JP2011169656A - Device for detection of magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
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ベクトルなどの磁気ベクトルを検知する磁界検知装置に係り、特に磁気検知部に対して磁気ベクトルが三次元空間内で回動したときに、その回転軌跡を判別して、磁気ベクトルの回転運動を正確に知ることができる磁界検知装置に関する。 The present invention relates to a magnetic field detection device that detects a magnetic vector such as a geomagnetic vector with a magnetic sensor directed in each of three orthogonal directions, particularly when the magnetic vector rotates in a three-dimensional space with respect to a magnetic detection unit. The present invention relates to a magnetic field detection device capable of discriminating a rotation trajectory and accurately knowing the rotational motion of a magnetic vector.
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する磁界検知装置は、地磁気を検知する地磁気検知装置などとして使用される。 A magnetic field detection device using a triaxial magnetic sensor that detects magnetic field strengths in three directions orthogonal to each other is used as a geomagnetic detection device that detects geomagnetism.
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。
The magnetic gyro described in
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。
The magnetic gyro described in
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、地磁気検出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、地磁気検出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。
特許文献２に記載された姿勢センサは、地磁気検出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。
The posture sensor described in
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。
The three-axis attitude detection device described in
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軸の方向に向くセンサで地磁気ベクトルなどの磁気ベクトルを検知するものであり、磁気検知部に対して磁気ベクトルが傾いたときに、その回転運動などを高精度に検知することができる磁界検知装置を提供することを目的としている。 The present invention solves the above-described conventional problems, and detects a magnetic vector such as a geomagnetic vector with a sensor oriented in the directions of three orthogonal axes, and when the magnetic vector is inclined with respect to the magnetic detection unit. An object of the present invention is to provide a magnetic field detection device capable of detecting the rotational motion and the like with high accuracy.
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、
前記演算部は、三次元座標上に前記極大値を半径とする球面を設定し、間欠的にサンプリングした複数の前記検知出力から求められる磁気ベクトルの向きを前記球面上の座標点として求め、所定の間隔を空けて得られた２つの基準座標点を結ぶ線を基準直線とし、２つの基準座標点の間に得られた複数の座標点のそれぞれを前記基準直線に垂直に降ろした算出用ベクトルを求め、複数の前記算出用ベクトルから代表ベクトルを求め、前記代表ベクトルと前記２つの基準座標点を含む平面を求めて、前記平面と前記球面との交線を座標点の移動軌跡とすることを特徴とするものである。
The present invention includes a magnetic detection unit in which the X direction, the Y direction, and the Z direction orthogonal to each other are determined as reference directions, and a calculation unit.
An X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction is directed to the magnetic direction and the absolute value of the detection output when the Y direction is directed to the magnetic direction. Is equipped with a Y-axis sensor in which the maximum value is detected, and a Z-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value when the Z direction is directed to the magnetic direction,
The calculation unit sets a spherical surface having the maximum value as a radius on a three-dimensional coordinate, obtains a direction of a magnetic vector obtained from a plurality of intermittently sampled detection outputs as a coordinate point on the spherical surface, and A calculation vector in which a line connecting two reference coordinate points obtained with an interval is set as a reference straight line, and each of a plurality of coordinate points obtained between the two reference coordinate points is lowered vertically to the reference straight line. And obtaining a representative vector from a plurality of the calculation vectors, obtaining a plane including the representative vector and the two reference coordinate points, and using an intersection line of the plane and the spherical surface as a movement locus of the coordinate points. It is characterized by.
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磁気ベクトルの情報を球面上の座標点として複数個取得し、座標点のベクトルを用いて計算することで、絶対空間内での磁気ベクトルの移動軌跡などを演算することができる。例えば、磁気検知部のＸ方向とＹ方向およびＺ方向が、空間内で傾いていても、絶対的な回転運動の検出が可能である。 The present invention obtains a plurality of magnetic vector information specified by detection outputs of the X-axis sensor, the Y-axis sensor, and the Z-axis sensor as coordinate points on the spherical surface, and calculates using the coordinate point vectors, The movement trajectory of the magnetic vector in the absolute space can be calculated. For example, even if the X direction, the Y direction, and the Z direction of the magnetic detection unit are inclined in the space, it is possible to detect an absolute rotational motion.
