專利名稱：補償?shù)卮艂鞲衅髯藨B(tài)誤差的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過使用雙軸地磁傳感器和傾角儀所得到的地磁場的相關(guān)信息，補償?shù)卮艂鞲衅鞯淖藨B(tài)誤差，由此而計算出精確的方位信息的測量設(shè)備和計算方法。
背景技術(shù)：
到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)大量從事通過使用地磁傳感器如磁通量閘門，來計算在自由空間移動中的交通工具或傳感模塊的方位信息的方法和設(shè)備的研究。然而，磁通量閘門因其昂貴的價格以及龐大的體積，僅應用在航海領(lǐng)域。
最近，小型并且低成本的地磁傳感器模塊已經(jīng)得到發(fā)展，特別地，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，芯片型地磁傳感器已經(jīng)得到發(fā)展并應用到需要方位信息的各種駕駛領(lǐng)域。然而，在地磁傳感器模塊不能水平放置的應用領(lǐng)域中，僅通過地磁傳感器無法得到精確的方位信息。
地磁傳感器一般是一種測量地磁場強度的設(shè)備，它僅在地磁場磁力線矢量平行于用于測量該磁力線矢量的傳感器的測量軸矢量時，才能精確測量地磁場強度。在此情況下，在其中坐標軸彼此以右旋法則正交排列的雙軸傳感器被水平放置形成傳感器模塊之后，由傳感器模塊指示的方位角使用兩傳感器的輸出被計算。
然而，如果地磁傳感器模塊沒有保持水平，則無法精確測量地磁場強度，此時的方位信息中會包含有很大的誤差。隨后，需要根據(jù)姿態(tài)補償誤差，由于此原因，使用為測量姿態(tài)的三軸地磁傳感器和傾角儀執(zhí)行通過坐標變換的誤差補償。
隨著小型化地磁傳感器的發(fā)展，姿態(tài)誤差補償技術(shù)擴展到運動、多媒體、游戲機等應用領(lǐng)域上。
然而，由于傳感器安裝位置的問題，在使用雙軸地磁傳感器時，誤差不能僅通過已發(fā)展的誤差補償技術(shù)得到補償，因此計算出的方位角根據(jù)姿態(tài)的尺寸增加誤差。
US 4414753公開了一種用于補償磁擾的處理，磁擾會影響設(shè)備用于確定交通工具的磁航向(magnetic heading)的設(shè)備的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于至少解決前述的相關(guān)問題和/或弊端，并且至少提供下文所描述的優(yōu)點。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供通過補償雙軸地磁傳感器姿態(tài)誤差，來計算精確的方位信息的設(shè)備和方法。在雙軸地磁傳感器安放在需要方位信息的設(shè)備(例如，航海系統(tǒng)，游戲機，PDA，蜂窩電話等)中在情況下，根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備和方法使用雙軸傾角儀計算姿態(tài)信息，然后根據(jù)該地磁傳感器的姿態(tài)補償誤差以得到精確的方位信息。
為完成前述問題和/或本發(fā)明的其他特性，提供了一種計算方位角的設(shè)備，包括雙軸地磁傳感器，用于測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；傾角儀，用于計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和微處理器，用于基于虛擬第三地磁數(shù)據(jù)、第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算方位角，該虛擬第三地磁數(shù)據(jù)是使用由雙軸地磁傳感器計算出的第一和第二地磁數(shù)據(jù)以及由傾角儀計算出的旋轉(zhuǎn)角和傾斜角、通過坐標變換矩陣而計算出的。
本發(fā)明的另一方面在于一種計算方位角的方法，包括測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和基于虛擬第三地磁數(shù)據(jù)、第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算方位角，該虛擬第三地磁數(shù)據(jù)是使用第一和第二地磁數(shù)據(jù)以及旋轉(zhuǎn)角和傾斜角、通過坐標變換矩陣而計算出的。
本發(fā)明的另一方面在于一種計算方位角的設(shè)備，包括雙軸地磁傳感器，用于測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，以計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；傾角儀，用于計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和微處理器，用于基于其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個來計算方位角，其中通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)以及使用第一和第二地磁數(shù)據(jù)生成的虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式進行計算來變換坐標XhYhZh=CbhXjgYigZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。
