JP4638670B2 - 方位角計測方法および方位角計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、方位角計測方法および方位角計測装置に関し、より詳細には、磁気センサによって計測された地磁気データから方位角を求める方位角計測方法および方位角計測装置に関するものである。

地磁気を検知して方位角を得る方位角計測装置は、携帯電話でのナビゲーション用途などに使われている。このような方位角計測装置においては、磁気センサが検知する地磁気以外の環境磁界に起因する信号出力や、無信号入力時の信号処理回路の出力分であるオフセット分を差し引いて方位角を求めないと、誤った方位を示してしまうことはよく知られている。

オフセット分を求める方法としては、特許文献１では、方位角計測装置を水平に一周してその最大・最小の点を求め、その中点をオフセットの点として求める方法が開示されており、特許文献２に開示されている方法のように、方位角計測装置を直交する任意の３点に向けて取得した地磁気情報から方位計を一回転させたときの出力軌跡の方程式を求め、オフセット分を計算する、などの方法が知られている。

図６は、従来の方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図６において、方位角計測装置には、２軸磁気センサ１１、磁気センサ駆動電源部１２、マルチプレクサ部１３、増幅部１４、Ａ／Ｄ変換部１５、感度補正情報記憶部１６、感度補正計算部１７、データバッファ部１８、オフセット情報算出部１９、オフセット情報記憶部２０、オフセット補正部２１および方位角計算部２２が設けられている。

２軸磁気センサ１１には、ｘ軸磁気センサＨＥｘおよびｙ軸磁気センサＨＥｙが設けられており、それぞれ地磁気Ｍのｘ方向成分Ｍｘおよびｙ方向成分Ｍｙを検出したセンサ信号を出力するようになっている。磁気センサ駆動電源部１２は、ｘ軸磁気センサＨＥｘ、およびｙ軸磁気センサＨＥｙの動作に必要な駆動電圧を出力するようになっている。

マルチプレクサ部１３は、ｘ軸磁気センサＨＥｘおよびｙ軸磁気センサＨＥｙを切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部１２の出力電圧をｘ軸磁気センサＨＥｘおよびｙ軸磁気センサＨＥｙに時分割で印加し、ｘ軸磁気センサＨＥｘ、およびｙ軸磁気センサＨＥｙから出力されたセンサ信号を順次出力するようになっている。増幅部１４は、マルチプレクサ部１３から出力されたセンサ信号を順次増幅する。Ａ／Ｄ変換部１５は、増幅部１４によって増幅されたセンサ信号を順次Ａ／Ｄ変換し、ｘ軸地磁気測定データおよびｙ軸地磁気測定データとして順次出力する。

感度補正情報記憶部１６は、所定の感度補正情報を記憶する。感度補正計算部１７は、感度補正情報記憶部１６に記憶されている感度補正情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１５から出力された地磁気計測データの感度補正を行う。データバッファ部１８は、感度補正計算部１７によって感度補正され、オフセット情報算出に用いる地磁気計測データを所定数保持する。

オフセット情報算出部１９は、データバッファ部に保持された地磁気計測データを読み出し、オフセット情報を算出する。オフセット情報記憶部２０は、オフセット情報算出部１９から出力されたオフセット情報を記憶する。オフセット補正部２１は、オフセット情報記憶部２０に記憶されているオフセット情報に基づいて、感度補正計算部１７によって感度補正された地磁気計測データのオフセットを補正する。方位角計算部２２は、オフセット補正部２１によってオフセット補正を受けた地磁気計測データに基づいて方位角を算出するようになっている。

図１は、従来の方位角計測装置において基準点を推定する手順を示すフロー図である。
図１において、オフセット情報算出部１９は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｒｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｙをそれぞれ１０点分格納するためのデータバッファを用意する（ステップＳ１１）。

そして、オフセット情報算出部１９は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｘ、Ｓｒｙをそれぞれ１０点分取得し（ステップＳ１２、Ｓ１３）、感度補正情報記憶部１９ｂに記憶されている感度補正情報に基づいて、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、およびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｘ、Ｓｒｙに感度補正係数をそれぞれ乗じ、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、およびｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙを得る。

そして、オフセット情報算出部１８は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙをそれぞれ１０点分得ると、データバッファから最も古いデータを削除し、残りのデータをシフトし、さらに今回取得した出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙを加える（ステップＳ１４）。

