用于移动设备的自动磁力计校准的制作方法

本公开总体上涉及磁力计，更具体地说，涉及校准移动设备中的磁力计。

背景技术：

磁力计是传感器，它提供对磁北的参考(例如磁力计3轴磁场测量结果或磁场测量结果)，以帮助确定磁力计相关联的设备的方向和取向。磁力计用于许多移动设备中，包括虚拟现实和增强现实(vr/ar)系统、载人和无人驾驶载具、手机、头戴式收发器、控制器以及其他经常包括移动元件的系统。磁力计需要定期校准以确保精确的结果。校准过程减少了硬铁和软铁扰动的影响，并校正磁力计数据值以生成精确的磁场测量结果。传统方法可以使用设备的操作系统(os)来触发校准过程。一个校准过程包括比较已知磁场(例如地球磁场)和磁力计感测到的局部磁场之间的差异。然后，该过程计算校正值的集合，将其添加到磁场测量结果中，以创建经过校准的磁场测量结果。另一校准过程通过使用来自全球定位卫星(gps)系统的数据来确定设备的地理位置从而校正地球磁场的变化，基于预期磁力计数据值与测量值的对比来生成磁力计校正值，并将校正值添加到测量值。磁力计校准是一个持续的过程，因为由于设备环境中金属物体的移动，局部硬铁和软铁扰动会发生变化。基于os的校准过程通常通过引导用户以非常特定的模式或运动(例如，双倾斜或8字形运动)移动设备来引导设备用户积极参与。这给用户带来负担，并延迟校准，直到用户能够并愿意执行所请求的动作。这种主动用户要求的校准方法由于以下事实而进一步恶化：每个开放软件应用可能会请求单独的磁力计校准过程，因此用户可能会被要求主动参与不同软件应用的多个校准过程。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。不同附图中使用相同的参考符号表示相似或相同的项目。

图1是示出根据一些实施例的用于采用磁力计的移动设备的自动磁力计校准系统的框图。

图2是示出根据一些实施例的理想磁场的三维(3-d)图，其中磁场以原点为中心。

图3是示出根据一些实施例的具有硬铁变形的磁场的三维图，其中磁场以中心点为中心。

图4是示出根据一些实施例的具有软铁变形的磁场的三维图，其中磁场以原点为中心。

图5是示出根据一些实施例的磁力计校准球的三维图。

图6是示出根据一些实施例的磁力计校准球的三维图，其中磁力计位于生成磁场测量结果以存储到数据仓和存储器的球的中心。

图7是示出根据一些实施例的使用惯性测量单元(imu)跟踪磁力计校准球内磁力计的移动的三维图。

图8是示出根据一些实施例的磁力计校准球的三维图，其中磁场测量结果存储在数据仓和存储器中。

图9是示出根据一些实施例使用磁力计校准球跟踪磁力计的不足移动量的三维图。

图10示出了根据一些实施例的移动设备的自动磁力计校准流程的流程图。

具体实施方式

以下描述旨在通过提供涉及磁力计的自动校准的多个具体实施例和细节来传达对本公开的透彻理解，所述磁力计的自动校准是通过在正常操作期间利用用户对移动设备的其他非指定移动或其他操纵，并记录作为移动结果生成的磁场测量结果。用户对移动设备的非指定移动是用户出于日常目的移动设备的结果，该日常目的诸如是接打电话、访问因特网、运行软件应用以及带移动设备一起旅行。也就是说，用户的非指定移动是不指定的，因为它不响应作为校准过程的一部分的移动设备所请求的隐含的或指定的移动模式。然而，应当理解，本公开不限于这些具体实施例和细节，这些仅仅是示例，因此本公开的范围仅由所附权利要求及其等同物来限定。还应当理解，根据已知的系统和方法，本领域普通技术人员将会理解，根据具体设计和其他需要，在任何数量的替代实施例中，出于其预期目的和益处而使用本公开。

