JP5341861B2 - Magnetic field detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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, and in particular, the magnetic vector rotates in a three-dimensional space with respect to a magnetic detection unit. In some cases, the present invention relates to a magnetic field detection apparatus that can determine the rotational locus of the magnetic vector and accurately know 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などに記載されているように、3軸の磁気センサを有する磁気検知部を有する磁界検知装置では、磁気ベクトルを検知した検知データが一定のサンプル時間毎に取得されて、複数の検知データが次々とメモリに保持される。そして、保持された複数の検知データを使用して、磁気検知部と磁気ベクトルとの相対的な回転状態が演算される。
As described in
しかし、演算に使用する検知データのサンプル数が少なすぎると、外部ノイズなどによって磁気ベクトルの検知データが一時的に大幅に変化したときに、磁気検知部と磁気ベクトルとの相対的な回転が、一時的に極端に変化しているものとして認識されてしまう。その結果、磁気検知部と磁気ベクトルとの相対動作を安定して把握することが難しくなる。 However, if the number of samples of detection data used in the calculation is too small, the relative rotation between the magnetic detection unit and the magnetic vector when the detection data of the magnetic vector changes temporarily due to external noise or the like, It will be recognized as something that has temporarily changed extremely. As a result, it becomes difficult to stably grasp the relative motion between the magnetic detection unit and the magnetic vector.
演算に使用する検知データのサンプル数を増やすと、外部ノイズなどの一時的な大幅な変化に影響されることなく、磁気検知部と磁気ベクトルとの相対的な回転を安定して求めることができる。しかし、この場合には、磁気検知部と磁気ベクトルとの相対的な回転状態が、実際に大きく変化したときに、この変化を正確に把握することができなくなる。 Increasing the number of samples of detection data used for computation can stably determine the relative rotation between the magnetic detection unit and the magnetic vector without being affected by a large temporary change such as external noise. . However, in this case, when the relative rotation state between the magnetic detection unit and the magnetic vector actually changes greatly, it becomes impossible to accurately grasp the change.
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軸の方向に向く磁気センサで検知された複数のデータを使用し、ノイズの影響を受けにくくして回転運動を安定して検知でき、しかも、回転運動の変化への追従性を向上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 uses a plurality of data detected by a magnetic sensor directed in three orthogonal directions to detect rotational motion stably without being affected by noise. In addition, an object of the present invention is to provide a magnetic field detection device that can improve follow-up to changes in rotational motion.
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、
前記磁気検知部が、X軸の磁気成分を検知するX軸磁気センサと、Y軸の磁気成分を検知するY軸磁気センサと、Z軸の磁気成分を検知するZ軸磁気センサとを有し、
前記演算部で、前記X軸磁気センサと前記Y軸磁気センサおよび前記Z軸磁気センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きが三次元座標上の座標点データとして求められ、複数の座標点データとの誤差が最も小さい平面が座標点データが移動している移動平面として演算され、
少なくとも1つの最新の座標点データを含む最新データ群とそのときの移動平面との誤差が、予め決められた値以下またはその値未満のときは、前記最新データ群とそれ以前に得られた複数の座標点データを含む所定数の第1の演算データ群から次の移動平面が演算され、前記最新データ群とそのときの移動平面との誤差が、予め決められた値以上またはその値を超えたときは、前記最新データ群を含み前記第1の演算データ群よりもデータ数が少ない第2の演算データ群から次の移動平面が求められ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.
The magnetic detection unit includes an X-axis magnetic sensor that detects an X-axis magnetic component, a Y-axis magnetic sensor that detects a Y-axis magnetic component, and a Z-axis magnetic sensor that detects a Z-axis magnetic component. ,
Based on the detection outputs of the X-axis magnetic sensor, the Y-axis magnetic sensor, and the Z-axis magnetic sensor, the arithmetic unit obtains the direction of the magnetic vector as coordinate point data on three-dimensional coordinates, and a plurality of coordinate points The plane with the smallest error from the data is calculated as the moving plane where the coordinate point data is moving,
When an error between the latest data group including at least one latest coordinate point data and the moving plane at that time is equal to or less than a predetermined value or less than the predetermined value, the latest data group and a plurality of data obtained before that The next movement plane is calculated from a predetermined number of first calculation data groups including the coordinate point data, and an error between the latest data group and the movement plane at that time is greater than or equal to a predetermined value or exceeds that value. In this case, the next movement plane is obtained from the second calculation data group including the latest data group and having a smaller number of data than the first calculation data group.
