TWI546552B - 磁力裝置及其校正方法 - Google Patents

Description

磁力裝置及其校正方法

本發明是有關於一種磁力裝置及其校正方法，特別是指一種能夠校正硬鐵及軟鐵之影響的磁力裝置及其校正方法。

目前磁力計已廣泛地被應用於行動裝置，如智慧型手機，的慣性測量單元(Inertial Measurement Unit；IMU)中，該慣性測量單元藉由其磁力計量測所在位置的磁感應強度，以計算該行動裝置於水平面上相對於地磁的指向。然而，當磁力計所處的環境有受到非地磁以外的磁力干擾時，將會導致磁力計所量測的磁感應強度失真，進而影響該慣性測量單元所計算的指向產生誤差。

為校正這種磁力干擾的影響，習知的磁力計採用一種在量測之前就先執行校正程序的非即時的校正方法，但這種校正方法卻不能校正會隨時間改變的磁力干擾，也就是說，當磁力計的校正結束之後，且磁力干擾發生變化時，該磁力計所量測的磁感應強度仍然失真，也使得該慣性測量單元所計算的指向產生誤差。因此，如何提 供一種能即時地校正磁力干擾的磁力裝置及其校正方法便成為一個重要的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能即時地校正磁力干擾的磁力裝置及其校正方法。

於是，根據本發明之一觀點，提供一種磁力裝置，該磁力裝置包含一基座、一磁力計、一驅動單元、及一處理單元。

該磁力計設置於該基座並能以一第一軸線為中心旋轉，且量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在一座標系的一第一方向及一第二方向的一第一分量及一第二分量。該座標系是以該磁力計為參考，該第一方向及該第二方向互相垂直。

該驅動單元驅動該磁力計以該第一軸線為中心旋轉，並偵測一旋轉角度，該旋轉角度是該磁力計相對該基座的一初始位置的夾角。

該處理單元根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的複數第一分量及複數第二分量，計算而獲得該磁力計之該座標系的該第二方向相對於地磁在水平面上的一第一方向角。

在一些實施態樣中，其中，該處理單元計算當時的該第一方向角減去當時的該旋轉角度，以獲得該基座相對於地磁在水平面上的一第二方向角。

在一些實施態樣中，其中，該第一軸線分別與 該第一方向、該第二方向、及該水平面垂直。該處理單元還根據下列的關係式計算該第一方向角。

其中，

x及y分別是該磁力計量測所產生的該第一分量及該第二分量，rx及ry是該磁力計在沒有磁力干擾下分別在該第一方向及該第二方向的一第一理想分量及一第二理想分量，θ、m、n、p、及q是實數，Mr及B為磁力干擾的影響。

在一些實施態樣中，其中，該處理單元所根據的該等第一分量及該等第二分量的數量為至少五個。

在一些實施態樣中，該磁力裝置還包含一旋轉軸、二導電部、及二電刷。該旋轉軸相對於該水平面垂直且以該第一軸線為中心可旋轉地設置於該基座，並包括一位於上方的第一端、一位於下方的第二端、及一連通該第一端與該第二端的空室。該二導電部環繞且間隔地設置於該旋轉軸之表面。該二電刷設置於該基座，當該旋轉軸旋轉時，該二電刷分別與該二導電部保持電連接。其中，該磁力計設置於該旋轉軸之該第一端的上方並隨著該旋轉軸旋轉，該磁力計藉由該二電刷、該二導電部、及二分別電連接該二導電部且穿設於該旋轉軸之該空室的電源線，獲得一電力來源。

在一些實施態樣中，該磁力裝置還包含一包括 一傳送器及一接收器的收發單元。該傳送器設置於該旋轉軸之該第一端的上方並電連接該磁力計。該接收器設置於該旋轉軸之該空室並鄰近該第二端且電連接該處理單元。該傳送器及該接收器都支援紅外線通訊傳輸的技術。該處理單元藉由該傳送器及該接收器獲得該磁力計所產生的該等第一分量及該等第二分量。

根據本發明之另一觀點，提供一種校正方法，適用於一包含一設置於一基座的磁力計、一驅動單元、及一處理單元的磁力裝置，並包含下列步驟：(a)藉由該磁力計量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在一座標系的一第一方向及一第二方向的一第一分量及一第二分量，該座標系是以該磁力計為參考，該第一方向及該第二方向互相垂直；(b)藉由該驅動單元驅動該磁力計以一第一軸線為中心旋轉，並偵測一旋轉角度，該旋轉角度是該磁力計相對該基座的一初始位置的夾角；及(c)藉由該處理單元根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的複數第一分量及複數第二分量，計算而獲得該磁力計之該座標系的該第二方向相對於地磁在水平面上的一第一方向角。