本発明は、例えば、前記算出用ベクトルの全てまたは一部を平均した平均値ベクトルを求め、前記平均値ベクトルと前記２つの基準座標点を含む平面を求める。あるいは、前記算出用ベクトルのうちの最大値ベクトルを求め、前記最大値ベクトルと前記２つの基準座標点を含む平面を求める。 In the present invention, for example, an average value vector obtained by averaging all or part of the calculation vectors is obtained, and a plane including the average value vector and the two reference coordinate points is obtained. Alternatively, a maximum value vector of the calculation vectors is obtained, and a plane including the maximum value vector and the two reference coordinate points is obtained.
本発明は、前記平面と前記球面との交線で描かれる円の中心と、前記球面の中心とを通る線を演算し、この線をその時点での磁気ベクトルの回転軸として求めることができる。 In the present invention, a line passing through the center of the circle drawn by the intersection line of the plane and the spherical surface and the center of the spherical surface is calculated, and this line can be obtained as the rotation axis of the magnetic vector at that time. .
さらに本発明は、２つの座標点の前記回転軸を中心とする開き角度と、２つの前記座標点が得られる時間とから、その時点での磁気ベクトルの角速度を求めることができる。 Further, according to the present invention, the angular velocity of the magnetic vector at that time can be obtained from the opening angle of the two coordinate points around the rotation axis and the time when the two coordinate points are obtained.
例えば、磁気検知部のＸ方向とＹ方向およびＺ方向が、空間内で傾いていても、空間内での磁気ベクトル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。 For example, even if the X direction, the Y direction, and the Z direction of the magnetic detection unit are inclined in the space, the angular velocity of the motion of the magnetic vector in the space can be accurately known. Further, according to the present invention, the angular acceleration can be obtained by differentiating the calculated angular velocity with respect to the time.
本発明は、複数の座標点の演算値をメモリに順に記憶し、メモリから順に引き出された値を使用してその時点での前記交線を求めるものである。 In the present invention, calculation values of a plurality of coordinate points are sequentially stored in a memory, and the intersection line at that time is obtained using values sequentially extracted from the memory.
また本発明は、メモリに記憶された最新の値と、最新の値から所定サンプリング数または所定時間だけ遡った過去の値とから２つの基準座標点を求め、新たな値が得られる度に、２つの基準座標点を順次更新していくものである。 Further, the present invention obtains two reference coordinate points from the latest value stored in the memory and a past value that is a predetermined number of samplings or a predetermined time after the latest value, and each time a new value is obtained, Two reference coordinate points are sequentially updated.
本発明は、直交する３軸方向に向けられたセンサの検知出力を用いて、磁気ベクトルの絶対的な方位や運動の角速度などを高精度に検知できる。 The present invention can detect the absolute direction of a magnetic vector, the angular velocity of a motion, and the like with high accuracy by using detection outputs of sensors directed in three orthogonal directions.
また３軸方向に向けられた磁気のセンサのみで構成されるため、小型化と薄型化ができ、消費電力も少ない磁界検知装置を提供することができる。 In addition, since it is composed of only magnetic sensors directed in the three-axis directions, it is possible to provide a magnetic field detection device that can be reduced in size and thickness and consumes less power.
