JP2014025715A - Magnetism measurement data calibration device and azimuth angle measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯機器に搭載される磁気素子の校正を行う磁気測定データ校正装置及び方位角計測装置に関する。 The present invention relates to a magnetic measurement data calibration apparatus and an azimuth measurement apparatus that calibrate a magnetic element mounted on a portable device.
近年、携帯電話などの携帯機器に3軸の磁気素子(以下、単に磁気素子)が搭載され、携帯機器における方位測定に用いられている。
この方位測定に用いる磁気素子は、通常、携帯機器に搭載する前に、3軸ヘルムホルツコイルを用いて、各軸毎のゼロ磁界出力値の調整(以下、オフセット調整)をしておく。
この具体的な調整手順は、予め校正された磁気素子により、地磁気の測定を行い、その予め校正された磁気素子の出力する3軸各々の磁気データを基準磁気測定データとして、方位測定に用いる。
In recent years, a three-axis magnetic element (hereinafter simply referred to as a magnetic element) is mounted on a portable device such as a cellular phone and used for orientation measurement in the portable device.
The magnetic element used for azimuth measurement is normally adjusted (hereinafter referred to as offset adjustment) for the zero magnetic field output value for each axis using a triaxial Helmholtz coil before being mounted on a portable device.
In this specific adjustment procedure, geomagnetism is measured with a magnetic element calibrated in advance, and magnetic data of each of the three axes output from the magnetic element calibrated in advance is used for reference measurement as reference magnetic measurement data.
次に、3軸ヘルムホルツコイルにより、基準磁気測定データと逆方向の磁界を、オフセット調整の対象である対象磁気素子に対して印加する。
ここで、対象磁気素子は、オフセットが無い場合、出力する磁気測定データが3軸共に0であり、オフセットを有する場合、出力する磁気測定データが0ではない。
ここで、対象磁気素子が出力する磁気測定データを、対象磁気素子自身の有するオフセットとして測定し、この磁気測定データにより、磁気素子の出力する磁気測定データのオフセット調整を行う。
すなわち、磁気素子の出力する磁気測定データから、3軸ヘルムホルツコイルで測定したオフセットを、各磁気測定データから減算し、磁気素子の測定結果として方位検出を行うことになる。
Next, a magnetic field in the direction opposite to the reference magnetic measurement data is applied to the target magnetic element that is the target of offset adjustment by the three-axis Helmholtz coil.
Here, when the target magnetic element has no offset, the magnetic measurement data to be output is 0 for all three axes, and when it has the offset, the magnetic measurement data to be output is not 0.
Here, the magnetic measurement data output from the target magnetic element is measured as an offset of the target magnetic element itself, and the offset of the magnetic measurement data output from the magnetic element is adjusted based on the magnetic measurement data.
That is, the offset measured by the three-axis Helmholtz coil is subtracted from each magnetic measurement data from the magnetic measurement data output from the magnetic element, and the direction detection is performed as the measurement result of the magnetic element.
しかしながら、磁気素子単体でオフセット調整を行ったとしても、携帯機器には方位を検出する磁気素子以外にも多くの他の部品が使われており、これら他の部品が発生する磁界が磁気素子に対して影響を与える場合がある。例えば、スピーカに搭載されている磁石、開閉スイッチに設けられている磁石、あるいは携帯機器の部品に施されたニッケルメッキなどから磁界が発生している。 However, even if the offset adjustment is performed for the magnetic element alone, many other parts are used in the portable device in addition to the magnetic element for detecting the orientation, and the magnetic field generated by these other parts is applied to the magnetic element. It may have an effect on it. For example, a magnetic field is generated from a magnet mounted on a speaker, a magnet provided on an open / close switch, or nickel plating applied to a component of a portable device.
このため、携帯機器内部に設けられた磁気素子に対して周囲の環境による環境オフセットが生じ、オフセット調整を行った磁気素子単体から環境オフセットが重畳した磁気測定データが出力されることになる。
したがって、磁気素子単体でオフセット調整を行った後、搭載される携帯機器の他の部品が発生する磁界により、携帯機器が向いている実際の方位と、磁気素子が出力する磁気データから得られる方位とに、環境オフセットによる差異が生じることになる。
For this reason, an environmental offset due to the surrounding environment occurs with respect to the magnetic element provided inside the portable device, and magnetic measurement data on which the environmental offset is superimposed is output from the single magnetic element subjected to the offset adjustment.
Therefore, after performing offset adjustment with a single magnetic element, the actual orientation that the mobile device is facing and the orientation obtained from the magnetic data output by the magnetic element due to the magnetic field generated by other components of the mounted mobile device In addition, a difference due to the environmental offset occurs.
また、磁気素子を他の部品とともに携帯機器に搭載した状態で、3軸ヘルムホルツコイルにより環境オフセットを含めたオフセット調整を行うことが考えられる。
しかしながら、各部品の磁力の経時的な変化や、携帯機器の周囲の温度の変化、さらには携帯機器の周囲に強度の磁界を発生する物体の存在により、環境オフセットの値が常に変動してしまう。
Further, it is conceivable to perform offset adjustment including environmental offset by a three-axis Helmholtz coil in a state where the magnetic element is mounted on a portable device together with other components.
However, the value of the environmental offset always fluctuates due to changes in the magnetic force of each component over time, changes in the temperature around the portable device, and the presence of an object that generates a strong magnetic field around the portable device. .
したがって、3軸ヘルムホルツコイルにより、携帯機器に搭載した後に、環境オフセットを含めた磁気素子のオフセット調整を行っても、周囲の状況により環境オフセットが刻々変動する。このため、磁気素子の磁気測定データに重畳する環境オフセットの変動により、磁気素子が出力する磁気測定データが真値に対してずれてしまうことになる。
このため、オフセットを再度行う必要があるが、常に3軸ヘルムホルツコイルにより、携帯機器に搭載された磁気素子のオフセット調整を行うことができない。したがって、自身が磁気素子のオフセット調整を行う機能を、携帯機器に対して持たせる必要がある。
Therefore, even if the offset adjustment of the magnetic element including the environmental offset is performed after being mounted on the portable device by the three-axis Helmholtz coil, the environmental offset fluctuates every moment depending on the surrounding conditions. For this reason, the magnetic measurement data output from the magnetic element is shifted from the true value due to the fluctuation of the environmental offset superimposed on the magnetic measurement data of the magnetic element.
For this reason, although it is necessary to perform offset again, the offset adjustment of the magnetic element mounted in the portable device cannot always be performed by the three-axis Helmholtz coil. Therefore, it is necessary for the portable device to have a function of adjusting the offset of the magnetic element.
このため、携帯機器に搭載されたオフセット調整部が、3軸各々の磁気素子により、各軸の磁界の強度を多数測定し、測定した磁気測定データを内部のデータバッファに一旦蓄積する。
そして、オフセット調整部がデータバッファに蓄積された磁気測定データに対して、距離(磁界の強度)が最小となるオフセットを求める手法がある(例えば、特許文献1を参照)。この手法においては、以下の式に示すように、球の方程式に磁気測定データを代入し、最小二乗法によりオフセットSxを求める。
Sx=Σ{(Xi−X0)2+(Yi−Y0)2+(Zi−Z0)2−R2}=0 …(i)
Xi、Yi及びZiが磁気測定データであり、X0、Y0及びZ0がオフセット座標であり、Rが定数である。
For this reason, the offset adjustment unit mounted on the portable device measures a number of magnetic field strengths of each axis by the magnetic elements of each of the three axes, and temporarily stores the measured magnetic measurement data in an internal data buffer.
There is a technique in which the offset adjustment unit obtains an offset that minimizes the distance (magnetic field strength) with respect to the magnetic measurement data stored in the data buffer (see, for example, Patent Document 1). In this method, as shown in the following equation, magnetic measurement data is substituted into a sphere equation, and an offset S x is obtained by the least square method.
S x = Σ {(X i −X 0 ) 2 + (Y i −Y 0 ) 2 + (Z i −Z 0 ) 2 −R 2 } = 0 (i)
X i , Y i and Z i are magnetic measurement data, X 0 , Y 0 and Z 0 are offset coordinates, and R is a constant.
また、3軸の磁気素子の各々の磁気測定データを1組として、4組の磁気測定データの組をデータバッファに蓄積し、上述した特許文献1と同様に、磁気測定データとの距離によりオフセットを求める手法がある(例えば、特許文献2を参照)。
この特許文献2においては、時系列に測定される測定データの中から4組の磁気測定データを抽出する際、抽出する抽出条件を以下のように設定している。すなわち、磁気素子の3軸で構成される3次元空間で、磁気測定データを座標点として以下の抽出条件が設定されている。
3軸の磁気測定データを3次元空間(3次元座標系)内に描画(配置)した際、
a.1組目の磁気測定データと2組目の磁気測定データとの距離が十分離れている
b.3組目の磁気測定データは、1組目及び2組目の磁気測定データとで構成される鈍角3角形の鈍角の頂点である
c.4組目の磁気測定データは、1組目から3組目の磁気測定データが形成する平面からの距離が十分離れている
In addition, the magnetic measurement data of each of the three-axis magnetic elements is set as one set, and four sets of magnetic measurement data are stored in the data buffer. As in Patent Document 1 described above, the offset is determined according to the distance from the magnetic measurement data. (For example, refer to Patent Document 2).
In
When drawing (arranging) three-axis magnetic measurement data in a three-dimensional space (three-dimensional coordinate system),
a. The distance between the first set of magnetic measurement data and the second set of magnetic measurement data is sufficiently large b. The third set of magnetic measurement data is the apex of the obtuse angle of the obtuse triangle having the first and second sets of magnetic measurement data. C. The fourth set of magnetic measurement data is sufficiently separated from the plane formed by the first to third sets of magnetic measurement data.
そして、特許文献2においては、以下の球の方程式を用いて、連立方程式を解くことによりオフセットを算出している。
(Xi−X0)2+(Yi−Y0)2+(Zi−Z0)2−R2=0 …(ii)
Xi、Yi及びZiが磁気測定データであり、X0、Y0及びZ0がオフセット座標であり、Rが定数である。
And in
(X i -X 0) 2 + (Y i -Y 0) 2 + (Z i -Z 0) 2 -
X i , Y i and Z i are magnetic measurement data, X 0 , Y 0 and Z 0 are offset coordinates, and R is a constant.
しかしながら、特許文献1は、データバッファに複数の磁気測定データ蓄積し、この蓄積した磁気測定データを用いて、(i)式を用いた最小二乗法によりオフセットを算出する。ここで、特許文献1は、データバッファ分の磁気測定データを多数測定した後、オフセットの算出が行われる。このため、特許文献1は、多数の磁気測定データを蓄積するための時間を必要とし、環境オフセットの変化に対するオフセット調整の追従性が悪くなる。 However, in Patent Document 1, a plurality of magnetic measurement data is accumulated in a data buffer, and an offset is calculated by the least square method using the equation (i) using the accumulated magnetic measurement data. Here, in Patent Document 1, after a large number of magnetic measurement data for the data buffer is measured, the offset is calculated. For this reason, Patent Document 1 requires time for accumulating a large number of magnetic measurement data, and the follow-up performance of the offset adjustment with respect to the change in the environmental offset is deteriorated.
また、特許文献2は、磁気素子自身の特性の時間的変動要因と、外部磁場の時間的変動要因とによる磁気ノイズが、磁気素子の出力する磁気測定データに重畳すると、(ii)式で算出されるオフセットを正確に算出できない。
すなわち、4組の磁気測定データのいずれかに磁気ノイズが重畳している場合、これらの磁気測定データを用いて算出されたオフセットは、磁気ノイズによる誤差が含まれることになり、実際のオフセットとずれることになる。
That is, when magnetic noise is superimposed on any of the four sets of magnetic measurement data, the offset calculated using these magnetic measurement data includes an error due to magnetic noise, and the actual offset and It will shift.
さらに、特許文献1及び特許文献2の双方において、オフセットを求めるための磁気測定データの測定点が、一定の球の表面で測定されることが仮定されている。
このため、ユーザは、オフセット調整の際、携帯機器を円を描くように、すなわち、一定の球面に沿うように移動させる必要がある。
この移動が行われている際、磁気測定データを多数取得してバッファに蓄積し、すでに説明した算出に用いる磁気測定データの抽出処理を行う。
したがって、環境オフセットが変化に追従できない場合が発生し、再度、新たな磁気測定データを取得して、オフセット調整を繰り返して行なわなければならなくなる。
Furthermore, in both Patent Document 1 and
For this reason, the user needs to move the portable device so as to draw a circle, that is, along a certain spherical surface at the time of offset adjustment.
When this movement is performed, a large number of magnetic measurement data is acquired and stored in the buffer, and the magnetic measurement data used for the calculation described above is extracted.
Therefore, there are cases where the environmental offset cannot follow the change, and new magnetic measurement data must be acquired again and the offset adjustment must be repeated.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、環境オフセットの変動に対する追従性を向上させることが可能な磁気測定データ校正装置及び方位角計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetic measurement data calibration apparatus and an azimuth angle measurement apparatus that can improve the follow-up performance with respect to fluctuations in environmental offsets.