在一些實施態樣中，還包含一步驟(d)，該處理單元計算當時的該第一方向角減去當時的該旋轉角度，以獲得該基座相對於地磁在水平面上的一第二方向角。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(b)中，該第 一軸線分別與該第一方向、該第二方向、及該水平面垂直。在步驟(c)中，該處理單元還根據下列的關係式計算該第一方向角， 其中， x及y分別是該磁力計量測所產生的該第一分量及該第二分量，rx及ry是該磁力計在沒有磁力干擾下分別在該第一方向及該第二方向的一第一理想分量及一第二理想分量，θ、m、n、p、及q是實數，Mr及B為磁力干擾的影響。

在一些實施態樣中，其中，在步驟(c)中，該處理單元根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的至少五個第一分量及對應的至少五個第二分量，計算出Mr及B，進而計算出當時的該第一理想分量及該第二理想分量，再根據當時的該第一理想分量、及該第二理想分量，計算出該第一方向角。

本發明之功效是藉由該磁力裝置的該驅動單元驅動該磁力計旋轉，再藉由該處理單元根據該磁力計所量測而產生的複數第一分量與複數第二分量，及當時的該旋轉角度，以即時地校正磁力干擾對磁力計的影響，而獲得不受磁力干擾的該第二方向角。

1‧‧‧磁力計

2‧‧‧驅動單元

21‧‧‧馬達

22‧‧‧感測器

221‧‧‧旋轉部

222‧‧‧固定部

23‧‧‧齒輪組

231‧‧‧第一齒輪

232‧‧‧第二齒輪

3‧‧‧處理單元

4‧‧‧收發單元

41‧‧‧傳送器

42‧‧‧接收器

6‧‧‧電刷

7‧‧‧導電部

71‧‧‧電源線

8‧‧‧旋轉軸

81‧‧‧第一端

82‧‧‧第二端

83‧‧‧空室

9‧‧‧基座

L‧‧‧第一軸線

C1~C3‧‧‧曲線

S1~S4‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一方塊圖，說明本發明磁力裝置之一實施例；圖2是一側視圖，輔助圖1說明該實施例；圖3是一座標圖，說明磁力干擾對一磁力計之量測結果的影響；及圖4是一流程圖，說明本發明磁力裝置之該實施例所執行的校正方法的步驟。

參閱圖1與圖2，本發明磁力裝置之實施例包含一磁力計1、一驅動單元2、一處理單元3、一收發單元4、一基座9、一旋轉軸8、二導電部7、及二電刷6。

該旋轉軸8相對於水平面垂直且以一第一軸線L為中心可旋轉地設置於該基座9，並包括一位於上方的第一端81、一位於下方的第二端82、及一連通該第一端81與該第二端82的空室83。

該二導電部7環繞且間隔地設置於該旋轉軸8之表面。該二電刷6設置於該基座9，當該旋轉軸8以該第一軸線L為中心旋轉時，該二電刷6分別與該二導電部7保持電連接。

該驅動單元2包括一馬達21、一感測器22、及一齒輪組23。該馬達21及該齒輪組23設置於該基座9，該齒輪組23包括一與該馬達21連接的第一齒輪231，及一與該旋轉軸8連接並與該第一齒輪231相配合的第二齒輪232。該馬達21可以驅動該第一齒輪231轉動進而驅動該第二齒輪232轉動，使得該旋轉軸8以該第一軸線L為中心 旋轉。該感測器22包括一與該旋轉軸8連接的旋轉部221，及一與該基座9連接的固定部222，並利用如光遮斷式的編碼技術偵測該旋轉軸8相對該基座9之一初始位置的一旋轉角度。

該磁力計1設置於該旋轉軸8之該第一端81的上方並隨著該旋轉軸8旋轉，該磁力計1藉由該二電刷6、該二導電部7、及二分別電連接該二導電部7且穿設於該旋轉軸8之該空室83的電源線71，獲得一電力來源。在本實施例中，該電力來源是一設置於該基座9的電池(圖未示)，並藉由該旋轉軸8、該二導電部7、該二電刷6、及該二電源線71的設計，使得當該旋轉軸8在旋轉時，能僅依靠設置在該基座9的電池(圖未示)分別提供設置在該基座9的設備，如該驅動單元2，及設置在該旋轉軸8上方的設備，如該磁力計1，運作時所需的電力。而在其他實施例中，該電力來源也可以設置在該旋轉軸8的上方，或者，分別設置在該基座9及在該旋轉軸8上方的設備的電力來源也可以彼此獨立，即各自有其電力來源，不在此限。

