方位感测系统的自动校准的制作方法

专利名称：方位感测系统的自动校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有方位感测系统的电子装置，该方位感测系统包 括感测加速度的第一传感器和感测磁场的第二传感器。该方位感测系 统包括校准系统。例如，该装置是诸如移动电话、掌上电脑、个人数 字助理之类的电子移动装置，或是用于陆上交通工具、船、飞机的独 立的电子导航装置等。本发明还涉及校准这种系统的方法以及在微处 理器上执行这种方法的软件。
背景技术：
为了补偿偏移、比例因子偏差、定位公差和磁性材料的影响， 对罗盘磁力计进行校准。这种补偿减小了计算出来的该装置的方位中 的误差。上述的影响，特别是磁性材料的影响，会随着时间变化。通 常，在更换电池、在车上使用、或在暴露于强磁场之后需要再次校准。 自动校准还可以用来代替一次性的工厂校准，从而节省生产成本。
WO 02/46693公开了 一种对电子罗盘中的被测磁场值中的磁误 差进行数值补偿以确定该罗盘的方位的三轴代数模型。这种模型基于 一些物理原理，并采用有助于》J4H尝所需的参省进行计算的线性代数 方法。在电子罗盘的校准过程中，在多种方位和方位角的组合中的每 一种组合上的三个轴上的测量磁场和重力场。这组测得的磁场和重力 场被用来釆用方程组来计算矩阵补偿系数和向量补偿系数。这些补偿 系数被存储，然后在电子罗盘的正常工作过程中被用来校正所有随后 测得的磁力计数据，以获得地球磁场的校正值，根据这些校正值可以 计算正确的方位角。
WO 02/46693公开了一种用于3D磁力计的自动校准技术，该技 术不再需要独立的航向校准。罗盘具有3D加速计，在校准过程中必 须保持在至少12个不同的在空间上大致均匀分布的定位上。这种已知技术局限于3D磁力计和3D加速计的组合。不能应用于一个或两 个传感器只是2D的情况下。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种自动校准技术，该技术可以用于 2D或3D磁力计和2D或3D加速计的任意组合。
为了达成此目的，发明人提出了一种电子装置，该电子装置具 有用于在该装置的操作应用中确定该装置方位的方位感测系统。该方 位感测系统包括第一传感器和第二传感器，第一传感器用于提供表示 感测到的磁场向量的第一 向量，该感测到的磁场向量包括地磁场向 量，第二传感器用于提供表示感测到的加速度向量的第二向量，该感 测到的加速度向量包括重力场向量。该方位感测系统还包括校准装 置，该校准装置耦接至第一传感器和第二传感器，并可操作来校准该 感测系统以用于操作应用。该校准装置采用第二向量来约束要确定的 地磁场向量在该装置的多个方位的相应方位上的相应向量的可能方 向的范围。该校准装置可以操作来数值地求解一个包括表示第一向量 的第一种量和表示第二向量的第二种量的方程组。对于每个第--种 量，该方程组包括对应的方程(102)，见图1，方程(102)包括等 价于参数矩阵与相应的地磁场向量的矩阵乘法的项。
磁力计的输出信号是一个取决于地磁场向量的向量。这种对地 磁场向量的依赖关系由作为具有地磁场向量的矩阵的乘积的项来表 示。地磁场向量是一个3D向量。WO 02/46693中的技术依靠采用这 个矩阵的逆矩阵，因此，该矩阵通常需要是3x3的方形矩阵。于是， WO 02/46693中的技术局限于采用3D磁力计。而且，WO 02/46693 采用3D加速计。因此，这种已知的方法不能应用于采用2D磁力计 禾口/或2D加速计的配置。在本发明中，采用表示按照矩阵变换的3D 地磁场向量的磁力计输出向量的方程不局限于3D磁力计和3D加速 计配置。本发明能够采用2D或3D磁力计与2D或3D加速计的不同 组合。
如果采用了 3D磁力计和3D加速计，则对方程组进行数值求解，
8对于每个方位，该方程组包括具有等价于参数矩阵与地磁场向量的矩 阵乘法的项的向量方程。该方程组还包括每个方位的标量方程，表示 在独立于方位感测系统的方位的意义上，地磁场在执行测量的位置上 是恒定的事实。该方程组还包括每个方位的标量方程，表示地磁场向 量和重力向量的点积在测量位置上独立于方位的事实。为了求解该方 程组，至少需要7个不同的方位来求得补偿所需的校准参数值。
对于2D磁力计和3D加速计的组合，采用与上文讨论过的3D/3D 配置中的方程组类似的方程组。现在，需要至少9个不同的方位。
对于涉及2D或3D磁力计和2D加速计的组合，用包含矩阵变 换来将3D重力向量映射到其2D表示上的向量方程以及表示重力向 量的幅度在测量位置上独立于方位的标量方程来展开该方程组。在 3D磁力计和2D加速计的配置中，至少需要7个不同的方位来得到 这些校准参数。在2D/2D配置中，至少需要9个不同的方位。
