WO2005003683A1 - 方位角計測装置及び方位角計測方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、方位角の測定で取得したデータから算出されるオフセットの更新を実現するための方位角計測装置及びその方法を提供する。３軸磁気センサ（１０）により測定された地磁気出力は、増幅部（１３）で増幅されてＡ／Ｄ変換部（１４）に入力される。チョッパ部（１１）は、Ｘ軸磁気センサ（２）とＹ軸磁気センサ（３）とＺ軸磁気センサ（４）を駆動する端子を切り替えるためのもので、駆動電源部（１２）から出力された駆動電圧をＸ軸磁気センサ（２）とＹ軸磁気センサ（３）とＺ軸磁気センサ（４）に印加する。増幅器（１３）で増幅された出力増幅値がＡ／Ｄ変換部（１４）でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、感度・オフセット補正計算部（１６）に入力される。この感度・オフセット補正計算部（１６）の出力データは、方位角計算部（２０）に入力され、その方位角情報が出力される。信頼性情報計算部（１９）からは信頼性情報が出力される。

Description

明 細 書

方位角計測装置及び方位角計測方法

技術分野

[0001] 本発明は、方位角計測装置及び方位角計測方法に関し、より詳細には、方位角の 測定のために取得した磁気データ群から、状況に応じて迅速にまたは高精度のオフ セットを算出するための方位角計測装置及び方位角計測方法に関する。

^景技術

[0002] 地磁気を検出して方位角を算出する方位角計測装置においては、地磁気（定常磁 界）と方位角計測装置に固定された磁石などによって発生する地磁気以外の磁界を 区別することが重要である。地磁気以外の磁界は、磁気測定データ群から適切な手 段を用いてオフセット（基準点）として算出される。磁気測定値力 このオフセットを差 し引くことによって地磁気を求めることが出来る。

[0003] このオフセットは、方位角計測装置に付随した磁性体 (例えば、メモリカード）の装 着及び取り外し等で大きく変化する。あるいは、方位角計測装置の使用者が、オフセ ットの計算値を不適切であると判断し、意図的に再計算を求める場合もある。

[0004] 従来の方位角計測装置として、特許文献 1に記載の方位角計測装置が提案されて いる。この方角計測装置は、ホール素子を用いて検出された地磁気に基づいて方位 を計測する。補正値記憶部には、 X軸ホール素子及び Y軸ホール素子の基準値が 記憶される。補正計算部は、この基準値を用いることにより、 X軸ホール素子及び Y 軸ホール素子の出力増幅値を補正し、地磁気の各軸成分に比例した値だけを取り 出している。

[0005] また、特許文献 2に記載の方位角計測装置は、地磁気センサの入力軸の方向と、 姿勢検出装置の基準軸の方向との間の取り付け角誤差を補正して、高精度の方位 角計測装置を提供するものである。地磁気データに対して取付け角誤差補正を行い 、補正された地磁気データを演算する取付け角補正演算部と、姿勢データを用いて 地磁気データを座標変換し、地磁気データを出力する座標変換回路と、地磁気デー タに基づレ、て方位角を計算する方位角計算回路とを備えてレ、る。 [0006] さらに、特許文献 3に記載の方位角計測装置は、地磁気センサによる方位角計測 装置である。地磁気の水平成分を、互いに直交する磁気検出コイルにより 2成分の電 圧出力信号に分けて検出する。その電圧出力信号を、信号校正演算手段を備えた マイクロコンピュータに入力して、地磁気の磁北に対する方位角データを演算する。 そして、マイクロコンピュータからの各方位角データに対応する補正値を演算して各 方位角データを加算する補正処理手段を設けている。

また、上述した文献以外にも、特許文献 4、特許文献 5、特許文献 6に記載された方 位角計測装置が知られてレ、る。

[0007] 先願である特許文献 7のものは、方位角計測装置における磁気センサのオフセット を補正するもので、携帯電話の向きを任意に変化させるだけで、磁気センサの各軸 出力に対するオフセット情報を算出することができる。そして、オフセットのキヤリブレ ーシヨン作業を容易化して、オフセットのキャリブレーションを行う際の利用者の負担 を軽減するようにしている。

[0008] この出願では、推定された基準点のノ ツキを算出し、所定値以上である場合は推 定された基準点を破棄している。この所定値 (以下判定値)を大きく設定すると、誤差 の大きなオフセットが算出される恐れがある力 オフセットは更新され易くなるので、ォ フセットが大きく変化した場合でもすぐに修正される。

[0009] 反対に判定値が小さい場合は、オフセットが更新され難くなるので、既に誤差の小 さレ、オフセットが計算されてレ、る場合、それよりも誤差の大きなオフセット推定値を破 棄して精度を高く保つことが出来る。しかし、オフセットが大きく変化した場合には、正 しいオフセットが採用されるまでに時間が力かってしまう。このような理由から常に一 つの判定値を用いて基準点の採用、破棄を決定すると、方位角計測装置に求められ る応答速度や精度など複数の仕様を同時に満足することが困難である。

[0010] 本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、方位 角の測定のために取得した磁気データ群から、状況に応じて迅速にまたは高精度の オフセットを算出するための方位角計測装置及び方位角計測方法を提供することに める。

