(57)【要約】【課題】  地磁気を検知する３軸のセンサを用いて、ノイズを除去して回転姿勢と角速度を高精度に計算できる地磁気検知装置を提供する。【解決手段】  地磁気ベクトルを検知する３つの磁気センサからの検知出力に基づいて、地磁気ベクトルの座標点を演算する。演算された座標点データＤ１，Ｄ２を含む延長線Ｌ１を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１内に次の座標点データＤ３が入っていれば、そのデータが正規の座標点データとして抽出され、エリアＡ１から外れる座標点データはノイズをとして無視される。複数の正規の座標点データを使用して、座標点データが移動する軌跡円が求められ、地磁気検知装置の運動が特定される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ方向とＹ方向およびＺ方向が基準方向として決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
前記演算部は、前記検知出力から求められる地磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データに変換し、２つの座標点データを結ぶ延長線を中心として、その周囲の一定の範囲内に入った座標点データを次に得られた正規の座標点データとし、これを繰り返して得られた複数の正規の座標点データから、前記座標点データが移動する軌跡円を求めることを特徴とする地磁気検知装置。
【請求項２】
前記範囲内から外れた座標点データはノイズとして無視し、その後に前記範囲内の座標点データが得られたときは、その座標点データを正規の座標点データと判断する請求項１記載の地磁気検知装置。
【請求項３】
前記軌跡円が特定されているときに、複数の正規の座標点データの、軌跡円の中心からの開き角度と、前記座標点データが得られた時間とから移動角速度を求める請求項１または２記載の地磁気検知装置。
【請求項４】
前記範囲内から外れた座標点データが所定数となったときに、前記軌跡円の設定を解消し、その後に得られた座標点データから新たな軌跡円を演算する請求項１ないし３のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項５】
前記延長線上で一定の半径の円に入ったものを正規の座標点データとする請求項１ないし４のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項６】
先に得られた座標点データから前記延長線上のある時点までの距離Ｌと、その時点での前記延長線からの半径Ｒとの比、Ｒ／Ｌの範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとする請求項１ないし４のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項７】
先に得られた座標点データを原点とする二次曲線を、前記延長線の回りに回転させた形状の範囲を設定し、前記範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとする請求項１ないし４のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する３方向のそれぞれに向けられた磁気センサで地磁気を検知する地磁気検知装置に係り、特に磁気センサを搭載した磁気検知部が三次元空間内で回動したときに、その回転運動を知ることができる地磁気検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに直交する３方向の磁界強度を検知する３軸の磁気センサを使用して地磁気を検知する地磁気検知装置は、方位検出装置、回転検出装置、姿勢検知装置などとして使用されている。
【０００３】
特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、３軸直交座標上に配置された地磁気を検知する３軸磁気センサを有している。この磁気式ジャイロは、三次元空間内で回転させたときに、３軸の出力データを用いて異なる２時点間の差分ベクトルを求め、その差分ベクトルが予め決められたしきい値よりも小さくなるか否かを判定して、３軸のうちのどの軸を中心として回転しているのかを特定するというものである。
【０００４】
特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、磁気センサの向きで決められた３軸のいずれの軸を中心として回転したときに、回転状態を検知することができるが、前記３軸以外の軸を中心として回転させたときには回転軸を認識できなくなり、どの回転平面内で回転しているのかを特定できなくなる。つまり、特許文献１に記載された１個の磁気式ジャイロだけで、三次元空間内の任意の軸を中心として回転させたときの角速度を検知できない。
【０００５】
特許文献２には、飛行機などに搭載される姿勢センサが開示されている。この姿勢センサは、地磁気検知装置を有しているとともに、負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられている。飛行機などとともに姿勢センサが傾いたときに、力検出装置の検知出力により重力の方向に対する傾きを検出し、地磁気検知装置で得られる方位出力を、力検出装置で得られた傾き姿勢に関する情報を用いて修正するというものである。
