JP4111211B2 - 方位データ生成方法、方位センサユニット、記憶媒体および携帯電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、地磁気センサを利用して方位測定のためのキャリブレーション（オフセット補正）を方位計測用データにより行う技術に関し、特に、３軸の地磁気センサから得られたデータが特定の平面内に限定された場合でも、適正なキャリブレーションを行って正しい方位を測定する方位データ生成方法、方位センサユニット、記憶媒体および携帯電子機器に関する。

地磁気を検出する磁気センサを備え、この磁気センサによって検出された地磁気に基づいて方位測定を行う携帯電話等の携帯端末が知られている。ここで測定された方位は、例えば地図の表示に利用され、例えば、最近では、位置検出を行うＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ
Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）機能を備え、現在位置に基づいた地図を、携帯端末の向き（方位）に合わせて表示する機能を有する携帯端末が登場している。

ところが、携帯端末は、これに搭載されるスピーカおよびマイクロホンや、着磁した電子部品の金属パッケージ等から漏れる磁気が存在するため、この携帯端末に搭載された磁気センサは、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界と地磁気とが合成された磁界を検出することになる。したがって、携帯端末内部の電子部品等から発生する磁界による誤差（オフセット）分を補正するためのキャリブレーション処理が必要となる。そこで従来２軸の地磁気センサを搭載した携帯端末では、キャリブレーション処理を行うために、ユーザが携帯端末を例えば１８０度回転させ、この動作の間に携帯端末は磁気センサから測定データを収集し、測定データに基づいてオフセットを推定していた。

このような、携帯端末に搭載された磁気センサのキャリブレーションに関しては、例えば特許文献１に開示された技術がある。この技術では、携帯端末を所定の角度ずつ回転させ、各角度において磁気センサによって測定されたデータに基づいてオフセットを推定することにより、回転速度に依存せずにキャリブレーションを行えるようになっている。
特開２００４−１２４１６号公報

しかし、特許文献１に記載の方法でも、ユーザが意識的に磁気センサを搭載した携帯機器を回転させ、そのキャリブレーション処理を行わなければならず、従来よりは改善されるものの、ユーザにキャリブレーション処理のための操作を強いるので、ユーザにとっては面倒なものであることに変わりはない。特に、３軸の地磁気センサの場合には、キャリブレーションを行うために、３軸のデータを要することから、さらに、ユーザに面倒な動作を強いることになる。

一方で、３軸の地磁気センサの場合に、正確なキャリブレーションを行うためには、地磁気センサにおいて取得されるデータが方位球内に満遍なく存在することが好ましく、データが特定の平面内に集中した場合には、キャリブレーションが実行できないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、３軸の地磁気センサから得られたデータが三次元方位空間における特定の平面内に限定された場合でも、適正なキャリブレーションを行って正しい方位を測定する方位データ生成方法、方位センサユニット、記憶媒体および携帯電子機器を提供するものである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、３軸の軸方向の磁界を検出する地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを測定する磁界データ測定ステップと、前記測定された磁界データを順次格納する磁界データ格納ステップと、格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別ステップと、前記判別ステップで同一平面内に存在すると判別された場合に、前記格納された複数の磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出ステップと、該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出ステップと、前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定ステップと、前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行うステップと、を具備する方位データ生成方法を提案している。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された方位データ演算方法について、前記仮オフセット値確定ステップは、前記円弧の直径が一定値以上であれば有効であると判別し、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定することを特徴とする方位データ演算方法を提案している。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載された方位データ演算方法について、前記標準偏差は、数１の数式を用いて求めることを特徴とする方位データ演算方法を提案している。なお、数１において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載された方位データ演算方法について、前記判別ステップにおいて同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出ステップと、前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算するステップと、を更に具備することを特徴とする方位データ演算方法を提案している。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載された方位データ演算方法について、前記磁界データ測定ステップは、前記地磁気センサを動かして地磁気に対するその向きを変える間で、複数の前記磁界データを測定することを特徴とする方位データ演算方法を提案している。

請求項６に係る発明は、請求項１に記載された方位データ演算方法について、前記磁界データ測定ステップは、地表面に対して所定各範囲内傾けた状態で前記地磁気センサを該地表面と平行な面内で回転する間において、異なる方位についての該地磁気センサからのデータに基づく複数の前記磁界データを測定することを特徴とする方位データ演算方法を提案している。

請求項７に係る発明は、３軸の軸方向を検出する地磁気センサと、前記地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを算出する磁界データ測定部と、前記測定された磁界データを順次格納する記憶部と、格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別部と、前記判別部で同一平面内に存在すると判別された場合に、前記磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出部と、該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出部と、前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定部と、
前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行う方位データ演算部と、を具備することを特徴とする方位センサユニットを提案している。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載された方位センサユニットについて、前記仮オフセット値確定部は、前記円弧の直径が一定値以上であれば有効であると判別し、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定することを特徴とする方位センサユニットを提案している。

請求項９に係る発明は、請求項７に記載の方位センサユニットについて、前記標準偏差は、数２の数式を用いて求めることを特徴とする方位センサユニットを提案している。なお、数２において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。

