(57)【要約】【課題】磁気センサ出力から磁気センサのオフセットを算出する方位センサは、オフセットを精度良く求めることができず、その結果、精度良い方位を算出できないという課題があった。【解決手段】地磁気を検出する検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサ１と、異なる４つの姿勢における磁気センサ出力に基づき、１次オフセットを算出するオフセット算出手段３と、オフセット算出手段が算出した１次オフセットを基準として、一次オフセットの算出に使用した姿勢とは異なる姿勢のときの磁気センサ出力が、予め設定された範囲にあるか否かを判断して、予め設定された範囲以外と判断したときの一次オフセットを破棄し、オフセット補正に有効な２次オフセットを出力する信頼性評価手段を有するオフセット処理手段４と、２次オフセットを得た後に、磁気センサ出力に対するオフセット補正を行った上で方位を算出する方位算出手段５とを有する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、
地磁気を検出して磁気センサ出力を出力する磁気センサと、
異なる姿勢における前記磁気センサ出力に基づき、１次オフセットを算出するオフセット算出手段と、
前記オフセット算出手段が算出した前記１次オフセットを基準として、前記１次オフセットの算出に使用した姿勢とは異なる姿勢における磁気センサ出力が、予め設定された範囲にあるか否かを判断して、前記予め設定された範囲以外と判断したときの前記１次オフセットを破棄した上で、オフセット補正に有効な２次オフセットを出力する信頼性評価手段を有するオフセット処理手段と、
前記２次オフセットを得た後に、前記磁気センサ出力に対するオフセット補正を行った上で方位を算出する方位算出手段と、
を有することを特徴とする方位センサ。
【請求項２】
前記オフセット処理手段は、前記信頼性評価手段によって得られる前記２次オフセットの過去の値に対する今回得られる２次オフセットの変化量を算出し、前記変化量が小さくなる様に前記２次オフセットを修正した３次オフセットを出力するオフセット変化量制限手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方位センサ。
【請求項３】
前記オフセット処理手段は、前記３次オフセットの平均値を算出して４次オフセットを出力する平均手段を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の方位センサ。
【請求項４】
姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサをさらに備え、
前記方位算出手段は、前記磁気センサ出力とともに前記傾斜センサ出力を使って前記方位を得る手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気を検出し方位を算出する方位センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の走行ナビゲーションシステムや、携帯電話を用いた歩行者用ナビゲーションシステムの実用化が急速化している。このようなシステムでは、地磁気を検出し方位を求める方位センサの搭載が必須である。進行方向を検出する方位センサの誤差が直接ナビゲーションシステムの性能にかかわってくるので、磁気センサを方位センサとして使用したシステムでは磁気センサに高い精度が要求される。
【０００３】
一般にナビゲーションシステム等の機器には金属の部品が搭載されるが、これらの部品は強い磁界の中通過するなどの影響により、それ自体が磁気を帯びることがある。この様な状態を着磁と呼ぶ。
【０００４】
磁気センサが地磁気を検出するときの出力電圧は、着磁が全く無い場合は、基準電圧を中心とした出力電圧が得られる。ところが、機器内に着磁した部品が存在すると、磁気センサの出力は、基準電圧にオフセットが加わった電圧を中心とした出力となってしまう。このようなオフセットを含んだ出力から方位を算出すると実際の方位とは一致しなくなる。
【０００５】
この方位誤差を補正するため、磁気センサを搭載している機器では機器全体を１回転させ、磁気センサの出力電圧の最大値と最小値の平均を算出して新たな基準電圧（補正値）とする方法を取ることがある。
【０００６】
しかし、着磁の状況が変化するたびに機器を回転させ補正するというのはユーザにとって非常に煩わしいという問題があり、従来より機器を回転させずとも磁気センサの数回の出力値よりオフセットを演算により求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
これは、周辺の部品の着磁に応じたオフセットを得て補正する方法であり、具体的には着磁後であっても、その後着磁状態が変化しない間にサンプリングされた相異なる３組の２次元座標値が定める３点を用いて、その３点から所定の距離にあるオフセットとなる２次元座標値（３円の交点）を得て、このオフセットを使用して正しい方位を得ようとするものである。
【０００８】
