JP2004093562A - 地磁界センサの姿勢誤差補償装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　２軸地磁界センサの姿勢誤差を補正することによって方位角情報を必要とするシステムにおいて該情報を使用できるようにし、２軸地磁界センサを方位角情報を必要とする装置(例えば、航法装置、ゲーム機、ＰＤＡ、携帯電話など)に装着する場合、２軸傾斜計を用いて姿勢情報を計算した後地磁界センサの姿勢による誤差を補償して正確な方位角情報を計算できる地磁界センサの姿勢誤差補償装置及び方法を提供する。
【解決手段】　傾斜計を用いて地磁界センサモジュールの姿勢を測定して動体座標系から水平座標系に変換する座標変換行列を計算する。また、２軸地磁界センサの出力と前記計算した姿勢情報を用いて地磁界センサモジュールの現在姿勢におけるＺ軸方向仮想地磁界データを生成する。このように生成したＺ軸地磁界データと測定したＸ軸、Ｙ軸地磁界データを座標変換行列を用いて水平座標系に変換した後計算した方位角を地磁界センサモジュールの方位角にする。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は２軸地磁界センサから得られた地球磁気場に対する情報と傾斜計を用いて地磁界センサの姿勢誤差を補正することによって正確な方位角情報を計算できる測定装置及び計算方法に関する。

　地磁界センサを使用して自由空間を動かす航体(vehicle)またはセンサモジュールの方位角情報を計算する方法及び装置は今まで多くの研究がなされて来た技術である。しかし、使用されるセンサが高価でありサイズも大きくて主に航法用として使用された。
　最近、小型で安価な地磁界センサモジュールが開発され、特にＭＥＭＳ技術の発達に伴ってチップ(chip)型地磁界センサモジュールが開発されることによって、方位角情報を必要とする多様な分野において使用されている。しかし、地磁界センサモジュールが水平を維持できない応用分野では地磁界センサだけでは正確な方位角情報が得られない。

　一般に、地磁界センサは地球磁気場の強度を測定する装置であって、地球磁気場の流れベクトル（flux vector）とこれを測定するセンサの測定軸ベクトルが平行になってこそ正確な磁場の強度を測定することができる。この際、右手の法則に従って地軸が直角に配置された二軸の磁界センサを水平に装着した後、二つのセンサの出力を用いてセンサモジュールが指し示す方位角を計算する。

　しかし、地磁界センサが水平をなしていない場合、地球磁気場の強度を正確に測定できないため、この際の方位角情報は大きい誤差を含む。従って、姿勢による誤差を補償すべきであり、このため主に３軸の地磁界センサと姿勢を測定できる傾斜計を用いて座標変換を通した誤差補償を行う（特許文献１参照）。
　小型地磁界センサの開発と姿勢誤差補償技法を用いて航法装置だけではなく、スポーツ、マルチメディア、ゲーム機などに応用分野が広まりつつある。

　しかし、センサ装着空間上の問題などによって２軸地磁界を使用する場合、今まで開発されている誤差補償技法だけでは誤差を補償することができず、これを用いて計算された方位角は姿勢の大きさによって誤差を増加させてしまう。
韓国特許出願公開第２００２―０３０２４４号明細書

　従って、本発明は前述したような問題点を解決するために案出されたもので、その目的は２軸地磁界センサの姿勢誤差を補正することによって方位角情報が必要なシステムにおいてこの情報を使用できるようにする。そして、２軸地磁界センサを方位角情報を必要とする装置(例えば、航法装置、ゲーム機、ＰＤＡ、携帯電話など)に装着する場合、２軸傾斜計を用いて姿勢情報を計算した後、地磁界センサの姿勢による誤差を補償して正確な方位角情報を計算できる装置及び方法を提供することにある。

