以降低的存储器要求进行3D磁场校准的自动数据采集算法

摘要

本发明涉及以降低的存储器要求进行3D磁场校准的自动数据采集算法。提供了磁性罗盘，其包括用于取磁场读数的磁强计和校准磁性罗盘的处理单元。该处理单元被配置为验证预定数量的磁场样本并且从已验证的磁场样本计算校准系数。每个已验证的磁场样本与每个其他已验证的磁场样本相隔至少最小分离角度。

说明书

背景技术

磁性罗盘通常与扭曲地球磁场的其他组件集成，从而损害了罗盘的准确度。这些干扰通常利用确定补偿系数以校正磁场读数的场补偿机制来校正。补偿系数的质量依赖于所取的磁场样本的数据集，其通常跨越三维空间在样本的取向(orientation)上有足够的变化。这些方法可能要求用户执行乏味且耗时的任务，如当数据被采集时在若干取向上保持设备稳定，以预定方式移动设备，或手动选择数据。手动输入数据通常很繁重，因为典型的嵌入式应用很少有用于用户输入的用户接口元件。此外，可能需要大存储器容量来在嵌入式应用中存储足够的数据样本，在嵌入式应用中小尺寸通常是很重要的。

发明内容

一个实施例针对磁性罗盘，其包括用于取磁场读数的磁强计和校准磁性罗盘的处理单元。该处理单元被配置为验证(validate)预定数量的磁场样本并从已验证的磁场样本计算校准系数。每个已验证的磁场样本与每个其他已验证的磁场样本相隔至少最小分离角度(minimum separation angle)。

附图说明

图1是在设备中集成的磁性罗盘的一个实施例的框图。

图2A是说明磁场的硬铁干扰(hard iron disturbance)的图。

图2B是说明受干扰磁场的样本向量的一个示例集的图。

图3是验证磁场样本的方法的一个实施例的流程图。

图4是校准磁性罗盘的方法的一个实施例的流程图。

类似的附图标记和名称在不同附图中表示类似的元素。

具体实施方式

这里描述的实施例校准磁性罗盘以补偿由于与磁性罗盘集成的设备和组件而导致的地球磁场中的硬铁干扰。在一些实施例中，与所有其他样本相隔至少最小分离角度的磁场样本被用来计算补偿系数。在一些实施例中，最小分离角度和样本的总数量是预定的以确保磁场的三维跨度(span)。

图1是在设备100中集成的磁性罗盘120的一个实施例的框图。磁性罗盘120包括至少一个磁强计122，其对磁强计所暴露于的磁场进行测量并向设备100提供导向(heading)信息。磁性罗盘120进一步包括处理单元102和存储器104。在图1中示出的实施例中，磁性罗盘120还包括至少一个加速计124。设备100包括功能电路142和显示设备110。设备100是使用导向信息的任何系统或设备，诸如，例如，导航设备、车辆或任何其他设备之类。功能电路142是使用导向信息的任何电路，例如，用于导航或瞄准。设备100的组件根据需要使用适合的接口和互连而彼此通信地耦合。

例如，显示设备110显示磁性罗盘读数或请求用户输入。显示设备110的实施例包括数字显示器、LCD监视器、LED显示器或类似物。用户接口140与显示设备110集成在一起并包括用于用户输入的物理或逻辑按钮。

在图1示出的实施例中，校准例程134和计算例程133在由处理单元102所执行的软件132中实施。软件132包括存储在适合的存储设备或介质130上的程序指令。适合的存储设备或介质130包括，例如，非易失性存储器的形式，举例来说，包括半导体存储设备(例如可擦可编程只读存储器(EPROM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，和闪存设备)、磁盘(例如本地硬盘和可移动磁盘)，和光盘(例如，只读光盘存储器(CD-ROM)盘)。此外，存储设备或介质130不必在设备100本地。在一个实施例中，存储设备或介质130被集成在磁性罗盘120中。典型地，由处理单元102执行的软件132的一部分以及在执行期间由软件132使用的一个或多个数据结构被存储在存储器104中。在这种实施例的一种实施方式中，存储器104包括，现在已知或以后开发的随机存取存储器(RAM)的任何适合形式，例如动态随机存取存储器(DRAM)。在其他实施例中，其他类型的存储器被使用。

计算例程133从磁性罗盘读数计算导向。在其他实施例中，计算例程133还计算设备100的横滚(roll)和俯仰(pitch)。准确的罗盘读数涉及补偿集成磁性罗盘120的操作环境的变化磁场。例如，即使磁性罗盘120可能在工厂被以最大准确度校准，一旦它与其他组件集成，周围环境所引入的干扰就会影响磁性罗盘120。校准例程134补偿对磁性罗盘120的操作环境的磁干扰。