この方法について、更に詳細に図を用いて説明を行う。図５は、方位センサを含む機器を水平状態下で一周回させたときのＸ軸、Ｙ軸磁気センサの出力の関係を示したものである。横軸VｘがＸ軸の磁気センサの出力であり、縦軸VｙがＹ軸の磁気センサ出力である。一周回させたとき、これら磁気センサ出力は図５において点線で示した軌跡をとる。
【０００９】
この図５から、水平状態下でのＸＹ出力グラフは円形状となっていることが判る。また、このときの円の半径は地磁気の水平成分に相当する出力を表しており、円の中心座標はＸ軸の磁気センサ出力とＹ軸の磁気センサ出力の原点に対するオフセットＯ１を示すこととなる。ここで、この出力円上の３点のＡ、Ｂ、Ｃの２次元座標が判ると、３点から等距離の点、すなわち図５に示す実線の３つの円の交点Ｏ１を求めることにより、オフセットを求めることができる。この方法によれば、周辺部品の着磁量が経時的に変化した場合であっても、その都度、着磁に係るオフセットＯ１を取得できるため、機器を水平状態下で
一周回させずともオフセットＯ１を得ることができる。
【００１０】
また、この考えを３次元に拡張すれば、３次元座標におけるＸＹＺ軸磁気センサの異なる４点の磁気センサ出力から球の中心座標を求めることにより、オフセットを得ることができることは容易に理解できるであろう。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−１０５７４５号公報 （第６頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に示した従来の方位センサは、周囲状況の影響を受けやすい地磁気の測定値、すなわち誤差の大きい磁気センサ出力を用いてオフセットＯ１を算出しているため、算出したオフセットＯ１が真のオフセットからずれてしまうという欠点があった。
【００１３】
また、たとえ磁気センサ出力に誤差が少なかった場合でも、測定点の取り方によっては、算出したオフセットＯ１が真のオフセットから大きくずれてしまうという欠点があった。このことを、図６、図７を用いて説明する。図６、図７は、従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
【００１４】
図６に示すＯ１点が、真のオフセットであるとする。測定点である３点Ａ、Ｂ、Ｃの内のひとつＣ点に僅かに誤差がのり原点方向に移動したとすると、図７のようになる。すなわち、Ｃ点がＣ’点に僅かに移動しただけで、算出されるＯ２点は真のオフセットＯ１点とは大きくずれてしまうことが分かる。この様な、真のオフセットＯ１からずれたオフセットＯ２を用いて、磁気センサ出力をオフセット補正するシステムでは、真の方位を得ることができないことは明白である。
【００１５】
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、地磁気の測定値に誤差が含まれた場合であっても、精度よくオフセットを算出し、真の方位を得ることができる方位センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の方位センサは、基本的に下記に示す構造を採用するものである。
【００１７】
本発明の方位センサは、地磁気を検出し方位を算出する方位センサであって、地磁気を検出する検出する磁気センサと、異なる姿勢における磁気センサ出力に基づき、１次オフセットを算出するオフセット算出手段と、オフセット算出手段が算出した１次オフセットを基準として、１次オフセットの算出に使用した姿勢とは異なる姿勢における磁気センサ出力が、予め設定された範囲にあるか否かを判断して、予め設定された範囲以外と判断したときの１次オフセットを破棄した上で、オフセット補正に有効な２次オフセットを出力する信頼性評価手段を有するオフセット処理手段と、２次オフセットを得た後に、磁気センサ出力に対するオフセット補正を行った上で方位を算出する方位算出手段とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の方位センサは、前述したオフセット処理手段が、信頼性評価手段によって得られる２次オフセットの過去の値に対する今回得られる２次オフセットの変化量を算出し、この変換量が小さくなる様に２次オフセットを修正した３次オフセットを出力するオフセット変化量制限手段をさらに備えることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の方位センサは、前述したオフセット処理手段が、３次オフセットの平均値を算出して４次オフセットを出力する平均手段をさらに備えることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の方位センサは、姿勢を検出して傾斜センサ出力を出力する傾斜センサをさらに備え、前述した方位算出手段が、磁気センサ出力とともに傾斜センサ出力を使って方位を得る手段であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方位センサは、オフセット処理手段を設けたことにより、誤差を低減した精度の高いオフセットを算出することができる。その結果、精度の高い方位を算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。
