具有2d磁力计的低成本电子罗盘的制作方法

专利名称：具有2d磁力计的低成本电子罗盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子装置，其包括具有二维磁力计的定向传感
器。
背景技术：
US专利6,836,971公开了 一种倾斜补偿式电子罗盘。该倾斜补 偿式电子罗盘的操作是基于对地球磁场在垂直于双轴磁传感器的两 个测量轴的方向上的分量Z进行计算而不是进行测量的。可以使用 适用于广阔(wide)地理区域的地球磁场强度的存储值来计算该正交 分量Z。该计算还需要使用从双轴传感器测量的磁场值。一旦Z已知， 并且使用来自双轴倾斜传感器的输入，则可以通过使所测量的磁场强 度值从倾斜的双轴传感器精确地旋转回本地水平面来计算补偿的正 交分量X和Y。

发明内容
本发明涉及一种定向传感器和倾斜补偿罗盘向量重建方法，该 方法仅使用单独的2D磁力计作为其感测输入。与已知的上述US专 利6,836,971中描述的倾斜补偿罗盘示例相比，本发明中不需要加速 计。因此，本发明描述了极限最低成本的倾斜补偿式罗盘的构想。为 了实现该构想，牺牲刚体姿态中三个自由度中的一个作为自由变量。 在实践中，这可以通过要求保持罗盘体轴x水平来实现。尽管这表现 出一种局限性，但是其影响在实际使用中很小。例如，在本发明的实 施例中，将罗盘集成到移动电话中。当用户读取其显示屏时，这种电 话体轴x通常被保持为水平。因此，当考虑该装置的实际使用时，可 以事先确定该装置的x轴定向的两个自由度之一。
因此，本发明提供一种电子装置，其包括具有二维磁力计的定
4向传感器。该传感器用于提供第一信号和第二信号，以分别确定所述 装置所在的地理位置的三维地磁场向量的第一分量和第二分量。所述 装置具有第一构件，其用于根据第一分量和第二分量以及所述装置所 处的地理位置的地磁场的给定强度来确定地磁场向量的第三分量的 多个候选。所述装置具有第二构件，其用于在假设所述装置的轴保持 水平的情况下，根据所述装置所处的地理位置的地磁场向量的给定倾 斜度和给定强度来确定重力向量的多个其他候选，。所述装置具有第 三构件，用于选择地磁场向量的第三分量的多个候选中相关的一个， 并且用于选择重力向量的多个其他候选中相关的另一个。
本发明基于如下假设已知所述装置所处位置的地磁场的大小 和倾斜度的值；在所述装置的实际使用中，该装置的体轴中的至少一 个被保持水平。基于这些假设，可推测所述装置相对于地球的实际定 向(以及变量，诸如朝向以及倾斜角等)。
可以以硬件的方式或者通过使用专用微控制器或者使用运行专 用软件指令的通用数据处理器来实现上述的第一构件和/或第二构件 和/或第三构件。
在本发明的实施例中，在某些情况下可以假设地磁场的大小和 倾斜度的值为常量，并且可以在生产阶段将其程序化为给定常量。
可选地，本发明的所述装置用于获得其所处地理位置的地磁场 的大小和倾斜度。这可以以多种方式实现。
在第一示例实施例中，本发明的所述装置具有第四构件，例如 具有用于确定所述装置所处的地理位置的GPS单元或者具有连接到
GPS单元的接口。例如可以使用存储有针对区域或整个星球的值的
板载查找表或者使用数学模型(例如世界地磁模型)来根据地理位置 计算地磁特性，或者如果所述装置具有通信装置，则通过无线连接方 式将所述位置信息数据传输给服务供应商，服务供应商转而将本地值 发送或上传到所述装置，来将所述地理位置信息映射为本地地磁强度 和倾斜度的值。
在第二示例实施例中，所述装置包括通信装置，例如移动电话。 这种装置在服务供应商的蜂窝结构中运行。每个小区覆盖一个地理区域，在该地理区域内漫游移动电话用户通过无线的方式与小区信标通 信。因此，服务供应商知道用户出现在哪个小区。因此，可以使用用 户出现在的小区的信标标识来确定用户的地理位置信息，所确定的地 理位置信息具有小区特性尺度的分辨率。接着，使用该位置信息来查 找相关的地磁场强度和倾斜度。例如，可以在所述装置中存储査找表， 该査找表将从信标接收到的信标标识映射为本地地磁场强度和倾斜 度的值。在另一个示例中，可以使用查找表来将信标标识映射为地理 位置，再可以通过另一个查找表或者数学模型(如世界地磁模型)将 该地理位置映射为本地地磁场特性。在再一个示例中，服务供应商具 有在所述装置实际使用期间将本地值传输到用户装置的信标。
