專利名稱：用于計算方位角的地磁傳感器及其方法
技術領域：
本發明涉及一種用于計算方位角的地磁傳感器及其方法，更具體地講，涉及一種簡單地計算歸一化因子以補償方位角的用于補償方位角的地磁傳感器及其方法。
背景技術：
地磁傳感器用于感測不能由人類感測到的地磁的強度及其方向。特別地，使用磁通門感測地磁的傳感器被稱作磁通門型地磁傳感器。
磁通門型地磁傳感器使用高導磁率的材料，比如坡莫合金來作磁芯。磁通門型地磁傳感器通過纏繞磁芯的驅動線圈產生勵磁磁場，并且通過感測與外部磁場成比例的二次高頻分量來感測外部磁場的大小和方向，所述二次高頻分量由于磁芯的磁飽和及非線性磁特性而產生。
最近，隨著微電子機械系統(MEMS)技術的不斷發展，已經出現了使用MEMS技術制作的低功率消耗的微型磁通門傳感器，所述微型磁通門傳感器被用在蜂窩電話、PDA、筆記本電腦和各種便攜式電子裝置中。
同時，地磁傳感器通常使用兩軸或三軸的磁通門。如果使用所述地磁傳感器感測方位角時該地磁傳感器被傾斜，則方位角可能會被錯誤地計算。為避免這樣的錯誤，通常執行這樣的算法，該算法使用傾斜角，即縱搖角(pitchangle)或橫搖角(roll angle)來補償方位角。在傳統的地磁傳感器中，通過使用兩軸加速度傳感器執行縱搖角或橫搖角的運算以補償方位角。
所述方位角補償工作是指防止方位角的測量受到縱搖角或橫搖角的影響。為了在設置有X軸、Y軸和Z軸磁通門的地磁傳感器中執行方位角補償工作，需要進行預備工作。換句話說，隨著圍繞Y軸至少一次或多次搖動地磁傳感器的同時監控X軸和Z軸磁通門的輸出值，獲得X軸和Z軸磁通門的輸出值中的最大值和最小值。然后，使用所述最大值和最小值來執行歸一化因子的運算。所述歸一化因子是指用于歸一化的因子，所述歸一化是將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的范圍內的值。具體地，比例值和偏移值被用作所述歸一化因子。
如果X軸和Z軸的比例值和偏移值的運算被執行，則運算值被存儲在地磁傳感器的存儲器中。其后，隨著圍繞X軸至少一次或多次搖動地磁傳感器的同時監控Y軸和Z軸磁通門的輸出值，獲得Y軸和Z軸磁通門的輸出值中的最大值和最小值。然后，使用所述最大值和最小值來執行歸一化因子的運算。
上述傳統的地磁傳感器的問題在于所述地磁傳感器在不同方向上被搖動多次以執行方位角補償工作。為此，難于使方位角補償工作更便利。
發明內容
本發明的其他方面和優點在下面的描述中將部分地闡述，部分地，從描述中將清楚或通過實施本發明而得到了解。
作出本發明以解決上述缺陷和與傳統的裝置相關的其他問題。本發明的一方面提供了一種補償方位角的地磁傳感器及其方法，在該地磁傳感器中，通過簡單搖動操作來計算歸一化因子從而使用戶方便地進行方位角的補償。
為了實現本發明的上述方面，提供了這樣一種地磁傳感器，包括地磁傳感器模塊，其包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門，所述地磁傳感器模塊使用預先設置的歸一化因子執行歸一化，以將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的歸一化范圍內；運算模塊，用于基于地磁傳感器在預先設置的范圍內搖動時從地磁傳感器模塊輸出的多個歸一化值來執行新的歸一化因子的運算；傾斜傳感器模塊，用于計算縱搖角和橫搖角；控制模塊，用于向地磁傳感器模塊提供新的歸一化因子以使地磁傳感器模塊執行再歸一化，并且用于使用地磁傳感器模塊再歸一化的輸出值和再歸一化期間計算出的縱搖角和橫搖角來計算方位角。
所述地磁傳感器模塊使用預定的方程來執行歸一化。
所述運算模塊可使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Z軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的歸一化值來計算新的X軸、Y軸磁通門的歸一化因子，并使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的歸一化值來計算新的Z軸磁通門的歸一化因子。
此外，所述運算模塊通過順序執行歸一化值的坐標轉換運算、經過坐標轉換的值的整數轉換運算和基于該轉換的值的歸一化因子計算的運算來計算新的X軸和Y軸磁通門的歸一化因子。
在這種情況下，所述運算模塊使用預定的方程執行坐標轉換運算和整數轉換運算。
如果所述整數轉換運算完成，所述運算模塊計算圍繞整數轉換運算的結果值的同心圓之間的交點，并將交點的X和Y坐標確定為X和Y磁通門的偏移值。
所述運算模塊可通過順序執行第一運算、第二運算和第三運算來執行新的Z軸磁通門的歸一化因子的運算，其中所述第一運算用于計算多個數據集，所述數據集包括地磁傳感器在預定范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的X軸和Y軸磁通門的歸一化值、Z軸磁通門的輸出值、縱搖角和橫搖角；所述第二運算用于通過使用在水平方向上預先感測的基本方位角和所述多個數據集來計算多個Z軸磁通門的歸一化值；所述第三運算用于使用Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值來計算Z軸的比例值和偏移值。
在這種情況下，所述運算模塊使用預定的方程執行第二運算。
此外，所述運算模塊執行第三運算以計算通過將Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值代入預定的方程所得的多個聯立方程的解。