图1至图10示出了用于移动设备的自动磁力计校准的方法和系统。移动设备(例如，蜂窝电话、vr/ar系统、电子罗盘等)可以使用至少一个磁力计来感测磁北并帮助确定移动设备相对于参考系或定义坐标系的取向。通过经过校准的磁力计，移动设备跟踪自己相对于地球磁场和磁北的取向。这里公开的方法和系统被描述为“自动”，因为移动设备通过在正常操作期间使用设备的非特定(例如，看似随机的)移动并且不需要用户以特定模式移动该设备来触发和执行磁力计校准过程。这个自动校准过程包括记录磁力计的磁场测量结果。移动设备的非指定移动使磁力计朝向围绕移动设备并以移动设备为中心的虚拟磁力计校准球表面上的不同点取向。多个数据仓中的每个数据仓与磁力计校准球表面上的对应点相关联。当磁力计朝向磁力计校准球上的特定点取向时，移动设备通过在与该点相关联的数据仓中存储值来跟踪事件，从而记录事件。另外，当移动设备朝向磁力计校准球上的特定点取向时，由第一传感器(诸如图像传感器或惯性测量单元(imu))和磁力计中的一个或两个生成的取向和方向测量结果也存储在存储器中。当移动设备写入超过预定阈值的多个数据仓时，移动设备触发磁力计校准过程。移动设备可以通过多种校准过程中的任何一种来校准磁力计，诸如基于由gps系统确定的移动设备的位置，将测量的磁场测量结果与存储的预期磁场测量结果集合进行比较。移动设备然后从磁力计接收磁场测量结果，并添加校正因子以生成经过校准的磁场测量结果。移动设备然后使用经过校准的磁场测量来确立移动设备的取向，以帮助移动设备上运行的软件应用的位置、取向和罗盘功能。

图1是示出根据一些实施例的用于采用磁力计112的移动设备102的自动磁力计校准系统100(校准系统)的框图。校准系统100还包括磁力计112生成的磁场测量结果126和磁北参考128。在至少一些实施例中，移动设备102可以是蜂窝电话、便携式计算机或导航设备，而在其他实施例中，移动设备102可以是用于vr/ar应用的头戴式显示器(hmd)系统。这里公开的校准系统100可以由实现磁力计的多种移动设备102中的任何一种来实现。其他实施例是可能的，并且不限于其中公开的示例。

作为移动设备102的操作的一般概述，移动设备102还包括处理器104、多个存储器106、数据仓集合108、第一传感器110和运行os和应用的软件114。处理器104执行指令以与用户交互、控制外围设备和执行应用。软件114应用包括但不限于用于向数据仓108读取和写入磁力计取向数据的数据仓读/写过程116、用于向存储器106读取和写入磁场测量结果的存储器读/写过程118、用于监控数据仓108的使用并启动校准过程122的校准触发过程120、用于执行校准流程的校准过程122、用于计算磁场测量结果126的校正值和拟合质量值的算术过程124、以及用于监控磁场测量结果126的质量的校准看门狗过程128。存储器106包括高速缓存和通用存储器，用于存储数据，包括位置数据、来自磁力计112的磁场测量结果126和来自第一传感器110的姿势数据。多个数据仓108是与存储磁力计取向数据相关联的附加存储器的形式。多个数据仓108可以由内容可寻址存储器(cam)中的条目、寄存器文件中的条目等来表示。

