方向估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种方向估计方法及装置。本发明专利技术用于估计设备的方向。本发明专利技术基于陀螺仪数据和磁力计数据估计方向，然后基于磁场干扰度计算校正增益。校正增益用来根据陀螺仪和磁力计校准方向估计，最终所校准的方向用来更新设备的方向。与现有技术相比，能够更精确地进行设备的方向估计，尤其是在设备处于包括一些磁扰动的环境中时。

Direction estimation method and device

The present invention provides a direction estimation method and a device. The invention is used to estimate the direction of the equipment. The present invention is based on the gyroscope data and the magnetometer data to estimate the direction, and then calculates the correction gain based on the magnetic field interference degree. The correction gain is used to estimate the direction of the gyroscope and magnetometer, and the final direction is used to update the direction of the device. Compared with the existing technology, the direction estimation of the equipment can be carried out more accurately, especially when the equipment is in the environment including some magnetic disturbances.

【技术实现步骤摘要】
方向估计方法及装置
本专利技术涉及一种用于设备的方向估计的方法及装置，尤其涉及一种用于在包括一些磁扰动的环境下估计设备的方向的方法及装置。
技术介绍
目前，对于估计设备的方向，典型的方法是融合(fuse)陀螺仪和磁力计来估计方向。两种广泛使用的数据融合方法是基于卡曼滤波(Kalmanfilter)的方法和基于增益调度(gainscheduling)的方法。在此，增益调度是利用线性控制器族来控制非线性系统的最普及的方法之一。其基于调度变量的当前测量来调整控制器增益。用户能够对控制器增益如何随所测量的变量而变化进行设计。在姿势估计系统中，基于传感器测量，利用预先定义的调度来计算增益。增益用来将所述两个估计结果进行合并，或者校准用于对设备的方向或物体姿势求精的陀螺仪数据。专利号为US8688403B2的美国专利公开了一种基于惯性传感器数据来确定便携电子设备的姿势矩阵的方法。其使用来自加速计和磁力计的数据计算第一姿势矩阵梯度，然后使用来自陀螺仪的数据计算第二姿势矩阵梯度。通过混合系数将第一姿势矩阵梯度和第二姿势矩阵梯度进行融合。最后，使用所融合的梯度来更新精细姿势矩阵。在此，通过将来自加速计的数据与重力进行比较，并且还将来自磁力计的数据与公知的当地磁场进行比较，来确定所述混合系数。增益(混合系数)计算步骤是基于增益调度的方法的非常重要的步骤。特别是，大部分现代环境(例如家里、办公室或公共场所)包括很多能够引起磁扰动的设备，例如由于机器或家具中的铁、位于设备附近的磁铁、来自电视或其他家电的磁效应。针对该方法，如何基于测量设计出适合的校正增益，是关键问题。
技术实现思路
