用於提高電子羅盤可讀性的系統、方法、設備和計算機代碼產品的製作方法
2023-05-28 05:23:56
專利名稱：用於提高電子羅盤可讀性的系統、方法、設備和計算機代碼產品的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及電子羅盤領域。具體而言，本發明涉及用於提高電子羅盤可讀性的穩定過濾器。
背景技術：
一般而言，羅盤參照對於地球的多數居住部分而言通常南北走向的地球磁場來確定地理方位。由於地球的磁極與地球的地理極不在同一位置，所以在地理(真實)朝向(heading)與磁(羅盤)朝向之間存在誤差，該誤差被稱為偏差。偏差依賴於位置和時間。常規的羅盤利用可自由移動的磁敏部件，該部件使其自身與地球的磁場相對準而且指向地球的磁北極。
另一方面，電子羅盤在沒有使用磁敏部件的情況下確定地理方位。一般而言，電子羅盤通過在以已知角度彼此相關的至少兩個不同方向上同時測量地球磁場的量值來確定地理方位。由於這些測量與測量設備的方位有關，所以它們可以用來確定羅盤方位相對於磁北的偏離，該偏離給出了羅盤朝向。
地球磁場到測量平面的投影是測量平面傾角的函數。構建在2軸傳感器周圍的電子羅盤可能會受到對傾斜誤差的高靈敏度的影響。如果傾角在測量期間沒有保持恆定則可能有誤差。如果羅盤設備傾斜例如10度，則可能會有30度或者更多的羅盤讀數誤差。
對傾斜的靈敏度在不同地理區域之間各異但是通常都可能給電子羅盤造成問題。高端羅盤有時使用傾斜傳感器來校正傾斜誤差。由於這一途徑受到成本的限制，所以許多低端的電子羅盤實施以例如通過使用水準泡水準指示器這樣的其它方式來補償傾斜誤差。當使用此類低端設備時，要求用戶通過使用水準泡指示器來手動地調平羅盤從而在使用期間保持羅盤設備準確地調平。
儘管如果用戶在穩定的環境中時水準泡水平指示器方法可以提供低成本的解決方案，但是如果用戶在行走中或者以別的方式在移動則難以付諸使用。擺動造成了使羅盤讀數具有噪聲和難以讀取的傾斜誤差。在嚴重的擺動情況下，羅盤針甚至可能開始到處旋轉。缺乏經驗的用戶認為這樣的設備是質量低劣的。
於是，需要一種能夠以成本有效的方式校正傾斜誤差問題的改進型電子羅盤。
發明內容
本發明的一個實施例涉及一種電子羅盤。該羅盤可以包括傳感器，被配置用以測量地球磁場以及提供指示著所測量的磁場的傳感器輸出信號；穩定過濾器，被配置用以濾除被併入到傳感器輸出信號中的隨機傾斜誤差；以及過濾器適配模塊，被配置用以基於傳感器輸出信號和預校準的羅盤半徑信息來控制穩定過濾器響應。穩定過濾器還可以包括例如一階無限輸入響應(IIR)過濾器。過濾器適配模塊可以被配置用以向穩定過濾器提供過濾器響應參數，該過濾器響應參數能夠減緩穩定過濾器響應，使得在羅盤受到大的傾斜誤差影響時保持先前的正確羅盤讀數。
本發明的另一實施例可以包括一種用於在配置用以產生未校正的羅盤讀數的電子羅盤中濾除隨機傾斜誤差的設備。該設備可以包括穩定過濾器，被配置用以濾除被併入到未校正的羅盤讀數中的傾斜誤差；以及過濾器適配模塊，被配置用以基於未校正的羅盤讀數和預校準的羅盤半徑信息來控制穩定過濾器響應。該過濾器適配模塊可以被配置用以向穩定過濾器提供用於濾除被併入到未校準的羅盤讀數中的傾斜誤差的過濾器響應參數。在一個實施例中，該過濾器適配模塊可以被配置用以計算作為未校正的羅盤讀數的信號半徑與預校準的羅盤半徑信息之間的相對差的函數的過濾器響應參數。