本发明还涉及一种用于向电子装置的用户提供服务的方法，所 述电子装置包括具有二维磁力计的定向传感器。所述传感器用于提供 第一信号和第二信号，以分别确定所述装置所处的地理位置的三维地 磁场向量的第一分量和第二分量。所述方法包括如下步骤接收表示 第一信号和第二信号的数据；基于第一分量和第二分量并且基于所述 装置所处的地理位置的地磁场的给定强度来确定地磁场向量的第三 分量的多个候选；假设所述装置的一个轴保持水平，基于所述装置所
处的地理位置的地磁场向量的给定倾斜度和给定强度来确定重力向 量的多个其他候选；选择地磁场向量的第三分量的多个候选中相关的
一个；选择重力向量的多个其他候选中相关的另一个；接着，基于地 磁场的第一分量和第二分量，并且基于所选择的候选和所选择的另一 个候选来确定表示所述装置的姿态的其他数据。
这种方法在商业上对(例如通过无线数据网络)从用户的电子 装置接收传感器数据并在服务器上执行计算的服务供应商来说是有 利的。计算结果表示所述装置相对于地球的姿态。所述结果通过数据 网络返回到所述装置。
本发明还涉及电子装置上使用的软件，所述电子装置包括具有 二维磁力计的定向传感器。所述传感器可操作用于提供第一信号和第 二信号，以分别用于确定所述装置所处的地理位置的三维地磁场向量 的第一分量和第二分量。所述软件包括执行如下步骤的指令基于第一分量和第二分量并且基于所述装置所处的地理位置的地磁场向量
的给定强度来确定地磁场向量的第三分量的多个候选；假设所述装置 的一个轴保持水平，基于所述装置所处的地理位置的地磁场向量的给 定倾斜度和给定强度来确定重力向量的多个其他候选；选择地磁场向
量的第三分量的多个候选中相关的一个；选择重力向量的多个其他候 选中相关的另一个；以及基于地磁场向量的第一分量和第二分量，并 且基于所选择的候选和所选择的另一个候选来确定表示所述装置的 姿态的其他数据。
因此，对于具有数据处理器的电子装置(如移动电话)来说，
在商业上所述软件作为与上述类型的传感器组合式的附加添加是有 利的。


以下通过示例的方法并参考附图详细地说明本发明，其中 图1示出了本发明的装置中的功能的方框图2和图4示出了公式的概况，用于说明图1所示的装置的操 作；并且
图3示出了由图2所示的公式编址的关系具体实施例方式
图1是本发明的电子装置100的功能图示。装置100包括2D磁 力计102，其提供信号MMx和MMy。从这两个信号来确定三个正交 分量中的两个，这两个正交分量指定了相对于固定到装置100的坐标 系统的装置IOO所处的地理位置的地磁场向量。所述坐标系统具有x 轴、垂直于x轴的y轴以及垂直于x轴和y轴的z轴。本文中x轴和 y轴方向上的地磁场分量分别被表示为Bx和By。装置100具有补偿 模块104，以对信号MMx和MMy的例如偏移、灵敏度、轴心差等进 行补偿。补偿模块104的输出表示沿着装置100的坐标系统中的两个 正交方向的地磁场向量B的分量。补偿模块104从校正单元106接 收校正参数。校正单元106是例如存储预先确定的参数值的存储器。
7可替换地，校正单元106执行自动校正程序。将由补偿模块104确定 的地磁场向量B的两个正交分量提供给模块108，模块108计算向量 B的两个候选。模块108连接到模块110，模块110提供与装置100 所处的位置的地磁场的强度相关的信息。所述强度等于地磁场向量的 大小。因此，由于三个分量的平方和等于所述强度的平方，因此给定 强度就可以得到向量B的第三个分量值的两个候选解。这第三个分 量的两个候选解将产生向量B的两个相应的候选解。