在本发明的一个实施例中，第一种量中的每一个都是第一传感 器所提供的多个第一向量的平均值。这种平均消除了振动影响，从而
提咼了精度o
在另一个实施例中，每个第二种量是第二传感器所提供的多个 第二向量的平均值。这种平均同样消除了振动影响，并从而提高了精 度。
在又一个实施例中，根据被考虑用于产生作为第一向量的特定 向量的第一平均值和产生作为第二向量的特定向量的第二平均值的 第二种量的相应特定量，校准装置可操作地排除一个专门的第一向量
和一个实时对应的特定的第二向量，而且，如果特定的第一向量偏离 特定的第一向量的第一平均值的运行版本的向量距离超过了第一阈 值，或者如果特定的第二向量偏离特定的第二向量的第二平均值的运 行版本的向量距离超过了第二阈值，则停止产生特定的第一种量和停 止产生相应的特定第二种量。
因此，只要第一传感器或第二传感器提供的采样偏离目前建立 的运行平均的距离超过了某个距离，就停止产生第一和/或第二向量 的平均值。如果根据小于某一最小量采样的采样产生了平均值，则丢弃这个平均值。这种方法减小了动态方位改变和机械振动对采集到的 数据的完整性的影响。
在又一个实施例中，如果特定的第二种量的大小偏离另一个预 定值超过了另一个阈值，则从要求解的方程组中排除一个特定的第一 种量和一个实时对应的特定的第二种量。
假定第二种量的大小表示重力的标称大小D如果第二种量的大 小偏离了标称大小，则该装置受到了除重力之外的加速度的作用。第 二种量表示在某一时间间隔中该装置经历的平均加速度的测量结果。 如果该装置相对于地球保持静止，或者在恒定的方向上匀速运动，则 感测到的加速度只是重力的良好表示。如果该装置加速，则感测到的 合成加速度不表示重力。因此，求解方程组并从而得到校准参数的计 算不再有效。那么，测量结果的条件排除保持了采集到的数据的完整 性。
在又一个实施例中，如果一方面在单个第一种量或单个第二种 量与另一方面包含在要求解的方程组中的第一或第二种量的其他量 之间的测量不一致小于又一个阈值，则从要求解的方程组中排除单个 的第一种量和单个的实时对应的第二种量。
如果包含在方程组中的第一 (或第二)种量相距彼此的距离超 过了某一距离，则会提髙校准参数的精度。也就是说，它们各自的向 量空间中的同一小区域中的各个量没有聚集(clustering)。聚集会导 致方程组近似奇异。
例如，可以在该装置是手持或移动型装置的情况下，当更换了 电池时偶尔操作校准装置。可替换地，在操作应用中可以操作校准装 置作为后台处理。
在又一个实施例中，第一传感器包括2D磁力计；第二传感器包 括3D加速计。在上文已经简要地讨论了这种配置。它的优点在于较 低的实施成本。
本发明的上述实施例涉及一种实体装置。以对方位感测系统进 行校准的方法的形式出现的本发明在商业上也是有吸引力的，并涉及 利用微处理器执行这种方法的软件。
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通过示例，参照附图，对本发明进行详细解释，其中
图1、 3、 5和6给出了说明本发明的校准过程的数学方程；
图2是示出了与本发明的装置相关的磁向量和重力向量的示图4是本发明的校准过程中的相关步骤的示图7是本发明的装置的框图。
在这些图中，用相同的附图标号或标记来表示相似或对应的特 征。在说明书中，用粗体字表示向量和矩阵量。
具体实施例方式
电子罗盘中的磁力计用来测量地磁场向量的那些分量。不过， 磁力计周围的铁材料会影响磁力计所测量的磁场。如果不知道这些材 料如何影响来自磁力计的测量结果，则罗盘的方位或航向角输出不准 确。需要进行校准来补偿铁材料对被测场的影响，以保持精度。
磁力计提供输出信号向量MM，对于3D (三维)磁力计而言， 这是一个3D向量，对于2D磁力计而言，这是一个2D向量。向量 MM涉及相对于固定到罗盘的坐标系而参照的3D地磁场向量$。上 标c表示"全集"(拉丁语"体")。向量MM的表达式由图1中的线 性矩阵方程(102)给出。对于3D磁力计而言，量SF^m是一个3x3 的比例因子矩阵，对2D磁力计而言，量SF^m是一个2x3的比例因 子矩阵。对于3D磁力计而言，量Pmm是3D偏移向量，对于2D磁 力计而言，量Pmm是2D偏移向量。偏移向量PMM是磁力计偏移和固 定在磁力计附近的硬磁材料的结果。硬磁材料是诸如永磁铁之类的具 有它们自己的永久磁场的材料。比例因子矩阵SF^m说明磁力计传感 器轴相对于上文所参照的固定坐标系的灵敏性和(错误)方位，而且 还说明磁力计周围的软磁性材料对地球磁场的局部强度和方向的影 响。