該磁力計1量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在一座標系的一第一方向及一第二方向的一第一分量及一第二分量。該座標系是以該磁力計1為參考，也就是說，當該磁力計1旋轉時，該座標系的該第一方向及該第二方向也隨著旋轉，此時，雖然該磁力計1所量測的磁感應強度不變，但分別在該第一方向及該第二方向的該第一分量及該第二分量會隨著改變。該第一方向 及該第二方向互相垂直，該第一方向及該第二方向都與該第一軸線L垂直，即該第一方向及該第二方向都與該水平面平行。

參閱圖1與圖3，圖3是一座標圖，其橫軸及縱軸分別是該第一方向及該第二方向。曲線C1~C3分別是該磁力計1在不同磁力干擾的環境下的量測結果，舉例來說，在一第一態樣時，如在東經120度，北緯22度的位置，該磁力計1所處的環境沒有其他磁力干擾，當該磁力計1的該座標系的該第二方向與磁北極平行時，該磁力計1所量測的該磁感應強度的大小為4429.51毫高斯，此時，該第一分量的大小為零，該第二分量的大小為4429.51毫高斯。當該磁力計1以逆時針方向旋轉九十度時，該磁感應強度的大小仍為4429.51毫高斯，此時，該第一分量的大小為4429.51毫高斯，該第二分量的大小為零。同理，當該磁力計1以逆時針或順時針旋轉一圈時，該等第一分量及該等第二分量的集合就會形成如曲線C1的正圓形。而在一第二態樣時，該磁力計1所處的環境有一不隨時間變化的磁力干擾，此時，該等第一分量及該等第二分量的集合就會形成如曲線C2的正圓形，且曲線C2與曲線C1只有圓心的位置不同，並定義此種不隨時間變化的磁力干擾為一硬鐵。而在一第三態樣時，該磁力計1所處的環境有一隨時間變化的磁力干擾，此時，該等第一分量及該等第二分量的集合就會形成如曲線C3的橢圓形，且曲線C3的中心與曲線C1的圓心的位置相同，並定義此種隨時間變化的磁力干擾 為一軟鐵。

該收發單元4包括一傳送器41及一接收器42。該傳送器41設置於該旋轉軸8之該第一端81的上方並電連接該磁力計1。該接收器42設置於該旋轉軸8之該空室83並鄰近該第二端82且電連接該處理單元3。在本實施例中，該傳送器41及該接收器42都支援紅外線通訊傳輸的技術，並利用該旋轉軸8的該空室83進行資料的傳送及接收。在其他實施例中，該傳送器41及該接收器42也可以採用其他無線，如無線保真(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)，或有線的技術傳輸資料，不在此限。

參閱圖1、圖2與圖4，該磁力裝置執行一校正方法，該校正方法包含步驟S1~S4。

於步驟S1，藉由該磁力計1量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在該座標系的該第一方向及該第二方向的一第一分量及一第二分量。

於步驟S2，藉由該驅動單元2驅動該磁力計1以該第一軸線L為中心旋轉，並偵測一旋轉角度，該旋轉角度是該磁力計1相對該基座的該初始位置的夾角。

於步驟S3，藉由該處理單元3根據在不同的該旋轉角度下該磁力計1所產生的至少五個第一分量與對應的至少五個第二分量，及下列的關係式(1)

其中， 計算出Mr及B。其中，x及y分別是該磁力計1量測所產生的該第一分量及該第二分量，rx及ry是該磁力計1在沒有磁力干擾下分別在該第一方向及該第二方向的一第一理想分量及一第二理想分量，也就是該第一分量及該第二分量在校正磁力干擾之影響後，所獲得對應的第一理想分量及第二理想分量，θ、m、n、p、及q是實數，Mr及B分別為磁力干擾為軟鐵及硬鐵時的影響。

關係式(1)可以重寫為關係式(2)。因為地磁之能量在同一個經緯度下是一個常數值，所以可以將(rx)²+(ry)²定義為一常數γ。定義A、B、及C如關係式(3)~(5)。