此外，如果所述運算模塊通過第三運算計算出多個Z軸磁通門的比例值和偏移值，則計算Z軸的比例值的平均值和Z軸的偏移值的平均值以將計算出的平均值確定為最終的Z軸磁通門的比例值和偏移值。
此外，所述控制模塊通過將由地磁傳感器模塊再歸一化的輸出值、縱搖角和橫搖角代入預定的方程來計算所述方位角。
在本發明的另一方面，提供了一種計算包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門的地磁傳感器的方位角的方法，該方法包括當地磁傳感器在預先設置的范圍內搖動時計算多個X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值；通過使用預先設置的歸一化因子執行歸一化以將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的歸一化范圍內來計算多個歸一化值；當在地磁傳感器被搖動的同時計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值時，計算縱搖角和橫搖角；使用歸一化值、縱搖角和橫搖角來計算新的歸一化因子；在地磁傳感器被固定設置的情況下使用新的歸一化因子對X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值再歸一化；和使用所述再歸一化的輸出值和在地磁傳感器被固定設置的情況下的縱搖角和橫搖角來計算方位角。
使用預定的方程來執行所述歸一化。
計算新的歸一化值的步驟可包括使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Z軸磁通門搖動的同時計算出的歸一化值來計算新的X軸、Y軸磁通門的歸一化因子；和使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時計算出的歸一化值來計算新的Z軸磁通門的歸一化因子。
所述計算新的X軸和Y軸磁通門的歸一化因子的步驟包括對歸一化值執行坐標轉換運算；對經過坐標轉換的值執行整數轉換運算；和基于該轉換的值執行X和Y磁通門的歸一化因子計算的運算。
同時，使用用于坐標轉換運算的預定方程和用于整數轉換運算的預定方程來執行坐標轉換運算和整數轉換運算。
此外，通過計算圍繞整數轉換運算所得的值的同心圓之間的交點并將交點的X和Y坐標確定為X和Y軸磁通門的偏移值來執行歸一化因子計算的運算。
計算新的Z軸磁通門的歸一化因子的步驟包括計算多個數據集，所述數據集包括地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的X軸和Y軸磁通門的歸一化值、Z軸磁通門的輸出值、縱搖角和橫搖角；通過使用在水平方向上預先感測的基本方位角和所述多個數據集來計算多個Z軸磁通門的歸一化值；和使用Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值來計算Z軸的比例值和偏移值。
同時，通過將在水平方向上預先感測的基本方位角和存儲在所述數據集中的值代入預定的方程來計算Z軸磁通門的歸一化值。
此外，通過計算將多個Z軸磁通門的歸一化值和多個Z軸磁通門的輸出值代入預定的方程所得的多個聯立方程的解來計算Z軸磁通門的偏移值和比例值此外，所述計算新的Z軸磁通門的歸一化因子包括如果多個Z軸的比例值和偏移值被計算出，則計算Z軸的比例值的平均值和Z軸的偏移值的平均值以將計算出的平均值確定為最終的Z軸磁通門的比例值和偏移值。
所述計算方位角包括將所述再歸一化的輸出值和地磁傳感器被固定設置的情況下的縱搖角和橫搖角代入預定的方程
通過下面參照附圖對本發明特定實施例的描述，本發明的上述方面和特征將會更清楚，其中圖1是表示根據本發明實施例的地磁傳感器的框圖；圖2是表示圖1的地磁傳感器中使用的地磁傳感器模塊的框圖；圖3是表示圖1的地磁傳感器的軸布局的一個示例的示圖；圖4是表示根據圖1的地磁傳感器的歸一化因子的運算過程的示圖；圖5是表示根據本發明實施例的計算方位角的方法的流程圖；圖6是表示在圖5的方法中X軸和Y軸磁通門的歸一化因子的運算方法的流程圖；和圖7是表示在圖5的方法中Z軸磁通門的歸一化因子的運算方法的流程圖。
具體實施例方式
現在將詳細描述本發明示例性實施例，其示例表示在附圖中，其中，相同的標號始終指相同的部件。下面將參照附圖對這些實施例進行詳細描述以解釋本發明。
圖1是表示根據本發明實施例的地磁傳感器的框圖。
圖1中所示的地磁傳感器包括地磁傳感器模塊110、傾斜傳感器模塊120、運算模塊130和控制模塊140。
地磁傳感器模塊110用于輸出其大小與地磁相應的電信號。具體地講，地磁傳感器模塊110可包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門。在這種情況下，地磁傳感器模塊110將所述電信號施加到每個軸磁通門以獲得與地磁相應的輸出值。地磁傳感器模塊110可執行歸一化以將X軸、Y軸和Z軸磁通門的每個輸出值映射在預先設置的范圍內。這時，比如偏移值和比例值的歸一化因子被用于歸一化。
圖2是表示圖1的地磁傳感器中使用的地磁傳感器模塊110的一個示例的框圖。參照圖2，所述地磁傳感器模塊110包括驅動信號產生器111、三軸磁通門112、信號處理器113、地磁傳感器控制模塊114和存儲器模塊115。
驅動信號產生器111產生比如脈沖和反向脈沖的驅動信號并將產生的驅動信號提供給三軸磁通門112。
