(57)【要約】【課題】２軸フラックスゲートを用いて方位角を測定し、伏角による影響を補償して正確な方位角を算出できる地磁気センサを提供する。【解決手段】地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する地磁気検出モジュール、所定の基準面上で傾いた程度を示すチルト角を検出するチルト検出モジュール、伏角による地磁気影響を反映するための定数値を毎方位角別に予め設定して記録したデータベースを保存するメモリ、及び定数値の初期値、電気的信号値、及びチルト角を用いて方位角を１次演算した後、１次演算された方位角に対応する定数値をメモリから検出して検出された定数値を用いて方位角を再演算する中央処理装置を含む。【選択図】      図１
2006170997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する地磁気検出モジュールと、
所定の基準面上における傾斜角度であるチルト角を検出するチルト検出モジュールと、
伏角による地磁気影響を反映するための定数値を毎方位角別に予め設定して記録したデータベースを保存するメモリと、
前記定数値の初期値、前記電気的信号値、及び前記チルト角に基づいて方位角を１次演算した後、前記１次演算された方位角に対応する定数値を前記メモリから検出して前記検出された定数値に基づいて前記方位角を再演算する中央処理装置と、
を含むことを特徴とする地磁気センサ。
【請求項２】
前記中央処理装置は、
前記方位角再演算作業が完了した後、前記定数値の初期値を前記検出された定数値にアップデートすることを特徴とする請求項１に記載の地磁気センサ。
【請求項３】
前記中央処理装置は、
前記地磁気検出モジュール及び前記チルト検出モジュールにおいて前記電気的信号値及び前記チルト角をそれぞれ検出する毎に、前記アップデートされた定数値に基づいて前記方位角１次演算作業及び再演算作業を行なうことを特徴とする請求項２に記載の地磁気センサ。
【請求項４】
前記中央処理装置は、
前記方位角再演算作業を予め設定された所定回数行なうことを特徴とする請求項３に記載の地磁気センサ。
【請求項５】
前記地磁気検出モジュールは、
互いに直交する形態に作製され、所定の駆動信号に応じて誘導される磁気に対応する所定大きさの電気的信号をそれぞれ出力するＸ軸及びＹ軸フラックスゲートを含むことを特徴とする請求項１に記載の地磁気センサ。
【請求項６】
前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸フラックスゲートから出力される前記電気的信号をそれぞれ所定範囲の値にマッピングする正規化作業を行なう正規化部と、
前記再演算された方位角を表示するディスプレー部をさらに含み、
前記中央処理装置は、前記正規化部で正規化された電気的信号値に基づいて前記方位角１次演算及び再演算作業を行うことを特徴とする請求項５に記載の地磁気センサ。
【請求項７】
前記正規化部は、
【数１】
2006170997.tif 000010
（ただし、Ｘｆ及びＹｆはそれぞれＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆmax及びＸｆminはそれぞれＸｆの最大値及び最小値、Ｙｆmax及びＹｆminはそれぞれＹｆの最大値及び最小値、αは固定定数である）
に基づいて前記正規化作業を行なうことを特徴とする請求項６に記載の地磁気センサ。
【請求項８】
前記チルト検出モジュールは、
互いに直交する形態に作製され、前記基準面に対する傾きに応じた所定大きさの電気的信号を出力するＸ軸及びＹ軸加速度センサと、
前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸加速度センサからそれぞれ出力される前記電気的信号を所定大きさの値にマッピングする正規化作業を行なうチルト正規化部と、
前記チルト正規化部で正規化された値を用いてピッチ角及びロール角を演算した後、前記ピッチ角及び前記ロール角を前記チルト角として出力するチルト演算部と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載の地磁気センサ。
【請求項９】
前記チルト演算部は、
【数２】
2006170997.tif 000011
（ただし、θはピッチ角、φはロール角、Ｘｔnormは正規化されたＸ軸加速度センサ出力値、Ｙｔnormは正規化されたＹ軸加速度センサ出力値である）
に基づいて前記ピッチ角及び前記ロール角を演算することを特徴とする請求項８に記載の地磁気センサ。
【請求項１０】
前記中央処理装置は、
【数３】
2006170997.tif 000012
（ただし、Ｚｆnormは仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値、βは定数値、θはピッチ角、φはロール角、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値である）
