专利名称：电子罗盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定电子罗盘的零点偏移的方法、一种用于操作电子罗盘的方法以及一种电子罗盘。
背景技术：
磁传感器可以用于测量地磁场并且由此适合用在电子罗盘中。因为地磁场平行于地球表面，所以需要可以沿着至少两个彼此垂直的轴求得地磁场的磁传感器。在这种情形中，必须保持电子罗盘平行于地球表面。在使用三轴磁传感器的情况下，可以计算出电子罗盘相对于地球表面的倾斜度。因为地磁场的强度在仅仅几十μ T的范围内，所以需要非常灵敏的磁传感器，这些磁传感器易受干扰场影响。这样的干扰场例如可以由邻近的电导线或者铁磁材料导致并且引起附加的、与地磁场叠加的磁场分量。这在分析处理测量到的信号时导致误差并且由此导致方位的错误确定。由文献US 2007/0276625 Al公开了一种具有三轴磁传感器的电子罗盘，所述电子罗盘能够实现零点偏移的自动校正。为此，电子罗盘在所述电子罗盘的不同定向时采集测量到的磁场强度并且将这些磁场强度的空间分量绘制在三维笛卡尔坐标系中。随后，尝试在三维坐标系中通过球形包络来逼近测量值的分布。由球形包络的中心与坐标系原点的偏移推断出电子罗盘由干扰导致的零点偏移。因为直接处理三维磁传感器数据，所以需要复杂并且容易出错的算法。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种用于确定电子罗盘的零点偏移的改进方法。所述任务通过根据权利要求1所述的方法解决。本发明的另一任务在于，说明一种用于操作电子罗盘的改进方法。所述任务通过根据权利要求9所述的方法解决。此外，本发明的任务还在于，提供一种改进的电子罗盘。所述任务通过根据权利要求11所述的电子罗盘解决。在从属权利要求中说明优选的扩展方案。根据本发明的用于确定电子罗盘的零点偏移的方法包括以下步骤借助于三轴磁传感器求得电子罗盘的第一坐标系中的多个第一磁场强度；由所述多个第一磁场强度计算平行于地球表面的第二坐标系中的多个经倾斜补偿的第二磁场强度；使试探函数匹配于所述多个经倾斜补偿的第二磁场强度；以及由经匹配的试探函数确定零点偏移。有利地，通过所述方法使零点偏移的确定从三维问题简化成二维问题。这简化了试探函数的匹配。有利地，第二磁场强度已经是经倾斜补偿的，这简化了零点偏移的确定。优选地，为了计算所述多个经倾斜补偿的第二磁场强度，对于每个第一磁场强度执行以下步骤确定第一坐标系关于第二坐标系的横向倾角和俯仰角，以及由第一磁场强度、横向倾角和俯仰角计算经倾斜补偿的第二磁场强度。根据所述方法的一个扩展方案，为了确定横向倾角和俯仰角执行以下步骤借助于三轴加速度传感器确定第一坐标系中的加速度值，以及计算第一坐标系关于第二坐标系的横向倾角和俯仰角。有利地，由此借助于独立于磁传感器的加速度传感器求得电子罗盘关于地球表面的定向，这提高了所述方法的稳健性。在一个实施方式中，在进一步处理之前，借助于低通滤波器对所求得的加速度值进行滤波。由此可以在记录测量数据时抑制干扰运动，这提高了所述方法的准确性。符合目的地，使用圆函数作为试探函数。根据所述方法的一个实施方式，在记录多个第一磁场强度期间使电子罗盘运动， 例如使电子罗盘摆动。这例如适用于诸如移动电话的便携式设备。根据本发明的用于操作电子罗盘的方法包括以下步骤根据上述方法确定电子罗盘的零点偏移；借助于三轴磁传感器求得电子罗盘的第一坐标系中的第一磁场强度；由所述第一磁场强度计算平行于地球表面的第二坐标系中的经倾斜补偿的第二磁场强度；通过从经倾斜补偿的第二磁场强度中减去零点偏移来计算经零点校正的第三磁场强度；以及计算第二坐标系的轴相对于南北方向偏移的方位角。有利地，对由电子罗盘根据所述方法求得的方位角进行零点校正，即消除了可能的干扰影响。根据本发明的电子罗盘包括三轴磁传感器和三轴加速度传感器并且被构造用于执行以上所描述的用于确定零点偏移的方法。优选地，电子罗盘还被构造用于执行以上所描述的用于操作电子罗盘的方法。根据一个实施方式，磁传感器包括至少一个GMR传感器。在另一个实施方式中，加速度传感器包括至少一个微机械的加速度传感器。