本發明的又一實施例可以包括一種用於濾除電子羅盤中的隨機傾斜誤差的方法，該電子羅盤被配置用以產生未校正的羅盤讀數。在一個實施例中，該方法可以包括計算未校正的羅盤讀數的信號半徑；基於所計算的信號半徑和預校準的理想羅盤半徑來計算過濾器響應參數；以及基於所計算的過濾器響應參數從未校正的羅盤讀數中濾除傾斜誤差。該方法還可以包括確定過濾器響應參數是否超過預定閾值以及如果超過時則激活報警指示器。
本發明的又一實施例可以包括一種用於濾除電子羅盤中的隨機傾斜誤差的計算機代碼產品，該電子羅盤被配置用以產生未校正的羅盤讀數。該計算機代碼產品可以包括計算機代碼，該計算機代碼被配置用以計算未校正的羅盤讀數的信號半徑；基於所計算的信號半徑和預校準的理想羅盤半徑來計算過濾器響應參數；以及基於過濾器響應參數從未校正的羅盤讀數中濾除傾斜誤差。
在查閱以下附圖、具體描述和所附權利要求後，本發明的其它主要特徵和優點對本領域技術人員而言將變得明顯。
圖1是根據本發明的羅盤設備的一個實施例的框圖。
圖2是對造成錯誤羅盤朝向的傾斜誤差進行圖示的圖形表示。
圖3是根據本發明的穩定過濾器響應的一個實施例的圖形表示。
圖4是根據本發明的穩定過濾器的一個實施例的框圖。
圖5是根據本發明的過濾器適配模塊的一個實施例的框圖。
圖6是對根據本發明用於濾除電子羅盤中的傾斜誤差的方法的一個實施例進行圖示的流程圖。
圖7是根據本發明結合有電子羅盤的移動電子設備的一個實施例的框圖。
具體實施例方式
本發明的實施例一般地涉及通過使用穩定過濾器和過濾器適配模塊來提高電子羅盤的可讀性。本發明的實施例能夠防止羅盤方向指示器失控地旋轉這一情形以及在隨機傾斜誤差狀態期間穩定羅盤朝向。本發明各種實施例的實施成本在實踐中可忽略不計。這些實施例可以用來向低端羅盤提供顯著的附加價值和質量提升以及進一步提高包括傾斜傳感器在內的高端設備的性能。
在一個實施例中，為了穩定羅盤讀數，穩定過濾器使它的響應適配於傳感器信號的半徑誤差。如果誤差變大，則過濾器響應減緩以及設法保持先前的正確羅盤讀數。如果羅盤在水平調平的位置周圍擺動，則半徑誤差將在零誤差水平周圍擺動。利用恰當實施的適配功能，無論擺動運動的性質或者對稱性如何都可使羅盤讀數在無誤差的朝向附近穩定下來。這就將用戶從在導航的同時對水準泡水平指示器保持持續注視中解放出來。
參照圖1，示出了2軸電子羅盤的一個實施例，而且通過標號10對其進行表示。該電子羅盤10包括傳感器12、偏離校正模塊14、校準係數註冊處16、反正切模塊18、穩定過濾器20、過濾器適配模塊22和顯示器24。傳感器12被配置用以測量地球磁場以及提供與兩個正交方向上的磁場強度成比例的傳感器輸出信號(xs和ys)。
偏離校正模塊14可以被配置用以針對由設備10中的電氣缺陷和磁材料所造成的羅盤偏離誤差來校正傳感器輸出。由偏離校正模塊14使用的校準係數可以存儲於校準係數註冊處16中。可以根據用戶在使用羅盤10之前進行的校準來獲得在註冊處16中存儲的係數信息。可以由反正切模塊18從所校正的傳感器信號(x和y)計算出羅盤朝向(θ)。反正切模塊18可以被配置用以使用4象限反正切函數來計算羅盤朝向。
在常規羅盤中，羅盤朝向(θ)直接地顯示在顯示器24上。然而，本發明的實施例在顯示羅盤朝向(θ)之前施加擺動或者傾斜誤差校正。在一個實施例中，可以結合穩定過濾器20和過濾器適配模塊22以便在顯示羅盤朝向(θ)之前濾除羅盤朝向(θ)中的過濾器擺動和/或傾斜誤差。穩定過濾器20響應可以通過適配算法來控制，該算法被結合到過濾器適配模塊22中以及被配置用以監視所校正的傳感器信號(x和y)和從校準係數註冊處16中讀取羅盤半徑(R)。過濾器適配模塊22可以向穩定過濾器20提供過濾器響應參數(g)，該穩定過濾器20被配置用以從羅盤朝向(θ)中濾除隨機傾斜誤差以產生可以顯示在顯示器24上的經過濾的羅盤朝向(θf)。應當注意，穩定過濾器20和過濾器適配模塊22可以包括獨立模塊或者可以獨自地或者與其它模塊和/或組件一起組合到單個模塊中。