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の磁気測定データ校正装置は、互いに直交する3つの測定軸を有し、測定軸方向の地磁気を測定する軸センサからなる磁気素子から出力される前記測定軸毎の地磁気の測定結果である磁気測定データのオフセットを求め、前記磁気測定データを補正する磁気測定データ校正装置であり、測定された磁気測定データの前記測定軸毎の磁気データと、前回求められたオフセットとの差分から誤差関数を求める誤差関数計算部と、前記誤差関数及び前回求められた共分散行列からオフセット残差を算出するオフセット残差計算部と、前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットに対し、前記オフセット残差を加算し、新たなオフセットを算出するオフセット更新部と、測定された前記磁気測定データを用い、以前に測定された前記磁気測定データを母集団とする磁気測定データの共分散行列を更新し、測定された前記磁気測定データを前記母集団に加えて新たな共分散行列を生成する共分散行列更新部と、更新された前記オフセットとオフセットの真値との誤差を示す第1評価値を算出するオフセット有効性判定部と、前記第1評価値が予め設定された第1閾値を超えているか否かの判定を行い、前記第1評価値が前記第1閾値を越えている場合、前記オフセット及び前記共分散行列を初期化する処理を行う初期化判定部とを備えることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a magnetic measurement data calibration apparatus according to the present invention has three measurement axes orthogonal to each other, and includes a magnetic sensor comprising an axis sensor that measures the geomagnetism in the measurement axis direction. A magnetic measurement data calibration device for obtaining an offset of magnetic measurement data that is a geomagnetic measurement result for each measurement axis output from an element and correcting the magnetic measurement data, and for each measurement axis of the measured magnetic measurement data An error function calculation unit that calculates an error function from the difference between the magnetic data of and the previously determined offset, an offset residual calculation unit that calculates an offset residual from the error function and the previously determined covariance matrix, An offset update unit that calculates a new offset by adding the offset residual to the offset calculated when measuring the magnetic measurement data Using the measured magnetic measurement data, updating the covariance matrix of the magnetic measurement data with the previously measured magnetic measurement data as a population, and adding the measured magnetic measurement data to the population A covariance matrix updating unit for generating a new covariance matrix, an offset validity determining unit for calculating a first evaluation value indicating an error between the updated offset and the true value of the offset, and the first evaluation value Initialization is performed to determine whether or not a first threshold value set in advance is exceeded, and to perform processing for initializing the offset and the covariance matrix when the first evaluation value exceeds the first threshold value And a determination unit.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前記初期化判定部が、オフセット更新を行う過程において、前記第1差分が前記第1閾値を越えていることを判定した回数が予め設定された回数以上である場合、前記初期化する処理を行うことを特徴とする。 In the magnetic measurement data calibration apparatus according to the present invention, the number of times that the initialization determination unit determines that the first difference exceeds the first threshold in the process of performing offset update is greater than or equal to a preset number. In some cases, the initialization process is performed.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前記オフセット有効性判定部が、前記磁気素子の測定軸からなる3次元磁界空間における前記磁気測定データの各々と、更新された前記オフセットとの第1距離を求め、当該第1距離の各々と前記磁気測定データから求めた全磁力との第1差分を求め、全ての第1距離に対応する当該第1差分を加算して前記第1評価値を算出することを特徴とする。 In the magnetic measurement data calibration apparatus of the present invention, the offset validity determination unit determines a first distance between each of the magnetic measurement data in the three-dimensional magnetic field space formed by the measurement axis of the magnetic element and the updated offset. A first difference between each of the first distances and the total magnetic force obtained from the magnetic measurement data is obtained, and the first difference corresponding to all the first distances is added to calculate the first evaluation value. It is characterized by that.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前回算出されたオフセットを求める際に用いた磁気測定データと、前記磁気素子から新たに入力された新たな磁気測定データとの、前記磁気素子の測定軸からなる3次元磁界空間における第2距離を求め、当該第2距離と予め設定されている第2閾値との比較を行い、前記第2距離が前記第2閾値を超えている場合、前記オフセット更新部に対して新たなオフセットの更新を行わせ、一方前記第2距離が前記第2閾値以下の場合、新たなオフセットの更新を行わせない制御を行う磁気測定データ判定部をさらに有することを特徴とする。 The magnetic measurement data calibration device of the present invention is based on the measurement axis of the magnetic element, which is the magnetic measurement data used when obtaining the previously calculated offset and the new magnetic measurement data newly input from the magnetic element. When the second distance in the three-dimensional magnetic field space is obtained, the second distance is compared with a preset second threshold value, and the second distance exceeds the second threshold value, the offset update unit And a magnetic measurement data determination unit that performs control not to update the new offset when the second distance is equal to or smaller than the second threshold. To do.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前記第2閾値が、前記3次元磁界空間における前記磁気素子の各測定軸方向における測定ノイズの座標点と、前記3次元磁界空間の原点との距離として定められていることを特徴とする。 In the magnetic measurement data calibration apparatus of the present invention, the second threshold is determined as a distance between a measurement noise coordinate point in the measurement axis direction of the magnetic element in the three-dimensional magnetic field space and an origin of the three-dimensional magnetic field space. It is characterized by being.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前記第1閾値として地磁気を用いていることを特徴とする。 The magnetic measurement data calibration apparatus of the present invention is characterized in that geomagnetism is used as the first threshold value.
本発明の磁気測定データ校正装置は、現時点までに前記オフセットを算出した際に用いた磁気測定データを時系列に記憶するバッファと、前記バッファに記憶されている前記磁気測定データの各々と前回のオフセットとの第3距離を求め、当該第3距離の各々と前回のオフセットを求めた際の前記磁気測定データから求めた全磁力との第3差分を求め、全ての第3距離に対応する当該第1差分を加算して第2評価値を算出し、当該第2評価値と前記第1評価値とを比較し、前記第1評価値が前記第2評価値未満である場合、新たに求めたオフセットを前記磁気測定データの校正に用いるオフセットとし、一方、前記第1評価値が前記第2評価値以上である場合、前回求めたオフセットを前記磁気測定データの校正に用いるオフセットとすることを特徴とする。 The magnetic measurement data calibration apparatus of the present invention includes a buffer for storing the magnetic measurement data used when the offset has been calculated up to the present time in time series, each of the magnetic measurement data stored in the buffer, and the previous time Obtain a third distance from the offset, obtain a third difference between each of the third distances and the total magnetic force obtained from the magnetic measurement data when obtaining the previous offset, and correspond to all the third distances. A first evaluation value is added to calculate a second evaluation value, the second evaluation value and the first evaluation value are compared, and if the first evaluation value is less than the second evaluation value, a new value is obtained. If the first evaluation value is greater than or equal to the second evaluation value, the previously determined offset is used as the offset used for calibration of the magnetic measurement data. The features.
本発明の磁気測定データ校正装置は、前記誤差関数計算部が、前記3つの測定軸からなる3次元座標系において、測定された前記磁気測定データのデータ座標と、前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットのオフセット座標との距離の2乗から全磁力を求め、当該全磁力から前回算出した前回全磁力を減算し、減算結果を前記誤差関数とすることを特徴とする。 In the magnetic measurement data calibration apparatus of the present invention, the error function calculation unit is configured to measure the data coordinates of the measured magnetic measurement data and the previous measurement of the magnetic measurement data in a three-dimensional coordinate system including the three measurement axes. The total magnetic force is obtained from the square of the distance of the offset calculated from time to time, the previous total magnetic force calculated last time is subtracted from the total magnetic force, and the subtraction result is used as the error function.
本発明の方位角計測装置は、互いに直交する3つの測定軸を有し、測定軸方向の地磁気を測定する軸センサからなる磁気素子と、前記磁気素子から出力される前記測定軸毎の地磁気の測定結果である磁気測定データのオフセットを求め、前記磁気測定データを補正する磁気測定データ校正部と、前記磁気測定データ校正装置から出力される、前記磁気測定データを校正した磁気校正データから方位角を算出する方位角計測部とを備え、測定された磁気測定データの前記測定軸毎の磁気データと、前回求められたオフセットとの差分から誤差関数を求める誤差関数計算部と、前記誤差関数及び前回求められた共分散行列からオフセット残差を算出するオフセット残差計算部と、前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットに対し、前記オフセット残差を加算し、新たなオフセットを算出するオフセット更新部と、測定された前記磁気測定データを用い、以前に測定された前記磁気測定データを母集団とする磁気測定データの共分散行列を更新し、測定された前記磁気測定データを前記母集団に加えて新たな共分散行列を生成する共分散行列更新部と、更新された前記オフセットとオフセットの真値との誤差を示す第1評価値を算出するオフセット有効性判定部と、前記第1評価値が予め設定された第1閾値を超えているか否かの判定を行い、前記第1評価値が前記第1閾値を越えている場合、前記オフセット及び前記共分散行列を初期化する処理を行う初期化判定部とを備えることを特徴とする。 The azimuth measuring device of the present invention has three measurement axes orthogonal to each other, and includes a magnetic element composed of an axis sensor that measures the geomagnetism in the measurement axis direction, and a geomagnetism for each measurement axis output from the magnetic element. A magnetic measurement data calibration unit for obtaining an offset of magnetic measurement data as a measurement result and correcting the magnetic measurement data, and an azimuth angle from the magnetic calibration data calibrated from the magnetic measurement data output from the magnetic measurement data calibration device An error angle calculation unit for calculating the error function calculation unit for obtaining an error function from the difference between the magnetic data for each measurement axis of the measured magnetic measurement data and the previously obtained offset, and the error function and An offset residual calculation unit that calculates an offset residual from the covariance matrix obtained last time, and the offset calculated during the previous measurement of the magnetic measurement data. The offset update unit that adds the offset residual and calculates a new offset, and the covariance of the magnetic measurement data using the measured magnetic measurement data and the previously measured magnetic measurement data as a population A covariance matrix updating unit for updating a matrix and adding the measured magnetic measurement data to the population to generate a new covariance matrix; and a first error indicating an error between the updated offset and the true value of the offset An offset validity determination unit that calculates one evaluation value, and determines whether or not the first evaluation value exceeds a preset first threshold, and the first evaluation value exceeds the first threshold An initialization determining unit that performs processing for initializing the offset and the covariance matrix.
この発明によれば、前回算出したオフセットと、新たに得られる磁気測定データとから、前回算出したオフセットに対するオフセット残差を求め、このオフセット残差を前回算出したオフセットに加算して新たなオフセットを算出するため、従来のように複数の磁気測定データを得た後にオフセットを算出するための遅延時間が無く、リアルタイムに、すなわち高速にオフセットの算出が行うことが可能となり、また算出されたオフセットが地磁気に比較して大きい場合にオフセットの算出を初期化から行えるため、環境オフセットの変動に対する追従性を、従来に比較して向上させることができる。 According to the present invention, an offset residual with respect to the previously calculated offset is obtained from the previously calculated offset and newly obtained magnetic measurement data, and this offset residual is added to the previously calculated offset to obtain a new offset. Since there is no delay time for calculating an offset after obtaining a plurality of magnetic measurement data as in the prior art, the offset can be calculated in real time, that is, at a high speed. Since the offset can be calculated from the initialization when it is larger than the geomagnetism, the followability with respect to the fluctuation of the environmental offset can be improved as compared with the conventional case.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図1は、この発明の一の実施形態による磁気測定データ校正装置を用いた方位角計測装置の構成例を示す概略ブロック図である。この方位角計測装置は、携帯機器などに搭載される。
本実施形態の方位角計測装置は、磁気測定データ校正装置1、磁気素子2及び方位角計測部3から構成されている。
磁気素子2は、例えば、X軸方向の測定軸における磁界の強度を示す磁気データMxを測定するX軸方向磁気検出部21、Y軸方向の測定軸における磁界の強度を示す磁気データMyを測定するY軸方向磁気検出部22、Z軸方向の測定軸における磁界の強度を示す磁気データMzを測定するZ軸方向磁気検出部23とから構成された、X軸、Y軸及びZ軸の3軸の測定軸を有する磁気素子である。ここで、X軸方向磁気検出部21、Y軸方向磁気検出部22及びZ軸方向磁気検出部23は、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、フラックスゲート型磁気素子などが用いられる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration example of an azimuth measuring apparatus using a magnetic measurement data calibration apparatus according to one embodiment of the present invention. This azimuth measuring device is mounted on a portable device or the like.
The azimuth measuring device of this embodiment is composed of a magnetic measurement data calibration device 1, a
The
磁気測定データ校正装置1は、磁気素子2から供給される、磁気データMx、磁気データMy及び磁気データMzからなる磁気測定データM(Mx,My,Mz)のオフセットを校正した磁気校正データMf(Mfx,Mfy,Mfz)を出力する。
方位角計測部3は、磁気測定データ校正装置1が校正した磁気校正データMf(Mfx,Mfy,Mfz)を用い、上記X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向からなる3次元磁界空間において方位角計測装置の向いている方位を出力する。
Magnetic measurement data correcting device 1, calibration of the offset of the supplied from the
The azimuth measuring unit 3 uses the magnetic calibration data M f (M fx , M fy , M fz ) calibrated by the magnetic measurement data calibration apparatus 1, and is a three-dimensional configuration composed of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. Outputs the orientation of the azimuth measuring device in the magnetic field space.