図１に示す本発明の実施の形態の磁界検知装置１は、地磁気検知装置として使用されるものであり、磁気検知部２を有している。図４に示すように、磁気検知部２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。磁界検知装置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。
A magnetic
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合金で形成された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。
As shown in FIG. 4, the
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。
The
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中点電圧が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軸の検知出力が原点となる。
In the magnetic field data detection unit 6 shown in FIG. 1, the
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、前記原点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、前記原点に対してマイナス側の極大値となる。
When the entire
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中点電圧がＹ軸またはＺ軸の検知出力として取り出される。
Each of the Y-
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軸の検知出力は、原点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、原点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軸の検知出力は、原点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ＰＹ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、原点に対してマイナス側の極大値となる。
When the fixed direction PY of the magnetization of the fixed magnetic layer of the Y-
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。
If the magnitude of the geomagnetic vector V is constant, the detection outputs from the
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。
As the
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。
As shown in FIG. 1, the detection outputs of the X axis, the Y axis, and the Z axis detected by the magnetic field data detection unit 6 are given to the
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。
A memory 7 is connected to the CPU constituting the
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に変換されて、データバッファ（バッファメモリ）１１に格納される。クロック回路と同期して短いサイクルでサンプリングされて演算された前記座標点データＤは、図３に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに与えられる。座標点データＤが格納部１１ａに与えられる毎に、座標点データＤが格納部１１ａから１１ｍまで順に送り出され、最終段の格納部１１ｍの座標点データＤが捨てられる。磁界検知装置１が動作している間は、磁場データ検知部６から最新のデータが一定時間毎に読み出され続け、演算後の座標点データＤがデータバッファ１１に順番に格納されていく。
As shown in FIG. 2, the
図５に示す三次元座標のＸ−Ｙ−Ｚの各軸は、磁界検知装置１に固定されて設定されており、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。
Each axis of XYZ of the three-dimensional coordinates shown in FIG. 5 is set to be fixed to the magnetic
図５に示すように、磁気検知部２が地球上のいずれかの場所に置かれると、磁気検知部２のＸ軸センサ３から検知出力ｘｂが得られ、Ｙ軸センサ４から検知出力ｙｂが得られ、Ｚ軸センサ５から検知出力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。座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）はサンプリング周期毎に次々と得られ、データバッファ１１に順に格納されていく。
As shown in FIG. 5, when the
この磁界検知装置１は、電源が投入された直後にキャリブレーションを行う必要がある。このキャリブレーションは、磁界検知装置１を搭載した携帯機器などを任意の方向へ数回だけ回転させることで行われる。主演算部１５では、キャリブレーションにおいて次々に得られる座標点データＤのいくつかをサンプリングする。少なくとも３個の座標点データＤを得ることで、その時点での座標点データＤの回転軌跡に一致する円を特定できる。この円が複数個求められ、それぞれの円の中心を通る中心線が求められ、さらに中心線の交点が演算される。主演算部１０では、キャリブレーションの結果として得られた前記交点が、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標の基準原点Ｏとなるように補正される。
The magnetic
キャリブレーションにより三次元座標の基準原点Ｏが得られると、その後の検知出力から演算される座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）は、三次元座標上の基準原点Ｏを中心とする球面Ｇ上の点として把握される。この球面Ｇの半径Ｒは、Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４、Ｚ軸センサ５の検知出力の極大値の絶対値に相当する。球面Ｇの半径Ｒは、そのときの測定場所によって相違し、検知される地磁気ベクトルＶの絶対値の大小に応じて球面Ｇの半径Ｒも変化する。
When the reference origin O of the three-dimensional coordinates is obtained by the calibration, the coordinate point data D (xb, yb, zb) calculated from the subsequent detection output is a spherical surface G centered on the reference origin O on the three-dimensional coordinates. It is grasped as the upper point. The radius R of the spherical surface G corresponds to the absolute value of the maximum value of the detection outputs of the