次に、オフセット情報算出部１９は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙの過去１０点分を対象として、それら出力増幅値の最大値と最小値とをそれぞれ求め、その最大値と最小値との差分が所定値より大きいかを判断する（ステップＳ１５）。

そして、ステップＳ１５で求めた最大値と最小値との差分が所定値以下の場合、今回取得した出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙを破棄し、ステップＳ１２に戻って、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｘ、Ｓｒｙを新たに取得する。

一方、ステップＳ１５で求めた最大値と最小値との差分が所定値より大きい場合、１０点分の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙをそれぞれｘｙ成分とする点Ｐ₁₁（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、Ｐ₁₂（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、Ｐ₁₃（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・からの距離がなるべく等しくなるような基準点Ｃ２の座標（Ｃｘ、Ｃｙ）を推定する（ステップＳ１６）。

そして、今回推定した基準点Ｃ２の座標（Ｃｘ、Ｃｙ）と、前回推定した基準点Ｃ２の座標（Ｃｘ、Ｃｙ）との差が所定値より小さいかどうかを判定し（ステップＳ１７）、所定値以上の場合、今回推定した基準点Ｃ２の座標（Ｃｘ、Ｃｙ）を破棄し、ステップＳ１２に戻って、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｘ、Ｓｒｙを新たに取得する。

ステップＳ１８では、ステップＳ１６により推定された基準点の座標を、Ｘ軸ホール素子、Ｙ軸ホール素子に対するオフセット値として出力する。

特許第１４２２９４２号公報 特開２０００−１３１０６８号公報 特許第１６６０６１３号公報 特許第２５３８７３８号公報

しかしながら、この方法は方位角計測装置のユーザーに特別な作業を強いるばかりか、一度オフセットを求めた後に環境磁界が変化するなどしてオフセット分が変化した場合などにオフセットを再度計算するべきかどうかの判断をユーザーに委ねているために、方位角表示の信頼性に問題がある。

このような問題の解決策として、磁気センサを任意の方向に向けて取得したデータが２軸センサの場合は円周上に、３軸センサの場合は球面上を分布することを利用して、取得した出力データ群からの距離のばらつきが最小となるような２次元または３次元空間上の基準点の座標を、統計的に、および／または解析的に求め、その点をオフセット値と推定する方法がある。この方法は、たとえば、特許文献３や、特許文献４に開示されている。

この方法によれば、ユーザーが方位角計測装置を一周させるなどの無理な使い方を強いられたり、意識をして方位角計測装置に対して校正動作を行ったりする必要がないので使い勝手が向上するうえに、環境磁界が変化しても、ユーザーの自然な動きの中で方位角計測装置が検知した磁界の値からオフセット値を求めることが可能であり、さまざまな環境での方位角表示精度が向上する。

しかしながら、これらの場合においては、出力データ群の取得において方位角計測装置が２次元空間または３次元空間上で十分に広い範囲を移動していない場合や、取得したデータ群の中に外乱による異常磁界が含まれていたりする場合においては、真の基準点とはまったく異なった座標を基準点と誤推定してしまう場合があった。

すなわち、方位角計測装置を手に持ったまま歩くなどの場合、磁気センサ出力は円周上もしくは球面上の一点の近傍で、手ぶれ、体動によるわずかな出力変化の分だけ変化をするので、その変化の中心点などを基準点として誤推定してしまうわけである。

また、取得したデータ群の中に外乱による異常磁界が含まれている場合に、異常データも含むデータ群全体から等距離になる点を求めてしまい、そのために真の基準点からはまったく異なる点を基準点と誤推定してしまうわけである。

上記フローでの基準点推定の問題点を説明した図が図３および図５である。
図３において、測定点Ｐ１からＰ１０までのデータがバッファ内に蓄積された後に、測定点が平面に描く円周軌跡の中心座標Ｃ０を計算する。ここで求められたＣ０が各軸のオフセット値となる。次に着磁している構造物の近くで測定を行い、地磁気としては異常値である測定値Ｐ１１が得られたとする。従来の方法では、データバッファをひとつ更新して、すなわちＰ１をバッファ内から削除して、Ｐ２からＰ１１までのデータ群を使って円周の中心座標Ｃ１を求める。この場合、Ｐ１１が異常値であるので中心座標Ｃ１は前回の中心座標Ｃ０からずれた位置となり、誤った値となる。したがって、最終的な方位角度には誤差が生じることになる。

