JP5374422B2 - 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磁気ベクトルを検知する磁界検知装置に係り、特にノイズの影響を軽減して磁気ベクトルの回転運動を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 with a magnetic sensor directed in each of three orthogonal directions, and more particularly to a magnetic field detection device that can reduce the influence of noise and 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。 Patent Document 2 discloses an attitude sensor mounted on an airplane or the like. This attitude sensor has a geomagnetic detection device, and is provided with a load weight and a force detection device that detects gravity acting on the load weight. When the attitude sensor is tilted with an airplane, etc., the inclination with respect to the direction of gravity is detected by the detection output of the force detection device, and the azimuth output obtained by the geomagnetism detection device is used as information on the inclination posture obtained by the force detection device. To correct.
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 Patent Document 2 includes not only a geomagnetic detection device but also a load weight and a force detection device that detects gravity acting on the load weight. It is difficult to install in small equipment for the purpose.
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軸の方向に向く磁気センサの検知出力から、磁気ベクトルの移動軌跡円を推定でき、しかもノイズの影響を低減させて移動軌跡円を精度良く推定することが可能な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 can estimate a moving locus circle of a magnetic vector from a detection output of a magnetic sensor directed in three orthogonal directions, and reduce the influence of noise to move the moving locus circle. It is an object of the present invention to provide a magnetic field detection apparatus capable of accurately estimating the magnetic field.
また本発明は、少ないデータ数でも移動軌跡円を精度良く推定できる磁界検知装置を提供することを目的としている。 It is another object of the present invention to provide a magnetic field detection apparatus that can accurately estimate a movement locus circle with a small number of data.
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、
前記演算部では、複数の前記検知出力から求められる磁気ベクトルが、球面座標上の座標点データに換算され、複数の座標点データから回帰平面を求められ、前記回帰平面と前記球面座標との交線を移動軌跡円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,
In the calculation unit, magnetic vectors obtained from a plurality of the detection outputs are converted into coordinate point data on spherical coordinates, a regression plane is obtained from the plurality of coordinate point data, and an intersection between the regression plane and the spherical coordinates is obtained. The line is a moving locus circle.
本発明は、X−Y−Zの三次元座標での平面の方程式をY=A・X+B・Z+Cとし、定数AとBを、xの分散Sx、yの分散Sy、zの分散Sz、およびxとyの共分散Sxy、xとzの共分散Sxz、yとzの共分散Syzから求め、定数Cを、xの平均xa、yの平均ya、zの平均zaから求めて、前記方程式から回帰平面を求めるものである。 In the present invention, the plane equation in the three-dimensional coordinates of XYZ is Y = A · X + B · Z + C, and the constants A and B are the variance Sx of x, the variance Sy of y, the variance Sz of z, and The covariance Sxy of x and y, the covariance Sxz of x and z, the covariance Syz of y and z, the constant C is obtained from the average xa of x, the average ya of y, and the average za of z, and the above equation From this, the regression plane is obtained.
本発明は、三次元座標上での複数の座標点データの分散の傾向と分散の平均を加味した回帰平面を算出し、回帰平面と球面座標との交線を移動軌跡円としている。複数の座標点データの分散の傾向を統計学的に加味しているので、求められる回帰平面および移動軌跡円は、実際の回転軌跡円の傾向に近いものとなる。すなわち、ノイズの影響を軽減させて回転軌跡円を推定できる。また、少ないデータ数であっても、誤差の少ない回帰平面を求めることができ、少ないデータ数から移動軌跡円を推定することができる。 In the present invention, a regression plane is calculated in consideration of the dispersion tendency and the average of the dispersion of a plurality of coordinate point data on the three-dimensional coordinates, and the intersection line between the regression plane and the spherical coordinates is used as a movement locus circle. Since the distribution tendency of a plurality of coordinate point data is statistically taken into consideration, the obtained regression plane and moving locus circle are close to the actual tendency of the rotating locus circle. That is, the rotation locus circle can be estimated while reducing the influence of noise. Further, even if the number of data is small, a regression plane with a small error can be obtained, and the movement locus circle can be estimated from the small number of data.
本発明は、移動軌跡円の中心からの複数の座標点データの開き角と、座標データのサンプル時間とから角速度が求められる。 In the present invention, the angular velocity is obtained from the opening angle of a plurality of coordinate point data from the center of the movement locus circle and the sample time of the coordinate data.
