JP2007163388A - 方位センサおよび記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサ出力から磁気センサのオフセットを算出する方位センサでは、オフセットを精度良く求めることができず、その結果、精度良い方位を算出できないという課題があった。
【解決手段】地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、地磁気を検出して磁気センサ出力５を出力する磁気センサ１と、姿勢を検出して傾斜センサ出力６を出力する傾斜センサ２と、磁気センサ出力５と傾斜センサ出力６の両方を用いてオフセット７を算出するオフセット算出手段３と、オフセット算出手段３が算出したオフセット７を用いて磁気センサ出力５を補正した上で方位８を算出する方位算出手段４とを有する構成を採用した。これにより、オフセット７を精度良く求めることができ、その結果、精度良い真の方位８を算出することができる様になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地磁気を検出し方位を算出する方位センサと、この方位センサを制御する記録媒体に関するものである。

近年、自動車の走行ナビゲーションシステムや、携帯電話を用いた歩行者用ナビゲーションシステムの実用化が急速化している。このようなシステムでは、地磁気を検出し方位を求める方位センサの搭載が必須である。進行方向を検出する方位センサの誤差が直接ナビゲーションシステムの性能にかかわってくるので、磁気センサを方位センサとして使用したシステムでは磁気センサに高い精度が要求される。

一般にナビゲーションシステム等の機器には金属の部品が搭載されるが、これらの部品は強い磁界の中通過するなどの影響により、それ自体が磁気を帯びることがある。この様な状態を着磁と呼ぶ。

磁気センサが地磁気を検出するときの出力電圧は、着磁が全く無い場合は、基準電圧を中心とした出力電圧が得られる。ところが、機器内に着磁した部品が存在すると、磁気センサの出力は、基準電圧にオフセットが加わった電圧を中心とした出力となってしまう。このようなオフセットを含んだ出力から方位を算出すると実際の方位とは一致しなくなる。

この方位誤差を補正するため、磁気センサを搭載している機器では機器全体を１回転させ、磁気センサの出力電圧の最大値と最小値の平均を算出して新たな基準電圧（補正値）とする方法を取ることがある。

しかし、着磁の状況が変化するたびに機器を回転させ補正するというのはユーザにとって非常に煩わしいという問題があり、従来より機器を回転させずとも磁気センサの数回の出力値よりオフセットを演算により求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

これは、周辺の部品の着磁に応じたオフセットを得て補正する方法であり、具体的には着磁後であっても、その後着磁状態が変化しない間にサンプリングされた相異なる３組の２次元座標値が定める３点を用いて、その３点から所定の距離にあるオフセットとなる２次元座標値（３円の交点）を得て、このオフセットを使用して正しい方位を得ようとするものである。

この方法について、更に詳細に図面を用いて説明を行う。図４は、方位センサを含む機器を水平状態下で一周回させたときのＸ軸、Ｙ軸磁気センサの出力の関係を示したものである。横軸VｘがＸ軸の磁気センサ出力であり、縦軸VｙがＹ軸の磁気センサ出力である。一周回させたとき、これら磁気センサ出力は図４において点線で示した軌跡をとる。

この図４から、水平状態下でのＸＹ出力グラフは円形状となっていることが判る。また、このときの円の半径は地磁気の水平成分に相当する出力を表しており、円の中心座標はＸ軸の磁気センサ出力とＹ軸の磁気センサ出力の原点Ｏに対するオフセットＯ１を示すこととなる。ここで、この出力円上の３点のＡ、Ｂ、Ｃの２次元座標が判ると、３点から等距離の点、すなわち図４に示す実線の３つの円の交点Ｏ１を求めることにより、オフセットを求めることができる。この方法によれば、周辺部品の着磁量が経時的に変化した場合
であっても、その都度、着磁に係るオフセットＯ１を取得できるため、機器を水平状態下で一周回させずともオフセットＯ１を得ることができる。