模块110从模块112接收当地的强度值，模块112在地磁场的 地图上查找装置100的当前的地理位置。可以以各种方式来确定装置 100的地理位置。例如，模块112具有GPS单元(未示出)和存储 器(未示出)，其中GPS单元直接确定所述地理位置，存储器存储 作为地理位置函数的地磁场的相关参数或者存储执行诸如世界磁场 模型之类的数学模型的软件。可替换地，模块112具有GPS单元和 电信单元(未示出)，其中GPS单元确定装置100的位置，电信单 元用于通过数据网络以无线的方式与在别处的服务器进行通信。接着 所述电信单元向该服务器传输装置100的当前位置，然后服务器确定 与装置100的当前位置相关的地磁场的参数并且通过数据网络将这 些参数提交给装置100。另一种可替换方案是，装置100包括移动电 信装置，诸如移动电话。电信业务的基本设施使得至少能以该业务所 覆盖的地理区域中的小区的维度的分辨率来确定移动电话的地理位 置。可以通过使每个小区的服务器向其客户端发送这些参数的方式或 者通过向客户端装置100发送小区标识的方法再次将该位置绑定到 地磁场的相关的本地参数，其中装置100接着通过使用如装置100 中的存储器(未示出)中所存储的这些数值的表或者使用诸如世界地 磁场模型之类的数学模型来确定其地理位置和地磁场的相关参数。
如上所述，模块108确定地磁场向量B的两个候选解。在本文 的剩余部分，这些候选将被表示为B,和B2。为了可以确定装置100 的姿态，必须也获得地球重力向量的解。假设x轴被保持水平。可选 地，这可以由用户通过模块114来向装置100进行证实，模块114 包括例如水平装置，类似于木匠的水平仪或者水银开关。因此，重力向量不具有沿X轴的分量。因此，重力向量和所测量的地磁场向量的
点积与分量By和Bz相关，而与Bx无关。模块112向模块116提供 位置信息，模块116以类似于上述与地磁场强度相关的方法之一来确 定装置100所处的当前位置的地磁场的倾角。所述倾角是指地磁场磁 力线与地球表面相交处的角。换句话说，所述倾角是由地磁场向量B 与水平面所成的角。该角度的范围从地磁南极的负90度通过赤道附 近的零度直到地磁北极的正90度。基于地磁场强度和所述倾角，可 以计算重力向量g与地磁场B的点积。由于假设重力向量g的x分 量为0 (gx=0)，因此在地磁场向量候选为B,的情况下向量g的其 他分量gy和gz必须符合图2所示的等式(202)，或者在地磁场向量 候选为B2的情况下符合图2所示的等式(204)。等式(202)和(204) 将向量分量与向量的点积建立关联。归一化的重力向量的大小为如图 2的等式(206)中所表示的单位l。因此，可以通过等式(208)和
(210)获得重力向量分量gy和gz的解。为了使其可视化，考虑图3。 图3示出了水平的gy轴和垂直的gz轴生成(gy， gz)平面的图 示300。以轴交点为圆心的圆302表示等式(206)。线304对应于 等式(202)并且线306对应于等式(204)。线304与圆302的交点 对应于重力向量分量gy和gz的解，重力向量分量gy和gz又与地磁场 向量候选Bi对应。这些解由图4中的表达式402和404给出。同样 地，线306与圆302的交点对应于重力向量分量gy和gz的解，重力 向量分量gy和gz又与地磁场向量候选B2相对应。这些解由图4中的 表达式406和408给出。因此，通常重力向量g总共存在四个候选解 gu， gu， g"和g22。但是，如果表达式(402) - (408)中的判别式
(即，平方根因子的变元)变为O，则表达式(402)和(404)或者 表达式(406)和(408)的这些解将退化。这种情况对应于与圆302 相切的线304或306，从而使其各相交点重合。这在体轴x指向北或 者南的情况下发生。如果x轴不保持完全水平，则一些解的判别式甚 至可能变为负数。在这种情况下，线304和306中的一条或者两条不 与圆302相交。如果判别式变为负，则不存在重力向量g的精确解。 因此可以像判别式为0时一样，通过处理近似得到一个解。模块118执行上述基于从模块108、 116和114所接收的输入来确定重力向量g的可能的分量的过程。
向量B具有两个候选解，并且每个向量B具有两个向量g的候选解。这产生了向量g的总共四个候选解，向量g的四个候选解对应于四个候选的姿态。正确的解是对应于装置100的实际姿态的候选。从三个伪解中选择正确解的过程如下所述。