[0011] 特許文献 1 :特開 2003— 065791号公報 特許文献 2：特開 2003 - 042766号公報

特許文献 3：特開平 10 - 132568号公報

特許文献 4 :特開昭 61— 147104号公報

特許文献 5 :特開昭 62 - 255814号公報

特許文献 6 :特開平 8 - 105745号公報

特許文献 7：特開 2003 - 035010号公報

発明の開示

[0012] 本発明の方位角計測装置は、地磁気を検出する 2軸または 3軸の地磁気検出手段 と、前記 2軸の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら前記地磁気検出手段 の向きが変化した時の 2軸の出力データ、または前記地磁気検出手段の向きが 3次 元空間において変化した時の 3軸の出力データを複数回取得する出力データ取得 手段と、所定の測定のパラメータに基づいて、前記 2軸または 3軸の出力データを選 択し、前記選択された 2軸の出力データを成分とする 2次元座標上、または前記選択 された 3軸の出力データを成分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記選択され た 2軸または 3軸の出力データ群から基準点までの距離のバラツキが最小になるよう に、基準点の座標を統計的手法によって推定する基準点推定手段と、前記基準点 推定手段によって推定された複数の基準点を基に前記地磁気検出手段の出力デー タに対するオフセット情報を算出するオフセット情報算出手段と、前記出力データ及 び前記オフセット情報から方位角を算出する方位角算出手段と、前記 2軸もしくは 3 軸の出力データ群および前記複数の基準点の少なくとも一方に基づき、所定のオフ セット情報の信頼性情報を算出するための算出パラメータに従って、前記オフセット 情報の信頼性情報を算出する信頼性情報算出手段と、を備えることを特徴とする。

[0013] そして、前記オフセット情報算出手段は、前記信頼性情報を判定閾値と比較して、 方位角の算出に用いるオフセット情報として採用するか否かを判断することが好まし レ、。

[0014] さらに、前記オフセット情報があら力じめ定められた回数採用されるのに伴って、前 記判定閾値をより厳しく変化させることが、より好ましい。

[0015] また、本発明の方位角計測装置は、方位角計測装置内外の磁気環境が変化した ことを検出する検出部と、を更に備え、前記検出部が、前記磁気環境が変化したこと を検出した場合は、前記判定閾値を緩めることが好ましい。

[0016] 前記検出部は、前記出力データ取得手段によって取得されたデータが所定の範囲 を超えた場合に、磁気環境が変化したことを検出することができる。

[0017] 本発明の方位角計測装置は、さらに、方位角計測装置の環境の変化もしくは操作 者の操作を検出する事象検出手段を備え、その事象が発生した場合には、前記判 定閾値を変化させることが好ましい。前記環境の変化は、例えば、温度変化である。

[0018] 本発明の方位角計測装置は、前記判定閾値を変化させるとともに、前記測定のパ ラメータおよび前記算出パラメータの少なくとも何れか一方を変化させることが好まし レ、。

[0019] ここで、前記オフセット情報の信頼性情報は、複数の基準点のバラツキから算出さ れる情報、前記 2軸または 3軸の出力データ群を構成するデータのバラツキから算出 される情報、前記出力データ取得手段によって得られた 2軸または 3軸の出力データ 力 基準点までの距離を含む。

[0020] さらに、前記測定のパラメータは、測定間隔や、前記基準点推定手段が基準点の 座標を推定するためのデータの個数を含む。

[0021] また、前記測定のパラメータは、データの変化量を含み、前記変化量は、前記出力 データ取得手段が取得した出力データと、前記基準点推定手段が選択したデータと の差分であり、前記基準点推定手段は、前記変化量が予め定められた値以上である データを選択することができる。

[0022] また、前記算出パラメータは、前記基準点のバラツキを算出するための基準点の個 数を含む。

[0023] 本発明の方位角計測装置は、前記判定閾値、前記測定のパラメータ、および前記 算出パラメータのうち少なくとも何れか一つを外部に出力する出力手段を備えること ができる。

[0024] さらに、本発明の方位角計測装置は、前記地磁気検出手段は 3軸の出力データを 取得するものであり、さらに、方位角計測装置の姿勢角に関する情報取得手段と、前 記出力データ、前記オフセット情報および姿勢角に関する情報とから地磁気伏角情 報を算出する伏角情報算出手段と、前記方位角算出手段は、前記出力データ、前 記オフセット情報および前記姿勢角に関する情報とから装置の方位角を算出するも のであり、前記伏角情報の値から、算出される方位角の信頼度の指標を算出すること が好ましい。

[0025] 本発明の方位角計測方法は、地磁気を検出する 2軸または 3軸の地磁気検出手段 を用いて、前記 2軸の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら前記地磁気検 出手段の向きが変化した時の 2軸の出力データ、または前記地磁気検出手段の向き 力 ¾次元空間において変化した時の 3軸の出力データを複数回取得するステップ、 所定の測定のパラメータに基づいて、前記 2軸または 3軸の出力データを選択するス テツプ、前記選択された 2軸の出力データを成分とする 2次元座標上、または前記選 択された 3軸の出力データを成分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記選択さ れた 2軸または 3軸の出力データ群から基準点までの距離のバラツキが最小になるよ うに、基準点の座標を統計的手法によって推定するステップ、前記推定された複数 の基準点を基に前記地磁気検出手段の出力データに対するオフセット情報を算出 するステップ、前記出力データ及び前記オフセット情報から方位角を算出するステツ プ、前記 2軸もしくは 3軸の出力データ群および前記複数の基準点の少なくとも一方 に基づき、所定のオフセット情報の信頼性情報を算出するための算出パラメータに従 つて、前記オフセット情報の信頼性情報を算出するステップ、を含むことを特徴とする

[0026] そして、前記オフセット情報を算出するステップは、前記信頼性情報を判定閾値と 比較して、方位角の算出に用いるオフセット情報として採用するか否力を判断する。

[0027] 前記オフセット情報があらかじめ定められた回数採用されるのに伴って、前記判定 閾値をより厳しく変化させることがより好ましい。

[0028] また、本発明の方位角計測方法は、方位角計測装置の内外の磁気環境が変化し たことを検出する検出ステップと、前記磁気環境が変化したことを検出した場合は、 前記判定閾値を緩めるステップ、とを更に備えることが好ましい。

[0029] さらに、本発明の方位角計測方法は、方位角計測装置の環境の変化もしくは操作 者の操作を検出するステップと、その事象が発生した場合には、前記判定閾値を変 化させるステップをさらに含むことが好ましい。

[0030] このとき、前記判定閾値を変化させるとともに、前記測定のパラメータおよび前記算 出パラメータの少なくとも何れか一方を変化させることが好ましい。

[0031] さらに、本発明の方位角計測方法は、前記判定閾値、前記測定のパラメータ、およ び前記算出パラメータのうち少なくとも何れか一つを外部に出力するステップをさらに 備えることが好ましい。