図１は、本発明の方位センサを示す構成図である。図２は、３次元観測座標系における、本発明の方位センサの磁気センサ出力を示す図である。図３は、本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段を示す構成図である。図４は、本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段のフローチャートである。
【００２３】
[構造説明：図１]
まず、本発明の方位センサの構成について図１を用いて説明する。
図１において、符号１はＸ、Ｙ、Ｚ軸の磁気を検出する磁気センサを、符号２はＸ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を検出する傾斜センサを示している。また、符号３は磁気センサのオフセットを算出するオフセット算出手段を、符号４はオフセットを高精度化するオフセット処理手段を、符号５は方位を算出する方位算出手段を示している。また、符号６は磁気センサ出力を、符号７は傾斜センサ出力を、符号８は方位算出手段によって算出された方位を、符号９はオフセット算出手段によって算出されるオフセットを、符号１０はオフセット処理手段によって高精度化された高精度オフセットを示している。
【００２４】
なお、磁気センサ１には、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）やフラックスゲート型の磁気センサを用いることができる。傾斜センサ２には、ピエゾ抵抗型の加速度センサや静電容量型の加速度センサを用いることができる。
【００２５】
[動作説明：図1]
次に、本発明の方位センサを構成する各構成要件が果たす機能について図１を用いて説明する。
図１に示す様に、磁気センサ１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の地磁気を検出して、オフセット算出手段３と方位算出手段５とに磁気センサ出力６をそれぞれ出力する。この磁気センサ出力６は、地磁気による出力に加えて、着磁の影響によるオフセットが含まれたものとなる。傾斜センサ２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を検出し、傾斜センサ出力７を方位算出手段５に出力する。
【００２６】
オフセット算出手段３は、磁気センサ出力６の情報に基づきオフセット９を算出し、オフセット処理手段にオフセット９を出力する。オフセット処理手段４は、オフセット９を処理して高精度オフセット１０を算出して、方位算出手段５に高精度オフセット１０を出力する。方位算出手段５は、磁気センサ出力６から高精度オフセット１０を差し引き、地磁気のみの出力を抽出してオフセット補正し、さらに傾斜センサ出力７によってこの地磁気のみの出力に対する傾斜補正をした上で、真の方位８を算出する。
【００２７】
[動作説明：図２]
次に、本発明の方位センサにおけるオフセット算出手段の動作について図２を用いて説明する。図２は、３次元観測座標系における磁気センサ出力を示す図である。図２において、Ｖｘは磁気センサのＸ軸出力を、Ｖｙは磁気センサのＹ軸出力を、Ｖｚは磁気センサのＺ軸出力を表している。
【００２８】
４つの異なる姿勢における磁気センサ出力を３次元観測座標系にプロットすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点のように、原点ＯからずれたＯ１点を中心とした球面上に位置することになる。これは、磁気センサ出力６が地磁気による出力に加えて、着磁の影響によるオフセットを含んでいるためである。一定環境のもとでは地磁気の大きさは変化しないため、線分Ｏ１Ａ、Ｏ１Ｂ、Ｏ１Ｃ、Ｏ１Ｄは同じ大きさであり、ベクトルＯ１Ａ、Ｏ１Ｂ、Ｏ１Ｃ、Ｏ１Ｄがそれぞれの姿勢における地磁気ベクトルである。ここで、Ｏ１点の座標はオフセットに相当する。
【００２９】
そして、図１に示したオフセット算出手段３は、測定点であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点から演算によりＯ１点を算出する機能を有する。このＯ１点を算出する演算方法は、一般に知られるように、球面上の４点から球の中心座標を求める３元連立方程式を解く方法を用いることができるので、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００３０】
[動作説明：図２〜図４、図６〜図８]
次に、本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段の動作を図２、図３、図４、図６〜図８を用いて説明する。図３は、本発明の方位センサを構成するオフセット処理手段４を示す構成図である。
【００３１】
このオフセット処理手段４は、信頼性判断手段１１と、オフセット変化量制限手段１２と、平均化手段１３と、記憶手段１４とにより構成される。記憶手段１４は、複数のオフセット９を順次記憶するメモリである。
【００３２】
次に、本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段４の演算手順について説明する。図４は、本発明のオフセット処理手段４のフローチャートである。
【００３３】