【０００６】
特許文献２に記載された姿勢センサは、地磁気検知装置のみならず負荷おもりとこの負荷おもりに作用する重力を検知する力検出装置が設けられているために、装置が大きくまた重くなり、例えば携帯用の小型機器などに搭載することが難しい。
【０００７】
特許文献３に記載された３軸姿勢検出装置は、目的物体の姿勢を検出するものであるが、３方向の検出が可能な磁気センサと、３方向の検出が可能なジャイロセンサの双方が搭載されている。そのため、携帯用の小型機器などに搭載するのに適しておらず、また、磁気センサとジャイロセンサの双方を搭載しているため、消費電力が多くなる欠点を有している。
【０００８】
また、磁気センサによって微弱な地磁気を検知する際に、検知出力にノイズが重畳するのを避けることができない。特許文献１ないし３に記載の地磁気検知装置は、検知した地磁気を利用する手段が開示されているが、ノイズについてどのように対処するかについては記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２２４６４２号公報
【特許文献２】特開平２−２３８３３６号公報
【特許文献３】特開平１１−２４８４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、直交する３軸方向に向く磁気センサで地磁気を検知するものであり、磁気センサの検知出力から、回転運動の軌跡を特定することができる地磁気検知装置を提供することを目的としている。
【００１１】
また本発明は、磁気センサの検知ノイズの影響を最少限にでき、回転運動の軌跡の演算誤差を少なくできる地磁気検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、互いに直交するＸ方向とＹ方向およびＺ方向が基準方向として決められた磁気検知部と、演算部とを有し、
前記磁気検知部に、Ｘ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＸ軸センサと、Ｙ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＹ軸センサ、およびＺ方向が地磁気の方向に向けられたときに検知出力の絶対値が極大値となるＺ軸センサが搭載され、前記磁気検知部は、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在であり、
前記演算部は、前記検知出力から求められる地磁気ベクトルの向きを三次元座標上の座標点データに変換し、２つの座標点データを結ぶ延長線を中心として、その周囲の一定の範囲内に入った座標点データを次に得られた正規の座標点データとし、これを繰り返して得られた複数の正規の座標点データから、前記座標点データが移動する軌跡円を求めることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明は、Ｘ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの検知出力によって特定される地磁気ベクトルの情報を三次元座標上の座標点データとして複数個取得し、複数の座標点データを用いて、座標点データが移動する軌跡円を演算している。よって、磁気検知部が任意の回転動作を行ったときに、絶対的な回転運動を求めることが可能である。
【００１４】
また、継続して得られる座標点データのうち軌跡から大きく外れていると判断される座標点データを演算から除外しているので、ノイズなどの影響を最少限にできる。
【００１５】
すなわち、本発明は、前記範囲内から外れた座標点データはノイズとして無視し、その後に前記範囲内の座標点データが得られたときは、その座標点データを正規の座標点データと判断するものである。
【００１６】
本願発明は、前記軌跡円が特定されているときに、複数の正規の座標点データの、軌跡円の中心からの開き角度と、前記座標点データが得られた時間とから移動角速度を求めることができる。
【００１７】
上記のように、磁気検知部を空間内で自由に回転させたときに、その運動の角速度を正確に知ることができる。さらに、本発明は、算出された角速度を前記時間で微分して角加速度を求めることも可能である。
【００１８】
本発明は、前記範囲内から外れた座標点データが所定数となったときに、前記軌跡円の設定を解消し、その後に得られた座標点データから新たな軌跡円を演算することが可能である。
【００１９】
上記の演算では、軌跡円の半径が大きく変化したときに、その変化に追従した演算を行うことができる。
【００２０】
例えば、本発明は、前記延長線上で一定の半径の円に入ったものを正規の座標点データとするものである。
【００２１】
あるいは、本発明は、先に得られた座標点データから前記延長線上のある時点までの距離Ｌと、その時点での前記延長線からの半径Ｒとの比、Ｒ／Ｌの範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとするものであってもよい。
【００２２】