請求項１０に係る発明は、請求項７に記載の方位センサユニットについて、前記判別部において同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出部を更に具備し、前記方位データ演算部は、前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算することを特徴とする方位センサユニットを提案している。

請求項１１に係る発明は、３軸の軸方向の磁界を検出する地磁気センサから出力されるデータに基づきコンピュータに方位データ演算処理を実行させる命令群を内容とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であり、前記方位データ演算処理は、前記地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを測定する磁界データ測定ステップと、前記測定された磁界データを順次格納する磁界データ格納ステップと、格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別ステップと、前記判別ステップで同一平面内に存在すると判別された場合に、前記格納された複数の磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出ステップと、該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出ステップと、前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定ステップと、前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行うステップと、を具備することを特徴とする記憶媒体を提案している。

請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の記憶媒体について、前記標準偏差は、数３の数式を用いて求めることを特徴とする記憶媒体を提案している。なお、数３において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。

請求項１３に係る発明は、請求項１１に記載の記憶媒体について、前記判別ステップにおいて同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出ステップと、前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算するステップと、を更に具備することを特徴とする記憶媒体を提案している。

請求項１４に係る発明は、請求項７に記載された方位センサユニットを具備する携帯電子機器を提案している。

請求項１５に係る発明は、請求項１４に記載の携帯電子機器について、前記方位センサユニットの磁界データ測定部は、自機の内部で発生される方位データ要求に応じて、前記地磁気センサから入力されたデータに基づく磁界データの測定を行うことを特徴とする携帯電子機器を提案している。

本発明によれば、順次測定された複数の磁界データが、三次元方位空間における同一平面内に存在すると判別された場合に、所定のアルゴリズムに従って、これらの複数の磁界データが存在する円弧の中心座標を仮オフセット値として算出し、その後に測定された磁界データを、該算出された仮オフセット値で補正（キャリブレーション）するようにしたので、３軸地磁気センサのキャリブレーションにおいて、３軸地磁気センサからの出力データが、特定の平面に集中した場合においてもキャリブレーションを実行できるようになる。
また、キャリブレーションに際して、有効な３軸データが得られなかったとしても、仮オフセット値でキャリブレーション処理が行えるので、ユーザは方位データ取得のために気をつかって携帯電子機器を動かす必要がなくなり、従って、ユーザに過度な負担を強いることなく、キャリブレーションを実行できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、ユーザが例えば、３軸地磁気センサを搭載した携帯端末を手に持った状態で、３６０度回転したときの様子を示している。従来、このような場合には、携帯端末自体の姿勢に変化がないため、３軸地磁気センサからの出力が特定の平面に集中するためにキャリブレーションを実行することができなかった。本発明は、こうした場合にも、キャリブレーションを実行する方法を提供するものである。

図２は、本発明の携帯電子機器の一実施形態についての構成図であり、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）通信方式による携帯通信端末（以下、携帯端末と称す）の電気的構成をブロック図として示している。
なお、以下において、参照する各図に共通する部分には、同一の符号を附している。

図２に示すように、本実施の形態の携帯端末１は、アンテナ１０１、１０６と、ＲＦ部１０２と、変復調部１０３と、ＣＤＭＡ部１０４と、音声処理部１０５と、ＧＰＳ受信部１０７と、主制御部１０８と、ＲＯＭ１０９と、ＲＡＭ１１０と、報知手段１１１と、時計部１１２と、主操作部１１３と、ＳＷ１１４と、磁気センサチップ（磁気センサ部）３００と、電子撮像部２０２と、表示部２０３と、タッチパネル２０４と、副操作部２０５とから構成されている。

図２に示すように、アンテナ１０１は図示せぬ無線基地局と電波の送受信を行う。ＲＦ部１０２は信号の送受信に係る処理を行う。このＲＦ部１０２は局部発振器等を備え、受信時にアンテナ１０１から出力された受信信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、受信信号を中間周波数（ＩＦ）の受信ＩＦ信号に変換し、変復調部１０３へ出力する。また、ＲＦ部１０２は送信時に中間周波数の送信ＩＦ信号に対して所定周波数の局部発信信号を混合することにより、送信ＩＦ信号を送信周波数の送信信号に変換し、アンテナ１０１へ出力する。

変復調部１０３は、受信された信号の復調処理、および送信される信号の変調処理を行う。この変復調部１０３は局部発振器等を備え、ＲＦ部１０２から出力された受信ＩＦ信号を所定周波数のベースバンド信号に変換すると共に、このベースバンド信号をデジタル信号に変換し、ＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この変復調部１０３は、ＣＤＭＡ部１０４から出力された送信用のデジタルのベースバンド信号をアナログ信号に変換すると共に、所定周波数の送信ＩＦ信号に変換してＲＦ部１０２へ出力する。

ＣＤＭＡ部１０４は、送信される信号の符号化処理、および受信された信号の復号化処理を行う。このＣＤＭＡ部１０４は、変復調部１０３から出力されたベースバンド信号を復号化する。また、ＣＤＭＡ部１０４は、送信用の信号を符号化し、符号化したベースバンド信号を変復調部１０３へ出力する。