三軸磁通門112被所述驅動信號驅動以輸出與地磁相應的電壓值。三軸磁通門112包括X軸磁通門，向著地磁傳感器100的前端布置；Y軸磁通門，布置在地磁傳感器100被布置的平面上與X軸磁通門垂直的方向上；和Z軸磁通門，布置在與X軸和Y軸磁通門垂直的方向上。
信號處理器113將從三軸磁通門112輸出的輸出值轉換為數字電壓值并輸出該數字電壓值。
地磁傳感器控制模塊114執行歸一化以將信號處理器113提供的每個輸出值映射到預先設置的范圍內的某值上。這時，所述歸一化的范圍可隨意地設定。具體地講，歸一化的范圍可被設置在-1和1之間。所述地磁傳感器控制模塊114可使用方程(1)來執行歸一化。
Xnorm=Xraw-XoffsetXscale]]>Ynorm=Yraw-YoffsetYscale........(1)]]>Znorm=Zraw-ZoffsetZscale]]>在方程(1)中，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xraw、Yraw和Zraw分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的數字輸出值，Xoffset、Yoffset和Zoffset分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的偏移值，Xscale、Yscale和Zscale分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的比例值。
所述偏移值和比例值是用于歸一化的歸一化因子。由于偏移值和比例值被預先設置，所以用于方位角補償工作的值可被用作偏移值和比例值。為此，存儲器模塊115存儲預先設置的偏移值和比例值。
同時，如果沒有預先設置的偏移值和比例值，即如果方位角補償工作第一次被執行，則地磁傳感器被搖動一次以計算偏移值和比例值。具體地講，所述偏移值和比例值可用方程(2)來計算Xoffset=Xmax+Xmin2,]]>Xscale=Xmax-Xmin2]]>Yoffset=Ymax+Ymin2,]]>Yscale=Ymax-Ymin2........(2)]]>Zoffset=Zmax+Zmin2,]]>Zscale=Zmax-Zmin2]]>在方程(2)中，Xmax、Ymax和Zmax分別表示Xraw、Yraw和Zraw的最大值，Xmin、Ymin和Zmin分別表示Xraw、Yraw和Zraw的最小值。在多次旋轉根據本發明的地磁傳感器的同時，地磁傳感器的制造商檢測Xmax、Ymax、Zmax、Xmin、Ymin和Zmin。所述地磁傳感器的制造商可通過將檢測值代入方程(2)來執行偏移值和比例值的初始運算，并在存儲器模塊115中存儲所得的偏移值和比例值。從而，存儲在存儲器模塊115中的偏移值和比例值被用作方位角補償工作期間的歸一化的歸一化因子。
再參照圖1，傾斜傳感器模塊120用于計算縱搖角和橫搖角。具體地講，傾斜傳感器模塊120可使用兩軸加速度傳感器或三軸加速度傳感器來計算縱搖角和橫搖角。
例如，如果兩軸加速度傳感器被使用，則傾斜傳感器模塊120包括相互垂直的X軸和Y軸加速度傳感器(未示出)。在這種情況下，傾斜傳感器模塊120使用下面的方程(3)對X軸和Y軸加速度傳感器的輸出值歸一化，然后使用歸一化的值執行縱搖角和橫搖角的運算。
Xtnorm=Xt-XtoffsetXtscale]]>Ytnorm=Yt-YtoffsetYtscale........(3)]]>Xtoffset=Xtmax+Xtmin2,]]>Xtscale=Xtmax-Xtmin2]]>Ytoffset=Ytmax+Ytmin2,]]>Ytscale=Ytmax-Ytmin2]]>在方程(3)中，Xt和Yt分別表示X軸和Y軸加速度傳感器的輸出值，Xtnorm和Ytnorm分別表示X軸和Y軸加速度傳感器的歸一化值，Xtmax和Xtmin分別表示Xt的最大值和最小值，Ytmax和Ytmin分別表示Yt的最大值和最小值，Xtoffset和Ytoffset分別表示X軸和Y軸加速度傳感器的偏移值，Xtscale和Ytscale分別表示X軸和Y軸加速度傳感器的比例值。以與地磁傳感器模塊110相同的方式，Xtoffset、Ytoffset、Xtscale和Ytscale被預先存儲在傾斜傳感器模塊120內的存儲器模塊中，從而可被用作偏移值和比例值。
傾斜傳感器模塊120可使用方程(4)執行縱搖角和橫搖角的運算。
θ＝sin-1(Xtnorm)φ=sin-1(Ytnormcosθ).......(4)]]>在方程(4)中，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
運算模塊130用來使用通過地磁傳感器模塊110獲得的歸一化值來計算新的歸一化因子。
控制模塊140將新的歸一化因子提供給地磁傳感器模塊110以使用新的歸一化因子來執行再歸一化。因此，如果再歸一化值被輸出，則控制模塊140使用由傾斜傳感器模塊120獲得的縱搖角和橫搖角以及再歸一化值來計算方位角。
其后，將詳細描述根據本發明實施例的地磁傳感器的操作。
圖3是表示在地磁傳感器100上X軸、Y軸和Z軸磁通門的軸布局的一個示例的圖。如圖3中所示，X軸磁通門被布置為向著地磁傳感器100的前端，Y軸磁通門布置在與X軸磁通門垂直的方向上，Z軸磁通門布置在與X軸和Y軸磁通門被布置的平面垂直的方向上。