また、先に得られた座標点データを原点とする二次曲線を、前記延長線の回りに回転させた形状の範囲を設定し、前記範囲内に存在している座標点データを正規の座標点データとするものであってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、直交する３軸方向に向けられた磁気センサの検知出力を用い、磁気検知部の任意の運動の軌跡を求めることができる。また、磁気センサの検知ノイズなどの影響を少なくでき、精度の高い演算結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の地磁気検知装置の回路ブロック図、
【図２】図１に示す地磁気検知装置に設けられた演算部の機能を説明するブロック図、
【図３】データバッファの処理動作を示す説明図、
【図４】地磁気検知部に設けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの説明図、
【図５】地磁気ベクトルの検知動作の原理を示す三次元座標の説明図、
【図６】磁気検知部が任意の軸を中心として回転しているときの地磁気ベクトルの検知動作を示す三次元座標の説明図、
【図７】座標点データの抽出方法の一例を説明する説明図、
【図８】移動軌跡が大きく変化したときの座標点データの抽出方法説明する説明図、
【図９】座標点データの抽出方法の他の例を説明する説明図、
【図１０】座標点データの抽出方法の他の例を説明する説明図、
【図１１】軌跡円の演算手法の一例を示す説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示す本発明の実施の形態の地磁気検知装置１は、磁気検知部２を有している。図４に示すように、地磁気検知装置１では、互いに直交する基準軸であるＸ軸とＹ軸およびＺ軸が固定軸として決められている。Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸の交点が、基準原点Ｏである。地磁気検知装置１は携帯用機器などに搭載されており、磁気検知部２は、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸の直交関係を維持したまま、空間内で自由に移動できる。
【００２６】
図４に示すように、磁気検知部２には、Ｘ軸センサ３がＸ軸に沿って固定され、Ｙ軸センサ４がＹ軸に沿って固定され、Ｚ軸センサがＺ軸に沿って固定されている。Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもＧＭＲ素子で構成されている。ＧＭＲ素子は、Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｉ−Ｆｅ合金などの軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。
【００２７】
Ｘ軸センサ３は、地磁気のＸ方向に向く成分を検知するものであり、固定磁性層の磁化の向きがＸ軸に沿うＰＸ方向に固定されている。自由磁性層の磁化の向きは地磁気の向きに反応する。自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と平行になるとＸ軸センサ３の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と逆向きになるとＸ軸センサ３の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の磁化の向きがＰＸ方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。
【００２８】
図１に示す磁場データ検知部６では、Ｘ軸センサ３と固定抵抗とが直列に接続され、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との間の電圧がＸ軸の検知出力として取り出される。Ｘ軸センサ３にＸ方向に向く磁界が与えられていないとき、またはＰＸに対して直交する磁界が与えられているときに、Ｘ軸の検知出力が中点電位となる。
【００２９】
磁気検知部２の全体を傾け、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと同じ向きにするとＸ軸センサ３に与えられる磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電位に対してプラス側の極大値となる。逆に、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＸを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｘ軸センサ３に与えられる逆向きの磁界成分が極大値となる。このときのＸ軸の検知出力は、前記中点電位に対してマイナス側の極大値となる。
【００３０】
Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５も、それぞれ固定抵抗とが直列に接続され、Ｙ軸センサ４またはＺ軸センサ５と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、各センサと固定抵抗との間の電圧がＹ軸またはＺ軸の検知出力として取り出される。
【００３１】
Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｙ軸の検知出力が、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Ｙ軸センサ４の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＹを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｙ軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。同様に、Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと同じ向きにすると、Ｚ軸の検知出力が、中点電位に対してプラス側の極大値になる。Ｚ軸センサ５の固定磁性層の磁化の固定方向ＰＺを地磁気ベクトルＶと反対に向けると、Ｚ軸の検知出力は、中点電位に対してマイナス側の極大値となる。
【００３２】
地磁気ベクトルＶの大きさが一定であれば、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５からの検知出力は、いずれもプラス側の極大値の絶対値と、マイナス側の極大値の絶対値とが同じである。
【００３３】
Ｘ軸センサ３としては、地磁気ベクトルの向きによってプラス側の検知出力とマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の極大値とマイナス側の検知出力の極大値とで絶対値が同じになれば、ＧＭＲ素子以外の磁気センサで構成することもできる。例えば、Ｘ軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子を組み合わせて、Ｘ軸センサ３として使用してもよい。これは、Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５においても同じである。
【００３４】
図１に示すように、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸のそれぞれの向きの検知出力は、演算部１０に与えられる。演算部１０は、Ａ／Ｄ変換部とＣＰＵおよびクロック回路などから構成されている。演算部１０のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の磁気成分の検知出力が、短いサイクルで間欠的にサンプリングされて演算部１０に読み出される。それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記Ａ／Ｄ変換部によってディジタル値に変換される。
【００３５】
演算部１０を構成するＣＰＵにはメモリ７が接続されている。メモリ７には、演算処理のためのソフトウエアがプログラミングされて格納されている。演算部１０の演算処理は前記ソフトウエアによって実行される。
【００３６】
図２に示すように、演算部１０は、ソフトウエアに基づいて複数段階の演算処理を行う。ディジタルデータに変換されたＸ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力は、主演算部１５で演算処理され、図５に示すＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標上の座標点データＤに変換される。
【００３７】
図５に示す三次元座標のＸ−Ｙ−Ｚの各軸は、地磁気検知装置１に固定されており、図４に示すように、Ｘ軸センサ３はＸ軸に沿って固定され、Ｙ軸センサ４はＹ軸に沿って固定され、Ｚ軸センサ５はＺ軸に沿って固定されている。
【００３８】
図５に示すように、地磁気検知装置１が地球上のいずれかの場所に置かれると、磁場データ検知部６から、Ｘ軸方向の検知出力ｘｂと、Ｙ軸方向の検知出力ｙｂ、およびＺ軸方向の検知出力ｚｂが得られる。図２に示す演算部１０の主演算部１５において、三次元の検知出力から座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）が演算される。磁場データ検知部６で検知される検知出力は一定のサイクルでサンプリングされるため、この検知出力から座標点データＤが次々と演算される。
【００３９】
図５に示すように、座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）は三次元座標上に設定される球面Ｇ上の点として表わされる。ここで、球面Ｇの中心が、地磁気検知装置１に設定されているＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏに一致していると仮定すると、座標点データＤと基準原点Ｏとを結ぶ線が地磁気ベクトルＶであり、座標点データＤと基準原点Ｏとの距離が地磁気ベクトルＶの絶対値である。地磁気ベクトルＶの絶対値は、磁場データ検知部６で得られるＸ軸方向とＹ軸方向およびＺ軸方向のそれぞれの検知出力の極大値の絶対値に比例する。また、この球面Ｇの半径Ｒは、地磁気ベクトルＶの絶対値に比例する。
【００４０】
ここで、地磁気検知装置１に設定されているＺ軸が重力方向に向けられていると仮定すると、Ｘ−Ｙ座標面と地磁気ベクトルＶとの成す角度から地磁気の伏角を求めることができる。伏角は、地球上の場所に応じて変化する。
【００４１】
磁気検知部２のＺ軸を重力の方向に正確に固定したまま、磁気検知部２をＺ軸を中心として回転させると、一定時間毎にサンプリングされる検知出力から演算される座標点データＨａが、軌跡円Ｈ０に沿って移動する。球面Ｇの中心が、地磁気検知装置１に設定されている三次元座標の基準原点Ｏに一致していると仮定すると、軌跡円Ｈ０は、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏを中心とする球面Ｇの緯度線に一致する。