次に地磁気として正しい測定値Ｐ１２が得られた場合、再びデータバッファをひとつ更新してＰ３からＰ１２までのデータ群を使って円周の中心座標Ｃ２を求める。この場合に、異常値であるＰ１１はバッファに残ったままであるため、前述と同様にＰ１１の影響を受けて中心座標Ｃ２は正しい中心座標であるＣ０とは異なる位置となってしまう。

このように異常データＰ１１がバッファ内に蓄積されると、円周の中心座標を求める際、常に異常データの影響が反映され、正しいオフセット値が求められない。このような正しいオフセット値が求められない期間は異常データがバッファ内から削除されるまで続くことになる。

一方、方位角計測装置を手に持ったまま歩くなど、空間上を広く移動していない場合は、ホール素子出力の描く軌跡は、図５に示すように円周上の1点の近傍に集約される。

今、測定点Ｐ１からＰ９は円周上の1点の近傍に集約されたデータであり、記憶されている正しい円周の中心座標はＣ０であったとする。次の測定で、上記円周上で離れた位置のデータＰ１０が測定値として得られた場合、Ｐ１からＰ１０までのデータ群を使って円周の中心座標Ｃ１を求めることとなる。

この場合、Ｐ１からＰ９までのデータは近傍のデータであり、Ｐ１０が同じく近傍のデータであった場合はＳ１５で示される各ホール素子の出力の最大値、最小値を評価するステップで排除される場合が多いが、Ｐ１０が円周上で離れた位置である場合は最大値と最小値との差が所定値を超えてしまうので有効なデータ群であると判定されてしまう。

この場合は、円周の一点近傍とＰ１０が示す円周上で離れた位置の磁界データとから円周の中心座標Ｃ１を求めてしまい、間違ったオフセットを求めてしまうことになる。

引き続いて、地磁気としては異常値である測定値Ｐ１１が得られたとする。この場合は、Ｐ１はバッファから削除されてＰ２からＰ１１までのデータ群から円周の中心座標Ｃ２を求めることになる。

Ｐ１１は円周上に存在しない異常データであり、これを用いて求められた円周の中心座標は、正しい円周の中心座標Ｃ０と異なってしまう。

なお、２軸の磁気センサ出力が２次元平面上に円周軌跡を描く場合について説明しているが、３軸の磁気センサ出力が３次元平面状に球面軌跡を描く場合においても、まったく同じ議論がなりたつ。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、２軸または３軸の磁気センサより取得した出力データ群からの距離のばらつきが最小となるような２次元または３次元空間上の基準点の座標を、統計的に、および、または解析的に求める方法において、取得したデータ群の中に外乱による異常磁界が含まれている場合や、出力データ群の取得において方位角計測装置が２次元空間または３次元空間上で十分に広い範囲を移動していない場合などにおいても、真の基準点とはまったく異なった座標を基準点と誤推定しないような方位角計測方法および方位角計測装置を提供することにある。

本発明は、２軸の地磁気検出手段における検出方向を所定の平面上にあるよう保ちながら該検出方向を変化させる、または３軸の地磁気検出手段における検出方向を３次元空間において変化させながら、前記検出方向が変化した時の前記２軸または３軸の地磁気検出手段からの出力データを所定回数以上取得するステップと、前記２軸の地磁気検出手段からの出力データを成分とする２次元座標上、または前記３軸の地磁気検出手段からの出力データを成分とする３次元座標上において、前記取得された２軸または３軸の地磁気検出手段からの出力データからなる出力データ群からの距離のばらつきが最小になるような位置の座標を基準点として推定するステップと、前記推定した基準点を中心とし、前記出力データ群の各々が円周を形成する円の半径距離を算出するステップと、前記算出した半径距離が地磁気ベクトル強度に基づいて定められる範囲外かどうかを判断するステップと、前記判断の結果前記算出した半径距離が前記範囲外の場合、前記推定した基準点を破棄するステップとを具えたことを特徴とする。