のうち１つの式を用いて仮想のＺ軸フラックスゲートの出力値を演算した後、演算された結果値を用いて前記方位角を１次演算及び再演算することを特徴とする請求項１に記載の地磁気センサ。
【請求項１１】
前記中央処理装置は前記Ｚ軸フラックスゲートの出力値を、
【数４】
2006170997.tif 000013
（ただし、ψは方位角、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｚｆnormは仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値、θはピッチ角、それからφはロール角である）
に代入して前記方位角を１次演算及び再演算することを特徴とする請求項１０に記載の地磁気センサ。
【請求項１２】
伏角による地磁気影響を反映するための定数値を毎方位角別に予め設定して記録したデータベースを保存したメモリを含む地磁気センサの方位角測定方法において、
(ａ) 地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する段階と、
(ｂ) 前記電気的信号値の大きさを所定範囲にマッピングして正規化する段階と、
(ｃ) 前記地磁気センサが所定の基準面に対して傾いた程度を示すチルト角を検出する段階と、
(ｄ) 前記定数値の初期値、前記正規化された電気的信号値及び前記チルト角を用いて方位角を１次演算する段階と、
(ｅ) 前記１次演算された方位角に対応する定数値を前記メモリから検出する段階と、
(ｆ) 前記検出された定数値、前記正規化された電気的信号値、及び前記チルト角を用いて前記方位角を再演算する段階と、
を含むことを特徴とする地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１３】
前記方位角再演算作業が完了した後、前記定数値の初期値を前記検出された定数値にアップデートする段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１４】
前記電気的信号値及び前記チルト角を検出する毎に、前記アップデートされた定数値を用いて前記方位角１次演算作業及び再演算作業を行なう段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１５】
前記(ｅ)ないし(ｆ)段階を予め設定された所定回数だけ繰り返すことを特徴とする請求項１４に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１６】
前記(ａ)段階は、
互いに直交する形態に作製されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲートに所定の駆動信号を印加する段階と、
前記駆動信号に応じて前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートに誘導される磁気に対応する所定大きさの電気的信号値をそれぞれ検出する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１７】
前記(ｂ)段階は、
【数５】
2006170997.tif 000014
（ただし、Ｘｆ及びＹｆはそれぞれＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆmax及びＸｆminはそれぞれＸｆの最大値及び最小値、Ｙｆmax及びＹｆminはそれぞれＹｆの最大値及び最小値、αは定数である）
に基づいて前記正規化作業を行なうことを特徴とする請求項１６に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１８】
前記(ｃ)段階は、
互いに直交する形態に作製されたＸ軸及びＹ軸加速度センサから前記基準面に対する傾きに対応する所定大きさの電気的信号を検出する段階と、
前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸加速度センサからそれぞれ検出された前記電気的信号の大きさを所定範囲にマッピングして正規化する段階と、
前記正規化された値を
【数６】
2006170997.tif 000015
（前記数式において、θはピッチ角、φはロール角、Ｘｔnormは正規化されたＸ軸加速度センサ出力値、Ｙｔnormは正規化されたＹ軸加速度センサ出力値である）
に代入して前記ピッチ角及び前記ロール角を演算する段階と、
前記ピッチ角及び前記ロール角を前記チルト角として出力する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項１９】
前記(ｄ)段階及び前記(ｆ)段階は、
【数７】
2006170997.tif 000016
（ただし、Ｚｆnormは仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値、βは定数値、θはピッチ角、φはロール角、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値である）