地磁场向量eB在给定位置具有恒定的大小。被测的向量$的 方向表示罗盘相对于地球磁场的方位。向量eB可以在体坐标系中假定所有可能的方向。理想上，3D空间中相应的3D MM向量的坐标 位于椭球的表面上。类似地，2D空间中相应的2D MM向量的坐标 位于椭圆所界定的闭合区域中。
在通常的现有技术方法中，假定在操作应用中罗盘只绕同一单 个轴旋转(通常是对应于方位角旋转的垂直轴)。这个旋转轴的方向 由单位长度向量^1表示。向量CB也被限制到绕轴eQ的旋转。换句 话说，对于向量eB的方向而言只有一个自由度。因此，对应的2D MM 向量终止在2D空间的椭圆上。图1中的方程104表明向量eB可以 被表示为平行于旋转轴eQ的第一恒定分量eB 和垂直于旋转轴eft的 第二恒定长度分量^丄之和。第二分量的平方长度由图1中的方程106 给出。向量eB被假定为只绕具有单位向量eQ的轴旋转的约束条件 被用来以方程(108)表示向量^。在表达式(108)中，向量^,表
示固定到罗盘机构上的坐标系的X轴。假定向量eft不平行于向量CCx，
角度a表示向量力1绕旋转轴eJl旋转离开向量^xCq的角度。这个 角度a表示被测向量^的单个自由度。为了以图形方式表示这些向 量，见图2，其中，部件202指的是固态罗盘的结构。
将方程108代入方程102给出了表达式302。表达式302示出了 平行分量CBn在磁力计输出信号向量MM中产生了其他的偏移，并示 出了垂直分量^Bi产生了取决于角度a的可变影响。
2D磁力计的自动校准的目标在于确定由表达式304给出的2x2 复合矩阵的四个系数以及表达式306的复合偏移向量的两个分量的 系数。如果角度a的范围为0到2兀，则方程302的向量MM描述了 2D平面上的一个椭圆。通常，2D平面上的椭圆由五个独立的参数来 描述两个轴的长度、表示它的轴相对于参考坐标系的方位的角度、 它距参考坐标系原点的2D偏移。因此，如果在角度a的不同(未知) 值对向量MM得到了至少五个测量结果，则可以将椭圆的五个参数 拟合到这些测量结果。不过，唯一地描述了拟合的椭圆的五个参数不 足以确定校准模型的六个独立参数(2x2矩阵的四个参数加上偏移向 量的两个参数)。偏移向量自身可以被唯一地确定为拟合椭圆的中心。 2x2矩阵的四个系数不能被唯一地确定。为了确定2x2矩阵的四个系数，五个测量结果中的至少一个的角度a的值必须已知。这个最后步
骤被称为"航向校准"，而且必须由用户(人工地)执行，例如，通过 将罗盘放在已知的参考方位中。这个航向校准步骤对用户而言是非常
不现实的不能指望用户知道正确的参考方位(这是用户需要罗盘的 原因)。而且，在校准过程(以及正常使用)过程中罗盘需要在单个 平面上旋转的事实也是极度不方便的，特别是对于手持移动装置。在 下列专利文件中给出了这种类型的校准示例，并通过引用将所有这些 专利并入本文美国专利申请公开2004/0267505 、美国专利 4,953,305 、美国专利5,644,851 、美国专利6,047,237、美国专利 6,173,501、美国专利6,192,315、美国专利6,301,794。
如果磁力计具有3D功能，则可用的罗盘方位不局限于绕单个轴 旋转。那么，3D磁力计的自动校准也不局限于单个旋转轴。如果地 磁场向量eB出现变化，则向量MM描述了位于3D空间中的椭球表 面上的路径。椭球的主轴由3x3矩阵SFmm摘定，而它的中心被相对 于参考坐标系偏移了 3D向量卩mm。 3D磁力计的自动校准现在的目 标是确定3x3矩阵SF^m的九个系数和向量Pmm的三个分量。通常， 椭球由九个参数唯一地确定三个轴的长度、表示它的方位相对于参 考坐标系的三个角度、以及确定相对于参考坐标系的椭球中心的3D 偏移向量的三个分量。因此，为了能够唯一地将椭球的这些参数拟合 为测量结果，至少需要向量MM的九个不同的测量。不过，拟合的 椭球的九个参数不足以唯一地确定校准模型的十二个参数3x3矩阵 SFmm的九个系数和偏移向量(3mm的三个分量。可以唯一地确定椭球 中心的坐标，即偏移向量Pmm。不过，采用描述椭球的剩下的六个参 数不能唯一地确定矩阵SF^m的九个系数。现在，为了确定矩阵SFMM 的系数，对于至少九个MM测量结果的至少两个，必须知道向量3 的相应方向。于是，和2D情况相同，用户通过将罗盘放置在两个己 知的参考方位上，来执行航向校准的这个麻烦步骤。
