TWI452263B - Geomagnetic detection device - Google Patents
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Description
本發明係關於一種求出地磁感測器所檢測到的地磁向量作為球面座標上之座標點資料之地磁檢測裝置，尤其係關於如下之地磁檢測裝置，該地磁檢測裝置可於進行求出球面座標之中心之座標點的校準處理之後，根據計算值對檢測精度或運算精度進行評估。
使用有配置於3個軸上之地磁感測器之地磁檢測裝置係用作方位感測器或角速度感測器等。該地磁檢測裝置藉由朝彼此正交之X軸、Y軸及Z軸配置之地磁感測器而對地磁進行檢測之後，根據該檢測輸出，將地磁向量識別為三維座標上之座標點。
對於此種地磁檢測裝置而言，於接通電源之時點，由於偏移磁場之存在或來自外部之地磁以外之磁體噪聲的影響，不知道地磁向量會出現於三維座標上之哪個位置。因此，必需進行校準處理，將所檢測出之座標點資料轉換成以預定之原點為中心之三維座標上之資料。
於以下之專利文獻1中，已指出地磁檢測裝置所檢測出之方位資料會出現於近似於橢圓之座標系上，且揭示有如下內容：藉由運算而將測定值之座標系轉換為數學上理想之圓形環並進行補償。
於以下之專利文獻2中，揭示有如下發明，即，作為以較少之資料量而求出三維座標上之基準原點之方法，當對複數個地磁向量進行檢測而獲得三個座標點資料時，根據三個座標點資料而求出等距離之點，將該點設為基準原點。
專利文獻1：日本專利特表平7-507874號公報
專利文獻2：日本專利特開2007-163389號公報
對於校準處理而言，必需使地磁檢測裝置旋轉等而對複數個座標點資料進行檢測，使用該座標點資料而算出球面座標之基準原點。
因此，方位等之運算結果中除了包含磁感測器之感度之差異或檢測電路之特性之差異之外，亦包含校準處理之運算之誤差，從而方位之運算結果中所含之誤差之累計變大。因此，通常，必需評估校準之後所獲得之方位等之運算結果中包含何種程度之誤差。
又，除赤道附近以外，必需根據投影至與地平面水平之座標面之投影向量而算出地磁向量之方位，但對於緯度高且地磁向量之傾角大的地區而言，由於投影向量變短，故而相對於所運算之投影向量而言，誤差所占之比例變大。於該情形時，通常更必需評估方位等之運算結果中包含何種程度之誤差。
本發明係解決上述先前之問題之發明，其目的在於提供如下地磁檢測裝置，該地磁檢測裝置可算出校準之後的座標點資料之運算結果中包含何種程度之誤差，且可正確地對方位等之運算結果之可靠性進行評估。
本發明之地磁檢測裝置之特徵在於：其包括已預定三維檢測座標之地磁檢測部以及運算部，上述地磁檢測部搭載有X軸感測器、Y軸感測器、以及Z軸感測器，上述X軸感測器係當三維檢測座標之X方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值，上述Y軸感測器係當Y方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值，上述Z軸感測器係當Z方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值，上述運算部根據上述檢測輸出而求出地磁向量之朝向作為三維檢測座標上之座標點資料，當獲得複數個座標點資料時，求出與複數個座標點資料之間的誤差最小時之修正球面座標、及三維檢測座標上之上述修正球面座標之中心之座標點，並且將各個座標點資料換算為於三維檢測座標之原點處具有中心之上述修正球面座標上之修正座標點資料，將自上述原點至複數個修正座標點資料為止之距離(ri)、與上述修正球面座標之半徑(R)的偏差(δR)用作檢測精度或運算精度之評估基準。
本發明之地磁檢測裝置可包括對上述地磁檢測部之姿勢進行檢測之加速度感測器，上述運算部根據上述加速度感測器之檢測輸出而求出重力向量，求出自垂直於重力向量之X0-Y0平面至地磁向量為止之傾角(I)，將R‧cosI與上述偏差(δR)用作檢測精度或運算精度之評估基準。