在這種情況下，為了計算傾斜被補償的方位角，必須重新設置歸一化因子。在這種情況下，X軸和Y軸磁通門的歸一化因子與Z軸磁通門的歸一化因子分開計算。
首先，為了計算X軸和Y軸磁通門的歸一化因子，地磁傳感器100圍繞著Z軸磁通門搖動。與傳統的360度或者更大角度的搖動范圍不同，所述搖動范圍可在90度到180度的范圍內。
地磁傳感器模塊110在搖動操作期間計算多個歸一化值。可使用如上所述的方程(1)來計算所述歸一化值。地磁傳感器模塊110可基于搖動角計算每預定周期的歸一化值。也就是說，如果搖動角被設置為5度，則每當地磁傳感器被搖動到5度時，就計算歸一化值。然后，計算出的歸一化值被提供給運算模塊130。或者，可基于時間而計算每預定周期的歸一化值。也就是說，如果1秒被設置為計算歸一化值的周期，則每經過一秒就計算歸一化值。然后計算出的歸一化值被提供給運算模塊130。運算模塊130使用所述多個歸一化值來重新計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化因子。首先，為計算X軸和Y軸磁通門的歸一化因子，運算模塊130順序執行坐標轉換運算、整數轉換運算和用于計算X軸和Y軸歸一化因子的運算。這里，5度和1秒不是限定性的而只是作為例子。
所述坐標轉換運算是指三軸磁通門112的輸出值被投影到二維水平面上，然后被轉換為X軸和Y軸坐標值。所述坐標轉換運算可使用方程(5)來具體地執行。
Xhorizontal＝Xnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφ.......(5)Yhorizontal＝Ynorm*cosφ-Znorm*sinφ在方程(5)中，Xnorm、Ynorm、和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xhorizontal和Yhorizontal分別表示X軸和Y軸磁通門的輸出值的坐標轉換值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。在這種情況下，所述縱搖角和橫搖角是指在X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值被計算時由傾斜傳感器模塊120計算出的縱搖角和橫搖角。
由方程(5)計算出的X軸和Y軸坐標值被歸一化為小數值。因此，X軸和Y軸坐標值通過整數轉換運算被轉換為整數值。用于獲得偏移值的整數轉換運算如方程(6)所示。
Xnew＝(Xhorizontal*Xscale)+XoffsetYnew＝(Yhorizontal*Yscale)+Yoffset.......(6)在方程(6)中，Xnew和Ynew表示整數轉換運算的結果值。例如，如果Xhorizontal等于與小數值相應的0.7，則Xscale和Xoffset分別被預先設置為600和2000。在這樣的情況下，Xnew被計算為比如2420的整數值。
同時，由于計算出多個歸一化值，所以也獲得了多個整數值Xnew和Ynew。因此，圍繞整數值Xnew和Ynew的各個同心圓之間的交點的X和Y坐標被確定為X軸和Y軸的最終偏移值。
圖4是表示確定X軸和Y軸的偏移值的運算過程的示圖。
如果獲得了三個數據集(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，則畫出多個分別具有中心點(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)同心圓401、402和403。在這種情況下，同心圓在(x，y)彼此相交。當畫出圍繞(x，y)的具有相同半徑的圓400時，(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)布置在圓400的圓周上。這由方程(7)表示。
(x-x1)2+(y-y1)2＝r12(x-x2)2+(y-y2)2＝r22.......(7)(x-x3)2+(y-y3)2＝r32在方程(7)中，假定r1＝r2＝r3，解聯立方程以執行(x，y)的運算。在所述運算值中，X坐標成為X軸的偏移值而Y坐標成為Y軸偏移值。
同時，由于在X軸的比例值和Y軸的比例值之間相差不大，所以歸一化因子的比例值與現有的比例值相差很小。因此，在方位角補償工作中由于比例值之間的差引起的誤差可被忽略。在這點上，最好在不用重新控制比例值的情況下重新控制偏移值。
接下來，將描述計算Z軸磁通門的歸一化因子的過程。為計算Z軸磁通門，水平方向上的方位角，即基本方位角首先被計算，然后被存儲在運算模塊130內的寄存器中，或者被存儲在單獨的存儲器中(未示出)。由于水平方向上的方位角可由X軸和Y軸磁通門的輸出值來確定，所以它可不管Z軸信號而被計算出來。具體地講，可使用tan-1(Y軸輸出值/X軸輸出值)來計算基本方位角。計算Z軸磁通門的歸一化因子的過程是基于這樣的原理即使地磁傳感器100被傾斜，方位角也保持不變。
如上所述，為改變縱搖角，在基本方位角被存儲在所述寄存器或者存儲器中的情況下在預先設置的范圍內使偏航角(yaw angle)的改變最小化的同時，地磁傳感器100圍繞Y軸磁通門被搖動。在縱搖角被計算的同時，Xnorm、Ynorm、Zraw、θ和φ也被計算。同時計算出的數據被存儲在一個數據集中。以這種方式，提供了多個數據集。具體地講，數據集可如下提供。
表1
參照表1，在使偏航角的變化最小化的同時，地磁傳感器圍繞Y軸磁通門搖動。這樣，注意Ynorm和φ保持常數值。為了增加運算的精確度，最好將Ynorm和φ保持為如圖1所示的常數值。