また、この考えを３次元に拡張すれば、３次元座標におけるＸＹＺ軸磁気センサの異なる４点の磁気センサ出力から球の中心座標を求めることにより、オフセットを得ることができることは容易に理解できるであろう。

特開平８−１０５７４５号公報（第６頁、図３）

しかしながら、特許文献１に示した従来の方位センサは、周囲状況の影響を受けやすい地磁気の測定値、すなわち誤差の大きい磁気センサ出力を用いてオフセットＯ１を算出しているため、算出したオフセットＯ１が真のオフセットからずれてしまうという欠点があった。この様な、真のオフセットからずれたオフセットＯ１を用いて、磁気センサ出力をオフセット補正するシステムでは、真の方位を得ることができないことは明白である。

本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、精度よくオフセットを算出し、真の方位を得ることができる方位センサとこの方位センサを制御する記録媒体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の方位センサと記録媒体は、基本的に下記に示す構造を採用するものである。

本発明の方位センサは、地磁気を検出し方位を算出するにあたって、地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサと、姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサと、磁気センサ出力と傾斜センサ出力の両方を用いてオフセットを算出するオフセット算出手段と、オフセット算出手段が算出したオフセットを用いて磁気センサ出力を補正した上で方位を算出する方位算出手段とを有することを特徴とするものである。

また、本発明の方位センサは、前述した方位算出手段が、磁気センサ出力と、傾斜センサ出力と、オフセットを用いて行う手段であることを特徴とするものである。

本発明の記録媒体は、地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサ出力手段と、姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサ出力手段と、磁気センサ出力と傾斜センサ出力の両方を用いてオフセットを算出するオフセット算出手段と、オフセット算出手段が算出したオフセットを用いて磁気センサ出力を補正した上で方位を算出する方位算出手段と、を有するプログラムを記録したことを特徴とするものである。

また、本発明の記録媒体は、前述した方位算出手段が、磁気センサ出力と、傾斜センサ出力と、オフセットを用いて行う演算手段であることを特徴とするものである。

また、本発明の記録媒体は、前述したオフセット算出手段で用いる傾斜センサ出力が、少なくとも異なる４つの姿勢のセンサ出力値を用いて演算することを特徴とするものである。

本発明の方位センサおよび記録媒体は、磁気センサから出力される磁気センサ出力に加えて、傾斜センサから出力される傾斜センサ出力を用いて、磁気センサ出力に対する正確
なオフセットを算出することができる。また、精度の良いオフセットを用いることにより、精度の良い方位を算出できる。

さらに、本発明の方位センサおよび記録媒体は、この傾斜センサをオフセット補正だけでなく、地磁気のみの出力に対する傾斜補正も行うことができるようになっているので、方位センサを搭載した機器が傾斜している場合であっても精度の良い真の方位を算出することができる様になる。

以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。
図１は、本発明の方位センサを示す構成図である。図２は、３次元観測座標系における観測磁気ベクトルと、地磁気ベクトルと、オフセットベクトルを示す図面である。図３は、図２に示した各ベクトルに、重力ベクトルを加えて示した図面であり、図３（ａ）は第１の姿勢のときのベクトル図面であり、図３（ｂ）は第２の姿勢のときのベクトル図面である。

[構造説明：図１]
まず、本発明の方位センサの構成について図１を用いて説明する。
図１において、符号１はＸ、Ｙ、Ｚ軸の磁気を検出する磁気センサを、符号２はＸ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を検出する傾斜センサを示している。また、符号３は磁気センサのオフセットを算出するオフセット算出手段を、符号４は方位を算出する方位算出手段を示している。また、符号５は磁気センサ出力を、符号６は傾斜センサ出力を、符号７はオフセット算出手段により算出されたオフセットを、符号８は方位算出手段によって算出された方位を示している。

なお、磁気センサ１には、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）や、フラックスゲート型の磁気センサを用いることができる。傾斜センサ２には、ピエゾ抵抗型の加速度センサや静電容量型の加速度センサを用いることができる。