例如，本發明之地磁檢測裝置根據R‧cosI與上述偏差(δR)之比而求出方位角(θ)之偏差(δθ)，將上述偏差(δθ)用作檢測精度或運算精度之評估基準。
本發明中可設置顯示裝置，該顯示裝置顯示配置地磁檢測部之位置之地圖資訊，當上述顯示裝置旋轉時，伴隨方位角(θ)之變化，可每隔特定之角度來切換上述地圖資訊之朝向，根據方位角(θ)之偏差(δθ)來切換上述角度。
本發明利用數1對Fi進行運算，求出J為最小時之xc、yc、zc以及a、b、c，算出修正球面座標及其中心位置(xc、yc、zc為三維檢測座標中之修正球面座標之中心之座標點，a、b、c為基於X軸感測器、Y軸感測器、及Z軸感測器之感度之係數)。
或者，於上述(b)中，利用上述數2對Fi進行運算，求出J為最小時之xc、yc、zc與R，算出修正球面座標及其中心位置(xc、yc、zc為三維檢測座標中之修正球面座標之中心之座標點，R為修正球面座標之半徑)。
本發明之地磁檢測裝置係，於進行求出修正球面座標與修正座標點資料之校準處理之後，求出以修正球面座標為基準之修正座標點資料之偏差，藉此，可對運算之後之修正球面座標與修正座標點資料進行評估。
因此，於偏差大之情形時，可將此時所獲得之資料予以刪除或忽視，或者可通知使用者此時所獲得之資料為誤差大之資料。或者，可立即重新進行校準處理。進而，當將地圖資訊顯示於顯示裝置且對應於地磁檢測裝置之移動而切換地圖資訊之朝向時，可根據運算結果中之誤差之程度而使切換地圖資訊之朝向時之角度發生變化等。
圖1所示之本發明之實施形態之地磁檢測裝置1主要係用作方位感測器，其包括地磁檢測部2與三軸加速度感測器8。
如圖3所示，地磁檢測裝置1係將彼此正交之作為基準軸之X1軸與Y1軸以及Z1軸定為固定軸。由X1軸與Y1軸以及Z1軸決定三維檢測座標。地磁檢測裝置1搭載於行動用機器等中，且可維持三維檢測座標之X1軸與Y1軸以及Z1軸之正交關係而自由地於空間內移動。
如圖3所示，於地磁檢測部2中，X軸感測器3沿X1軸而固定，Y軸感測器4沿Y1軸而固定，Z軸感測器沿Z1軸而固定。X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5均係由GMR(Giant Magneto Resistive，巨磁阻)元件(巨磁阻效應元件)構成。GMR元件包括：由Ni-Co合金或Ni-Fe合金等軟磁性材料形成之固定磁性層及自由磁性層、及夾持於固定磁性層與自由磁性層之間的銅等之非磁性導電層。於固定磁性層之下方積層有反強磁性層，藉由反強磁性層與固定磁性層之交換耦合而將固定磁性層之磁化予以固定。
X軸感測器3對地磁向量之朝向X1方向之成分進行檢測，固定磁性層之磁化之朝向固定於沿X1軸之PX方向。自由磁性層之磁化之朝向會對於地磁之朝向作出反應。若自由磁性層之磁化之朝向與PX方向平行，則X軸感測器3之電阻值極小，若自由磁性層之磁化之朝向與PX方向相反，則X軸感測器3之電阻值極大。又，若自由磁性層之磁化之朝向與PX方向正交，則電阻值為上述極大值與極小值之平均值。
對於圖1所示之磁場資料檢測部6而言，X軸感測器3與固定電阻串聯地連接，X軸感測器3與固定電阻之串聯電路上施加有電壓，取出X軸感測器3與固定電阻之間的電壓作為X1軸之檢測輸出。當朝向X1方向之磁場未施加於X軸感測器3時、或當施加有與PX正交之磁場時，X1軸之檢測輸出為中點電位。
若使整個地磁檢測部2傾斜，使X軸感測器3之固定磁性層之磁化之固定方向PX成為與地磁向量V相同之朝向，則施加於X軸感測器3之磁場成分為極大值。此時之X1軸之檢測輸出為處於上述中點電位之正側之極大值。相反地，若使X軸感測器3之固定磁性層之磁化的固定方向PX朝向與地磁向量V相反之方向，則施加於X軸感測器3之逆向之磁場成分為極大值。此時之X1軸之檢測輸出為處於上述中點電位之負側之極大值。