图1示出电子罗盘的示意图；图2示出电子罗盘的示意性内部视图；图3示出在使电子罗盘旋转360°的过程中经倾斜补偿的第二磁场强度的变化过程示意图；图4示出经倾斜补偿的第二磁场强度的替代的变化过程示图；图5示出未经零点校正的第二磁场强度和经零点校正的第三磁场强度的示意图；图6示出用于确定零点偏移的方法的示意性流程图；图7示出用于计算经倾斜补偿的磁场强度的方法的示意性流程图；图8示出用于确定横向倾角和俯仰角的方法的示意性流程图；图9示出用于操作电子罗盘的方法的示意性流程图。
具体实施例方式图1示出电子罗盘100的示意图。电子罗盘100可以具有用于显示通过电子罗盘 100求得的方位的屏幕101。电子罗盘100还可以具有操作元件102，例如一个或多个操作键。操作元件102允许对电子罗盘100进行操作。电子罗盘100可以集成到另一个便携式的或者非便携式的电子设备中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、导航设备或者手表。第一坐标系KS'可以视为与电子罗盘100固定地连接。第一坐标系KS'具有三个彼此垂直的轴X'、y' >ζ'。χ'轴从电子罗盘100指向前方，y'轴指向侧面，并且Z'轴指向下方。电子罗盘绕χ'轴的旋转对应于横向倾角θ的变化。电子罗盘100绕y'轴的旋转对应于俯仰角φ的变化。电子罗盘100绕ζ'轴的旋转对应于方位角α的变化。图2示出包含在电子罗盘100中的组件的示意图。电子罗盘100具有三轴磁传感器110和三轴加速度传感器120。此外，还存在与磁传感器110和加速度传感器120连接的分析处理电子装置130。磁传感器110例如可以具有霍尔探测器、GMR传感器、磁通门传感器或其他合适的磁传感器。加速度传感器120例如可以是微机械的加速度传感器。分析处理电子装置130可以具有微处理器、微控制器或其他合适的电子组件。合适的部件对于本领域技术人员而言是熟知的。磁传感器110被构造用于确定与电子罗盘100相连接的第一坐标系KS ‘的所有三个空间方向上的磁场强度。因此，磁传感器110求得具有χ'轴方向上的分量Mx'、y'轴方向上的My'和ζ'轴方向上的Mz'的第一磁场强度M'。加速度传感器120被构造用于测量与电子罗盘100相连接的第一坐标系的所有三个空间方向上的、作用于电子罗盘100 的加速度的大小。因此，加速度传感器120求得具有χ'轴方向上的分量ax'、j'轴方向上的分量ay'和ζ'轴方向上的分量az'的加速度值a'。因为仅仅重力加速度作用于静止的电子罗盘100并且重力加速度垂直于地球表面900，所以分析处理电子装置130可以由所求得的加速度值a'的分量ax'、ay'、az' 推断出与电子罗盘100相连接的第一坐标系KS'关于具有轴x、y、z的第二坐标系KS的定向。第二坐标系KS的x-y平面平行于地球表面900。第二坐标系的χ轴相对于地球表面 900的南北方向旋转与第一坐标系KS'的χ'轴相同的方位角a。例如，分析处理电子装置130可以计算第二坐标系KS必须绕χ轴和y轴旋转的横向倾角θ和俯仰角φ，以便将其转换到第一坐标系KS'中。所述计算例如可以根据以下公式进行θ = 1/tan(ay' /sqrt(ax' ax' +az' az'))；
φ = 1 / tan(ax' / sqrt(ay' ay' + az' az')). (1)此外，分析处理电子装置130可以由第一坐标系KS'中的第一磁场强度M'计算具有第二坐标系KS的X轴方向上的分量Hx和第二坐标系KS的y轴方向上的Hy的第二磁场强度H。所述计算例如可以通过以下公式进行
Hx = Mx' οοβ(φ) + My' sin(cp) sin(0) - Mz' sin(<p) cos(0);Hy = My，cos( θ )+Mz，sin( θ ). (2)分析处理电子装置130还可以计算第二磁场强度H在第二坐标系KS的ζ轴方向上的分量Hz。因为地磁场平行于地球表面900、即在第二坐标系KS的x-y平面内延伸，所以第二磁场强度H的分量Hz应当等于0。否则可以推断出存在错误。因为地磁场在地球表面900的南北方向上延伸，所以分析处理电子装置130由第二磁场强度H的分量Hx、Hy推断出方位角α的大�。赐贫铣龅诙晗礙S的χ轴方向相对于南北方向的偏移。方位角的计算例如可以通过以下公式进行α = arctan (Hy/Hx). (3)图3示意性地示出第二磁场强度H的分量Hx、Hy根据方位角α的预期变化过程。 如果电子罗盘100对准南方，则指向第二坐标系KS的X方向的分量Hx应当具有最大值，而