参照上文的背景技术部分，WO 02/46693公开了一种用于3D磁 力计的自动校准技术，这种技术不需要单独的航向校准。该技术基于 采用3D重力传感器(或3D加速计)，这种传感器提供了用于校准磁力计的参考方向。这种罗盘必须保持在至少十二个不同的方位上， 这十二个方位在空间上大致均分分布。这种己知技术局限于3D磁力 计和3D加速计的组合，不能应用于一个或两个传感器只是2D的情 况下。
在方位感测系统和倾斜补偿罗盘中，增加一个加速计来测量地
球重力加速度的方向eg。在可以从测量结果中得到^和eg的情况下，
通过计算图3的方程(308)中给出的地磁参考坐标系统的参考轴(东、 北、上)，可以确定罗盘的方位。根据这些量，可以计算其他的量， 例如罗盘的倾斜补偿航向角。
在WO 02/46693中公开了还可以将通过加速计得到的eg的方向 的测量结果用作磁力计模型的所有参数的自动校准的参考方向。这是
因为对于地球上的给定位置，向量^和、之间的角度是恒定的。从
而，对于向量MM的每个特定的测量结果，知道eg的方向，就将相 应的未知向量eB的可能方向限制在位于具有平行于eg的轴的锥表面 并与锥顶相交的那些方向上。这种自动校准方法使用户不再需要执行 航向校准步骤。罗盘成了完全自校准的。
在WO 02/46693中公开的技术完全着眼于3D磁力计和3D加速 计的结合。2D磁力计具有关于相对于3D磁力计的(例如)成本优 势。不过，这种已知技术并不适用于2D磁力计。
发明人现在提出了一种可替换的方法，该方法适用于对2D磁力 计和3D磁力计的磁力计模型参数进行自动校准。而且，还与已知技 术不同的是，除了用于3D磁力计，本发明中的方法还可以用于2D 磁力计。另外，根据本发明的可替换方法放宽了对必须对其进行采样 来校准系统的方位的数量和空间分布的要求。
WO 02/46693的已知方法需要最少十二个、优选十六个不同的 必须几乎均匀分布的方位，来得到最初的线性拟合过程的良好的收敛 性。将本发明的方法适用于具有3D磁力计和3D加速计的罗盘，校 准所需的方位的最小数量减少到7个或优选的10个，只要方位没有 聚集，它们的分布就不重要。这使得可以在没有用户主动介入的情况 下采用本发明的方法。由于算法能够在罗盘的操作应用中的后台处理中采集相关的传感器数据，这极大地促进了用户友好性。
图4是过程400的示图，该示图列出了根据本发明的自动校准 方法的主要步骤。过程400基于传感器数据向量的采集样本，每个向 量均包括所有的传感器通道。每个被采样的传感器数据向量的每个分 量均表示该传感器的输出信号，这些输出信号表示各个传感器通道在 特定时刻采集的 和eg分量。对不同连续时刻采集的样本求平均。 产生足够量的平均样本，以便能够执行拟合算法，来确定比例因子矩 阵SFmm和偏移向量Pmm的参数。
在步骤401开始这个过程。采集样本的数量被设置为0。平均向 量组的大小设置为O。异常标志位设置为"false"。采集标志位设置 为"false"。从备份中重新得到当前的参数。当采集样本时，在歩骤 402确定是否己经采集了足够的样本来确定有意义的平均值。如果还 没有得到足够的样本，则在步骤404检索下一个样本。在步骤406， 确定在罗盘在方位和加速方面有重大变化的时段内是否得到了最近 的样本。例如，确定罗盘是否有不希望的运动的方法如下。比较来自
每个传感器通道的数据与在每个新的采样时刻该通道的运动平均值。 如果对任何一个传感器通道所获得的当前采样对该通道的运动平均 值的偏离量大于预定的阈值，则可以得出该罗盘已经经历了有效运 动。如果偏离量小于阈值，则在步骤408更新该运动平均值传感器向 量，以使之包括新的样本，过程400返回到步骤402来确定是否必须 下一个样本。
如果在步骤406确定了在采样时存在不期望的运动，则过程400 进行到步骤409，其中，当前采样被丢弃。在步骤410，确定了目前 采集的样本数是否已经高于预定的最小值。如果样本数低于最小值， 则过程400进行到步骤411,其中，复位用于存储运动平均的寄存器， 表示样本数的变量被复位为零，然后，过程400返回步骤402。如果 采集的样本数高于最小值，则过程400进行到步骤412，其中，当时 的运动平均值变成了确定的平均值。类似地，如果在步骤402判定己 经采集了足够的样本数来得到有意义的平均值，则过程400进行到步 骤412。在步骤413，对用于存储运动平均值的寄存器进行复位，使之能
够开始计算下一个平均。在步骤414，确定明确的平均加速度向量的幅
度是否足够接近重力向量的(归一化)幅度。如果有足够大的差异，