Y軸感測器4與Z軸感測器5亦分別與固定電阻串聯地連接，Y軸感測器4或Z軸感測器5與固定電阻之串聯電路上施加有電壓，取出各感測器與固定電阻之間的電壓作為Y1軸或Z1軸之檢測輸出。
若使Y軸感測器4之固定磁性層之磁化的固定方向PY成為與地磁向量V相同之朝向，則Y1軸之檢測輸出成為相對於中點電位為正側之極大值。若使Y軸感測器4之固定磁性層之磁化之固定方向PY朝向與地磁向量V相反之方向，則Y1軸之檢測輸出成為相對於中點電位為負側之極大值。同樣地，若使Z軸感測器5之固定磁性層之磁化之固定方向PZ成為與地磁向量V相同之朝向，則Z1軸之檢測輸出成為相對於中點電位為正側之極大值。若使Z軸感測器5之固定磁性層之磁化的固定方向PZ朝向與地磁向量V相反之方向，則Z1軸之檢測輸出成為相對於中點電位為負側之極大值。
若地磁向量V之大小為固定，則來自X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5之檢測輸出之正側之極大值的絕對值與負側之極大值的絕對值均相同。
X軸感測器3係根據地磁向量之朝向而獲得正側之檢測輸出與負側之檢測輸出，若正側之檢測輸出之極大值之絕對值與負側之檢測輸出之極大值之絕對值相同，則亦可由GMR元件以外之地磁感測器而構成X軸感測器3。例如，亦可將可沿X1軸而僅對正側之磁場強度進行檢測之霍耳元件或MR元件、與可僅對負側之磁場強度進行檢測之霍耳元件或MR元件加以組合而用作X軸感測器3。此對於Y軸感測器4與Z軸感測器5而言亦相同。
如圖1所示，磁場資料檢測部6所檢測出之X軸與Y軸以及Z軸之檢測輸出被賦予至運算部10。運算部10包含A/D轉換部與CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)以及時脈電路等。對應於運算部10之時脈電路之測量時間，磁場資料檢測部6所檢測出之X軸與Y軸以及Z軸之檢測輸出係以短週期而間歇性地被取樣且由運算部10讀出。各個檢測輸出藉由設置於運算部內之上述A/D轉換部而轉換為數位值。
記憶體7連接於構成運算部10之CPU。用以進行運算處理之軟體經程式設計而儲存於記憶體7中。運算部10之運算處理係藉由上述軟體而執行。
運算部10根據軟體進行運算處理。轉換為數位資料之X1軸之檢測輸出與Y1軸之檢測輸出以及Z1軸之檢測輸出於運算部10中經運算處理，轉換為圖4所示之X1-Y1-Z1之三維檢測座標上之座標點資料Di(xi，yi，zi)，且儲存於圖2所示之資料緩衝器(緩衝記憶體)11中。與時脈電路同步地以短週期被取樣且經運算之上述座標點資料Di被賦予至資料緩衝器11之儲存部11a。每當座標點資料Di賦予至儲存部11a時，之前所獲得之座標點資料Di則依序被送出至儲存部11a至11m為止，最末段之儲存部11m之座標點資料Di被捨棄。於地磁檢測裝置1進行動作期間，每隔固定時間持續地自磁場資料檢測部6將最新之資料予以讀出，運算之後之座標點資料Di依序逐步儲存於資料緩衝器11中。
如圖1所示，於地磁檢測裝置1中設置有三軸加速度感測器8。該三軸加速度感測器8對分別沿X1軸與Y1軸以及Z1軸之朝向之加速度進行檢測，其檢測輸出被賦予姿勢檢測部9。於姿勢檢測部9中，根據分別沿X1軸與Y1軸以及Z1軸之朝向之加速度而算出圖5所示之重力加速度向量A，且將該資訊賦予運算部10。
如圖4所示，當將地磁檢測部2放置於地球上之任一個場所時，自地磁檢測部2之X軸感測器3獲得檢測輸出xi，自Y軸感測器4獲得檢測輸出yi，自Z軸感測器5獲得檢測輸出zi。於圖2所示之運算部10中，根據各軸之檢測輸出xi、yi、zi而對X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標上之表示地磁向量V之朝向之座標點資料Di(xi，yi，zi)進行運算。
於測定場所為北半球之情形時，地磁向量V係朝地平線以特定之傾角入射。藉此，如圖4所示，於具有X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標中，地磁向量V朝向校準前之球面座標G1之中心Oc，地磁向量V之朝向係表示為以地磁向量V之絕對值為半徑之球面座標G1上之座標點資料Di(xi，yi，zi)。
