TW201411096A - 用於一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合之方法及設備 - Google Patents

用於一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合之方法及設備 Download PDF

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Abstract

本發明揭示整合一三軸磁力計及一三軸加速度計以提供姿態及航向、經校準之磁力計及加速度計資料，以及角速率，同時移除時間及溫度上之感測器誤差源且補償地球磁場之硬鐵及軟鐵失真的方法及設備。經濾波加速度計資料經校正以計及各種誤差源。藉由使用來自該經濾波加速度計資料之準靜態橫搖及縱傾角度，根據自三維地球磁場向量變換之一水平磁場向量來計算該磁航向。一第一卡爾曼濾波器基於區域地球磁場向量之量值恆定的原理來估計狀態向量以形成硬鐵及軟鐵校正矩陣。一第二卡爾曼濾波器估計該磁力計及該加速度計之經耦合剩餘軟鐵及未對準之一校正矩陣，此乃因在一準靜態位置處區域地球磁場向量與一經校正重力加速度向量之點乘積係恆定。藉由透過該等軟鐵及硬鐵校正矩陣移除該等硬鐵及軟鐵來接收三維地球磁場向量。

Description

用於一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合之方法及設備 相關申請案交叉參考
本發明主張對2012年8月2日提出申請且標題為「Method for 6-Axis Magnetometer and Accelerometer Fusion with Intelligent Autonomous Calibration」之美國臨時專利申請案序列號第61/678,638號之優先權。
低成本及小型微機電系統(MEMS)加速度計之可用性已形成各種各樣之新商業應用，其中該等加速度計包含於智慧電話及其他手持式或行動裝置中。舉例而言，與其他類型之MEMS加速度計技術相比，基於量測由於所施加之加速度所致的對流熱轉移之內部改變之原理的一熱MEMS加速度計對於消費型應用而言具有優越優點，包含一低成本製作程序、高可靠性及極佳的耐衝擊或耐碰撞性。
此外，磁力計技術之進步亦使得可能(成本、大小及電力消耗)在一行動裝置中緊密地整合一三軸磁力計與一三軸加速度計以形成一電子羅盤以提供用於達成新應用(舉例而言，基於位置之服務)之準靜態姿態及航向資訊。
其中部署一磁力計或加速度計之區域環境可導致量測波動。作為一項實例，溫度之改變可如其他因子一樣影響量測值。
一磁羅盤之原理係藉由量測地球磁場來判定一磁航向。然而， 在諸如一智慧電話之一行動裝置內部，存在干涉磁場量測值之組件-傳統上稱作「硬」鐵及「軟」鐵失真/干涉。一硬鐵之一實例係一永久磁鐵，諸如在一智慧電話上之揚聲器中或智慧電話保持於其中之皮套上可見之彼等永久磁鐵。一軟鐵係(舉例而言)由鋼製成之一組件，諸如在智慧電話中可見之一EMI屏蔽或螺絲或電池觸點。與周圍空氣相比，鋼提供至磁場之一「較低電阻」路徑，因此場被轉向且必須補償此轉向。硬鐵失真表現得如同磁力計偏差之一改變一般。軟鐵失真表現得如同一磁力計之比例因子之改變一般。需要計及硬鐵及軟鐵以便準確地判定航向。
對於在一行動裝置中實施一三軸磁力計及一三軸加速度計之技術挑戰包含處置感測器誤差源，包含偏差、比例因子及軸之未對準，以及地球磁場之失真(例如，硬鐵及軟鐵)，此等皆促成姿態及航向誤差。由於成本在消費型應用(諸如一智慧電話中之彼等消費者應用)中通常係最大關注點，因此磁力計及加速度計之一複雜且因此昂貴之工廠校準在商業上並不實用。
本發明之實施例實施感測器資料融合(亦即，組合自感測器可獲得之資料)以便準確地判定一裝置之航向及定向。
一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合提供一姿態及航向、經線上校準之磁力計及加速度計資料以及一角速率解決方案。因此，本發明提供用以移除在時間及溫度上之感測器誤差源以及自硬鐵及軟鐵失真恢復地球磁場量測值之磁力計感測器校準。