本実施形態において、補正すべきオフセットを、オフセットO(Ox,Oy,Oz)とする。ここで、OxはX軸方向のオフセットであり、OyはY軸方向のオフセットであり、OzはZ軸方向のオフセットである。
また、磁気測定データMn(Mxn,Myn,Mzn)は、n番目の磁気データである。また、地磁気ベクトルの大きさ(以下、全磁力)をRとする。
ここで、全磁力は、磁気測定データMn(Mxn,Myn,Mzn)とオフセットO(Ox,Oy,Oz)とを用い、以下の(1)式により、求められる。
In the present embodiment, an offset to be corrected is an offset O (O x , O y , O z ). Here, O x is an offset in the X-axis direction, O y is an offset in the Y-axis direction, and O z is an offset in the Z-axis direction.
The magnetic measurement data M n (M xn , M yn , M zn ) is the nth magnetic data. The magnitude of the geomagnetic vector (hereinafter referred to as total magnetic force) is R.
Here, the total magnetic force is obtained by the following equation (1) using the magnetic measurement data M n (M xn , M yn , M zn ) and the offset O (O x , O y , O z ).
この(1)式の関係は常に成り立つ。すなわち、携帯機器を携帯するユーザの移動の際、携帯機器が回転することにより、磁気測定データにおける各測定軸方向の磁気データが変化する。しかしながら、この磁気測定データから検出される全磁力が変化しない限り、磁気測定データをX軸、Y軸及びZ軸からなる3次元空間の座標点として配置すると、磁気測定データは測定軸からなる3次元空間において、同一の球面上のいずれかの位置に存在する(この点については従来例と同様に同一球面上で移動することを仮定している)。
したがって、全磁力が同一であるならば、上述した(1)式の関係は、磁気測定データにおける各測定軸方向の磁気データが変化したとしても、常に成り立つことになる。
This relationship of formula (1) always holds. That is, when the user carrying the portable device moves, the magnetic data in each measurement axis direction in the magnetic measurement data changes as the portable device rotates. However, as long as the total magnetic force detected from the magnetic measurement data does not change, when the magnetic measurement data is arranged as coordinate points in a three-dimensional space consisting of the X axis, the Y axis, and the Z axis, the magnetic measurement data consists of 3 measurement axes. It exists at any position on the same sphere in the dimensional space (this point is assumed to move on the same sphere as in the conventional example).
Therefore, if the total magnetic force is the same, the relationship of the above-described equation (1) always holds even if the magnetic data in each measurement axis direction in the magnetic measurement data changes.
上記(1)式において、4個の磁気測定データMを用いることにより、オフセットOの各測定軸におけるオフセット成分Ox、Oy、Oz、全磁力Rを、算出することができる。
ここで、(1)式を変形するため、以下の(2)式に示す定数Qを定義する。
In the above equation (1), by using the four pieces of magnetic measurement data M, the offset components O x , O y , O z and the total magnetic force R in each measurement axis of the offset O can be calculated.
Here, in order to modify the equation (1), a constant Q shown in the following equation (2) is defined.
上記(2)式を用いて(1)式を行列の構成とすることにより、以下の(3)式のように変形する。 By using the above equation (2) and changing the equation (1) into a matrix configuration, the following equation (3) is transformed.
上記(3)式を解くことにより、オフセット成分Ox、Oy、Oz、全磁力Rを求めることができる。このとき、(3)式の左辺の逆行列が存在することが必要である。
しかしながら、実際の磁気測定データMには、携帯機器の各部品からのまたは外部からの磁気ノイズが重畳している。
このため、(3)式から算出されるオフセット成分Ox、Oy、Oz、全磁力Rは正確な値を得ることができない場合がある。
したがって、統計的な手法、すなわちRLS(Recursive Least Square:再帰的最小二乗)法を用いて、磁気ノイズを低減することにより、オフセット成分Ox、Oy、Oz、全磁力Rの推定値(以下、最尤推定値)を算出する。最尤推定値が算出できる説明は後述する。以下、本実施形態における、RLS法を用いた磁気測定データの校正について説明する。
By solving the above equation (3), the offset components O x , O y , O z and the total magnetic force R can be obtained. At this time, it is necessary that an inverse matrix on the left side of the equation (3) exists.
However, magnetic noise from each part of the portable device or from the outside is superimposed on the actual magnetic measurement data M.
For this reason, the offset components O x , O y , O z and the total magnetic force R calculated from the equation (3) may not be able to obtain accurate values.
Therefore, by using a statistical method, that is, RLS (Recursive Least Square) method, by reducing magnetic noise, an estimate of the offset components O x , O y , O z , total magnetic force R ( Hereinafter, the maximum likelihood estimated value) is calculated. The description that the maximum likelihood estimated value can be calculated will be described later. Hereinafter, calibration of magnetic measurement data using the RLS method in the present embodiment will be described.
次に、磁気測定データ校正装置1は、オフセット有効性判定部10、測定データ入力部11、共分散行列計算部12、共分散行列更新部13、記憶部14、誤差関数計算部15、オフセット残差計算部16、オフセット更新部17、磁気測定データ処理部18、磁気測定データ判定部19、初期化判定部20を備えている。
測定データ入力部11は、X軸方向磁気検出部21、Y軸方向磁気検出部22及びZ軸方向磁気検出部23の各々から入力されるアナログ値の軸センサ測定値を、デジタル値に変換して出力する。ここで、X軸方向磁気検出部21、Y軸方向磁気検出部22及びZ軸方向磁気検出部23の各々は、自身の感知方向で検出した磁場に対応した、アナログ値である電圧値を磁気データとして出力する。
また、測定データ入力部11は、アナログ値の磁気データM(Mx,My,Mz)を、デジタル値の磁気測定データM(Mx、My、Mz)に変換する際、アナログ値の磁気データに含まれているオフセット値を除去するため、磁気素子単体でのオフセット調整を行うようにしてもよい。
Next, the magnetic measurement data calibration apparatus 1 includes an offset
The measurement
The measurement
共分散行列計算部12は、後述するオフセット残差計算部16において用いる共分散行列Pの初期値を、以下の(4)式のように設定する。
The covariance
この(4)式において、共分散行列計算部12は、定数αを、例えば1.000から100.000までの範囲で設定する。
また、(4)式における右辺の4行×4列の行列における磁気測定データを示す列行列を、以下の(5)式のベクトルznとして定義する。
In the equation (4), the covariance
Further, a column matrix indicating magnetic measurement data in a 4 × 4 matrix on the right side in the equation (4) is defined as a vector z n in the following equation (5).
また、(5)式における右辺の4行×1列の行列を、以下の(6)式のオフセットのベクトルxnとして定義する。 Further, a matrix of 4 rows × 1 column on the right side in the equation (5) is defined as an offset vector x n in the following equation (6).
上記(6)式は、n番目の磁気測定データを用いて更新された際のオフセットOn(Oxn,Oyn,Ozn)と全磁力から計算された定数Qnからなるベクトルを示す行列である。 The above equation (6) is a matrix indicating a vector composed of an offset On (O xn , O yn , O zn ) when updated using the n-th magnetic measurement data and a constant Q n calculated from the total magnetic force. is there.
誤差関数計算部15は、以下の(7)式を用いて、誤差関数enを算出する。
Error
すなわち、誤差関数計算部15は、n番目に測定された磁気測定データMnと、前回算出したオフセットOn−1(n−1番目の磁気測定データMn−1を用いて求めたオフセット)と、前回算出した全磁力Rn−1(n−1番目の磁気測定データMn−1を用いて求めた全磁力)とから、誤差関数enを算出する。
ここで、誤差関数計算部15は、磁気測定データMnとオフセットOnとの距離の二乗と、全磁力Rn−1の二乗を算出し、磁気測定データMnとオフセットOnとの距離の二乗から、全磁力Rn−1の二乗を減算し、減算結果を誤差関数enとする。ここで、磁気測定データMnとオフセットOnとの距離とは、測定軸であるX軸、Y軸及びZ軸からなる3次元空間において、磁気測定データMnとオフセットOn−1とを配置した際の、磁気測定データMnとオフセットOn−1との座標点の距離である。
That is, the
Here, the error
オフセット残差計算部16は、誤差関数計算部15の求めた誤差関数enと、前回測定時に求めた共分散行列Pn−1とを用い、以下の(8)式により、オフセット残差ηを算出する。
Offset
この(8)式において、忘却係数ρは、RLS法で用いられる定数である。一般的に、0.95<ρ<1の範囲に設定される。 In this equation (8), the forgetting factor ρ is a constant used in the RLS method. Generally, it is set in the range of 0.95 <ρ <1.
共分散行列更新部13は、磁気測定データMnを共分散行列の母集団に含めた際の共分散行列Pnを、(1)式の行列znと、(1)式の転置行列zn Tと、磁気測定データM0からMn−1を母集団とする共分散行列Pn−1と、忘却係数ρとを用い、以下に示す(9)式により算出する。
The covariance
オフセット更新部17は、直前の磁気測定データMn−1から求めたオフセットベクトルxn−1と、オフセット残差ηとから、磁気測定データMnに対応するオフセットベクトルxnを、以下の(10)式により算出する。
The offset updating
磁気測定データ処理部18は、磁気測定データMnの磁気データMxn、Myn、Mznの各々から、オフセットベクトルXnにおけるOxn、Oyn、Oznをそれぞれ減算し、磁気校正データMf(Mfx,Mfy,Mfz)を算出する。
記憶部14には、共分散行列Pと、オフセットベクトルxと、全磁力Rとが記憶される。共分散行列P、オフセットベクトルx及び全磁力Rの各々は、それぞれ書き込まれる際に、次の算出において用いられる直前のデータである、共分散行列Pn−1、オフセットベクトルn−1及び全磁力Rn−1として書き込まれる。
また、記憶部14には、共分散行列Pの初期値、忘却係数ρ、(5)式、(6)式、(7)式、(8)式、(9)式、(10)式が予め書き込まれて記憶されている。
The magnetic measurement
The
In addition, the
磁気測定データ判定部19は、前回オフセットOn−1を算出した磁気測定データMn−1、現時点で測定された磁気測定データMnとの距離dを算出する。この距離dは、すでに説明したように、磁気素子2のX軸、Y軸及びZ軸方向の各々の測定軸で構成される3次元空間(磁界3次元空間)に磁気測定データMn及びMn−1を配置した際の、それぞれの座標値の距離である。
また、磁気測定データ判定部19は、算出した距離dが予め設定した閾値dsを超えない場合、磁気測定データ校正装置1において、新たな磁気測定データMnによるオフセットOnの算出を行わない制御を行う。この場合、記憶部14に記憶されるデータは、磁気測定データMn−1において算出された数値が、書き換えられずにそのまま記憶されることになる。
The magnetic measurement
The magnetic measurement
ここで、閾値dsは、以下のように設定されている。すなわち、閾値dsは磁気素子2の測定における測定ノイズに対応した数値で決定される。磁気データを測定するX軸、Y軸及びZ軸方向の各測定軸の測定ノイズを、それぞれ測定ノイズvx、vy、zvとすると、静止状態においても、時系列に磁気素子2において測定される磁気測定データ間の距離は、0とはならない。
方位計測装置を静止状態とし、X軸、Y軸及びZ軸方向の各測定軸の磁気測定データの変動幅を予め測定し、この変動幅を含む範囲を測定ノイズvx、vy、zvとする。
Here, the threshold value d s is set as follows. That is, the threshold value d s is determined by a numerical value corresponding to the measurement noise in the measurement of the
With the azimuth measuring device in a stationary state, the fluctuation width of the magnetic measurement data of each measurement axis in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is measured in advance, and the range including this fluctuation width is measured as noises v x , v y , z v. And
したがって、以下に示す(11)式により、閾値dsが求められている。この閾値dsは予め記憶部14に書き込まれ記憶されている。ここで、閾値dsは、測定ノイズのベクトル(vx、vy、zv)の長さ、すなわち磁気素子2の測定軸で構成される3次元空間(3次元磁界空間)の原点と、測定ノイズvx、vy、zvの座標値との距離で設定されている。
例えば、X軸、Y軸及びZ軸方向の各測定軸の測定ノイズの標準偏差が1μTである磁気素子を用いた場合、(11)式により求められる変動幅は最大で4.5μTである。
この場合、閾値dsを5μTとして設定する。
また、測定データ入力部11は、オフセットOnが求められた後、磁気測定データMnを記憶部14に書き込んで記憶させる。
Therefore, the threshold value ds is obtained by the following equation (11). This threshold value d s is written and stored in the
For example, when a magnetic element having a standard deviation of measurement noise of 1 μT on each measurement axis in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is used, the fluctuation range obtained by equation (11) is 4.5 μT at the maximum.
In this case, the threshold value d s is set as 5 μT.
