CN106896337A - 用于磁传感器校准的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括从磁强计采集磁数据、处理该磁数据从而执行稳健的校准、并且使用校准状态指示符生成最优校准参数。为此，该方法包括根据自先前存储的磁数据中整个磁场的上次校准和变化以来经过的时间来生成校准状态指示符、检测异常、并且使用先前存储的磁数据与该磁数据之间的比较来提取稀疏磁数据集。根据该磁数据集，使用校准方法为该磁强计生成校准参数。这些校准参数基于对这些校准参数执行有效性和稳定性检查而被存储，并且与先前存储的校准参数一起被加权从而产生加权校准参数。如果产生了加权校准参数，则根据这些加权校准参数生成校准设置。

Description

用于磁传感器校准的方法

技术领域

本披露涉及磁传感器领域，并且更具体地涉及的磁传感器的校准。

背景技术

便携式电子设备(诸如智能电话、智能手表、平板计算机、可穿戴式设备等等)在市场上越来越受欢迎。这类设备执行许多功能。在促进那些功能的执行上，这类设备可以包含各种传感器，诸如加速计、陀螺仪、气压计和磁强计。

磁强计可以起到检测磁场的功能，包括地球沿着其轴线的磁场。在操作时，这类磁强计产生与地球沿着轴线的磁场的强度和极性成比例的电压，磁强计根据该轴线定向。从这个电压中可以计算或估计沿着那条轴线的磁场的强度。

此磁场信息可以用于确定电子设备相对于地球磁北的取向，例如，或者可以用于确定电子设备的取向变化、或其他类型的信息。由于期望实现高精度确定相对于磁北的航向，需要校准这类磁强计的准确和精确的方法(其受到多个因素影响，诸如硬铁效应、软铁效应、和磁异常)。

发明内容

提供本概述以引入在以下详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

本文中所披露的一种方法包括从磁强计采集磁数据，并且在处理设备中，以及用于高精度校准磁强计传感器的方法和步骤从而输出可靠的测量结果。

根据进一步方面，本文所描述的校准过程可以自动计算校准质量、确定传感器的校准需要、并且从使用者正常移动和8模式运动中收集所需的磁强计数据。计算校准质量的过程基于多个参数，诸如自最近成功校准以来经过的时间、上次异常检测事件、和整个磁场的绝对变化。

该校准过程包括检测异常从而防止计算不准确的校准参数。使用异常检测过程计算校准参数的精度显著提高了校准过程的稳定性和精度。

该校准方法可以是椭球拟合或球状拟合。椭球表征内在误差，诸如软铁效应、硬铁效应、和磁强计传感器的机械误差(轴线的非正交性)。进一步地，该过程通过对唯一存储的磁强计测量结果执行稳健的椭球拟合来隔离错误数据。如果校准状态指示符指示自上次校准以来经过的时间超过阈值经过时间并且如果该校准状态指示符指示磁数据的异常，则可以生成校准参数。

用于执行校准的所存储的磁数据可以被解释为尺寸减小的最小数据集，从而执行稳定的校准。该过程可以为存储器和计算效率减小数据集。该磁数据集可以被存储，这样使得其具有相对于相邻元素间隔固定欧式距离并且在给定时间间隔期间被采集的元素。

检查磁数据集对于该校准方法而言是否是足够的过程可以包括确定磁数据集中的唯一样本的数量、确定磁数据集中的唯一样本的范围，并且如果该唯一样本数量超过唯一样本的阈值数量并且如果每条轴线的范围超过每条轴线的阈值范围则确定磁数据集是足够的。

还可以基于健全性检查指示所存储的唯一磁数据集不可用于校准方法而生成校准参数。对所存储的磁数据集执行健全性检查可以包括由磁数据集形成的互相关矩阵的本征值比较、和显著运动速度检查。

校准参数可以被生成作为新生成的校准参数集。这些参数可以被存储作为多个先前存储的校准参数集。一致性检查可以包括将新生成的校准参数集与多个先前存储的校准参数集进行比较并且丢弃与其他校准参数集最不一致的校准参数集。可以基于新校准参数的生成与先前存储的校准参数之间的时间差并且基于这些校准参数与先前存储的校准参数之间的一致性检查以及对这些校准参数的质量检查来将新的校准参数存储在校准参数缓冲区中。如果这些校准参数存储在校准参数存储器中，则对这些校准参数和先前存储的校准参数加权从而产生加权校准参数。

新的校准参数和先前存储的校准参数根据质量和这些校准参数的生成与目前时间之间的差被加权。

磁强计可以是便携式电子设备的一部分，并且该磁强计可以按照校准设置操作并且根据磁强计改变便携式电子设备的图形显示器。当结合加速度数据使用时，校准后的磁场强度测量结果可以用于确定设备相对于磁北的取向。上述步骤可以在处理设备中在少于两秒内执行。应认识到，设备对等物也在本披露的范围内。

