專利名稱：三軸磁場(chǎng)傳感器的校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器的方法與設(shè)備以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
在制造過(guò)程中通常必須借助于復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)來(lái)調(diào)準(zhǔn)磁場(chǎng)傳感器，其中所述磁場(chǎng)傳感器關(guān)于多個(gè)測(cè)量軸確定磁場(chǎng)。調(diào)準(zhǔn)過(guò)程可能耗費(fèi)很大并且成本很高。尤其是在磁場(chǎng)傳感器非常準(zhǔn)確時(shí)，例如在磁場(chǎng)傳感器應(yīng)通過(guò)測(cè)量技術(shù)檢測(cè)地磁場(chǎng)時(shí)，需要借助復(fù)雜測(cè)量技術(shù)的高耗費(fèi)調(diào)準(zhǔn)過(guò)程。除取決于制造公差外，這樣的磁場(chǎng)傳感器的干擾還可能取決于傳感器在使用地的周圍環(huán)境，從而生產(chǎn)期間的校準(zhǔn)是不夠的。例如，軟磁物體和/或經(jīng)磁化的物體或者在磁場(chǎng)傳感器附近經(jīng)過(guò)的通電導(dǎo)體可以使所確定的磁場(chǎng)失真。例如磁場(chǎng)傳感器用在移動(dòng)電話或便攜式計(jì)算機(jī)中時(shí)，這樣的干擾實(shí)際上是不可避免的。US 7，275，008 B2示出了一種用于補(bǔ)償三維磁場(chǎng)測(cè)量值的測(cè)量誤差的方法，其中， 確定一個(gè)幾何體，若干所記錄的測(cè)量值位于所述幾何體的表面上。確定一些參數(shù)，這些參數(shù)定義所述幾何體的形狀與一個(gè)球體的幾何參考形狀的偏差。這些參數(shù)用于所記錄的測(cè)量值到經(jīng)校準(zhǔn)的測(cè)量值的映射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，說(shuō)明一種用于三維磁場(chǎng)傳感器的校準(zhǔn)方法，所述校準(zhǔn)方法要求較小的計(jì)算開(kāi)銷，從而可以在移動(dòng)設(shè)備中盡可能高效地應(yīng)用所述方法。本發(fā)明借助于具有權(quán)利要求1的特征的方法來(lái)解決所述問(wèn)題。此外本發(fā)明借助于具有權(quán)利要求9的特征的設(shè)備來(lái)解決所述問(wèn)題。從屬權(quán)利要求給出了優(yōu)選的實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明，一種用于校準(zhǔn)(Kalibrieren)三軸磁場(chǎng)傳感器的方法包括以下步驟通過(guò)疊加的信號(hào)(Uberlagertes Signal)來(lái)確定磁場(chǎng)傳感器的所記錄的測(cè)量值的偏差；確定磁場(chǎng)傳感器沿第一測(cè)量軸的靈敏度；以及基于第一測(cè)量軸的靈敏度和所確定的偏差來(lái)確定磁場(chǎng)傳感器沿其他測(cè)量軸的靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的方法可以在良好的可再現(xiàn)性下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果。此外可以在具有有限計(jì)算性能和能量的移動(dòng)系統(tǒng)中使用所述方法。另外，根據(jù)本發(fā)明的方法可以獨(dú)立于傳感器特性，如關(guān)于磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量軸的不同靈敏度或者偏差。優(yōu)選地，通過(guò)在磁場(chǎng)傳感器處施加已知磁場(chǎng)來(lái)確定第一測(cè)量軸的靈敏度。由此，可以與地磁場(chǎng)的大小和方向無(wú)關(guān)地使用所述方法。磁場(chǎng)可以沿第一測(cè)量軸定向，從而可以成本有利并且相對(duì)簡(jiǎn)單地將用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置實(shí)現(xiàn)為印刷電路板上的印刷電路或者微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的微結(jié)構(gòu)。這樣可以避免在制造技術(shù)上高耗費(fèi)的、通過(guò)已知的方式作用于測(cè)量軸中的多個(gè)測(cè)量軸的用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置?？梢越柚跀?shù)值方法一例如牛頓迭代方法確定沿其他測(cè)量軸的靈敏度。