校准例程134包括选择例程136和补偿例程138。选择例程136验证彼此相隔至少最小分离角度的多个磁场样本。验证磁场样本选择用于校准磁性罗盘的样本并且该样本被存储在存储器104中；而无效的(invalidated)磁场样本被丢弃。最小分离角度是用于验证磁场样本和每一个已验证磁场样本之间的角度的最小角度值。补偿例程138从已验证磁场样本计算补偿系数以补偿硬铁干扰。补偿例程130用任何现在已知或以后开发的方法计算，包括，例如，数值搜索或最小二乘法。

硬铁干扰源自罗盘平台上的永久磁铁和磁化材料。这些干扰保持恒定以及针对给定安装相对于磁性罗盘120在所有的导向取向上固定。在无干扰磁场中，地球的磁场具有恒定大小。当以3D方式绘制时，无干扰场是以原点为中心的球。硬铁干扰的存在增加了使该球的中心移位的恒定大小的场分量。软铁干扰源自地球的磁场与罗盘附近的软磁材料之间的相互作用。软铁干扰造成该球变形为椭球并依赖于罗盘120取向。软铁和硬铁干扰的组合将产生中心从原点移开的椭球。该椭球也可以依赖于干扰的性质而被旋转。校准例程134将椭球干扰磁场变换为定位在原点的球。

图2A是说明对磁场的硬铁干扰的图200。为了简单起见，该图200作为三维(3D)磁场的二维(2D)投影被示出，并且这里讨论的主题可扩展到3D。示出的无干扰磁场210围绕原点为中心且具有半径H_m。在一个实施例中，无干扰磁场210是地球的磁场。在这个例子中，硬铁干扰使无干扰磁场210在正x方向上移动了H_x，在正y方向上移动了H_y。当无干扰磁场210被硬铁干扰所干扰时，该球的中心移动，但受干扰磁场220的形状保持为具有半径H_m的球。与硬铁干扰集成的磁性罗盘测量以(H_x，H_y)为中心的受干扰磁场220。

原点和受干扰磁场220的y轴上的最高和最低点之间的角度，从x轴开始测量，分别是θ_max222和θ_min224。这些角度如下给出：

$>{\theta }_{\max }={\tan }^{-1}\left(\frac{H_y+H_m}{H_x}\right)---\left(1\right)$>

$>{\theta }_{\min }={\tan }^{-1}\left(\frac{H_y-H_m}{H_x}\right)---\left(2\right)$>

对于取N个样本，最小分离角度Δθ可以取最大值：

$>\mathrm{\Delta \theta }=\frac{{\theta }_{\max }-{\theta }_{\min }}{N-1}---\left(3\right)$>

在一个实施例中，样本在0，Δθ，2Δθ，3Δθ等等直到(N-1)Δθ，并且在其他实施例中，样本至少相隔Δθ。正如能够在方程式(3)中所示出的，N和Δθ的值被选择来满足校准例程136。选择N和Δθ的标准包括基于可用存储器、计算能力以及3D空间的数据跨度的考虑。

图2B是说明受干扰磁场250的图240。样本向量252-1到252-8的示例集被针对受干扰磁场250进行验证。在这个例子中，选择例程取样本并需要具有最小分离角度Δθ＝20度的N＝8个样本。在一个实施例中，Δθ和N被选择以确保在单平面外取磁场样本并从而跨越3D。

图3是验证磁场样本的方法300的一个实施例的流程图。选择例程被启动(框302)。在启动时，取被称为测试向量Vt的第一磁场样本。因为这是所取的第一个测试向量，所以它被自动验证并保存为v(0)并且样本计数n被设置为1(框304)。在这个实施例中，总数为N的具有最小分离角度Δθ的磁场样本被验证并被保存用于校准系数的计算。在一个实施例中，所取的第一样本v(0)，在n＝1时，总是合格的。

方法300查询是否已经取了总数为N的样本，换句话说，是否n＝N(框310)。如果总数为N的样本已被验证，则补偿例程开始计算校准系数(框312)。如果n≠N，则取另一个磁性罗盘读数，Vt(框320)。

测试向量的验证基于所有磁向量的最小角度分离。因此，测试向量Vt将与先前已验证的磁场样本(例如，v(0)，v(1)等等)相比较以确保Vt和已验证样本v(i)之间的被称为的角度大于或等于Δθ。为了确保测试向量Vt在所有其他样本v(i)上都合格，被用来对先前合格的样本计数的索引，i被设置为0以开始验证过程(框322)。