　前述した目的を達成するための本発明に係る２軸センサと傾斜計を用いた方位角測定装置は、方位角情報を必要とする装置に装着する場合、地球磁気場の強度を測定する２軸地磁界センサと、姿勢情報を提供するための２軸傾斜計と、測定されたセンサ信号をフィルタリングしデジタル値に変換する信号調節器(signal conditioning)と、地磁界センサで測定された地球磁気場の強度と傾斜計の出力を用いて方位角を計算するマイクロプロセッサと、計算された方位角情報を表示する液晶ディスプレイモジュール、及び前記マイクロプロセッサで処理されたセンサ信号と計算された方位角情報を転送する直列通信インタフェースで構成されることを特徴とする。

　本発明の傾斜計を用いて２軸地磁界センサ誤差を補正している方位角情報を計算する方法は、マイクロプロセッサに搭載された内部タイマーを用いてデータ出力周期を設定する段階と、センサのアナログ値をデジタル値に変換する段階と、変換されたセンサデータをマイクロプロセッサの内部レジスタに保存する段階と、傾斜計データを用いて座標変換行列を計算する段階と、仮想のＺ軸地磁界データを生成する段階と、３軸地磁界データ(２軸地磁界センサデータ＋１軸仮想データ)と座標変換行列を用いた水平座標系上の地磁界データ計算段階と、前記計算されたデータを用いて方位角を計算する段階、及び内部タイマーに設定されている出力周期によるタイマーインタラプトが発生すればセンサデータと計算された方位角データを直接通信によって外部システムに転送し、液晶ディスプレイモジュールに表示する段階とからなることを特徴とする。

　前記地磁界センサデータを水平座標系に変換させるための座標変換行列を求めるアルゴリズムは、マイクロプロセッサの内部レジスタに保存された傾斜計データに換算係数（scale factor）を積算して単位をＳＩ単位に変換させる段階と、前記変換された傾斜計データを用いて姿勢を計算する段階、及び計算された姿勢値を用いて座標変換行列を計算する段階とからなることを特徴とする。

　前記２軸地磁界センサを使用する場合、仮想のＺ軸地磁界データを生成するアルゴリズムは、地磁界センサが地球の垂直下方に向かう時測定される地磁界データ設定段階、及び前記計算した姿勢情報とＸ軸、Ｙ軸の地磁界データを用いて仮想のＺ軸地磁界データを生成する段階とからなることを特徴とする。

　本発明に係る地磁界センサの姿勢誤差補償による方位角計算装置によれば、２軸地磁界センサと２軸傾斜計を使用して既存の３軸地磁界センサと傾斜計を使用すべきであった地磁界センサモジュールの技術的限界を克服し方位角情報をユーザに提供する。
　本発明は方位角情報を必要とする場合に便利に使える。例えば、ＰＤＡに保存された電子地図を使用してユーザの進行方向を確認しようとする場合、ユーザの現在の正確な方位角を認知して地図を回転させＰＤＡの液晶ディスプレイモジュールに出力することによって便利に自己の進行方向を決めるのに役に立つ。

　また、ゲーム機においてゲーム機の姿勢だけではなく回転方向に対する情報を通して３Ｄゲームの具現を可能にし、ひいては仮想現実のデータ入力装置として便利に使える。

＜実施例１＞
　以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例を詳述する。
　図１は本発明に係る２軸地磁界センサと傾斜計を用いて姿勢誤差を補償し方位角を計算する概念の構成図であって、２軸地磁界センサ１０１、傾斜計１０２、姿勢(座標)変換行列１０３、仮想のＺ軸地磁界データ生成１０４、地磁界データ座標変換１０５、方位角計算１０６で構成される。

　地磁界センサ(fluxgate、magnetoresistive(ＭＲ)センサなどがあり、いずれであっても結構)１０１は、地球磁気場の強度を測定するものであって、センサモジュールの前方をＸ軸にし、Ｘ軸から９０°右側方向をＹ軸にして２軸地磁界センサを配する。このセンサモジュールによりＸ軸(前向き方向)とＹ軸(右側方向)に検知される地球磁気場の強度を測定する。