每隔取樣週期而逐次獲得座標點資料Di(xi，yi，zi)(i=1、2、3、4、...)，且將該座標點資料Di(xi，yi，zi)依序逐步儲存於資料緩衝器11中。上述複數個座標點資料Di(xi，yi，zi)分佈於上述球面座標G1之表面。
接通電源，於表示檢測動作之時點，球面座標G1之中心Oc之座標(xc，yc，zc)不明確，球面座標G1之形狀或半徑亦不明確。具有X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標之原點O與球面座標G1之中心Oc之位置偏差係，由地磁以外之外部磁場之影響或X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5之感度之差異或來自電路之雜訊等而引起的偏差量。
因此，於運算部10中，獲得複數個座標點資料Di(xi，yi，zi)之後，進行以下之校準處理。
運算部10係利用以下之數3之方程式而對圖4所示之校準前之球面座標G1進行識別。
[數3]
xc、yc、zc係X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標中的球面座標G1之中心Oc之座標。a為與X軸感測器3之感度相關之係數，b為與Y軸感測器4之感度相關之係數，c為與Z軸感測器5之感度相關之係數。當X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5之感度高精度地相一致時，數3為球之方程式。實際上，X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5之感度存在差異，連接有各個感測器之電路亦存在差異，因此，數3並非為球之方程式而為橢圓球等之方程式。
進行校準處理，以求出數3之xc、yc、zc以及a、b、c之值。若所獲得之複數個座標點資料Di(xi，yi，zi)無差異，且各個座標點資料Di出現於相同之球面座標(球面或橢圓球等之座標)G1，則將所獲得之複數個xi、yi、zi(i=1、2、3、4、...)各自之值代入至數3之x、y、z，對聯立方程式進行求解之後，可求出xc、yc、zc以及a、b、c之值。
然而，實際上，各個座標點資料Di(xi，yi，zi)存在差異。因此，如以下之數4所示，以Fi表示數3之方程式，求出Fi之平方之累積值之1/2即J為最小時之xc、yc、zc以及a、b、c之值。亦即，藉由最小平方法求出與複數個座標點資料Di之間的誤差為最小之球面或橢圓球之方程式。
[數4]
為了簡化上述數4之Fi之方程式，將a、b、c設為以下之數5。數5將與X軸感測器3之檢測輸出之感度相關之係數a設為R，Ay係由與Y軸感測器4之檢測輸出之感度相關之係數b相對於a之比表示，Az係由與Z軸感測器5之檢測輸出之感度相關之係數c相對於a之比表示。若使用R與Ay以及Az而表示數4之Fi與J，則成為以下之數6之Fi'與J'。
[數5]
[數6]
繼而，求出上述J'為最小時之xc、yc、zc以及R、Ay、Az之值。如以下之數7所示，利用xc、yc、zc以及R、Ay、Az之各個未知數而對J'進行偏微分，對偏微分所獲得之聯立方程式進行求解，藉此，可求出J'為最小時之xc、yc、zc以及R、Ay、Az之值。
[數7]
其中，
[數8]
由於上述數7為非線性聯立方程式，故而無法以一般之解法而求解，藉由利用Gauss-Newton(高斯-牛頓)法等之數值解法進行迭代計算而求出上述xc、yc、zc以及R、Ay、Az之值。
或者，亦可不利用上述迭代計算而將數6之Fi'變形為以下之數9所示之線性方程式之後，求出xc、yc、zc以及R、Ay、Az之值。
[數9]
數9
F' i
=(x i
-x c
)2
+Ay 2
(y i
-y c
)2
+Az 2
(z i