由此， 所述方法的計(jì)算開(kāi)銷保持在一定限度內(nèi)，從而可以在移動(dòng)設(shè)備的處理裝置上使用所述方法。此外，已知牛頓迭代方法的很多變型，可以容易地使這些變型與所述問(wèn)題相匹配并且例如在可編程的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中實(shí)施。在其他實(shí)施方式中，還可以使用其他已知的方法，例如卡爾曼濾波或最小二乘法。此外，所述方法可以包括存儲(chǔ)所記錄的、與所有之前存儲(chǔ)的測(cè)量值保持預(yù)給定的最小距離的測(cè)量值。隨后可以在具有有利的幾何星座(Konstellation)的多個(gè)測(cè)量值上實(shí)施偏差的確定和靈敏度的確定，從而可以基于相對(duì)較少的測(cè)量值以更小的計(jì)算開(kāi)銷實(shí)現(xiàn)好的結(jié)果。在第一輪(Durchlauf)后，可以用所記錄的其他測(cè)量值繼續(xù)實(shí)施所述方法，以便不斷改善校準(zhǔn)。這樣可以有利地在連續(xù)運(yùn)行期間提供質(zhì)量可以隨所存儲(chǔ)的測(cè)量值的數(shù)量的增加而不斷改善的校準(zhǔn)(使用中校準(zhǔn)(in-use-Kalibrierung))。在另一個(gè)實(shí)施方式中，基于所述方法的結(jié)果來(lái)匹配至少一個(gè)方法參數(shù)。由此，可以在再一輪中改善所述方法的準(zhǔn)確性和/或減少用于所述方法的處理耗費(fèi)或存儲(chǔ)耗費(fèi)。所述方法還可以包括根據(jù)所確定的靈敏度和所確定的偏差來(lái)校正 (Korrigieren)所記錄的測(cè)量值。這樣可以提供一種自己實(shí)施校正并且提供經(jīng)校準(zhǔn)和經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值的集成磁場(chǎng)傳感器。所述方法可以作為具有程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在處理裝置上執(zhí)行或者存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)載體上。根據(jù)另一方面，本發(fā)明包括一種用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器的設(shè)備，所述設(shè)備包括用于通過(guò)疊加的信號(hào)來(lái)確定磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量值的偏差的裝置，用于確定磁場(chǎng)傳感器沿第一測(cè)量軸的靈敏度的裝置以及用于基于第一測(cè)量軸的靈敏度和所確定的偏差來(lái)確定磁場(chǎng)傳感器沿其他兩個(gè)測(cè)量軸的靈敏度的裝置。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述設(shè)備還包括用于在磁場(chǎng)傳感器處沿第一測(cè)量軸施加已知磁場(chǎng)的裝置。


以下參照附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1 用于磁場(chǎng)的三軸確定的測(cè)量系統(tǒng)；圖2 未經(jīng)處理的測(cè)量值和根據(jù)圖1的測(cè)量系統(tǒng)的經(jīng)處理的測(cè)量值的示圖；以及圖3 用于校準(zhǔn)圖1的磁場(chǎng)傳感器的方法。
具體實(shí)施例方式圖1示出用于確定多軸磁場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)100。測(cè)量系統(tǒng)100包括三軸磁場(chǎng)傳感器 110、處理裝置120、線圈130、存儲(chǔ)器140、第一接口 150和第二接口 160。三軸磁場(chǎng)傳感器110沿三個(gè)彼此兩兩垂直的軸x、y和ζ確定磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的借助于磁場(chǎng)傳感器110確定的測(cè)量值提供給處理裝置120。在此，可以包括模擬提供的測(cè)量值的數(shù)字化。處理裝置120被設(shè)置用于對(duì)由磁場(chǎng)傳感器110提供的測(cè)量值進(jìn)行過(guò)濾，其方式是，處理裝置120選擇滿足預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量值，并且處理裝置120被設(shè)置用于在存儲(chǔ)器140 中存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)濾的測(cè)量值以用于稍后的進(jìn)一步處理。此外，處理裝置120與線圈130連接，以便在需要時(shí)沿ζ測(cè)量軸產(chǎn)生已知磁場(chǎng)。