[動作説明：図1]
次に、本発明の方位センサを構成する各構成要件が果たす機能について図１を用いて説明する。
図１に示す様に、磁気センサ１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の地磁気を検出して、オフセット算出手段３と方位算出手段４とに磁気センサ出力５をそれぞれ出力する。この磁気センサ出力５は、地磁気による出力に加えて、着磁の影響によるオフセットが含まれたものとなる。傾斜センサ２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を検出し、同じくオフセット算出手段３と方位算出手段４に傾斜センサ出力６を出力する。

オフセット算出手段３は、磁気センサ出力５と傾斜センサ出力６の情報に基づきオフセット７を算出し、方位算出手段４に出力する。方位算出手段４は、磁気センサ出力５からオフセット７を差し引き、地磁気のみの出力を抽出してオフセット補正し、さらに傾斜センサ出力６によってこの地磁気のみの出力に対する傾斜補正をした上で、真の方位８を算出する。

[動作説明：図１、図２、図３]
次に、本発明の方位センサの特徴となるオフセット算出手段の動作について図１、図２、図３を用いて説明する。図２は、図１に示した磁気センサ出力５を３次元観測座標系に示した図面である。
図１で示した磁気センサ１から得られる磁気センサ出力５を３次元観測座標系に表すと、図２に示す様に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸それぞれの出力値を座標とする観測磁気ベクトル１１と
なる。また、オフセット７を同様に３次元観測座標系に表すと、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸それぞれのオフセットを座標とするオフセットベクトル９となる。そして、本図面から観測磁気ベクトル１１は、地磁気ベクトル１２にオフセットベクトル９が加わったものであることが判る。

図３は、図２に示した観測磁気ベクトル１１と、地磁気ベクトル１２と、オフセットベクトル９に加えて、重力ベクトル１０を３次元観測座標系に示した図面である。なお、図３（ａ）は、第1の姿勢における各ベクトルを示した図面であり、図３（ｂ）は、第１の姿勢とは異なる第２の姿勢における各ベクトルを示した図面である。ここで、傾斜センサ出力６を先と同様に３次元座標系に表したのが、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸それぞれの出力値を座標とする重力ベクトル１０に相当する。

図３（ａ）、図３（ｂ）から分かるように、姿勢１から姿勢２に変化しても、オフセットベクトル９は変化していない。これは、着磁が機器に発生するためであり、着磁によるオフセットも機器の姿勢の変化に連動するためである。

一方、地磁気ベクトル１２と重力ベクトル１０は、姿勢に応じて回転して、重力ベクトル１０、観測磁気ベクトル１１、地磁気ベクトル１２が、機器の姿勢に応じて変化している。

この様に、地磁気ベクトル１２と重力ベクトル１０は、姿勢に応じて３次元座標系に対して回転することとなるが、地磁気ベクトル１２と重力ベクトル１０との相対的な関係は変わっていない。すなわち、地磁気ベクトル１２と重力ベクトル１０との成す角（内積）は、姿勢が変わっても変動していないことが判る。

本発明の方位センサは、上述した現象を利用して、オフセット算出手段３にて磁気センサ出力５と傾斜センサ出力６とを用い、より精度の高いオフセット７を得ようとするものである。以下に、本発明の方位センサを制御する演算方法について詳細に説明をする。

まず、オフセットベクトル９、地磁気ベクトル１２、観測磁気ベクトル１１のぞれぞれのベクトルをＸ、Ｙ、Ｚ成分で表現する。ここでは、オフセットベクトル９のＸ、Ｙ、Ｚ成分を、（Xoff，Ｙoff，Ｚoff）とする。
また、第１の姿勢での観測磁気ベクトル１１のＸ、Ｙ、Ｚ成分を、（Ｘh1，Ｙh1，Ｚh1）とし、第２の姿勢での観測磁気ベクトル１１のＸ、Ｙ、Ｚ成分を（Ｘh2，Ｙh2，Ｚh2）とする。
また、第１の姿勢での重力ベクトル１０のＸ、Ｙ、Ｚ成分を、（Ｘg1，Ｙg1，Ｚg1）とし、第２の姿勢での重力ベクトル１０のＸ、Ｙ、Ｚ成分を、（Ｘg2，Ｙg2，Ｚg2）とする。