音声処理部１０５は、通話時の音声に係る処理を行う。この音声処理部１０５は、通話時にマイクロホン（ＭＩＣ）から出力されたアナログの音声信号をデジタル信号に変換し、送信用の信号としてＣＤＭＡ部１０４へ出力する。また、この音声処理部１０５は、通話時にＣＤＭＡ部１０４によって復号化された音声データを示す信号に基づいて、スピーカ（ＳＰ）を駆動するためのアナログの駆動信号を生成し、スピーカ（ＳＰ）へ出力する。マイクロホン（ＭＩＣ）は、ユーザによって入力された音声に基づいた音声信号を生成し、音声処理部１０５へ出力する。スピーカ（ＳＰ）は、音声処理部１０５から出力された信号に基づいて、通話相手の音声を放音する。

ＧＰＳアンテナ１０６は、図示せぬＧＰＳ衛星から送信された電波を受信し、この電波に基づいた受信信号をＧＰＳ受信部１０７へ出力する。ＧＰＳ受信部１０７はこの受信信号を復調し、受信信号に基づいて、ＧＰＳ衛星の正確な時刻情報や電波の伝播時間等の情報を取得する。ＧＰＳ受信部１０７は取得した情報に基づいて、３以上のＧＰＳ衛星までの距離を算出し、三角測量の原理により、３次元空間上の位置（緯度・経度・高度等）を算出する。

主制御部１０８は、ＣＰＵ（中央処理装置）等から構成され、携帯端末１内部の各部を制御する。この主制御部１０８は、ＲＦ部１０２、変復調部１０３、ＣＤＭＡ部１０４、音声処理部１０５、ＧＰＳ受信部１０７、下記の方位センサユニット２０１、ＲＯＭ１０９、およびＲＡＭ１１０とバスを介して制御信号あるいはデータの入出力を行う。ＲＯＭ１０９は、主制御部１０８が実行する各種のプログラムや、出荷検査時に測定された温度センサおよび傾きセンサの初期特性値等を記憶する。ＲＡＭ１１０は、主制御部１０８によって処理されるデータ等を一時的に記憶する。

報知手段１１１は、例えばスピーカ、バイブレータ、または発光ダイオード等を備え、着信やメール受信等を、音、振動、または光等によってユーザに報知する。時計部１１２は計時機能を有し、年、月、日、曜日、時刻等の計時情報を生成する。主操作部１１３は、ユーザによって操作される文字入力用の入力キー、漢字・数字等の変換用の変換キー、カーソル操作用のカーソルキー、電源のオン／オフキー、通話キー、およびリダイアルキー等を備え、ユーザによる操作結果を示す信号を主制御部１０８へ出力する。また、開閉スイッチ（ＳＷ）１１４は、折畳み式携帯端末の場合に、開け始めと閉め終わりを検出するためのスイッチである。

磁気センサチップ（磁気センサ部）３００は、互いに直交するＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の各々の軸方向の磁気（磁界）を検出する磁気センサ（１）〜（３）および各センサによる検出結果を処理するブロック（センサ制御部）を備えている。なお、詳細については、図３を用いて後述する。

電子撮像部２０２は、光学レンズおよびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子を備え、光学レンズにより撮像素子の撮像面上に結像した被写体の像を撮像素子によりアナログ信号に変換し、このアナログ信号をデジタル信号に変換して主制御部１０８へ出力する。表示部２０３は液晶ディスプレイ等を備え、主制御部１０８から出力された表示用の信号に基づいて画像や文字等を表示する。タッチパネル２０４は、表示部２０３が備える液晶ディスプレイの表面に組み込まれ、ユーザによる操作内容に応じた信号を主制御部１０８へ出力する。副操作部２０５は、表示切替に用いられるプッシュスイッチ等を備えている。

次に、図３を用いて方位計測のための機能ブロックについて詳細に説明する。
図３に示すように、方位計測のための機能ブロックは、磁気センサチップ（磁気センサ部）３００と、方位データ演算部４００とから構成されており、方位データ演算部４００は、図２に示す主制御部１０８が対応する。また、方位データ演算部４００は、三次元磁界測定手段３０２と、測定データ格納判別手段３０３と、測定データ格納手段３０４と、モード判定手段３０５と、仮オフセット計算手段３０６と、オフセット計算手段３０７と、オフセット有効性判別手段３０８と、方位計測手段３０９と、オフセット計算トリガ手段（図示せず）とから構成されている。

磁気センサ部３００は、磁気センサ（１）〜（３）と、電源投入後、各磁気センサを初期化するための図示しないセンサ初期化手段（１）〜（３）とを備えている。センサ初期化手段（１）〜（３）は、強磁界が印加された場合、磁気センサ（１）〜（３）の磁性体の磁化の向きが狂ってしまうことから、磁気センサ（１）〜（３）を初期状態にリセットするために設けられるものである。

三次元磁界測定手段３０２は、測定のためのトリガとともに立ち上がり磁気センサ部３００からデジタル信号として入力される入力データから、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の磁界データを測定し、その測定された三次元磁界データを測定データ格納判別手段３０３と方位計測手段３０９に供給する。なお、三次元磁界測定手段３０２は、後述する方位計測を必要とするアプリケーションプログラムなどからの測定トリガのタイミングで三次元磁界データの測定動作を開始する。