则在步骤415丢弃该平均值，过程400返回步骤402。如果测得的加速 度是可以接受的，则过程400进行到步骤416，其中，确定平均向量是 否与磁力计校准模型的当前参数组一致。如果一致性不足，则在步骤 417中将异常标志位设置为"true"，将采集标志位设置为"true"。异常标 志位表示最近的平均向量与当前用来补偿磁力计读数的参数设置是否 一致。可选地，可以采用异常标志位的"false"值来在步骤418确认本发 明的电子罗盘的用户界面(未示出)上所提供的结果的可靠性。将采 集标志位设置为"tme"是开始采集平均向量的触发。也就是说，在已经 检测到第一异常之后开始产生一组平均向量。 一旦开始产生，可以增 加刚好与当前设置一致的向量。在步骤419确定采集标志位是否为 tme。如果不为tme，则在步骤420中丢弃确定的平均传感器数据向量， 过程返回到步骤402。
如果采集标志位为true，则在步骤421确定平均传感器数据向量 是否与之前采集的所有其他的平均传感器数据向量充分不同。例如， 通过确定它到每个之前采集的平均向量的距离是否足够大，可以进行 这个操作。如果距离足够大，则在步骤422中将当前平均传感器数据 向量加到之前采集的平均传感器数据向量的组中，并递增变量"组大 小"。否则，在步骤423中丢弃平均传感器数据，因此，过程400返回 步骤402。可以用很多方式来表示这个距离，例如，在维度等于传感器 通道数的空间中测得的欧几里德距离。例如，在某个传感器轴的可靠 性比其他的轴差(噪声多)的时候，可以将加权因子应用于这些被比 较的向量的单个分量。还可以分别地对磁力计信号向量和加速计信号 向量确定这些距离。接受的相关标准是这些距离中的各个距离大于各 自的某个阈值。
在步骤426中，确定这样采集的平均向量组是否包含足够数量 的向量。如果数量足够，那么给定平均传感器数据向量的组，在步骤 428中执行拟合程序，来确定一个新的磁力计模型参数组。在步骤430
16中，确定拟合程序是否收敛于余数已经变得小到足够使被程序处理的 平均向量组自约束。如果程序不收敛，可能是磁异常已经在采集平均 向量的过程中发生了变化。例如，执行自动校准的电子罗盘在铁物体 周围停留了一段时间。这可能暗示程序不会收敛于与平均向量组的每 个成分一致的校准参数组。在这种情况下，平均向量组被冲洗，变量 "组大小"被复位为零，在步骤432中恢复参数组的备份，而过程400 返回步骤402。不过，收敛(仍然)没有发生的其他原因可能是目前 采集到的平均向量组没有携带足够的信息来使程序真正地收敛于校 准参数组。在后一种情况下，在采集其他的平均向量之后可以实现收 敛。因此，在步骤434首先确定变量"组大小"是否已经达到了预定的 最大值。如果是，则过程400进行到步骤432。如果不是，则过程400 进行到步骤402以采集其他的平均向量。
如果在步骤430确定已经出现了收敛，即，余数小到可以接受， 则过程400进行到步骤436，其中，发布新的用于操作应用的校准参 数组。在步骤440中，对当前的参数组进行备份，将变量"组大小" 重置为零，将采集标志位重置为"false"。只有在步骤438中确定了在 最大数量的平均向量的情况下是否已经出现收敛之后才进行这项操 作。这保证了备份的参数组的可靠性。如果还没有达到最大数量的平 均向量，则在过程400返回步骤402时继续采集平均向量。
例如，收敛测试包括计算(例如)均方根拟合残差以及测试它 是否小于预定的阈值级别。
过程400的迭代拟合程序不仅涉及磁力计数据向量MMi，还涉 及加速计数据向量AMi，而不是直接计算不同的传感器配置的重力向 量egi，其中，2D加速计与2D或3D磁力计结合使用。为了达到此 目的，方程502给出了包含被(2D或3D)加速计测量的向量eg的 表达式，方程502具有等价于表达式102的结构。这里，量SFam是 比例因子矩阵(说明相对于结构坐标轴的方位的灵敏性和精度)，pAM
是偏移向量。假定SFam和卩am均是通过工厂校准过程确定的。作为 这个过程的一部分，选择标定SFAM，使得将向量eg的长度置为一。 现在，考虑从罗盘的第i个方位的测量结果MMi和AMi中获得的信息。根据传感器配置(2D或3D磁力计、加速计)，对每个方 位i获得介于四个和六个不同的标量信号之间的采样(即，四到六维 传感器数据向量)。由于每个方位i具有事先并不知道的三个自由度， 同样引入了三个未知的参数。这意味着每个其他方位的四到六维传感 器数据向量能够确定一个、两个或三个原始未知参数的值。不过，在 3D加速计的情况下，加速计提供的数据向量能够确定只有两个方向 的自由度(向量eg的方向)。因而，每个其他方位的四到六维传感 器数据向量能够确定一个或两个原始未知参数的值。