本発明の磁界検知装置は、複数の座標点データを用いて、座標点データが移動している移動平面が推定されて求められる。最新の座標点データを含む最新データ群に大きな変化がないときは、多くの座標点データを含む第1の演算データ群によって移動平面を演算することで、ノイズなどによる座標点データの一時的な大幅な変化の影響を大きく受けることなく移動平面を求めることができる。最新データ群が大きく変化したときは、座標点データの数が少ない第2の演算データ群を使用して、移動平面が演算される。これにより、実際に磁気検知部と磁気ベクトルとの相対位置が大きく変化したときに、この変化に追従して移動平面を求めることができる。 The magnetic field detection apparatus of the present invention is obtained by estimating a moving plane in which coordinate point data is moving using a plurality of coordinate point data. When there is no significant change in the latest data group including the latest coordinate point data, the movement plane is calculated using the first calculation data group including a large number of coordinate point data, thereby temporarily converting the coordinate point data due to noise or the like. The moving plane can be obtained without being greatly affected by a large change. When the latest data group changes greatly, the moving plane is calculated using the second calculation data group with a small number of coordinate point data. As a result, when the relative position between the magnetic detection unit and the magnetic vector is actually changed, the moving plane can be obtained following this change.
本発明は、三次元座標上で、前記座標点データが現れる球面と、前記移動平面との交線から、座標点データの移動軌跡が求められるものであり、前記移動軌跡から磁気検知部の角加速度が求められるものである。 According to the present invention, the movement locus of the coordinate point data is obtained from the intersection line between the spherical surface where the coordinate point data appears on the three-dimensional coordinates and the movement plane, and the angle of the magnetic detection unit is obtained from the movement locus. Acceleration is required.
本発明では、前記最新データ群は、最新の座標点データを含む複数の座標点データで構成されており、最新データ群に含まれる複数の座標点データの平均値と、そのときの移動平面との誤差が、予め決められた値と比較されることが好ましい。 In the present invention, the latest data group is composed of a plurality of coordinate point data including the latest coordinate point data, an average value of the plurality of coordinate point data included in the latest data group, and a moving plane at that time, Is preferably compared to a predetermined value.
上記のように構成すると、最新データ群に含まれる複数の座標点データの一部がノイズなどにより大きく変動したとしても、座標点データの平均値をとることで、最新データ群とそのときの移動平面との誤差を演算するときに、ノイズなど影響を低減することが可能になる。 When configured as described above, even if some of the multiple coordinate point data included in the latest data group fluctuate greatly due to noise, the latest data group and the movement at that time can be obtained by taking the average value of the coordinate point data. When calculating the error from the plane, it is possible to reduce the influence of noise and the like.
なお、本発明は、最新データ群が1つの最新データのみで構成されており、この1つの最新データとそのときの移動平面との誤差が大きいか否かによって、第1の演算データ群とするか第2の演算データ群とするかを選択してもよい。 According to the present invention, the latest data group includes only one latest data, and the first calculation data group is determined depending on whether or not there is a large error between the one latest data and the moving plane at that time. Or the second calculation data group may be selected.
本発明は、第2の演算データ群は、最新データ群のみから構成されるものであってもよい。ただし、最新データ群に含まれる座標点データが少ないときは、第2の演算データ群が、最新のデータ群と、それ以前に得られた少なくとも1つの座標点データとから構成されてもよい。 In the present invention, the second calculation data group may be composed of only the latest data group. However, when the coordinate data included in the latest data group is small, the second calculation data group may be composed of the latest data group and at least one coordinate point data obtained before that.
