勾配のノルムの線形関数として推定する、
請求項2を引用する請求項3に記載の方法。
the computing means estimates the parameter a[k] as a linear function of the norm of the magnetic field gradient;
4. A method according to claim 3, with reference to claim 2.
前記パラメータu^[k]は、時間k+1およびkのための磁力計出力から直接決定される前記磁方位の間の差として前記計算手段によって計算され、前記差から、方位おける測される変化(ω[k]dt)が減算される、
請求項2に記載の方法。
The parameter u[k] is calculated by the computing means as the difference between the magnetic orientations determined directly from the magnetometer outputs for times k+1 and k; the change (ω[k]dt) is subtracted,
3. The method of claim 2.
決定される前記磁方位は、前記磁力計を備えた移動物体の方位であり、
前記パラメータσは、前記移動物体の変位の速度または前記移動物体の2つの連続するサンプリング時間の間の変位の関数として推定される、
請求項2に記載の方法。
the magnetic orientation determined is the orientation of a moving object equipped with the magnetometer;
the parameter σ u is estimated as a function of the speed of displacement of the moving object or the displacement of the moving object between two successive sampling times;
3. The method of claim 2.
前記方法は、状態が少なくともパラメータとして際の方位および前記方位擾乱(ψ,ψ(d))を有するカルマンフィルタリングを実施する、
請求項2に記載の方法。
The method performs Kalman filtering, where the state has at least the actual orientation and the orientation perturbation (ψ, ψ (d) ) as parameters.
3. The method of claim 2.
前記予測された方位、慣性ユニットの1つまたは複数のセンサの測定値の関数として決定される、
請求項1から7のいずれかに記載の方法。
the predicted orientation is determined as a function of measurements of one or more sensors of the inertial unit;
8. A method according to any one of claims 1-7.
前記変化のモデルは、妨害における前記変化の時間的相関を考慮するために、あらかじめ決定される、
請求項1に記載の方法。
the model of change is predetermined to consider the temporal correlation of the change in disturbance;
The method of claim 1.
磁気センサにより方位を決定するためのデバイスであって、前記デバイスは、磁力計および前記磁力計により測定される磁場から方位を計算するための計算手段を備え、
前記計算手段は、異なる連続したサンプリング時間のために、請求項1から9のいずれかに記載の方法の処理を実施する、
デバイス。
A device for determining orientation with a magnetic sensor, said device comprising a magnetometer and computing means for calculating orientation from the magnetic field measured by said magnetometer,
said computing means perform the processing of the method according to any of claims 1 to 9 for different successive sampling times;
device.
請求項10に記載の方位を決定するためのデバイスを少なくとも1つ備える磁気慣性航法システム。 A magnetic inertial navigation system comprising at least one device for determining orientation according to claim 10. 都市環境または建物内部に適用される請求項11に記載のシステムの使用。 12. Use of the system according to claim 11 applied in urban environments or inside buildings. コンピュータプログラムであって、
前記プログラムがコンピュータにおいてに実行されるとき、請求項1から9のいずれかに記載の法の実行のためのコード命令を含む、
コンピュータプログラム。
A computer program,
said program comprising code instructions for execution of the method of any of claims 1 to 9 when run on a computer;
computer program.
コンピュータ装置によって読み込み可能な記憶手段であって、
コンピュータプログラムが請求項1から9のいずれかに記載の法の実行のためのコード命令を含む、
記憶手段。
A storage means readable by a computing device, comprising:
A computer program comprising code instructions for execution of the method according to any of claims 1 to 9,
memory means.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112595317A (en) * 2020-10-26 2021-04-02 一飞(海南)科技有限公司 Unmanned aerial vehicle takeoff control method, system, medium, computer equipment and unmanned aerial vehicle
CN114821823B (en) * 2022-04-12 2023-07-25 马上消费金融股份有限公司 Image processing, training of human face anti-counterfeiting model and living body detection method and device

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01219610A (en) * 1988-02-29 1989-09-01 Nissan Motor Co Ltd Running azimuth detector for vehicle
JPH04238221A (en) * 1991-01-21 1992-08-26 Sumitomo Electric Ind Ltd Azimuth detecting device
US7451549B1 (en) * 2006-08-09 2008-11-18 Pni Corporation Automatic calibration of a three-axis magnetic compass
WO2008120145A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Nxp B.V. Method and system for orientation sensing
EP2264485A1 (en) * 2009-06-04 2010-12-22 Tracedge Method for analysing moving object continuous trajectory based on sampled GPS position
CN102252689A (en) * 2010-05-19 2011-11-23 北京国浩传感器技术研究院(普通合伙) Electronic compass calibration method based on magnetic sensor
CN202177381U (en) * 2011-05-06 2012-03-28 微迈森惯性技术开发(北京)有限公司 Motion gesture data acquisition device and human body motion gesture tracking system
WO2013188548A2 (en) * 2012-06-12 2013-12-19 Trxs Systems, Inc. Methods for improved heading estimation
JP2014089113A (en) * 2012-10-30 2014-05-15 Yamaha Corp Posture estimation device and program
US20140297212A1 (en) * 2013-04-02 2014-10-02 Kionix, Inc. Systems and Methods for Compensating for a Misalignment Angle Between an Accelerometer and a Magnetometer
CN104237822B (en) * 2013-06-20 2018-10-19 意法半导体(中国)投资有限公司 Compensation magnetic disturbance for electronic magnetic flowmeter sensor
CN105606096B (en) * 2016-01-28 2018-03-30 北京航空航天大学 A kind of posture of carrier movement status information auxiliary and course calculate method and system
US10429185B2 (en) * 2016-03-11 2019-10-01 SenionLab AB Indoor rotation sensor and directional sensor for determining the heading angle of portable device
CN106017459B (en) * 2016-05-19 2019-03-19 极翼机器人(上海)有限公司 A kind of method of diamagnetic interference
US10809317B2 (en) * 2016-09-23 2020-10-20 Apple Inc. Spatially dependent correction of magnetic field sensor readings

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