-z c
)2
-R 2
=x i 2
-2x i x c
+x c 2
+Ay 2 y i 2
-2Ay 2 y i y c
+Ay 2 y c 2
+Az 2 z i 2
-2Az 2 z i z c
+Az 2 z c 2
-R 2
將數9中之各未知數以及未知數之方程式設為以下之數10。
[數10]
數10
a 1
=Ay 2
a 2
=Az 2
a 3
=-2x c
a 4
=-2Ay 2 y c
a 5
=-2Az 2 z c
a 6
=x c 2
+Ay 2 y c 2
+Az 2 z c 2
-R 2
若使用數10將Fi'與J'予以改寫，則成為以下之數11。
[數11]
若利用作為未知數之a1、a2、a3、a4、a5、a6對數11之J'進行偏微分而設為0，則成為以下之數12之聯立方程式。
[數12]
若利用行列式來表示數12，則成為以下之數13。
[數13]
由於上述行列式為包含未知數a1、a2、a3、a4、a5、a6之線性聯立方程式，故而可利用高斯消去法等之數值分析來求解。該數值分析無需如對數7所示之非線性方程式進行求解時之迭代計算，故而CPU等可以比較短之時間而獲得解。
藉由對未知數a1、a2、a3、a4、a5、a6進行求解，如以下之數14所示，可求出xc、yc、zc與R、Ay、Az。
[數14]
又，於X軸感測器3與Y軸感測器4以及Z軸感測器5之感度無差異之情形時、或者當欲忽視各感測器之感度之差異而將運算予以簡化時，可利用以下之數15來表示圖4所示之球面座標G1。數15為球面之方程式。
[數15]
數15
(x
-x c
)2
+(y
-y c
)2
+(z
-z c
)2
=R 2
由於此時之未知數僅為xc、yc、zc與R，故而與求出數3中之未知數xc、yc、zc以及a、b、c相比較，可更將運算予以簡化。上述R為與圖4所示之球面座標G1之中心Oc相距之半徑，其相當於地磁向量之絕對值。
若與求出數3之未知數同樣地對數15中之未知數xc、yc、zc以及R進行運算，則如下所述。以下，數16相當於數4，數17與數18相當於數7與數8。數19與數20以及數21相當於數9與數10以及數11。數22與數23相當於數12與數13。
[數16]
[數17]
[數18]
[數19]
數19
F i
=(x i
-x c
)2
+(y i
-y c
)2
+(z i
-z c
)2
-R 2
=x i 2
-2x i x c
+x c 2
+y i 2
-2y i y c
+y c 2
+z i 2
-2z i z c
+z c 2
-R 2
≡x i 2
+y i 2
+z i 2
+a 1 x i
+a 2 y i
+a 3 z i
+a 4
[數20]
數20
a 1
=-2x c
a 2
=-2y c
a 3
=-2z c
a 4
=x c 2
+y c 2
+z c 2
-R 2
[數21]
[數22]
[數23]
藉由上述運算，如數24所示，可求出未知數xc、yc、zc以及R。
[數24]
接通電源，地磁檢測裝置1啟動，其後，當獲得特定數量之座標點資料Di(xi，yi，zi)時，進行上述校準處理。或者定期地進行上述校準處理。
藉由上述校準處理，圖4所示之顯現座標點資料Di(xi，yi，zi)之球面座標G1之中心Oc之X1-Y1-Z1軸的三維檢測座標上之座標位置(xc，yc，zc)變得明確。又，決定作為球面或橢圓球之球面座標G1之形狀的各常數變得明確。於校準處理之後，將決定中心Oc之座標位置以及球面座標G1之形狀的各常數保持於運算部10內之記憶體中。使用保持於記憶體之常數對其後所獲得之座標點資料Di(xi，yi，zi)進行修正。
利用數3對球面座標G1之方程式進行定義，於數14中，當求出未知數xc、yc、zc以及R、Ay、Az時，將於校準處理之後所獲得之座標點資料Di之座標點xi、yi、zi代入至以下之數25，從而獲得修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')。