基于所存儲(chǔ)的測(cè)量值，處理裝置20稍后確定一些校準(zhǔn)參數(shù)，基于這些校準(zhǔn)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)傳感器110的所記錄的測(cè)量值的校正。這些校準(zhǔn)參數(shù)包括測(cè)量值沿X、y和Z測(cè)量軸的偏差(“offset”)的補(bǔ)償以及磁場(chǎng)傳感器110關(guān)于這些軸的靈敏度匹配。處理裝置120通過(guò)第一接口 150提供所確定的校準(zhǔn)參數(shù)。此外，處理裝置120通過(guò)第二接口 160提供磁場(chǎng)傳感器110的經(jīng)校正的測(cè)量值。這兩個(gè)接口 150和160可以物理地(通過(guò)硬件)和/或虛擬地(通過(guò)軟件)構(gòu)造。圖2示出具有未經(jīng)校正的測(cè)量值210和經(jīng)校正的測(cè)量值220的示圖200。在確定地磁場(chǎng)時(shí)，理想情況下磁場(chǎng)的數(shù)值是相對(duì)準(zhǔn)確地已知的，從而所記錄的測(cè)量值主要給出方向信息。如果測(cè)量軸兩兩彼此垂直，則所記錄的測(cè)量值可以根據(jù)測(cè)量軸繪制到笛卡爾坐標(biāo)系中并且在所述坐標(biāo)系中位于圍繞測(cè)量軸的原點(diǎn)的球體的表面上。所述理想情況適用于圖 2中經(jīng)處理的測(cè)量值220。在真實(shí)的測(cè)量系統(tǒng)——如圖1的測(cè)量系統(tǒng)100中，磁場(chǎng)傳感器110沿這些測(cè)量軸通常具有不同的靈敏度。此外，沿這些測(cè)量軸中的一個(gè)測(cè)量軸，所確定的磁場(chǎng)偏差一個(gè)數(shù)值。 圖2中未經(jīng)校正的測(cè)量值210表示這種真實(shí)的測(cè)量值。本發(fā)明的主題在于，既確定測(cè)量值210相對(duì)于測(cè)量值220的偏差也確定測(cè)量值210 沿測(cè)量軸關(guān)于測(cè)量值220的畸變。所述確定稱為校準(zhǔn)；所確定的校準(zhǔn)參數(shù)可以用于將任意的真實(shí)測(cè)量值210轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的理想測(cè)量值220。所述過(guò)程稱為校正。圖3示出用于校準(zhǔn)圖1中的測(cè)量系統(tǒng)100中的三軸磁場(chǎng)傳感器110的方法300的流程圖。在第一步驟305中，將方法300的參數(shù)設(shè)置成預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)值。屬于這些參數(shù)的有一些預(yù)期的測(cè)量值、待確定的磁場(chǎng)的預(yù)期場(chǎng)強(qiáng)、對(duì)應(yīng)于圖2中的測(cè)量值220的球體的預(yù)期半徑以及用于定義集群(Gruppen)的參數(shù)，所記錄的測(cè)量值可以分配給所述集群。在初始化之后，在步驟310中，忽略預(yù)先確定數(shù)量的測(cè)量值，以便允許測(cè)量系統(tǒng) 100或方法300的起振(Einsctwingen)。雖然如以下所描述的那樣記錄和處理這些測(cè)量值， 但不輸出這些測(cè)量值。此后，在步驟315中記錄磁場(chǎng)傳感器110的測(cè)量值。在步驟320中對(duì)于所記錄的測(cè)量值檢查測(cè)量值在圖2中所示的笛卡爾坐標(biāo)系中是否與所有之前存儲(chǔ)的測(cè)量值保持足夠的距離。所述距離例如可以是以預(yù)先確定的歐式距離的形式說(shuō)明的。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將一些集群(“cluster”)定義為沿測(cè)量軸的柵欄 (Rasterimg)，從而可以將所記錄的測(cè)量值分配給這些集群中的一個(gè)。在此檢查預(yù)先確定數(shù)量的測(cè)量值是否已經(jīng)分配給所述集群。在這種情形中丟棄測(cè)量值，否則將所述測(cè)量值分配給集群。通過(guò)形成集群已經(jīng)確保分配給不同集群的測(cè)量值平均彼此具有半個(gè)集群大小的最小距離。如果在步驟320中已經(jīng)判定所記錄的測(cè)量值的距離足夠大，則在步驟325中將測(cè)量值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器140中。否則，在步驟330中，對(duì)依次丟棄的測(cè)量值的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)的停止計(jì)數(shù)器(Stoppzahler)遞增。在步驟325中在存儲(chǔ)時(shí)將所述計(jì)數(shù)器重置為0。