每個數據集可被存儲在運算模塊130內的寄存器中或者被存儲在單獨的存儲器中。在本發明中，準備和存儲數據集的過程被稱作第一運算。
如果計算出多個數據集，則通過將每個數據集代入方程(8)來計算Z軸磁通門的歸一化值。
Znorm=(cosφ+tanψssinθsinφ)Ynorm-(tanψscosθ)Xnormsinφ-sinθcosφtanψs.......(8)]]>在方程(8)中，ψs表示基本方位角。如果每個數據集被代入到方程(8)中，則多個Z軸磁通門的歸一化值Znorm將被計算出來。
接下來，所述多個歸一化值Znorm被代入方程(9)以執行Z軸的偏移值和比例值的運算。
Zoffset+Zscale*Znorm＝Zraw.......(9)換句話說，如果用于Znorm的運算的數據集的Zraw和使用所述數據集運算的Znorm被同時代入方程(9)，則獲得具有參數Zoffset和Zscale的方程。多個輸出值Zraw和與所述多個輸出值Zraw相應的Znorm被代入方程(9)以獲得多個方程。解這些方程從而計算出Zoffset和Zscale。
同時，如果10個數據集被計算出，則可計算出多個偏移值Zoffset和比例值Zscale。在這種情況下，計算所述多個偏移值Zoffset的平均值和所述多個比例值Zscale的平均值以便計算出的值被最終確定為Zoffset和Zscale。
如果如上所述獲得了Xoffset、Yoffset、Zoffset和Zscale，則準備過程完成。在這種情況下，如果地磁傳感器100被固定地設置以感測方位角，則控制模塊140向地磁傳感器模塊110提供最終確定的Xoffset、Yoffset、Zoffset和Zscale以執行X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值的歸一化。所述地磁傳感器模塊110可使用方程(1)來執行歸一化。
此外，傾斜傳感器模塊120在地磁傳感器被固定設置的情況下計算縱搖角和橫搖角。因此，控制模塊140使用利用新的歸一化因子歸一化的歸一化值以及在地磁傳感器100被固定設置的情況下的縱搖角和橫搖角來計算方位角。
計算方位角的方程的一個示例如方程(10)。
ψ=tan-1(Ynorm*cosφ-Znorm*sinφXnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφ)........(10)]]>在方程(10)中，ψ表示方位角，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的再歸一化值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
圖5是表示根據本發明優選實施例的計算方位角的方法的流程圖。參照圖5，在根據本優選實施例的計算方位角的方法中，在地磁傳感器100在預先設置的范圍內搖動的同時，計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值(S510)。具體地講，在地磁傳感器100在90度到180度的范圍內圍繞Z軸磁通門搖動并且在90度的范圍內圍繞Y軸磁通門向上或向下搖動的同時，在預先設置的范圍內計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值。
然后，使用預先設置的歸一化因子，即偏移值和比例值來執行歸一化(S520)。所述歸一化可通過方程(1)來執行。
同時，每當計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值時，也計算縱搖角和橫搖角(S530)。
使用X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值、縱搖角和橫搖角來計算新的X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化因子(S540)。具體地講，可計算X軸和Y軸磁通門的偏移值和Z軸磁通門的比例值和偏移值。
接下來，在地磁傳感器被固定設置的情況下使用新的歸一化因子執行再歸一化。這時，計算縱搖角和橫搖角(S550)。
然后，使用計算出的再歸一化值、縱搖角和橫搖角來計算方位角(S560)。使用方程(10)可計算方位角。
圖6是表示計算X軸和Y軸磁通門的歸一化因子的方法的流程圖。參照圖6，使用X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值來計算X和Y坐標轉換值(S610)。所述坐標轉換可使用方程(5)來執行。
如果執行了坐標轉換，則坐標轉換值被轉換為整數值(S620)。
使用方程(6)可執行整數值轉換。
如果執行了整數值轉換，則計算圍繞轉換的值的同心圓之間的交點(S630)。可使用方程(7)來計算所述交點。
因此，如果計算出交點，則交點的X坐標被最終確定為X軸的偏移值，并且交點的Y坐標被最終確定為Y軸的偏移值(S640)。同時，最好使用預先設置的比例值。
圖7是表示計算Z軸磁通門的歸一化因子的方法的流程圖。參照圖7，在基本方位角被計算并被存儲情況下地磁傳感器100在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時，計算多個數據集(S710)。Xnorm、Ynorm、Zraw、θ和φ被存儲在每一數據集中。