本發明之實施例提供一種用於一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合以提供一姿態及航向、經線上校準之磁力計及加速度計資料以及角速率解決方案之方法及設備，其中首先濾波該磁力計及加速度計資料以去除離群值並抑制雜訊；基於藉由線上加速度計自動校準 所估計之誤差源而進一步校正該經濾波加速度計資料；基於藉由線上磁力計自動校準所估計之硬鐵及軟鐵失真而進一步校正該經濾波磁力計資料；使用該經校正磁力計資料來計算準靜態橫搖及縱傾角度；使用該等橫搖及縱傾角度來形成自主體框架至水準座標框架之一變換矩陣。將該經校正磁力計資料自該主體框架變換至水準框架以產生水平磁場向量，可使用該水平磁場向量來計算該磁航向；使用橫搖、縱傾、航向來導出角速率；使用該經校準加速度計資料及該等經導出角速率來偵測動態及靜態狀態，繼而使用該等動態及靜態狀態來輔助線上磁力計自動校準及加速度計自動校準。
10‧‧‧載體
12‧‧‧三軸加速度計/加速度計
14‧‧‧三軸磁力計/磁力計
200‧‧‧系統
202-1‧‧‧加速度計介面/介面/介面裝置
202-2‧‧‧磁力計介面/介面/介面裝置
203‧‧‧補償電路/補償模組
204‧‧‧中央處理單元
206‧‧‧唯讀記憶體裝置
208‧‧‧隨機存取記憶體裝置
210‧‧‧輸入/輸出裝置
212‧‧‧匯流排
220‧‧‧原始磁XYZ信號
224‧‧‧經補償XYZ加速度計信號
228‧‧‧原始加速度計XYZ信號
302‧‧‧磁力計資料
304‧‧‧加速度計資料/原始加速度計資料
306‧‧‧濾波器
307‧‧‧經濾波磁力計資料
308‧‧‧濾波器
309‧‧‧經濾波加速度計資料
311‧‧‧誤差源
313‧‧‧加速度計自動校準
314‧‧‧磁力計自動校準/磁自動校準
315‧‧‧經校正加速度計資料/經濾波且經校正感測器資料/加速度計資料
317‧‧‧準靜態橫搖及縱傾角度/橫搖及縱傾角度
319‧‧‧經校正磁力計資料/經濾波且經校正感測器資料/磁力計資料
321‧‧‧水準座標框架/水平磁場向量
322‧‧‧磁航向
328‧‧‧軟陀螺儀處理
329‧‧‧角速率
504‧‧‧卡爾曼濾波器/第一卡爾曼濾波器
508‧‧‧橢球參數
512‧‧‧硬鐵及軟鐵校正矩陣/硬鐵及第一軟鐵校正矩陣/第一軟鐵矩陣
604‧‧‧第二卡爾曼濾波器
608‧‧‧經耦合軟鐵/未對準校正矩陣/軟鐵校正矩陣/精細軟鐵校正矩陣S f
616‧‧‧最終軟鐵校正矩陣
800‧‧‧方法
1004‧‧‧經濾波磁場向量
1008‧‧‧量值/經濾波量值
1104‧‧‧資料緩衝器
1108‧‧‧經簡化模型
1112‧‧‧全硬鐵/軟鐵模型
F‧‧‧箭頭/載體之正向方向
XL‧‧‧區域水準框架(L)之X軸/X軸
XB‧‧‧主體框架(B)之X軸
YL‧‧‧區域水準面之Y軸
YB‧‧‧主體框架之Y軸
ZL‧‧‧區域水準面之Z軸
ZB‧‧‧主體框架之Z軸
θ‧‧‧縱傾角
Φ‧‧‧橫搖角
下文參考隨附諸圖揭示本發明之至少一項實施例之各種態樣。應瞭解，為圖解說明之簡潔及清晰起見，圖式中所展示之元件未必係準確地或按比例繪製。舉例而言，為清晰起見，元件中之某些元件之尺寸可相對於其他元件放大，或數個實體組件可包含於一個功能性方塊或元件中。此外，在認為適當之情況下，可在該等圖式中重複元件符號來指示對應或類似元件。然而，出於清晰之目的，並未標記每一圖式中之每一組件。此等圖係出於圖解說明及闡釋之目的而提供且並非意欲作為對本發明之限制之一定義。在該等圖中：圖1A、圖1B及圖1C係相對於一三軸加速度計及其載體之一標準座標主體框架(B)及一區域水準框架(L)系統之表示；圖2A及圖2B係本發明之一實施例之功能性方塊圖；圖3係圖解說明本發明之一實施例之一功能性方塊圖；圖4係圖解說明本發明之磁力計校準之一實施例之一功能性方塊圖；圖5係圖解說明根據本發明之一實施例之一個磁力計校準方案之一功能性方塊圖； 圖6係圖解說明根據本發明之一實施例之另一磁力計校準方案之一功能性方塊圖；圖7係圖解說明根據本發明之一實施例之卡爾曼濾波之一功能性方塊圖；圖8係圖解說明根據本發明之一實施例之濾波之一功能性流程圖；圖9係圖解說明根據本發明之一實施例之準靜態偵測之一功能性方塊圖；圖10係圖解說明根據本發明之一實施例之磁場干擾偵測之一功能性方塊圖；且圖11係圖解說明根據本發明之一實施例之校準機械化之可變結構之一功能性方塊圖。