(數25)
xi'=xi-xc
yi'=Ay‧(yi-yc)
zi'=Az‧(zi-zc)
利用數15來對球面座標G1之方程式進行定義，於數24中，當求出未知數xc、yc、zc以及R時，可將於校準處理之後所獲得之座標點資料Di的座標點xi、yi、zi代入至以下之數26，從而獲得修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')。
(數26)
xi'=xi-xc
yi'=yi-yc
zi'=zi-zc
如圖5所示，藉由校準處理而經修正之修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')係於X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標之原點O處具有中心Oc，且表示為數學上正確之球面形狀即修正球面座標G0上之座標點。修正球面座標G0之半徑為R。該R相當於數5與數15中所使用之R，且該R為以X軸感測器3之感度定為基準之值。
由於修正球面座標G0之中心與X1-Y1-Z1軸之三維檢測座標之原點O相一致，故而可根據顯現於該修正球面座標G0上之修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')、與圖1所示之三軸加速度感測器8之檢測輸出而求出地磁向量之傾角I。
圖5中表示有三軸加速度感測器8所檢測出之重力加速度向量A。又，當地磁檢測裝置1於空間上以相同之姿勢停止時，利用M表示根據修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')獲得之地磁向量。
如以下之數27所示，可根據重力加速度向量A與靜止時之地磁向量M之內積而求出兩個向量之相對角度α，藉由自α減去90度，可求出地磁向量M之傾角I。
[數27]
圖6表示以使重力加速度向量A朝向Z軸之負方向之方式進行修正的X0-Y0-Z0軸之三維修正座標。三維修正座標之X0-Y0平面與水平面之朝向一致。當測定場所為北半球時，由與X0-Y0平面之間具有正側之角度(傾角)I之朝向來表示地磁向量M。
繼而，以如下方式進行上述校準處理之後的對於檢測精度或運算精度之評估。
於校準處理之後，藉由以下之數28而算出圖6所示之三維修正座標上之修正球面座標G0上所顯現的複數個修正座標點資料Di'(xi'，yi'，zi')、與三維修正座標之原點O的距離ri。利用以下之數29而求出所獲得之複數個上述距離ri與修正球面座標之半徑R的偏差δR。
[數28]
[數29]
於運算部10中，可根據半徑R與上述偏差δR之比來對檢測精度或運算精度進行評估。然而，可藉由以下之運算而更高精度地對檢測精度或運算精度進行評估。
將地磁向量M投影至三維修正座標之X0-Y0平面，求出其投影向量與X0軸等之角度。該角度為方位角θ。此處，地磁向量M之傾角I越大，則投影至X0-Y0座標面之投影向量越短。其結果，數29中所示之偏差δR於投影向量中所占之比例變大，檢測精度或運算精度下降，方位角θ之測定誤差變大。
因此，於運算部10中，藉由以下數30而求出R horizontal。R horizontal於圖6所示之修正球面座標G0中，係相當於顯現有地磁向量M之修正座標點資料Di'之緯度線Ha與Z0軸相距的平面半徑。
[數30]
數30
R Horizontal
=R
‧cosI
藉由以上述數29中所獲得之偏差δR、與數30中所獲得之R horizontal之比為基準，可高精度地對檢測精度或運算精度進行評估。一般認為，上述偏差δR相對於數30中所獲得之平面半徑R horizontal之比例係相當於誤差相對於地磁向量之檢測值之比例。因此，顯現有修正座標點資料Di之緯度越高，則誤差成分相對於地磁向量之檢測值之比例越大。