使用每個數據集來計算所述多個Z軸磁通門的歸一化值(S720)。使用方程(8)可計算Z軸磁通門的歸一化值。
然后，基于Z軸磁通門的歸一化值和所述數據集來計算Z軸磁通門的比例值和偏移值(S730)。具體地講，比例值和偏移值以這樣的方式被計算通過將Z軸磁通門的歸一化值和數據集代入方程(9)獲得聯立方程，從而計算出其結果。
在這種情況下，如果計算出所述多個比例值和所述多個偏移值(S740)，則計算它們的平均值以最終確定Z軸的比例值和偏移值(S750)。以這種方式，可精確地計算出X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化因子。
如上所述，在根據本發明實施例的補償方位角的地磁傳感器及其方法中，通過簡單的搖動操作來計算補償方位角所需的歸一化因子。在這種情況下，由于方位角補償工作被簡單地執行，所以可改善用戶的便利性。另外，由于使用計算出的歸一化因子來執行方位角的運算，所以可使方位角的誤差最小化。
上述實施例和優點只是示例性的，并不被理解為限制本發明。本教導可被容易地應用到其他類型的設備。另外，對本發明實施例的描述意在解釋，而非限制權利要求的范圍，對本領域的技術人員來說，顯然可進行很多替換、修改和改變。
權利要求
1.一種用于執行方位角補償工作的地磁傳感器，包括地磁傳感器模塊，包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門，所述地磁傳感器模塊使用預先設置的歸一化因子執行用于將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的歸一化范圍內的歸一化；運算模塊，用于基于地磁傳感器在預先設置的范圍內搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的多個歸一化值來執行新的歸一化因子的運算；傾斜傳感器模塊，用于計算縱搖角和橫搖角；控制模塊，用于向地磁傳感器模塊提供新的歸一化因子以使地磁傳感器模塊執行再歸一化，并且用于使用地磁傳感器模塊再歸一化的輸出值和再歸一化期間計算出的縱搖角和橫搖角來計算方位角。
2.如權利要求1所述的地磁傳感器，其中，所述地磁傳感器模塊使用下面的方程來執行歸一化Xnorm=Xraw-XoffsetXscale]]>Ynorm=Yraw-YoffsetYscale]]>Znorm=Zraw-ZoffsetZscale]]>其中，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xraw、Yraw和Zraw分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的數字輸出值，Xoffset、Yoffet和Zoffset分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的偏移值，Xscale、Yscale和Zscale分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的比例值。
3.如權利要求1所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Z軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的歸一化值來計算新的X軸、Y軸磁通門的歸一化因子，并使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的歸一化值來計算新的Z軸磁通門的歸一化因子。
4.如權利要求3所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊通過順序執行歸一化值的坐標轉換運算、經過坐標轉換的值的整數轉換運算和基于該轉換的值的歸一化因子計算的運算來計算新的X軸和Y軸磁通門的歸一化因子。
5.如權利要求4所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊使用下面的方程執行坐標轉換運算Xhorizontal＝Xnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφYhorizontal＝Ynorm*cosφ-Znorm*sinφ其中，Xnorm、Ynorm、和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xhorizontal和Yhorizontal分別表示X軸和Y軸磁通門的輸出值的坐標轉換值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
6.如權利要求4所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊使用下面的方程執行整數轉換運算Xnew＝(Xhorizontal*Xscale)+XoffsetYnew＝(Yhorizontal*Yscale)+Yoffset其中，Xnew和Ynew表示整數轉換運算的結果值，Xhorizontal和Yhorizontal分別表示X軸和Y軸磁通門的輸出值的坐標轉換值，Xoffset和Yoffset分別表示預先設置的X軸和Y軸磁通門的偏移值，Xscale和Yscale分別表示預先設置的X軸和Y軸磁通門的比例值。