在下文中，详细地讨论了各种采用2D或3D磁力计和2D或3D 加速计的不同组合的罗盘配置。
第一种配置采用了 3D磁力计和3D加速计。在这种情况下，考 虑到磁力计校准模型中的十二个未知参数，在矩阵SFmm中有九个未 知的系数，在向量Pmm中有三个未知的分量。对于每个方位i，直接 根据作为方程(502)的逆反函数的方程(504)得到向量egi。磁力
计采样MMi均涉及相应的具有三个未知分量的地磁场向量eBi。对eBi
已知的是它的大小对所有的方位i是相同的(在不放弃一般性的情况 下，将向量力i的长度设置为一)，它与向量、的点积对所有的方位 i必须相同。因而，对于N个方位(或N个传感器数据向量)，可以 获得在图5中通过参考标号(506)所表示的一组5N个非线性方程。 点积K被认为是另一个未知(标量)常量。从而，在这组5N个方程 中的未知量的总数等于13+3N:矩阵SFmm中的九个未知量，向量卩mm 中的三个未知量，未知的点积K和N个不同方位上向量力i的N个 测量结果的3N个未知量。如果5N〈13+3N，则这组方程具有维度为 13-2N的连续解析空间。对于N〉7，解析空间是离散的(维度为0)。 由于方程是非线性的，离散解析的数量可以大于1。简言之，为了能 够解这个方程组，需要至少7个不同的方位的传感器数据向量。N=7 的要求暗示着34个未知量的35个标量方程。
第二种配置采用3D磁力计和2D加速计。与第一种配置不同， SFAM是一个非方形矩阵，不能通过方程502的逆反函数直接得到向 量egi。因此，现在测得的向量￡&是其他的未知量，要解的方程组是在图5中由参考标号508表示的方程组。现在有13+6N个未知量， 标量方程的数量等于8N。如果8N〉13+6N，从而，如果N〉7，则 解析空间是离散的。与第一种配置中一样，为了解这个方程组，需要 来自至少7个不同方位的传感器数据向量，对于N二7，这个方程组有 具有55个未知量的56个方程组成。
第三种配置采用2D磁力计和3D加速计。现在有包含在组合的 矩阵SFmm以及向量Pmm中的8个未知的原始参数。点积K是第九 个位置参数。与第一种配置类似，可以从方程504中直接得到向量 egl。在图6中通过参考标号602示出了这组方程的结果。向量MMi 现在是2D向量。这组方程中的未知量的总量为9+3N，标量方程的 数量为4N。如果4N〉9+3N，这意味着N>9，则可以得到离散解析 空间。于是，为了解方程组602，需要至少9个不同方位的传感器数 据向量。对于N^9，方程组602由36个未知量的36个标量方程组成。
第四种配置采用2D磁力计和2D加速计。同样，有包含在组合 的矩阵SFmm以及向量Pmm中的8个未知的原始参数。点积K是第 九个未知参数。图6中的参考标号604给出了要求解的这组方程。现 在，在7N个标量方程中有总的9+6N个未知量。如果N〉9，则解析 空间是离散的。对于Ni，这个方程组由63个未知量的63个方程组 成。
应当提及的是，在上述所有的四种配置中，方程组是高度稀疏 的，尽管方程组的维度很大。这是因为只在很少量的方程中出现了每
个未知的向量^i和egi。这种稀疏极大地降低了求解这些方程组的计
算复杂度。
求解N个未知量的N个非线性方程组是一种多维度求根问题， 这是一种很难的数值问题。多维度求根的一种已知的基本算法是 Newton-Raphson方法，这是 一 种基于计算非线性函数的导出矩阵(雅 可比)和采用迭代过程的算法。Newton-Raphson方法在接近根的时 候会快速(二次)收敛，而在远离根的时候也可能非常不可靠。为了 改进全局收敛特性，需要实施一些改进(线性搜索)。这些是多维度 求根的标准技术，在本领域是已知的。图7是本发明的电子装置700的框图。例如，装置700是诸如 专用导航设备或移动电话或个人数字助理之类的手持设备。可替换 地，装置700可以嵌入在(例如)汽车中来在使用汽车的过程中提供 导航帮助。装置700包括方位感测系统702，该方位感测系统702确 定装置700相对于地球磁场和重力的方位。为了实现这个目的，系统 702具有磁力计704和加速计706。系统702还具有校准装置708， 该校准装置708通过确定使系统700精确确定它的方位所需的参数值 来对系统702进行校准。在上文已经详细地讨论了这些校准过程。校 准装置708在存储器710中存储相关的参数值，以使它们可用于系统 700的操作应用。在操作应用中，系统700采用这些包括比例因子矩
阵SFmm和偏移向量pmm的系数的参数来精确地确定方位。