【００４２】
ただし、磁気検知部２は、周辺に存在する磁気発生源の影響を受け、またＸ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５には感度のばらつきがあり、さらに磁場データ検知部６などの回路にノイズが重畳する。実際に磁場データ検知部６から得られる各検知出力には、地磁気の検知出力のみならず、他の検出値やノイズが重畳している。したがって、主演算部１５で座標点データＤを演算した段階では、得られた座標点データＤと、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏとの関係が不明である。すなわち、座標点データＤが移動する球面Ｇの中心と、磁気検知部２に設定されているＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の基準原点Ｏとが必ずしも一致していない。
【００４３】
この場合に、地磁気検知装置１が移動して複数の座標点データＤを得たときに、磁気検知部２において設定されている三次元座標上で座標点データＤがどのような軌跡で移動しているのかを正確に知ることができず、その結果、回転時の軌跡を特定できず、角速度の演算などができなくなる問題が生じる。
【００４４】
そこで、図２に示す演算部１０では、次のソフトウエアを実行することで、地磁気検知装置１を任意の向きで運動させたときに、どの向きでどのような運動が行われているのかを演算できるようにしている。
【００４５】
図６には、地磁気検知装置１が、Ｘ−Ｙ−Ｚ以外の任意の軸を中心として回転しているときに得られる座標点データＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎが示されている。
【００４６】
図２に示すデータ抽出部１２では、主演算部１５で演算された座標点データＤが得られているときに、この座標点データが連続性のあるものと無いものとに区別され、連続性のある座標点データが正規の座標点データとして抽出される。抽出された正規の座標点データの最新のものが、図３に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに格納される。このとき、過去の正規の座標点データが、格納部１１ｂ，１１ｃ，・・・に順にシフトして格納されていく。データの格納場所は、新たな正規の座標点データが得られる毎に、順次移動して行き、最も古い座標点データが格納部１１ｍから捨てられる。
【００４７】
図７と図８には、データ抽出部１２において、連続性のある正規の座標点データを抽出するための演算手法が示されている。図７に示すように、データ抽出部１２では、主演算部１５で演算された座標点データＤ１とＤ２が得られたときに、座標点データＤ１とＤ２を結ぶ線が、延長線Ｌ１として演算される。座標点データＤ１とＤ２は、三次元座標上の座標点として得られるため、この座標点データＤ１とＤ２から、延長線Ｌ１の方程式を計算できる。
【００４８】
例えば、座標点データＤ１の座標を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とし、座標点データＤ２の座標を（ｘ２，ｙ２，ｚ２）とすると、延長線Ｌ１上の点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、Ｔを変数として
ｘ＝ｘ１＋Ｔ×（ｘ１−ｘ２）
ｙ＝ｙ１＋Ｔ×（ｙ１−ｙ２）
ｚ＝ｚ１＋Ｔ×（ｚ１−ｚ２）
で表わすことができる。
【００４９】
図７と図８に示すように、データ抽出部１２では、演算された前記延長線Ｌ１を中心とする半径ｒ１の円筒状のエリアＡ１が設定される。そして、次に主演算部１５から得られた座標点データＤ３が前記エリアＡ１内に入っていると判断されたときに、その座標点データＤ３が正規の座標点データとして抽出されて、図３に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに格納される。このとき、座標点データＤ２は格納部１１ｂに送られ、座標点データＤ１が格納部１１ｃに送られる。
【００５０】
図７では、その後に得られる座標点データＤ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８が全てエリアＡ１内に入る正規の座標点データと判断されて、データバッファ１１に次々に格納される。ただし、図７では、正規の座標点データＤ７と正規の座標点データＤ８を結ぶ延長線Ｌ７を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１から、その後の座標点データＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２が外れるため、この座標点データＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２は、正規の座標点データとして抽出されず、データバッファ１１に格納されない。
【００５１】