Further, after the offset On is obtained, the measurement
オフセット有効性判定部10は、磁気素子2から読み込んだ磁気測定データMnから求めたオフセットOnが有効か否かの判定を行い、オフセットOnが有効でないと判定した場合、前回求めたオフセットOn−1を新たなオフセットOnとして用いる。
また、記憶部14には、データバッファが設けられており、16組から32組の磁気測定データMがこのデータバッファに書き込まれて記憶されている。例えば、16組の磁気測定データの組が記憶されている場合、磁気測定データM1からM16までの磁気測定データがデータバッファに記憶されることになる。
Offset
The
ここで、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データ判定部19において、距離dが予め設定した閾値dsを超えた磁気測定データMnを、上述したデータバッファに書き込んで記憶させる。このとき、オフセット有効性判定部10は、データバッファにおける最も古い磁気測定データに、新たな磁気測定データMnを上書きする。すなわち、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データ判定部19がオフセット計算をして更新すると判定された磁気測定データのみをデータに書き込んで記憶させる。本実施形態における距離も、第2実施形態で示した磁気素子2のX軸、Y軸及びZ軸方向の各々の測定軸で構成される3次元空間における距離である。
Here, the offset
また、オフセット有効性判定部10は、記憶部14からオフセットOn−1と、全磁力Rn−1とを読み出し、このオフセットのベクトルをO1(O1x,O1y,O1z)とし、全磁力をR1とする。
オフセット有効性判定部10は、以下の(12)式により、データバッファに記憶されている磁気測定データM1からMnの各々に対応する距離d1nを算出する。
Further, the offset
The offset
すなわち、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データM毎に、磁気データMxからオフセットO1xを減算した結果を二乗し、磁気データMyからオフセットO1yを減算した結果を二乗し、磁気データMzからオフセットO1zを減算した結果を二乗する。この評価値G1(第2評価値)は、前回のオフセットでOn−1とオフセットの真値との誤差として推定される。
そして、オフセット有効性判定部10は、それぞれ二乗した結果を加算し、加算結果の平方根を算出することで、距離d1nを求める。ここで、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データM1からMnの各々に対応し、距離d11からd1nの各々を求める。
また、オフセット有効性判定部10は、以下の(13)式により、評価値G1を算出する。
That is, the offset
And the offset
Moreover, the offset
ここで、オフセット有効性判定部10は、距離d11からd1nの各々から、それぞれ全磁力R1を減算し、減算結果毎に二乗して、減算結果の二乗の総和を求めるため、全ての二乗結果を加算し、加算結果である二乗の総和を評価値G1とする。
また、オフセット有効性判定部10は、磁気素子2から読み込んだ磁気測定データMnから求めたオフセットOnのオフセットのベクトルをO2(O2x,O2y,O2z)とし、このベクトルO2(O2x,O2y,O2z)と、磁気測定データMnとから新たに全磁力R2を求める。
そして、オフセット有効性判定部10は、以下の(14)式により、データバッファに記憶されている磁気測定データM1からMnの各々に対応する距離d2nを算出する。
Here, the offset
Further, the offset
Then, the offset
ここで、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データM毎に、磁気データMxからオフセットO2xを減算した結果を二乗し、磁気データMyからオフセットO2yを減算した結果を二乗し、磁気データMzからオフセットO2zを減算した結果を二乗する。
そして、オフセット有効性判定部10は、それぞれ二乗した結果を加算し、加算結果の平方根を算出することで、距離d2nを求める。ここで、オフセット有効性判定部10は、磁気測定データM1からMnの各々に対応し、距離d21からd2nの各々を求める。
また、オフセット有効性判定部10は、以下の(15)式により、評価値G2を算出する。
Here, the offset
Then, the offset
Further, the offset
ここで、オフセット有効性判定部10は、距離d21からd2nの各々から、それぞれ全磁力R2を減算し、減算結果毎に二乗して、減算結果の二乗の総和を求めるため、全ての二乗結果を加算し、加算結果である二乗の総和を評価値G2とする。この評価値G2(第1評価値)は、今回のオフセットでOnとオフセットの真値との誤差として推定される。
評価値G1及びG2を算出すると、オフセット有効性判定部10は、この評価値G1と評価値G2の比較を行う。
このとき、オフセットO1と全磁力R1とが真値になっている場合、評価値G1が真値であり、オフセットO2と全磁力R2とが真値になっている場合、評価値G2が真値である。すなわち、オフセットO1と全磁力R1とが真値に近くなるほど評価値G1が小さくなり、また、オフセットO2と全磁力R2とが真値に近くなるほど評価値G2が小さくなると考えられる。
Here, the offset
When the evaluation values G1 and G2 are calculated, the offset
At this time, when the offset O 1 and the total magnetic force R 1 are true values, the evaluation value G 1 is a true value, and when the offset O 2 and the total magnetic force R 2 are true values, the evaluation value G2 is a true value. That is, it is considered that the evaluation value G1 becomes smaller as the offset O 1 and the total magnetic force R 1 become closer to the true value, and the evaluation value G2 becomes smaller as the offset O 2 and the total magnetic force R 2 become closer to the true value.
したがって、オフセット有効性判定部10は、評価値G1及びG2を比較し、評価値G2が評価値G1未満である(G2<G1)場合、新たに算出されたオフセットOn及び全磁力Rnが前回算出したオフセットOn−1及び全磁力Rn−1より真値に近いと判定する。
一方、オフセット有効性判定部10は、評価値G2が評価値G1以上である(G2≧G1)場合、前回算出したオフセットOn−1及び全磁力Rn−1が新たに算出されたオフセットOn及び全磁力Rnより真値に近いか、あるいは同様と判定する。
Therefore, the offset
On the other hand, when the evaluation value G2 is equal to or greater than the evaluation value G1 (G2 ≧ G1), the offset
ここで、オフセット有効性判定部10は、G2<G1の場合、新たに算出されたオフセットOn及び全磁力Rnを、磁気測定データ処理部18へ出力するとともに、オフセットを更新することを示す制御信号を、オフセット更新部17に対して出力する。
オフセット更新部17は、前回算出したオフセットOn−1を更新することを示す制御情報が供給されると、記憶部14に記憶されているオフセットOn−1対して、新たに算出されたオフセットOnを上書きする。これにより、記憶部14には最新のオフセットOnが保持される。
Here, the offset
When the offset
また、オフセット有効性判定部10は、G2≧G1の場合、記憶部14に記憶されているオフセットの値と全磁力Rとを、磁気測定データ処理部18へ出力するとともに、オフセットを更新しないことを示す制御信号を、オフセット更新部17に対して出力する。
オフセット更新部17は、オフセットを更新しないことを示す制御情報が供給されると、記憶部14に記憶されている前回算出したオフセットOn−1を上書きせず、前回算出したオフセットOn−1の値の更新処理を行わない。これにより、記憶部14には、最新のオフセットとして、前回算出したオフセットOn−1と同じ値のオフセットOnが保持される。
Further, when G2 ≧ G1, the offset
Offset updating
初期化判定部20は、評価値G2が評価値G1より大きいかの判定処理の後、評価値G2が予め設定した閾値GSを超える(G1>GS)か否かの判定を行う。
この閾値GSは、標準的な地磁気の数値を基づいて決定されており、例えば日本における地磁気の大きさが約46μTであるので、この二乗である2116を用いている。すなわち、本実施形態においては、地磁気を超える(同等以上)のオフセット誤差が残っている場合を検出している。
また、この閾値GSは、磁気校正処理の仕様に対応して任意の数値に設定しても良い。
The
This threshold value GS is determined based on a standard value of geomagnetism. For example, since the magnitude of geomagnetism in Japan is about 46 μT, this square 2116 is used. That is, in the present embodiment, a case is detected where an offset error exceeding (equal or greater) exceeding the geomagnetism remains.
Further, the threshold value GS may be set to an arbitrary value corresponding to the specification of the magnetic calibration process.
また、初期化判定部20は、評価値G2が閾値GSを越えている場合、自身の内部に設けられたカウンタのカウンタ値Jをインクリメント(カウント値Jに対して「1」を加算)する。
そして、初期化判定部20は、カウンタのカウンタ値Jが予め設定した閾値JS以上か否かの判定を行う。ここで、初期化判定部20は、カウンタ値Jが閾値JS以上である場合、閾値GSを超えるオフセット誤差が残っている、すなわち地磁気を超えるオフセット誤差が残っているため、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pを初期化する処理を行う。
Further, when the evaluation value G2 exceeds the threshold value GS, the
Then, the
ここで、評価値G2が閾値GSを越えている場合、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pを初期化する理由として、オフセットOが急激に変化した際においても、穏やかに新しいオフセットに近づくため、オフセットの真値への到達に時間がかかってしまう(オフセットの更新回数が増大する)。本実施形態においては、オフセット変化後の測定データの影響が最も大きくなるようにオフセットの推定が行われる構成となっている。しかしながら、時間に対して重み付けされた最小二乗法によりオフセットを推定しているが、共分散行列に対してオフセット変化前の測定データの影響が残っているため、オフセット誤差が大きくなるにつれ、推定されるオフセットが真値に近づくまでに時間がかかり(オフセット更新の回数が増加し)、上述したように大きなオフセットの変化に早急に対応できない。 Here, when the evaluation value G2 exceeds the threshold GS, as a reason for initializing the offset O, the total magnetic force R, and the covariance matrix P, even when the offset O changes suddenly, the new offset is gently approached. Therefore, it takes time to reach the true value of the offset (the number of times the offset is updated increases). In the present embodiment, the offset is estimated so that the influence of the measurement data after the offset change is maximized. However, although the offset is estimated by the least-squares method weighted with respect to time, since the influence of the measurement data before the offset change remains on the covariance matrix, it is estimated as the offset error increases. It takes time for the offset to approach the true value (the number of offset updates increases), and as described above, a large offset change cannot be handled quickly.
この解決作として、閾値GSより大きなオフセット誤差が存在している場合、初期化したほうが、オフセット変化前の影響を完全に取り除くことができるため、オフセットの真値に近づく時間を短縮することができる。
一方、初期化判定部20は、評価値G2が閾値GS以下の場合、自身の内部に設けられたカウンタのリセット、すなわちカウント値Jを「0」とする処理を行う。
また、プログラムの構成あるいは回路の構成により変わるが、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pが初期化されてからオフセットの推定が終了するまで、複数のステップ数が必要となる。そして、この初期化からオフセットの終了まで、評価値G2が閾値GSを超える場合が存在する。このため、閾値JSは、初期化からオフセットの推定が終了するまでのステップ数、すなわちオフセット推定の処理におけるオフセットの更新回数として設定されている。
As a solution to this, when there is an offset error larger than the threshold value GS, the effect before the offset change can be completely removed by initialization, so that the time for approaching the true value of the offset can be shortened. .
On the other hand, when the evaluation value G2 is equal to or smaller than the threshold value GS, the
Further, although depending on the program configuration or the circuit configuration, a plurality of steps are required from the initialization of the offset O, the total magnetic force R, and the covariance matrix P until the offset estimation is completed. From this initialization to the end of the offset, there are cases where the evaluation value G2 exceeds the threshold GS. For this reason, the threshold value JS is set as the number of steps from the initialization to the end of the offset estimation, that is, the offset update count in the offset estimation process.
次に、図1及び図2を用いて、本実施形態の磁気測定データ校正装置1における磁気測定データの校正を行う処理について説明する。図2は、磁気素子2が検出した磁気測定データMを校正する処理の動作例を示すフローチャートである。
ステップS1:
共分散行列計算部12は、オフセットO及び全磁力Rの初期化を行う。
このとき、例えば、オフセットOの初期化の値としては磁気素子2の単体で3軸ヘルムホルツコイルにて測定されたオフセット値が記憶部14に予め書き込まれて記憶されている。また、全磁力Rの初期化の値としては、複数の地域における地磁気基準値が記憶部14に予め書き込まれて記憶されている。
そして、携帯機器に電源を投入した後、ユーザは携帯機器の表示部に表示される複数の地域から、自身の居住地が含まれる地域を選択する。
これにより、共分散行列計算部12は、記憶部14から、オフセットOの初期値を読み出すとともに、ユーザの選択した地域に対応して記憶されている地磁気基準値を全磁力Rの初期値として読み出す。
また、GPS(Global Positioning System)機能が携帯機器に搭載されている場合、共分散行列計算部12は、GPSから得られる緯度経度情報が含まれる地域(緯度経度情報の範囲で規定された領域)に対応して記憶されている地磁気基準値を全磁力Rの初期値として読み出すように構成しても良い。
そして、共分散行列計算部12は、処理をステップS2へ進める。
Next, a process for calibrating magnetic measurement data in the magnetic measurement data calibration apparatus 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing an operation example of processing for calibrating the magnetic measurement data M detected by the
Step S1:
The
At this time, for example, as the initialization value of the offset O, the offset value measured by the triaxial Helmholtz coil of the single
Then, after powering on the portable device, the user selects a region including his / her residence from a plurality of regions displayed on the display unit of the portable device.