可以用采用了电子电路的硬件来实现校准装置708。可替换地， 可以用采用了微处理器来执行软件指令的软件来实现校准装置708。 可以用诸如CD、存储卡或集成电路模块之类的物理载体上的供应者 提供该软件。可替换地，可以通过诸如互联网之类的数据网络下载该 软件，以使其安装在根据本发明的电子装置上。例如，考虑移动电话， 生产商使该移动电话装备了磁力计和加速计，但没有装备软件来实施 本发明的方位感测系统。通过获得作为另外付费的售后附件或升级的 软件可以使方位感测功能成为可能。
于是，本发明的电子装置具有用于确定该装置方位的方位感测 系统。该系统包括磁力计和加速计。该系统还具有校准装置，来校准 该感测系统以用于操作应用。加速计提供了用来约束要确定的外部磁 场的可能方向的范围的测量结果。校准装置用数值方法求解方程组， 同样地适用于与2D或3D加速计组合的2D或3D磁力计。
权利要求
1.一种电子装置(700)，其具有用于在所述装置的操作应用中确定所述装置方位的方位感测系统(702)，其中所述方位感测系统包括第一传感器(704)，其用于提供表示被感测的磁场向量的第一向量，被感测的磁场向量包括地磁场向量；第二传感器(706)，其用于提供表示被感测的加速度向量的第二向量，被感测的加速度向量包括重力场向量；校准装置(708)，其耦接至第一传感器和第二传感器，用于对感测系统进行校准以进行操作应用；所述校准装置采用第二向量来约束要确定的地磁场向量在所述电子装置的多个方位的相应方位上的相应向量的可能方向的范围；所述校准装置用于对一个方程组(506；508；602；604)进行数值求解，所述方程组包括表示第一向量的第一种量和表示第二向量的第二种量；以及对于每个第一种量，所述方程组包括相应的方程(102)，该方程包括等价于参数矩阵与相应的地磁场向量的矩阵乘法的项。
2. 根据权利要求1所述的电子装置，其中，至少每个第一种量 是第一传感器所提供的多个第一向量的平均值(412)，或至少每个 第二种量是第二传感器所提供的多个第二向量的平均值。
3. 根据权利要求1或2所述的电子装置，其中，根据考虑产生 作为第一向量中的专门的一些向量的第一平均值的第一种量的一个 专门的量和产生作为第二向量中的专门的一些向量的第二平均值的 第二种量的相应的一个专门的量，所述校准装置用于排除(409)第 一向量中的一个特定向量和第二向量中的一个实时对应的特定向量， 以及在下列情况下停止产生该专门的第一种量和停止产生该相应的 专门的第二种量特定的第一向量偏离专门的第一向量的第一平均值的运行版本 的向量距离超过了第一阈值；或者特定的第二向量偏离专门的第二向量的第二平均值的运行版本 的向量距离超过了第二阈值。
4. 根据权利要求1或2或3所述的电子装置，如果特定的第二 种量偏离另一个预定值的大小超过了另一个阈值，则从要求解的所述 方程组中排除(415)第一种量的一个特定量和第二种量的一个实时 对应的特定量。
5. 根据权利要求1或2或3或4所述的电子装置，其中，如果，一方面第一种量中的单个量或第二种量中的实时对应的单个量和另 一方面包括在所述方程组中的第一种量或第二种量的其他的量之间 的测量不一致小于又一个阈值(421)，则从要求解的方程组中排除 (423)所述单个第一种量和所述实时对应的单个第二种量。
6. 根据权利要求l或2或3或4或5所述的电子装置，其中， 在所述电子装置的操作应用过程中，在后台处理中操作所述校准装 置。
7. 根据权利要求1所述的电子装置，其中 第一传感器包括2D磁力计； 第二传感器包括3D加速计；所述方程组(602)由权利要求1中所提及的第一方程(102)、 第二方程和第三方程所组成，第二方程说明所述地磁场向量在所述多 个方位上的每个相应方位上的大小，第三方程说明所述地磁场向量与 所述多个方位的每个相应方位上的重力场向量的点积的值。
8. —种校准(400)用来确定系统方位的方位感测系统(702) 的方法，其中，所述系统包括第一传感器(704)和第二传感器(706)，第一传感器用于提供表示感测到的磁场向量的第一向量，所述感测到 的磁场向量包括地磁场向量；第二传感器用于提供表示感测到的加速 度向量的第二向量，所述感测到的加速度向量包括重力场向量；其中，所述方法包括采用第二向量来约束要被确定的地磁场向量在所述系统的多个 方位的相应方位上的相应向量的可能方向的范围；以及数值求解包含表示第一向量的第一种量和表示第二向量的第二 种量的方程组(506; 508; 602; 604)，其中，对于每个第一种量， 所述方程组包括相应的方程(102)，所述方程(102)包括等价于参数矩阵与相应的每个地磁场向量的矩阵乘法的项。