理想地，當羅盤設備10被完全地水平調平時，所校正的傳感器信號(x和y)在x-y平面中總是落在具有半徑R的以原點為中心的圓上，如圖2所示。從原點到x、y對的角度θ是羅盤朝向的準確表示(考慮到依賴於傳感器在羅盤設備10之內的方位而可能有符號變化或者90度偏移)。如果羅盤有所傾斜，則信號對x、少中可能出現誤差。誤差量值γ與傾斜量成比例，而誤差方向可以依賴於傾斜方向。錯誤的傳感器信號具有錯誤的角度θe和量值Re。通過觀察半徑誤差Re-R，可以檢測傾斜狀態。
為了穩定羅盤讀數，穩定過濾器20可以被配置用以如圖3中所示那樣使它的響應適配於半徑誤差Re-R。如果誤差較小而所校正的傳感器信號(x和y)接近於半徑為R的圓，則過濾器20的響應可以較快而羅盤10可以如常規實施那樣快地跟蹤朝向。如果誤差變大，則過濾器20的響應可以減緩，使得羅盤10保持先前的正確羅盤讀數。如果羅盤10在水平調平的位置周圍擺動，則半徑誤差可能在零誤差水平周圍擺動。因此，如上所述，利用恰當設計的適配函數，無論擺動運動的性質或者對稱性如何都可以使羅盤讀數在無誤差的朝向附近穩定下來。
在一個實施例中，如果誤差超過預定義的水平則可以生成報警指示以向用戶警告有未校準的操作。這一報警指示可以被配置用以不僅報告傾斜誤差而且報告由系統漂移或者對於當前地理位置的無效校準所造成的誤差。用戶可以通過進行對設備10的新的校準來校正除傾斜誤差之外的誤差根據本發明的穩定過濾器20的一個實施例在圖4中示出。在這一實施例中，穩定過濾器20是簡單的一階無限輸入響應(IIR)過濾器。參數g可以用來確定過濾器響應。g的一個有效範圍是
。當g的值較小時，羅盤響應可以較快。當g的值增加時，尤其是隨著它逼近1，羅盤響應可以變慢。當g＝1時，可以將過濾器輸出鎖存。
可以包括迴繞檢測模塊26以便補償角信號的迴繞。過濾器延遲單元30的值可以與輸入值做比較，並且如果差值大於半圈(180度)，則在延遲單元30中存儲的值可以遞增或者遞減360度，使得該差值保持在半圈以下。
從圖4中可以看出，羅盤朝向(θ)被輸入到過濾器20中而且在組件28中與(1-g)相乘，其中g是過濾器響應參數。由組件30產生的延遲單元輸出可以通過組件32而與過濾器響應參數(g)相乘，其結果可以通過單元34與組件28的輸出相加，從而獲得經過濾的羅盤朝向(θf)。
根據本發明的過濾器適配模塊22的一個實施例在圖5中示出。如圖5中所示，所校正的傳感器信號(x和y)可以用來計算信號半徑Re。組件36可以被配置用以通過對所校正的傳感器信號值的平方和求取平方根來計算信號半徑Re。組件38可以通過使用如下公式的組件38計算作為Re與R之間的相對差的函數的過濾器參數g 所得到的過濾器參數值可以通過組件40而受限於最大值(例如0.95)。該限制可以用來避免可能使用戶產生誤解的看起來停滯的羅盤。可以從羅盤校準來獲得半徑R(對應於理想情況的傳感器信號半徑)而且將該半徑存儲於校準係數註冊處中。比較器42可以用來在參數g超過預定義的限度時激活報警指示器。此報警可以被配置用以僅提供信息，使得它不會禁止或者阻礙羅盤讀出。