[0032] さらに、本発明の方位角計測方法は、前記地磁気検出手段は 3軸の出力データを 取得するものであり、さらに、方位角計測装置の姿勢角に関する情報を取得するステ ップと、前記出力データ、前記オフセット情報および姿勢角に関する情報とから地磁 気伏角情報を算出するステップと、を有し、前記方位角を算出するステップは、前記 出力データ、前記オフセット情報および前記姿勢角に関する情報とから装置の方位 角を算出するものであり、前記伏角情報の値から、算出される方位角の信頼度の指 標を算出するステップを有することが好ましい。

[0033] 本発明の方位角計測装置または方位角計測方法によれば、信頼性情報算出手段 で算出された信頼性情報に基づき、オフセット情報を算出する際の判定閾値を漸次 厳しくしていくことが可能であり、システム立ち上げ時など、システムの速やかな応答 が求められるときは、最初前述の判定値を大きめ（緩め）に設定し、漸次判定値を小 さく（きつく）していくことによって、計算精度を高めていくことが出来る。同時にオフセ ットを計算するための磁気データ群を構成するデータの個数やデータ変化量の最小 値を変化させることによつても、システムの応答性や測定精度などを状況にあわせて 変化させることが出来る。

図面の簡単な説明

[0034] [図 1]図 1は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の一実施例を 説明するための構成図である。

[図 2]図 2は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の一実施例を 説明するためのブロック図である。

[図 3]図 3は、磁気測定データ群を構成するデータのバラツキと基準点のバラツキを 示す図である。 [図 4]図 4は、着磁状態の変化と地磁気の大きさ及び地磁気の大きさの分類を示す図 である。

[図 5]図 5は、オフセット計算ポイント数と計算精度を示す図である。

[図 6]図 6は、オフセット更新テーブルを示す図である。

[図 7]図 7は、オフセット更新を説明するためのフローチャートを示す図である。

[図 8]図 8は、方位角計測装置が水平に置かれたときの測定出力データ分布を示す 図である。

[図 9]図 9は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の他の実施 例を説明するためのブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

[0036] 図 1は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の一実施例を説 明するための構成図である。図中符号 1は方位角計測装置、 2は X軸磁気センサ、 3 は Y軸磁気センサ、 4は Z軸磁気センサを示している。図 1に示すように、この方位角 計測装置 1には、 X軸方向、 Y軸方向、 Z軸方向の地磁気を測定するために、それぞ れの方向に感受面を向けた X軸磁気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4と が互いに直交するように配置されている。 X軸磁気センサ 2からはその出力 Mx、 Y軸 磁気センサ 3からはその出力 My、 Z軸磁気センサ 4からはその出力 Mzが得られるよ うに構成されている。なお、磁気センサとしては、ホール素子など磁気を測定できるも のなら何でも良い。

[0037] 図 2は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の一実施例を説 明するためのブロック図である。図中符号 10は 3軸磁気センサ（地磁気検出手段）、 1 1はチヨツバ部、 12は駆動電源部、 13は増幅部、 14は A/D変換部、 15はデータ取 得部、 16は感度 ·オフセット補正計算部、 17は特定事象検知部、 18は閾値'パラメ ータ設定部、 19は信頼性情報計算部、 20は方位角計算部を示している。なお、図 1 と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

[0038] 3軸磁気センサ 10である X軸磁気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4に より測定された地磁気出力は、駆動電源部 12で駆動されるチヨッパ部 11を介し、増 幅部 13で増幅されて A/D変換部 14に入力される。ここで、 X軸磁気センサ 2と Y軸 磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4は、地磁気を検出するためのもので、例えば、 InSb や InAs、 GaAsなどの化合物半導体系のホール素子であることが好ましい。

[0039] チヨッパ部 11は、 X軸磁気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4を駆動す る端子を切り替えるためのもので、駆動電源部 12から出力された駆動電圧を X軸磁 気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4に印加する。このチヨッパ部 11は、 例えば、 90° チヨッパ駆動や 360° チヨッパ駆動などを用いることができる。 360° チヨッパ駆動では、 X軸磁気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4の出力に 含まれるホール素子自身のオフセット項だけでなぐ後段のアンプ自身による電気的 なオフセット項もキャンセルすることができる。

[0040] X軸磁気センサ 2と Y軸磁気センサ 3と Z軸磁気センサ 4から出力された信号は、増 幅器 13で増幅され、ここで増幅された出力増幅値が A/D変換部 14でアナログ信号 力 デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された後、変換されたデータを 取得'蓄積し、必要に応じて出力するデータ取得部 15を介して感度'オフセット補正 計算部 16に入力される。この感度 ·オフセット補正計算部 16は、データ取得部 15か らの磁気測定データ群に基づいて、 X、 Y、 Ζ軸磁気センサ 2、 3、 4のオフセット及び 感度補正係数を算出し、算出されたオフセット及び感度補正係数に基づいて、 X、 Υ 、 Ζ軸磁気測定データを補正する。この出力データは、方位角計算部 16に入力され 、その方位角情報が出力される。方位角演算の方法は、出願人の先願である PCT 出願公開 WO2004/003476号に示されている方法を用いることができる。

[0041] 上述した感度 ·オフセット補正計算部 16は、データ取得部 15からの取得データに 基づいて、データ測定条件に従って取得データを選択するとともに、選択されたデー タ群に基づいて磁気センサの感度補正係数、基準点、磁気データが分布する球の 半径、オフセット、地磁気の大きさ（取得データの基準点からの距離)を算出する。ま た、算出した感度補正係数及びオフセットに基づレ、て磁気測定データを補正する。