7.如權利要求4所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊通過計算圍繞整數轉換運算所得的值的同心圓之間的交點并將交點的X和Y坐標確定為X和Y磁通門的偏移值來執行歸一化因子計算的運算。
8.如權利要求3所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊通過順序執行第一運算、第二運算和第三運算來執行新的Z軸磁通門的歸一化因子的運算，其中所述第一運算用于計算多個數據集，所述數據集包括地磁傳感器在預定范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的X軸和Y軸磁通門的歸一化值、Z軸磁通門的輸出值、縱搖角和橫搖角；所述第二運算使用在水平方向上預先感測的基本方位角和所述多個數據集來計算多個Z軸磁通門的歸一化值；所述第三運算使用Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值來計算Z軸的比例值和偏移值。
9.如權利要求8所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊使用下面的方程執行第二運算Znorm=(cosφ+tanψssinθsinφ)Ynorm-(tanψscosθ)Xnormsinφ-sinθcosφtanψs]]>其中，ψs表示基本方位角，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角，Xnorm和Ynorm分別表示包括在每個數據集中的X軸和Y軸磁通門的歸一化值。
10.如權利要求8所述的地磁傳感器，其中，所述運算模塊執行第三運算以計算通過將Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值代入下面的方程所得的多個聯立方程的解Zoffset+Zscale*Znorm＝Zraw其中，Zoffset表示Z軸磁通門的偏移值，Zscale表示Z軸磁通門的比例值，Zraw表示包括在每一數據集中的Z軸磁通門的輸出值，Znorm表示通過第二運算計算出的Z軸磁通門的歸一化值。
11.如權利要求8所述的地磁傳感器，其中，如果通過第三運算計算出多個Z軸的比例值和偏移值，則所述運算模塊計算Z軸的比例值的平均值和Z軸的偏移值的平均值以將計算出的平均值確定為最終的Z軸磁通門的比例值和偏移值。
12.如權利要求1所述的地磁傳感器，其中，所述控制模塊通過將由地磁傳感器模塊再歸一化的輸出值、縱搖角和橫搖角代入下面的方程來計算所述方位角ψ=tan-1(Ynorm*cosφ-Znorm*sinφXnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφ)]]>其中，ψ表示方位角，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的再歸一化值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
13.一種計算包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門的地磁傳感器的方位角的方法，該方法包括當地磁傳感器在預先設置的范圍內搖動時計算多個X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值；通過使用預先設置的歸一化因子執行歸一化以將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的歸一化范圍內來計算多個歸一化值；當在地磁傳感器被搖動的同時計算X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值時，計算縱搖角和橫搖角；使用歸一化值、縱搖角和橫搖角來計算新的歸一化因子；在地磁傳感器被固定設置的情況下使用新的歸一化因子對X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值再歸一化；和使用所述再歸一化的輸出值和在地磁傳感器被固定設置的情況下的縱搖角和橫搖角來計算方位角。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述計算多個歸一化值包括使用下面的方程來執行歸一化Xnorm=Xraw-XoffsetXscale]]>Ynorm=Yraw-YoffsetYscale]]>Znorm=Zraw-ZoffsetZscale]]>其中，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xraw、Yraw和Zraw分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的數字輸出值，Xoffset、Yoffset和Zoffset分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的偏移值，Xscale、Yscale和Zscale分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的比例值。