本發(fā)明的另一方面在于一種計算方位角的方法，包括測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；使用第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算虛擬第三地磁數(shù)據(jù)；通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)以及虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式，來計算其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)；和基于其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個來計算方位角XhYhZh=CbhXjgYigZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。


本發(fā)明的前述目的以及其他優(yōu)點通過對優(yōu)選實施方案的詳細描述中變得更為明顯，其中附圖如下圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明通過雙軸地磁傳感器產(chǎn)生的姿態(tài)補償誤差計算方位角的方法的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的雙軸地磁傳感器和姿態(tài)誤差補償設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的安裝在雙軸地磁傳感器和姿態(tài)誤差補償設(shè)備中的微處理器操作的流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的使用傾角儀計算出的姿態(tài)試驗結(jié)果的曲線圖；圖5是說明使用雙軸地磁傳感器和傾角儀計算出虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)的試驗結(jié)果的曲線圖；和圖6是說明使用雙軸地磁傳感器和傾角儀計算出方位角的試驗結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖，詳細描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的計算方位角的設(shè)備和方法，在附圖中相同的附圖標記指代相同的部件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明通過雙軸地磁傳感器產(chǎn)生的姿態(tài)補償誤差計算方位角的方法的示意圖。該方法包括雙軸地磁傳感器101、傾角儀102、姿態(tài)(即坐標)變換矩陣103、虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)的生成104、地磁數(shù)據(jù)坐標的轉(zhuǎn)換105和方位角的計算106。
地磁傳感器101可以是磁通量閘門傳感器或磁阻(MagnetoResistive，MR)，用于測量地磁場強度，且包括具有在傳感器模塊前向方向上的X軸和在與X軸向右成90°方向上的Y軸的雙軸傳感器。
傾角儀102測量傳感器101的相對于地表的傾斜角，加速計可以被用作傾角儀。在加速計僅測量靜止重力加速度時，可以被用作傾角計，根據(jù)使用按正確角度放置的雙軸或三軸模塊的姿態(tài)，通過測量不同水平面的加速度能夠計算姿態(tài)信息。在使用雙軸加速計時，通過公式1a和1b測量加速度，并通過公式2a和2b計算姿態(tài)。
ax＝g·sinθ (1a)ay＝g·sin (1b)＝sin-1(ay/g) (2a)θ＝sin-1(ax/g) (2b)其中，ax和ay是X軸和Y軸加速計的輸出值，g是重力加速度，和θ分別是旋轉(zhuǎn)角和傾斜角。
坐標變換矩陣103用于將地磁傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水平坐標系統(tǒng)，并由使用傾角儀102的輸出值計算出的姿態(tài)信息如下構(gòu)成。
Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ...(3)]]>虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)104對雙軸地磁傳感器的姿態(tài)誤差補償是必需的，使用地磁傳感器的兩個輸出和前述計算出的姿態(tài)信息進行如下計算Zjg=Zh+Xjgsinθ-Yjgsinφθcoscosφcosθ...(4)]]>其中，Zh是當?shù)卮艂鞲衅鞯臏y量軸指向地表垂直向下的方向時由設(shè)備首次測量的地磁場強度。
由地磁傳感器數(shù)據(jù)到水平坐標系統(tǒng)的坐標變換105，如下實現(xiàn)XhYhZh=CbhXjgYjgZjg...(5)]]>其中，[XjgYjgZjg]T為地磁傳感器數(shù)據(jù)。
通過使用轉(zhuǎn)換為水平坐標系統(tǒng)的地磁數(shù)據(jù)坐標得出方位計算106，實現(xiàn)如下＝tan-1(Yh/Xh) (6)圖2是說明為實現(xiàn)圖1功能的雙軸地磁傳感器結(jié)構(gòu)的接口結(jié)構(gòu)的示意圖。該接口包括雙軸地磁傳感器201、傾角計202、信號調(diào)節(jié)單元203、微處理器204、LCD模塊205和串行通信接口206。
信號調(diào)節(jié)單元203包括用于消除電源噪聲和高頻噪聲的低通濾波器，把模擬傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換()器。信號調(diào)節(jié)單元203必需在傳感器信號輸入微處理器204之前對其進行處理。
微處理器204包括用于存儲從A/D轉(zhuǎn)換器203輸出的傳感器信號的寄存器、用于補償?shù)卮艂鞲衅髯藨B(tài)誤差和計算方位信息的ALU(算術(shù)邏輯部件)和FPU(浮點部件)、用于設(shè)定將傳感器數(shù)據(jù)和計算出的方位信息傳輸?shù)絃CD模塊和外設(shè)的輸出周期的內(nèi)部時鐘。
LCD模塊205顯示從微處理器204輸出的方位信息，以便用戶能識別出具有水平放置的地磁傳感器模塊設(shè)備的方位角。