　傾斜計１０２は、地表面について前記センサ１０１の傾斜角を測定するために使用するもので、傾斜計センサ(inclinometer)、加速度計などを使用できる。停止状態で地球重力加速度だけを測定する加速度計を傾斜計として使用する場合、それぞれ直角に配置された２軸または３軸モジュールを使用して、姿勢によってそれぞれ違う大きさの加速度を測定することによって姿勢情報を計算することができる。２軸加速度計を使用する場合、数１、数２のように加速度が測定され、数３、数４を用いて姿勢を計算する。

　ここで、ａ_x、ａ_yはそれぞれｘ軸、ｙ軸加速度計出力値を示し、ｇは重力加速度を意味し、Φとθはそれぞれロール（ＲＯＬＬ）とピッチ角（ＰＩＴＣＨ）を指す。
　座標変換行列１０３は、地磁界センサデータを動体座標系から水平座標系に変換する座標変換行列を計算するためのもので、傾斜計１０２出力値を用いて計算した姿勢情報を用いて次のように構成される。

　ここで、Ｃ_b ^ｈは、座標変換行列である。
　仮想のＺ軸地磁界データ（Ｚ_jg）１０４は２軸地磁界センサの姿勢誤差を補正するために必須のもので、地磁界センサの二つの出力と前記で計算された姿勢情報を用いて次のように計算される。

　ここで、Ｚ_hは地磁界センサの測定軸が地球の垂直下方に向かう時測定される地球磁気場の強度であって、実験によって先に設定される値である。
　地磁界センサデータの水平座標系への座標変換１０５は次のように行われる。下記の通り、水平座標系に座標変換された地磁界データは、数６により計算されたＺ軸地磁界データ、測定されたＸ軸、Ｙ軸地磁界データと、座標変換行列との積により計算される。

　ここで、[X_jg Y_jg Z_jg]^Tは地磁界センサデータである。ここで、Ｘ_jgはＸ軸（前向き方向）で検知される地球磁気場の強度であり、Ｘ軸方向地磁界センサの出力としてのＸ軸地磁界データである。また、Ｙ_jgはＹ軸（右向き方向）で検知される地球磁気場の強度であり、Ｙ軸方向地磁界センサの出力としてのＹ軸地磁界データである。
　方位角計算１０６は前記水平座標系に座標変換された地磁界データのＸ軸とＹ軸データを用いて次のように計算される。

　ここで、Ｘ_hは、Ｘ軸地磁界データを水平座標系に座標変換したデータであり、Ｙ_hは、Ｙ軸地磁界データを水平座標系に座標変換したデータである。図２は前記図１の機能を行うように構成された２軸地磁界センサ用インタフェース構成図であって、２軸地磁界センサ２０１、２軸傾斜計２０２、信号調節器２０３、マイクロプロセッサ２０４、液晶ディスプレイモジュール２０５、直列通信 インタフェース２０６とから構成される。

　信号調節器２０３は、電源雑音及び高周波雑音を除去するための低域通過フィルタとアナログ信号として出力されるセンサ信号をデジタル値に変換させるＡ/Ｄ変換器で構成され、マイクロプロセッサ２０４にセンサ信号を入力する前に必須のものである。
　マイクロプロセッサ２０４は、前記Ａ/Ｄ変換器２０３から出力されたセンサ信号を保存するためのレジスタと、地磁界センサの姿勢誤差を補正し方位角情報を計算するためのＡＬＵ(Arithmetic Logic Unit)とＦＰＵ(Floating Point Unit)、センサデータと計算された方位角情報を液晶ディスプレイモジュール及び外部装置に転送するための出力周期を設定する内部タイマーが搭載されている。

　液晶ディスプレイモジュール２０５は前記マイクロプロセッサ２０４から出力された方位角情報を表示することによって、地磁界センサモジュールが装着された装置の方位角をユーザに認知させるようにする。
　直列通信インタフェース２０６は前記マイクロプロセッサ２０４から出力されたセンサデータ及び方位角情報を外部装置に転送するためのもので、非同期直列通信または同期直列通信のいずれであっても構わない。