在步驟335中檢查是否已經(jīng)達(dá)到用于過(guò)濾和存儲(chǔ)步驟315到335中的測(cè)量值的中斷標(biāo)準(zhǔn)。第一中斷標(biāo)準(zhǔn)包括所存儲(chǔ)的測(cè)量值的數(shù)量或者集群的數(shù)量，預(yù)先確定數(shù)量的測(cè)量值分別分配給所述集群。第二中斷標(biāo)準(zhǔn)是停止計(jì)數(shù)器的預(yù)先確定的狀態(tài)。如果沒(méi)有達(dá)到這些中斷標(biāo)準(zhǔn)中的任一個(gè)，則以步驟315繼續(xù)所述方法。如果達(dá)到中斷標(biāo)準(zhǔn)，在步驟340中，確定所存儲(chǔ)的測(cè)量值相對(duì)于理想的測(cè)量值的偏差(參見(jiàn)圖幻。為此，優(yōu)選借助于最小二乘法(“l(fā)east squares")確定球體的幾何體， 所存儲(chǔ)的點(diǎn)以盡可能好的近似度位于所述球體的表面上。所確定的球體的中心與測(cè)量軸的原點(diǎn)的偏差是所尋找的測(cè)量值偏差。隨后，在步驟345中，確定磁場(chǎng)傳感器110沿第一軸的靈敏度。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)磁場(chǎng)傳感器110的相應(yīng)較小的制造公差已知沿所述軸的靈敏度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，向線圈130通電流，從而沿Z測(cè)量軸產(chǎn)生已知磁場(chǎng)。磁場(chǎng)傳感器110沿Z軸的靈敏度可以由ζ方向上的測(cè)量值和所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的數(shù)值來(lái)確定。優(yōu)選地，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)如此大，以至于在確定時(shí)地磁場(chǎng)沒(méi)有附加的影響，即例如比地磁場(chǎng)大5倍或10倍?；谠诓襟E340和345中確定的參量，在步驟350中實(shí)施一輪牛頓迭代方法。隨后，在步驟355中檢查通過(guò)步驟350的已經(jīng)進(jìn)行的輪所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性是否低于預(yù)先確定的程度。如果低于預(yù)先確定的程度，則方法300以步驟350繼續(xù)并且重新通過(guò)牛頓方法進(jìn)行迭代。如果在步驟355中確定準(zhǔn)確性足夠高，則在步驟360中輸出所確定的校準(zhǔn)參數(shù)。 這些校準(zhǔn)參數(shù)通常包括測(cè)量值的偏差沿測(cè)量軸的三個(gè)元素以及靈敏度沿不經(jīng)受線圈130 的磁場(chǎng)的測(cè)量軸的兩個(gè)元素。同樣可以輸出所確定的沿ζ軸的準(zhǔn)確性?；谶@些參數(shù)可以校正所記錄的測(cè)量值，使得所述測(cè)量值位于圍繞測(cè)量軸的原點(diǎn)的、對(duì)應(yīng)于圖2中的測(cè)量值 220的理想球體的表面上。在步驟360中，也可以實(shí)施所述校正并且輸出經(jīng)校正的測(cè)量值。此外，在可選的步驟365中，可以將最后在步驟305中設(shè)置的方法參數(shù)匹配于所確定的校準(zhǔn)參數(shù)。以此方式，尤其可以有利地如此沿測(cè)量軸定義集群，使得可以容易地將所記錄的測(cè)量值分配給集群并且沿測(cè)量軸定義既不過(guò)多也不過(guò)少的集群。以下進(jìn)行方法300的核心要素的數(shù)學(xué)描述。為了確定磁場(chǎng)傳感器110沿ζ測(cè)量軸的靈敏度的校正因子&，借助于線圈130在磁場(chǎng)傳感器110處沿Z方向施加已知磁場(chǎng)。所述校正因子&為
z(on) - z{pff)\s = IJ (公式 1)其中
Sz:=用于沿ζ測(cè)量軸的校準(zhǔn)的校正因子
"ziori)=在磁場(chǎng)激活時(shí)Z方向上的測(cè)量值的平均值
乂off、·.=在磁場(chǎng)去激活時(shí)ζ方向上的測(cè)量值的平均值
|B| =所施加的磁場(chǎng)
磁場(chǎng)傳感器110在沿ζ軸的靈敏度校正之后的非線性可以描述如下
dt = ^(Sx0-Xi-X0)2+ (Sy0 U0)2 + (zt -Z0)2 (公式 2)
其中
d:=球體220的半徑
Sx:=用于沿χ測(cè)量軸的校準(zhǔn)的校正因子
6
Sy:=用于沿y測(cè)量軸的校準(zhǔn)的校正因子x0:=測(cè)量值沿X測(cè)量軸的偏差y0=測(cè)量值沿y測(cè)量軸的偏差z0:=測(cè)量值沿z測(cè)量軸的偏差i:=測(cè)量值的索引由所存儲(chǔ)的測(cè)量值求得所說(shuō)明的、所尋找的校準(zhǔn)參數(shù)。在此，使用非線性的牛頓方 法。首先按已知方式構(gòu)造Jacobi矩陣
權(quán)利要求