Thereby, the covariance
In addition, when a GPS (Global Positioning System) function is installed in a portable device, the covariance
Then, the covariance
ステップS2:
次に、共分散行列計算部12は、共分散行列Pの初期化を行う。すなわち、共分散行列計算部12は、記憶部14に予め書き込まれて記憶されている(4)式を読み出し、読み出した(4)式を共分散行列の初期値とする。
そして、共分散行列計算部12は、処理をステップS3へ進める。
Step S2:
Next, the covariance
Then, the covariance
ステップS3:
測定データ入力部11は、磁気素子2のX軸方向磁気検出部21、Y軸方向磁気検出部22及びZ軸方向磁気検出部23の各々から、磁気測定データMnとして磁気データMxn、Myn及びMznを読み込む。
そして、測定データ入力部11は、読み込んだ磁気測定データMnを記憶部14に書き込んで記憶させる。
磁気測定データMnを読み込んだ後、測定データ入力部11は、処理をステップS4へ進める。
Step S3:
The measurement
Then, the measurement
After reading the magnetic measurement data M n , the measurement
ステップS4:
磁気測定データ判定部19は、測定データ入力部11から磁気測定データMnが供給されると、閾値dsと、前回オフセットOn−1の算出に用いた磁気測定データMn−1とを記憶部14から読み出す。
次に、磁気測定データ判定部19は、供給された磁気測定データMnと、記憶部14から読み出した磁気測定データMn−1との距離dを(11)式により算出する。
そして、磁気測定データ判定部19は、算出した距離dと、記憶部14から読み出した閾値dsとを比較する。
このとき、磁気測定データ判定部19は、距離dが閾値ds以上の場合、処理をステップS5へ進め、一方、距離dが閾値ds未満の場合、処理をステップS6へ進める。
Step S4:
Magnetic measurement
Next, the magnetic measurement
Then, the magnetic measurement
At this time, if the distance d is greater than or equal to the threshold value d s , the magnetic measurement
ステップS5:
次に、誤差関数計算部15は、記憶部14から読み込んだ(7)式に対し、磁気素子2から読み込んだ磁気データMxn、Myn及びMznと、記憶部14から読み込んだオフセットOn−1(Oxn−1,Oyn−1,Ozn−1)とを代入し、誤差関数enを算出する。
すなわち、誤差関数計算部15は、磁気データMxnからオフセットOxn−1を減算した結果を二乗し、磁気データMynからオフセットOyn−1を減算した結果を二乗し、磁気データMznからオフセットOzn−1を減算した結果を二乗する。
そして、誤差関数計算部15は、それぞれの減算した結果を加算し、この加算した結果から、全磁力Rn−1の二乗を減算し、誤差関数enを求める。
誤差関数enを算出した後、誤差関数計算部15は、処理をステップS7へ進める。
また、図2のフローチャートにおけるステップS3からステップS17までのループ(繰り返し処理)において、携帯機器の電源が投入されてから1回目のループの際、オフセットOn−1としては初期化におけるオフセットの数値が用いられ、同様に、全磁力Rn−1としては初期化における全磁力の数値が用いられる。
Step S5:
Then, the error
That is, the error
The error
After calculating the error function e n, error
In the loop (repetitive processing) from step S3 to step S17 in the flowchart of FIG. 2, in the first loop after the portable device is turned on, the offset On -1 is the numerical value of the offset in initialization. Similarly, the numerical value of the total magnetic force in initialization is used as the total magnetic force R n−1 .
ステップS6:
磁気測定データ判定部19は、オフセットOnの算出の処理を磁気測定データ校正装置1に行わせず、記憶部14に記憶された数値をそのままとし、処理をステップS3へ進める。
Step S6:
The magnetic measurement
ステップS7:
オフセット残差計算部16は、記憶部14から、(5)式と、(8)式と、忘却係数ρと、前回求めた共分散行列Pn−1とを読み出す。
次に、オフセット残差計算部16は、磁気データMnを(5)式に代入してベクトルznの行列を生成し、この生成したベクトルznの行列の転置行列zn Tを生成する。
そして、オフセット残差計算部16は、忘却係数ρ、共分散行列Pn−1、ベクトルzn及び転置行列zn Tの各々を(8)式に代入し、オフセット残差ηを算出し、このオフセット残差ηをオフセット更新部17へ出力する。
オフセット残差ηを算出した後、オフセット残差計算部16は、処理をステップS8へ進める。
Step S7:
The offset
Next, the offset
Then, the offset
After calculating the offset residual η, the offset
ステップS8:
共分散行列更新部13は、記憶部14から、(5)式と、(9)式と、忘却係数ρと、共分散行列Pn−1とを読み込む。
次に、共分散行列更新部13は、磁気データMnを(5)式に代入してベクトルznの行列を生成し、この生成したベクトルznの行列の転置行列zn Tを生成する。
そして、共分散行列更新部13は、忘却係数ρと、共分散行列Pn−1と、ベクトルznと、転置行列zn Tとを、(9)式に代入し、新たな共分散行列Pnを生成し、記憶部14に書き込んで記憶させる。この共分散行列更新部13が記憶部14に書き込んだ共分散行列Pnが、磁界のループにおいては共分散行列Pn−1として用いられる。
今回の磁気データMnを含む、今までに共分散行列Pを生成するために用いた磁気データMの全てを母集団とする共分散行列Pnを生成した後、共分散行列更新部13は、処理をステップS9へ進める。
Step S8:
The covariance
Next, the covariance
Then, the covariance
Including the current magnetic data M n, after all of the magnetic data M that were used to generate the covariance matrix P to generate the covariance matrix P n to the population ever, the
ステップS9:
オフセット更新部17は、記憶部14から(6)式及び(10)式を読み出す。
次に、オフセット更新部17は、(6)式に対し、前回算出されたオフセットOn−1と全磁力Rn−1とを代入し、オフセットのベクトルxn−1を求める。
そして、オフセット更新部17は、オフセット残差計算部16から供給されるオフセット残差ηと、求めたベクトルとを(10)式に代入し、磁気測定データMnを測定した時点(すなわち現在)におけるオフセットOnを示すオフセットのベクトルxnを算出する。すなわち、オフセット更新部17は、ベクトルxn−1に対し、オフセット残差ηを加算することにより、新たなオフセットを示すベクトルxnを算出する。
ベクトルxnを算出した後、オフセット更新部17は、処理をステップS10へ進める。
Step S9:
The offset
Next, the offset updating
Then, the offset
After calculating the vector xn , the offset updating
また、磁気測定データ処理部18は、方位角計測部3が方位角の算出を行う際、測定データ入力部11が入力する磁気測定データMnに対応したオフセットOnを、磁気測定データMnから減算する。
そして、磁気測定データ処理部18は、磁気測定データMnからオフセットOnを減算した結果を、校正した磁気校正データMf(Mfx,Mfy,Mfz)として、方位角計測部3に対して出力する。
The magnetic measuring
The magnetic measurement
ステップS10:
次に、オフセット有効性判定部10は、記憶部14に記憶されている磁気測定データM1からMnと、前回算出されて記憶されたオフセットOn−1(O1)を読み出し、磁気データM毎に、上述した(12)式により距離d1nを算出する。
そして、オフセット有効性判定部10は、記憶部14に記憶されている磁気測定データMn−1とオフセットOn−1とを読み出し、(1)式により全磁力R1を算出する。
これにより、オフセット有効性判定部10は、算出した磁気データ毎の距離d1nと、全磁力R1とから、(13)式により評価値G1の算出を行い、処理をステップS16へ進める。
Step S10:
Next, the offset
Then, the offset
Thereby, the offset
ステップS11:
次に、オフセット有効性判定部10は、記憶部14に記憶されている磁気測定データM1からMnと、今回算出されて記憶されたオフセットOn(O2)を読み出し、磁気データM毎に、上述した(14)式により距離d2nを算出する。
そして、オフセット有効性判定部10は、記憶部14に記憶されている磁気測定データMnとオフセットOnとを読み出し、(1)式により全磁力R2を算出する。
これにより、オフセット有効性判定部10は、算出した磁気データ毎の距離d2nと、全磁力R2とから、(15)式により評価値G2の算出を行い、処理をステップS12へ進める。
Step S11:
Next, the offset
Then, the offset
Thereby, the offset
ステップS12:
次に、オフセット有効性判定部10は、算出した評価値G1とG2とを比較し、評価値G2が評価値G1未満であるか否かの判定を行う。
このとき、オフセット有効性判定部10は、評価値G2が評価値G1未満である場合、処理をステップS13へ進め、一方、評価値G2が評価値G1以上である場合、処理をステップS14へ進める。
Step S12:
Next, the offset
At this time, if the evaluation value G2 is less than the evaluation value G1, the offset
ステップS13:
評価値G2が評価値G1未満である場合、今回求めたオフセットOnが前回記憶部14にオフセットとして書き込まれて記憶されたオフセットOn−1より真値に近いため、オフセット有効性判定部10は、今回求めたオフセットOnを更新しないことを判定する。
そして、オフセット有効性判定部10は、記憶部14に記憶されているオフセットの値を更新することを示す制御信号を、オフセット更新部17に対して出力する。
この更新を行うことを示す制御情報が供給されると、オフセット更新部17は、記憶部14に記憶されているオフセットに対し、今回求めたオフセットOnを上書きし、オフセットの値の更新を行う。
そして、オフセット更新部17は、処理をステップS15へ進める。
Step S13:
If the evaluation value G2 is smaller than the evaluation value G1, since the offset O n the currently obtained is close to the true value than the offset O n-1, which is stored is written as an offset to the
Then, the offset
When the control information indicating that performing this update is supplied, the offset updating
And the offset
ステップS14:
評価値G2が評価値G1以上である場合、今回求めたオフセットOnに対して、前回記憶部14にオフセットとして書き込まれて記憶されたオフセットOn−1の方が真値に近いため、オフセット有効性判定部10は、前回書き込まれたオフセットの値を維持したまま更新することを示す制御信号を、オフセット更新部17へ出力する。
この更新を行わないことを示す制御情報が供給されると、オフセット更新部17は、記憶部14に記憶されているオフセットO、前回のオフセットOn−1の値を維持したまま上書し、オフセットの値の更新を行う。
そして、オフセット更新部17は、処理をステップS15へ進める。
Step S14:
If the evaluation value G2 is rated value G1 or more, with respect to the offset O n found this time, since towards the offset O n-1 previously stored in the
When the control information indicating that this update is not performed is supplied, the offset updating
And the offset
ステップS15:
次に、初期化判定部20は、評価値G2が内部の記憶部に予め書き込まれて記憶されている閾値GSを超えるか否かの判定を行う。
このとき、初期化判定部20は、評価値G2が閾値GSを超えている場合、処理をステップS16へ進める。
一方、初期化判定部20は、評価値G2が閾値GS以下の場合、内部のカウンタのカウンタ値Jをリセットした後、処理をステップS3へ進める。
Step S15:
Next, the
At this time, if the evaluation value G2 exceeds the threshold value GS, the
On the other hand, when the evaluation value G2 is equal to or less than the threshold value GS, the
ステップS16:
次に、初期化判定部20は、自身内部に設けられたカウンタのカウンタ値Jをインクリメントした後、処理をステップS17へ進める。
Step S16:
Next, the
ステップS17:
次に、初期化判定部20は、カウンタのカウンタ値Jが、自身内部に設けられた記憶部に予め書き込まれて記憶されている閾値JS以上か否かの判定を行う。
このとき、初期化判定部20は、カウンタ値Jが閾値JS以上である場合、処理をステップS1へ進め、共分散行列計算部12に対してオフセットO、全磁力R及び共分散行列Pの初期化を行わせる処理を行う。
一方、初期化判定部20は、カウンタ値Jが閾値JS未満である場合、処理をステップS3へ進め、オフセット推定の処理を継続させる。
Step S17:
Next, the
At this time, if the counter value J is greater than or equal to the threshold value JS, the
On the other hand, if the counter value J is less than the threshold value JS, the
上述した本実施形態によれば、前回求めたオフセットOn−1と、現時点で測定した磁気測定データMnとを用い、誤差関数enが最小となるように、オフセット残差ηを算出し、このオフセット残差ηと前回求めたオフセットOn−1とを用いてオフセットOnを算出するため、磁気測定データMnに重畳する磁気ノイズも最小化することが可能となり、従来に比較してより高い精度により、測定される磁気測定データMnのオフセットOnを求めることができる。 According to the embodiment described above, the offset O n-1 previously obtained, using a magnetic measurement data M n measured at the present time, so that the error function e n is minimized, and calculates an offset residual η the order to calculate the offset O n and offset residual η using the offset O n-1 previously obtained, it is possible to also minimize magnetic noise superimposed on the magnetic measurement data M n, as compared to conventional higher precision Te, it is possible to obtain the offset O n of the magnetic measurement data M n being measured.