　図３は前記図１の構成を有する２軸地磁界センサモジュールに搭載されたマイクロプロセッサ２０４の動作流れ図である。
　まず、２軸地磁界センサ２０１と傾斜計２０２の出力値と最後に計算された方位角情報を外部システムに転送するために、マイクロプロセッサ２０４に搭載された内部タイマーを用いてデータ出力周期を設定する(３０１段階)。

　地磁界センサ２０１と傾斜計２０２の出力値をデジタル値に変換するためにＡ/Ｄ変換器制御信号（ＡＤＣ）を発生した後（３０２段階）、変換されたセンサデータを内部レジスタに保存する(３０３段階)。
　保存されたセンサデータのうち傾斜計データを用いて数３、数４のようにセンサモジュールの姿勢を計算する（３０４段階）。このように計算された姿勢を用いて数５のように座標変換行列を計算する(３０５段階)。

　前記計算された姿勢と内部レジスタに保存された地磁界センサデータを用いて数６のように仮想のＺ軸地磁界データを生成する(３０６段階)。
　３軸地磁界データ(２軸地磁界センサデータ＋１軸計算された仮想のＺ軸地磁界データ)は、計算された座標変換行列を使用して数７のように水平座標系における地球磁気場の強度に変換される(３０７段階)。このように変換されたデータを用いて数８のように方位角が計算される(３０８段階)。

　内部タイマーに設定されているデータ出力周期によるインタラプト（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）が発生されたかを検索する(３０９段階)。
　検索の結果、タイマーインタラプトが発生されなければ、以前の段階のセンサデータをデジタル値に変換する段階(３０２段階)に戻って動作を繰り返して行う。検索の結果、タイマーインタラプトが発生したならば(３０９段階)、直列通信を用いて前述したように計算された方位角情報とセンサデータを外部システムに転送し(３１０段階)、液晶ディスプレイモジュールに出力する(３１１段階)。その後、次のタイマーインタラプトが発生するまでセンサデータをデジタル値に変換する段階に戻って(３０２段階)、上記動作を繰り返して行う。

　図４は前記図３のシステムを具現して実験した場合、姿勢変化によって傾斜計２０２を用いて数３、４を通して計算された姿勢である。
　図５は数６によって計算された仮想のＺ軸地磁界データの精度を検証するため、３軸地磁界センサのＺ軸と比較したもので、点線で表示されたものは３軸地磁界センサのＺ軸を示し、実線で表示されたものは数６によって計算された仮想のＺ軸地磁界データである。姿勢変化によって相違になるＺ軸の地磁界データが、数６を通して正確に生成されることが分かる。

　図６は前記図４の姿勢変化がある場合、前記生成された仮想のＺ軸地磁界データと２軸地磁界センサの出力、及び前記計算された座標変換行列を用いて数７及び数８を通して計算された方位角であって、点線で表示されるものは補償されない場合の方位角を示すもので、大きい方位角変化が発生することが分かる。一方、実線で表示されたものは補償された場合の方位角を示すもので、方位角変化が小さい誤差範囲内でだけ変わることが分かるため、本発明の性能を確認することができる。

　本発明は前述した実施例に限らず、多くの変形が本発明の技術的思想内、例えば航法装置及びスポーツ、マルチメディア、ゲーム機、仮想現実などのシステムにおいて当分野の通常の知識を持つ者にとって可能である 。

　２軸地磁界センサの姿勢誤差を補正することによって方位角情報を必要とするシステムにおいてこの情報を使用できるようにし、２軸地磁界センサを方位角情報を必要とする装置(例えば、航法装置、ゲーム機、ＰＤＡ、携帯電話など)に装着する場合、２軸傾斜計を用いて姿勢情報を計算した後地磁界センサの姿勢による誤差を補償するものに利用できる。

本発明に係る２軸地磁界センサの姿勢誤差補償による方位角計算方法の流れ構成図である。 本発明に係る２軸地磁界センサ及び姿勢誤差補償装置の構成図である。 本発明に係る２軸地磁界センサ及び姿勢誤差補償装置に搭載されたマイクロプロセッサの動作流れ図である。 本発明に係る傾斜計を用いて計算された姿勢の実験結果である。 本発明に係る２軸地磁界センサと傾斜計を用いて計算された仮想のＺ軸地磁界データの生成実験結果である。 本発明に係る２軸地磁界センサと傾斜計を用いて計算された方位角の実験結果である。