前記座標点データＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２は、座標点データＤ７を結ぶ延長線Ｌ６を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１内に復帰しないので、同じ軌跡円を移動している連続性のある座標点データが途切れたものと判断する。また、前記座標点データＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２は、互いの座標上の位置が接近しているため、主演算部１５では、地磁気検知装置１の回転運動が、座標点データＤ８が得られた時点で停止したと判断する。
【００５２】
すなわち、座標点データＤ１とＤ２のように２つの座標点データの距離が予め設定された長さ以上であるときは、２つの座標点データＤ１とＤ２を結ぶ延長線Ｌ１が演算され、この延長線Ｌ１を含む半径ｒ１のエリアＡ１が設定されて、次の座標点データＤ３がエリアＡ１の領域内であるかが判断される。ただし、前記座標点データＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２のように、連続して得られる座標点データの座標上での距離が設定された前記長さ未満であるときは、延長線Ｌ１およびエリアＡ１を設定することなく、地磁気検知装置１の運動が停止しているものと判断する。
【００５３】
図８に示す例では、座標点データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が正規の座標点データとして抽出されデータバッファ１１に順に格納されていく。ここで、座標点データＤ４の次に得られた座標点データＤｊは、正規の座標点データＤ３，Ｄ４から求められる延長線Ｌ３を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１から外れている。したがって、座標点データＤｊはノイズと判断し、データ抽出部１２で抽出せず、データバッファ１１に格納しない。ただし、その後に得られた座標点データＤ５が、延長線Ｌ３を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１の範囲内に入っているので、この座標点データＤ５が、正規の座標点データとして抽出される。その後の座標点データＤ６も延長線Ｌ４を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１に入っているので、これも正規の座標点データとして抽出される。
【００５４】
このように、いずれかの座標点データがエリアＡ１から外れたときは、その後に得られる座標点データがエリアＡ１の範囲内に復帰したときに、その座標点データが連続性のある正規の座標点データとして抽出される。
【００５５】
図８に示す例では、正規の座標点データＤ６の後に得られた座標点データＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，・・・が、いずれも座標点データＤ５，Ｄ６から延びる延長線Ｌ５を中心とする半径ｒ１のエリアＡ１から外れている。ただし、座標点データＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，・・・は、三次元座標上で予め設定されている距離以上に離れている。データ抽出部１２では、予め設定された数を越える座標点データがいずれもエリアＡ１に入らず、これらの座標点データの距離が所定値以上離れているときは、地磁気検知装置１が停止していないと判断し、座標点データＤ１〜Ｄ６が得られたときの運動軌跡と異なる運動軌跡に沿う運動に変化したと判断する。そして、改めて座標点データＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，・・・を使用したデータの抽出に移行する。
【００５６】
新たな運動軌跡の運動に変化したと判断したときは、図８に示すように、座標点データＤａとＤｂを結ぶ延長線Ｌａ、およびこの延長線Ｌａを中心とする半径ｒａのエリアＡａが設定される。その後に得られる座標点データＤｃがエリアＡａに入るときにこの座標点データＤａが正規の座標点データして抽出され、データバッファ１１に格納される。図８では、座標点データＤｃ，Ｄｄ，Ｄｅ，・・・が、エリアＡａの範囲内に現れる正規の座標点データとして抽出され、データバッファ１１に格納される。
【００５７】
ここで、エリアＡ１の半径ｒ１およびアリアＡａの半径ｒａは、データ抽出部１２において、次のようにして設定される。図７と図８の示すように、三次元座標上で予め決められた距離以上の間隔を空けた座標点データＤが次々に得られているときは、データ抽出部１２において、地磁気検知装置１が連続する運動をしていると判断する。そして、２つの座標点データＤから演算された延長線Ｌを中心とする半径ｒのエリアＡが設定される。このときの半径ｒは最小値を選択する。その後に得られる座標点データＤが半径ｒのエリアＡに入らないときは、半径ｒを少し大きくする。これを繰り返して、予め設定された数の座標点データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・がエリア内に入るに至ったときに、エリアＡ１の半径ｒ１を固定する。
【００５８】