6指向y方向的分量Hy等于0。如果电子罗盘100对准西方，则第二磁场强度H的χ分量等于0，而y分量具有最小值。如果电子罗盘100对准北方，则第二磁场强度H的χ分量具有最小值，而1分量等于0。如果电子罗盘100指向东方，则y分量Hy具有最大值，而χ分量 Hx等于0。图4在一个替代示图中示出第二磁场强度H的分量Hx、Hy的预期变化过程。在图 4中，在Hx-Hy平面中示出参数化地作为方位角α的函数的预期第二磁场强度H。得出一个由第二磁场强度H的分量Hx、Hy的可能的值对形成的圆。如果电子罗盘100的周围环境中的地磁场由干扰磁源吞噬或者局部干扰，则由电子罗盘100求得的第二磁场强度H在Hx-Hy平面中不在围绕零点的圆上，而在其中点相对于零点移动了零点偏移Hx0、Hy0的圆上。这在图5中示意性地示出。图5示出Hx-Hy平面的局部视图，其中示例性地示出第二磁场强度H的若干测量值200。所示出的测量值200中的每一个是在电子罗盘100关于地球表面900的不同定向下求得的。因为在电子罗盘100 的周围环境中存在干扰磁场，所以测量值200不在围绕Hx-Hy平面的原点的圆上。如果所求得的测量值200用于根据公式(3)确定方位角α，则由于电子罗盘100的周围环境中的磁干扰而得出错误的方位角α。因此应当首先将测量值200校正零点偏移HxO、HyO的数值。因为测量值200圆形地分布在零点偏移HxO、HyO周围，所以为了确定零点偏移 Hx0、Hy0可以使试探函数210匹配于测量值200并且由经匹配的试探函数210确定零点偏移HxO、HyO0例如具有固定预给定的半径或者可匹配的半径的圆函数适合作为试探函数。 如果使用圆函数作为试探函数，则零点偏移Hx0、Hy0成为经匹配的圆函数的中点。随后，可以从测量值200中减去如此求得的零点漂移HxO、HyO,由此得出经零点校正的第三磁场强度Bx、By，所述第三磁场强度Bx、By沿着围绕Hx-Hy平面的原点的预期测量值分布215。随后，可以根据以下公式由经零点校正的第三磁场强度Bx、By计算经校正的方位角α α = arctan (By/Bx). (4)图6说明用于确定电子罗盘100的零点偏移的方法300，如其可以由电子罗盘100 执行的那样。在第一方法步骤310中，电子罗盘100借助于三轴磁传感器110求得与电子罗盘100固定连接的第一坐标系KS'中的具有分量Mx'、My' ,Mz'的多个第一磁场强度 M'。优选地，在电子罗盘100的不同定向下检测第一磁场强度M'。例如，可以在求得所述多个第一磁场强度W期间使电子罗盘100旋转或摆动。在随后的方法步骤320中，由所述多个第一磁场强度M'计算平行于地球表面900 的第二坐标系KS中的多个经倾斜补偿的第二磁场强度H，其中，所述第二磁场强度H具有分量Hx、Hy。这例如可以通过以下根据图7描述的方法400实现。在接下来的方法步骤330中，使试探函数210匹配于所述多个经倾斜补偿的第二磁场强度H。作为试探函数210例如可以使用圆函数。圆的半径可以是固定预给定的并且等于地磁场强度的预期数值或者匹配于经倾斜补偿的第二磁场强度H的值。在接下来的方法步骤340中，由经匹配的试探函数210确定零点偏移Hx0、Hy0。如果使用圆函数作为试探函数210，则零点偏移HxO、Hy作为经匹配的圆函数的中点得出。图7示出由关于第一坐标系KS'的多个第一磁场强度M'计算关于第二坐标系KS 的多个经倾斜补偿的第二磁场强度H的方法400的示意性流程图。对于每个第一磁场强度M'执行所述方法400，以便由此计算经倾斜补偿的第二磁场强度H。为此，在第一方法步骤 410中确定第一坐标系KS'关于第二坐标系KS的横向倾角θ和俯仰角φ。这例如可以通过以下根据图8说明的方法500实现。在接下来的方法步骤420中，由第一磁场强度M'、横向倾角θ和俯仰角φ计算经倾斜补偿的第二磁场强度H。这例如可以通过以上所述的公式O)实现。图8示出用于确定横向倾角Θ和俯仰角φ的方法500的示意性流程图。所述方法包括用于借助于三轴加速度传感器120求得第一坐标系KS'中具有分量ax' >ay'、az' 的加速度值a'的方法步骤510。在接下来的方法步骤520中，由所求得的加速度值a'计算第一坐标系KS'关于第二坐标系KS的横向倾角θ和俯仰角φ。所述计算例如可以通以上所述的公式(1)实现。优选地，对于每个应换算成经倾斜补偿的磁场值H的测量值M'分别确定横向倾角θ和俯仰角φ。