附图说明

图1是如可以与本文中披露的技术一起使用的便携式电子设备的框图。

图2是校准便携式电子设备的磁传感器的方法的流程图。

图3是示出了图2的流程图中的充分性测试的单独步骤的流程图。

图4是示出了图2的流程图中的健全性测试的单独步骤的流程图。

具体实施方式

参照附图进行本描述，图中示出了示例实施例。然而，可以使用许多不同的实施例，并且因此本描述不应被解释为被限制到在此列出的实施例。而是，提供这些实施例从而使得本披露将是透彻的和完整的。贯穿全文相同的附图标记是指相同的元件。

将在本文中描述用于在电子设备中使用的校准磁传感器、或磁强计的方法和技术。现在将参照图1描述这类样本电子设备100。电子设备100是便携式的并且可以是智能电话、智能手表、平板计算机，或者可以具有另一个合适的形状因数。电子设备100包括产生与地球沿着轴线的磁场的强度和极性成比例的电压的磁传感器或磁强计102，磁强计根据该轴线定向。处理设备104(诸如微处理器、可编程逻辑设备、现场可编程门阵列、微控制器、或片上***)被联接成接收磁强计102的输出。显示器106联接至处理设备104用于显示输出目的，并且为了接收输入目的可以是触敏式的。

参照图2的流程图200，现在描述校准磁强计102的方法。应理解的是，本文中所描述的任何步骤可以由处理设备104执行，即使是没有如此具体描述。磁数据由处理设备104从磁强计102(框202)以有规律间隔(诸如一秒的有规律间隔)采集。在每次数据采集之后，处理设备104检查在那次采集过程中或在某一时间段(包括采集)期间收集的数据的异常(框204)。异常检查是通过查看磁数据的量值来执行的，诸如通过看磁数据中的元素的量值和是否超过阈值。如果检测到异常，则不期望使用那项磁数据，并且甚至可能不期望使用在那项磁数据收集那次之前的一段时期内收集的磁数据，从而存储磁数据(和先前收集的磁数据)的数据缓冲区或数据存储器被擦除或删除(框206)，并且然后采集新的磁数据(返回到框202)。

如果没有发现异常，则检查磁数据以确定磁强计102在数据采集过程中是静止还是在运动(框208)。这类运动可能是由于使用者指令移动电子设备100的模式引起的，如图8。通过将磁数据的范围与阈值范围进行比较来确定磁强计102是静止还是在运动。如果磁强计102是静止的，则磁数据不适合用于校准目的，并且该方法然后返回到采集磁数据(返回到框202)。

如果磁强计102在数据采集过程中是运动的，则计算校准状态指示符(框210)。根据自上次校准以来经过的时间、是否发现异常和整个磁场的变化来计算校准状态指示符。校准状态指示符还可以根据电子设备100的周围环境来进行计算，例如，通过审查磁强计102在过去某一间隔内收集的数据并计算那些数据值的平均值和变化来确定。这些不同阈值是设计选项，并且它们最终确定在给定时间校准状态指示符是否指示是进行还是不进行校准(框212)。如果不进行校准，诸如由于仍然认为上次校准有效，则该方法返回到采集磁传感器测量数据(返回到框202)。

如果校准状态指示符指示上次校准不再有效，则开始存储用于校准的唯一磁数据集的过程(框214)。通过将先前存储的磁数据与来自磁强计102的当前磁数据进行比较来提取唯一磁数据元组集。具体而言，计算先前存储的磁数据与来自磁强计102的当前磁数据之间的时间差，并且计算当前磁数据与先前存储的磁数据之间的欧式距离。丢弃比给定时间更早的先前存储的磁数据，并且存储当前磁数据的唯一项。这个步骤的目的是具有值(变化)范围宽、并且优选地与在欧氏距离方面值均匀间隔开的磁测量数据集。

一旦提取了磁数据集，就确定该磁数据集是否足够用于校准过程(框216)。现在另外参照图3描述这种充分性检查的细节。确定磁数据集的唯一样本或成员的数量并且将其与样本数量阈值进行比较(框216A)。如果唯一样本的数量不足，则该方法返回到采集磁数据(返回到框202)。

如果唯一样本的数量充足，则磁数据集的每条轴线的范围与阈值范围比较(框216B)。如果每条轴线的范围不大于阈值范围，则该方法返回到采集磁数据(返回到框202)。如果每条轴线的范围大于阈值范围，则执行健全性检查(块218)。