このフローチャートに示すオフセット処理手段４は、３つのＳＴＥＰにより構成されている。まず、図３に示した信頼性判断手段１１により、オフセット算出手段３から出力されるオフセット９を用いて、図４に示すＳＴＥＰ１の処理を行う。次に、オフセット変化量制限手段１２により、信頼性判断手段１１からの出力データを用いてＳＴＥＰ２の処理を行う。次に、オフセット変化量制限手段１２により得られた変化量の小さいオフセットのみを用いて平均化手段１３により、ＳＴＥＰ３の処理を行う。
【００３４】
次に、上述したＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３までの各ＳＴＥＰで行う内容について詳細に説明をする。まず、ＳＴＥＰ１の処理について説明をする。
ＳＴＥＰ１における信頼性判断手段１１は、オフセット算出手段３が出力したオフセット９の信頼性を評価するものである。この信頼性の評価には、別の姿勢における磁気センサ出力６の測定点を用いる。すなわち、図２に示すように、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点からオフセット算出手段３がＯ１点を算出した場合、別の測定点であるＥ点とＯ１点との距離を計算し、Ｏ１Ｅの距離とＯ１Ａの距離が同程度である場合にＯ１点を信頼性有り、同程度でない場合信頼性無しと判断する。
【００３５】
ここで同程度とは、例えば距離の差が仮に１０％以内とし、その範囲内にあるデータのみをＳＴＥＰ２に導出し、このステップで信頼性無しと判断された場合は、オフセット算出手段３が出力したオフセット９は破棄される。
【００３６】
この様に、ＳＴＥＰ１の処理は、磁気センサ出力６に誤差が少なかった場合でも、測定点の取り方によって、算出したオフセットが真のオフセットから大きくずれてしまうという問題に対して、特に効力を発揮する。
【００３７】
この現象について、従来技術の課題欄の説明で使用した図６、図７を用いて説明する。図６、図７は、従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
一般に、２次元空間において３点を円周上にもつ円の中心を求めることと、３次元空間において４点を球面上にもつ球の中心を求めることは、連立方程式を解くという同様な手法を用いることができるので、ここでは説明を簡単にするため２次元で説明する。なお、図６、図７において横軸ＶｘがＸ軸の磁気センサの出力であり、縦軸ＶｙがＹ軸の磁気センサ出力を示している。
【００３８】
まず、図６に示すＯ１点が、真のオフセットであるとする。もし、測定点である３点Ａ、Ｂ、Ｃの内のひとつＣ点に僅かに誤差がのり原点方向に移動したとすると、図７のようになる。すなわち、Ｃ点がＣ’点に僅かに移動しただけで、算出されるＯ２点は、真のオフセットＯ１点とは大きくずれてしまうことが本図面から分かる。この様な場合に、ＳＴＥＰ１の処理で、別の点、すなわち図７に示すＤ点とＯ２点の距離を計算し、ＤＯ２の距離とＡＯ２の距離が同程度でなく大きく異なるので、算出したオフセットであるＯ２点を信頼性無しと判断し破棄することでき、信頼性の高いオフセットのみを得ることができる。
【００３９】
次に、ＳＴＥＰ２の処理を説明する。
一般に、オフセットは急激に変化を繰り返すことはない。それは、オフセット９が着磁によるものであるためである。そこで、ＳＴＥＰ２におけるオフセット変化量制限手段１２では、記憶手段１４に記憶されている前回のオフセットと今回のオフセットの差により変化量を算出し、予め設定された範囲を越えて変化量が大きい場合には、変化量が小さくなるようにオフセットを修正する。オフセットの修正は、例えば以下の式を用いることができる。
【００４０】
前回のオフセットを（Ｏｘ１，Ｏｙ１，Ｏｚ１）とし、今回のオフセットを（Ｏｘ２，Ｏｙ２，Ｏｚ２）とすると、修正されたオフセット（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）は、（Ｏｘ１+（Ｏｘ２―Ｏｘ１））／ｋ、（Ｏｙ１+（Ｏｙ２―Ｏｙ１））／ｋ、（Ｏｚ１+（Ｏｚ２―Ｏｚ１））／ｋ）と表すことができる。
【００４１】
ただし、上記式におけるｋは１以上の定数であり、ｋを大きくするとオフセット変化量の制限の度合いが大きくなり、ｋを小さくするその度合いは小さくなる。このように、変化量制限されたオフセットは、順次記憶手段１４（図３参照）に記憶される。
【００４２】
このＳＴＥＰ２の処理は、方位センサを連続して使用している間、オフセットが急激に変化を繰り返すことはないという、実用的な現象に合うようにすることに、特に効力を発揮するものである。
【００４３】
次に、ＳＴＥＰ３の処理について説明をする。
ＳＴＥＰ３は、平均化手段１３により、記憶手段１４に記憶された複数のオフセットデータの平均を算出して、目的の高精度オフセット１０を得ることにある。
【００４４】
このＳＴＥＰ３の処理は、磁気センサ出力６の誤差により、算出するオフセットに同程度の誤差を発生させるということに関して、特に効力を発揮する。この現象について、先に示した図５、図８を用いて説明する。図８は、この現象を説明するための従来の方位センサが示す出力軌跡図である。なお、ここでの説明も、ＳＴＥＰ１の説明と同様の理由に
より、２次元系で説明する。
【００４５】