圖6圖示了根據本發明的用於濾除隨機傾斜誤差的方法的一個實施例。該方法包括在操作44中測量未校正的羅盤讀數。在操作46中基於未校正的羅盤讀數來計算信號半徑。在操作48中基於信號半徑和預校準的羅盤半徑信息來計算過濾器響應參數，而在操作50中向穩定過濾器提供過濾器響應參數。在操作52中，穩定過濾器可以對過濾器響應參數做出響應以濾除隨機傾斜誤差。操作54將過濾器響應參數與預定閾值做比較，而如果過濾器響應參數超過預定閾值則在操作56中生成報警指示。
這裡描述的此類電子羅盤可以包括獨立羅盤或者可以結合到其它設備如移動電子設備中。圖7圖示了根據本發明包括具有傾斜誤差過濾的電子羅盤60在內的移動電子設備58的一個實施例。在這一實施例中，移動電子設備58包括行動電話，然而其它移動電子設備如個人數字助理、膝上型計算機等也可以結合有電子羅盤。
本發明的示例性實施例的系統、設備和方法可以實施為常規電子羅盤中的軟體或者硬體。各種實施例的實施成本在實踐中可忽略不計，尤其以軟體進行實施時更是如此。於是，本發明的實施例提供了一種用於提高電子羅盤中的傾斜容錯性的成本有效解決方案。
應當理解的是本發明沒有限定於作為說明而闡述於此的特定實施例，而是涵蓋了所有落入如所附權利要求的範圍之內的這些改型、組合和變換。本發明不限於特定的操作環境。本領域技術人員將認識到可以有利地在不同平臺上操作本發明的系統、方法、設備和計算機代碼產品。因此，對示例性實施例的描述是出於說明而不是限制的目的。
權利要求
1.一種電子羅盤，被配置用以基於地球磁場提供羅盤朝向，所述羅盤包括傳感器，被配置用以測量地球磁場以及提供指示著所測量的所述磁場的傳感器輸出信號；穩定過濾器，被配置用以在隨機傾斜誤差狀態下穩定所述羅盤朝向；以及過濾器適配模塊，被配置用以基於所述傳感器輸出信號和預校準的羅盤半徑信息來控制所述穩定過濾器響應。
2.根據權利要求1所述的羅盤，其中所述穩定過濾器還包括一階無限輸入響應(IIR)過濾器。
3.根據權利要求1所述的羅盤，其中所述過濾器適配模塊被配置用以向所述穩定過濾器提供過濾器響應參數。
4.根據權利要求1所述的羅盤，還包括被配置用以如果傾斜誤差超過預定閾值則產生報警信號的報警指示器。
5.根據權利要求1所述的羅盤，其中所述穩定過濾器響應隨著傾斜誤差增加而減緩。
6.一種用於在隨機傾斜誤差狀態下在電子羅盤中穩定羅盤朝向顯示的設備，所述電子羅盤被配置用以測量地球磁場以及基於所測量的所述磁場產生未校正的羅盤讀數，所述設備包括穩定過濾器，被配置用以濾除被併入到所述未校正的羅盤讀數中的隨機傾斜誤差；以及過濾器適配模塊，被配置用以基於所述未校正的羅盤讀數和預校準的羅盤半徑信息來控制所述穩定過濾器的響應。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述穩定過濾器還包括一階無限響應(IIR)過濾器。
8.根據權利要求6所述的設備，其中所述過濾器適配模塊被配置用以向所述穩定過濾器提供過濾器響應參數。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述過濾器適配模塊被配置用以計算作為所述未校正的羅盤讀數的信號半徑與所述預校準的羅盤半徑信息之間的相對差的函數的所述過濾器響應參數。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述過濾器適配模塊計算所述過濾器響應參數如下3|Re+R|R]]>其中Re是所述未校正的羅盤讀數的所述信號半徑而R是所述預校準的羅盤半徑信息。