现在另外参照图4描述这种健全性检查的细节。首先，计算磁强计数据的互相关矩阵的本征值(框218A)。所产生的本征值表示磁数据沿着三条正交轴线(其可以或可以不与磁强计102的轴线不同)的变化。如果大本征值与小本征值之比大于阈值比(框218B)，则沿着有待用于校准的磁数据集的一条轴线的旋转不足，或者沿着一条轴线存在过大变化，这引起不期望磁数据集用于校准，并且该方法返回到采集磁数据(框202)。

如果该比率小于阈值比，则健全性检查通过，并且该方法继续进行校准(框220)。该校准是经由椭球拟合来执行的，其中，首先生成抛物曲线的参数，并且约束条件用于检查这些参数是否满足椭球体约束条件。以下将给出椭球拟合的进一步细节。

在执行校准之后，对新校准参数执行一致性检查(框222)。一致性检查确定新计算的校准参数是否与先前存储的校准参数一致和是否在特定范围内。如果基于偏置和比例因数的比较，新计算的校准参数与先前存储的校准参数不一致，则它将不被存储，并且该方法返回到采集磁数据(返回到框202)。接下来，新计算的(并且现在在框228存储的)校准参数与先前存储的校准参数一起被加权(框230)。根据质量、与校准参数的其余部分的一致性、以及每个校准参数集与目前时间之间经过的时间来执行此加权。然后，根据加权校准参数生成校准设置(框232)，诸如通过计算比例和偏置的加权平均值。然后，这些结果可用于供处理设备104用于从磁强计102收集数据。然后，所收集的磁强计值可以用于生成使用者输出、影响使用者输入、和做出使用者接口决策和操作。

现在将给出经由椭球拟合进行校准的细节。磁数据受到硬铁(HI)偏置和软铁(SI)偏置影响。数学上，这可以表示为：

式中，B^m是来自磁强计102的、受到硬铁(HI)偏置和软铁(SI)偏置影响的磁传感器测量数据，并且是真值。HI将会将生成的球体移位到非零原点，并且SI将会使球体变形成椭球体。整个磁场可以表示为：

和

(B^m-HI)^T(SI^T*SI)*(B^m-HI)＝H² (3)

(B^m-HI)^T*R*(B^m-HI)＝H² (4)

此处，R是对称且方形的矩阵。椭球体拟合算法将能够计算R矩阵，但是计算R的SI矩阵存在问题，因为R没有唯一解。由于R矩阵是对称的并且具有6个未知参数并且原始SI矩阵具有9个未知变量，因此SI矩阵不能被直接计算。

以另一种方式阐述，当球体转动时，结果将仍然是球体。因此最终，由于平方运算而失去角度信息。为了克服这一问题，施加一条轴线与其原始方向完全对准的约束条件。使用这个约束条件，Sl矩阵可以用以下格式表示：

因此，可以通过执行U-D因式分解从R计算SI矩阵。以扭曲的椭球形式重新排列各项引起：

然后，这个二次曲线方程的拟合可以通过使平方距离和最小化来求解，这可以表示为：

这个最小化具有许多解并且按照椭球体拟合，系数应满足以下条件：

4(ab+bc+ac-d²-e²-f²)＞(a+b+c)² (8)

方程8可以用以下格式书写：

A^TCA＝λ

式中，A＝[a,b,c,d,e,f,g,h,I,G]]，λ为正并且C为：

在对该方程求解之后，得到参数，并且然后计算椭球体的轨迹、旋转和半径。一旦该计算完成，该算法就检查系数的适值和比例因数的范围。如果二者都在范围内，则该算法已经成功。这种算法将返回最有可能的椭球体而不是二次曲线系数。

应认识到，上述技术提供了一种磁强计102，该磁强计提供经改善的(即，更精确的和更精确的)结果，并且因此改进了磁强计102本身的功能。还应认识到，上述各种技术必须执行得比人在纸上可以执行它们更快，以便该方法起效。实际上，图2的流程图200的步骤在3秒内、或在2秒内执行。还应理解到，由于处理设备104被配置成用于执行本文中所描述步骤，内部的各晶体管已被偏置并且以特定配置被配置，从而使得处理设备104(正如其在本文中运行的那样)形成特定用途的处理设备104。

校准设置被磁强计102用来调整其收集的数据的、或者被处理设备104用来计算和提供校准后的磁场强度、磁强计102收集的数据。根据校准设置，磁强计102收集的数据然后可以用于各种功能，诸如确定设备取向和确定设备相对于地球磁北的取向。

许多修改和其他实施例对于受益于前面的描述和附图中呈现的教导的本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，理解的是各种修改和实施例旨在被包括在所附权利要求书的范围之内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