假设在前一时刻已选择了正确的解。接着，在当前时刻，可以基于实现最佳连续性来从历史选择的解中预先选择一个解。该历史选择的解可以是在前一时刻选择的解或者可以是先前时刻选择的解的平均值。可以基于g候选与历史选择的g解的最佳连续性的标准来为两个B候选的每个预选择最可能的g候选。该步骤将要进一步进行估计的解的总数从4减小到2。如果对于给定的B候选，g向量的解的判别式基本上大于0，则给出最佳连续性的g向量为可使其到历史选择的g向量的解的矢量距离最小的那个解。如果判别式刚刚大于0，则线304或306与圆302的交点彼此靠近。因此，诸如与所测量的信号MMx和MMy相关的噪声之类的误差增加了预选错误的g向量候选的可能性。某种程度上，这个问题可以通过记录装置IOO可能动态而平滑地改变的姿态来减轻。因此，在这种情况下(预选特定g向量候选，其与历史选择的g向量解的矢量差与前一时刻计算所得的类似矢
量差为最佳匹配)最佳连续性的不同标准可能是适当的。最佳匹配的标准在于所述解产生矢量差的最小矢量距离。换句话说，所选择的解给出了 g向量的改变速率的最佳连续性。如果判别式为O，则两个g向量解很难区分(退化)，可以选择这两个g向量解中的任何一个。如果判别式为负，则可以用O来代替，并且可以将任意一个退化解用作近似的g向量的解。
上述方法将要进一步估计的解的总数从四个减小为两个。在该阶段，仍然存在两个B向量候选，此时每个向量候选对应于一个单独的g向量候选。可以基于复合(堆叠)向量(Bx By Bz 0 gy gz) t来实现从两个剩余候选中进行预选。如果与两个候选解相关的两个复合向量之间的矢量距离基本上大于0，如果预选了其相关的复合向量
10具有到历史选择的复合向量的最小矢量距离的候选，则实现了复合向量的最佳连续性。历史选择的复合向量可以是前一时刻的复合向量或者其可以是先前时刻的复合向量的平均值。如果与两个候选解相关的两个复合向量之间的矢量距离刚刚大于0，如果如上述方法来实现选择，则由于系统误差而导致预选错误解的可能性将增大到不能接受的程度。预选具有相关复合向量的解是更可靠的，所述复合向量与历史选择的复合向量的矢量差与前一时刻计算所得的类似矢量差为最佳匹配。
在该阶段，已实现了最佳候选的预选。但是，偶然情况下也可能选择了伪解，尤其是当正确的解非常接近伪解时。一旦选择了伪解，所有后续的解也将错误，直到伪解充分接近另一个解以使新的跳变发生为止。因此，提供一种机制，其可以区分伪解和正确的解。由于每个伪解对应于具有水平X轴的有效姿态，因此必须定义其他姿态限制
以允许在正确的解和伪解之间进行区分。如果系统偶然地跟踪到伪
解，则装置100的姿态的改变可能引起伪解进入姿态的禁止范围。当检测到正在跟踪的解进入了禁止范围，则丢弃该解以有利于另一解。由于存在三个其他的解，提供一种机制来以最大可能性获得正确的解。这可以通过不仅仅在最后选择阶段之后而是在每个选择阶段之后对禁止范围违反进行检查来实现。因此，在已预选了每个B向量候选的g向量之后执行检查，并且也在预选了复合向量之后执行检查。因此，总共执行三次对禁止范围违反的检查。如果没有获得先前时刻的正确解，则上述程序也可以用作初始化过程。
作为禁止范围定义和相应检査的一个示例实施例，考虑装置100倾角被限制在
范围的限制。这意味着gy《0并且gz《0。如果在某一阶段，g向量的解被(预)选为gy>0或者gz<0，则g向量解对应于禁止的姿态并且因此表示伪解。如果在例如没有预选解的选择阶段中其他g向量解满足gy《0并且gz《0，则必须在该选择阶段中选择该其他解。如果两个g向量的解均不满足gy《0并且gz《0，则选择最靠近所允许的倾角间隔的中心的那个解，即(gy +1 / 2 + (gz +1 / 2 V^)2为最小的解。模块120执行上述过程。由于现在已经确定了相对于固定在装置100的参考坐标系的Bx， By和B^因此模块122确定装置100相对于地球的定向。在模块124中根据所确定的装置100的定向来计算诸如朝向和倾角之类的其他量，模块124向输出126 (例如图形用户界面)提供这些数据。