符号の説明

　１０１　　２軸地磁界センサ
　１０２　　傾斜計
　２０４　　マイクロプロセッサ
　２０５　　液晶ディスプレイモジュール

Claims (6)

1. 　方位角情報を必要とする装置に装着して動いている場合、方位角による地球磁気場の強度を測定する２軸地磁界センサ２０１と、
   　姿勢(ロール、ピッチ角)を計算するのに使用する傾斜計２０２と、
   　センサデータをデジタル値に変換するアナログ/デジタル変換器(ＡＤＣ)２０３と、
   前記２軸地磁界センサ２０１と傾斜計２０２の出力を用いて姿勢誤差を補正して方位角情報を計算するマイクロプロセッサ２０４と、
   　前記マイクロプロセッサ２０４から処理されたデータを転送する直列通信インタフェース２０６と、
   　前記マイクロプロセッサ２０６で計算された方位角情報を表示する液晶ディスプレイモジュール２０５と、
   　から構成されることを特徴とする方位角計算装置。
2. 　２軸傾斜計を使用する場合、傾斜計出力を用いて姿勢を計算し２軸地磁界センサの姿勢誤差を補正して方位角情報を計算することを特徴とする２軸地磁界センサ姿勢誤差補正装置。
3. 　マイクロプロセッサ２０４に搭載された内部タイマーを用いてデータ出力周期を設定する出力周期設定段階と、
   　Ａ/Ｄ変換器２０３を用いてセンサのアナログ値をデジタル値に変換するＡ/Ｄ変換段階と、
   　Ａ/Ｄ変換されたセンサデータをマイクロプロセッサ２０４の内部レジスタに保存するレジスタ保存段階と、
   　傾斜計データを用いて姿勢を計算し座標変換行列を求める座標変換行列生成段階と、
   　２軸地磁界センサを使用する場合、仮想のＺ軸地磁界データを生成するＺ軸地磁界データ生成段階と、
   　３軸地磁界データ(２軸地磁界センサデータ＋1軸仮想センサデータ)と前記座標変換行列を用いて水平座標系上の地磁界データを計算する水平座標生成段階と、
   　前記水平座標生成段階において計算された、地磁界データを用いて方位角を計算する方位角生成段階と、
   　内部タイマーに設定されている出力周期によるタイマーインタラプトが発生すればセンサデータと計算された方位角データを直接通信によって外部システムに転送し、液晶ディスプレイモジュールに表示する転送・出力段階と、
   　を含む方位角計算方法。
4. 　前記Ｚ軸地磁界データ生成段階における、仮想のＺ軸地磁界データを生成するアルゴリズムは、
   　地磁界センサの測定軸が地球の垂直下方に向かう時に測定される地球磁気場の強度を実験によって測定する第１地球磁気場測定段階と、
   　２軸地磁界センサを用いてセンサモジュールのＸ軸(前向き方向)とＹ軸(右側方向)に検知される地球磁気場の強度を測定する第２地球磁気場測定段階とを含み、
   　前記計算されたセンサモジュールの姿勢と前記２軸地磁界センサの出力値とを用いて、仮想のＺ軸地磁界データを生成する、請求項３に記載の方位角計算方法。
5. 　前記水平座標生成段階における、水平座標系上の地磁界データを計算するアルゴリズムは、
   　前記請求項４によって生成されたＺ軸地磁界データ及び測定されたＸ軸、Ｙ軸地磁界データと、前記計算された座標変換行列との積によって水平座標系上の地磁界データを計算する、請求項４に記載の方位角計算方法。
6. 　前記方位角生成段階における、前記２軸地磁界センサを使用して方位角情報を計算するアルゴリズムは、
   　前記計算された水平座標系上の地磁界データのＸ軸とＹ軸データを用いて方位角を計算する請求項５に記載の方位角計算方法。

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