从磁强计采集磁数据；并且

在处理设备中执行以下步骤：

根据自先前存储的磁数据中整个磁场的上次校准和变化以来经过的时间来生成校准状态指示符；

检测所述磁数据的异常；

基于所述校准状态指示符，使用所述先前存储的磁数据与来自所述磁强计的所述磁数据之间的比较来提取稀疏磁数据集；

如果所述稀疏磁数据集被提取并且是足够的，则根据所述磁数据集，使用校准方法为所述磁强计生成校准参数；

基于对所述校准参数执行有效性和稳定性检查，将所述校准参数存储在校准参数存储器中；

如果所述校准参数存储在所述校准参数存储器中，则对所述校准参数和所述先前存储的校准参数加权从而产生加权校准参数；并且

如果产生了所述加权校准参数，则根据所述加权校准参数生成校准设置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准方法包括椭球拟合。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括使用所述椭球拟合来计算内在的误差源。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述内在的误差源包括偏置、比例因子、和软铁。

5.如权利要求1所述的方法，其中，如果所述校准状态指示符指示质量低，则重新计算所述校准参数，所述低质量基于自上次校准以来经过的时间超过阈值经过时间、整个磁场的变化以及所述校准状态指示符指示所述磁数据的异常。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁数据集被提取从而具有相对于相邻元素具有最大欧式距离并且在给定时间间隔期间采集的最小元素。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准参数被生成作为新生成的校准参数集；其中，所述先前存储的校准参数被存储作为多个先前存储的校准参数集；并且其中，所述有效性检查包括将所述新生成的校准参数集与所述多个先前存储的校准参数集进行比较并且丢弃与其他校准参数集最不一致的校准参数集。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准参数还基于所述校准参数的生成与所述先前存储的校准参数之间的时间差并且还基于所述校准参数存储器中可用的空间而存储在所述校准参数存储器中。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准参数和所述先前存储的校准参数根据质量和所述校准参数的生成与目前时间之间的差被加权。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁数据集是否足够是通过以下内容确定的：

确定所述磁数据集中的唯一样本的数量；

确定偏离所述磁数据集的每条轴线的范围；以及

如果所述唯一样本数量超过唯一样本的阈值数量并且如果每条轴线的所述范围超过每条轴线的阈值范围，则确定所磁数据集是足够的。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述校准参数的生成还基于所述有效性检查指示所述磁数据集对于所述校准方法而言是健全的；并且其中，对所述磁数据集执行所述有效性检查包括：

计算由所述磁数据集形成的互相关矩阵的本征值；

使用所述本征值检查每条轴线的跨度和强度；并且

如果所述跨度小于阈值比，则确定所磁数据集是健全的。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁强计是便携式电子设备的一部分；并且该方法进一步包括按照所述校准设置操作所述磁强计并且根据所述磁强计改变所述便携式电子设备的图形显示器。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤是在所述处理设备中在少于两秒内执行的。

14.一种电子设备，包括：

磁强计；以及

处理设备，所述处理设备被配置成用于：

根据自先前存储的磁数据中整个磁场的上次校准和变化以来经过的时间来生成校准状态指示符；

检测所述磁数据的异常；

基于所述校准状态指示符，使用所述先前存储的磁数据与来自所述磁强计的所述磁数据之间的比较来提取稀疏磁数据集；

如果所述稀疏磁数据集被提取并且是足够的，则根据所述磁数据集，使用校准方法为所述磁强计生成校准参数；

基于对所述校准参数执行有效性和稳定性检查，将所述校准参数存储在校准参数存储器中；

如果所述校准参数存储在所述校准参数存储器中，则对所述校准参数和所述先前存储的校准参数加权从而产生加权校准参数；并且

如果产生了所述加权校准参数，则根据所述加权校准参数生成校准设置。

15.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述校准方法包括椭球拟合。

16.如权利要求15所述的电子设备，其中，所述处理设备被进一步被配置成用于使用所述椭球拟合来计算内在的误差源。

17.如权利要求16所述的电子设备，其中，所述内在的误差源包括偏置、比例因子、和软铁。

18.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述处理设备被进一步配置成用于如果所述校准状态指示符指示质量低则重新计算所述校准参数，所述低质量基于自上次校准以来经过的时间超过阈值经过时间以及所述校准状态指示符指示所述磁数据的异常。

19.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述处理设备被配置成用于提取所述磁数据集从而具有相对于相邻元素具有最大欧式距离并且在给定时间间隔期间采集的最小元素。

20.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述校准参数被生成作为新生成的校准参数集；其中，所述先前存储的校准参数被存储作为多个先前存储的校准参数集；并且其中，所述有效性检查包括将所述新生成的校准参数集与所述多个先前存储的校准参数集进行比较并且丢弃与其他校准参数集最不一致的校准参数集。