測定データ格納判別手段３０３は、キャリブレーション時に、磁気センサからの入力データから測定された三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に格納すべきかどうかの判定等の、データ格納に関する処理を行う。そして、測定データ格納判別手段３０３は、測定された三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に格納すべきと判定した場合には、その三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に出力する。測定データ格納手段３０４は、測定データ格納判別手段３０３から出力される三次元磁界データを入力し、所定の格納方法にしたがって、三次元磁界データを格納する。

オフセット計算トリガ手段（図示せず）は、オフセット計算を行うトリガ発生条件を満たす場合に、測定データ格納手段３０４に格納されている三次元磁界データを後段に出力するよう、測定データ格納手段３０４にオフセット計算のトリガとして指示する。モード判定手段３０５は、測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データが三次元方位空間における同一平面上に存在するものか否かを判別し、三次元磁界データが同一平面上に存在すると判断したときには、この三次元磁界データを仮オフセット計算手段３０６に出力し、三次元磁界データが同一平面上に存在しないと判断したときには、この三次元磁界データをオフセット計算手段３０７に出力する。

仮オフセット計算手段３０６は、モード判定手段３０５から入力した三次元磁界データから後述する所定のアルゴリズムにより仮オフセット値を推定し（詳細は後述）、オフセット有効性判別手段３０８に出力する。オフセット計算手段３０７は、キャリブレーション時に取得した測定された三次元磁界データに基づいてオフセット値を算定し（詳細は後述）、オフセット有効性判別手段３０８に出力する。また、オフセット有効性判別手段３０８は、オフセット計算手段３０７によって算定されたオフセット値または仮オフセット計算手段３０６で推定された仮オフセット値の有効性を判定し（詳細は後述）、有効と判定されたオフセット値を方位計測手段３０９に出力する。方位計測手段３０９は、オフセット有効性判別手段３０８において有効とされたオフセット値を用いてオフセットを除去し、三次元磁界測定手段３０２から出力されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三次元磁界データに基づいて方位計測を行う（詳細は後述）。

次に、図４のフローチャートを用いて具体的な処理動作について説明する。
図４に示すように、方位計測を必要とするアプリケーションプログラム（ナビゲーションソフトウェアやゲームなどに方位データを使用するアプリケーションプログラム）等が立ち上がると、繰り返し、アプリケーションプログラムが方位データを必要とするタイミングでトリガがかかる（ステップＳ１０１）。
具体的なトリガとしては、１）一定時間ごとにトリガをかける方法、２）携帯端末内に設けられた、磁気センサ部３００とは異なる別のデバイス（例えば、電子映像部２０２）の出力をモニタし、当該出力に基づいて方位が変わったと推測される場合（例えば、電子撮像部２０２より撮像された画像データが所定量だけスライド（移動）したタイミング等）にトリガをかける方法等が考えられる。

ここで、アプリケーションプログラムによりトリガがかかる方法は、測定回数が必要最小限となるため、無駄な電力を削減できるという利点がある。また、上述した１）の方法、すなわち一定時間ごとにトリガをかける方法では、定期的にデータ測定を行っているため、アプリケーションプログラムから方位測定の要請があった場合には、当該方位測定の要請直前に測定された三次元磁界データを出力すればよいことから、短時間での応答が可能であるという利点がある。また、上述した２）の方法では、例えば、携帯端末内に設けられた、磁気センサ部３００とは異なる、別のデバイスが動作していることが条件になるが、上述した２つの利点、すなわち、無駄な電力を削減できるという利点と、短時間での応答が可能であるという利点を併せ持つ。したがって、どの方法を選択するのかについては、装置のフューチャー等により適宜、決定すればよい。

測定トリガがかかると、三次元磁界測定手段３０２は、磁気センサから入力したデータから三次元磁界データを測定して、この三次元磁界データを測定データ格納判別手段３０３および方位計測手段３０９に出力する（ステップＳ１０２）。測定データ格納判別手段３０３では、この三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に格納すべきかどうかの判定に関する処理を行う（ステップＳ１０３）。