この場合に、複数の座標点データを前記移動軌跡円に投影し、移動軌跡円の中心からの投影点の開き角と、座標データのサンプル時間とから角速度が求められる。 In this case, a plurality of coordinate point data is projected onto the movement locus circle, and the angular velocity is obtained from the opening angle of the projection point from the center of the movement locus circle and the sampling time of the coordinate data.
上記のように座標点データを移動軌跡円に投影することで、座標点データの開き角度をノイズの影響が少なく誤差の少ないものとして求めることができる。 By projecting the coordinate point data onto the moving trajectory circle as described above, the opening angle of the coordinate point data can be obtained as being less influenced by noise and less error.
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、磁気ベクトルの相対的な回転運動を推定できる。また、複数の座標データの分散と平均を加味して回帰平面を求めているので、ノイズの影響が少なく、しかも少ないデータ数であっても、移動軌跡円を精度良く求めることが可能である。 According to the present invention, the relative rotational motion of the magnetic vector can be estimated by using the detection output of the magnetic sensor directed in the orthogonal three-axis directions. In addition, since the regression plane is obtained by taking into account the variance and average of a plurality of coordinate data, the influence of noise is small, and even with a small number of data, the movement locus circle can be obtained with high accuracy.
図1に示す本発明の実施の形態の磁界検知装置1は、地磁気を検知する磁気検知部2を有している。図3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。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3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合金などの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. 3, 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電位が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軸の検知出力が中点電位となる。
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、前記中点電位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、前記中点電位に対してマイナス側の極大値となる。
When the entire magnetic detection unit 2 is tilted and the fixed direction PX of the magnetization of the fixed magnetic layer of the
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電位が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、中点電位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、中点電位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、中点電位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、中点電位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
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、演算部10で演算処理され、図4に示すX−Y−Zの三次元座標上の座標点データD(xb,yb,zb)に変換されて、演算部10に設けられたデータバッファ(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2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に格納されていた最も古い座標点データ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。
The X axis detection output, the Y axis detection output, and the Z axis detection output converted into digital data are subjected to calculation processing by the
図4に示すように、演算部10には、ソフトウエア上で、X−Y−Zの三次元座標が設定されている。演算部10に設定されたX−Y−Zの各軸は、図3に示す磁界検知装置1に固定されて設定されたX−Y−Zの各軸とその向きが一致している。
As shown in FIG. 4, XYZ three-dimensional coordinates are set in the
図4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。演算部10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. 4, when the magnetic detection unit 2 is placed anywhere on the earth, the detection output xb is obtained from the
磁界検知装置1は、電源が投入された直後または使用開始時にキャリブレーションが行われる。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のディスプレイの表示などに指示され、使用者がその指示にしたがって実行する。
The
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。演算部10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りこの円を含む平面と垂直な中心線が求められて、これらの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、三次元座標の基準原点Oとなるように補正される。
Calibration is performed by rotating a portable device or the like equipped with 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が補正されると、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、図4に示すように、三次元座標上の基準原点Oを中心とする球面座標G上の点として現れる。この球面座標Gの半径Rは、X軸センサ3、Y軸センサ4、Z軸センサ5から得られる検知出力の極大値の絶対値に比例する。球面座標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座標Gの半径Rも変化する。
When the reference origin O of the three-dimensional coordinates is corrected by calibration, the coordinate point data D (xb, yb, zb) calculated from the subsequent detection output is the reference on the three-dimensional coordinates as shown in FIG. It appears as a point on the spherical coordinate G with the origin O as the center. The radius R of the spherical coordinate G is proportional to the absolute value of the maximum value of the detection output obtained from the