繼而，由於考慮到將誤差成分相對於所測定之地磁向量之檢測值的比例直接反映為誤差成分相對於方位角θ之測定值的比例，故而於以下之數31中，根據緯度線Ha之平面半徑R horizontal與偏差δR而求出方位角θ之偏差δθ。
[數31]
圖7係將圖6所示之修正球面座標G0投影於經過赤道線H0之平面的圖。如上述數31所示，假定緯度線Ha之平面半徑R horizontal與偏差δR之比以該比例而表現為方位角θ之偏差δθ。亦可根據該方位角θ與其偏差δθ之比而高精度地對檢測精度或運算精度進行評估。
於運算部10中，當偏差δR相對於緯度線Ha之平面半徑R horizontal的比超過特定之比例時、或當偏差δθ相對於方位角θ的比超過特定之比例時，判斷為檢測精度或運算精度下降，例如，於該時點可進行如下處理，即，使用儲存於資料緩衝器11中之複數個座標點資料Di重新進行上述校準。
或者，亦可由運算部10對偏差δθ相對於方位角θ之比進行監視，根據上述比，以百分率(%)而算出方位角θ之可靠度，將該可靠度顯示於行動機器等之顯示裝置上。或者，於偏差δθ相對於方位角θ之比例大之情形時，亦可將該方位角θ之資料作為可靠性低之資料而予以忽視。
繼而，當於地磁檢測裝置1中設置有GPS(Global Positioning System，全球定位系統)裝置等對當前位置進行檢測之機構時，可將相當於當前位置之地圖資料自記憶體7中抽出，如圖6所示，將地圖資料顯示於顯示裝置15之顯示畫面15a上。
該裝置根據上述運算所獲得之方位角θ之資訊，對顯示於顯示裝置15之顯示畫面上之地圖資訊之朝向進行切換。例如，於地磁檢測裝置1搭載於行動用機器中之情形時，若持有行動用機器之人旋轉而使顯示裝置15改變朝向，則顯示於顯示畫面上之地圖資訊之朝向會階段性地切換。
圖6表示顯示畫面15a之朝向與地圖資訊之顯示之朝向的關係。當行動機器朝向北(N)時，地圖資訊之北(N)朝向顯示畫面15a之前方。若朝逆時針方向旋轉而使行動機器朝向西北(NW)，則顯示於顯示畫面15a上之地圖資訊朝順時針方向旋轉，地圖資訊之西北朝向顯示畫面15a之前方。進而，若行動機器朝向西(W)，則顯示於顯示畫面15a上之地圖資訊朝順時針方向旋轉，地圖資訊之西朝向顯示畫面15a之前方。
於具有如上所述之功能之地磁檢測裝置1中，根據偏差δR相對於緯度線Ha之平面半徑R horizontal之比、或偏差δθ相對於方位角θ之比的大小，對使顯示於顯示畫面15a上之地圖資訊旋轉時的分割角度進行切換。當偏差δR相對於緯度線Ha之平面半徑R horizontal的比大時、或當偏差δθ相對於方位角θ之比大時，於使行動機器旋轉時，若減少使地圖資訊旋轉時之分割數，且不以大角度進行旋轉，則地圖資訊之朝向不會切換。相反地，當上述比小時，於增加分割數，且以小角度進行旋轉時，地圖資訊之朝向會切換。
例如，於地磁檢測裝置1沿地平面旋轉一周時，圖8所示之顯示畫面15a之地圖資訊分割為36段而進行切換之情形時，每當地磁檢測裝置1旋轉10度，則地圖資訊之朝向會切換。於該情形時，若存在10度左右之偏差δθ，則即便地磁檢測裝置1未旋轉，仍存在產生畫面之地圖資訊相繼切換之波動之虞。因此，當偏差δθ為10度左右時，例如，於地磁檢測裝置1沿地平面旋轉一周時分割為18段，只有旋轉角度為20度時，才對地圖資訊之朝向進行切換，藉此，可防止波動，從而可穩定地顯示地圖資訊。
因此，地圖資訊之朝向切換時之地磁檢測裝置1之旋轉角度θd較佳為2‧δθ≦θd。
藉此，即便偏差θR相對於方位角θ之比大時，亦可使顯示於顯示畫面15a上之地圖資訊穩定，例如可解決顯示於顯示畫面15a上之地圖資訊追隨方位角θ之運算值之差異而細微地波動等的問題。
1．．．地磁檢測裝置
2．．．地磁檢測部
3．．．X軸感測器
4．．．Y軸感測器
5．．．Z軸感測器
6．．．磁場資料檢測部
7．．．記憶體
8．．．三軸加速度感測器
9．．．姿勢檢測部
10．．．運算部
11．．．資料緩衝器
11a~11m．．．儲存部
15a．．．顯示畫面
A．．．重力加速度向量
a、b、c．．．係數
Di．．．座標點資料
Di'．．．修正座標點資料