また、本実施形態によれば、今回の磁気測定データMnからオフセットOnを求めるため、前回求めたオフセットOn−1に加算するオフセット残差ηを求める際、誤差関数をどの程度反映させるかの割合を、前回までの測定値を母集団とする共分散行列Pn−1と、現時点の磁気測定データMnと、忘却係数ρとにより設定しており、従来のように同一球面上を移動させて複数の磁気測定データMを測定する必要が無いため、新たな磁気測定データMnを測定する毎に、前回までのオフセットOn−1から容易に現時点のオフセットOnを求めることが可能となり、環境オフセットの変動に対する追従性を向上させることができる。 Further, according to this embodiment, since the current of the magnetic measurement data M n determine the offset O n, when obtaining the offset residual η to be added to the offset O n-1 previously obtained, to what extent reflects the error function Is set by the covariance matrix P n−1 having the previous measured values as the population, the current magnetic measurement data M n, and the forgetting factor ρ, the move because there is no need to measure a plurality of magnetometric data M, each time measuring the new magnetic measurement data M n, to obtain the offset O n-1 easily offset O n the current from up to the previous time Therefore, it is possible to improve the follow-up performance with respect to the fluctuation of the environmental offset.
また、本実施形態によれば、同一あるいは同様の磁気測定データ、すなわち距離が小さな磁気測定データにおいて、オフセットを算出する計算を繰り返すことにより、オフセットを大きく推定する、すなわち磁気測定データが全てオフセットであると判定してしまう第1の実施形態の欠点を解消することが可能である。 Further, according to the present embodiment, the same or similar magnetic measurement data, that is, magnetic measurement data with a short distance, is repeatedly estimated to calculate the offset by repeating the calculation to calculate the offset, that is, the magnetic measurement data are all offset. It is possible to eliminate the drawbacks of the first embodiment that are determined to be present.
また、本実施形態によれば、オフセットOの算出に使用可能と判定された磁気測定データMが供給される毎に、オフセットOnを算出して、前回有効と判定されて記憶部14に記憶されているオフセットOn−1といずれが真値に近いかを評価値G1とG2とにより比較し、より真値に近いオフセットを選択し、選択したオフセットを記憶部14に保持するため、常に最も真値に近いと推定されるオフセットOを磁気データMの校正に用いることができ、精度の高い磁気データの校正が行えることになる。
Further, according to this embodiment, every time the magnetic measurement data M which has been determined to be used for the calculation of the offset O is supplied, calculates the offset O n, is determined to the last valid in the
また、本実施形態によれば、閾値GSより大きなオフセット誤差が存在している場合、共分散行列に残っているオフセット変化前の測定データの影響を、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pの初期化を行うことで除去するため、オフセット誤差が大きくなってたとしても、推定されるオフセットが真値に近づくまでの時間を短縮できる。 Further, according to the present embodiment, when there is an offset error larger than the threshold GS, the influence of the measurement data before the offset change remaining in the covariance matrix is expressed as the offset O, the total magnetic force R, and the covariance matrix P. Therefore, even if the offset error becomes large, the time required for the estimated offset to approach the true value can be shortened.
次に、本実施形態の磁気測定データ校正装置1と、特許文献1の第1の手法と、特許文献2の第2の手法との各々により推定したオフセットOnの真値との誤差を比較した結果を説明する。
本実施形態による磁気測定データ校正装置1と、第1の手法のアルゴリズムを用いた校正装置#1と、第2の手法のアルゴリズムを用いた校正装置#2との各々を搭載した磁気計測装置を用意した。
そして、磁気計測装置の各々のオフセットを3軸ヘルムホルツコイルにて測定し、それぞれの校正装置が設けられた磁気素子のオフセット調整を行った状態とする。
Next, an error between the magnetic measurement data calibration apparatus 1 of the present embodiment, the true value of the offset On estimated by each of the first method of Patent Document 1 and the second method of
A magnetic measurement apparatus equipped with each of the magnetic measurement data calibration apparatus 1 according to the present embodiment, the calibration apparatus # 1 using the algorithm of the first technique, and the
And each offset of a magnetic measuring device is measured with a triaxial Helmholtz coil, and it is set as the state which performed offset adjustment of the magnetic element in which each calibration apparatus was provided.
次に、磁気測定データ校正装置1と、第1の手法のアルゴリズムを用いた校正装置#1と、第2の手法のアルゴリズムを用いた校正装置#2との各々を搭載した磁気計測装置の各々におけるオフセットの算出処理を行った。
まず、測定する磁気計測装置をオフセットが校正された状態で、3軸ヘルムホルツコイルのステージに静止させてセットする。
そして、地磁気と逆の磁界を発生させて磁界が0となる状態とし、この状態で磁気計測装置を特定の方向に移動させた際に磁気素子に印加される磁界である特定移動磁界を3軸ヘルムホルツコイルに発生させる。
すなわち、3軸ヘルムホルツコイルのステージに静止されてセットされた磁気計測装置に対し、磁気計測装置を移動させたときに磁気素子が検出すると推定される磁界を3軸ヘルムホルツコイルにより印加する。これにより、磁気計測装置を搭載した携帯機器を移動させた状態をシミュレーションすることになる。
Next, each of the magnetic measurement data calibration apparatus 1, the calibration apparatus # 1 using the algorithm of the first technique, and the
First, the magnetic measuring device to be measured is set stationary on the stage of the 3-axis Helmholtz coil with the offset calibrated.
Then, a magnetic field opposite to the geomagnetism is generated so that the magnetic field becomes zero, and a specific moving magnetic field that is a magnetic field applied to the magnetic element when the magnetic measuring device is moved in a specific direction in this state has three axes. Generate in Helmholtz coils.
That is, a magnetic field estimated to be detected by the magnetic element when the magnetic measuring device is moved is applied to the magnetic measuring device set stationary on the stage of the three-axis Helmholtz coil by the three-axis Helmholtz coil. Thereby, the state which moved the portable equipment carrying a magnetic measuring device is simulated.
本実施形態において、上述した3軸ヘルムホルツコイルを用いた携帯機器の移動のシミュレーションとしては、例えば8の字を描く移動を行わせた第1のシミュレーションと、斜め方向に移動させた第2のシミュレーションとを行った。この斜め方向とは、地表面に垂直な軸に対して角度を有する方向を指している。
このシミュレーションの際、地磁気と逆の磁界と特定移動磁界とのみでなく、ある一方向の決められた大きさの特定方向の磁界を仮想オフセットとする磁界(あたかも環境オフセットが存在するようにする仮想的なオフセット磁界)を、地磁気と逆の磁界と特定移動磁界とに対して合成した合成磁界を印加した。
そして、上述した合成磁界を印加し、各磁気計測装置の出力を計測した。このとき、合成磁界の磁界変化を検知し、正常に校正が行われた場合、磁気計測装置における校正装置がオフセット磁界を、携帯機器内部のオフセットとして判定する。このため、磁気計測装置は、オフセット磁界と携帯機器内部のオフセットを磁気測定データから減算して出力することになる。
In this embodiment, as a simulation of the movement of the portable device using the above-described three-axis Helmholtz coil, for example, a first simulation in which a movement for drawing a figure 8 is performed, and a second simulation in which the movement is performed in an oblique direction. And went. The oblique direction refers to a direction having an angle with respect to an axis perpendicular to the ground surface.
In this simulation, not only the magnetic field opposite to the geomagnetism and the specific moving magnetic field, but also a magnetic field having a specific direction of a certain direction in a certain direction as a virtual offset (as if an environmental offset exists) A combined magnetic field obtained by combining a magnetic field opposite to the geomagnetic field and a specific moving magnetic field.
And the synthetic magnetic field mentioned above was applied and the output of each magnetic measuring device was measured. At this time, when the magnetic field change of the synthetic magnetic field is detected and the calibration is normally performed, the calibration device in the magnetic measurement device determines the offset magnetic field as the offset inside the portable device. For this reason, the magnetic measurement device subtracts the offset magnetic field and the offset inside the portable device from the magnetic measurement data and outputs the result.
したがって、上述した校正処理を磁気計測装置に対して行わせた後、地磁気と逆の磁界とオフセット磁界との合成磁界を印加した状態における磁気計測装置の出力する磁気測定データM(Mx,My,Mz)は0となる。
上述した実験において、X、Y及びZ軸方向の各々の測定軸に対し、それぞれオフセット磁界として10μT(マイクロテスラ)を用いた。
また、地磁気と逆の磁界とオフセット磁界との合成磁界を印加した状態における磁気計測装置の出力する各測定軸の磁気データの2乗を加算し、加算結果の平方根をオフセット推定誤差として計算した。このオフセット推定誤差は0に近くなるほど、校正装置の算出したオフセットが真値に近いことを示すことになる。
図3に本実施形態における実験の結果を示す。この図3は、本実施形態による磁気測定データ校正装置1、校正装置#1及び校正装置#2に対し、磁気と逆の磁界と、特定移動磁界(8の字状の移動と斜め方向の移動)と、オフセット磁界との合成磁界を印加し、計測したオフセット推定誤差を示すテーブルである。
Therefore, after the calibration process described above is performed on the magnetic measurement device, the magnetic measurement data M (Mx, My, and M) output from the magnetic measurement device in a state where a combined magnetic field of the magnetic field opposite to the geomagnetism and the offset magnetic field is applied. Mz) is zero.
In the experiment described above, 10 μT (micro Tesla) was used as the offset magnetic field for each measurement axis in the X, Y, and Z axis directions.
In addition, the square of the magnetic data of each measurement axis output from the magnetic measurement device in a state where a magnetic field opposite to the geomagnetism and the offset magnetic field is applied is added, and the square root of the addition result is calculated as an offset estimation error. The closer this offset estimation error is to 0, the closer the offset calculated by the calibration apparatus is to the true value.
FIG. 3 shows the result of the experiment in this embodiment. FIG. 3 shows a magnetic field opposite to magnetism and a specific moving magnetic field (eight-shaped movement and diagonal movement) with respect to the magnetic measurement data calibration apparatus 1, the calibration apparatus # 1, and the
図3に示されているように、携帯機器を8の字状に移動させた第1の状態、斜め方向に移動させた第2の状態のいずれの場合でも、本実施形態における磁気測定データ校正装置1によるオフセットが真値に近いことが、すなわち算出されるオフセットOが実際のオフセットに近い結果が得られた。
斜め方向に移動させる第2の状態の場合、本実施形態においては第1の状態の場合と差がないが、校正装置#1及び#2においては第1の状態に対し、算出されるオフセットの算出精度が低下している。特に、校正装置#2は、17.32=(102+102+102)1/2であるため、そもそもオフセットの推定自体が行われていないことが判る。
上述した図3の結果から、本実施形態によれば、磁気測定データの校正に必要な携帯機器の移動を最小限にすることができ、かつ従来の手法に比較してオフセットの推定精度を向上させることができる。
As shown in FIG. 3, the magnetic measurement data calibration in this embodiment is performed in either the first state where the portable device is moved in the shape of figure 8 or the second state where the portable device is moved in an oblique direction. The result that the offset by the apparatus 1 is close to the true value, that is, the calculated offset O is close to the actual offset was obtained.
In the case of the second state that is moved in the oblique direction, there is no difference from the case of the first state in the present embodiment, but in the calibration devices # 1 and # 2, the calculated offset is compared with the first state. Calculation accuracy is low. In particular, since
From the result of FIG. 3 described above, according to the present embodiment, the movement of the portable device necessary for the calibration of the magnetic measurement data can be minimized, and the offset estimation accuracy is improved as compared with the conventional method. Can be made.
次に、図4及び図5は、オフセットが急激に変化した場合に、オフセットが真値に近づくまでの実験結果を示す図である。
すなわち、図4及び図5は、横軸が時間を示し、縦軸がオフセットの値を示し、オフセットが真値に近づくまでのオフセット推定にかかる時間を定量的に評価するための実験の結果を示す図である。図4は初期化判定部20を設けない構成の磁気校正装置によりオフセット推定を行い、一方、図5は初期化判定部20を設けた構成の磁気校正装置によりオフセット推定を行った結果を示している。
Next, FIGS. 4 and 5 are diagrams showing experimental results until the offset approaches a true value when the offset changes abruptly.
That is, in FIGS. 4 and 5, the horizontal axis indicates time, the vertical axis indicates the offset value, and the results of experiments for quantitatively evaluating the time required for offset estimation until the offset approaches the true value are shown. FIG. FIG. 4 shows the result of offset estimation by a magnetic calibration apparatus having a configuration without the
本実験においては、双方の磁気校正装置の磁気素子2に対して、20000m秒の自転で、100.0μTのオフセットを印加している。図4においては、オフセットの印加から20000m秒経過しても、推定されるオフセットが印加した100.0μTとはなっていない。一方、図5においては、オフセットの印加から3000m秒経過した時点において、推定されるオフセットが印加した100.0μTと真値に近づいている。
この図4及び図5の結果から分かるように、オフセットが急激に大きく変化した場合に、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pの初期化を行わないと、真のオフセットに近づくまでに長い時間がかかることになる。一方、オフセットO、全磁力R及び共分散行列Pの初期化を行うことにより、オフセットが変化しても、初期化を行わない場合に比較して、オフセットの変化により速く追従できることが分かる。
In this experiment, an offset of 100.0 μT is applied to the
As can be seen from the results of FIGS. 4 and 5, when the offset changes drastically and greatly, if the offset O, the total magnetic force R, and the covariance matrix P are not initialized, the offset becomes long until it approaches the true offset. It will take time. On the other hand, by performing initialization of the offset O, the total magnetic force R, and the covariance matrix P, it can be seen that even if the offset changes, the change in the offset can be followed more quickly than when initialization is not performed.