15.如權利要求13所述的方法，其中，計算新的歸一化因子的步驟包括使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Z軸磁通門搖動的同時計算出的歸一化值來計算新的X軸、Y軸磁通門的歸一化因子；和使用地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時計算出的歸一化值來計算新的Z軸磁通門的歸一化因子。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述計算新的X軸和Y軸磁通門的歸一化因子的步驟包括對歸一化值執行坐標轉換運算；對坐標轉換的值執行整數轉換運算；和基于該轉換的值執行X和Y磁通門的歸一化因子計算的運算。
17.如權利要求16所述的方法，其中，使用下面的方程執行坐標轉換運算Xhorizontal＝Xnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφYhorizontal＝Ynorm*cosφ-Znorm*sinφ其中，Xnorm、Ynorm、和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的歸一化值，Xhorizontal和Yhorizontal分別表示X軸和Y軸磁通門的輸出值的坐標轉換值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
18.如權利要求16所述的方法，其中，使用下面的方程執行整數轉換運算Xnew＝(Xhorizontal*Xscale)+XoffsetYnew＝(Yhorizontal*Yscale)+Yoffset其中，Xnew和Ynew表示整數轉換運算的結果值，Xhorizontal和Yhorizontal分別表示X軸和Y軸磁通門的輸出值的坐標轉換值，Xoffset和Yoffset分別表示預先設置的X軸和Y軸磁通門的偏移值，Xscale和Yscale分別表示預先設置的X軸和Y軸磁通門的比例值。
19.如權利要求16所述的方法，其中，通過計算圍繞整數轉換運算的結果值的同心圓之間的交點并將交點的X和Y坐標確定為X和Y軸磁通門的偏移值來執行歸一化因子計算的運算。
20.如權利要求15所述的方法，其中，計算新的Z軸磁通門的歸一化因子的步驟包括計算多個數據集，所述數據集包括地磁傳感器在預先設置的范圍內圍繞Y軸磁通門搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的X軸和Y軸磁通門的歸一化值、Z軸磁通門的輸出值、縱搖角和橫搖角；通過使用在水平方向上預先感測的基本方位角和所述多個數據集來計算多個Z軸磁通門的歸一化值；和使用Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值來計算Z軸的比例值和偏移值。
21.如權利要求20所述的方法，其中，通過將在水平方向上預先感測的基本方位角和存儲在所述數據集中的值代入下面的方程來計算Z軸磁通門的歸一化值Znorm=(cosφ+tanψssinθsinφ)Ynorm-(tanψscosθ)Xnormsinφ-sinθcosφtanψs]]>其中，ψs表示基本方位角，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角，Xnorm和Ynorm分別表示包括在每個數據集中的X軸和Y軸磁通門的歸一化值。
22.如權利要求20所述的方法，其中，通過計算將Z軸磁通門的歸一化值和Z軸磁通門的輸出值代入下面的方程所得的多個聯立方程的解來計算Z軸磁通門的偏移值和比例值Zoffset+Zscale*Znorm＝Zraw其中，Zoffset表示Z軸磁通門的偏移值，Zscale表示Z軸磁通門的比例值，Zraw表示包括在每一數據集中的Z軸磁通門的輸出值，Znorm表示通過第二運算計算出的Z軸磁通門的歸一化值。
23.如權利要求20所述的方法，其中，所述計算新的Z軸磁通門的歸一化因子包括如果計算出多個Z軸的比例值和偏移值，則計算Z軸的比例值的平均值和Z軸的偏移值的平均值以將計算出的平均值確定為最終的Z軸磁通門的比例值和偏移值。
24.如權利要求13所述的方法，其中，所述計算方位角包括將所述再歸一化的輸出值和地磁傳感器被固定設置情況下的縱搖角和橫搖角代入下面的方程ψ=tan-1(Ynorm*cosφ-Znorm*sinφXnorm*cosθ-Ynorm*sinθ*sinφ-Znorm*sinθ*cosφ)]]>其中，ψ表示方位角，Xnorm、Ynorm和Znorm分別表示X軸、Y軸和Z軸磁通門的再歸一化值，θ表示縱搖角，φ表示橫搖角。
全文摘要
一種計算方位角的地磁傳感器及其方法。所述地磁傳感器包括地磁傳感器模塊，包括相互垂直的X軸、Y軸和Z軸磁通門，所述地磁傳感器模塊使用預先設置的歸一化因子執行歸一化，以將X軸、Y軸和Z軸磁通門的輸出值映射到預先設置的歸一化范圍內；運算模塊，基于地磁傳感器在預先設置的范圍內搖動的同時從地磁傳感器模塊輸出的多個歸一化值來執行新的歸一化因子的運算；傾斜傳感器模塊，計算縱搖角和橫搖角；控制模塊，向地磁傳感器模塊提供新的歸一化因子以使地磁傳感器模塊執行再歸一化，并且使用地磁傳感器模塊再歸一化的輸出值和再歸一化期間計算出的縱搖角和橫搖角來計算方位角。因此，可容易地計算用于方位角補償的歸一化因子。
文檔編號G01V3/40GK1971310SQ20061011066
公開日2007年5月30日 申請日期2006年8月7日 優先權日2005年11月25日
發明者李宇鐘, 崔相彥 申請人:三星電子株式會社