前記地磁気ベクトルの強度が、２０μＴから６０μＴであることを特徴とする。

前記基準点の座標は、オフセット情報であることを特徴とする。

本発明は、地磁気を検出する２軸または３軸の地磁気検出手段と、前記２軸の地磁気検出手段の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら該検出方向が変化した時の前記地磁気検出手段からの２軸の出力データ、または前記３軸の地磁気検出手段の向きが３次元空間において変化した時の前記地磁気検出手段からの３軸の出力データを所定回数以上繰り返して取得する出力データ取得手段と、前記２軸の出力データを各軸方向成分とする２次元座標上、または前記３軸の出力データを各軸方向成分とする３次元座標上において、前記出力データ取得手段によって得られた２軸または３軸の出力データ群からの距離のばらつきが最小になるような位置の座標を基準点として推定する基準点推定手段と、前記推定した基準点を中心とし、前記出力データ群の各々が円周を形成する円の半径距離を算出する半径距離算出手段と、前記半径距離算出手段により算出された半径距離が地磁気ベクトル強度に基づいて定められる範囲外かどうかを判断する半径距離判断手段とを具え、前記判断の結果、前記半径距離算出手段により算出された半径距離が前記範囲外の場合、前記基準点を破棄することを特徴とする。

本発明によれば、方位角計測装置が２次元空間または３次元空間上で十分に広い範囲を移動していない場合などにおいて、磁気センサからの出力が円周上、もしくは球面上の一点を中心とした狭い範囲に分布している場合には、求まった基準点から出力データまでの距離が通常地磁気出力として期待できる大きさよりも大きかったり小さかったりするので、その場合は求まった基準点を破棄するようにすることで基準点を誤推定しないので、
正しい方位角を演算・表示する。

また、本発明によれば、磁気センサからの出力に異常値が含まれた場合でも、出力データから既知の基準点との距離を計算し、その距離が通常地磁気出力として期待できる大きさよりも大きかったり小さかったりする場合には、方位角計測装置はその出力値を有効なデータとは認識しないで破棄するために、オフセット磁界成分を計算する際に基準点を誤推定しないので、正しい方位角を演算・表示する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図７は、本発明の一実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図７において、背景技術に記載の図１と同様である部分については同じ符号を付すと共に説明は省略し、ここでは、本発明に特徴的な部分を詳細に説明する。

同図において、方位角計測装置には、２軸磁気センサ１１、磁気センサ駆動電源部１２、マルチプレクサ部１３、増幅部１４、Ａ／Ｄ変換部１５、感度補正情報記憶部１６、感度補正計算部１７、データバッファ部１８、オフセット情報算出部１９、オフセット情報記憶部２０、オフセット補正部２１および方位角計算部２２に加え、距離判定部（第一の距離判定部）２３と半径距離判定部（第二の距離判定部）２４が設けられている。

また、同図に示す方位角計測装置は、方位各計測装置全体を制御する制御部（不図示）を有しており、この制御部は、制御を実行するＣＰＵとこのＣＰＵの制御プログラム（例えば、図２に示す如き制御手順を含む）を格納したＲＯＭと、ＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭとを有し、図７に示す各構成もこの制御部によって統合して制御される。

距離判定部２３は、２軸磁気センサ１１で取得され、感度補正計算部１７より出力されたデータと、オフセット情報記憶部２０に記憶されているオフセット情報との距離を算出し、その距離の大きさが地磁気ベクトル強度として妥当かどうか判定する。

半径距離判定部２４は、オフセット情報算出部１９でオフセット情報を算出した際に導出される、データバッファ部１８に保持された地磁気計測データ群とオフセット情報とが成す方位円の半径距離に対して、地磁気ベクトル強度として妥当かどうか判定する。

なお、２軸磁気センサ１１のｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙは、地磁気を検出するためのもので、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系あるいはＳｉモノリシック系であることが好ましい。

２軸磁気センサ１１で取得された地磁気情報は、マルチプレクサ部１３を経由し、増幅部１４で増幅される。ｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｒｘは、以下の（１）式で表すことができ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｙは、以下の（２）式で表すことができる。
Ｓｒｘ＝ａｘ・Ｍｘ＋Ｃｒｘ ・・・（１）
Ｓｒｙ＝ａｙ・Ｍｙ＋Ｃｒｙ ・・・（２）
ただし、ａｘは、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの感度、Ｃｒｘは、ｘ軸ホール素子ＨＥｘのオフセット、ａｙは、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度、Ｃｒｙは、ｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセット、Ｍｘは、地磁気Ｍのｘ方向成分、Ｍｙは、地磁気Ｍのｙ方向成分である。