[0042] 一方、特定事象部 17からの信号は、閾値'パラメータ設定部 18に入力される。この 閾値'パラメータ設定部 18は、第 1、第 2、第 3の信頼性情報のいずれ力、、またはその 組み合わせから判定閾値、データ測定パラメータ、オフセット算出パラメータを設定 するものである。この閾値'パラメータ設定部 18の出力は、感度.オフセット補正計算 部 16及び信頼性情報計算部 19に入力される。この信頼性情報計算部 19は、直近 の所定数の取得データ、及び/又は直近の所定数のオフセットから第 1、第 2の信頼 性情報を計算するとともに、データ測定パラメータ、オフセット測定算出パラメータか ら第 3の信頼性情報を算出するものである。この信頼性情報計算部 19から信頼性情 報が出力される。

[0043] この信頼性情報は、さらに感度 ·オフセット補正計算部 16へ出力される。感度'オフ セット補正計算部 16は、閾値'パラメータ設定部 18からの入力される閾値と信頼性情 報計算部 19からの信頼性情報とを比較して、算出されたオフセットを採用するか否 力、を判断し、採用したオフセットを方位角計算部 20に出力する。

[0044] 地磁気（定常磁界）以外の磁気成分は、方位角計測装置が取得した N(≥4)個以上 の磁気データ群を球面に当てはめ、球の中心座標（オフセット、基準点）を求めること によって得られる (PCT出願公開 WO2004/003476号参照)。同時に求められる球 の半径は、地磁気の大きさを表している。ここで、磁気データとは、磁気センサが一回 の測定で取得した 2軸または 3軸の測定値であり、磁気データ群とは磁気センサが複 数回の測定で取得した 2軸または 3軸の測定値の集合である。

[0045] 図 3は、磁気測定データ群を構成するデータのバラツキと基準点のバラツキを示す 図である。

基準点は、測定磁気データ群を構成するデータの分布により大きな誤差を含む場 合がある。電源立ち上げ時や、周囲の着磁状態が大きく変わったときのように、測定 データ群が無いあるいは今までのデータ群が無効である時に、オフセット更新の判定 値を小さく (厳しく)しすぎると、正しい値が算出されるまでに時間力 Sかかってしまう場合 があるので、最初は判定値を大きく (緩く)設定するべきである。磁気測定データ群を 構成するデータが球面上を適当に分布し、算出される基準点の変動幅が小さくなつ たことを確認後、漸次判定値を小さ 厳しく）すれば、算出されるオフセットの精度を 高めてレ、くことが出来る。バラツキは、データ分布を表現できる指標を用いればよぐ 例えば、磁気データ群の各軸の最大値と最小値の差、あるいは、各軸の測定値の標 準偏差、等を用いることができる。 [0046] 図 4は、着磁状態の変化と地磁気の大きさ及び地磁気の大きさの分類を示す図で める。

周辺の着磁状態が大きく変化した場合、それまで使用していた中心座標を元に地 磁気ベクトルの大きさを計算するとその値は球面の半径と大きく異なる値となる。この 場合は、取得された磁気データ群を破棄し、新たに取得し直したデータ群で中心座 標と半径を再計算する必要がある（あるいは、それまでに取得してあった磁気データ 群を用いて中心座標を計算していくことによって、中心座標を滑らかに更新して行つ ても良い）。

[0047] 着磁状態の変化を知る手段として、上述したように、基準点から計算される磁気デ ータの距離と、採用されている球の半径を比較しても良いし、基準点から計算される 磁気データの距離と、予想される地磁気の大きさ (日本では 45から 50マイクロテスラ（ μ Τ) )を比較してもよい。

[0048] 着磁状態の変化が起こったときは、オフセットが大幅に変化し採用されているオフ セットが利用できないことが多い。この場合、着磁状態の変化が起こる直前の高精度 のオフセットを求めるための判定値を緩め、より速くオフセットを求められる判定値に すれば、オフセットの変化に素早く対応できる。判定値を初期値に戻すことが効果的 な場合も多い。

[0049] 着磁状態が変化したことを知る手段として、地磁気の大きさを計算する（地磁気の 絶対値、半径との比）以外に、俯角 (伏角）（図 8)、 A/D値の範囲、基準点のバラッ キの範囲、直前に計算された基準点との差分、着磁状態の変化を引き起こす既知の イベント等でも判断できる。ただし、基準点のバラツキの範囲や基準点の差分は、着 磁状態が変わる前後の磁気データを含むデータ群力 推定される基準点を用いて 計算されるため、検出感度が低くなつてしまう。着磁状態の変化を引き起こす既知の 事象が存在するときは事象を検知する手段を設け、事象検知信号によって、着磁状 態の変化を知ることができる。

[0050] 例えば、折りたたみ式の携帯電話に方位角計測装置が内蔵されている場合、携帯 電話を折りたたむことによって着磁状態が変化する。また、最近の携帯電話では画像 データや音楽データを蓄積するための外部メモリカードを用いることができるものもあ り、メモリカードの出し入れによっても着磁状態が変化する場合がある。使用者の判 断で着磁状態の変化を方位角計測装置に知らせるようなボタンを設けても良い。また 、磁気検出器がホール素子のような温度特性を持つ場合、温度の変化を検出してあ る一定値以上の場合に、オフセットを再計算してもよい。

[0051] 図 5は、オフセット計算ポイント数と計算精度を示す図である。

判定値を変化させると同時に、基準点を計算する磁気データ群を構成するデータ の個数を変化させると、より応答速度と計算精度を制御できるようになる。電源立ち上 げ時は、磁気データ群を構成するデータの個数を小さくし、計算精度は粗くても応答 性を良くしておいて、漸次判定値を小さくするとともに磁気データ群を構成するデー タの個数を大きくしてレ、くことによって計算精度を高めていく。

[0052] このように、判定値の更新とともに、データ測定条件やオフセット算出条件であるパ ラメータも変化させることによって、方位角計測装置を環境の変化に合わせて制御出 来るようになる。パラメータとしては、基準点を計算する磁気データ群を構成するデー タの個数の他に、連続する磁気データの最小変化量、磁気データ測定時間間隔、基 準点のバラツキを算出するための基準点の個数、磁気データ判定時間（所定数 A、 所定数 B)、磁気センサ増幅器の増幅率などがある。