図８に示す座標点データＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，・・・が得られているときも、最初に最小の半径ｒのエリアＡが設定され、その後に一定の距離以上を空けて得られる座標点データの所定数以上がエリアに入るまで半径ｒを変化させて、エリアＡａの半径ｒａが固定される。
【００５９】
データ抽出部１２および主演算部１５では、エリアＡ１の半径ｒ１がエリアＡａの半径ｒａに切換えられたときに、地磁気検知装置１の運動軌跡が変化したと判断する。
【００６０】
図２の演算部１０に設けられた軌跡円計算部１３では、正規の座標点データとして抽出されてデータバッファ１１に格納されたデータを用いて軌跡円の演算が行われる。
【００６１】
図７と図８に示すように、正規の座標点データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・が抽出されてデータバッファ１１に格納されているときに、軌跡円演算部１３では、ある時点での正規の座標点データとそれ以前に得られた正規の座標点データを呼び出して基準座標点データとする。
【００６２】
例えば、座標点データＤ１とそれ以前に得られた座標点データＤｎが基準座標点データとして設定される。そして、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎの間に位置する複数の座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・が中間座標点データに設定される。なお、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎの間に位置する正規の座標点データの全てを中間座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・として、演算に使用してもよいし、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎの間に位置する複数の正規の座標点データのうちの幾つかを抽出して中間座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・として、演算に使用してもよい。
【００６３】
図１１に示すように、軌跡円計算部１３では、２つの基準座標点データＤ１および基準座標点データＤｎと、ひとつの中間座標点データＤ２を含む仮想円Ｈａが求められる。基準座標点データＤ１，Ｄｎと中間座標点データＤ２は、いずれもＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標上の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で現されるため、３つの座標点データを含む円の方程式を求めることで仮想円Ｈａが特定される。また、基準座標点データＤ１および基準座標点データＤｎと中間座標点データＤ３を含む仮想円Ｈｂが演算され、同様に、基準座標点データＤ１および基準座標点データＤｎと中間座標点データＤ４を含む仮想円Ｈｃと、基準座標点データＤ１および基準座標点データＤｎと中間座標点データＤ５を含む仮想円Ｈｄが演算され、さらに他の仮想円も中間座標点データ毎に演算される。
【００６４】
次に、仮想円Ｈａの円弧と、全ての中間座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・との距離を求める。または仮想円Ｈａの中心点と全ての中間座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・との距離を求める。仮想円Ｈａは、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標上で方程式として表すことができ、それぞれの中間座標点データも、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標上の点として表されるため、前記距離は、円の方程式と中間座標点データの座標データとを用い最小二乗法で計算して求めることができる。
【００６５】
全ての仮想円Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄ，・・・毎に、中間座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・との距離が最小二乗法などにより計算される。計算された距離が最も短いとされる仮想円が、座標点が移動している軌跡円Ｈ１として特定される。図１１の例では、基準座標点データＤ１および基準座標点データＤｎと中間座標点データＤ４を含む仮想円Ｈｃが軌跡円Ｈ１として特定される。
【００６６】
軌跡円Ｈ１を特定することで、地磁気検知装置１がどのような軌跡で運動しているかを知ることができる。
【００６７】
図７と図８に示すように、連続性を有する座標点データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・が同じエリアＡ１に入っていると検知されている間は、軌跡円計算部１３では、地磁気検知装置１が一定の軌跡円Ｈ１に沿って運動していると判断される。そして、図８に示すように座標点データが入るか否かを判断するエリアの半径がｒ１からｒａに切換えられたときに、図１１に示す手法で演算された新たな軌跡円Ｈ２に更新され、地磁気検知装置１が、新たな軌跡円Ｈ２に沿って運動していると判断される。
【００６８】