図５は、磁界検知装置１に設定されているＺ軸が重力方向に向けられている状態を示している。この場合、検知出力から得られる座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）と、三次元座標の基準原点Ｏを結ぶ線が地磁気ベクトルＶである。この状態で、磁界検知装置１をＺ軸を中心として（重力方向に向く軸を中心として）回転させると、次々とサンプリングされていく座標点データＤ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）が、Ｚ軸を中心とし且つＸ−Ｙ軸と平行な水平緯度線Ｈａに沿って移動する。
FIG. 5 shows a state in which the Z axis set in the magnetic
ここで、演算部１０において基準軸Ｚの方向が重力方向に向けられていることを認識していれば、水平緯度線ＨａとＺ軸との交点を中心とする複数の座標点データＤの開き角度と、サンプリング時間とから角速度を求めることが可能である。しかし、実際には、この磁界検知装置１およびこの磁界検知装置１を搭載している携帯用機器に、自らの姿勢を検知する検知装置が搭載されておらず、磁気検知装置１の装置内の基準座標であるＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標がどの方向に向けられているのか認識できない。
Here, if the
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、磁気検知装置１を任意の軸を中心として回転させたときに、どの向きでどのような回転が行われているのかを演算できるようにしている。
Therefore, in the
図６には、磁界検知装置１が、Ｘ−Ｙ−Ｚ以外の任意の軸Ｓ０を中心として回転しているときに得られた座標点データＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎが示されている。この座標点データが得られている時点では、軸Ｓ０がどの向きであるか特定されておらず、座標点データＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎが移動する円の軌跡も特定できていない。
FIG. 6 shows coordinate point data D1, D2,..., Dn obtained when the magnetic
最新の座標点データＤ１は、図３に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに格納され、座標点データＤ２，Ｄ３，・・・，Ｄｎは、格納部１１ｂ，１１ｃ，・・・に順に格納されている。
The latest coordinate point data D1 is stored in the
図２に示す演算部１０の回転平面計算部１２では、その時点での最新の座標点データＤ１と、それよりも過去に得られた座標点データＤｎを基準座標点データとして抽出し、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤ２とを結ぶ基準直線Ｌ１を設定する。基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎの間隔は予め決められている。この間隔は、三次元座標上での基準直線Ｌ１の長さで規定されていてもよいし、所定のサンプリング数の前後の座標点データを基準座標点データとしてもよい。または、所定の時間で得られた２つの座標点データを基準座標点データとしてもよい。
In the rotation
基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎの間には複数の座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・が存在している。磁界検知装置１が軸Ｓ０を中心として回転していれば、基準座標点データは、軸Ｓ０を中心とする円弧軌跡である緯度線Ｈ１上に現れるはずであるが、実際には、磁界検知装置１を軸Ｓ０がぶれずに回転させることは困難であり、またＸ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５にノイズが重畳するため、座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・が必ずしも緯度線Ｈ１上を移動しない。
A plurality of coordinate point data D2, D3, D4,... Exist between the reference coordinate point data D1 and the reference coordinate point data Dn. If the magnetic
そこで、回転平面計算部１２では、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎとの間に得られた複数の座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・のそれぞれから基準直線Ｌ１に延びる垂線を求め、この垂線と基準直線Ｌ１との交点から、それぞれの座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・に延びる算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・を求める。
Therefore, in the rotation
図９には、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎとを結ぶ基準直線Ｌ１と、座標点データＤ４から基準直線Ｌ１に下ろした垂線Ｌｍと、基準直線Ｌ１と垂線Ｌｍとの交点Ｋが示されている。基準座標点データＤ１はＸ−Ｙ−Ｚの三次元座標において（ｘ１，ｙ１，ｚ１）で表され、基準座標点データＤｎは、（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）で表される。また座標点データＤ４は、（ｘ４，ｙ４，ｚ４）で表される。 In FIG. 9, a reference straight line L1 connecting the reference coordinate point data D1 and the reference coordinate point data Dn, a perpendicular line Lm drawn from the coordinate point data D4 to the reference straight line L1, and an intersection point K between the reference straight line L1 and the perpendicular line Lm are shown. It is shown. The reference coordinate point data D1 is represented by (x1, y1, z1) in the three-dimensional coordinates of XYZ, and the reference coordinate point data Dn is represented by (xn, yn, zn). The coordinate point data D4 is represented by (x4, y4, z4).
基準直線Ｌ１の式、すなわち基準直線Ｌ１上の任意の点の座標（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）は、Ｔを変数として、以下で表される。 The formula of the reference straight line L1, that is, the coordinates (xl, yl, zl) of an arbitrary point on the reference straight line L1, is expressed below with T as a variable.