<RLS法によりオフセットが最尤推定値として得られることの説明>
以下に、RLS法を用いた場合、共分散行列を用いて最新の磁気測定データMを用いてオフセットOを更新する、すなわちオフセットのベクトルxを更新することで、常にオフセットOの最尤値(最尤推定値)を得ることができることの説明を行う。
まず、磁気測定データMn(Mxn,Myn,Mzn)から、以下の(16)式を定義する。
<Explanation that offset is obtained as maximum likelihood estimate by RLS method>
Hereinafter, when the RLS method is used, the offset O is updated using the latest magnetic measurement data M using the covariance matrix, that is, the offset vector x is always updated, so that the maximum likelihood value of the offset O ( The maximum likelihood estimate) can be obtained.
First, the following expression (16) is defined from the magnetic measurement data M n (M xn , M yn , M zn ).
一般的な最小二乗法によれば、現時点までに測定した磁気測定データM1からMnを用い、以下に示す(17)式の評価関数J1を最小とするオフセットのベクトルxを算出することになる。 According to a general least square method, using the magnetic measurement data M 1 to M n measured up to the present time, the offset vector x that minimizes the evaluation function J 1 of the following equation (17) is calculated. become.
次に、(18)式に示すように、ベクトルznの転置行列zn Tを要素とする列行列Znと、(16)式のベクトルynを要素とする列行列Ynとを定義する。 Next, as shown in the equation (18), a column matrix Z n whose elements are the transposed matrix z n T of the vector z n and a column matrix Y n whose elements are the vectors y n of the equation (16) are defined. To do.
上記(18)式の列行列ZnとYnとを用いることにより、(17)式が以下に示す(19)式のように変形することができる。 By using the column matrices Z n and Y n of the above equation (18), the equation (17) can be transformed into the following equation (19).
上記(19)式は、(18)式から判るように、磁気測定データM1からMnまで、すなわち現在までに測定した全ての磁気測定データの要素が含まれている。 As can be seen from the equation (18), the above equation (19) includes elements of all the magnetic measurement data measured from the magnetic measurement data M 1 to M n , that is, the present.
次に、重み付け係数Wnを要素とする行列、すなわち重み付け行列Wnを以下の(20)式のように定義する。 Next, a matrix having the weighting coefficient W n as an element, that is, a weighting matrix W n is defined as the following equation (20).
そして、この重み付け行列Wnと、列行列Yn及びZnとを用いて、評価関数J2を以下の(21)式として示す。 Then, using this weighting matrix W n and the column matrices Y n and Z n , the evaluation function J 2 is shown as the following equation (21).
(20)式に示すように、重み付け行列Wnは、磁気測定データM毎を計算に用いる際の重み付け、すなわち特定の磁気測定データMの影響度を高くするために導入している。
この重み付け行列Wnが単位行列であるならば、評価関数J2はすでに示した(17)式による評価関数J1と同一の評価値(J2=J1)を求める最小二乗法になる。
(20) As shown in equation, the weighting matrix W n is a weighting when used for the calculation of each magnetometric data M, that is introduced in order to increase the influence of a particular magnetic measurement data M.
If this weighting matrix W n is a unit matrix, the evaluation function J 2 is a least square method for obtaining the same evaluation value (J 2 = J 1 ) as the evaluation function J 1 according to the equation (17) already shown.
ここで、(21)式の評価関数J2が最小となるオフセットのベクトルxは、以下の(22)式に示すものとなる。 Here, the vector x of the offset which minimizes the evaluation function J 2 of (21) is as shown in the following equation (22).
上記(22)式を(21)式に代入すると、(21)式の評価関数J2が最小、すなわちJ2=0となるため、(22)式が最尤推定値のベクトルxを示していることが判る。
また、計算で用いる共分散行列Pnを表すため、行列Unを以下の(23)式により定義する。
When the above equation (22) is substituted into the equation (21), the evaluation function J 2 of the equation (21) is minimum, that is, J 2 = 0, so that the equation (22) indicates the vector x of the maximum likelihood estimated value. I know that.
Further, in order to represent the covariance matrix P n used in the calculation, the matrix Un is defined by the following equation (23).
(23)式の行列Unの逆行列に対し、(18)式及び(20)式を代入することにより、以下に示す(24)式が得られる。 To inverse matrix of the matrix U n of the equation (23) by substituting the equation (18) and (20), shown below (24) is obtained.
ここで、(24)式を解析的に解くため、逆行列の補助定理を用いる。すなわち、逆行列の補助定理において、行列Aがn×n行列、行列bがn×1ベクトル、行列cがn×1ベクトルである場合、以下の(25)式に示す関係が成り立つことになる。 Here, in order to solve Equation (24) analytically, the inverse matrix theorem is used. That is, in the inverse matrix lemma, when the matrix A is an n × n matrix, the matrix b is an n × 1 vector, and the matrix c is an n × 1 vector, the relationship expressed by the following equation (25) is established. .
したがって、(24)式を(25)式に代入すると、以下の(26)式となる。 Therefore, when the equation (24) is substituted into the equation (25), the following equation (26) is obtained.
これにより、(24)式は、(26)式の逆行列を求めることにより、以下の(27)式の漸化式として表すことができる。 Thereby, (24) Formula can be expressed as a recurrence formula of the following (27) Formula by calculating | requiring the inverse matrix of (26) Formula.
ここで、(20)式における重み付け行列を、以下に示す(28)式のように設定する。 Here, the weighting matrix in the equation (20) is set as the following equation (28).
上記(28)において、忘却係数ρを0から1の範囲(0<ρ<1)で設定すると、過去に取得した磁気測定データの影響(反映)の度合いが徐々に低くなる。
また、共分散行列Pnを、重み付け係数wnと行列Unで表すと、以下の(29)式となり、(27)式が(9)式と一致することになる。
In the above (28), when the forgetting factor ρ is set in the range of 0 to 1 (0 <ρ <1), the degree of influence (reflection) of the magnetic measurement data acquired in the past gradually decreases.
Further, the covariance matrix P n, expressed in weighting coefficient w n and the matrix U n, and becomes less (29), thereby coinciding with the (27) equation (9) below.
また、以降の計算の都合上、knを以下の(30)式のように定義する。 Further, for the convenience of subsequent calculations, defined by the following equation (30) to k n.
次に、(22)式に対し、(27)式と(30)式とを代入すると、以下に示す(31)式が得られる。 Next, by substituting the equations (27) and (30) into the equation (22), the following equation (31) is obtained.
また、磁気測定データM1からMn−1までのデータで求められたオフセットのベクトルxn−1の推定値、すなわちn−1番目のベクトルxn−1の推定値は以下の(32)式で求められる。 Further, the estimated value of the offset vector x n−1 obtained from the magnetic measurement data M 1 to Mn−1, that is, the estimated value of the n−1th vector x n−1 is expressed by the following equation (32). Is required.
したがって、n番目のベクトルxnの推定値は、上記(32)式を(31)式に代入し、(31)式を変形することで、以下に示す(33)式として表される。 Therefore, the estimated value of the n-th vector xn is expressed as the following equation (33) by substituting the equation (32) into the equation (31) and modifying the equation (31).
そして、この(33)式を変形することにより、以下の(34)式を得る。
上記(34)式を用いることにより、(33)式の右辺の第3項はkn×ynと簡略化できることから、(33)式から以下に示す(35)式のベクトルxの漸化式を導くことができる。 By using the above (34), (33) of the third term on the right side because it can k n × y n and simplified, (33) a recurrence of the vector x that shown below (35) from the equation An expression can be derived.
上記(35)式は、(8)式及び(10)式を統合した式となっている。したがって、上述してきたRLS法により、最新の磁気測定データMを用いてオフセットのベクトルxの更新を行うことにより、常に、ベクトルxの最尤推定値を得ることができる。 The above expression (35) is an expression obtained by integrating the expressions (8) and (10). Therefore, by updating the offset vector x using the latest magnetic measurement data M by the RLS method described above, the maximum likelihood estimated value of the vector x can always be obtained.
<方位角検出装置>
次に、本発明の一実施形態による磁気測定データ校正装置1を用いた方位角計測装置の動作を以下に示す。
携帯機器に搭載される方位角計測装置には、図1に示す互いに直交する3つの測定軸を有する磁気検出部からなる磁気素子2と、図示されていない3軸加速度センサとを組み合わせた構成が搭載されている。
すなわち、この方位角計測装置は、3軸加速度センサにより重力を検出し、検出した重力の傾きの程度から自身の傾斜角を計算する。
そして、方位角計測装置において、磁気素子2により測定された磁気測定データが、磁気測定データ校正装置1により、オフセットが校正された磁気校正データMfを生成する。
方位角計測装置は、磁気測定データ校正装置1から出力される磁気校正データMfにより、方位角を算出する。
<Azimuth angle detection device>
Next, the operation of the azimuth angle measuring apparatus using the magnetic measurement data calibration apparatus 1 according to one embodiment of the present invention will be described below.
The azimuth measuring device mounted on the portable device has a configuration in which a
That is, this azimuth measuring device detects gravity by a triaxial acceleration sensor, and calculates its own inclination angle from the degree of inclination of the detected gravity.
Then, in the azimuth measuring device, the magnetic measurement data measured by the
The azimuth angle measuring device calculates the azimuth angle based on the magnetic calibration data M f output from the magnetic measurement data calibration device 1.
以下に、方位角計測部3が行う磁気校正データMfによる方位角の算出について説明する。
図6は、3軸加速度センサにより求まる絶対座標系と、3軸磁気素子である磁気計測装置の検出するセンサ座標系との各軸のずれを説明する図である。
図6において、3次元の絶対座標系を校正するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。そして、X軸を回転軸とした回転角度をピッチ角(p)とし、Y軸を回転軸とした回転角度をロール角(r)とし、Z軸を回転軸とした回転角度を方位角(θ)とする。
上記絶対座標系とは、本実施形態においては、重力ベクトルに対してX軸とY軸とにより形成される平面が垂直であり、磁気素子2の測定する磁気測定データM(Mx,My,Mz)の全てがゼロとなる地点を原点Oとした座標系としている。また、センサ座標系は、磁気素子2が測定する磁気データM(Mx,My,Mz)が形成する座標系である。このため、磁気素子2が磁気データM(Mx,My,Mz)を測定する測定点毎にセンサ座標系は異なる。
Hereinafter, the calculation of the azimuth angle by the magnetic calibration data Mf performed by the azimuth angle measurement unit 3 will be described.
FIG. 6 is a diagram for explaining a shift of each axis between an absolute coordinate system obtained by a triaxial acceleration sensor and a sensor coordinate system detected by a magnetic measuring device which is a triaxial magnetic element.
In FIG. 6, an X axis, a Y axis, and a Z axis for calibrating a three-dimensional absolute coordinate system are defined. The rotation angle with the X axis as the rotation axis is the pitch angle (p), the rotation angle with the Y axis as the rotation axis is the roll angle (r), and the rotation angle with the Z axis as the rotation axis is the azimuth angle (θ ).
The above and the absolute coordinate system, in the present embodiment, a plane formed by the X and Y axes relative to the gravity vector is vertical, magnetic measurement data M (M x measuring the magnetic element 2, M y , M z ) is a coordinate system with the origin O as the point where all of them are zero. The sensor coordinate system is a coordinate system formed by magnetic data M (M x , M y , M z ) measured by the
しかしながら、ユーザが携帯した携帯機器を、絶対座標系におけるX軸及びY軸のなす平面と、磁気素子の測定軸、すなわちセンサ座標系におけるX軸(Mxの測定軸)及びY軸(Myの測定軸)のなす平面とを平行とすることは困難である。
そのため、磁気素子2により方位角を推定する場合、常に絶対座標系におけるX軸及びY軸のなす平面に対して、磁気素子2のセンサ座標系におけるX方向の測定軸(X軸検出磁界)とY方向の測定軸(T軸検出磁界)とのなす平面が平行であれば、周囲の環境による磁界の変化などの影響があっても、常に、傾斜センサとして用いた3軸加速度センサの測定する重力ベクトルにより、磁気素子2、すなわち方位角計測装置の傾斜角を正確に測定することができる。
However, the mobile device user portable, and form planes of X-axis and Y-axis of the absolute coordinate system, the measurement axis of the magnetic elements, that is, the X axis in the sensor coordinate system (measurement axis of the M x) and Y-axis (M y It is difficult to make the plane formed by the measurement axis) parallel to each other.
Therefore, when the azimuth angle is estimated by the
このときに、方位角計測装置が地表に対して水平状態である場合、3軸加速度センサの出力する加速度計測データを、加速度計測データS(Sx,Sy,Sz)とする。一方、方位角計測装置が地表に対して傾斜状態である場合、3軸加速度センサの出力する加速度計測データを、加速度計測データS’(Sx’,Sy’,Sz’)とする。
このとき、加速度計測データS(Sx,Sy,Sz)と加速度計測データS’(Sx’,Sy’,Sz’)との関係は、以下の(36)式により示される。
At this time, when the azimuth measuring device is in a horizontal state with respect to the ground surface, the acceleration measurement data output from the triaxial acceleration sensor is defined as acceleration measurement data S (S x , S y , S z ). On the other hand, when the azimuth measuring device is tilted with respect to the ground surface, the acceleration measurement data output from the triaxial acceleration sensor is defined as acceleration measurement data S ′ (S x ′, S y ′, S z ′).