方法300确定是否i＜N(框324)。如果i小于N，则确定测试向量Vt与已验证样本v(i)之间的角度是否大于或等于Δθ(框330)。对于v(i)，如果则样本不合格，并且取另一个样本(框320)。当测试向量不合格时，它不会被存储在存储器中以用于计算校准系数。对于v(i)，如果则该样本在v(i)上合格，但仍然必须在所有其他存储的磁场样本v(i)上进行验证。因此，对于Vt和下一个已验证样本之间的比较，i被增加1(框332)，以及用于测试向量和v(i)之间的比较的循环再次开始(框324)。

在一个实施例中，角度分离是通过使用单位向量之间的内积来计算的，V和U(i)指向与磁样本Vt和v(i)相同的方向。对于每个先前已验证的磁向量样本v(i)(例如，v(0)，v(1)等等)，对应的单位向量集被存储为U(i)，I＝1，...，k。测试向量将只进行验证并保存，当且仅当：

acos(<V，U(i)>)≥Δθ对于所有i＝1，...，k。(4)

一旦i＝n，测试向量和所有先前已验证样本之间的角度，都已经被比较。换句话说，一旦方程式4为真，U(k+1)＝V以及磁样本测试向量Vt就被作为有效数据点存储。换言之，当i不小于n时(框342)，Vt作为v(n)被存储(框340)。然后n被增加1(框342)，以及通过比较是否n＝N来确定是否最大数量为N的样本已被存储(框310)。一旦已验证样本的数量等于样本的期望数量N，数据采集就完成并且计算例程开始计算校准系数(框312)。

图4是校准磁性罗盘120的方法400的一个实施例的流程图。校准例程134根据例如用户命令或磁性罗盘的上电而被启动(框410)。在一个实施例中，做出选择例程136正在运行的指示。在另一实施例中，针对集成磁性罗盘120向用户做出指示。在又一实施例中，用户选择总的样本N为多少以及要取的最小分离角度Δθ是什么。在一些示例性实施例中，N等于6至24，但还可以是任何适合的数量。

一旦校准例程已经开始，选择例程412就开始。选择例程包括在取磁场样本时旋转磁性罗盘120(框420)。选择例程412进一步包括验证与所有其他样本相隔最小分离角度Δθ的每个磁场样本(框430)。在一个实施例中，第一磁场样本被自动验证。磁场样本通过递归地比较该磁场样本与所有先前已验证的磁场样本之间的角度而被验证，以确保该磁场样本与所有先前已验证的磁场样本相隔至少最小分离角度。

当磁场样本被验证时，它被存储在存储器104中(框440)。在另一实施例中，指示第一样本已被验证和存储的消息被显示在显示设备110上。磁场样本被验证和存储直到达到样本的总数量N。在一个实施例中，N个样本已被采集的指示被显示在显示设备110上。在另一实施例中，如果设备100没有旋转而使得在预定时间内N个样本被验证，则超时消息被显示在显示设备110上并且选择例程终止。

一旦所有的N个样本已被验证和存储，选择例程412就完成。补偿例程138开始计算校准系数(框450)。补偿例程138开发一变换矩阵，其将受干扰磁场220映射到以原点为中心的球。利用校准系数来校准磁性罗盘120(框460)。即，校准系数被应用在未来的磁场样本以补偿磁场干扰。在另一实施例中，磁性罗盘导向通过结果所得的校准系数来计算。

在一个实施例中，显示设备110显示消息(该消息指示校准系数被确定)以及询问用户是否应该使用校准系数。如果用户输入了将要使用校准系数，则设备110将校准系数写入存储器，如存储器104。

在方法400的一种实施方式中，在没有任何用户干预的情况下样本被自主地取得。在另一实施例中，用户可以在任何时间中止校准例程134。在又一实施例中，设备100不显示有关校准例程134的进程的任何消息。在一个实施例中，每当磁性罗盘120被安在另一设备100上或磁干扰源被加入或从设备100移除时，方法400完成。

这里描述的实施例适用于任何使用磁性罗盘数据的应用，包括但不限于导航、指向应用和架枪应用。这里提供的实施例减少了所需要的用户输入数量，并因为更少的数据点被存储而减少了所需要的用于数据存储的存储器。磁性罗盘校准的一个实施例被用在嵌入式应用中，在这里存储器是奇缺的而且用户输入可能繁重而复杂，例如手持应用。开发了一种算法来自动化数据采集以确保3D磁场的宽跨度。

已经描述了通过以下权利要求所限定的本发明的多个实施例。然而，应当理解在不偏离该请求发明的精神和范围的情况下，能对所描述实施例做出多种修改。相应地，其他实施例也在以下权利要求的范围内。