のうち１つの式に基づいて仮想のＺ軸フラックスゲートの出力値を演算する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の地磁気センサの方位角測定方法。
【請求項２０】
前記(ｄ)段階及び前記(ｆ)段階は、
前記Ｚ軸フラックスゲートの出力値を、
【数８】
2006170997.tif 000017
（ただし、ψは方位角、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｚｆnormは仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値、θはピッチ角、それからφはロール角である）
に代入して前記方位角を演算する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の地磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は方位角測定のための地磁気センサ及びその方法に係り、さらに詳しくは伏角を演算しない状態で傾きによる影響を補償して正確な方位角を測定するための地磁気センサ及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地磁気センサとは、人間が感じられない地球磁気の強度及び方向を測定する装置である。そのうち、フラックスゲート(fluxgate)を使用する地磁気センサをフラックスゲートセンサと呼ぶ。
フラックスゲートセンサはパーマロイ(permalloy)のような高透磁率材料よりなるフラックスゲートコア、コアを巻線した駆動コイル及び検出コイルで構成される。この場合、フラックスゲートコアの個数は２個または３個とすることができる。各フラックスゲートコアは互いに直交する形態に作製される。すなわち、２軸フラックスゲートセンサの場合、Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートで具現され、３軸フラックスゲートセンサの場合はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸フラックスゲートで具現される。これにより、各フラックスゲートコアを巻線した各駆動コイルに駆動信号を印加した後コアにより磁気が誘導されると、検出コイルを用いて外部磁場に比例する２次高調波成分を検出することによって外部磁場の大きさ及び方向を測定することができる。
【０００３】
一方、磁気場は方向性を帯びるため、地磁気センサの利用姿勢によって測定値が相違する。
すなわち、所定角度に傾いた状態で地磁気センサを用いて方位角などを測定すれば、実際方位角と違う値が測定されるという問題点があった。このような問題点を解決するため、最近は加速度センサなどを用いてチルト角を測定した後、これを用いて傾きによる影響を補償して正確な方位角を演算するようにしている。この場合、３軸フラックスゲートを使用する地磁気センサの場合、伏角(dip angle : λ)による影響を考慮する必要がないが、２軸フラックスゲートを使用する地磁気センサの場合は伏角による影響を考慮しなければならない。なぜならば、２軸フラックスゲートセンサの場合、地表面上に置かれたＸ軸及びＹ軸フラックスゲートだけを備えるため、地表面に投射される実際の地磁気ベクトルの水平成分値だけを用いて方位角を測定するからである。すなわち、伏角とは地磁気が地表面に入射する角度を意味するので、フラックスゲートにより測定された実際地磁気ベクトル値にｃｏｓλを乗算すべきであり、２軸フラックスゲートセンサでは伏角に対する情報を必要とする。
【０００４】
これにより、２軸フラックスゲートを用いていた従来の地磁気センサでは、伏角を任意に推定して使用するか、それともＧＰＳのような外部装置から入力される伏角値を用いて方位角を演算した。しかし、任意に伏角を推定して使用する場合、正確な伏角を使用できないため、方位角情報が正確に検出できないという問題があった。一方、ＧＰＳのような外部装置から伏角値を入力する場合は、その外部装置との通信のための装備がさらに必要になるため、地磁気センサのサイズ及び製造コストがアップするという問題点がある。一方、伏角を自身で演算して使用するための構成が提案されたこともあって来たが、正確な伏角演算が難しく、また伏角演算による地磁気センサの演算負担が大きくなるとの問題点があった。一方、伏角を必要としない３軸フラックスゲート地磁気センサの場合、地表面に垂直方向に設けられるＺ軸フラックスゲートをさらに必要とするため、それによるサイズ増加が避けられない。従って、小型携帯型電子機器に使用するには不向きであるとの問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は伏角の影響を補償するための定数値を変更しつつ方位角を所定回数以上繰り返して演算し、伏角を用いないながらも正確な方位角を測定することができる地磁気センサ及びその方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述したような目的を達成するための本発明の一実施形態による地磁気センサは、地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する地磁気検出モジュール、所定の基準面上における傾斜角度であるチルト角を検出するチルト検出モジュール、伏角による地磁気影響を反映するための定数値を毎方位角別に予め設定して記録したデータベースを保存するメモリ及び前記定数値の初期値、前記電気的信号値、及び前記チルト角を用いて方位角を１次演算した後、前記１次演算された方位角に対応する定数値を前記メモリから検出して前記検出された定数値を用いて前記方位角を再演算する中央処理装置を含む。