本発明は、三次元座標上での平面の一般式と、第1の演算データ群に含まれる複数の座標点データとの誤差が最小二乗法で演算され、その誤差が最も小さい平面が移動平面として求められる。 In the present invention, an error between a general formula of a plane on three-dimensional coordinates and a plurality of coordinate point data included in the first calculation data group is calculated by a least square method, and a plane having the smallest error is a moving plane. As required.
また本発明は、三次元座標上での平面の一般式と、第2の演算データ群に含まれる複数の座標点データとの誤差が最小二乗法で演算され、その誤差が最も小さい平面が移動平面として求められる。 Further, according to the present invention, the error between the general expression of the plane on the three-dimensional coordinates and the plurality of coordinate point data included in the second calculation data group is calculated by the least square method, and the plane with the smallest error is moved. Required as a plane.
本発明は、直交する3軸方向に向けられた磁気センサの検知出力を用いて、磁気ベクトルの絶対的な運動を求めることができる。すなわち、ノイズなどによる検知出力の一時的な変動の影響を受けにくく、且つ運動の変化に追従して運動軌跡を求めることができる。 The present invention can determine the absolute motion of a magnetic vector by using the detection output of a magnetic sensor directed in three orthogonal directions. That is, it is difficult to be affected by temporary fluctuations in the detection output due to noise or the like, and the movement locus can be obtained following the movement change.
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ている。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
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PZ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
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のサンプリング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たものであり、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 of the XYZ axes of the three-dimensional coordinates shown in FIG. 5 is fixed and set 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、例えば、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。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が座標点データの移動軌跡であると認識でき、また水平緯度線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、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いない場合には、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,・・・,Dm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,・・・,Dm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,..., Dm obtained when the magnetic
そこで、図2に示す演算部10の移動平面計算部12では、複数の座標点データが移動していると推定される移動平面Pxが演算される。演算された移動平面Psと球面Gとの交線が、座標点データの移動軌跡として特定される。
Therefore, the movement
移動平面Pxを演算する方法の一例として、平面の一般式:ax+by+cz+d=0が使用される。前記一般式のa,b,cは、平面の法線ベクトルの成分{n→=(a,b,c)}である。複数の座標点データDi(xi,yi,zi)の成分(xi,yi,zi)を平面の一般式の(x,y,z)に代入して複数の平面の方程式を得て、最小二乗法により、それぞれの方程式との誤差が最も小さい平面を求め、その平面を移動平面Pxと推測する。 As an example of a method for calculating the movement plane Px, a general formula of a plane: ax + by + cz + d = 0 is used. In the general formula, a, b, and c are components of a normal vector of a plane {n → = (a, b, c)}. Substituting the components (xi, yi, zi) of the plurality of coordinate point data Di (xi, yi, zi) into (x, y, z) of the general formula of the plane, the equations of the plurality of planes are obtained. A plane having the smallest error from each equation is obtained by multiplication, and the plane is estimated as a moving plane Px.
図7に、データバッファ11に格納されている複数の座標点データDiが示されている。最も古い座標点データがDmであり、D6,D5,D4,・・・の順に新しい座標点データとしてデータバッファ11に格納されている。
FIG. 7 shows a plurality of coordinate point data Di stored in the
データバッファ11に格納されている座標点データDiのうちの所定数のデータが第1の演算データ群として使用される。図7に示す例では、DmからD7までの複数の座標点データが第1の演算データ群N1−1として使用される。座標点データDmからD7までの(xm,ym,zm)・・・(x7,y7,z7)が、平面の一般式:ax+by+cz+d=0の(x,y,z)に代入されて複数の方程式が得られる。この方程式との誤差が最小となる平面が最小二乗法により求められ、求められた平面がその時点での移動平面P1として求められる。
A predetermined number of data among the coordinate point data Di stored in the
第1の演算データ群N1−1の座標点データDiの数をある程度多くしておくことで、外部ノイズなどによって、一時的に極端に変化した座標点データが含まれていても、その影響を小さくでき、座標点データDiが移動している平面に近い移動平面P1を求めることができる。 By increasing the number of coordinate point data Di of the first calculation data group N1-1 to some extent, even if coordinate point data that has temporarily changed extremely due to external noise or the like is included, the influence thereof is reduced. A moving plane P1 that can be reduced and is close to the plane on which the coordinate point data Di is moving can be obtained.