11.根據權利要求6所述的設備，還包括被配置用以如果所述傾斜誤差超過預定閾值則產生報警信號的報警指示器。
12.根據權利要求6所述的設備，其中所述穩定過濾器響應隨著傾斜誤差增加而減緩。
13.一種用於濾除電子羅盤中的傾斜誤差的方法，所述電子羅盤被配置用以產生指示著羅盤朝向的未校正的羅盤讀數，所述方法包括計算所述未校正的羅盤讀數的信號半徑；基於所計算的所述信號半徑和預校準的理想羅盤半徑來計算過濾器響應參數；以及基於所計算的所述過濾器響應參數利用穩定過濾器在傾斜誤差狀態下穩定所述羅盤讀數。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括確定所述過濾器響應參數是否超過預定閾值，以及如果超過則激活報警指示器。
15.根據權利要求13所述的方法，其中還計算作為所述信號半徑與所述預校準的理想羅盤半徑之間的相對差的函數的所述過濾器響應參數。
16.根據權利要求15所述的方法，其中還計算所述過濾器響應參數如下3|Re-R|R]]>其中Re是所述信號半徑而R是所述預校準的理想羅盤半徑。
17.一種用於濾除電子羅盤中的傾斜誤差的計算機代碼產品，所述電子羅盤被配置用以產生指示著羅盤朝向的未校正的羅盤讀數，所述計算機代碼產品包括計算機代碼，配置用以計算所述未校正的羅盤讀數的信號半徑；基於所計算的信號半徑和預校準的理想羅盤半徑來計算過濾器響應參數；以及基於所述過濾器響應參數在傾斜誤差狀態下穩定所述羅盤讀數。
18.根據權利要求17所述的計算機代碼產品，還包括被配置用以確定所述過濾器響應參數是否超過預定閾值以及如果超過則激活報警指示器的計算機代碼。
19.根據權利要求17所述的計算機代碼產品，其中被配置用以計算所述過濾器響應參數的所述計算機代碼還被配置用以計算作為所述信號半徑與所述預校準的理想羅盤半徑之間的相對差的函數的所述過濾器響應參數。
20.根據權利要求19所述的計算機代碼產品，其中所述計算機代碼產品還被配置用以計算所述過濾器響應參數如下3|Re-R|R]]>其中Re是所述信號半徑而R是所述預校準的理想羅盤半徑。
21.一種移動電子設備，所述設備包括電子羅盤，被配置用以測量地球磁場以及基於所測量的磁場產生未校正的羅盤讀數；穩定過濾器，被配置用以濾除被併入到所述未校正的羅盤讀數中的隨機傾斜誤差；以及過濾器適配模塊，被配置用以基於所述未校正的羅盤讀數和預校準的羅盤半徑信息來控制所述穩定過濾器響應。
22.根據權利要求21所述的設備，其中所述設備還包括行動電話。
23.根據權利要求21所述的設備，其中所述設備還包括個人數字助理。
24.根據權利要求21所述的設備，其中所述設備還包括可攜式計算機。
全文摘要
公開了一種根據未校正的電子羅盤讀數在傾斜誤差條件之下穩定羅盤讀數的系統、方法、設備和計算機代碼產品。示例性的實施例包括穩定過濾器和過濾器適配模塊，該穩定過濾器被配置用以濾除被併入到未校正的電子羅盤讀數中的傾斜誤差，而該過濾器適配模塊被配置用以基於未校正的羅盤讀數的信號半徑和預校準的羅盤理想半徑來控制穩定過濾器響應。過濾器適配模塊可以被配置用以計算作為未校準的羅盤讀數的信號半徑與預校準的理想半徑之間的相對差的函數的過濾器響應參數。過濾器響應參數可以傳遞到穩定過濾器以便控制它的操作。
文檔編號G01C17/28GK1989392SQ200580025021
公開日2007年6月27日 申請日期2005年5月27日 優先權日2004年5月27日
發明者託姆·阿奧拉 申請人:諾基亞公司