於2012年8月2日提出申請且標題為「Method for 6-Axis Magnetometer and Accelerometer Fusion with Intelligent Autonomous Calibration」之美國臨時專利申請案序列號第61/678,638號以全文引用方式且出於所有目的併入本文中。
本發明之實施例實施感測器資料融合(亦即，可自加速度計及磁力計感測器獲得之資料之組合)以便準確地判定一裝置之航向及定向。一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料融合提供一姿態及航向、經線上校準之磁力計及加速度計資料以及一角速率解決方案。因此，本發明提供一種用以移除在時間及溫度上之感測器誤差源並自硬鐵及軟鐵失真恢復地球磁場量測值之磁力計感測器校準。
本發明之一項實施例提供一種為多種應用提供具有硬鐵及軟鐵校準能力兩者之一六軸磁場/加速度計感測器之方法。此等應用包含具備準靜態橫搖、縱傾及磁航向資訊之電子羅盤應用。軟陀螺儀用以 提供包含(舉例而言)動態橫搖/縱傾/航向角度、動態角速率及加速度判定之一偽九軸解決方案。
為了更好地理解本發明之實施例，現在參考圖1A至圖1C，其中相對於一載體10以及將附接至或耦合至載體10之一三軸加速度計12及三軸磁力計14使用一標準座標主體框架(B)及一區域水準框架(L)，如航空電子設備中已知。熟習此項技術者將理解，三軸加速度計12可併入相對於彼此正交地定位之三個單獨加速度計，且三軸磁力計14可併入經類似地配置之磁力計。
載體10之主體軸(B)定義為一座標框架(B)，其中一正XB軸穿過載體之正向方向，如藉由一箭頭F所展示，一正YB軸穿過右方向，如圖中所展示，且一正ZB軸向下指向以完成右手側三軸構造。加速度計12及磁力計14之XYZ軸可與裝置之主體座標框架或與恆定未對準(亦即，一偏移)對準，此並不影響如本文中所闡述之本發明之教示內容及實施例。
如圖1A至圖1C中所展示，主體框架與區域水準框架之間的關係。區域水準框架係以數學方式定義以使得亦定義一橫搖角及一縱傾角θ。區域水準框架(L)定義如下：主體框架(B)之X軸XB投射至區域水準面作為區域水準框架(L)之X軸XL；區域水準面之Y軸YL垂直於X軸XL；且區域水準面之Z軸ZL向下。
來自一三軸磁力計14之原始磁場量測值與對應經校準量測之關係可經模型化如下：Mag c =m misAlign * m sf *(Mag m -bias) (1-1)其中，Mag m =來自三軸磁力計14之XYZ原始量測值；Bias=與三軸磁力計14之XYZ原始量測值之偏差；m sf =比例因子誤差矩陣； m misAlign =未對準矩陣；且Mag c =來自三軸磁力計14之經校準XYZ量測值。
為獲得最佳感測器融合效能，透過一校準程序來識別此等感測器誤差矩陣Bias、m sf 及Mag c 。
若存在硬鐵及軟鐵失真，則來自三軸磁力計14之經校準及經硬鐵/軟鐵補償的XYZ量測值可經進一步模型化如下：Mag cc =m s *(Mag c -h)=S*(Mag m -H) (1-2)其中，m s =軟鐵失真矩陣；h=硬鐵失真向量；S=m s * m misAlign * m sf 其係等效軟鐵失真矩陣；H=Bias+(m misAlign * m sf )-1 * h其係等效硬鐵失真矩陣，且Mag cc =來自三軸磁力計之經校準及經硬鐵/軟鐵補償的XYZ量測值，其可如本文中所闡述用於資料融合。
如自方程式(1-2)所見，等效軟鐵失真矩陣及等效硬鐵失真矩陣包含軟鐵及硬鐵以及感測器誤差矩陣。
根據本發明之一實施例之自動校準方法之一目標係估計用於磁力計量測補償之等效軟鐵失真矩陣S及等效硬鐵失真矩陣H。將進一步使用來自三軸磁力計14之經校準及經硬鐵/軟鐵補償的XYZ量測值來計算航向。
如已知，在一位置處之地球磁場向量之長度恆定。因此，
其中，E=該位置中之地球磁場向量；且L係該位置處之地球磁場向量之平方長度。