図4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た状態を示している。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。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。仮に、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。
FIG. 4 shows a state where the Z axis set in the magnetic
しかし、実際に磁界検知装置1を搭載した携帯機器などを、三次元空間内で任意の向きに回転させたときに、座標点データDからのみでは、回転軌跡の軸がどの向きであるのか、回転軌跡の中心の座標がどこにあるかを認識することができない。その結果、角速度も演算できない。
However, when the mobile device or the like actually mounted with the magnetic
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、磁界検知装置1を任意の向きの軸を中心として回転させたときに、座標点データがどの移動軌跡円に沿って移動しているのかを演算で推定できるようにしている。
Therefore, in the
図5に示すように、磁界検知装置1が、X−Y−Z軸以外の任意の軸を中心として回転すると、球面座標G上に座標点データD1,D2,・・・,Dn−1,Dnが現われる。座標点データD1が最新のデータであり、D2,D3,D4,・・・Dn−1,Dnの順に遡って古いデータとなる。最新の座標点データD1は、図2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,D4,・・・が、格納部11b,11c,・・・に順に格納される。
As shown in FIG. 5, when the magnetic
演算部10では、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D1,D2,D3,・・・,Dn−1,Dnを用い、これらの座標点データの分散傾向と平均を加味して、それぞれの座標点データとの誤差が最小となる回帰平面Pを求める。この回帰平面Pと球面座標Gとの交線となる円を移動軌跡円Crと推定する。
The
図5に示すX−Y−Zの三次元座標での回帰平面Pの方程式をY=A・X+B・Z+Cとすると、定数AとBは、xの分散Sx、yの分散Sy、zの分散Sz、およびxとyの共分散Sxy、xとzの共分散Sxz、yとzの共分散Syzから求められ、定数Cは、xの平均xa、yの平均ya、zの平均zaから求められる。 When the equation of the regression plane P in the three-dimensional coordinates of XYZ shown in FIG. 5 is Y = A · X + B · Z + C, the constants A and B are the variance Sx of x, the variance Sy of y, and the variance of z Sz, x and y covariance Sxy, x and z covariance Sxz, y and z covariance Syz, and constant C is obtained from x average xa, y average ya, and z average za It is done.
演算に使用する座標点データD1,D2,D3,・・・,Dn−1,Dnの座標をそれぞれ、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、・・・(xn−1,yn−1,zn−1)、(xn,yn,zn)とし、球面座標Gの座標を(0,0,0)とする。なお、演算に使用する座標点データD1,D2,D3,・・・,Dn−1,Dnは、図2に示すバッファメモリ11に一定量格納された全てのデータを使用してもよいし、そのうちのいずれか複数を選択して使用してもよい。
The coordinates of the coordinate point data D1, D2, D3,..., Dn-1, Dn used for the calculation are (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), respectively. ,... (Xn-1, yn-1, zn-1), (xn, yn, zn), and the coordinates of the spherical coordinate G are (0, 0, 0). The coordinate point data D1, D2, D3,..., Dn−1, Dn used for the calculation may use all data stored in a certain amount in the
xの平均xa、yの平均ya、zの平均zaは、以下の数1から求められる。
xの分散Sx、yの分散Sy、zの分散Szは、以下の数2から求められる。
xとyの共分散Sxy、xとzの共分散Sxz、yとzの共分散Syzは、以下の数3から求められる。
The covariance Sxy of x and y, the covariance Sxz of x and z, and the covariance Syz of y and z are obtained from the following
回帰平面Pの方程式Y=A・X+B・Z+Cの定数A,Bは、以下の数4から求められる。 Constants A and B of the equation Y = A · X + B · Z + C on the regression plane P are obtained from the following equation (4).
回帰平面Pの方程式Y=A・X+B・Z+Cの定数Cは、以下の数5から求められる。
次に、回帰平面Pの方程式Y=A・X+B・Z+Cと、球面座標Gの方程式X2+Y2+C2=R2(Rは半径)とから、回帰平面Pと球面座標Gとの交線を求め、この交線の円を移動軌跡円Crと推定する。 Next, from the equation Y = A · X + B · Z + C of the regression plane P and the equation X 2 + Y 2 + C 2 = R 2 (R is a radius) of the spherical coordinate G, the intersection line of the regression plane P and the spherical coordinate G And the circle of this intersection is estimated as the movement locus circle Cr.
磁界検知装置1を搭載した携帯機器などが一定の軸の回りを回転しているときは、この間に得られた座標点データD1,D2,D3,・・・,Dn−1,Dnに相関があり、実際の移動軌跡円と各座標点データとの残差はほぼ正規分布に従い、また残差の平均値はきわめて0に近い。そのため、複数の座標点データの分散と共分散および平均から算出された回帰平面Pは、地磁気ベクトルVの回転軌跡の傾向に近いものとなり、それぞれの座標点データに重畳しているノイズの影響が少ないものとなる。よって、移動軌跡円Crも、ノイズの影響が少なく、実際の運動の傾向に則した高精度なものとなる。
When a portable device equipped with the magnetic
図6に示すように、移動軌跡円Crが求められると、その中心Mを求めることができる。複数の座標点データのうちのいずれか2つの座標点データDa,Dbを選択し、前記中心Mからの開き角度を、2つの座標点データDa,Db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できる。 As shown in FIG. 6, when the movement locus circle Cr is obtained, its center M can be obtained. The angular velocity is obtained by selecting any two coordinate point data Da and Db from the plurality of coordinate point data and differentiating the opening angle from the center M with the sampling time of the two coordinate point data Da and Db. be able to.