ＳＴＥＰ１で説明したと同様に、図５に示すＯ１点が、真のオフセットであるとする。測定点である３点Ａ、Ｂ、Ｃの内のひとつＣ点に測定誤差がのり原点方向に移動したとすると、図８のようになる。すなわち、Ｃ点がＣ’点に移動することに連動し、算出されるＯ３点は真のオフセットＯ１点から同程度移動する。この様な場合に、ＳＴＥＰ３の処理で、測定誤差によるオフセットのばらつきを平均化することにより、その測定誤差を低減することができる。
【００４６】
この様に、上記のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の処理により、オフセットは真のオフセットに徐々に近づき、高精度オフセット１０としてオフセット処理手段４から出力される。
【００４７】
なお、上述したオフセット処理手段では、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３まで行う手段として説明をしたが、高精度オフセット１０の精度が若干落ちることとなるが、オフセット算出手段３により得られるオフセット９を信頼性判断手段１１により信頼性評価し、信頼性が高いオフセットを高精度オフセット１０として、方位算出手段５にて方位８を算出する様にしても構わない。また、これに他のオフセット変化量制限手段１２、または平均化手段１３のいずれかを組み合わせた構成とすれば、上記方法に比べより精度が増すので好ましい形態となる。
【００４８】
[動作説明：図１]
次に、本発明の方位センサにおける方位算出手段５の動作について図１を用いて説明する。なお、下記に示す方位算出手段は、磁気センサ出力６とともに傾斜センサ出力７を用いて方位８を算出する方法を示すが、本発明の方位センサはこれに限定されるものではなく、先に示した手順にしたがって高精度オフセット１０を得た上で、磁気センサ出力６のみを使って方位算出手段５にて方位８を算出しても構わない。
【００４９】
まず、方位算出手段５は、磁気センサ出力６から高精度オフセット１０を差し引いて地磁気ベクトルを求める。
【００５０】
次に、機器の傾斜補正を行うため、傾斜センサ出力７から求めた重力方向がＺ軸に平行になるように、磁気センサ出力６に対する座標変換を行い、変換後の座標系から見た地磁気ベクトルのＸ成分とＹ成分の比より、最終的に真の方位を算出する。
【００５１】
この座標変換には様々な方法があるが、例えばＹ軸を中心にβ回転させた後、Ｘ軸中心にα回転させる座標変換を用いることができる。この座標変換は一般に知られるように、下記数１により行うことができる。また、数１に示すα、βは、傾斜センサ出力７から求めることができる。
【数１】
2007163389.tif 000003
【００５２】
このように、磁気センサ出力６に対する傾斜補正を行うため、機器が傾斜していた場合でも容易に真の方位を算出することができる。
【００５３】
そして、本発明の方位センサは、オフセット算出手段３とともにオフセット処理手段４を設けたことにより、誤差を低減した精度の高い高精度オフセット１０を算出することができる。そして、高精度オフセット１０と、磁気センサ出力６を用いて精度の高い方位８を算出できる。
【００５４】
また、本発明の方位センサでは、傾斜センサ２を設けることによって、地磁気のみの出力に対する傾斜補正も容易に行うことができ、この方位センサを備えた機器が傾斜している場合であっても、精度の良い方位を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の方位センサは、高精度な方位を求められる機器に適用することができる。特に、携帯型の機器に本発明の方位センサを搭載するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の方位センサを示す構成図である。
【図２】本発明の方位センサの３次元観測座標系における磁気センサ出力を示す図面である。
【図３】本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段を示す構成図面である。
【図４】本発明の方位センサにおけるオフセット処理手段のフローチャートである。
【図５】従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
【図６】従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
【図７】従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
【図８】従来の方位センサが示す出力軌跡図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  磁気センサ
２  傾斜センサ
３  オフセット算出手段
４  オフセット処理手段
５  方位算出手段
６  磁気センサ出力
７  傾斜センサ出力
８  方位
９  オフセット
１０  高精度オフセット
１１  信頼性判断手段
１２  オフセット変化量制限手段
１３  平均化手段
１４  記憶手段
【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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