这意味着，对于每个磁场值M'，还记录电子罗盘100关于地球表面900的定向相同时的加速度值a'。在方法500的一个扩展方案中，可以在方法步骤510与520之间使所求得的加速度值a'通过一个低通滤波器，以便在记录测量值时抑制干扰运动。如果例如剧烈地晃动电子罗盘100，则会出现离心力，所述离心力与作用于电子罗盘100的重力加速度叠加并且使测量结果失真。通过应用低通滤波器可以滤除这样的失真。图9示出用于操作电子罗盘100的方法600的示意性流程图。方法600包括用于确定电子罗盘100的零点偏移Hx0、Hy0的方法步骤610。这例如可以通过以上根据图6描述的方法300实现。在接下来的方法步骤620中，借助于三轴磁传感器110求得电子罗盘100的第一坐标系KS'中的第一磁场强度M'。在接下来的方法步骤630中，由第一磁场强度M'计算平行于地球表面900的第二坐标系KS中的经倾斜补偿的第二磁场强度H。这例如可以借助于以上根据图7描述的方法 400实现。在接下来的方法步骤640中，通过从经倾斜补偿的第二磁场强度H中减去零点偏移HxO、HyO计算经零点校正的第三磁场强度B。在随后的方法步骤650中，由具有分量Bx、By的第三磁场强度B计算第二坐标系 KS的χ轴相对于地球表面900的南北方向偏移的方位角α。这例如可以通过公式(4)实现。例如可以将如此求得的方位角α显示在电子罗盘100的屏幕101上。电子罗盘100可以周期地或者根据操作电子罗盘100的用户的命令实施所描述的用于确定零点偏移的方法。然而，电子罗盘100也可以连续地执行所描述的用于确定零点偏移的方法。在这种实施方式中，可以将通过电子罗盘100测量到的测量值用于持久地补偿零点偏移。还可以提出，滤除与测量值的迄今变化过程显著偏离的测量数据，以便抑制短暂的干扰。所描述的用于确定电子罗盘100的零点偏移的方法适用于补偿电子罗盘100的内部干扰和外部干扰。内部干扰由电子罗盘100内部产生的干扰磁场引起。外部干扰由位于电子罗盘100周围环境中的干扰磁场引起。
权利要求
1.用于确定电子罗盘(100)的零点偏移(Hx0，Hy0)的方法，所述方法具有以下步骤借助于三轴磁传感器(110)求得所述电子罗盘(100)的第一坐标系(KS')中的多个第一磁场强度(Mx'，My' ,Mz')；由所述多个第一磁场强度(Mx'，My' ,Mz')计算平行于地球表面(900)的第二坐标系(KS)中的多个经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)；使试探函数O10)匹配于所述多个经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)；由经匹配的所述试探函数(210)确定出零点偏移(Hx0，Hy0)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了计算所述多个经倾斜补偿的第二磁场强度 (Hx，Hy)，对于每个第一磁场强度(Mx' ,My' ,Mz')执行以下步骤确定所述第一坐标系(KS')关于所述第二坐标系(KS)的横向倾角(Θ)和俯仰角 (φ);由所述第一磁场强度(Mx'，My' ,Mz')、所述横向倾角(Θ)和所述俯仰角(φ)计算所述经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据以下公式进行所述经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)的计算Hx = Mx' cos(<p) + My' sin(tp) s_) - Mz' sin(cp) cos(9);Hy = My，cos( θ )+Mz，sin( θ )·
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其中，为了确定所述倾角(Θ)和所述俯仰角(φ)执行以下步骤借助于三轴加速度传感器(120)求得所述第一坐标系(KS')中的加速度值(ax'， ay' , az')；计算所述第一坐标系(KS')关于所述第二坐标系(KS)的所述横向倾角(θ )和所述俯仰角(φ)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，根据以下公式计算所述横向倾角(Θ)和俯仰角 (φ):θ = 1/tan (ay' /sqrt (ax' ax' +az' az'))；φ = 1 / tan(ax' / sqrt(ay, ay' + az' az')).