串行通信接口206用于傳輸從微處理器204輸出到外設(shè)的傳感器數(shù)據(jù)和方位信息，其可采用同步串行通信或者異步串行通信的類型。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的安裝在雙軸地磁傳感器和姿態(tài)誤差補償設(shè)備中的微處理器操作的流程圖。
首先，為了傳輸雙軸地磁傳感器201和傾角儀202的輸出值與最終計算出的方位信息到外部系統(tǒng)，使用安裝在微處理器204上的內(nèi)部定時器設(shè)定數(shù)據(jù)輸出周期(步驟301)。
為把地磁傳感器201和傾角儀202的輸出值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換控制信號(步驟302)，然后在內(nèi)部寄存器存儲轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)(步驟303)。
使用在存儲的傳感器數(shù)據(jù)中的傾角儀數(shù)據(jù)，通過公式2a和2b計算出傳感器模塊的姿態(tài)(步驟304)。使用此計算出的姿態(tài)，通過公式3計算出坐標變換矩陣(步驟305)。
使用計算出的姿態(tài)和存儲在內(nèi)部寄存器的地磁傳感器數(shù)據(jù)，通過公式4生成虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)(步驟306)。
使用計算出的坐標變換矩陣通過公式5將三軸地磁數(shù)據(jù)(即雙軸地磁傳感器數(shù)據(jù)+單軸計算出的虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為水平坐標系統(tǒng)內(nèi)的地磁場范圍的強度(步驟307)。使用此轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過公式6計算方位角(步驟308)。
通過在內(nèi)部定時器內(nèi)設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出周期檢查是否生成中斷(步驟309)。
如果檢查出未生成定時器中斷，當前步驟返回前面把傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的步驟302，以重復執(zhí)行步驟302。同時，如果檢查出生成定時器中斷(步驟309)，通過串行通信把前述計算出的方位信息和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠肯到y(tǒng)(步驟310)，并輸出到LCD模塊進行顯示(步驟311)。然后，操作返回把傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字值的步驟302，并且重復后面的步驟直到下一定時器中斷生成。
圖4是根據(jù)本發(fā)明使用傾角儀202通過公式2計算出的姿態(tài)試驗結(jié)果的曲線圖。
圖5是說明通過公式4計算出的虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果與三軸地磁傳感器Z軸的比較圖。圖5中，虛線代表三軸地磁傳感器Z軸，實線代表通過等式4計算出的虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯S著通過公式4計算出的隨姿態(tài)改變而變化的Z軸地磁數(shù)據(jù)更為精確。
圖6是說明使用生成的虛擬Z軸地磁數(shù)據(jù)通過等式5和等式6計算出的方位角的試驗結(jié)果和雙軸地磁傳感器的輸出結(jié)果以及姿態(tài)改變時計算出的坐標變換矩陣的示意圖。虛線代表補償前的方位角，可以看出方位角有很大的變化，實線代表補償后的方位角，可以看出方位角僅在方位角的變化很小的誤差范圍內(nèi)有改變。
根據(jù)本發(fā)明所述的通過地磁傳感器姿態(tài)誤差補償來計算方位角的設(shè)備，使用雙軸地磁傳感器和雙軸傾角儀向用戶提供方位角信息以克服地磁傳感器模塊的技術(shù)局限，所述模塊應該使用現(xiàn)有的三軸地磁傳感器和傾角儀。
本發(fā)明可以方便的應用在需要方位信息的領(lǐng)域。例如，當使用存儲在PDA的電子地圖需要確定用戶的朝向時，可以識別用戶當前的精確方位角并隨之在PDA的LCD顯示出相應地旋轉(zhuǎn)的地圖，以便用戶能方便的決定他/她的朝向。
同樣地，本發(fā)明通過游戲機的姿態(tài)附加游戲機旋轉(zhuǎn)方向的信息而使三維游戲的實施更加容易，此外也可用于虛擬現(xiàn)實的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備中。
雖然本發(fā)明已經(jīng)進行了詳細的描述，但應該理解可以在不脫離所附的權(quán)利要求中涉及的范圍而進行多種改變、替代和變更。
權(quán)利要求
1.一種計算方位角的設(shè)備，包括雙軸地磁傳感器，用于測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；傾角儀，用于計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和微處理器，用于基于虛擬第三地磁數(shù)據(jù)、第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算方位角，該虛擬第三地磁數(shù)據(jù)是使用由雙軸地磁傳感器計算出的第一和第二地磁數(shù)據(jù)以及由傾角儀計算出的旋轉(zhuǎn)角和傾斜角、通過坐標變換矩陣而計算出的。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，用于計算虛擬第三地磁數(shù)據(jù)的坐標變換矩陣包括以下及其等效矩陣Zjg=Zh+Xjgsinθ-Yjgsinφcosθcosφcosθ]]>其中，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，Zh代表當?shù)卮艂鞲衅鞯臏y量軸指向地面的垂直向下方向時測量的地磁強度，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，微處理器使用其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個計算方位角，其中通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)和虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式進行計算來變換坐標XhYhZh=CbhXjgYjgZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)。