[0053] 方位角計測装置の位置が、 2次元または 3次元空間上であまり変化をしなかった場 合、磁気センサから出力される磁気測定データもあまり変化がない。変化の少ない磁 気データを集めたデータ群から基準点を算出しても、データのゆらぎやノイズの影響 が大きくなり、基準点が正確でない場合がある。従って、磁気センサから出力される データに対して、先に選択し、採用してあるデータからの変化量を評価し、所定の値 以上変化しているデータのみを採用してデータ群として構成することが、オフセットの 精度を高めるためには重要である。しかし、変化量の閾値を高くしてしまうと、方位角 計測装置が大きく動いたときにデータが採用されるために、オフセットが算出されるま でに時間がかかってしまう。すなわち、オフセットの信頼度は低くてもょレ、が、迅速に オフセットを求めたいときにはデータ変化量の小さいデータも採用することとし、オフ セットの算出の時間力 Sかかってもよいが、信頼度を高くしたいときはデータ変化量の 大きレ、データのみを採用するとレ、うように設定する。 [0054] 磁気データの測定時間間隔は、方位角計測装置の電力消費にかかわるので出来 るだけ長く設定するが、迅速にオフセットを算出したいときには測定時間間隔を短くし 、短時間の間に必要なデータを取得することが出来る。

[0055] オフセットの信頼度を判定するために、推定された複数の基準点のバラツキを評価 する。評価する基準点の数は出来るだけ多レ、ことが望まれるが、電源立ち上げ時や、 周囲の着磁状態が大きく変わったときのように、測定データ群が無レ、あるいは今まで のデータ群が無効であるときなどに、迅速にオフセットを算出するためには、評価す る基準点の数を少なくすることが必要である。

[0056] 突発的に着磁状態が変化しすぐ元に戻る場合 (例えば、方位角計測装置に誤って 磁石を近づける等）、中心座標をすぐに破棄するのは早計である。ある一定時間以 内で地磁気等の大きさが許容値に戻れば、オフセットを破棄する必要はなレ、（所定 数 A)。

[0057] ある判定値において一定回数以上オフセットが算出されるのを待ってから、判定値 を厳しくする方法がある (所定数 B)。判定値が緩い場合のオフセットの値は信頼度が 低いので、複数回のオフセットを平均するなどの方法により、間違ったオフセットを採 用するのを防ぐことが出来る。

[0058] 図 7は、オフセット更新を説明するためのフローチャートを示す図である。

なお、図中のパラメータ JMは地磁気判定値、 JOはオフセット判定値、 k, 1は判定値 未変更回数を示している。

[0059] 以下、図 7に示した更新フローチャートについて説明する。

まず、システムを立ち上げ（S1)、パラメータの初期値を設定する（S2)。次に、磁気 データを取得し (S3)、地磁気が正常である力 \異常であるかを判断する（第 2の信頼 性情報）（S4)。異常である場合には、所定数 A (k)を判断し (S5)、一定期間以上で あればパラメータを緩める（S6)。一定期間以下であれば、後述する方位角計算に移 る（S13)。

[0060] 地磁気が正常である場合には、基準点計算を行い（S7)、基準点にバラツキがある 力、どうか判断する（第 1の信頼性情報）（S8)。このバラツキが異常範囲であれば、基 準点を不採用とし (S9)、正常範囲であれば、基準点をオフセットとして採用する（S1 0)。次に、所定数 B (l)を判断し (Sl l)、一定期間以上であればパラメータを厳しくし て (第 1から第 3の信頼性情報）（S12)、方位角計算を行い (S13)、一定期間以下で あれば、そのまま方位角計算を行い（S 13)、上述したステップ 3に戻る。

[0061] 地磁気の大きさは、オフセットの信頼度の指標として用いることができる。オフセット を算出する際に、磁気データが分布する球の半径が算出されるが、その球の半径が 通常想定される地磁気の大きさ（日本では 45から 50マイクロテスラ）から設定される 判定値の範囲外であった場合は、オフセットの値の信頼度は低いとして、オフセットを 不採用とすることができる。

[0062] 判定値とデータ測定条件やオフセット算出条件であるパラメータは、図 6に示すよう に、予めテーブルとして用意しておいてもよいし、地磁気の大きさや基準点のバラッ キの値から、数式で算出されるようにしても良レ、。また、テーブルが用意されている場 合は、更新順序は一つずつ状態を更新しても良いし、レ、くつかの状態を飛ばした状 態に更新しても良い。

[0063] 例えば、判定値を狭めていく際は、判定値とパラメータを 1ステップずつ狭めていく ことが妥当であり、また、算出された地磁気の大きさが異常に大きいなど信頼度が低 レ、と判断される場合は、判定値とパラメータを一度に初期値まで緩め、再びオフセット の算出を行うことが妥当である。時と場合によって判定値とパラメータを複数ステップ 分狭めていくこともよい。

[0064] 方位角計測装置が、その時々に使用している判定値 (第 1の信頼性、第 2の信頼性 )と第 3の信頼性情報たる測定パラメータ（データ測定条件、オフセット情報算出条件 )を出力できれば、方位角計測装置の使用者あるいは使用装置が出力される方位角 の精度及び信頼度を知ることができる。例えば、図 6のテーブルに示すように、信頼 性を表現する 4つの状態が存在する場合、その状態を数字や色で方位角計測装置 の表示部に表示することによって使用者が方位角計測装置の示す方位角の精度及 び信頼度を容易に知ることができる。

[0065] あるいは、方位角計測装置の出力を使用している他のシステムが方位角の精度や 信頼度を知ることができ、上位アプリケーションにおいても方位角の精度や信頼度に 応じてアプリケーションを操作できる。 [0066] 具体的には、方位角情報に応じて地図表示を回転させるアプリケーションにおいて 、算出された方位角の信頼度が低い場合は、方位角の表示を更新しないとか、地図 の回転を行わないなどの対応をとることで、間違った方位情報を使用者に与える確 率を下げることができ、使用者の混乱を防ぐことができる。