方程式(1-3)可經進一步表達如下： X T * A * X+B T * X+C=0 (1-4)
其中，
A=S T * S；B=-2H T A；且C=H T * A * H-L。
因此，可藉由根據橢球二次方程式(1-4)來估計A矩陣、B矩陣及C矩陣而求解軟鐵失真矩陣S及硬鐵失真矩陣H。
如圖2A及圖2B中所展示，且作為一概述，大體而言，用於針對一六軸裝置(亦即，具有根據本發明之一項實施例之一三軸加速度計12及一三軸磁力計14之一裝置)中之誤差進行校準或補償之一系統200包含接收來自三軸加速度計12及來自磁力計14之原始信號。如下文將更詳細闡述，一加速度計介面202-1接收原始加速度計XYZ信號228並處理該等信號，以將經補償XYZ加速度計信號224提供至一補償電路或模組203。
加速度計介面202-1可根據於2011年1月21日提出申請且標題為「System And Method For Calibrating A Three-Axis Accelerometer」之美國專利公開案US 20110264393中所闡述之原理來操作，以提供經補償信號，該美國專利公開案出於所有目的以全文引用的方式併入本文中。彼處，在三軸加速度計之正常操作期間，藉由使用在裝置係「靜態」(亦即，不移動或不經受加速度)時獲得之加速度資料來達成三軸加速度計裝置在時間及溫度範圍上的誤差估計。在此等靜態條件週期期間，三軸加速度計僅感測地球重力加速度。實施針對誤差源之三個估計程序以使用在此等靜態條件週期期間所累積之X、Y及Z加速度量測值，以使得可估計及補償三軸加速度計之誤差源，包含Z軸偏差。
當然，熟習此項技術者將理解，存在用於處理加速度信號以供使用之其他機制，且本發明之實施例並不限於任何一種特定方法，除非在本文中指定。
一磁力計介面202-2接收原始磁XYZ信號220並處理該等信號以提供一XYZ磁信號。
因此，在進一步闡釋中，如圖2B中所展示，補償模組203包含一CPU(中央處理單元)204、一唯讀記憶體(ROM)裝置206、一隨機存取記憶體(RAM)裝置208、一I/O裝置210及一匯流排212。如所展示，此等裝置使用匯流排212彼此通信。用於在該等裝置當中且跨越匯流排212通信之一協定可係一定數目個已知協定中之任一者。此外，儘管僅展示一個匯流排，但熟習此項技術者將理解，可實施多個匯流排，其中僅特定裝置在一各別匯流排上彼此通信且某些裝置可不與其他裝置在同一匯流排上。
在一項實施例中，可藉由使用在多數智慧電話中可見之CPU及相關聯裝置來實施補償模組203。因此，一項實施例可實施於運行(舉例而言)來自蘋果公司(Apple Corporation)之iOS及來自谷歌公司(Google)之安卓(Android)作業系統之一智慧電話上之一電子羅盤應用內。
加速度計介面202-1操作以轉譯自三軸加速度計12接收之信號，且可包含諸如類比轉數位轉換器、信號濾波器等類比信號處理組件。儘管在圖2B中單獨地展示，但補償模組203、介面202-1及202-2以及加速度計12及磁力計14可實施於僅具有用於匯流排212之外部連接之一單個裝置中。另一選擇係，可將此等組件之任何組合或子組合提供至一單個封裝中。在一項實施例中，可在一單個封裝中提供包含經組態以在匯流排212上通信之介面202-1、202-2及補償模組203之一裝置，以便將本文中所闡述之補償特徵提供至一已知裝置(亦即，一現有裝置之一「改裝」)。更進一步，可由運行於CPU 204上之一應用來 實施補償模組203以及介面202-1及202-2。介面裝置202-1、202-2亦可實施為一ASIC(特殊應用積體電路)裝置。
ROM裝置206儲存待由CPU 204執行以實施本文中所闡述之功能之各種軟體或韌體程式，而RAM裝置208用以暫時性地儲存由CPU 204或其他裝置所使用之資料。熟習此項技術者理解此等組件之功能性及其他細節並非必需的，以理解本文中所闡述之本發明之實施例。更進一步，應理解，出於清晰之原因，此處並未展示可見於一商業裝置中以提供其他功能(例如，電力、電話、網際網路瀏覽等)之其他組件。