4.一種計算方位角的方法，包括測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和基于虛擬第三地磁數(shù)據(jù)、第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算方位角，該虛擬第三地磁數(shù)據(jù)是使用第一和第二地磁數(shù)據(jù)以及旋轉(zhuǎn)角和傾斜角、通過坐標變換矩陣而計算出的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，用于計算虛擬第三地磁數(shù)據(jù)的坐標變換矩陣包括以下及其等效矩陣Zjg=Zh+Xjgsinθ-Yjgsinφcosθcosφcosθ]]>其中，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，Zh代表當?shù)卮艂鞲衅鞯臏y量軸指向地面的垂直向下方向時測量的地磁強度，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述計算方位角的步驟包括通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)和虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式進行計算來變換坐標；以及使用其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個計算方位角XhYhZh=CbhXjgYjgZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)。
7.一種計算方位角的設(shè)備，包括雙軸地磁傳感器，用于測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，以計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；傾角儀，用于計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；和微處理器，用于基于其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個來計算方位角，其中通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)以及使用第一和第二地磁數(shù)據(jù)生成的虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式進行計算來變換坐標XhYhZh=CbhXjgYjgZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。
8.一種計算方位角的方法，包括測量以直角相交的第一軸和第二軸的地磁場強度，并且計算第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)；計算旋轉(zhuǎn)角和傾斜角；使用第一地磁數(shù)據(jù)和第二地磁數(shù)據(jù)計算虛擬第三地磁數(shù)據(jù)；通過將第一地磁數(shù)據(jù)、第二地磁數(shù)據(jù)以及虛擬第三地磁數(shù)據(jù)代入下面行列式，來計算其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)；和基于其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)中的至少一個來計算方位角XhYhZh=CbhXjgYjgZjg,Cbh=cosθsinθsinφsinθcosφ0cosφ-sinφ-sinθcosθsinφcosθcosφ]]>其中，Xh、Yh和Zh代表其坐標被變換了的地磁數(shù)據(jù)，Xjg代表第一地磁數(shù)據(jù)，Yjg代表第二地磁數(shù)據(jù)，Zjg代表虛擬第三地磁數(shù)據(jù)，φ代表旋轉(zhuǎn)角，而θ代表傾斜角。
全文摘要
公開了一種在使用雙軸地磁傳感器計算方位信息時，根據(jù)姿態(tài)(旋轉(zhuǎn)角與傾斜角)使用傾角儀補償?shù)卮艂鞲衅鬏敵鲎兓脑O(shè)備和方法。使用傾角儀測量地磁傳感器模塊的姿態(tài)，計算出把立體坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為水平坐標系統(tǒng)的坐標變換矩陣。使用雙軸地磁傳感器的輸出和計算出的姿態(tài)信息生成地磁傳感器模塊的當前姿態(tài)的Z軸方向的虛擬地磁數(shù)據(jù)。在將生成的Z軸地磁數(shù)據(jù)和測量X軸與Y軸地磁數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到水平坐標系統(tǒng)后，認為計算出的方位角為地磁傳感器模塊的方位角。
文檔編號G01C21/20GK101067554SQ200710102400
公開日2007年11月7日 申請日期2003年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月6日
發(fā)明者崔相彥, 曹宇鐘, 李宇鐘, 樸贊國, 趙星閏 申請人:樸贊國, 三星電子株式會社