判定方法は、測定データ格納手段３０４に格納されている三次元磁界データを参照して、後述する判別方法に基づいて、三次元磁界測定手段３０２から入力した三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に格納すべきか否かを判別し、格納すべきと判断したときは、その三次元磁界データを測定データ格納手段３０４に格納する（ステップＳ１０３ａ）。
次に測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データの数が所定数に達したか否かを判断する（ステップＳ１０３ｂ）。ステップＳ１０３ｂでＮＯと判断された場合は、ステップＳ１０２に戻り、該ステップＳ１０２で再び三次元磁界データを測定する。ステップＳ１０３ｂでＹＥＳと判断された場合は、後述するステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３における、三次元磁界データを格納すべきか否かの判別方法としては、１）すべてのデータを格納する方法、
２）測定データ格納手段３０４に三次元磁界データが１つも格納されていない場合には格納し、既に三次元磁界データが存在する場合には、直前に測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データ（測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データのうち最も新しく格納されたもの）と比較して下記の数４の数式の関係を満たす場合のみ格納する方法（なお、数４の数式において、（Ｈｘ0、Ｈｙ0、Ｈｚ0）が今回測定された三次元磁界データであり、（Ｈｘ1、Ｈｙ1、Ｈｚ1）が直前に測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データであり、この場合のｄとしては、０．０５Ｏｅ程度が好適である。）、
３）測定データ格納手段３０４に三次元磁界データが１つも格納されていない場合には格納し、既に三次元磁界データが存在する場合には、測定データ格納手段３０４に格納されたすべての三次元磁界データの各々と今回測定された三次元磁界データとが下記の数５の数式の関係を満たす場合のみ格納する方法（なお、数５の数式において、（Ｈｘ0、Ｈｙ0、Ｈｚ0）が今回測定された三次元磁界データであり、（Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ）（ｉ＝１、・・・、Ｎ）が測定データ格納手段３０４に既に格納された各三次元磁界データであり、この場合のｄとしても、０．０５Ｏｅ程度が好適である。）、
が考えられる。

１）の方法では、数多くの三次元磁界データを収集することができ、最も短期間にデータを多く収集できるため、キャリブレーション処理の頻度が上がり、オフセット変動が起きても短期間のうちにオフセットを修正することができるという利点がある。２）の方法では、三次元磁界データが方位球の一部に集中することを避けることができるという利点がある。なお、ここで、方位球とは、３軸の磁気センサを一定の地磁気の中で回転させた場合の各軸成分の出力を空間（３軸の磁気センサの各軸成分の出力がプロットされる空間のことを三次元方位空間とも称する）にプロットした場合の軌跡が作る球のことであり、球の中心は方位センサのオフセットに対応し、球の半径が地磁気の強さに対応する。
また、３）の方法では、三次元磁界データの均一性が最も優れている反面、三次元磁界データが蓄積されるまでに長時間を要するという問題がある。したがって、上記の内容を踏まえた上で、どの方法を選択するのかについては、装置のフューチャー等により適宜、決定すればよい。

測定データ格納手段３０４は、上述のとおり、格納すべきと判断された場合に測定データ格納判別手段３０３から三次元磁界データを入力し、後述する格納方法にしたがって、三次元磁界データを格納する。そして、測定データ格納手段３０４は、格納されている三次元磁界データを後段（オフセット計算手段３０７もしくは仮オフセット計算手段３０６）に出力すべきか否かを、図示しないオフセット計算トリガ手段に問い合わせる。オフセット計算トリガ手段は、後述するオフセット計算のトリガ発生条件を満たすときに、測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データを後段（オフセット計算手段３０７もしくは仮オフセット計算手段３０６）に出力するよう、測定データ格納手段３０４にオフセット計算のトリガとして指示する。測定データ格納手段３０４は、後述するモード判定手段３０５から三次元磁界データをオフセット計算手段３０７に出力する指示があったときには、格納している三次元磁界データをオフセット計算手段３０７に出力する。また、モード判定手段３０５から三次元磁界データを仮オフセット計算手段３０６に出力する指示があったときは、格納している三次元磁界データを仮オフセット計算手段３０６に出力する。

ここで、三次元磁界データの格納方法としては、１)三次元磁界データを取り込み順に蓄積し、オフセット計算トリガ手段のトリガがかかってオフセット計算処理が終了したときに、全ての三次元磁界データを消去して、もう一度、最初から三次元磁界データを蓄積する方法、２）三次元磁界データを取り込み順に蓄積し、一定量の三次元磁界データが溜まったら、新たな三次元磁界データを取り込む際に、最も古い三次元磁界データを削除して、常に、一定量の新しい三次元磁界データを保持する方法、３）三次元磁界データを取り込み順に蓄積し、オフセット計算トリガ手段のトリガがかかってオフセット計算処理が終了したときに、古い三次元磁界データの方から一部の三次元磁界データを消去して、三次元磁界データの蓄積を始める方法、４）三次元磁界データを値の順番に蓄積し、一定量の三次元磁界データが溜まったら、新しい三次元磁界データに最も近い方位の三次元磁界データと差し替えを行う方法、等がある。

１)の方法では、処理の負荷が軽いという利点があり、２）の方法では、キャリブレーション処理の頻度を上げやすく、最も短期間にオフセットを修正できるという利点がある。また、３）の方法では、１）の方法よりも短期間にオフセットの修正が可能である反面、キャリブレーション処理の計算負荷が大きくなるという問題もある。しかし、２）の方法に比べて、オフセットの計算頻度が低くなり、計算処理の負荷を軽減できる。さらに、４）の方法では、オフセット変動の規模が小さい場合、２）の方法に比べて、三次元磁界データ密度を均一に保持できるという利点がある反面、オフセット変動が方位球の半径よりも大きい場合には、いつまでも不要な三次元磁界データが残る危険性がある。したがって、どの方法を選択するのかについては、装置のフューチャー等により適宜、決定すればよい。