1.用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器(110)的方法(300)，所述方法包括以下步驟通過(guò)一疊加的信號(hào)確定(340)所述磁場(chǎng)傳感器(110)的所記錄的測(cè)量值的偏差；以及確定(345-35 所述磁場(chǎng)傳感器沿測(cè)量軸(x、y、z)的靈敏度； 其中，所述靈敏度的確定(345-35 包括 確定(34 所述磁場(chǎng)傳感器(110)沿第一測(cè)量軸(ζ)的靈敏度； 基于所述第一測(cè)量軸(ζ)的靈敏度和所確定的偏差來(lái)確定(350)所述磁場(chǎng)傳感器 (110)沿其他測(cè)量軸(x、y)的靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(300)，其特征在于，通過(guò)在所述磁場(chǎng)傳感器(110)處施加(34 —已知的磁場(chǎng)來(lái)確定所述第一測(cè)量軸(ζ)的靈敏度。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(300)，其特征在于，借助于牛頓迭代方法來(lái)確定(350)沿所述其他測(cè)量軸(x、y)的靈敏度。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(300)，其特征在于，所述方法還包括 存儲(chǔ)(32 與所有之前存儲(chǔ)的測(cè)量值保持預(yù)先確定的最小距離的、所記錄的測(cè)量值。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(300)，其特征在于，在第一輪之后以所記錄的其他測(cè)量值繼續(xù)所述方法(300)，以便不斷改善所述校準(zhǔn)。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(300)，其特征在于，基于所述方法(300)的結(jié)果來(lái)匹配(365)至少一個(gè)方法參數(shù)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(300)，其特征在于，所述方法還包括根據(jù)所確定的靈敏度和所述偏差來(lái)校(360)所記錄的測(cè)量值。
8.具有程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品(300)，用于在處理裝置上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或者所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)據(jù)載體上時(shí)實(shí)施根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法。
9.用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器的設(shè)備(120)，所述設(shè)備包括用于通過(guò)一疊加的信號(hào)確定所述磁場(chǎng)傳感器(Iio)的測(cè)量值的偏差的裝置(120)； 用于確定所述磁場(chǎng)傳感器(110)沿第一測(cè)量軸(ζ)的靈敏度的裝置(120)；以及用于基于所述第一測(cè)量軸(ζ)的靈敏度和所確定的偏差來(lái)確定所述磁場(chǎng)傳感器(110) 沿其他測(cè)量軸(x、y)的靈敏度的裝置(120)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括用于在所述磁場(chǎng)傳感器 (110)處沿所述第一測(cè)量軸(ζ)施加一已知磁場(chǎng)的裝置(130)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器的方法，所述方法包括以下步驟通過(guò)疊加的信號(hào)確定所述磁場(chǎng)傳感器的所記錄的測(cè)量值的偏差以及確定所述磁場(chǎng)傳感器沿測(cè)量軸的靈敏度。在此，所述靈敏度的確定包括以下步驟確定所述磁場(chǎng)傳感器沿第一測(cè)量軸的靈敏度以及基于所述第一測(cè)量軸的靈敏度和所確定的偏差來(lái)確定所述磁場(chǎng)傳感器沿其他測(cè)量軸的靈敏度。本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的用于校準(zhǔn)三軸磁場(chǎng)傳感器的設(shè)備。
文檔編號(hào)G01C17/38GK102353917SQ20111015768
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者J·巴托洛邁奇克, S·沙伊爾曼, S·魏斯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司