軌跡円計算部１３では、図６に示すように、演算されて設定されている軌跡円Ｈ１の中心Ｏ１が求められ、軌跡円Ｈ１を含む面に垂直で且つ中心Ｏ１を通る軸が、回転軸Ｓ０として求められる。そして、基準座標点データＤ１から基準座標点データＤｎまでのいずれかの座標点データを抽出して、その座標点データの中心Ｏ１からの開き角度が求められる。この開き角度を、２つの座標点データが得られた時間で微分することで地磁気検知装置１の回転角速度が求められる。軌跡円がＨ２に更新されたときも、同様にして回転角速度が求められる。
【００６９】
ある軌跡円Ｈ１とその回転軸Ｓ０が演算された後に、図８に示す正規の座標点データＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，・・・が得られて、他の軌跡円Ｈ２とその回転軸Ｓ１とが求められたときは、図６に示すように、２つの回転軸Ｓ０とＳ１の交点Ｏａを求めることで、座標点データＤが移動する球面Ｇａの中心を求めることができる。この交点Ｏａの座標を、地磁気検知装置１に設定されているＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏの座標として更新することことで、座標点データが移動する球面の中心を求めるキャリブレーション動作を行うことができる。
【００７０】
キャリブレーション動作により、球面の中心を基準原点Ｏに一致させることができるので、その後は、座標点データの座標位置をＸ−Ｙ−Ｚ座標上のデータとして正確に把握できる。
【００７１】
また、地磁気検知装置１に重力方向を検知する加速度センサなどを設けておき、検知された重力方向をＺ軸に一致させる補正を行うと、キャリブレーション動作で求められた球面Ｇａの向きを、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標上で特定できる。よって、地磁気ベクトルＶの方位や伏角を求めることも可能になる。
【００７２】
図９は、データ抽出部１２で実行される他のデータ抽出方法を示している。
このデータ抽出方法は、座標点データＤ１と座標点データＤ２とを結ぶ延長線Ｌ１が求められ、次の座標点データＤ３が得られたときに、座標点データＤ２と座標点データＤ３の延長線上での距離Ｌ１とそのときの半径Ｒ１が一定の比Ｒ／Ｌとなるように円錐形状のエリアＡ３が設定される。座標データＤ３がこのエリアＡ３内に入っていれば正規の座標点データとして抽出される。
【００７３】
このエリアＡ３の設定方法は、地磁気検知装置１の運動の角速度が変化している場合に有効である。図９では、座標点データＤ１から座標点データＤ４までは角速度がほぼ一定であるが、座標点データＤ４が得られた後に角速度が早くなっている。座標点データのサンプル周期は一定であるため、角速度が早くなると、三次元座標上での座標点データの距離が長くなる。
【００７４】
図９に示すように、座標点データＤ５と座標点データＤ６の距離が大きく広げられているときに、座標点データＤ４，Ｄ５を含む延長線上において、座標点データＤ５が得られてから座標点データＤ６が得られるまでの延長線上の距離Ｌ４とそのときの半径Ｒ４が、前記と同じ比Ｒ／Ｌとなるように円錐形状のエリアＡ３が設定。座標点データＤ６は、このエリアＡ３の範囲内にあれば、正規の座標点データとして抽出される。
【００７５】
この抽出方法では、地磁気検知装置１が円運動をしており、座標点データが、三次元座標上でほぼ同じ軌跡円上を移動していれば、角速度が変化して、座標点データの距離が変化しても、常に同じ基準で正規の座標点データを抽出することができる。
【００７６】
図１０は、データ抽出部１２で実行される他のデータ抽出方法を示している。
このデータ抽出方法は、座標点データＤ１と座標点データＤ２とを結ぶ延長線Ｌ１が求められたときに、座標点Ｄ２を原点とする二次曲線を、延長線Ｌ１を中心として回転させたエリアＡ４を設定する。二次曲線は例えば放物線である。このエリアＡ４は、二次曲線の方程式を使用して容易に設定できる。
【００７７】
また、エリアＡ４は、図９に示すエリアＡ３と同様に、座標点データ間の距離が長くなると、エリアＡ４の半径が大きくなる。よって、角速度が変化して、座標点データの距離が変化しても、常に同じ基準で正規の座標点データを抽出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の地磁気検知装置は、三次元の回転運動を特定して角速度を算出できる。よって、携帯用のゲーム装置やゲーム装置の入力装置に使用することができる。またロボットの腕や関節などの姿勢の変化を検知する検知部として使用することもできる。
【符号の説明】
【００７９】
１  地磁気検知装置
２  磁気検知部
３  Ｘ軸センサ
４  Ｙ軸センサ
５  Ｚ軸センサ
６  磁場データ検知部
７  メモリ
１０  演算部
１１  データバッファ
１２  データ抽出部
１３  軌跡円計算部
１４  角速度計算部
１５  主演算部
Ａ  エリア
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・  座標点データ
Ｌ  延長線
ｒ  半径
Ｖ  地磁気ベクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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