ホール素子出力増幅値は、Ａ／Ｄ変換部１５でディジタル情報になり、感度補正計算部１７で個々のホール素子の感度の差異が補正される。
感度補正後のｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙは、距離判定部２３に入力される。オフセット情報記憶部２０にすでにオフセット情報が記憶されている場合は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙとオフセット情報までの距離とが評価され、地磁気信号として期待される距離値に対して妥当かどうかが判定される。

上述の判定が妥当でなかった場合は、感度補正後のｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙはデータバッファ部１８に入力されずに破棄され、また方位角計算部２２でも演算はされない。

上述の判定が妥当であった場合およびオフセット情報記憶部２０にオフセット情報が記憶されていない場合は、感度補正後のｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙはデータバッファ部１８に入力される。
データバッファ部１８に所定数のデータが入力されていなければ、方位角計算部２２では方位角の演算をせず、再び２軸磁気センサ１１で、地磁気情報を取得する。データバッファ部１８に所定数のデータが入力されていれば、オフセット情報算出部１９ではデータバッファ部１８内のデータからオフセット情報を算出し、算出されたオフセット情報はオフセット情報記憶部２０に記憶される。

オフセット情報算出部１９でオフセット情報を算出した際に導出される、データバッファ部１８に保持された地磁気計測データ群とオフセット情報とが成す方位円の半径距離が地磁気ベクトル強度として妥当かどうかを半径距離判定部２４が判定し、妥当であった場合は、最新の感度補正後のｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙは、オフセット情報記憶部２０で記憶されるとともに、オフセット補正部２１に入力される。オフセット補正された地磁気計測データに基づき、方位角計算部２２にて方位角が演算され、その演算をもとに、方位角情報が出力される。

以下で、オフセット情報算出部１９でのオフセット情報の算出方法を説明する。
感度補正後のｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｙは、以下の（３）、（４）式のように表すことができる。
Ｓｘ＝ａ０／ａｘ・Ｓｒｘ＝ａ０・Ｍｘ＋Ｃｘ ・・・（３）
Ｓｙ＝ａ０／ａｙ・Ｓｒｙ＝ａ０・Ｍｙ＋Ｃｙ ・・・（４）
ただし、ａ０／ａｘは、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの感度補正係数、ａ０／ａｙは、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正係数、ａ０は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正後の感度である。

また、Ｃｘは、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの感度補正後のオフセット、Ｃｙは、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの感度補正後のオフセットであり、
Ｃｘ＝ａ０／ａｘ・Ｃｒｘ
Ｃｙ＝ａ０／ａｙ・Ｃｒｙ
である。

例えば、方位角計測装置の向きが、ｘ、ｙ軸が所定の平面上にあるよう保ちながら変化した時に、感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙとして、（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・という値がそれぞれ得られたものとすると、これらの値で特定される点Ｐ₁（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、Ｐ₂（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、Ｐ₃（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・をｘｙ座標上にそれぞれ配置する。

ここで、（３）、（４）式を変形すると、
（Ｓｘ−Ｃｘ）／ａ０＝Ｍｘ ・・・（５）
（Ｓｙ−Ｃｙ）／ａ０＝Ｍｙ ・・・（６）
となる。

一方、携帯電話等の方位角計測装置を備えた装置は、ｘ、ｙ軸を含む平面上で回転するから、
（Ｍｘ²＋Ｍｙ²）＝ｃｏｎｓｔ ・・・（７）
が成り立つ。

従って、
（（Ｓｘ−Ｃｘ）／ａ０）²＋（（Ｓｙ−Ｃｙ）／ａ０）²
＝Ｍｘ²＋Ｍｙ² ・・・（８）
となる。

ここで、

と置くと、
（Ｓｘ−Ｃｘ）²＋（Ｓｙ−Ｃ）²＝ｒ² ・・・（９）
が成り立つ。

従って、感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙで特定される点Ｐ₁（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、Ｐ₂（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、Ｐ₃（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・は、いずれもｘ軸ホール素子ＨＥｘのオフセットＣｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙのオフセットＣｙをｘｙ成分とする基準点Ｃ１（Ｃｘ、Ｃｙ）から等しい距離に位置することになる。