【０００７】
望ましくは、前記中央処理装置は前記方位角再演算作業が完了した後、前記定数値の初期値を前記検出された定数値にアップデートする。
これにより、前記中央処理装置は、前記地磁気検出モジュール及び前記チルト検出モジュールで前記電気的信号値及び前記チルト角をそれぞれ検出する毎に、前記アップデートされた定数値を用いて前記方位角１次演算作業及び再演算作業を行なうように構成できる。
【０００８】
さらに望ましくは、前記中央処理装置は前記方位角再演算作業を予め設定された所定回数行うように構成できる。
一方、前記地磁気検出モジュールは互いに直交する形態に作製され、所定の駆動信号に応じて誘導される磁気に対応する所定大きさの電気的信号をそれぞれ出力するＸ軸及びＹ軸フラックスゲートを含む。
【０００９】
この場合、本地磁気センサは、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸フラックスゲートから出力される前記電気的信号をそれぞれ所定範囲の値にマッピングする正規化作業を行なう正規化部及び前記再演算された方位角を表示するディスプレー部をさらに含み、前記中央処理装置は前記正規化部で正規化された電気的信号値を用いて前記方位角１次演算及び再演算作業を行なう構成とすることができる。
【００１０】
一方、前記チルト検出モジュールは互いに直交する形態に作製され、前記基準面に対する傾斜角度に対応する所定大きさの電気的信号を出力するＸ軸及びＹ軸加速度センサ、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸加速度センサからそれぞれ出力される前記電気的信号を所定大きさの値にマッピングする正規化作業を行なうチルト正規化部、及び前記チルト正規化部で正規化された値を用いてピッチ角及びロール角を演算した後、前記ピッチ角及び前記ロール角を前記チルト角として出力するチルト演算部を含むのが望ましい。
【００１１】
また、前記中央処理装置は、所定数式を用いて仮想のＺ軸フラックスゲートの出力値を演算した後、演算された結果値を用いて前記方位角を１次演算及び再演算することが望ましい。
一方、本発明の一実施形態によれば、伏角による地磁気影響を反映するための定数値を毎方位角別に予め設定して記録したデータベースを保存したメモリを含む地磁気センサにおける方位角測定方法は、(ａ)地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する段階、(ｂ)前記電気的信号値の大きさを所定範囲にマッピングして正規化する段階、(ｃ)前記地磁気センサが所定の基準面に対する傾斜角度であるチルト角を検出する段階、(ｄ)前記定数値の初期値、前記正規化された電気的信号値、及び前記チルト角を用いて方位角を１次演算する段階、(ｅ)前記１次演算された方位角に対応する定数値を前記メモリから検出する段階、及び(ｆ)前記検出された定数値、前記正規化された電気的信号値、及び前記チルト角を用いて前記方位角を再演算する段階を含む。
【００１２】
望ましくは、前記方位角再演算作業が完了した後、前記定数値の初期値を前記検出された定数値にアップデートする段階をさらに含む構成とすることが好ましい。
また望ましくは、前記電気的信号値及び前記チルト角が検出される毎に、前記アップデートされた定数値を用いて前記方位角１次演算作業及び再演算作業を行なう段階をさらに含む構成とすることが好ましい。
【００１３】
さらに望ましくは、前記(ｅ)ないし(ｆ)段階を予め設定された所定回数だけ繰り返す構成とすることが好ましい。
一方、前記(ａ)段階は、互いに直交する形態に作製されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲートに所定の駆動信号を印加する段階、及び前記駆動信号に応じて前記Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲートに誘導される磁気に対応する所定大きさの電気的信号値をそれぞれ検出する段階とを含む。
【００１４】