[0067] 地磁気の大きさ以外に、例えば、伏角をモニタすることによって、図 8に示すように、 周辺の着磁状態の変化を知ることができる。さらに、伏角をモニタする機能があれば 、方位角計測装置が使用者に規定の姿勢 (例えば、水平)を要求したときに、得られ た出力データから計算される伏角が正常範囲内 (日本では概ね 45° )か否かで、方 位角計測装置が規定の姿勢であるか否力を判断することができる。

[0068] 方位角を計測する場合に、方位角計測装置の傾斜角を計測する機能がなぐ方位 角計測装置を水平方向に保持しないと測定精度が悪化する方位角計測装置の場合 、上述した手段により方位角計測装置が水平であるかどうかを判別してデータの信頼 度を判断する。または、使用者に水平に方位角計測装置を置くように指示するなどの 使い方ができる。

[0069] ここで、第 1の信頼性情報とは、基準点のノくラツキの範囲、測定データ群を構成す るデータのバラツキ（2次元または 3次元空間上のバラツキ）の範囲、出力データから 基準点までの距離である。また、所定数 Aは、基準点のバラツキ、測定データ群を構 成するデータのバラツキを複数回または一定時間計測し、その傾向を持って判断す るときの回数または時間長である。また、第 2の信頼性情報とは、採用されている基準 点と最新の測定データから算出される地磁気ベクトルの大きさ、伏角、 A/D値であ る。また、所定数 Bは、地磁気ベクトルの大きさ、伏角、 A/D値、直近の基準点のバ ラツキを複数回または一定時間計測し、その傾向を持って判断するときの回数または 時間長である。さらに、データ測定条件、オフセット情報算出条件 (すなわちパラメ一 タ）とは、基準点を計算するための磁気データ群を構成するデータの個数、連続する 出力データの最小変化量、出力データ測定時間間隔、基準点のバラツキを算出する ための基準点の個数、上述の所定数 A、所定数 Bである。

[0070] 図 9は、本発明に係る 3軸の磁気センサを有する方位角計測装置の他の実施例を 説明するためのブロック図で、図中符号 21は磁気環境変化検出部で、その他、図 2 と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

[0071] 磁気環境変化検出部 21は、データ取得部 15に接続されているとともに、感度'オフ セット補正計算部 16と閾値'パラメータ設定部 18と信頼性情報計算部 19とにそれぞ れ接続されていて、データ取得部 15によって取得されたデータが所定の範囲を超え た場合に着磁状態が変化したことを検出するものである。閾値'パラメータ設定部 18 は、磁気環境変化検出部 21が磁気環境が変化したことを検出した場合には、閾値- パラメータ設定部 18の判定閾値を緩めるように構成されてレ、る。

[0072] このように構成することで、磁気環境変化検出部により、データ取得部によって取得 されたデータが所定の範囲を超えた場合に、着磁状態が変化したことを検出すること ができる。

産業上の利用可能性

[0073] 本発明は、方位角計測装置及び方位角計測方法に関し、より詳細には、方位角の 測定のために取得した磁気データ群から、状況に応じて迅速にまたは高精度のオフ セットを算出するための方位角計測装置及び方位角計測方法に関する。

Claims

請求の範囲

[1] 地磁気を検出する 2軸または 3軸の地磁気検出手段と、

前記 2軸の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら前記地磁気検出手段の向 きが変化した時の 2軸の出力データ、または前記地磁気検出手段の向きが 3次元空 間において変化した時の 3軸の出力データを所定回数以上繰り返して取得する出力 データ取得手段と、

前記 2軸の出力データを成分とする 2次元座標上、または前記 3軸の出力データを成 分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記出力データ取得手段によって得られた 2軸または 3軸の出力データ群から基準点までの距離のバラツキが最小になるように 、基準点の座標を統計的手法によって推定する基準点推定手段と、

該基準点推定手段による前記基準点の座標に基づいて、前記地磁気検出手段の出 力データに対するオフセット情報を算出するオフセット情報算出手段と、

該オフセット情報算出手段により算出されたオフセット情報の信頼性に関する第 1の 信頼性情報算出手段とを備え、

該第 1の信頼性情報算出手段で算出された直近の第 1の所定数の第 1の信頼性情 報に基づき、前記オフセット情報を算出する際の判定閾値を漸次厳しくしてレ、くことを 特徴とする方位角計測装置。

[2] 最新に取得された出力データからオフセット情報の信頼性に関する第 2の信頼性情 報算出手段を備え、該第 2の信頼性情報算出手段で算出された直近の第 2の所定 数の第 1または第 2の信頼性情報に基づき、信頼性が悪化した場合には前記オフセ ット情報を算出する際の判定閾値を緩めることを特徴とする請求項 1に記載の方位角 計測装置。

[3] 前記オフセット情報を算出する際の判定閾値を変化させるとともに、データ測定条件 および/またはオフセット情報算出条件も変化させることを特徴とする請求項 1記載 の方位角計測装置。

[4] 前記第 1の信頼性情報が、直近の基準点のバラツキから算出されることを特徴とする 請求項 1 , 2又は 3に記載の方位角計測装置。

[5] 前記第 1の信頼性情報が、直近の前記 2軸または 3軸の出力データ群のデータのバ ラツキから算出されることを特徴とする請求項 1 , 2又は 3に記載の方位角計測装置。

[6] 前記第 2の信頼性情報が、前記出力データ取得手段によって得られた 2軸または 3 軸の出力データから基準点までの距離であることを特徴とする請求項 2又は 3に記載 の方位角計測装置。

[7] 前記第 2の信頼性情報が、前記出力データ取得手段によって得られた 3軸の出力デ ータから算出される伏角情報から算出されることを特徴とする請求項 2又は 3に記載 の方位角計測装置。

[8] 前記データ測定条件値および Zまたは前記オフセット情報算出条件に測定時間間 隔を含むことを特徴とする請求項 3に記載の方位角計測装置。

[9] 前記データ測定条件値および Zまたは前記オフセット情報算出条件にオフセット情 報算出のためのデータ個数を含むことを特徴とする請求項 3に記載の方位角計測装 置。