为了支持定位和取向应用，移动设备102在参考系环境中跟踪它自己的姿势。如这里所使用的，术语“姿势”指的是对象的位置、对象的取向或它们的组合。因此，移动设备102可以跟踪其在环境中的位置，可以跟踪其在环境中的取向，或者可以跟踪其位置和其取向二者。在图1所示的示例中，移动设备102包括第一传感器110以帮助姿势确定。具体地，第一传感器110基于第一传感器110的一个或多个运动传感器，诸如一个或多个加速度计、图像传感器、陀螺仪或其组合，周期性地或连续地生成移动设备102的姿势信息。在以下公开中，第一传感器110包括加速度计和陀螺仪。移动设备102还采用磁力计112，磁力计112相对于移动设备102设置在已知的取向。磁力计112感测磁北128，并生成磁场测量结果126，供处理器104用于确定移动设备102的姿势。移动设备102的非指定移动使得移动设备102和附着在其中的磁力计112相对于诸如磁北128之类的参考方向指向多个不同方向。在至少一些实施例中，处理器104执行校准触发过程120，校准触发过程120在数据仓108中记录磁力计112指向的唯一方向的数量，而磁场测量结果126存储在存储器106中。当存储在数据仓108中的唯一方向的数量超过阈值时，处理器104触发校准过程122开始。

校准过程122是向磁场测量结果126添加校正因子的过程。校正因子的值取决于移动设备102感测到的误差程度，并且通常取决于位置和时间。校准过程122可以包括任何数量的过程，包括但不限于测量局部磁场并将该磁场与存储在存储器106中的预期磁场进行比较。在其他实施例中，移动设备可以容纳提供精确纬度和经度数据的gps系统(未示出)。可以基于移动设备102的位置从存储器106中检索预期磁场，并将其与磁力计112在同一位置的实际磁场测量结果进行比较。然后可以计算基于预期磁场值和实际磁场值之差的校正值。此处进一步公开了关于磁场中校准和误差源的更多细节。

在校准过程122完成之后，处理器104生成经过校准的磁场测量结果126，指示磁北126相对于移动设备102的位置。磁场测量结果126被运行在移动设备102上的需要参考磁北126的其他过程和应用使用。在一些实施例中，移动设备102使用纬度和经度数据来确保移动设备102的姿势数据的最大精确性。这可以通过采用诸如gps传感器(未示出)、外部惯性传感器、姿势传感器、位置传感器等附加传感器来生成与定义的坐标系相关的位置数据来实现。

图2是示出根据一些实施例的理想磁场的三维图200，其中场202在x、y和z平面中，其中心点206以坐标x＝0、y＝0和z＝0(示出为(0,0,0))处的原点204为中心。理想磁场202是地球磁场的理想图示，不存在任何硬铁或软铁变形。在本实施例中，理想磁场202的表面表示由图1的理想化和经过校准的磁力计112感测的地球磁场的表观量值，并以原点204为中心。在磁力计112位于原点204的情况下，磁力计112可以指向任何方向并感测相同的量值，而不管方向如何。位于原点204的磁力计112产生与图1的磁北128的参考相关联的磁场测量结果126。在该实施例中，磁力计112将不需要校准过程122，因为没有外部影响或磁力计112本身的构造缺陷引入环境中的误差。然而，在现实世界中，存在至少两种类型的可能的变形：“硬铁”和“软铁”变形，并且每种变形将在此进一步公开。

图3是示出根据一些实施例的中心点304在(x,y,z)处的具有硬铁变形的磁场302的三维图300。磁场302是椭球体形状，磁场中心点304离开原点204偏移距离306(偏移)。原点204和中心点304之间的偏移306是由磁力计112测量的移动设备102附近区域中硬铁变形的存在引起的。硬铁变形在磁力计磁场测量结果126中产生静态偏置误差，并且由该区域中的外部磁影响引起，并且可以包括但不限于局部金属物体，诸如家具、电子部件、底盘组件、变压器、磁体和电磁体、建筑材料、车辆等。硬铁变形包括产生自身磁场的材料和物体，因此本质上是地球磁场量值的添加剂。为了补偿硬铁变形，图1的处理器104基于磁力计112感测到的变形程度，在数学上向磁场测量结果126添加恒定值。