參考圖3，在本發明之一項實施例中，自律校準係在無使用者互動之情況下執行且並不需要一準確率表或產生一已知參考磁場。首先濾波306、308磁力計資料302及加速度計資料304以去除離群值並抑制雜訊。基於藉由加速度計自動校準313而估計之誤差源311來進一步校正310經濾波加速度計資料309。基於藉由磁力計自動校準314而估計之硬鐵及軟鐵失真來進一步校正312經濾波磁力計資料307。使用經校正之加速度計資料315來計算316準靜態橫搖及縱傾角度317；使用橫搖及縱傾角度317來形成320自主體框架至水準座標框架321之一變換矩陣。將經校正磁力計資料319自主體框架變換320至水準框架以產生水平磁場向量321；且可使用水平磁場向量321來計算磁航向322。
同時，偵測324磁場干擾以輔助磁自動校準314。由於在發生一磁場干擾且磁場改變時可獲得一不正確結果，因此，必須識別並計及磁干擾。藉由使用經校正加速度計資料315及經校正磁力計資料319來計算角速率。基於經校正加速度計資料315、經校正磁力計資料319及角速率329來判定326準靜態時間點(週期)，以對加速度計自動校準及精細磁力計自動校準進行排程。
如已知，在行動裝置中之電子羅盤應用中估計硬鐵及軟鐵係相 對重要的。參考圖4，用於三軸磁力計之自動校準方法可僅使用經濾波磁力計資料或使用經濾波磁力計資料及經濾波加速度計資料兩者。
參考圖5，用於一三軸磁力計之一種校準方法採用一卡爾曼(Kalman)濾波器504。卡爾曼濾波器504之狀態向量含有用於一泛用橢球模型之九個變數。卡爾曼濾波器基於區域地球磁場向量之量值恆定之原則以平衡維持先前狀態估計之需要與校正之需要之一方式來估計狀態向量。使用所估計橢球參數508來形成硬鐵及軟鐵校正矩陣512。
橢球平方方程式(1-4)可進一步經重寫如下：
卡爾曼濾波器之狀態向量包含：X=[θ 1,θ 2,θ 3,θ 4,θ 5,θ 6,θ 7,θ 8,θ 9] T
將方程式(1-5)用作卡爾曼濾波器504之量測方程式。所估計狀態向量可形成如下的硬鐵校正矩陣H=[h 1,h 2,h 3] T (1-6)其中h 1=((f*x(6)-e*x(7))*(b*c-f*f)-(x(7)*c-x(8)*f)*(d*f-b*e))/((a*f-d*e)*(b*c-f*f)-(d*c-e*f)*(d*f-b*e))/2；h 2=(0.5*(f*x(6)-e*x(7))-(a*f-d*e)*h 1)/(d*f-b*e)；h 3=(x(7)-2*d*h 1-2*b*h 2)/f0/2；a=1-x(1)-x(2)；b=1-x(1)+2*x(2)；c=1+2*x(1)-x(2)；d=-2*x(3)； e=-x(4)；f=-x(5)；t=x(9)；軟鐵校正矩陣S可形成如下：
其中，矩陣U及D係矩陣A之特徵分解之結果。矩陣D係具有特徵值之一對角矩陣；且矩陣U由其對應特徵向量組成；
參考圖6，在根據本發明之一實施例之另一校準方法中，一三軸磁力計採用第一卡爾曼濾波器及第二卡爾曼濾波器，其中第一卡爾曼濾波器504含有用於一泛用橢球之九個變數。第一卡爾曼濾波器504基於區域地球磁場向量之量值恆定之原理來估計狀態向量以平衡維持先前狀態之需要與校正之需要。使用所估計之橢球參數508來形成硬鐵及第一軟鐵校正矩陣512。第二卡爾曼濾波器604基於區域地球磁場向量與重力加速度向量之間的角度恆定之原理來模型化及估計一經耦合軟鐵/未對準校正矩陣608。經耦合軟鐵/未對準校正矩陣608模型化在藉由第一卡爾曼濾波器504校正之後的剩餘軟鐵及三軸磁力計與三軸加速度計之間的未對準。在一理想環境中，磁力計之三個軸將分別平行於加速度計之三個軸。然而，在製造程序期間，將出現一未對準且其存在將係顯著的。就剩餘軟鐵而言，第二卡爾曼濾波器604不能使剩餘軟鐵免受未對準，但經設計以估計經耦合矩陣(剩餘軟鐵矩陣與未對準矩陣之乘積)。
如以下所闡述，藉由將第一軟鐵矩陣512乘以612經耦合軟鐵/未對準校正矩陣608來形成一最終的軟鐵校正矩陣616。
藉由將硬鐵校正矩陣(1-6)及軟鐵校正矩陣(1-7)應用於來自三軸磁力計之XYZ原始量測值Mag m ，經校正磁力計向量變為：
第二卡爾曼濾波器604經設計以藉由以下方程式來細調軟鐵校正矩陣608
其中，S f 由第二卡爾曼濾波器604估計，其表示在藉由第一卡爾曼濾波器504校正之後的剩餘軟鐵及三軸磁力計與三軸加速度計之間的未對準。