その後に、得られた複数の最新座標点データD6,D5,D4を最新データ群Na−1とする。図7では、説明を簡単にするために最新データ群Na−1に含まれる座標点データの数が「3」であるが、実際は、最新データ群Na−1に含まれる最新の座標点データDiの数はもっと多い。しかし、最新データ群Na−1に含まれる座標点データDiの数は、第1の演算データ群N1−1に含まれる座標点データDiの数よりも十分に少なく、例えば、最新データ群Na−1に含まれるデータ数は、第1の演算データ群N1−1に含まれるデータ数の1/5以下であり、好ましくは1/10以下である。 Thereafter, the plurality of latest coordinate point data D6, D5, and D4 obtained are set as the latest data group Na-1. In FIG. 7, the number of coordinate point data included in the latest data group Na-1 is “3” for the sake of simplicity, but in fact, the latest coordinate point data Di included in the latest data group Na-1. There are more. However, the number of coordinate point data Di included in the latest data group Na-1 is sufficiently smaller than the number of coordinate point data Di included in the first calculation data group N1-1. For example, the latest data group Na- The number of data included in 1 is 1/5 or less, preferably 1/10 or less, of the number of data included in the first calculation data group N1-1.
第1の演算データ群N1−1で移動平面P1が演算された後に、最新データ群Na−1に含まれる複数の座標点データDiの平均値、すなわちxの平均値とyの平均値およびzの平均値と、移動平面P1の方程式の(x,y,z)との誤差が求められる。または、最新データ群Na−1に含まれる複数の座標点データのそれぞれと移動平面P1との誤差が最小二乗法で求められる。 After the movement plane P1 is calculated in the first calculation data group N1-1, the average value of the plurality of coordinate point data Di included in the latest data group Na-1, that is, the average value of x and the average value of y and z And an error between (x, y, z) of the equation of the moving plane P1. Alternatively, an error between each of the plurality of coordinate point data included in the latest data group Na-1 and the movement plane P1 is obtained by the least square method.
最新データ群Na−1を複数の座標点データで構成し、前記のように平均値の計算や最小二乗法による計算を行うことで、その中にノイズなどの影響で極端に変化しているデータが含まれていても、最新データ群Na−1と移動平面P1とを比較するときに、極端に変化しているデータの影響を小さくすることができる。なお、最新データ群Na−1の中の極端に変化するデータを無視して、移動平面P1との比較を行ってもよい。 The latest data group Na-1 is composed of a plurality of coordinate point data, and the average value calculation or the least square method calculation is performed as described above. Even when the latest data group Na-1 and the movement plane P1 are compared, the influence of extremely changing data can be reduced. Note that data that changes extremely in the latest data group Na-1 may be ignored and the comparison with the movement plane P1 may be performed.
最新データ群Na−1とそのときの移動平面P1との誤差が、予め決められた値以下、あるいはその値未満のときは、移動平面計算部12において、座標点データDiが移動している軌跡が大きく変化していないと判断する。
When the error between the latest data group Na-1 and the moving plane P1 at that time is less than or equal to a predetermined value or less than the predetermined value, the moving
このとき、最新データ群Na−1とそれまでに得られた複数の座標点データDiとを第1の演算データ群N1−2とし、平面の一般式と、第1の演算データ群N1−2に含まれた座標点データDiとの誤差を最小二乗法で演算し、その誤差が最も小さい平面を次の移動平面P2とする。第1の演算データ群N1−2に含まれる座標点データDiの数は、前回の演算に使用された第1の演算データ群N1−1に含まれる座標点データDiと同数である。 At this time, the latest data group Na-1 and a plurality of coordinate point data Di obtained so far are defined as a first calculation data group N1-2, a general formula of the plane, and the first calculation data group N1-2. Is calculated by the least square method, and the plane with the smallest error is set as the next moving plane P2. The number of coordinate point data Di included in the first calculation data group N1-2 is the same as the number of coordinate point data Di included in the first calculation data group N1-1 used in the previous calculation.