[10] 前記データ測定条件値および/または前記オフセット情報算出条件に前記第 1及び

/又は第 2の所定数を含むことを特徴とする請求項 3に記載の方位角計測装置。

[11] 前記第 1および第 2の信頼性情報を外部に出力する第 1及び第 2の外部出力手段を 備えたことを特徴とする請求項 1， 2又は 3に記載の方位角計測装置。

[12] 前記データ測定条件値および/または前記オフセット情報算出条件とから、第 3の信 頼性情報を算出する第 3の信頼性情報算出手段を備え、該第 3の信頼性情報算出 手段からの前記第 3の信頼性情報を外部に出力する第 3の外部出力手段を備えたこ とを特徴とする請求項 3に記載の方位角計測装置。

[13] 特定の事象を検出する手段を備え、その事象が発生した場合には、オフセット情報 を算出する際の判定閾値を変化させることを特徴とする請求項 1 , 2又は 3に記載の 方位角計測装置。

[14] 前記特定の事象が操作者による特定の操作であることを特徴とする請求項 1， 2又は

3に記載の方位角計測装置。

[15] 地磁気を検出する 3軸の地磁気検出手段と、

該地磁気検出手段の向きが 3次元空間において変化した時の 3軸の出力データを 所定回数以上繰り返して取得する出力データ取得手段と、 前記前記 3軸の出力データを成分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記出力 データ取得手段によって得られた 3軸の出力データ群から基準点の座標を推定する 基準点推定手段と、

該基準点推定手段による前記基準点の座標に基づいて、前記地磁気検出手段の 出力データに対するオフセット情報を算出するオフセット情報算出手段と、 前記出力データ取得手段により最新に取得された出力データ力 オフセット情報の 信頼性に関する第 2の信頼性情報算出手段とを備え、

該第 2の信頼性情報算出手段で算出された第 2の信頼性情報が、方位角計測装 置が水平に保持されている前提で期待される地磁気伏角情報と、前記出力データ取 得手段により最新に取得された出力データから算出される伏角情報とから算出される ことを特徴とする方位角計測装置。

[16] 地磁気を検出する 2軸または 3軸の地磁気検出手段と、

前記 2軸の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら前記地磁気検出手段の 向きが変化した時の 2軸の出力データ、または前記地磁気検出手段の向きが 3次元 空間において変化した時の 3軸の出力データを複数回取得する出力データ取得手 段と、

所定の測定のパラメータに基づいて、前記 2軸または 3軸の出力データを選択し、 前記選択された 2軸の出力データを成分とする 2次元座標上、または前記選択され た 3軸の出力データを成分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記選択された 2軸 または 3軸の出力データ群から基準点までの距離のバラツキが最小になるように、基 準点の座標を統計的手法によって推定する基準点推定手段と、

前記基準点推定手段によって推定された複数の基準点を基に前記地磁気検出手 段の出力データに対するオフセット情報を算出するオフセット情報算出手段と、 前記出力データ及び前記オフセット情報から方位角を算出する方位角算出手段と 前記 2軸もしくは 3軸の出力データ群および前記複数の基準点の少なくとも一方に 基づき、所定のオフセット情報の信頼性情報を算出するための算出パラメータに従つ て、前記オフセット情報の信頼性情報を算出する信頼性情報算出手段と を備えることを特徴とする方位角計測装置。

[17] 前記オフセット情報算出手段は、前記信頼性情報を判定閾値と比較して、前記方位 角算出手段が方位角の算出に用いるオフセット情報として採用するか否力を判断す ることを特徴とする請求項 16に記載の方位角計測装置。

[18] 前記オフセット情報があらかじめ定められた回数採用されるのに伴って、前記判定閾 値をより厳しく変化させることを特徴とする請求項 17に記載の方位角計測装置。

[19] 方位角計測装置内外の磁気環境と、該磁気環境が変化したことを検出する検出部と を更に備え、

前記検出部が、前記磁気環境が変化したことを検出した場合は、前記判定閾値を 緩めることを特徴とする請求項 17に記載の方位角計測装置。

[20] 前記検出部は、前記出力データ取得手段によって取得されたデータが所定の範囲 を超えた場合に磁気環境が変化したことを検出することを特徴とする請求項 19に記 載の方位角計測装置。

[21] 方位角計測装置の環境の変化もしくは操作者の操作を検出する事象検出手段を備 え、その事象が発生した場合には、前記判定閾値を変化させることを特徴とする請求 項 17に記載の方位角計測装置。

[22] 前記環境の変化は、温度変化であることを特徴とする請求項 21に記載の方位角計

[23] 前記判定閾値を変化させるとともに、前記測定のパラメータおよび前記算出パラメ一 タの少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする請求項 18乃至 22のいずれ かに記載の方位角計測装置。

[24] 前記オフセット情報の信頼性情報は、複数の基準点のバラツキから算出される情報 を含む請求項 16乃至 23のいずれかに記載の方位角計測装置。

[25] 前記オフセット情報の信頼性情報は、前記 2軸または 3軸の出力データ群を構成する データのバラツキから算出される情報を含むことを特徴とする請求項 16乃至 23のい ずれかに記載の方位角計測装置。

[26] 前記オフセット情報の信頼性情報は、前記出力データ取得手段によって得られた 2 軸または 3軸の出力データから基準点までの距離を含むことを特徴とする請求項 16 乃至 23のいずれかに記載の方位角計測装置。

[27] 前記測定のパラメータは、測定間隔を含むことを特徴とする請求項 16乃至 23のいず れかに記載の方位角計測装置。

[28] 前記測定のパラメータは、データの変化量を含み、前記変化量は、前記出力データ 取得手段が取得した出力データと、前記基準点推定手段が選択したデータとの差分 であり、前記基準点推定手段は、前記変化量が予め定められた値以上であるデータ を選択することを特徴とする請求項 16乃至 23のいずれかに記載の方位角計測装置