如已知，區域地球磁場向量與重力加速度向量之間的角度恆定。令Accel=[a x ,a y ,a z ] T 表示一三軸加速度計之量測值。在一準靜態時刻(亦即，其中物件在一靜態或非加速條件下之一時刻)處，地球磁場向量與一重力加速度向量之點乘積恆定：Mag cc * Accel-const=0 (1-10)
第二卡爾曼濾波器604將精細軟鐵校正矩陣S f 608及未知點乘積模型化為狀態向量，且使用方程式(1-10)作為量測方程式來估計狀態向量。
參考圖6，第二卡爾曼濾波器604透過時間傳播及量測更新而遞迴地估計其狀態向量。至第二卡爾曼濾波器604之輸入係已由第一卡爾曼濾波器504校正之磁力計資料、經校準加速度計資料及準靜態偵測326輸出。圖7圖解說明一卡爾曼濾波器之時間傳播及量測更新。
參考圖8，濾波器306、308之一設計目標係減少白雜訊及偵測/消除感測器量測值中之離群值。濾波器306、308由分別應用於磁力計及加速度計量測值之加權移動平均(WMA)及假設檢定(HT)操作組成。
因此，一方法800以接收原始加速度計資料304及原始磁力計資料302之一步驟804開始，且若判定此係第一資料(步驟808)，則控制 進行至步驟812，其中初始化該程序，且隨後計算一經加權移動平均值(步驟816)。該初始化步驟實施以下操作：(1)將移動平均視窗之一長度初始化為某一預設數字，諸如5；(2)將連續離群值之數字初始化為零；(3)將移動平均視窗中之所有資料點初始化為第一資料；(4)將資料點之所有對應殘差初始化為零。將每一資料之殘差定義為經平均資料與資料點之間的差之絕對值；及(5)將每一資料點之一權數初始化為一。
經加權移動平均值係前n個量測值(m t )與變數權數(w t )之均值。舉例而言，感測器量測值之十個樣本之經加權移動平均值係前十個感測器量測之均值。如下文所論述，基於假設檢定824來決策及指派每一資料點之權數(w t )。
在步驟820處計算一殘差值。
假設檢定824藉由檢定殘差來判定進入至移動平均視窗之最新資料是否係一離群值。此步驟824之一般程序包含設置相關空值及對立假設。
H 0：m t =0(非離群值)
H 1：m t ≠0(離群值)
其中，假設H 0意指最新資料係一離群值；假設H 1意指最新資料並非一離群值。
用於此假設檢定824之檢定統計體現如下。計算較佳檢定統計量T(步驟828)，且判定該等檢定統計量是否在F分佈(具有一顯著性水準α)之信賴區間(臨界區)中(步驟832)。
其中=y-A．(y係量測值且係根據高斯模型(Gauss-Markov model)之估計，y=A．x+e，rk(A)=m)，n係量測值之數目且η j =[0…1] T 。
做出決策為「接受H0」或「拒絕H0」(若T在F分佈(α=0.05)之信賴區間中則接受H0，且若T不在F分佈之信賴區間中則拒絕H0)。若做出決策為「接受H0」，則將最新資料之權數設定為零，且在步驟836中將重新計算移動平均視窗之平均值。
現在返回至步驟808，若此並非第一組資料，則控制進行至步驟848，其中比較離群值之數目與一預定數目(舉例而言，五)，以用於判定是否需要增加移動平均視窗之長度。若離群值之數目大於該預定數目，則視窗大小遞增一(步驟852)且控制進行至步驟816。否則，控制在不改變視窗大小之情況下自步驟848直接進行至步驟816。
輸出840由經濾波磁力計資料307及經濾波加速度計資料309組成。
參考圖9，準靜態偵測處理326偵測感測器平臺之準靜態時刻。準靜態偵測處理326接收經濾波感測器及經校正感測器資料315、319以及軟陀螺儀處理328之角速率329及臨限值以判定準靜態時刻。與陀螺儀裝置之實體硬體相比，「軟陀螺儀」係基於軟體之陀螺儀。軟陀螺儀處理328藉由利用載體之動力學及載體經歷之實體條件而根據加速度計資料315及磁力計資料319計算角速率。由於軟陀螺儀處理328並不涉及實際陀螺儀，因此不存在與將其引入至處理相關聯之成本。準靜態偵測處理326使用一臨限值機械化來判定準靜態時刻。