また、オフセット計算のトリガ発生条件は、１）ステップＳ１０３ｂの、測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データが一定量に達した場合にトリガをかける方法、２）測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データが一定量に到達した場合、あるいは、三次元磁界データが一定量に到達し、前回のキャリブレーション処理から一定時間経過した場合にトリガをかける方法、３）測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データの数が４点以上存在する時に、一定時間ごとにトリガをかける方法、等がある。

１）の方法では、三次元磁界データ数が一定であるため、三次元磁界データ数に基づく精度が安定しており、有効性の判断が行いやすいという利点がある。２）の方法では、１）の方法よりも短時間でキャリブレーション動作を行うことが可能であり、より短時間にオフセット変動を補正できるという利点がある。３）の方法では、いつまでもキャリブレーション動作に入らないという状況を回避できるという利点がある。したがって、上記の内容を踏まえた上で、どの方法を選択するのかについては、装置のフューチャー等により適宜、決定すればよい。

次に、モード判定手段３０５は、測定データ格納手段３０４に格納されている三次元磁界データが三次元方位空間における同一平面上に存在するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。そして、モード判定手段３０５において三次元磁界データが同一平面上には存在しないと判定された場合には、格納した三次元磁界データをオフセット計算手段３０７に出力して（ステップＳ１０５）、オフセット値が計算される（ステップＳ１０６）。

ここで、測定データ格納手段３０４に格納されている三次元磁界データが三次元方位空間における同一平面上に存在しないと判定された場合に、ステップＳ１０６において、オフセット計算手段３０７で実行されるオフセット計算アルゴリズムについて説明する。
測定データ（三次元磁界データ）を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）（ｉ＝１，・・・，Ｎ）、オフセットを（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、方位球半径をＲとすると、以下の関係式が成り立つ。
(ｘ_ｉ−Ｘ０)^２＋（ｙ_ｉ−Ｙ０）^２＋（ｚ_ｉ−Ｚ０）^２＝Ｒ^２このとき、最小二乗誤差εを次式のように定義する。

ここで、
ａ_ｉ＝ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２＋ｚ_ｉ ^２
ｂ_ｉ＝−２ｘ_ｉ
ｃ_ｉ＝−２ｙ_ｉ
ｄ_ｉ＝−２ｚ_ｉ
Ｄ＝（Ｘ０^２＋Ｙ０^２＋Ｚ０^２）−Ｒ^２ …（１）とすると、εは以下の式となる。

このとき、最小二乗誤差εを最小とする条件は、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０、Ｄを独立変数として、εをＸ０、Ｙ０、Ｚ０、Ｄで微分することにより以下の式となる。

したがって、以下の式が成り立つ。

ただし、

である。この連立方程式を解くことにより、最小二乗誤差εを最小とするオフセット値であるＸ０，Ｙ０，Ｚ０，Ｄが求まる。また、（１）式により、方位球半径であるＲも求めることができる。

一方、モード判定手段３０５で、ステップＳ１０４において、三次元磁界データが同一平面上に存在すると判定した場合には、格納した三次元磁界データを仮オフセット計算手段３０６に出力して（ステップＳ１０７）、仮オフセット計算手段３０６において仮オフセット値が計算される（ステップＳ１０８）。

ここで、ステップＳ１０４で行われる三次元磁界データが三次元方位空間における同一平面上に存在するか否かの判定は、三次元磁界データが同一平面にあると仮定してフィッテング処理を行うことによって実行される。いま、測定データ点（三次元磁界データ）を（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ、Ｚ_ｉ）（ｉ＝１、・・・、Ｎ）とし、平面をｂｙ＋ｃｚ＋１＝０として、ｂ、ｃを以下、数１１の数式を用いて最小二乗法により求める。なお、ここで、ε0は最小二乗誤差である。

そして、この連立方程式を解くことにより、ｂ、ｃを求める。次に、求めたｂ、ｃを用いて、数１２を計算する。

このε1が地磁気強度の１０％以下の場合には、データ点が略同一平面上にあると判断する。なお、この場合、データ点が存在する平面は、ｂｙ＋ｃｚ＋１＝０とする。

次に、三次元磁界データが同一平面上に存在する場合のオフセット値は以下に説明する仮オフセット計算アルゴリズムによって算出される。この仮オフセット計算アルゴリズムは、ステップＳ１０８において、仮オフセット計算手段３０６で実行される。
すなわち、三次元磁界データが同一平面ｂｙ＋ｃｚ＋１＝０に存在する場合、これらのデータは、ある円弧上に存在する。そこで、ステップＳ１０８における仮オフセット計算処理においては、仮オフセット値である円弧の中心座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）およびその半径Ｒを以下の数１３、数１４、数１５の各数式より求める。

ステップＳ１０６で求められたオフセット値およびステップＳ１０８で求められた仮オフセット値は、オフセット有効性判別手段３０８に出力され、それぞれ別々の方法でその有効性が判断される（ステップＳ１０９）。

まず、ステップＳ１０６で求められたオフセットについては、算出されたオフセット値および方位球半径と、測定データ格納手段３０４に格納された三次元磁界データから以下の値を算出する。