[29] 前記測定のパラメータは、前記基準点推定手段が基準点の座標を推定するための データの個数を含むことを特徴とする請求項 16乃至 23のいずれかに記載の方位角 計測装置。

[30] 前記算出パラメータは、前記基準点のバラツキを算出するための基準点の個数を含 むことを特徴とする請求項 16乃至 23のいずれかに記載の方位角計測装置。

[31] 前記判定閾値、前記測定のパラメータ、および前記算出パラメータのうち少なくとも何 れか一つを外部に出力する出力手段を備えたことを特徴とする請求項 16乃至 30の いずれかに記載の方位角計測装置。

[32] 前記地磁気検出手段は 3軸の出力データを取得するものであり、

さらに、方位角計測装置の姿勢角に関する情報取得手段と、

前記出力データ、前記オフセット情報および姿勢角に関する情報とから地磁気伏 角情報を算出する伏角情報算出手段と、

前記方位角算出手段は、前記出力データ、前記オフセット情報および前記姿勢角 に関する情報とから装置の方位角を算出するものであり、

前記伏角情報の値から、算出される方位角の信頼度の指標が算出されることを特 徴とする請求項 16乃至 31のいずれかに記載の方位角計測装置。

[33] 地磁気を検出する 2軸または 3軸の地磁気検出手段を用いて、前記 2軸の検出方向 が所定の平面上にあるよう保ちながら前記地磁気検出手段の向きが変化した時の 2 軸の出力データ、または前記地磁気検出手段の向きが 3次元空間において変化した 時の 3軸の出力データを複数回取 所定の測定のパラメータに基づいて、前記 2軸または 3軸の出力データを選択する 前記選択された 2軸の出力データを成分とする 2次元座標上、または前記選択され た 3軸の出力データを成分とする 3次元座標上に基準点を定め、前記選択された 2軸 または 3軸の出力データ群から基準点までの距離のバラツキが最小になるように、基 準点の座標を統計的手法によって推定するステップと、

前記推定された複数の基準点を基に前記地磁気検出手段の出力データに対する オフセット情報を算出するステップと、

前記出力データ及び前記オフセット情報から方位角を算出するステップと、 前記 2軸もしくは 3軸の出力データ群および前記複数の基準点の少なくとも一方に 基づき、所定のオフセット情報の信頼性情報を算出するための算出パラメータに従つ て、前記オフセット情報の信頼性情報を算出するステップと

を含むことを特徴とする方位角計測方法。

[34] 前記オフセット情報を算出するステップは、前記信頼性情報を判定閾値と比較して、 方位角の算出に用いるオフセット情報として採用するか否かを判断することを特徴と する請求項 33に記載の方位角計測方法。

[35] 前記オフセット情報があらかじめ定められた回数採用されるのに伴って、前記判定閾 値をより厳しく変化させることを特徴とする請求項 34に記載の方位角計測方法。

[36] 方位角計測装置の内外の磁気環境が変化したことを検出する検出ステップと、 前記磁気環境が変化したことを検出した場合は、前記判定閾値を緩めるステップと を更に備えることを特徴とする請求項 34に記載の方位角計測方法。

[37] 前記検出ステップは、取得されたデータが所定の範囲を超えた場合に磁気環境が変 化したことを検出することを特徴とする請求項 36に記載の方位角計測方法。

[38] 方位角計測装置の環境の変化もしくは操作者の操作を検出するステップと、その事 象が発生した場合には、前記判定閾値を変化させるステップをさらに含むことを特徴 とする請求項 34に記載の方位角計測方法。

[39] 前記環境の変化は、温度変化であることを特徴とする請求項 38に記載の方位角計 測方法。

[40] 前記判定閾値を変化させるとともに、前記測定のパラメータおよび前記算出パラメ一 タの少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする請求項 35乃至 39のいずれ かに記載の方位角計測方法。

[41] 前記オフセット情報の信頼性情報は、複数の基準点のバラツキから算出される情報 を含むことを特徴とする請求項 33乃至 40のいずれかに記載の方位角計測方法。

[42] 前記オフセット情報の信頼性情報は、前記 2軸または 3軸の出力データ群を構成する データのバラツキから算出される情報を含むことを特徴とする請求項 33乃至 40のい ずれかに記載の方位角計測方法。

[43] 前記オフセット情報の信頼性情報は、前記出力データ取得手段によって得られた 2 軸または 3軸の出力データから基準点までの距離を含むことを特徴とする請求項 33 乃至 40のいずれかに記載の方位角計測方法。

[44] 前記測定のパラメータは、測定間隔を含むことを特徴とする請求項 33乃至 40のいず れかに記載の方位角計測方法。

[45] 前記測定のノ メータは、地磁気検出手段からの出力データと選択ステップで選択 されたデータの差分からなるデータの変化量を含み、前記変化量が予め定められた 値以上であるデータを選択することを特徴とする請求項 33乃至 40のいずれかに記 載の方位角計測方法。

[46] 前記測定のパラメータは、基準点の座標を推定するためのデータの個数を含むこと を特徴とする請求項 33乃至 40のいずれかに記載の方位角計測方法。

[47] 前記算出パラメータは、前記基準点のバラツキを算出するための基準点の個数を含 むことを特徴とする請求項 33乃至 40のいずれかに記載の方位角計測方法。

[48] 前記判定閾値、前記測定のパラメータ、および前記算出パラメータのうち少なくとも何 れか一つを外部に出力するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項 33乃至 4

7のいずれかに記載の方位角計測方法。

[49] 前記地磁気検出手段は 3軸の出力データを取得するものであり、

さらに、方位角計測装置の姿勢角に関する情報を取得するステップと、 前記出力データ、前記オフセット情報および姿勢角に関する情報とから地磁気伏 角情報を算出するステップとを有し、 前記方位角を算出するステップは、前記出力データ、前記オフセット情報および前 記姿勢角に関する情報とから装置の方位角を算出するものであり、

前記伏角情報の値から、算出される方位角の信頼度の指標を算出するステップを 有することを特徴とする請求項 33乃至 48のいずれかに記載の方位角計測方法。