すると、図３（ａ）、図３（ｂ）から容易に理解できる様に、第１の姿勢での地磁気ベクトル１２のＸ、Ｙ、Ｚ成分は、（Ｘh1―Ｘoff，Ｙh1―Ｙoff，Ｚh1―Ｚoff）となり、第２の姿勢での地磁気ベクトル１２のＸ、Ｙ、Ｚ成分は、（Ｘh2―Ｘoff，Ｙh2―Ｙoff，Ｚh2―Ｚoff）となる。

ここで、第１の姿勢と第２の姿勢で地磁気ベクトル１２と重力ベクトル１０との内積が変わらないことを式で表すと、下記数１の様に表現することができる。

そして、数１の項を移項して整理すると、下記数２となる。

上記数２は、第２の姿勢と第１の姿勢とから導き出した式であるが、同様に、第３の姿勢と第１の姿勢とから、またさらに、第４の姿勢と第１の姿勢とから以下の数３、数４を導き出すことができる。

ただし、ここで（Ｘh3，Ｙh3，Ｚh3）は、第３の姿勢での観測磁気ベクトル１１のＸ、Ｙ、Ｚ成分を表し、（Ｘh4，Ｙh4，Ｚh4）は、第４の姿勢での観測磁気ベクトル１１のＸ、Ｙ、Ｚ成分を表している。また、（Ｘg3，Ｙg3，Ｚg3）は、第３の姿勢での重力ベクトル１０のＸ、Ｙ、Ｚ成分を表し、（Ｘg4，Ｙg4，Ｚg4）は、第４の姿勢での重力ベクトル１０のＸ、Ｙ、Ｚ成分を表している。

ここで、数２、数３、数４の左辺をそれぞれＪ12、Ｊ13、Ｊ14とおき、右辺の（Ｘg2−Ｘg1）をＸg12とおき、（Ｘg3−Ｘg1）をＸg13とおき、（Ｘg4−Ｘg1）をＸg14とおき、（Ｙg2−Ｙg2）をＹg12とおき、（Ｙg3−Ｙg1）をＹg13とおき、（Ｙg4−Ｙg1）をＹg14とおき、（Ｚg2−Ｚg1）をＺg12とおき、（Ｚg3−Ｚg1）をＺg13とおき、（Ｚg4−Ｚg1）をＺg14とおき、行列式で表現すると下記数５となる。

この数５から、Ｘoff、Ｙoff、Ｚoffは、逆行列を用いると下記数６で表現することができる。

ここで重要なことは、行列Ｇが、第１から第４の姿勢の４つの姿勢における、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に配したそれぞれの傾斜センサ出力６のみから構成されている点と、Ｊ12、Ｊ13、Ｊ14にも、傾斜センサ出力６の値が含まれている点にある。なお、上記説明で、第１から第４の４つの姿勢のセンサ出力値を用いた演算手段を示したが、５つ以上の姿勢を用いて同様に演算を行えば、より精度の良いオフセット７を得ることができることは容易に理解できよう。

次に、上記数６で示したオフセット７の演算が、従来のオフセット演算に比べて有効な演算であることについて説明をする。
一般に磁気センサ出力５は、例えば、測定場所周辺に金属があると、方位センサを搭載した機器外の周囲環境の影響を受けて変化してしまい、観測磁気ベクトル１１の向きや大きさが変わってしまうことが多々ある。この様な環境下で方位センサを使用すると、磁気センサ出力５には誤差が多く含まれてしまうこととなる。

一方、重力は周囲環境に影響されないため、この様な環境下においても傾斜センサ出力６を精度よく検出することができる。従って、従来のように磁気センサ出力５のみからオフセット算出する手法よりも、数６より重力を用いてオフセットを算出した方が高精度なオフセット７を得ることができる。