ｘｌ＝ｘ１＋Ｔ×（ｘ１−ｘｎ）
ｙｌ＝ｙ１＋Ｔ×（ｙ１−ｙｎ）
ｚｌ＝ｚ１＋Ｔ×（ｚ１−ｚｎ）
xl = x1 + T * (x1-xn)
yl = y1 + T × (y1-yn)
zl = z1 + T × (z1-zn)
基準直線Ｌ１上に位置する前記交点Ｋでの前記Ｔを固定値Ｔｋとすると、前記交点Ｋの座標（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）は、以下で表される。 Assuming that T at the intersection K located on the reference straight line L1 is a fixed value Tk, the coordinates (xk, yk, zk) of the intersection K are expressed as follows.
ｘｋ＝ｘ１＋Ｔｋ×（ｘ１−ｘｎ）
ｙｋ＝ｙ１＋Ｔｋ×（ｙ１−ｙｎ）
ｚｋ＝ｚ１＋Ｔｋ×（ｚ１−ｚｎ）
xk = x1 + Tk × (x1−xn)
yk = y1 + Tk × (y1-yn)
zk = z1 + Tk * (z1-zn)
次に、垂線Ｌｍの式、すなわち垂線Ｌｍ上の任意の点の座標（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）は、以下で表される。 Next, the expression of the perpendicular Lm, that is, the coordinates (xm, ym, zm) of an arbitrary point on the perpendicular Lm is expressed as follows.
ｘｍ＝｛ｘ１＋Ｔｋ×（ｘ１−ｘｎ）｝−ｘ４
ｙｍ＝｛ｙ１＋Ｔｋ×（ｙ１−ｙｎ）｝−ｙ４
ｚｍ＝｛ｚ１＋Ｔｋ×（ｚ１−ｚｎ）｝−ｚ４
xm = {x1 + Tk × (x1−xn)} − x4
ym = {y1 + Tk * (y1-yn)}-y4
zm = {z1 + Tk × (z1−zn)} − z4
基準直線Ｌ１と垂線Ｌｍが直交するための条件は、基準直線Ｌ１と垂線Ｌｍの内積演算がゼロとなることである。 The condition for the reference straight line L1 and the perpendicular Lm to be orthogonal is that the inner product operation of the reference straight line L1 and the perpendicular Lm is zero.
〔｛ｘ１＋Ｔｋ×（ｘ１−ｘｎ）｝−ｘ４〕×（ｘ１−ｘｎ）＋〔｛ｙ１＋Ｔｋ×（ｙ１−ｙｎ）｝−ｙ４〕×（ｙ１−ｙｎ）＋〔｛ｚ１＋Ｔｋ×（ｚ１−ｚｎ）｝−ｚ４〕×（ｚ１−ｚｎ）＝０ [{X1 + Tk × (x1−xn)} − x4] × (x1−xn) + [{y1 + Tk × (y1−yn)} − y4] × (y1−yn) + [{z1 + Tk × (z1−zn)} -Z4] * (z1-zn) = 0
上記内積演算でｔｋを演算することで、交点Ｋの座標（ｘｋ，ｙｋ，ｚｋ）を求めることができ、算出用ベクトルＶ４を特定できる。同様にして他の算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・を求めることができる。 By calculating tk by the inner product calculation, the coordinates (xk, yk, zk) of the intersection K can be obtained, and the calculation vector V4 can be specified. Similarly, other calculation vectors V2, V3, V4,... Can be obtained.