最新データ群Na−1に含まれる座標点データDiと、そのときの移動平面P1との誤差が小さいとき、最新データ群Na−1を含んだ多くのデータから成る第1の演算データ群N1−2に基づいて移動平面P2が演算されるため、移動平面P1と移動平面P2との変化をきわめて小さくでき、場合によっては、移動平面P1と次の移動平面P2とが同じ方程式となることもある。すなわち、一時的なノイズに影響を受けることなく、移動平面Pxを安定した平面として演算することが可能になる。 When the error between the coordinate point data Di included in the latest data group Na-1 and the moving plane P1 at that time is small, the first calculation data group N1- consisting of many data including the latest data group Na-1. Since the movement plane P2 is calculated based on 2, the change between the movement plane P1 and the movement plane P2 can be made extremely small. In some cases, the movement plane P1 and the next movement plane P2 may have the same equation. . That is, the movement plane Px can be calculated as a stable plane without being affected by temporary noise.
最新データ群Na−1とそのときの移動平面P1との誤差が、予め決められた値以上、あるいはその値を超えたときは、移動平面計算部12において、座標点データDiが移動している軌跡が大きく変化したと判断する。
When the error between the latest data group Na-1 and the moving plane P1 at that time is greater than or equal to a predetermined value or exceeds that value, the coordinate point data Di is moved in the moving
このときは、最新データ群Na−1を含む第2の演算データ群N2−1のそれぞれの座標点データDiの(Xi,yi,zi)を平面の一般式に代入した複数の方程式の誤差が最小となる平面を最小二乗法で求め、その平面を次の移動平面P3とする。第2の演算データ群N2−1に含まれる座標点データのデータ数は、第1の演算データ群N1−2に含まれる座標点データのデータ数よりも十分に少ない。例えば、第2の演算データ群N2−1に含まれるデータ数は、第1の演算データ数N1−2に含まれるデータ数の1/5以下であり、好ましくは1/10以下である。 At this time, errors of a plurality of equations obtained by substituting (Xi, yi, zi) of the respective coordinate point data Di of the second calculation data group N2-1 including the latest data group Na-1 into the general formula of the plane are The minimum plane is obtained by the method of least squares, and the plane is set as the next moving plane P3. The number of data of coordinate point data included in the second calculation data group N2-1 is sufficiently smaller than the number of data of coordinate point data included in the first calculation data group N1-2. For example, the number of data included in the second calculation data group N2-1 is 1/5 or less, preferably 1/10 or less, of the number of data included in the first calculation data number N1-2.
なお、第2の演算データ群N2−1は、最新データ群Na−1を構成する複数の座標点データのみで構成されてもよい。 Note that the second calculation data group N2-1 may be composed of only a plurality of coordinate point data constituting the latest data group Na-1.
最新データ群Na−1に含まれる座標点データDiと、そのときの移動平面P1との誤差が大きくなったときは、データ数の少ない第2の演算データ群N2−1に基づいて移動平面P3が演算されるため、実際の磁界検知装置1と地磁気ベクトルVとの相対的な運動軌跡が大きく変化したときに、これに追従して移動平面を更新することが可能になる。
When the error between the coordinate point data Di included in the latest data group Na-1 and the moving plane P1 at that time becomes large, the moving plane P3 is based on the second calculation data group N2-1 having a small number of data. Therefore, when the relative motion trajectory between the actual
その後に得られた座標点データD3,D2,D1を含む所定数の最新データ群Na−2に含まれる座標点データの平均値と、そのときの移動平面P2またはP3との誤差が求められ、または最新データ群Na−2に含まれる複数の座標点データとそのときの移動平面P2またはP3との誤差が最小二乗法で求められる。その誤差が、予め決められている値以下またはその値未満なら、最新データ群Na−2を含む第1の演算データ群N1−3から移動平面が求められる。前記誤差が、予め決められている値以上またはその値を超えると、第2の演算データ群N2−2から移動平面が求められる。 Thereafter, an error between the average value of the coordinate point data included in the predetermined number of latest data groups Na-2 including the coordinate point data D3, D2, and D1 and the moving plane P2 or P3 at that time is obtained. Alternatively, an error between a plurality of coordinate point data included in the latest data group Na-2 and the moving plane P2 or P3 at that time is obtained by the least square method. If the error is less than or equal to a predetermined value or less than that value, a moving plane is obtained from the first calculation data group N1-3 including the latest data group Na-2. When the error is greater than or equal to a predetermined value or exceeds the value, a moving plane is obtained from the second calculation data group N2-2.