このとき、2つの座標点データDa,Dbをそのまま使用して、2つの座標点データDa,Dbの中心Mからの開き角度を求めてもよい。ただし、図6に示すように、座標点データDaとDbから回帰平面Pへ垂直に投影した投影点Dav,Dbvを求め、この投影点Dav,Dbvの開き角度θをサンプリング時間で微分して角速度を求めることが好ましい。 At this time, the opening angle from the center M of the two coordinate point data Da and Db may be obtained by using the two coordinate point data Da and Db as they are. However, as shown in FIG. 6, the projection points Dav and Dbv projected perpendicularly on the regression plane P from the coordinate point data Da and Db are obtained, and the opening angle θ of the projection points Dav and Dbv is differentiated by the sampling time to obtain the angular velocity. Is preferably obtained.
移動軌跡円Crの中心Mの座標(xm,ym,zm)は、以下の数6で求められる。
上記座標から、中心Mを、X−Y平面座標、X−Z平面座標、Y−Z平面座標にそれぞれ投影した中心点を求める。同様にして、2つの座標点データDa,Dbを、X−Y平面座標、X−Z平面座標、Y−Z平面座標にそれぞれ投影した投影点を求める。投影した中心点と2つの座標点データの投影点とから、X軸回りの角速度と、Y軸回りの角速度およびZ軸回りの角速度をそれぞれ求めることができる。 From the coordinates, a center point obtained by projecting the center M onto the XY plane coordinates, the XZ plane coordinates, and the YZ plane coordinates is obtained. Similarly, projection points obtained by projecting the two coordinate point data Da and Db onto the XY plane coordinates, the XZ plane coordinates, and the YZ plane coordinates are obtained. From the projected center point and the projection points of the two coordinate point data, the angular velocity around the X axis, the angular velocity around the Y axis, and the angular velocity around the Z axis can be respectively obtained.
上記のように、座標点データDaとDbから回帰平面Pへ垂直に投影した投影点Dav,Dbvを求め、この投影点Dav,Dbvの開き角度θをサンプリング時間で微分して角速度を求めると、実際の移動軌跡円と傾向が同じ円での移動角速度を求めることができるため、ノイズの影響の少ない角速度を算出することができる。 As described above, when the projection points Dav and Dbv projected perpendicularly to the regression plane P from the coordinate point data Da and Db are obtained, and the angular velocity is obtained by differentiating the opening angle θ of the projection points Dav and Dbv with the sampling time, Since the moving angular velocity in a circle having the same tendency as the actual moving trajectory circle can be obtained, an angular velocity with less influence of noise can be calculated.
また、座標点データDのサンプル数が比較的少なくても、分散の傾向から、実際の運動に即した移動軌跡円を推定できるため、演算の負荷が少なく、また磁界検知装置1を少し回転させただけで、その時点の角速度を俊敏に算出することができる。
Further, even if the number of samples of the coordinate point data D is relatively small, it is possible to estimate the movement locus circle in accordance with the actual movement from the tendency of dispersion, so that the calculation load is small and the magnetic
本発明の磁界検知装置は、3軸の磁気センサからの座標点データを使用して回転運動を特定し角速度を算出することができる。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 the angular velocity by specifying the rotational motion using the coordinate point data from the triaxial magnetic sensor. 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でどのような運動をし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 motion 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 what direction and how the external magnetic vector moves.
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
D1,D2,D3,D4,・・・,Dn 座標点データ
G 球面座標
P 回帰平面
Cr 移動軌跡円
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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、
前記演算部では、複数の前記検知出力から求められる磁気ベクトルが、球面座標上の座標点データに換算され、複数の座標点データから回帰平面を求められ、前記回帰平面と前記球面座標との交線を移動軌跡円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,
In the calculation unit, magnetic vectors obtained from a plurality of the detection outputs are converted into coordinate point data on spherical coordinates, a regression plane is obtained from the plurality of coordinate point data, and an intersection between the regression plane and the spherical coordinates is obtained. A magnetic field detection device characterized in that a line is a moving locus circle.
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