ただし、Ｍａｘ（ｘ_ｉ）は、測定データ（三次元磁界データ）ｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最大値を表し、Ｍｉｎ（ｘ_ｉ）は、測定データ（三次元磁界データ）ｘ_１，・・・，ｘ_Ｎの中の最小値を表す。また、σは標準偏差である。上記の値に対して、以下の判定基準が満たされるかどうか判定し、判定基準が満たされた場合に、推定したオフセット値が有効であると判定する。
σ＜Ｆ
ｗ_ｘ＞Ｇ
ｗ_ｙ＞Ｇ
ｗ_ｚ＞Ｇ
ここで、Ｆは０．１程度が好ましく、Ｇは１程度が好ましい。

次に、ステップＳ１０８において求められた仮オフセット値については、例えば下記の２つの方法により、その有効性が判断される。
１）仮オフセット値を求める際に得られた円弧の直径が一定値以上であれば、有効と判断する。
２）仮オフセット値を求める際に得られた円弧の半径をＲとし、このとき格納されているデータをＨｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉとし、数２０で求めたσが一定値以下の場合には、有効と判断する。
これらの１）、及び２）の両方において有効であると判断された場合、ステップＳ１０８で求められた仮オフセット値が有効であると判断される。あるいは、１）または２）のいずれか一方において有効であると判断された場合、ステップＳ１０８で求められた仮オフセット値が有効と判断してもよい。

そして、オフセット値が有効であると判断されたときには、この有効とされたオフセット値が方位計測手段３０９に出力され、方位計測手段３０９内の図示しない記憶手段に格納されているオフセット値が更新される（ステップＳ１１０）。

続いて、方位計測手段３０９は、方位計測手段３０９に格納されているオフセットが仮オフセット値でない場合には、三次元磁界測定手段３０２から入力した測定データ（三次元磁界データ）からオフセットを除去し（三次元磁界データをオフセット値で補正する）、それから、次のいずれかの方法で方位を計算する（ステップＳ１１１）。

１）例えば、携帯端末が水平であると仮定する場合には、数２１の数式に基づいて方位を算出する。なお、傾きａは、携帯端末１に傾きセンサを設けることによって求め、数２２の数式で使用してもよいし、ユーザが携帯端末１を持つ場合に想定される適宜な角度を予め決めておき、数２２の数式で使用してもよい。
２）例えば、携帯端末が水平面に対してａ（ｒａｄ）傾いていると仮定する場合には、数２２に基づいて方位を算出する。
ここで、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚは、磁気センサの出力であり、方位は、磁気センサのＹ軸の方位を指し、磁北を０度とする。

なお、１）の方法は、ユーザにとって携帯端末を水平にすることは比較的容易であり、方位の精度を得やすい。また、２）の方法では、ユーザが通常携帯端末を持つ角度であるため、おおよそ正しい方位を出すことができるが、その反面、決まった角度に携帯端末を合わせるのは困難である場合もあることから、精度はあまり期待できないという問題もある。

一方、方位計測手段３０９は、該方位計測手段３０９内の記憶手段に格納されているオフセットが仮オフセット値の場合には、当該オフセット値が算出された後に三次元磁界測定手段３０２から入力した測定データ（三次元磁界データ）から該オフセット値（仮オフセット値）を除去し（三次元磁界データを仮オフセット値で補正する）、それから、次の方法で方位を計算する（ステップＳ１１１）。すなわち、磁気センサから得られたデータを（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）とし、仮オフセット値を（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）として、下記の数２３の数式を計算することによりＨｘ１とＨｙ１を求める。数２１の数式のＨｘにＨｘ１を、ＨｙにＨｙ１を代入することにより、方位を算出する。そして、こうして得られた方位は、携帯端末の図示しない表示器等に表示される（ステップＳ１１２）。

したがって、本実施形態によれば、３軸の地磁気センサから得られた三次元磁界データが特定の平面内に限定された場合でも、適正なキャリブレーションを行って正しい方位を測定することができる。例えば、ユーザが地図を見るとき等に最も取りやすい動作、すなわち、携帯端末の画面を見ながら向きを変えるといった動作のみでもキャリブレーションが可能となり、正しい方位情報を提供することができる。

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の構成等も含まれることは言うまでもない。例えば、本実施形態においては、方位データの演算を携帯端末等の主制御部で行う例を示したが、これに限らず、磁気センサチップと方位データの演算機能とを備えた方位センサユニットとしてもよい。

本発明が実施される態様を示した図である。 本実施形態に係る携帯電子機器（携帯端末）の構成図である。 本実施形態に係る方位センサユニットの構成図である。 本実施形態に係る方位出力に関する処理フローである。

符号の説明

１・・・携帯端末、１０１、１０６・・・アンテナ、１０２・・・ＲＦ部、１０３・・・変復調部、１０４・・・ＣＤＭＡ部、１０５・・・音声処理部、１０７・・・ＧＰＳ受信部、１０８・・・主制御部、１０９・・・ＲＯＭ、１１０・・・ＲＡＭ、１１１・・・報知手段、１１２・・・時計部、１１３・・・主操作部、１１４・・・ＳＷ、２０２・・・電子撮像部、２０３・・・表示部、２０４・・・タッチパネル、２０５・・・副操作部、３０２・・・三次元磁界測定手段、３０３・・・測定データ格納判別手段、３０４・・・測定データ格納手段、３０５・・・モード判定手段、３０６・・・仮オフセット計算手段、３０７・・・オフセット計算手段、３０８・・・オフセット有効性判別手段、３０９・・・方位計測手段、４００・・・方位データ演算部