利用γ及關係式(3)~(5)，關係式(2)能轉換為關係式(6)。

Ax ²+Bxy+Cy ²+(-2Ap-Bq)x+(-2Cq-Bp)y+Ap ²+Cq ²+Bpq=γ…(6)

定義F如關係式(7)，利用F，關係式(6)能轉換為關係式(8)。

F=γ-Ap ²-Cq ²-Bpq……(7)

已知通用型(general form)的二元二次方程式如關係式(9)，該通用型的二元二次方程式具有a、b、c、d及 e共五個未知參數，可以藉由遞迴的最小平方法(Recursive Least Square)利用至少五組x及y的資料以求得a、b、c、d及e之解。

ax ²+bxy+cy ²+dx+ey=1……(9)

比較關係式(8)及(9)，可以獲得θ、m、n、p、及q如關係式(10)~(14)，即磁力干擾的影響。

其中，f=1-ap ²-bqp-cq ²-dp-eq，g=a cos²(θ)+b sin(θ)cos(θ)+c sin²(θ)，h=c cos²(θ)-b sin(θ)cos(θ)+a sin²(θ)

由關係式(1)~(14)的推導可知，該處理單元3根據在不同的該旋轉角度下該磁力計1所產生的至少五個第一分量與對應的至少五個第二分量，可以計算出θ、m、n、p、及q，即磁力干擾分別為軟鐵及硬鐵的影響，Mr及B。特別值得一提的是：由於Mr及B是利用遞迴的最小平方法所求出，因此，當該等第一分量及該等第二分量的數量越多時，所求出的Mr及B的誤差會越小，也就是校正該磁力干擾的效果越好。

該處理單元3根據所求出的Mr、B及當時的第一分量及該第二分量，利用關係式(1)計算出當時的該第一理想分量及該第二理想分量。該處理單元3再根據該第一理想分量及該第二理想分量的比值，計算出一第一方向角，例如等於tan^-1(ry/rx)，該第一方向角是該磁力計1的該座標系相對於地磁在水平面的夾角。該處理單元3再將當時的該第一方向角減去當時的該旋轉角度，以獲得一第二方向角。該第二方向角即該基座9相對於地磁在水平面且將磁力干擾校正之後的夾角。

因此，藉由該處理單元3根據在不同的該旋轉角度下該磁力計1所產生的複數第一分量及複數第二分量，能夠計算而該磁力計1之該座標系的該第二方向或該第一方向相對於地磁在水平面上的該第一方向角。更值得一提的是：該磁力計1在旋轉時，該處理單元3能根據更新的該等第一分量及該等第二分量，獲得即時的Mr及B，進而即時地校正磁力干擾所發生的變化。因此，不論是該磁力裝置的該基座9是靜止或是在移動的狀態下，該磁力裝置都能執行該校正方法，以獲得不受磁力干擾的該第二方向角。

特別補充說明的是：在本實施例中，該磁力計1的該座標系的該第一方向及該第二方向都與該水平面平行，而在其他實施例中，該第一方向及該第二方向也可以不與該水平面平行，即該第一軸線L分別與該第一方向及該第二方向垂直，而不與該水平面垂直，只要利用加速規 (Accelerometer)計算該磁力計1相對於該水平面的一傾斜角先作補償，一樣可利用該校正方法獲得該第一方向角。此外，該驅動單元2驅動該磁力計1作旋轉時，可以依順時針、逆時針、或其他方式旋轉，例如連續地先逆時針旋轉一圈再順時針旋轉一圈以避免電源線纏繞的方式作旋轉，只要能夠改變該旋轉軸8的該旋轉角度，以使該處理單元3獲得不同旋轉角度下的該等第一分量及該等第二分量即可，不在此限。

綜上所述，藉由該磁力裝置的該驅動單元2驅動該磁力計1旋轉，再藉由該處理單元3根據該磁力計1所量測而產生的複數第一分量與複數第二分量，以即時地校正磁力干擾對磁力計1的影響，而獲得不受磁力干擾的該第一方向角，進而再根據當時的該旋轉角度獲得該第二方向角，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧磁力計

2‧‧‧驅動單元

21‧‧‧馬達

22‧‧‧感測器

3‧‧‧處理單元

4‧‧‧收發單元

41‧‧‧傳送器

42‧‧‧接收器

Claims (10)