图4示出了根据一些实施例的具有软铁变形的磁场402的三维图400，磁场402的中心点406位于原点204的中心。磁场402不是球，而是中心点406位于原点204的变形椭球体形状。软铁变形在磁力计磁场测量结果126中产生变形的球误差，但是与硬铁变形不同，不产生如图3中公开的偏移306。软铁变形会产生变形的椭球体形状并且由变形磁场的材料的存在造成。然而，与硬铁变形不同，导致软铁变形的材料本身不生成磁场，因此不是添加剂。软铁材料如铁和镍引起的变形取决于材料相对于磁力计112和地球磁场的取向。因此，不能像图3中公开的硬铁变形一样，通过向磁场测量结果126添加恒定值来补偿软铁变形。相反，使用更复杂的过程来补偿软铁变形。在移动设备102中，软铁变形由移动设备102触发校准过程122来补偿，校准过程122计算由存储在存储器106中的磁场测量结果126表示的三根轴中的每一根轴的单独值。

图5是示出根据一些实施例的磁力计校准球502的三维图500。图500包括以原点204为中心的磁力计校准球502，磁力计校准球502的表面上的各个位置由相应的数据仓504表示，从而导致表示磁力计校准球502表面上的多个点的多个数据仓504。多个数据仓504可以由内容可寻址存储器(cam)中的条目、寄存器文件中的条目等来表示。多个数据仓504位于横跨磁力计校准球502的整个外表面排列的阵列中。每个数据仓504对应于从原点204参考的唯一方向。对于定位在原点204的磁力计112的每次移动，处理器104存储两种类型的数据：存储器106中的磁场测量结果126，以及磁力计112当前指向的磁力计校准球502表面上的点的记录。该记录被存储到与磁力计校准球502表面上被指向的点对应的数据仓504。随着移动设备102的非指定移动的继续，磁场测量结果126的附加样本被生成并存储在存储器106中，并且(由磁力计112)访问的球502表面上的点的记录被存储在数据仓504中。

校准触发过程120存储写入多少唯一数据仓504的记录。一旦校准触发过程120确定数据仓504的预定阈值已经被写入，处理器104启动校准过程122以校准磁力计112。在一些实施例中，阈值可以基于写入的总数据仓504的百分比、移动设备102运动的时间长度、写入的唯一和不同数据仓504的数量等。阈值的一些示例包括写入25％的不同数据仓504、写入总数据仓504的50％、写入200个数据仓504等。存在的数据仓504的数量不受限制，并且各种可能的配置是可能的，包括但不限于，沿着磁力计校准球502的表面的经度和纬度的每5度、1度或1/10度分配一个数据仓504，其他实施例也是可能的。

当移动设备102在如本文所公开的校准方法122期间经历非指定运动时，一些数据仓504可以被多次写入。在一些实施例中，存储访问到相同数据仓504的点的记录的每一次努力都被视为单独的写入动作，并被视为有助于满足阈值。在其他实施例中，即使通过执行数据仓过程116的软件114的多个写入命令刷新了磁场测量结果126，将磁场测量结果126写入单个数据仓504的多次努力也仅被计数一次。在另外其他实施例中，一些数据仓504可以被写入随机次数，以便捕获数据的可变性。

图6是示出根据一些实施例的磁力计校准球502的三维图600，磁力计112位于球502的中心，生成磁场测量结果126以存储到数据仓504和存储器106。图6是图5中公开的图500的延续，磁力计112位于磁力计校准球502的原点204，沿着一个方向产生磁场测量结果126，并指向磁力计校准球502表面上对应于特定数据仓504的点602。当磁力计112相对于磁力计校准球502移动时，指向附加的数据仓504，并且与该方向相关联的磁场测量结果126被记录在存储器106中。另外，磁力计112访问的球602上的点的记录存储在与球602上的点相关联的数据仓504中。以这种方式，多个数据仓504被写入，从而提供磁力计112相对于磁力计校准球502的移动的记录或轨迹，如本文所公开的。在至少一些实施例中，处理器104将球上的点602的记录存储到磁力计112指向的数据仓504。磁场测量结果126存储在存储器106中，并且磁场测量结果126可以通过将相同或新的磁场测量结果126重写到存储器106中来随时间刷新。刷新数据仓504和存储器106的这一过程确保在处理器104操作期间保持存储的数据。以类似的方式，一些实施例示出处理器104以随机方式刷新数据仓108和存储器106的位置，以确保随着时间的推移保持最新的数据。