望ましくは、前記(ｃ)段階は互いに直交する形態に作製されたＸ軸及びＹ軸加速度センサから、前記基準面に対傾斜角度に対応する所定大きさの電気的信号を検出する段階、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸加速度センサからそれぞれ検出された前記電気的信号の大きさを所定範囲にマッピングして正規化する段階、前記正規化された値を所定数式に代入して前記ピッチ角及び前記ロール角を演算する段階、及び前記ピッチ角及び前記ロール角を前記チルト角として出力する段階を含める。
【００１５】
また望ましくは、前記(ｄ)段階及び前記(ｆ)段階は、所定数式を用いて仮想のＺ軸フラックスゲートの出力値を演算する段階をさらに含むことができる。
さらに望ましくは、前記(ｄ)段階及び前記(ｆ)段階は、前記Ｚ軸フラックスゲートの出力値を所定数式に代入して前記方位角を演算する段階をさらに含むこともできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば伏角を個別に測定する必要がなく、また、外部から伏角を受信することなく伏角による影響を考慮した正確な方位角を演算できるようになる。これにより、３軸フラックスゲートを使用した場合と類似した効果を２軸フラックスゲートセンサで得られるので、超小型高性能の地磁気センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面に基づき本発明に対してさらに詳述する。
【実施例】
【００１８】
図１は本発明の一実施形態による地磁気センサの構成を示すブロック図である。同図によれば、本地磁気センサ１００は地磁気検出モジュール１１０、チルト検出モジュール１２０、中央処理装置１３０、メモリ１４０、及びディスプレー部１５０を含む。
地磁気検出モジュール１１０は外部地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する役割を果たす。
【００１９】
チルト検出モジュール１２０は地磁気センサ１００の傾いた程度を示すチルト角(tilt  angle)を検出する役割を果たす。この場合、チルト角はピッチ角及びロール角とすることができる。これについては後述する。
メモリ１４０には毎方位角別に設定された所定の定数値が記録されたデータベースが保存される。このようなデータベースは地磁気センサ１００の製造メーカ、あるいはユーザが予め作成して保存することができる。望ましくは、水平状態を正確に合わせられるジグ(jig)、周辺磁気場の影響を遮断するためのシールド(shield)などの装備を備えた地磁気センサ１００の製造メーカが製品開発過程で地磁気センサ１００を回転させながら、方位角別に最適定数値を演算してデータベースを作成してメモリ１４０に保存することが好ましい。
【００２０】
中央処理装置１３０は地磁気検出モジュール１１０及びチルト検出モジュール１２０でそれぞれ検出した電気的信号値、及びチルト角を用いて方位角を演算する。この場合、方位角を最初に演算する場合であれば、データベースに記録された定数値の初期値を方位角の演算過程に用いることとなる。これにより、方位角を１次演算した後、メモリ１４０に保存されたデータベースから演算された結果値に対応する定数値を読み出す。これにより、中央処理装置１３０は読み出された定数値、１次演算過程で使用した電気的信号値及びチルト角を用いて方位角を２次演算する。すなわち方位角１次演算過程で使用された他の変数値は固定し、定数値だけ変更して２次演算を行なうようにする。これにより、中央処理装置１３０は２次演算された方位角を表示するようディスプレー部１５０を制御する。
【００２１】
このような状態で、地磁気検出モジュール１１０及びチルト検出モジュール１２０で再び所定大きさの電気的信号値及びチルト角を出力すれば、中央処理装置１３０は定数値の初期値を方位角再演算過程で使用された定数値にアップデートして使用する。すなわち、方位角再演算過程で使用された定数値、新たに検出された電気的信号値及びチルト角を用いて方位角を１次演算した後、再び１次演算された方位角に対応する定数値をデータベースから読み出して２次方位角演算を行なう。
【００２２】
一方、中央処理装置１３０は電気的信号値及びチルト角を検出する毎に行われる方位角再演算作業は地磁気センサ１００の製造メーカまたはユーザが設定した回数だけ反復的に行うように構成できる。すなわち、３次演算、または４次演算まで行なって、さらに正確な方位角を表示することができる。
図２は本発明の他の実施形態による地磁気センサの構成を示すブロック図である。図２によれば、本地磁気センサ２００は地磁気検出モジュール２１０、チルト検出モジュール２２０、中央処理装置２３０、メモリ２４０、ディスプレー部２５０、及び正規化部２６０を含む。
【００２３】
地磁気検出モジュール２１０は前述したように地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を出力する役割を果たす。図２によれば、本地磁気検出モジュール２１０は駆動信号生成部２１０ａ、２軸フラックスゲート２１３、及び信号処理部２１０ｂを含む。駆動信号生成部２１０ａは、Ｘ軸及びＹ軸フラックスゲート２１３のそれぞれに巻線された駆動コイルに、それぞれ駆動信号を供給する役割を果たす。このため、駆動信号生成部２１０ａはパルス信号を生成するパルス生成部２１１及び生成されたパルス信号を増幅及び反転増幅してパルス波及び反転パルス波を出力するパルス増幅部２１２を備える。