9. 根据权利要求8所述的方法，其至少包括对形成第一种量的 第一向量的多个向量求平均(412)或对形成第二种量的第二向量的 多个向量求平均。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，包括根据考虑产生作为第 一向量中的专门的一些向量的第一平均值的第一种量的一个专门的 量和产生作为第二向量中的专门的一些向量的第二平均值的第二种 量的相应的一个专门的量，排除(409)第一向量中的一个特定向量 和第二向量中的一个实时对应的特定量，并在下列情况下停止产生专门的第一种量和停止产生相应的专门的第二种量特定的第一向量偏离专门的第一向量的第一平均值的运行版本 的向量距离超过了第一阈值；或特定的第二向量偏离专门的第二向量的第二平均值的运行版本 的向量距离超过了第二阈值。
11. 根据权利要求8或9或IO所述的方法，其包括如果特定的第二种量偏离另一个预定值的大小超过了另一个阈值，则从要求解的方程组中排除(415)第一种量的一个特定量和第二种量的一个实 时对应的特定量。
12. 根据权利要求8或9或10或ll所述的方法，其包括如果一方面第一种量中的单个量或第二种量中的实时对应的单个量和另 一方面包括在所述方程组中的第一种量或第二种量的其他量之间的测量不 一 致小于又 一个阈值(421)，则从要求解的方程组中排除(423) 所述单个第一种量和所述实时对应的单个第二种量。
13. 根据权利要求8或9或10或11或12所述的方法，其作为 所述系统的操作应用中的后台处理操作。
14. 一种用于校准用来确定系统方位的方位感测系统(702)的 软件，其中，所述系统包括第一传感器(704)和第二传感器(706)， 第一传感器用于提供表示感测到的磁场向量的第一向量，所述感测到 的磁场向量包括地磁场向量；第二传感器用于提供表示感测到的加速 度向量的第二向量，所述感测到的加速度向量包括重力场向量；其中，所述软件包括用于采用第二向量来约束要被确定的地磁场向量在所述系统的 多个方位的相应方位上的相应向量的可能方向的范围的指令；以及用于数值求解包含表示第一向量的第一种量和表示第二向量的 第二种量的方程组(506; 508; 602; 604)的指令，其中，对于每个 第一种量，所述方程组包括相应的方程(102)，所述方程(102)包 括等价于参数矩阵与相应的每个地磁场向量的矩阵乘法的项。
15. 根据权利要求14所述的软件，其包括用于产生每一个作为 第一传感器或第二传感器所提供的多个第一向量或第二向量的平均 值(412)的第一种量或第二种量的指令(408)。
16. 根据权利要求14或15所述的软件，其包括用于执行下列 操作的指令-根据考虑产生作为第一向量中的专门的一些向量的第一平均值的第一种量的专门的量和产生作为第二向量中的专门的一些向量的第二平均值的第二种量的相应的一个专门的量，棑除(409)第一向 量中的一个特定向量和第二向量中的一个实时对应的特定量，并在下 列情况下停止产生专门的第一种量和停止产生相应的专门的第二种的第一平均值的运行版本的第二平均值的运行版本
17. 根据权利要求14或15或16所述的软件，其包括执行下列 操作的指令如果特定的第二种量偏离另一个预定值的大小超过了另一个阈 值，则从要求解的方程组中排除(415)第一种量的一个特定量和第 二种量的一个实时对应的特定量。
18. 根据权利要求14或15或16或17所述的软件，其包括执行 下列操作的指令如果一方面第一种量中的单个量或第二种量中的实时对应的单 个量和另一方面包括在所述方程组中的第一种或第二种量的其他量 之间的测量不一致小于又一个阈值(421),则从要求解的方程组中 排除(423)所述单个第一种量和所述实时对应的单个第二种量。
19. 根据权利要求14或15或16或17或18所述的软件，其包 括在所述系统的操作应用中的后台处理中执行校准的指令。特定的第一向量偏离专门的第一向量 的向量距离超过了第一阈值；或特定的第二向量偏离专门的第二向量 的向量距离超过了第二阈值。
全文摘要
一种电子装置具有用于确定该装置方位的方位感测系统。该系统包括磁力计和加速计。该系统还具有校准装置，来校准该感测系统以用于操作应用。加速计提供了用来约束要被确定的外部磁场的可能方向的范围的测量结果。校准装置数值地求解方程组，同样适用于与2D或3D加速计组合的2D或3D磁力计。
文档编号G01C17/38GK101652631SQ200880011490
公开日2010年2月17日 申请日期2008年3月27日 优先权日2007年4月4日
发明者哈里斯·迪里克, 汉斯·马克·贝尔特·贝维, 特尼斯·让·伊金克 申请人:Nxp股份有限公司