在至少一些实施例中，处理器104与预期质量水平相比分析存储在存储器106中的磁场测量结果126以用于数据的拟合质量，并且基于历史磁场测量结果126。然后，处理器104使用校准值过程124基于磁场测量结果126的质量生成置信度度量。校准值过程124连续计算拟合质量值，或者根据移动设备102上运行的其他应用的请求周期性计算拟合质量值。拟合质量值描述了数据集合(诸如磁场测量结果126)对统计模型的拟合程度。拟合质量给出了观察值和期望值之间的估计值。拟合质量数据可用于数据的数值分析，包括统计假设测试、正态性测试、方差分析和分布分析。其他数据建模和分析也是可能的，并且不受这里公开的示例的限制。

校准值过程124还生成置信度度量值集合。置信度度量值是基于比较旧的磁场测量结果126和当前的磁场测量结果126。如果处理器104确定匹配，则使用与地球磁场相关的理论常数数据生成“匹配的置信度”值，其中理论常数数据是从历史磁力计数据计算的。如果匹配值的置信度超过预定阈值水平，则历史校准数据可用于校准磁力计112。如果匹配值的置信度没有超过置信度阈值，则可以启动校准过程122以生成新的校准值来校准磁力计112。当处理器104执行校准值过程124时，过程124生成用于校准磁力计112的输出的校准值。处理器104还执行称为校准看门狗过程128的单独过程，该过程监测校准值过程124生成的校准值。当校准看门狗过程128检测到数据中的误差超过预定阈值时，处理器104启动校准过程122，以开始磁力计112的立即校准。校准看门狗过程128可以连续运行，或者根据处理器104的请求运行。

图7是示出根据一些实施例的使用imu跟踪磁力计112在磁力计校准球502内的移动的三维图700。图700被命名为“取向外观图”，并且包括磁力计移动轨迹702，其示出磁力计112先前指向的图5的磁力计校准球502表面上的位置的历史。取向外观图700包括轨迹702，其显示磁力计112在磁力计校准球502的显著部分上的移动，覆盖上半球和下半球以及左半球和右半球。轨迹702使用imu测量结果显示磁力计112的取向轨迹。跟踪磁力计112的移动允许校准过程在磁力计校准球502表面上的位置历史超过指定阈值时开始。当磁力计移动轨迹702明显偏离期望值时，跟踪还允许检测校准损失。

图8是示出根据一些实施例的磁力计校准球502的三维图800，其中磁场测量结果126存储在存储器106中，球502上的点504在数据仓108中被访问。标题为“原始磁力计读数图”的图800公开了磁力计112沿着磁力计校准球502表面的移动轨迹802。图800类似于图7的图700；然而，虽然图700示出了使用imu读数对磁力计112本身的明显跟踪，但是图800公开了存储在存储器106中的原始磁力计读数，也称为磁场测量结果126。当经过校准时，轨迹802应该近似用户的实际运动，并且也与imu测量的图7的轨迹702一致。

图9是示出根据一些实施例的磁力计112沿着磁力计校准球502的不足移动量的跟踪的三维图900。图900的标题为“移动设备的不足移动”，并公开了一系列轨迹902，显示磁力计112沿着磁力计校准球502的表面的显著移动。然而，磁力计校准球502存在磁力计112没有指向的几个区域904a、904b、904c，因此，没有为这些区域生成磁场测量结果126。以另一种方式解释，当校准不正确或不存在时，轨迹902显示来自磁力计测量结果的取向轨迹。在该示例中，由于磁力计校准球502的覆盖不足，因此无法执行校准。轨迹902明显偏离图7的轨迹702。通过将轨迹702与轨迹902进行比较，用户可以检测到校准的丢失。在本实施例中，基于处理器104设置的阈值，处理器104可以确定没有足够数量的数据仓108被写入，并且将不会基于未满足的阈值触发校准过程122。当磁力计112与磁力计校准球502表面上的点对准时，记录磁力计112的非指定运动的数据仓过程106将继续，直到达到阈值极限。