【００２４】
一方、２軸フラックスゲート２１３は互いに直交するＸ軸及びＹ軸フラックスゲートで作製され、各フラックスゲートは駆動信号に応じて発生された磁気によって誘導される所定大きさの起電力を出力する。
一方、信号処理部２１０ｂは２軸フラックスゲート２１３から出力された誘導起電力に対して一連の処理を施してそれぞれ所定大きさのデジタル値に変換して出力する。このため、信号処理部２１０ｂは、数個のスイッチを用いて誘導起電力をチョッピングするチョッピング回路部２１４、チョッピングされた電気的信号を差動増幅する第１増幅部２１５、増幅された電気的信号を一定範囲にフィルタリングするフィルタ２１６、フィルタリングされた信号を２次増幅する第２増幅部２１７、及び２次増幅された信号をデジタル値に変換するＡ/Ｄコンバータ２１８を備えている。
【００２５】
一方、信号処理部２１０ｂにより所定大きさの値に変換出力された電気的信号値の大きさは、地磁気の強度によっては中央処理装置２３０が処理できる範囲を越える場合がある。これを防止するため、地磁気検出モジュール２１０から出力される電気的信号値の大きさを所定範囲にマッピングする正規化(normalizing) 作業を行なう。
正規化部２６０はこのような正規化作業を行なう役割を果たす。望ましくは、次の数式を用いて正規化作業を行うことができる。
【００２６】
【数１】
2006170997.tif 000003
数式１において、Ｘｆ及びＹｆはそれぞれＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、Ｘｆmax及びＸｆminはそれぞれＸｆの最大値及び最小値、Ｙｆmax及びＹｆminはそれぞれＹｆの最大値及び最小値、αは固定定数を意味する。この場合、αはＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値が水平状態で±１の範囲内の値にマッピングされうるように１より小さい値を使用する。望ましくは、地磁気センサ２００が使われる地域の代表的な伏角値を用いてαを設定することができる。韓国の伏角は約５３°程度なので、ｃｏｓ５３°≒０．６をαとすることができる。一方、Ｘｆmax、Ｘｆmin、Ｙｆmax、Ｙｆminは予め地磁気センサ２００を所定回数以上回転させながらその出力値を測定した後、そのうち最大値及び最小値を選択して保存しておくことによって得られる。
【００２７】
チルト検出モジュール２２０は地磁気センサ２００の重力加速度を測定してピッチ角(pitch angle)及びロール角(roll angle)を演算した後、チルト角として出力する役割を果たす。このため、２軸フラックスゲートセンサ２１３と同一軸方向に形成される２軸加速度センサで具現できる。
図３はピッチ角及びロール角を測定する基準になるＸ軸及びＹ軸を示す模式図である。図３によれば、地磁気センサ２００上でＸ軸フラックスゲート及びＸ軸加速度センサはＸ軸方向に設けられ、Ｙ軸フラックスゲート及びＹ軸加速度センサはＹ軸方向に設けられる。この状態で、Ｙ軸フラックスゲート及びＹ軸加速度センサの方向軸であるＹ軸を基準にして地磁気センサ２００を回転させた場合、基準面との間角がピッチ角になる。そして、Ｘ軸フラックスゲート及びＸ軸加速度センサの方向軸であるＸ軸を基準にして地磁気センサ２００を回転させた場合、基準面との間角がロール角になる。基準面とはＸ軸及びＹ軸がなす平面であって、地表面と平行な面を意味する。
【００２８】
一方、ピッチ角及びロール角を測定するためのチルト検出モジュールの構成の一例が図４に示されている。図４によれば、チルト検出モジュールは２軸加速度センサ２２１、チルト正規化部２２２、及びチルト演算部２２３を含む。
２軸加速度センサ２２１は前述したように互いに直交する方向に設けられたＸ軸及びＹ軸加速度センサで構成される。Ｘ軸及びＹ軸加速度センサは地磁気センサ２００の傾いた程度によって所定大きさの電気的信号を出力する。
【００２９】
チルト正規化部２２２は２軸加速度センサ２２１からそれぞれ出力される電気的信号を所定大きさの値にマッピングする正規化作業を行なう。正規化作業は次の数式によってなされうる。
【００３０】
【数２】
2006170997.tif 000004
数式２においてＸｔ及びＹｔはそれぞれＸ軸及びＹ軸加速度センサの出力値、Ｘｔnorm及びＹｔnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸加速度センサ出力値、Ｘｔmax及びＸｔminはそれぞれＸｔの最大値及び最小値、Ｙｔmax及びＹｔminはそれぞれＹｔの最大値及び最小値を意味する。Ｘｔmax、Ｘｔmin、Ｙｔmax、Ｙｔminは地磁気検出モジュール２１０と同様に予め測定して保存しておいた値を用いられる。
【００３１】
チルト演算部２２３は、チルト正規化部２２２で正規化された２軸加速度センサ２２１の出力値を用いてピッチ角及びロール角を演算する役割を果たす。この場合、次の数式を用いて演算できる。