上述实施例取决于根据装置100的地理位置来对本地地磁场的大小和倾斜度的确定。
用于特定地理区域，可以假设所述大小和倾斜度为常量。艮口，如果所述大小和倾斜度在指定区域内变化，在实际使用中本发明的实际用途可以忽略该变化。因此，可以在装置100中程序化所述大小和倾斜度的值，使得装置100适用于相关区域。
优选地，可以使用运行在通用数据处理器(未示出)上的软件来实现模块104、 108、 110、 112、 116、 118、 120、 122和124的一部分或全部功能，或者可以使用专用的微控制器(未示出)来实现这些功能。
1权利要求
1.一种电子装置(100)，其包括具有二维磁力计的定向传感器(102)，其中所述传感器用来提供第一信号和第二信号，以分别用于确定所述装置所处的地理位置的三维地磁场向量的第一分量和第二分量；所述装置具有第一构件(108)，其用于根据第一分量和第二分量并且根据所述电子装置所处的地理位置的地磁场的给定强度来确定地磁场向量的第三分量的多个候选；所述装置具有第二构件(118)，其用于在假设所述电子装置的一个轴保持水平的情况下根据所述电子装置所处的地理位置的地磁场向量的给定倾斜度和给定强度来确定重力向量的多个其他候选；以及所述装置具有第三构件(120)，其用于选择地磁场向量的第三分量的多个候选中相关的一个，并且用于选择重力向量的多个其他候选中相关的另一个。
2. 根据权利要求1所述的装置，其包括数据处理器，用于在软 件控制下实现第一构件、第二构件和第三构件。
3. 根据权利要求1所述的装置，其包括电信设备。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括第四构件 (112)，用于确定地理位置。
5. —种用于向电子装置(100)的用户提供服务的方法，所述电 子装置(100)包括具有二维磁力计的定向传感器(102)，其中所述传感器用来提供第一信号和第二信号，以分别用于确定所 述电子装置所处的地理位置的三维地磁场向量的第一分量和第二分所述方法包括接收表示第一信号和第二信号的数据；根据第一分量和第二分量，并且根据所述电子装置所处的地理位置的地磁场的给定强度来确定地磁场向量的第三分量的多个候选； 假设所述电子装置的一个轴保持水平，根据所述电子装置所处的地理位置的地磁场向量的给定倾斜度和给定强度来确定重力向量的多个其他候选；选择地磁场向量的第三分量的多个候选中相关的一个候选； 选择重力向量的多个其他候选中相关的另一个候选； 根据地磁场向量的第一分量和第二分量，并且根据所选择的一个候选和所选择的另一个候选来确定表示所述电子装置的姿态的其他数据。
6. —种在电子装置(100)上使用的软件，该电子装置包括具有 二维磁力计的定向传感器(102)，其中所述传感器用来提供第一信号和第二信号，以分别用于确定所 述电子装置所处的地理位置的三维地磁场向量的第一分量和第二分所述软件包括用于执行如下步骤的指令根据第一分量和第二分量，并且根据所述电子装置所处的地理 位置的地磁场的给定强度来确定地磁场向量的第三分量的多个候选；假设所述电子装置的一个轴保持水平，根据所述电子装置所处 的地理位置的地磁场向量的给定倾斜度和给定强度来确定重力向量 的多个其他候选；选择地磁场向量的第三分量的多个候选中相关的一个候选； 选择重力向量的多个其他候选相关的另一个候选； 根据地磁场向量的第一分量和第二分量，并且根据所选择的一个候选和所选择的另一个候选来确定表示所述电子装置的姿态的其他数据。
全文摘要
一种具有2D磁力计的电子罗盘，其用于确定地磁场向量的三个分量中的两个。给出所述装置所处位置的地磁场的大小和倾斜度的值。如果在实际使用中所述装置的至少一个体轴保持水平，则可以有根据地推测所述装置关于地球的实际定向(如朝向和倾角)。因此，该罗盘是成本非常低的装置。
文档编号G01C17/38GK101652630SQ200880010891
公开日2010年2月17日 申请日期2008年3月27日 优先权日2007年4月2日
发明者哈里斯·迪里克, 汉斯·马克·贝尔特·贝维, 特尼斯·让·伊金克 申请人:Nxp股份有限公司