[動作説明：図１、図３]
次に、本発明の方位センサにおける方位算出手段の機能および演算方法について図１、図３を用いて説明する。なお、下記に示す方位算出手段は、磁気センサ出力５とともに傾斜センサ出力６を用いて方位８を算出する方法について示すが、本発明の方位センサはこれに限定されるものではなく、先に示した手順に従って正確なオフセット７を得た上で、磁気センサ出力５のみを使って方位算出手段４にて方位８を算出しても構わない。

まず、方位算出手段４は、磁気センサ出力５からオフセット７を差し引いて、地磁気ベクトル１２を求める。

次に、機器の傾斜補正を行うため、重力ベクトル１０とＺ軸が平行になるように、磁気センサ出力５に対する座標変換を行い、変換後の座標系から見た地磁気ベクトル１２のＸ成分とＹ成分の比より、最終的に真の方位を算出する。

この座標変換には様々な方法があるが、例えばＹ軸を中心にβ回転させた後、Ｘ軸中心にα回転させる座標変換を用いることができる。この座標変換は一般に知られるように、下記数７により行うことができる。また、数７に示すα、βは、傾斜センサ出力６から求めることができる。

このように、磁気センサ出力５に対する傾斜補正を行うため、機器が傾斜していた場合でも容易に真の方位を算出することができる。

そして、本発明の方位センサは、磁気センサ１と傾斜センサ２とを設け、磁気センサ出力５に加えて傾斜センサ出力６を用いて、オフセット算出手段３により、精度の良い磁気センサのオフセット７を算出することができる。この様に、精度の良いオフセット７を得ることにより、方位算出手段４により精度の良い方位８を算出することができる。

さらに、本発明の方位センサでは、地磁気のみの出力に対する傾斜補正も容易に行うことができ、この方位センサを備えた機器が傾斜している場合であっても、精度の良い真の方位８を算出することができる。

本発明の方位センサは、高精度な方位を求められる機器に適用することができる。特に、携帯型の機器に本発明の方位センサを搭載するのに好適である。

本発明の方位センサを示す構成図である。 本発明の方位センサの３次元観測座標系における磁気ベクトルを示す図面である。 本発明の方位センサの３次元観測座標系における磁気ベクトルと重力ベクトルを示す図面である。 従来の方位センサを示す出力軌跡図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
２ 傾斜センサ
３ オフセット算出手段
４ 方位算出手段
５ 磁気センサ出力
６ 傾斜センサ出力
７ オフセット
８ 方位
９ オフセットベクトル
１０ 重力ベクトル
１１ 観測磁気ベクトル
１２ 地磁気ベクトル

Claims (5)

1. 地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、
   地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサと、
   姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサと、
   前記磁気センサ出力と前記傾斜センサ出力の両方を用いてオフセットを算出するオフセット算出手段と、
   前記オフセット算出手段が算出した前記オフセットを用いて前記磁気センサ出力を補正した上で方位を算出する方位算出手段と、
   を有することを特徴とする方位センサ。
2. 前記方位算出手段は、前記磁気センサ出力と、前記傾斜センサ出力と、前記オフセットを用いて行う手段であることを特徴とする請求項１に記載の方位センサ。
3. 地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサ出力手段と、
   姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサ出力手段と、
   前記磁気センサ出力と前記傾斜センサ出力の両方を用いてオフセットを算出するオフセット算出手段と、
   前記オフセット算出手段が算出した前記オフセットを用いて前記磁気センサ出力を補正した上で方位を算出する方位算出手段と、
   を有するプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
4. 前記方位算出手段は、前記磁気センサ出力と、前記傾斜センサ出力と、前記オフセットを用いて行う演算手段であることを特徴とする請求項３に記載の記録媒体。
5. 前記オフセット算出手段で用いる前記傾斜センサ出力は、少なくとも異なる４つの姿勢のセンサ出力値を用いて演算することを特徴とする請求項３または４に記載の記録媒体。

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