【００３２】
【数３】
2006170997.tif 000005
数式３において、θはピッチ角、φはロール角を意味し、前述したようにＸｔnorm及びＹｔnormは正規化されたＸ軸及びＹ軸加速度センサ出力値を意味する。
再び図２に対する説明に戻って、中央処理装置２３０は地磁気検出モジュール２１０及びチルト検出モジュール２２０でそれぞれ所定大きさの出力値が検出されれば、方位角を１次演算する。この場合、地磁気検出モジュール２１０の出力値は正規化部２６０を用いて正規化して使用する。
【００３３】
一方、方位角は３つの軸で表現される３次元空間値であるので、Ｘ軸及びＹ軸がなす平面に垂直するＺ軸の出力値も方位角演算過程に必要になる。従って、中央処理装置２３０は方位角１次演算の前にＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値を先に演算すべきである。これは次の数式に基づいて演算される。
【００３４】
【数４】
2006170997.tif 000006
【００３５】
【数５】
2006170997.tif 000007
【００３６】
【数６】
2006170997.tif 000008
数式４ないし６において、Ｚｆnormは仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値(以下、Ｚ軸出力値と称する)、βは定数値、θはピッチ角、φはロール角、Ｘｆnorm及びＹｆnormはそれぞれ正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値を意味する。数式４ないし５はロール角を０°にして簡略化した。すなわち、地磁気センサ２００が携帯電話、ＰＤＡのような携帯端末機に適用された場合、ユーザは携帯端末機のディスプレー画面を地表面に水平に置いたまま用いるのが一般的であるが、このような姿勢ではロール角値がほぼ０°であると見ても構わない。一方、数式４ないし６は全てＺ軸出力値を演算するための数式なので、中央処理装置２３０は実施形態によってこのうち１つの数式を用いられる。望ましくは、演算負担の最小化が可能な数式６を用いてＺ軸出力値を演算することができる。
【００３７】
数式４ないし５で使用されたβは伏角の影響を補償するために導入した定数値を意味する。すなわち、伏角の影響を考慮するため、従来はｓｉｎλを演算してＺ軸出力値演算式に反映したが、前述したように伏角を正確に測定し難かった。しかし、水平状態で伏角による影響は一定した定数値に現れ、傾いても一定に変わるので実験によって適切な定数値を推定できるようになる。これにより、地磁気センサ２００の製造者は傾きを一定に変化させながら方位角、及びその状態におけるβ値を測定して所定形態のデータベースを作成することができる。作成されたデータベースはメモリ２４０に保存される。
【００３８】
図５はメモリ２４０に保存されたデータベースの構成の一例を示す模式図である。同図によれば、０°ないし３６０°の方位角それぞれに対してβが設定され記録されている。この場合、メモリ２４０容量を効率よく使用するため、５°ずつあるいは１０°ずつ方位角を区分して記録することもできる。
中央処理装置２３０はＺ軸出力値を最初に演算する場合、予め設定されたβの初期値を使用する。βの初期値はｓｉｎλを用いて設定できる。すなわち韓国の場合、ｓｉｎ５３°≒０．８を用いてＺ軸出力値を最初に演算することができる。
【００３９】
これにより、Ｚ軸出力値を演算すれば、中央処理装置２３０は演算されたＺ軸出力値、正規化されたＸ軸及びＹ軸出力値、ピッチ角、ロール角を次の数式に代入して方位角(azimuth)を１次演算することができる。
【００４０】
【数７】
2006170997.tif 000009
数式７において、ψは方位角を意味する。中央処理装置２３０は１次演算された結果値を図５のようなデータベースに代入して対応するβ値を読取る。
中央処理装置２３０は前述した数式４ないし６のうち１つに新たなβ値を代入してＺ軸出力値を再演算する。この場合、β値以外の他の変数値は１次演算過程と同一の値に固定する。これにより、中央処理装置２３０は再演算されたＺ軸出力値を数式７に代入して方位角を再演算する。同様に、Ｚ軸出力値以外の他の変数値は１次演算過程と同一の値に固定する。
【００４１】
中央処理装置２３０はＺ軸出力値及び方位角を演算する作業を予め設定された所定回数だけ繰り返して行なう。すなわち、２回に設定されている場合には、２次演算された方位角を表示し、３回に設定されている場合、２次演算された方位角に対応するβ値をデータベースから再び読み出した後、これを用いてＺ軸出力値を３次演算し、再び方位角を３次演算して、その結果値を表示する。
【００４２】
中央処理装置２３０は最終演算された結果値をディスプレー画面上に表示するようにディスプレー部２５０を制御する。ディスプレー部２５０はＬＣＤパネル、またはＬＥＤなどを用いて方位角を表示する。