基準点Ｃ１（Ｃｘ、Ｃｙ）は、Ｐ₁（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、Ｐ₂（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、Ｐ₃（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・から推定することができ、種々の計算方法がある。感度補正後の出力増幅値Ｓｘ、Ｓｙには何らかの誤差が含まれているので、データ取得数をなるべく多くして、基準点Ｃ１（Ｃｘ、Ｃｙ）からＰ₁（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ）、Ｐ₂（Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ）、Ｐ₃（Ｓ３ｘ、Ｓ３ｙ）、・・・までの距離のばらつきが最小になるよう統計的手法を用いて計算するのが望ましい。
例えば、データ取得数は４以上、好ましくは１０以上とする。

統計的手法とは、たとえば、最小自乗法により距離のばらつきが最小になる点を求める方法がある。その解法としては、ニュートン・ラプソン法を用いたり、基準点の座標を解とする連立一次方程式を解くこと等が挙げられる。

また、４点以上のデータ群から任意の３点を選び、その３点を通る円周の中心を求め、データ群から得られた複数個の中心データに対してさまざまな方法、たとえば平均したり、最小自乗法で中心値を推定するなどの方法を用いても良い。

図２は、本発明の一実施形態に係る基準点を推定する手順を示すフロー図である。
オフセット情報算出部１９は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘの出力増幅値Ｓｒｘおよびｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｙ（ＳｒｘとＳｒｙとを総じて測定データとも呼ぶ）をそれぞれ１０点分格納するためのデータバッファを用意する（ステップＳ２１）。

そして、オフセット情報算出部１９は、ｘ軸ホール素子ＨＥｘ、ｙ軸ホール素子ＨＥｙの出力増幅値Ｓｒｘ、Ｓｒｙをそれぞれ１０点分取得する（ステップＳ２２，Ｓ２３）。

所望の数のデータ数がそろった後、ステップＳ２４にてすでに基準点の座標が一回以上求められているかどうかの判定を行う。オフセット値を求める初期段階で一度も基準点が求められていない時はステップＳ２８に移行する。
すでに基準点が求められている場合には、ステップＳ２５にて基準点と最新の測定データとの距離を計算する。次にステップＳ２６にてステップＳ２５での計算結果から正しく地磁気を測定したかどうかの判定を行う。その結果、最新の測定データが地磁気として妥当な大きさであれば測定データを有効と判定し、ステップＳ２７へ移行する。

地磁気として妥当ではないと判定した場合は、最新の測定データを破棄しステップＳ２２へ移行して新たな測定を実施する。

ステップＳ２７では、データバッファ部１８の最も古いデータを削除し、データシフトの後に最新の測定データを追加する。

ステップＳ２８では、データバッファ１８部内部のホール素子出力データの最大値、最小値が所定の値より大きいかどうかを判定する。所定の値より小さければ、最新の測定データを破棄してステップＳ２２へ移行して新たな測定を実施する。所定の値より大きければ、ステップＳ２９に移行する。

ステップＳ２９では、データバッファ部１８内部のホール素子出力データ群からの距離がなるべく等しくなるような基準点を推定するとともに、データ群が成す方位円から基準点までの半径距離となる値がひとつ算出される。

次に、ステップＳ３０において、ステップＳ２９にて算出された半径距離を評価し、地磁気サイズとして妥当か否かを判定する。妥当でないと判定された場合は、最新の測定データを破棄してステップＳ２２へ移行して新たな測定を実施する。妥当であると判定された場合は、ステップＳ３１に移行する。

ステップＳ３１では、推定された基準点の座標を採用して、Ｘ、Ｙ各素子のオフセット値として出力をする。

なお、ステップＳ２４での判定結果、Ｎｏと判定された場合、すなわち、基準点を一回以上求めていない場合は、ステップＳ３１で出力されたオフセット値は、次のオフセット値推定工程におけるステップＳ２４での判定の際の初期値としてデータバッファ部１８に設定される。一方、ステップＳ２４での判定結果、Ｙｅｓと判定された場合、すなわち、すでに基準点を一回以上求めている場合は、前の測定で出力されたオフセット値は、ステップＳ３１で出力されたオフセット値に更新される。