以上のように、移動平面計算部12において、座標点データDiが大きく変化していないときは、変化の少ない移動平面Pxまたはほとんど変化しない移動平面Pxが安定して求められ、座標点データDiが大きく変化したときは、その変化に追従するように新たな移動平面Pxが求められる。
As described above, when the coordinate plane data Di does not change significantly in the movement
図2に示す回転軸計算部13では、移動平面計算部12において演算された移動平面Pxと球面Gとの交線が求められる。この交線が座標点データDiの移動軌跡である。交線である円の中心と三次元座標の原点Oとの結ぶ線が回転軸S0として求められる。さらに、角速度計算部14において、移動平面Pxが求められているときに、複数の座標点データDiの回転軸S0を中心とした開き角度を、そのデータ間のサンプリング時間で微分して、角速度が求められる。
In the rotation
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 移動平面計算部
13 回転軸計算部
14 角速度計算部
15 主演算部
D1,・・・Dm 座標点データ
N1−1,N1−2 第1の演算データ群
N2−1,N2−2 第2の演算データ群
Na−1,Na−2 最新データ群
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記磁気検知部が、X軸の磁気成分を検知するX軸磁気センサと、Y軸の磁気成分を検知するY軸磁気センサと、Z軸の磁気成分を検知するZ軸磁気センサとを有し、
前記演算部で、前記X軸磁気センサと前記Y軸磁気センサおよび前記Z軸磁気センサの検知出力に基づいて、磁気ベクトルの向きが三次元座標上の座標点データとして求められ、複数の座標点データとの誤差が最も小さい平面が座標点データが移動している移動平面として演算され、
少なくとも1つの最新の座標点データを含む最新データ群とそのときの移動平面との誤差が、予め決められた値以下またはその値未満のときは、前記最新データ群とそれ以前に得られた複数の座標点データを含む所定数の第1の演算データ群から次の移動平面が演算され、前記最新データ群とそのときの移動平面との誤差が、予め決められた値以上またはその値を超えたときは、前記最新データ群を含み前記第1の演算データ群よりもデータ数が少ない第2の演算データ群から次の移動平面が求められ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;
The magnetic detection unit includes an X-axis magnetic sensor that detects an X-axis magnetic component, a Y-axis magnetic sensor that detects a Y-axis magnetic component, and a Z-axis magnetic sensor that detects a Z-axis magnetic component. ,
Based on the detection outputs of the X-axis magnetic sensor, the Y-axis magnetic sensor, and the Z-axis magnetic sensor, the arithmetic unit obtains the direction of the magnetic vector as coordinate point data on three-dimensional coordinates, and a plurality of coordinate points The plane with the smallest error from the data is calculated as the moving plane where the coordinate point data is moving,
When an error between the latest data group including at least one latest coordinate point data and the moving plane at that time is equal to or less than a predetermined value or less than the predetermined value, the latest data group and a plurality of data obtained before that The next movement plane is calculated from a predetermined number of first calculation data groups including the coordinate point data, and an error between the latest data group and the movement plane at that time is greater than or equal to a predetermined value or exceeds that value. The next moving plane is obtained from a second calculation data group including the latest data group and having a smaller number of data than the first calculation data group.
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