図８は、基準直線Ｌ１の延長線上から、基準直線Ｌ１に沿ってそれぞれの算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・を見たＶＩＩＩ矢視図である。図８に示すように、それぞれの算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・には、ばらつきが生じている。そこで、回転平面計算部１２で、基準座標点データＤ１と基準座標点データＤｎとの間に得られる全ての算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・の平均値を演算し、平均値ベクトルを代表ベクトルとする。図８では、平均値として演算された平均値ベクトルをＶａで示している。
FIG. 8 is a VIII arrow view of the calculation vectors V2, V3, V4,... Seen along the reference line L1 from the extended line of the reference line L1. As shown in FIG. 8, the calculation vectors V2, V3, V4,... Vary. Therefore, the rotation
２つの基準座標点データＤ１，Ｄ２と代表ベクトルである平均値ベクトルＶａとを含む平面と、三次元座標上の球面Ｇとの交線を求めると、その時点で地磁気ベクトルの座標点が移動している軌跡となる緯度線Ｈ１を推定することができる。そして、演算部１０に設けられた回転軸計算部１３で軸Ｓ０を推定することができる。例えば、推定された緯度線Ｈ１上の任意の２つの点を結ぶ円弧に垂直で且つ前記平面に含まれる垂線を求め、さらに緯度線Ｈ１上の他の任意の２つの点に関して同様にして垂線を求め、２つの垂線の交点を回転中心Ｏ１として推定する。推定された回転中心Ｏ１と、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標の基準原点Ｏとを結ぶ線が軸Ｓ０として推定される。
When the intersecting line between the plane including the two reference coordinate point data D1 and D2 and the average value vector Va which is a representative vector and the spherical surface G on the three-dimensional coordinates is obtained, the coordinate point of the geomagnetic vector moves at that time. It is possible to estimate a latitude line H1 that is a trajectory. Then, the axis S0 can be estimated by the rotation
上記演算により、磁界検知装置１が任意の軸を中心として回転したときに、その軸Ｓ０を推定でき、現時点で磁界検知装置１がどのような運動をしているかを知ることができる。例えば、過去に得られた任意の座標点データ（例えばＤ３とＤ５）を使用し、この座標点データＤ３，Ｄ５の回転中心Ｏ１からの開き角度を求めることができる。さらに演算部１０の角速度計算部１４では、前記開き角度を、２つの座標点データＤ３，Ｄ５のサンプリング時間で微分することで、角速度を求めることが可能である。
By the above calculation, when the magnetic
演算部１０では、所定のサンプリング時間を経て新たな座標点データＤ１が次々に、データバッファ１１の格納部に与えられてくる。したがって、新たなデータバッファ１１が得られる度に、または所定のサンプリング数毎に、得られた座標点データを新たな基準座標点データＤ１とし、この基準座標点データＤ１を基準として過去の座標点データを選んで基準座標点データＤｎとし、同じ演算を行う。これにより、推定される緯度線Ｈ１と推定される軸Ｓ０とが順次更新されて行く。この更新を繰り返すことで、磁界検知装置１の回転運動を正確に把握でき、また常に正確な角速度を演算できるようになる。
In the
なお、回転平面計算部１２で緯度線Ｈ１を推定する際に、２つの基準座標点データＤ１，Ｄｎの間に位置する全ての座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４・・・から算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・を演算するのではなく、座標点データＤ２，Ｄ３，Ｄ４・・・のうちのいずれかの数個を選択して、算出用ベクトルを算出してもよい。
When the rotation
また、代表ベクトルの決め方としては、２つの基準座標点データＤ１，Ｄｎの間に位置する全ての算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・から平均値ベクトルを演算してこれを代表ベクトルとしてもよいし、２つの基準座標点データＤ１，Ｄｎの間に位置する全ての算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・のいずれか数個を選択し、選択された演算用ベクトルの平均値を代表ベクトルとしてもよい。 Further, as a method of determining the representative vector, an average value vector is calculated from all the calculation vectors V2, V3, V4,... Located between the two reference coordinate point data D1, Dn, and this is used as the representative vector. Alternatively, any one of all the calculation vectors V2, V3, V4,... Located between the two reference coordinate point data D1, Dn is selected, and the average value of the selected calculation vectors May be a representative vector.
この場合に、Ｖ２やＶ６のように絶対値の小さい算出用ベクトルを無視し、Ｖ４，Ｖ５のように絶対値が所定値以上の算出用ベクトルを抽出して平均ベクトルを求め、これを代表ベクトルとすると、代表ベクトルと２つの基準座標点データＤ１，Ｄｎとから実際の回転平面に近い平面を算出する確率を高くできる。 In this case, a calculation vector having a small absolute value such as V2 or V6 is ignored, a calculation vector having an absolute value equal to or larger than a predetermined value is extracted, such as V4 and V5, and an average vector is obtained. Then, the probability of calculating a plane close to the actual rotation plane from the representative vector and the two reference coordinate point data D1 and Dn can be increased.