次に、本実施形態のアルゴリズムの具体的な効果を図４を使って説明する。
図４において、測定点Ｐ１からＰ１０までのデータがバッファ内に蓄積された後、円周の中心座標Ｃ０を計算する。ここで求められたＣ０が各軸のオフセット値となる。次にＰ１１の測定点が得られた時点ですでに求められているオフセット値（Ｃ０）を使ってＣ０とＰ１１の距離を計算し、地磁気ベクトルの大きさとして妥当な値が得られているかを評価する。その結果、測定値が地磁気ベクトルの大きさとしては異常値であると判断された場合、Ｐ１１は破棄され、オフセット値は計算されずに、オフセット値としてＣ０の座標を再び使用する。

その後Ｐ１２が測定され、地磁気測定値として地磁気ベクトルの大きさが妥当と判断された場合に、Ｐ２〜Ｐ１０とＰ１２によって再度円周の中心座標を計算により推定する。推定された中心座標Ｃ２と測定点までの距離を評価し、地磁気ベクトルの大きさとして妥当であると判断された場合には、推定された中心座標Ｃ２を最新のオフセット値として採用する。地磁気ベクトルの大きさとして妥当でないと判断された場合は、Ｐ１２は破棄され、オフセット値は計算されずに、オフセット値としてＣ０の座標を再び使用するものである。

以上のフローを用いることで、磁気センサ測定値として異常値が計測された場合でも、地磁気ベクトルの大きさをもとに地磁気サイズとして妥当かどうか評価することで、その異常値を含めた磁気センサ測定値からオフセットは計算されない。

さらに、図５で示されるような方位角計測装置を手に持ったまま歩くなど、空間上を広く移動していない場合においては、測定点Ｐ1〜Ｐ１０またはＰ２からＰ１１と計算されたオフセット値とで形成される方位円の半径である、半径距離の大きさを評価し、半径距離が地磁気ベクトルとしては異常値であった場合にはオフセット値を破棄するので、オフセット値を誤推定することが少なくなる。

なお、本実施形態では、地磁気検出手段として２軸磁気センサを用いた形態について説明したが、３軸磁気センサを用いた形態であっても良い。

地磁気ベクトルの大きさの値としては日本国内での標準値として約５０μＴ程度とされている。しかしながら都市部などではビル内の鉄骨や地下構造物の影響により標準値以外の地磁気ベクトルの大きさも観測されるための妥当な範囲としては約２０μＴから６０μＴ程度とするのが適している。３軸磁気センサを用いる場合は、上記数字をそのまま用いることが好ましい。２軸の磁気センサであって、磁気ベクトルを水平面に投影した値を用いる場合は、もともと水平面での地磁気ベクトルの大きさが３０μＴであるが、センサを傾けた場合には５０μＴとなる場合も考えられるため、妥当な範囲は１５μＴから６０μＴとすることが好ましい。

また、上記フローにおいては、測定データと記憶されてあるオフセット値との距離や測定されたデータ群と計算されたオフセット値とで形成される方位円の半径距離が地磁気ベクトルに比べて異常であった場合は最新の測定データや計算された基準点を破棄するようにしているが、そうではなくてデータバッファのデータ群のうちのいくつかのデータや、データ群すべてを破棄するようにしても良い。

本実施形態において、磁気センサとしては、ホール素子について述べているが、ホール素子に限らず、ＭＲ素子やＭＩ素子、フラックスゲートなど何でもよい。

（その他の実施形態）
第１の実施形態では、出力データとすでに求められたオフセットとの距離や、求められた半径距離が、例えば、地磁気ベクトルの大きさに比べて妥当か否かを判断しているが、それらを混合させた方法も考えられる。

すなわち、出力データ群から半径距離とオフセット値とが求められた際に、出力データ群を構成する個々のデータと計算されたオフセット値との距離を求め、個々のデータとオフセット値との距離と半径距離との差を評価する。

データ群の個々のデータとオフセット値との距離のばらつきが大きかったり、個々のデータとオフセット値との距離と半径距離との差が大きいものが混合していると、測定データ群の中に異常データや雑音が紛れ込んでいる可能性があり、それらのデータから求められたオフセット値は、信頼性が低いとみて破棄するなどの判断を考えられる。