G0．．．修正球面座標
G1．．．球面座標
H0．．．赤道線
Ha．．．緯度線
I．．．傾角
M、V．．．地磁向量
N．．．北
NW．．．西北
O．．．原點
Oc．．．中心
PX、PY、PZ．．．固定方向
R．．．半徑
R horizontal．．．平面半徑
ri．．．距離
X0-Y0-Z0．．．三維修正座標
X1-Y1-Z1．．．三維檢測座標
X0、X1、Y1、Z1．．．軸
xc、yc、zc．．．座標點
α．．．相對角度
θ．．．方位角
δR、δθ．．．偏差
圖1係本發明之實施形態之地磁檢測裝置之電路區塊圖。
圖2係表示資料緩衝器之處理動作之說明圖。
圖3係設置於地磁檢測部之X軸感測器與Y軸感測器以及Z軸感測器之說明圖。
圖4係表示三維檢測座標上之修正前之球面座標以及座標點資料之說明圖。
圖5係表示傾角之運算之說明圖。
圖6係表示於三維檢測座標之原點具有中心之修正球面座標與修正座標點資料之說明圖。
圖7係表示方位角之偏差之求出方法之說明圖。
圖8係表示地圖資訊之顯示畫面之切換動作之說明圖。
A．．．重力加速度向量
a．．．係數
Di'．．．修正座標點資料
G0．．．修正球面座標
H0．．．赤道線
Ha．．．緯度線
I．．．傾角
M．．．地磁向量
O．．．原點
R．．．半徑
R horizontal．．．平面半徑
ri．．．距離
X0-Y0-Z0．．．三維修正座標
θ．．．方位角
Claims (4)
- 一種地磁檢測裝置，其特徵在於：其包括已預定三維檢測座標之地磁檢測部以及運算部；上述地磁檢測部搭載有X軸感測器、Y軸感測器、以及Z軸感測器，上述X軸感測器係當三維檢測座標之X方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值，上述Y軸感測器係當Y方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值，上述Z軸感測器係於Z方向朝向地磁之方向時檢測輸出之絕對值為極大值；上述運算部根據上述檢測輸出而求出地磁向量之朝向作為三維檢測座標上之座標點資料；當獲得複數個座標點資料時，求出與複數個座標點資料之間的誤差最小之修正球面座標、及三維檢測座標上之上述修正球面座標之中心的座標點，並且將各個座標點資料換算成於三維檢測座標之原點處具有中心之上述修正球面座標上的修正座標點資料；將自上述原點至複數個修正座標點資料為止之距離(ri)、及與上述修正球面座標之半徑(R)的偏差(δR)用作檢測精度或運算精度之評估基準；將向三維修正座標之X0-Y0平面之上述地磁向量之投影向量與X0軸之角度作為方位角(θ)；包括對上述地磁檢測部之姿勢進行檢測之加速度感測器，上述運算部根據上述加速度感測器之檢測輸出而求 出重力向量，求出自垂直於重力向量之X0-Y0平面至地磁向量為止之傾角(I)；根據R‧cosI與上述偏差(δR)之比而求出方位角(θ)之偏差(δθ)，並且將上述偏差(δθ)用作檢測精度或運算精度之評估基準。
- 如請求項1之地磁檢測裝置，其中設置有顯示裝置，該顯示裝置顯示配置地磁檢測部之位置之地圖資訊，當上述顯示裝置旋轉時，伴隨方位角(θ)之變化，可每隔特定之角度切換上述地圖資訊之朝向，根據方位角(θ)之偏差(δθ)來切換上述角度。
- 如請求項1或2之地磁檢測裝置，其中利用以下之數1對Fi進行運算，求出J最小時之xc、yc、zc以及a、b、c，算出修正球面座標及其中心位置(xc、yc、zc為三維檢測座標中之修正球面座標之中心之座標點，a、b、c為基於X軸感測器、Y軸感測器、及Z軸感測器之感度之係數)，
- 如請求項1或2之地磁檢測裝置，其中利用以下之數2對Fi進行運算，求出J最小時之xc、yc、zc與R，算出修正球面座標及其中心位置(xc、yc、zc為三維檢測座標中之修正球面座標之中心之座標點， R為修正球面座標之半徑)，
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