あるいは、全ての算出用ベクトルＶ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・のうちの絶対値が最大である１つの算出用ベクトルを、代表ベクトルとして決めてもよい。この場合、平均値ベクトルを求める手法に比べて、推定された平面と実際の回転平面との間に誤差が生じる可能性があるが、角速度を演算するための中心軸を求める場合に、角速度の誤差をある程度の範囲に収めることができる。 Alternatively, one of the calculation vectors V2, V3, V4,... Having the maximum absolute value may be determined as the representative vector. In this case, there is a possibility that an error may occur between the estimated plane and the actual rotation plane as compared with the method for obtaining the average value vector. However, when obtaining the central axis for calculating the angular velocity, The error can be kept within a certain range.
本発明の磁界検知装置は、重力加速度などの姿勢検知手段を設けなくても、３軸の磁気センサのみで、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。 The magnetic field detection apparatus of the present invention can calculate an angular velocity by specifying a three-dimensional rotational motion using only a three-axis magnetic sensor without providing posture detection means such as gravitational acceleration. Therefore, it can be used for a portable game device or an input device of a game device. It can also be used as a detection unit that detects changes in posture of the robot's arms and joints.
さらに、本発明の磁界検知装置は、地磁気以外の外部磁界の磁気ベクトルの向きや動きを検知する装置として使用可能である。例えば磁気検知装置を固定し、外部の磁気ベクトルがどの方向からどのような運動で接近してきているかの検知も可能である。 Furthermore, the magnetic field detection device of the present invention can be used as a device for detecting the direction and movement of a magnetic vector of an external magnetic field other than geomagnetism. For example, it is possible to fix the magnetic detection device and detect the direction in which the external magnetic vector is approaching.
１ 磁界検知装置
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 回転平面計算部
１３ 回転軸計算部
１４ 角速度計算部
１５ 主演算部
Ｄ１，Ｄｎ 基準座標点データ
Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，・・・ 座標点データ
Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，・・・ 算出用ベクトル
Ｖａ 平均値ベクトル
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記磁気検知部に、Ｘ方向が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、
前記演算部は、三次元座標上に前記極大値を半径とする球面を設定し、間欠的にサンプリングした複数の前記検知出力から求められる磁気ベクトルの向きを前記球面上の座標点として求め、所定の間隔を空けて得られた２つの基準座標点を結ぶ線を基準直線とし、２つの基準座標点の間に得られた複数の座標点のそれぞれを前記基準直線に垂直に降ろした算出用ベクトルを求め、複数の前記算出用ベクトルから代表ベクトルを求め、前記代表ベクトルと前記２つの基準座標点を含む平面を求めて、前記平面と前記球面との交線を座標点の移動軌跡とすることを特徴とする磁界検知装置。 A magnetic detection unit in which the X direction, the Y direction, and the Z direction orthogonal to each other are determined as reference directions, and a calculation unit;
An X-axis sensor in which the absolute value of the detection output becomes a maximum value when the X direction is directed to the magnetic direction and the absolute value of the detection output when the Y direction is directed to the magnetic direction. Is equipped with a Y-axis sensor in which the maximum value is detected, and a Z-axis sensor in which the absolute value of the detection output is a maximum value when the Z direction is directed to the magnetic direction,
The calculation unit sets a spherical surface having the maximum value as a radius on a three-dimensional coordinate, obtains a direction of a magnetic vector obtained from a plurality of intermittently sampled detection outputs as a coordinate point on the spherical surface, and A calculation vector in which a line connecting two reference coordinate points obtained with an interval is set as a reference straight line, and each of a plurality of coordinate points obtained between the two reference coordinate points is lowered vertically to the reference straight line. And obtaining a representative vector from a plurality of the calculation vectors, obtaining a plane including the representative vector and the two reference coordinate points, and using an intersection line of the plane and the spherical surface as a movement locus of the coordinate points. Magnetic field detector characterized by.
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2010
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