ばらつきの判断指標としては、個々のデータとオフセット値との距離と半径距離との差をとり、その最大値と最小値との差と半径距離との比を取ることが好ましいが、その他にも最大値と最小値との差そのものを用いたり、標準偏差を用いるなど、様々な方法を用いることができる。

本発明は、磁気センサを用いた方位角センサに関するものであり、さらに言えば、方位角センサで地磁気方位を計測する場合に、取得された磁界データが適切でなかった場合に、適切でないデータをもとに誤ったオフセット値を求めることを少なくし、方位角計測精度の劣化を防ぐものである。

従来の方位角計測装置において基準点を推定する手順を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る基準点を推定する手順を示すフロー図である。 従来の基準点推定についての問題点を説明した図である。 本発明の一実施形態に係るアルゴリズムの効果を説明する図である。 従来の基準点推定についての問題点を説明した図である。 従来の方位角計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ ２軸磁気センサ
１２ 磁気センサ駆動電源部
１３ マルチプレクサ部
１４ 増幅部
１５ Ａ／Ｄ変換部
１６ 感度補正情報記憶部
１７ 感度補正部
１８ データバッファ部
１９ オフセット情報算出部
２０ オフセット情報記憶部
２１ オフセット補正部
２２ 方位角計算部
２３ 第一の距離判定部
２４ 第二の距離判定部

Claims (6)

1. ２軸の地磁気検出手段における検出方向を所定の平面上にあるよう保ちながら該検出方向を変化させる、または３軸の地磁気検出手段における検出方向を３次元空間において変化させながら、前記検出方向が変化した時の前記２軸または３軸の地磁気検出手段からの出力データを所定回数以上取得するステップと、
   前記２軸の地磁気検出手段からの出力データを成分とする２次元座標上、または前記３軸の地磁気検出手段からの出力データを成分とする３次元座標上において、前記取得された２軸または３軸の地磁気検出手段からの出力データからなる出力データ群からの距離のばらつきが最小になるような位置の座標を基準点として推定するステップと、
   前記推定した基準点を中心とし、前記出力データ群の各々が円周を形成する円の半径距離を算出するステップと、
   前記算出した半径距離が地磁気ベクトル強度に基づいて定められる範囲外かどうかを判断するステップと、
   前記判断の結果前記算出した半径距離が前記範囲外の場合、前記推定した基準点を破棄するステップと
   を具えたことを特徴とする方位角計測方法。
2. 前記地磁気ベクトルの強度が、２０μＴから６０μＴであることを特徴とする請求項１記載の方位角計測方法。
3. 前記基準点の座標は、オフセット情報であることを特徴とする請求項１または２記載の方位角計測方法。
4. 地磁気を検出する２軸または３軸の地磁気検出手段と、
   前記２軸の地磁気検出手段の検出方向が所定の平面上にあるよう保ちながら該検出方向が変化した時の前記地磁気検出手段からの２軸の出力データ、または前記３軸の地磁気検出手段の向きが３次元空間において変化した時の前記地磁気検出手段からの３軸の出力データを所定回数以上繰り返して取得する出力データ取得手段と、
   前記２軸の出力データを各軸方向成分とする２次元座標上、または前記３軸の出力データを各軸方向成分とする３次元座標上において、前記出力データ取得手段によって得られた２軸または３軸の出力データ群からの距離のばらつきが最小になるような位置の座標を基準点として推定する基準点推定手段と、
   前記推定した基準点を中心とし、前記出力データ群の各々が円周を形成する円の半径距離を算出する半径距離算出手段と、
   前記半径距離算出手段により算出された半径距離が地磁気ベクトル強度に基づいて定められる範囲外かどうかを判断する半径距離判断手段と
   を具え、
   前記判断の結果、前記半径距離算出手段により算出された半径距離が前記範囲外の場合、前記基準点を破棄することを特徴とする方位角計測装置。
5. 前記地磁気ベクトルの強度が、２０μＴから６０μＴであることを特徴とする請求項４に記載の方位角計測装置。
6. 前記基準点の座標は、オフセット情報であることを特徴とする請求項４または５記載の方位角計測装置。

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