At this time, the relationship between the acceleration measurement data S (S x , S y , S z ) and the acceleration measurement data S ′ (S x ′, S y ′, S z ′) is expressed by the following equation (36). .
そして、ユーザの携帯する携帯機器が傾斜状態にあるとき、この傾斜状態での重力加速度で規格化された3軸加速度センサの出力を加速度計測データA(Ax,Ay,Az)とすると、地表面に対して方位計測装置が水平状態にある場合、A(Ax,Ay,Az)=A(0,0,1)であるため、上記(36)式は以下に示す(37)式となる。 When the portable device carried by the user is in an inclined state, the output of the triaxial acceleration sensor normalized by the gravitational acceleration in the inclined state is assumed to be acceleration measurement data A (A x , A y , A z ). When the azimuth measuring device is in a horizontal state with respect to the ground surface, since A (A x , A y , A z ) = A (0, 0, 1), the above expression (36) is shown below ( 37).
したがって、方位角計測部3は、3軸加速度センサの出力する加速度計測データA(Ax,Ay,Az)を用い、ピッチ角(p)が以下に示す(38)式から、また、ロール角(r)が以下に示す(39)式により算出する。 Therefore, the azimuth measuring unit 3 uses the acceleration measurement data A (A x , A y , A z ) output from the triaxial acceleration sensor, and the pitch angle (p) is expressed by the following equation (38): The roll angle (r) is calculated by the following equation (39).
また、ユーザの携帯する携帯機器が傾斜状態にあるとき、磁気測定データ校正装置1から出力される磁気校正データMfを、磁気測定データM(Mtx,Mty,Mtz)とすると、上記(38)式及び(39)式の各々から算出されたピッチ角(p)とロール角(r)とにより、以下の(40)式により、水平状態における磁気測定データM(Hx,Hy,V)が求まる。 Further, when the mobile device carried by the user is in an inclined state, the magnetic calibration data M f output from the magnetic measurement data calibration device 1 is the magnetic measurement data M (M tx , M ty , M tz ). Based on the pitch angle (p) and the roll angle (r) calculated from each of the equations (38) and (39), the magnetic measurement data M (H x , H y in the horizontal state is obtained by the following equation (40). , V).
したがって、方位角計測部3は、上記(40)式により算出した磁気測定データM(Hx,Hy,V)を用い、以下に示す(41)式から方位角(θ)を算出する。 Therefore, the azimuth measuring unit 3 calculates the azimuth angle (θ) from the following equation (41) using the magnetic measurement data M (H x , H y , V) calculated by the above equation (40).
上述したように、本実施形態によれば、環境オフセットを調整し、磁気素子2の出力する磁気測定データMを校正した(すなわちゼロ磁界における磁気測定データの調整が行われた)磁気校正データMfを用い、かつ3軸磁気素子により傾斜状態を補正して方位角を求めることが可能となり、常に、方位角測定装置の検出座標系のX軸方向及びY軸方向のなす平面と、絶対座標系における地表面とが水平状態であり、かつオフセットが校正がされた磁気測定データを用いることができるため、高い精度で方位角を求めることが実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the environmental offset is adjusted, and the magnetic measurement data M output from the
また、図1における磁気測定データ校正装置1の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより磁気測定データMの校正処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。 Further, a program for realizing the function of the magnetic measurement data calibration apparatus 1 in FIG. 1 is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed. Calibration processing of the magnetic measurement data M may be performed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.
1…磁気測定データ校正装置 2…磁気素子 3…方位角計測部 10…オフセット有効性判定部 11…測定データ入力部 12…共分散行列計算部 13…共分散行列更新部 14…記憶部 15…誤差関数計算部 16…オフセット残差計算部 17…オフセット更新部 18…磁気測定データ処理部 19…磁気測定データ判定部 20…初期化判定部 21…X軸方向磁気検出部 22…Y軸方向磁気検出部 23…Z軸方向磁気検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic measurement
Claims (9)
測定された磁気測定データの前記測定軸毎の磁気データと、前回求められたオフセットとの差分から誤差関数を求める誤差関数計算部と、
前記誤差関数及び前回求められた共分散行列からオフセット残差を算出するオフセット残差計算部と、
前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットに対し、前記オフセット残差を加算し、新たなオフセットを算出するオフセット更新部と、
測定された前記磁気測定データを用い、以前に測定された前記磁気測定データを母集団とする磁気測定データの共分散行列を更新し、測定された前記磁気測定データを前記母集団に加えて新たな共分散行列を生成する共分散行列更新部と、
更新された前記オフセットとオフセットの真値との誤差を示す第1評価値を算出するオフセット有効性判定部と、
前記第1評価値が予め設定された第1閾値を超えているか否かの判定を行い、前記第1評価値が前記第1閾値を越えている場合、前記オフセット及び前記共分散行列を初期化する処理を行う初期化判定部と
を備えることを特徴とする磁気測定データ校正装置。 An offset of magnetic measurement data, which is a measurement result of geomagnetism for each measurement axis, is output from a magnetic element having three measurement axes orthogonal to each other and measuring the geomagnetism in the measurement axis direction, and the magnetism It is a magnetic measurement data calibration device that corrects measurement data,
An error function calculation unit for obtaining an error function from the difference between the magnetic data for each measurement axis of the measured magnetic measurement data and the previously obtained offset;
An offset residual calculation unit for calculating an offset residual from the error function and the previously obtained covariance matrix;
An offset update unit that calculates the new offset by adding the offset residual to the offset calculated during the previous measurement of the magnetic measurement data;
Using the measured magnetic measurement data, update the covariance matrix of the magnetic measurement data with the previously measured magnetic measurement data as a population, and add the measured magnetic measurement data to the population to newly A covariance matrix updating unit for generating a covariance matrix,
An offset validity determination unit that calculates a first evaluation value indicating an error between the updated offset and the true value of the offset;
It is determined whether or not the first evaluation value exceeds a preset first threshold value, and when the first evaluation value exceeds the first threshold value, the offset and the covariance matrix are initialized. A magnetic measurement data calibration apparatus comprising: an initialization determination unit that performs a process for performing the process.
オフセット更新を行う過程において、前記第1差分が前記第1閾値を越えていることを判定した回数が予め設定された回数以上である場合、前記初期化する処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の磁気測定データ校正装置。 The initialization determination unit
The initialization process is performed when the number of times the first difference is determined to exceed the first threshold in a process of performing offset update is equal to or greater than a preset number. The magnetic measurement data calibration apparatus according to 1.
前記磁気素子の測定軸からなる3次元磁界空間における前記磁気測定データの各々と、更新された前記オフセットとの第1距離を求め、当該第1距離の各々と前記磁気測定データから求めた全磁力との第1差分を求め、全ての第1距離に対応する当該第1差分を加算して前記第1評価値を算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気測定データ校正装置。 The offset validity determination unit
A first distance between each of the magnetic measurement data in the three-dimensional magnetic field space formed by the measurement axis of the magnetic element and the updated offset is obtained, and the total magnetic force obtained from each of the first distance and the magnetic measurement data. 3. The magnetic measurement data according to claim 1, wherein the first evaluation value is calculated by adding the first differences corresponding to all the first distances. Calibration device.
さらに有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の磁気測定データ校正装置。 The second distance in the three-dimensional magnetic field space consisting of the measurement axis of the magnetic element between the magnetic measurement data used when obtaining the previously calculated offset and the new magnetic measurement data newly input from the magnetic element. The second distance is compared with a preset second threshold, and if the second distance exceeds the second threshold, a new offset is updated to the offset update unit. On the other hand, when the second distance is less than or equal to the second threshold value, the magnetic measurement data determination unit further performs control not to update a new offset. The magnetic measurement data calibration device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気測定データ校正装置。 The second threshold value is defined as a distance between a measurement noise coordinate point in each measurement axis direction of the magnetic element in the three-dimensional magnetic field space and an origin of the three-dimensional magnetic field space. 4. The magnetic measurement data calibration device according to 4.
前記バッファに記憶されている前記磁気測定データの各々と前回のオフセットとの第3距離を求め、当該第3距離の各々と前回のオフセットを求めた際の前記磁気測定データから求めた全磁力との第3差分を求め、全ての第3距離に対応する当該第1差分を加算して第2評価値を算出し、当該第2評価値と前記第1評価値とを比較し、前記第1評価値が前記第2評価値未満である場合、新たに求めたオフセットを前記磁気測定データの校正に用いるオフセットとし、一方、前記第1評価値が前記第2評価値以上である場合、前回求めたオフセットを前記磁気測定データの校正に用いるオフセットとする
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の磁気測定データ校正装置。 A buffer for storing magnetic measurement data used in calculating the offset up to the present time in a time series;
A third distance between each of the magnetic measurement data stored in the buffer and the previous offset is obtained, and the total magnetic force obtained from the magnetic measurement data when each of the third distance and the previous offset is obtained; The third difference is calculated, the first difference corresponding to all the third distances is added to calculate a second evaluation value, the second evaluation value is compared with the first evaluation value, and the first difference is calculated. When the evaluation value is less than the second evaluation value, the newly obtained offset is used as an offset used for calibration of the magnetic measurement data. On the other hand, when the first evaluation value is greater than or equal to the second evaluation value, the previous calculation is performed. The magnetic measurement data calibration apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the offset is an offset used for calibration of the magnetic measurement data.
前記3つの測定軸からなる3次元座標系において、測定された前記磁気測定データのデータ座標と、前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットのオフセット座標との距離の2乗から全磁力を求め、当該全磁力から前回算出した前回全磁力を減算し、減算結果を前記誤差関数とする
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の磁気測定データ校正装置。 The error function calculator is
In a three-dimensional coordinate system composed of the three measurement axes, the total magnetic force is calculated from the square of the distance between the measured data coordinate of the magnetic measurement data and the offset coordinate of the offset calculated at the previous measurement of the magnetic measurement data. The magnetic measurement data calibration apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the previous total magnetic force calculated last time is subtracted from the total magnetic force, and the subtraction result is used as the error function. .
前記磁気素子から出力される前記測定軸毎の地磁気の測定結果である磁気測定データのオフセットを求め、前記磁気測定データを補正する磁気測定データ校正部と、
前記磁気測定データ校正装置から出力される、前記磁気測定データを校正した磁気校正データから方位角を算出する方位角計測部と
を備え、
測定された磁気測定データの前記測定軸毎の磁気データと、前回求められたオフセットとの差分から誤差関数を求める誤差関数計算部と、
前記誤差関数及び前回求められた共分散行列からオフセット残差を算出するオフセット残差計算部と、
前回の前記磁気測定データの測定時に算出した前記オフセットに対し、前記オフセット残差を加算し、新たなオフセットを算出するオフセット更新部と、
測定された前記磁気測定データを用い、以前に測定された前記磁気測定データを母集団とする磁気測定データの共分散行列を更新し、測定された前記磁気測定データを前記母集団に加えて新たな共分散行列を生成する共分散行列更新部と、
更新された前記オフセットとオフセットの真値との誤差を示す第1評価値を算出するオフセット有効性判定部と、
前記第1評価値が予め設定された第1閾値を超えているか否かの判定を行い、前記第1評価値が前記第1閾値を越えている場合、前記オフセット及び前記共分散行列を初期化する処理を行う初期化判定部と
を備えることを特徴とする方位角計測装置。 A magnetic element having three measurement axes orthogonal to each other and including an axis sensor for measuring geomagnetism in the measurement axis direction;
Obtaining a magnetic measurement data offset that is a geomagnetic measurement result for each measurement axis output from the magnetic element, and correcting the magnetic measurement data;
An azimuth measuring unit that calculates an azimuth from magnetic calibration data calibrated from the magnetic measurement data output from the magnetic measurement data calibration device, and
An error function calculation unit for obtaining an error function from the difference between the magnetic data for each measurement axis of the measured magnetic measurement data and the previously obtained offset;
An offset residual calculation unit for calculating an offset residual from the error function and the previously obtained covariance matrix;
An offset update unit that calculates the new offset by adding the offset residual to the offset calculated during the previous measurement of the magnetic measurement data;
Using the measured magnetic measurement data, update the covariance matrix of the magnetic measurement data with the previously measured magnetic measurement data as a population, and add the measured magnetic measurement data to the population to newly A covariance matrix updating unit for generating a covariance matrix,
An offset validity determination unit that calculates a first evaluation value indicating an error between the updated offset and the true value of the offset;
It is determined whether or not the first evaluation value exceeds a preset first threshold value, and when the first evaluation value exceeds the first threshold value, the offset and the covariance matrix are initialized. An azimuth angle measuring apparatus comprising: an initialization determination unit that performs processing to perform
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