1. 一種磁力裝置，包含：一基座；一磁力計，設置於該基座並能以一第一軸線為中心旋轉，且量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在一座標系的一第一方向及一第二方向的一第一分量及一第二分量，該座標系是以該磁力計為參考，該第一方向及該第二方向互相垂直；一驅動單元，驅動該磁力計以該第一軸線為中心旋轉，並偵測一旋轉角度，該旋轉角度是該磁力計相對該基座的一初始位置的夾角；及一處理單元，根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的複數第一分量及複數第二分量，計算而獲得該磁力計之該座標系的該第二方向相對於地磁在水平面上的一第一方向角。
2. 如請求項1所述的磁力裝置，其中，該處理單元計算當時的該第一方向角減去當時的該旋轉角度，以獲得該基座相對於地磁在水平面上的一第二方向角。
3. 如請求項1所述的磁力裝置，其中，該第一軸線分別與該第一方向、該第二方向、及該水平面垂直，該處理單元還根據下列的關係式計算該第一方向角， 其中， x及y分別是該磁力計量測所產生的該第一分量及該第 二分量，rx及ry是該磁力計在沒有磁力干擾下分別在該第一方向及該第二方向的一第一理想分量及一第二理想分量，θ、m、n、p、及q是實數，Mr及B為磁力干擾的影響。
4. 如請求項3所述的磁力裝置，其中，該處理單元所根據的該等第一分量及該等第二分量的數量為至少五個。
5. 如請求項4所述的磁力裝置，還包含：一旋轉軸，相對於該水平面垂直且以該第一軸線為中心可旋轉地設置於該基座，並包括一位於上方的第一端、一位於下方的第二端、及一連通該第一端與該第二端的空室；二導電部，環繞且間隔地設置於該旋轉軸之表面；及二電刷，設置於該基座，當該旋轉軸旋轉時，該二電刷分別與該二導電部保持電連接，其中，該磁力計設置於該旋轉軸之該第一端的上方並隨著該旋轉軸旋轉，該磁力計藉由該二電刷、該二導電部、及二分別電連接該二導電部且穿設於該旋轉軸之該空室的電源線，獲得一電力來源。
6. 如請求項5所述的磁力裝置，還包含一包括一傳送器及一接收器的收發單元，該傳送器設置於該旋轉軸之該第一端的上方並電連接該磁力計，該接收器設置於該旋轉軸之該空室並鄰近該第二端且電連接該處理單元，該傳送器及該接收器都支援紅外線通訊傳輸的技術，該處理 單元藉由該傳送器及該接收器獲得該磁力計所產生的該等第一分量及該等第二分量。
7. 一種校正方法，適用於一包含一設置於一基座的磁力計、一驅動單元、及一處理單元的磁力裝置，並包含下列步驟：(a)藉由該磁力計量測所處位置的一磁感應強度，並產生該磁感應強度分別在一座標系的一第一方向及一第二方向的一第一分量及一第二分量，該座標系是以該磁力計為參考，該第一方向及該第二方向互相垂直；(b)藉由該驅動單元驅動該磁力計以一第一軸線為中心旋轉，並偵測一旋轉角度，該旋轉角度是該磁力計相對該基座的一初始位置的夾角；及(c)藉由該處理單元根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的複數第一分量及複數第二分量，計算而獲得該磁力計之該座標系的該第二方向相對於地磁在水平面上的一第一方向角。
8. 如請求項7所述的校正方法，還包含一步驟(d)，藉由該處理單元計算當時的該第一方向角減去當時的該旋轉角度，以獲得該基座相對於地磁在水平面上的一第二方向角。
9. 如請求項7所述的校正方法，其中，在步驟(b)中，該第一軸線分別與該第一方向、該第二方向、及該水平面垂直，在步驟(c)中，該處理單元還根據下列的關係式計算 該第一方向角， 其中， x及y分別是該磁力計量測所產生的該第一分量及該第二分量，rx及ry是該磁力計在沒有磁力干擾下分別在該第一方向及該第二方向的一第一理想分量及一第二理想分量，θ、m、n、p、及q是實數，Mr及B為磁力干擾的影響。
10. 如請求項9所述的校正方法，其中，在步驟(c)中，該處理單元根據在不同的該旋轉角度下該磁力計所產生的至少五個第一分量及對應的至少五個第二分量，計算出Mr及B，進而計算出當時的該第一理想分量及該第二理想分量，再根據當時的該第一理想分量、及該第二理想分量，計算出該第一方向角。