一方、中央処理装置２３０は地磁気検出モジュール２１０及びチルト検出モジュール２２０で次の出力値が検出されると、βの初期値を直前に使用したβ値によりアップデートする。すなわち、Ｚ軸出力値を１次演算する過程において、直前方位角検出過程で使用したβ値を代入し演算することにより、方位角演算を行うたびにさらに最適のβ値が用いられるので、正確な方位角が測定できる。
【００４３】
図６は本発明の一実施形態による方位角測定方法を説明するためのフローチャートである。図６によれば、まず地磁気検出モジュール２１０で地磁気に対応する所定大きさの電気的信号値を検出する(Ｓ６１０)。
これにより、正規化部２６０で所定範囲の値にマッピングする正規化作業を行なう(Ｓ６１５)。正規化作業は、前述した数式１を用いてなされる。
【００４４】
次いで、チルト検出モジュール２２０でピッチ角及びロール角を検出する(Ｓ６２０)。ピッチ角及びロール角を検出するために、チルト検出モジュール２２０はＸ軸及びＹ軸角速度センサの出力値を数式２を用いて正規化した後、数式３を用いてピッチ角及びロール角を演算することができる。
また、正規化されたＸ軸及びＹ軸フラックスゲート出力値、ピッチ角、及びロール角を用いて仮想のＺ軸フラックスゲートの正規化された出力値を１次的に演算する(Ｓ６２５)。この場合、前述した数式４〜６のうち１つを用いて演算することができるが、演算負担を軽減するために最も簡単な数式である数式６を用いるのが望ましい。一方、Ｚ軸出力値演算過程で使用されるβ値は既に設定された初期値を用いる。この場合、初期値は韓国の伏角値にｓｉｎ関数を取った値に設定することができる。約０．８が使用可能である。
【００４５】
次いで、演算されたＺ軸出力値を用いて方位角を１次的に演算するようになる(Ｓ６３０)。方位角演算のために前述した数式７が用いられる。
中央処理装置２３０は１次演算された方位角をメモリ２４０に保存されたデータベースに代入して対応するβ値を読み出す(Ｓ６３５)。このため、地磁気センサ２００の製造メーカは方位角別に測定した最適β値を記録したデータベースを作製して、メモリ２４０に予め保存して置くべきである。
【００４６】
中央処理装置２３０は読み出されたβ値を用いてＺ軸出力値を再演算する(Ｓ６４０)。この場合、β値以外の変数値はそのまま固定する。
次いで、再演算されたＺ軸出力値を用いて方位角を再演算する(Ｓ６４５)。同様に、Ｚ軸出力値以外の変数値はそのまま固定する。
これにより、方位角再演算作業が製造メーカまたはユーザが既に設定した所定回数だけ実行されたかを確かめて(Ｓ６５０)、設定回数を超えたと判断した場合、最終演算された結果値をディスプレー画面上に表示させる(Ｓ６５５)。３回以上に設定した場合なら、２次演算された方位角に対応するβ値をメモリ２４０から再び読み出して(Ｓ６３５)、Ｚ軸出力値及び方位角を３次演算する (Ｓ６４０、Ｓ６４５)。
【００４７】
一方、方位角の測定が完了していないと判断した場合(Ｓ６６０)、中央処理装置２３０はβの初期値を最終使用したβ値にアップデートする(Ｓ６６５)。これにより、地磁気検出モジュール２１０及びチルト検出モジュール２２０から出力される次の出力値を用いてＺ軸出力値を１次演算するにあたって、アップデートされたβ初期値が用いられる。これにより、方位角測定を継続するほど正確なβ値を使って方位角を演算することができる。
【００４８】
以上では本発明の望ましい実施形態について示しかつ説明したが、本発明は前述した特定の実施形態に限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって多様な変形実施が可能であることは勿論、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による地磁気センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態による地磁気センサの構成を示すブロック図である。
【図３】ピッチ角及びロール角を測定するための基準軸を示す模式図である。
【図４】図３の地磁気センサで使用されたチルト検出モジュールの構成の一例を示すブロック図である。
【図５】図３のメモリに保存されたデータベースの構成の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態による方位角測定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１１０、 ２１０ : 地磁気検出モジュール
１２０、 ２２０ : チルト検出モジュール
１３０、 ２３０ : 中央処理装置
１４０、 ２４０ : メモリ
１５０、 ２５０ : ディスプレー部
２６０ : 正規化部
【図１】
2006170997.tif 000018
【図２】
2006170997.tif 000019
【図３】
2006170997.tif 000020
【図４】
2006170997.tif 000021
【図５】
2006170997.tif 000022
【図６】
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