參考圖10，在磁場干擾偵測324中，高通濾波1012經濾波磁場向量1004之量值1008。若經濾波量值大於一第一預定臨限值(步驟1016)，則判定正發生對區域磁場之一磁場干擾(步驟1018)。若經濾波量值1008小於一第二預定臨限值(步驟1020)，則判定干擾消失且區域磁場穩定(步驟1024)。第一預定臨限值大於第二預定臨限值。
在行動裝置應用中，期望磁力計校準以在一極短時間週期中達成高準確度。硬鐵/軟鐵之一全模型在好的幾何形狀及較長收斂時間之情況下自然需要較多資料，因此總是藉助硬鐵/軟鐵之一全模型來開始校準對達成快速校準時間及高準確度兩者可能並非有益。參考圖11，一資料緩衝器1104儲存分佈於3D空間中之XYZ磁力計資料。最初採用一經簡化模型1108用於估計硬鐵及最大/最小軸軟鐵，使得校準程序可藉助有限數目個磁力計資料來迅速獲取主要誤差。然後，一全硬鐵/軟鐵模型1112將校準估計接轉至精細準確度。藉助經緩衝磁力計資料，可達成正向及反向處理。經緩衝XYZ磁力計資料可經反向處理以用於軟鐵校準之全模型。由於航向係藉助地球磁場之水平分量來計算，因此亦併入一水平硬鐵/軟鐵校準以增加水準面中之航向準確度。在藉由卡爾曼濾波器針對硬鐵及軟鐵校準及補償磁力計資料之後，磁力計資料變換至水準面中。若地球磁場之水平分量中不再存在硬鐵/軟鐵，則3D地球磁場向量之2D水平向量之量值恆定，且2D水平向量之軌跡係一圓。然而，若地球磁場向量之水平分量中仍存在硬鐵/軟鐵，則3D地球磁場向量之2D水平磁場向量之量值並不恆定，且2D水平磁場之軌跡係一橢圓。水平硬鐵/軟鐵校準經設計以藉由估計橢圓參數來估計及補償2D水平磁場向量中之剩餘軟鐵及硬鐵。
熟習此項技術者將理解，儘管上文所闡述實施例係關於地球磁場，但若此一系統預定在不同於地球之一主體之磁場中使用，則該等實施例可經修改以調整至彼處。此一實施方案及使用歸屬於本文中所闡述之本發明的範疇。
此外，已將本發明之實施例闡述為包含特定值之判定。應理解，可藉由一計算或一計算步驟來實現彼等判定，且因此，如本文中所使用之判定(determination)及計算(calculation)或判定(determining)及計算(calculating)表示相同概念。
上文所闡述發明之實施例可以完全硬體或硬體與軟體之一組合(包含以一韌體格式儲存以支援專用硬體之程式碼)來實施。上文所闡述實施例之一軟體實施方案可包括一系列電腦指令，該系列電腦指令固定於一有形媒體(諸如一電腦可讀媒體，例如，磁片、CD-ROM、ROM或固定磁碟)上或可經由一數據機或其他介面裝置在一載波中傳輸至一電腦系統。該媒體可係一有形媒體(包含但不限於光學或類比通信線)，或可藉助無線技術(包含但不限於無線電、微波、紅外線或其他傳輸技術)來實施。含納於一有形媒體或一載波中之該系列電腦指令體現本文中先前相對於本發明之實施例所闡述之功能性之所有或部分功能性。熟習此項技術者應瞭解，此等電腦指令可以一定數目個程式設計語言撰寫以與眾多電腦架構或作業系統一起使用且可以機器可執行格式存在。預期此一電腦程式產品可作為具有附隨印刷或電子文件(例如，經收縮薄膜包裝之軟體)、預載入有一電腦系統(例如在系統ROM或固定磁碟上)之可移除媒體分銷，或在一網路(例如網際網路或全球資訊網)上自一伺服器分銷。
雖然已揭示本發明之各種例示性實施例，但熟習此項技術者將明瞭，可在不背離本發明之一般概念之情況下做出將達成本發明之某些優點之改變及修改。熟習此項技術者將明瞭，可適合地替換執行相同功能之其他組件。此外，可在使用適當處理器指令之所有軟體實施方案或在利用硬體邏輯與軟體邏輯之一組合來達成相同結果之混合實施方案中達成本發明之方法。此等變更、修改及改良意欲為本發明之部分且意欲歸屬於本發明之範疇內。因此，前述說明及圖式係僅藉由實例方式，且應根據隨附申請專利範圍及其等效形式之適當構建來判定本發明之範疇。
12‧‧‧三軸加速度計/加速度計
14‧‧‧三軸磁力計/磁力計
302‧‧‧磁力計資料
304‧‧‧加速度計資料/原始加速度計資料
306‧‧‧濾波器
307‧‧‧經濾波磁力計資料
308‧‧‧濾波器
309‧‧‧經濾波加速度計資料
311‧‧‧誤差源
314‧‧‧磁力計自動校準/磁自動校準
315‧‧‧經校正加速度計資料/經濾波感測器資料/加速度計資料
317‧‧‧準靜態橫搖及縱傾角度/橫搖及縱傾角度