6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，在进一步处理之前，借助于低通滤波器对所求得的加速度值(ax' ,ay' ,az')进行滤波。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，使用圆函数作为所述试探函数 (210)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在记录所述多个第一磁场强度 (Mx'，My' ,Mz')期间，使所述电子罗盘(100)运动，例如使所述电子罗盘(100)摆动。
9.用于操作电子罗盘(100)的方法，所述方法具有以下步骤根据权利要求1到8中任一项所述的方法确定所述电子罗盘(100)的零点偏移(ΗχΟ， HyO)；借助于三轴磁传感器(110)求得所述电子罗盘(100)的第一坐标系(KS')中的第一磁场强度(Mx' ,My' ,Mz')；由所述第一磁场强度(Mx'，My' , Mz')计算平行于地球表面(900)的第二坐标系 (KS)中的经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)；通过从所述经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)中减去所述零点偏移(Hx0，Hy0)计算经零点校正的第三磁场强度(Bx，By)；计算所述第二坐标系(E)的轴(χ)相对于南北方向偏移的方位角(α)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据以下公式下式由所述第三磁场强度(Βχ， By)计算所述方位角(α)α = arctan (By/Bx).
11.电子罗盘(100)，具有三轴磁传感器(110)和三轴加速度传感器(120)，其中，所述电子罗盘(100)被构造用于执行根据权利要求1到8中任一项所述的用于确定零点偏移(HxO，HyO)的方法。
12.根据权利要求11所述的电子罗盘(100)，其中，所述电子罗盘(100)被构造用于执行根据权利要求9或10中任一项所述的方法。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的电子罗盘(100)，其中，所述磁传感器(110) 包括至少一个GMR传感器。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的电子罗盘，其中，所述加速度传感器(120) 包括至少一个微机械的加速度传感器。
全文摘要
一种用于确定电子罗盘的零点偏移(Hx0，Hy0)的方法，包括以下步骤借助于三轴磁传感器求得所述电子罗盘的第一坐标系中的第一磁场强度；由所述第一磁场强度计算平行于地球表面的第二坐标系(x，y)中的经倾斜补偿的第二磁场强度(200)；使试探函数(210)匹配于经倾斜补偿的第二磁场强度(200)；由所述经匹配的试探函数(210)确定出零点偏移(Hx0，Hy0)。一种用于操作所述电子罗盘的方法，包括以下步骤由借助磁传感器测量到的第一磁场强度计算第二坐标系(x，y)中的经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)；通过从经倾斜补偿的第二磁场强度(Hx，Hy)中减去借助于以上所述的方法确定的零点偏移(Hx0，Hy0)计算经零点校正的第三磁场强度(Bx，By)；以及计算所述第二坐标系(x，y)的轴(x)相对于南北方向偏移的方位角。
文档编号G01C17/38GK102197277SQ200980141990
公开日2011年9月21日 申请日期2009年8月25日 优先权日2008年10月21日
发明者F·本尼尼 申请人:罗伯特·博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
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