图10示出了根据一些实施例的移动设备102的自动磁力计校准流程1000的流程图。在至少一个实施例中，自动磁力计校准流程1000与图1的移动设备102相关联。自动磁力计校准流程1000开始于移动设备102在框1002执行一系列非指定的移动。移动设备102的非特定移动是由于在运行软件应用(诸如发送和回复电子邮件和文本、搜索因特网或参与在线游戏)的同时用户移动移动设备102。接下来，当移动设备102移动时，磁力计112在框1004生成磁场测量结果126，处理器104然后在框1006将该磁场测量结果存储在存储器106中。接下来，在框1008，处理器104将“访问点”数据存储在多个数据仓108中，作为磁力计112指向的方向数量的记录。接下来，在框1010，处理器104运行软件校准触发过程120，以确定磁力计112访问的点数是否超过预定阈值。如果框1010处的问题的答案是“否”，则处理器104通过返回到框1002再次开始自动磁力计校准流程1000。如果答案是“是”，则磁力计自动校准过程1000通过处理器104触发软件校准过程122并执行若干方法中的任何一种来产生如本文所公开的校正值，从而继续到框1012。在框1014处，自动磁力计校准流程1000继续，处理器104基于历史磁场测量结果126、当前位置、当前磁场测量结果126等生成校正值的集合。接下来，在框1016，处理器104在数学上把校正值加到存储器106中并且当前由磁力计112生成的磁场测量结果126，以形成经过校准的磁场测量结果126。接下来，在框1018，处理器104执行软件校准值过程124和校准看门狗过程128，以计算置信度度量、拟合质量值，并确定是否需要额外的软件校准过程122。因此，自动磁力计校准流程1000可以自动校准磁力计112，而无需用户提示，也无需用户请求特定的运动，并且可以应用于在移动设备112上同时运行的多个应用。

在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实现。该软件包括存储在或以其他方式有形地具体实施在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个集合的可执行指令。软件可以包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，这些指令和数据操纵一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质可以包括例如磁盘或光盘存储设备、固态存储设备，诸如闪存、高速缓存、随机存取存储器(ram)或其他非易失性存储设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其他方式执行的其他指令格式。

计算机可读存储介质可以包括计算机系统在使用期间可访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这种存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，光盘(cd)、数字通用光盘(dvd)、蓝光光盘)、磁性介质(例如，软盘、磁带或磁性硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，ram或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(rom)或闪存)、或基于微机电系统(mems)的存储介质。计算机可读存储介质可以嵌入计算系统(例如，系统ram或rom)、固定地附接到计算系统(例如，磁硬盘驱动器)、可移除地附接到计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(usb)的闪存)、或者经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储设备(nas))耦合到计算机系统。

请注意，并非所有上述一般描述中描述的活动或元素都是必需的，特定活动或设备的一部分可能不是必需的，除了描述的活动或元素之外，还可以执行一个或多个进一步的活动或包括一个或多个进一步的元素。此外，列出活动的顺序不一定是执行活动的顺序。此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域普通技术人员理解，在不脱离如所附权利要求所述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的，而不是限制性的，并且所有这些修改都旨在包括在本公开的范围内。

上面已经针对具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能得到任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征。此外，以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以不同但等效的方式修改和实践，这些方式对受益于本文教导的本领域技术人员来说是显而易见的。除了在所附权利要求中描述的以外，这里所示的构造或设计的细节不希望有限制。因此，显而易见的是，上述公开的特定实施例可以被改变或修改，并且所有这样的变化都被认为在公开主题的范围内。因此，在此寻求的保护如所附权利要求所述。