Claims (15)

1. ３軸の軸方向の磁界を検出する地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを測定する磁界データ測定ステップと、
   前記測定された磁界データを順次格納する磁界データ格納ステップと、
   格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別ステップと、
   前記判別ステップで同一平面内に存在すると判別された場合に、前記格納された複数の磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出ステップと、
   該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出ステップと、
   前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定ステップと、
   前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行うステップと、
   を具備する方位データ生成方法。
2. 前記仮オフセット値確定ステップは、前記円弧の直径が一定値以上であれば有効であると判別し、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定することを特徴とする請求項１に記載の方位データ生成方法。
3. 前記標準偏差は、数１の数式を用いて求めることを特徴とする請求項１に記載の方位データ生成方法。
   なお、数１において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。
   

   
4. 前記判別ステップにおいて同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出ステップと、
   前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算するステップと、
   を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の方位データ生成方法。
5. 前記磁界データ測定ステップは、前記地磁気センサを動かして地磁気に対するその向きを変える間で、複数の前記磁界データを測定することを特徴とする請求項１に記載の方位データ生成方法。
6. 前記磁界データ測定ステップは、地表面に対して所定各範囲内傾けた状態で前記地磁気センサを該地表面と平行な面内で回転する間において、異なる方位についての該地磁気センサからのデータに基づく複数の前記磁界データを測定することを特徴とする請求項１に記載の方位データ生成方法。
7. ３軸の軸方向を検出する地磁気センサと、
   前記地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを算出する磁界データ測定部と、
   前記測定された磁界データを順次格納する記憶部と、
   格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別部と、
   前記判別部で同一平面内に存在すると判別された場合に、前記磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出部と、
   該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出部と、
   前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定部と、
   前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行う方位データ演算部と、
   を具備することを特徴とする方位センサユニット。
8. 前記仮オフセット値確定部は、前記円弧の直径が一定値以上であれば有効であると判別し、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定することを特徴とする請求項７に記載の方位センサユニット。
9. 前記標準偏差は、数２の数式を用いて求めることを特徴とする請求項７に記載の方位センサユニット。
   なお、数２において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。
   

   
10. 前記判別部において同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出部を更に具備し、
    前記方位データ演算部は、前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算することを特徴とする請求項７に記載の方位センサユニット。
11. ３軸の軸方向の磁界を検出する地磁気センサから出力されるデータに基づきコンピュータに方位データ演算処理を実行させる命令群を内容とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であり、前記方位データ演算処理は、
    前記地磁気センサから出力されるデータを入力し、該入力されたデータに基づき磁界データを測定する磁界データ測定ステップと、
    前記測定された磁界データを順次格納する磁界データ格納ステップと、
    格納された複数の前記磁界データが三次元方位空間における同一平面内に存在するか否かを判別する判別ステップと、
    前記判別ステップで同一平面内に存在すると判別された場合に、前記格納された複数の磁界データに基づき、所定のアルゴリズムに従って、該磁界データが存在する円弧の中心座標及び半径を算出する円弧算出ステップと、
    該磁界データと前記円弧の中心座標及び半径とを使用して該磁界データの標準偏差を算出する標準偏差算出ステップと、
    前記円弧の中心座標が仮オフセット値として有効であるか否かを前記算出された標準偏差に基づいて判別し、有効であると判別されたならば、前記円弧の中心座標を仮オフセット値として確定する仮オフセット値確定ステップと、
    前記仮オフセット値が確定された後に測定された前記磁界データを前記仮オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを求めるための演算を行うステップと、
    を具備することを特徴とする記憶媒体。
12. 前記標準偏差は、数３の数式を用いて求めることを特徴とする請求項１１に記載の記憶媒体。
    なお、数３において、Ｈｘ^ｉ、Ｈｙ^ｉ、Ｈｚ^ｉは前記格納された各磁界データの３軸方向の成分、Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０は円弧の中心座標、Ｒは円弧の半径、Ｎは前記格納された磁界データの数を表す。
    

    
13. 前記判別ステップにおいて同一平面内に存在していないと判別された場合に、前記所定のアルゴリズムとは異なるアルゴリズムで、前記格納された複数の磁界データに基づき、オフセット値を算出するオフセット値算出ステップと、
    前記オフセット値が算出された後に測定された前記磁界データを、前記オフセット値で補正し、該補正された磁界データに基づき方位データを演算するステップと、
    を更に具備することを特徴とする請求項１１に記載の記憶媒体。
14. 請求項７に記載された方位センサユニットを具備する携帯電子機器。
15. 前記方位センサユニットの磁界データ測定部は、自機の内部で発生される方位データ要求に応じて、前記地磁気センサから入力されたデータに基づく磁界データの測定を行うことを特徴とする請求項１４に記載の携帯電子機器。

Images