319‧‧‧經校正磁力計資料/經濾波且經校正感測器資料/磁力計資料
321‧‧‧水準座標框架/水平磁場向量
322‧‧‧磁航向
328‧‧‧軟陀螺儀處理
329‧‧‧角速率

Claims (12)

  1. 一種融合來自一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料以提供一裝置之一磁航向之電腦實施方法，該方法包括：自該磁力計接收與該裝置相關聯之磁場量測值；自該加速度計接收與該裝置相關聯之加速度量測值；濾波該等磁場量測值以移除離群資料點及雜訊，且獲得經濾波磁場資料；濾波該等加速度量測值以移除離群資料點及雜訊，且獲得經濾波加速度量測值；依據一或多個誤差源來校正該等經濾波加速度量測值，且獲得經校正加速度量測值；針對硬鐵及軟鐵失真來校正該經濾波磁場資料，且獲得經校正磁場量測值；依據該等經校正加速度量測值來計算該裝置之準靜態橫搖及縱傾角度；依據該等經計算之準靜態橫搖及縱傾角度來形成自一主體框架至一水準座標框架之一變換矩陣；將該等經校正磁場量測值自該主體框架變換至該水準框架，且產生一水平磁場向量；及依據該所產生之水平磁場向量來判定該裝置之一磁航向。
  2. 如請求項1之電腦實施方法，其中針對硬鐵及軟鐵失真來校正該經濾波磁場資料包括：將一第一卡爾曼(Kalman)濾波器應用於該經濾波磁場資料且產生第一軟鐵及硬鐵矩陣，其中該第一卡爾曼濾波器係基於區域地球磁場向量之量值恆 定的原理。
  3. 如請求項2之電腦實施方法，進一步包括：判定該裝置何時在一準靜態條件下，且若判定如此，則：將一第二卡爾曼濾波器應用於該經濾波磁場資料且產生一經耦合軟鐵/未對準校正矩陣，其中該第二卡爾曼濾波器係基於該區域地球磁場向量與重力加速度向量之間之一角度恆定的原理。
  4. 如請求項3之電腦實施方法，進一步包括：將該經耦合軟鐵/未對準校正矩陣乘以該第一軟鐵矩陣，且產生一軟鐵校正矩陣，其中依據該所產生之軟鐵校正矩陣來判定該裝置之該磁航向。
  5. 如請求項1之電腦實施方法，進一步包括：判定是否存在一磁場干擾。
  6. 如請求項1之電腦實施方法，進一步包括：判定該磁場是否穩定。
  7. 一種包含儲存電腦指令之一儲存裝置之電腦系統，該等電腦指令在由一電腦執行時實施融合來自一三軸磁力計及一三軸加速度計之資料以提供一對應裝置之一磁航向之一方法，該方法包括：自該磁力計接收與該裝置相關聯之磁場量測值；自該加速度計接收與該裝置相關聯之加速度量測值；濾波該等磁場量測值以移除離群資料點及雜訊，且獲得經濾波磁場資料；濾波該等加速度量測以移除離群資料點及雜訊，且獲得經濾波加速度量測值； 依據一或多個誤差源來校正該等經濾波加速度量測值，且獲得經校正加速度量測值；針對硬鐵及軟鐵失真來校正該經濾波磁場資料，且獲得經校正磁場量測值；依據該等經校正加速度量測值來計算該裝置之準靜態橫搖及縱傾角度；依據該等經計算的準靜態橫搖及縱傾角度來形成自一主體框架至一水準座標框架之一變換矩陣；將該等經校正磁場量測值自該主體框架變換至該水準框架，且產生一水平磁場向量；及依據該所產生之水平磁場向量來判定該裝置之一磁航向。
  8. 如請求項7之電腦系統，其中針對硬鐵及軟鐵失真來校正該經濾波磁場資料包括：將一第一卡爾曼濾波器應用於該經濾波磁場資料，且產生第一軟鐵及硬鐵矩陣，其中該第一卡爾曼濾波器係基於區域地球磁場向量之量值恆定的原理。
  9. 如請求項8之電腦系統，其中該方法進一步包括：判定該裝置何時在一準靜態條件下，且若判定如此，則：將一第二卡爾曼濾波器應用於該經濾波磁場資料，且產生一經耦合軟鐵/未對準校正矩陣，其中該第二卡爾曼濾波器係基於該區域地球磁場向量與重力加速度向量之間之一角度恆定的原理。
  10. 如請求項9之電腦系統，其中該方法進一步包括：將該經耦合軟鐵/未對準校正矩陣乘以該第一軟鐵矩陣，且產生一軟鐵校正矩陣， 其中依據該所產生之軟鐵校正矩陣來判定該裝置之該磁航向。
  11. 如請求項7之電腦系統，其中該方法進一步包括：判定是否存在一磁場干擾。
  12. 如請求項7之電腦系統，其中該方法進一步包括：判定該磁場是否穩定。
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