通常，设备的姿势包括能够被诸如陀螺仪、加速计和磁力计等传感器测量的俯仰角、滚转角和偏航角。图7是示出包括俯仰角(例如θ)、滚转角(例如)和偏航角(例如ψ)的设备姿势的示意图。在本专利技术中，我们只关注作为设备的方向的偏航角。在此，方向是设备在水平面的方向，水平面是在其垂直于重力的情况下，在给定点处为水平的平面。通常，用方位角来表示方向。在图7中可以看出，X轴表示北向，D轴表示设备的方向，Z轴表示重力方向。绕Z轴的顺时针旋转是偏航角。例如，X轴的偏航角是0度。从北向绕着Z轴顺时针旋转90度，我们能够得到东向。东方的偏航角是90度，即，方向是90度。由此，本公开提出一种新型的方向估计方法或装置，以解决上述问题，从而提高现实世界中的方向估计的精度。特别是在包括一些磁扰动的环境中。本专利技术的主要目标是改进校正增益计算，使用该校正增益计算来对传感器数据进行校准，然后使用所校准的传感器数据来更新设备的方向。根据本专利技术的一个方面，提供了一种方法，所述方法包括：第一方向估计步骤，用于根据陀螺仪估计第一方向；第二方向估计步骤，用于根据磁力计和设备的倾斜以及滚转角来估计第二方向；校正增益确定步骤，用于通过将第一校正增益和第二校正增益进行组合来确定校正增益；校准步骤，用于利用所述校正增益校准所述第一方向估计和所述第二方向估计，以得到所述设备的方向；其中，所述校正增益确定步骤还包括以下的步骤：基于磁力计数据和磁场的理论值来计算所述第一校正增益；基于磁力计数据的变化率来计算所述第二校正增益。本公开中的专利技术的优点是能够使设备的方向估计更加精确，尤其是在设备处于包括一些磁扰动的环境中。这是由于本专利技术能够使用校正增益来融合各种传感器数据以精确地估计设备的方向。附图说明图1是示出能够执行本专利技术的实施例的计算机系统的硬件构造的框图。图2是示出方向估计装置的构造的框图。图3是示出由根据本专利技术的一个实施例的装置进行的方向估计的流程图。图4是根据本专利技术的一个实施例的用于确定校正增益的方法的流程图。图5A至图5C是示出根据本专利技术的实施例的用于第一校正增益计算的函数的示意图。图5D是示出根据本专利技术的一个实施例的用于第二校正增益计算的函数的示意图。图6是示出本专利技术应用的示例的框图。图7是示出设备姿势的示意图。具体实施方式参照以上列出的附图，本节将描述特殊的实施例及其详细结构和操作。请注意，下文中将描述的实施例仅作为例示来进行说明，但是不限于此，因此这些实施例并不限制本专利技术的范围，并能够在本专利技术的范围内变化为各种形式。本领域技术人员根据此处的教导能够认识到存在一系列此处描述的示例实施例的等同例。图1是示出能够执行本专利技术的实施例的计算机系统的硬件构造的框图。如图1所示，系统至少包括计算机100，计算机100包括CPU101、RAM102、ROM103、系统总线104、输入设备105、输出设备107以及驱动器107。例如，计算机100可以是设备的方向估计系统。请注意，计算机100可以包括一个或多个计算机，并且多个计算机可以独立实施计算机100的各自的功能。CPU101根据存储在RAM102或ROM103中的程序，执行整个处理。在CPU101执行诸如本专利技术的实施例等的各种处理时，ROM102用作临时存储区域。输入设备105可以是使用户能够向计算机100发出各种指令的测量设备(例如传感器、陀螺仪或磁力计)、用户输入接口或网络接口。输出设备106包括使用户能够输出本专利技术的校准方向结果的输出外围接口或显示设备(例如监视器、CRT、液晶显示器或图形控制器)。驱动器107被构造为用于驱动诸如硬盘、存储卡或光盘(例如CD-ROM或DVD-ROM)等的存储介质。例如，用于进行设备的方向估计处理的测量数据或程序存储在存储介质中，并由驱动器107驱动。系统总线104连接CPU101、RAM102、ROM103、输入设备105、输出设备106以及驱动器107。数据在系统总线104上进行传送。这里使用的术语“连接”意指通过一个或更多的媒介，来直接或间接地进行逻辑或物理连接。图1中所示的系统仅是示例性的，绝不旨在限制本专利技术(包括其应用或使用)。例如，当启动用于进行设备的方向估计处理的程序时，CPU101从输入设备105获得输入测量数据，并计算用于校准输入数据的校正增益，然后通过执行本专利技术所公开的所有步骤(例如图3和图4中例示的步骤)来获得设备的校准的或更新的方向。此后，CPU101通过系统总线104向输出设备106发送结果。结果也可以存储在RAM102中。经由网络接口，结果也能被发送到用于其他应用的远程计算机。另外，能够实现被构造为通过软件、硬件、固件或其任意组合进行方向估计的本专利技术的各个单元、组件和/或装置的组合(例如图2中例示的装置)。图2是示出方向估计装置的构造的框图。图3是示出由图2所示的装置进行的方向估计的流程图。CPU101使用存储在RAM102或ROM103中的程序和测量数据，来执行本专利技术的方法。如图2所示，方向估计装置200可以包括：传感器数据输入单元201、方向估计单元202、校正增益确定单元203、方向校准单元204以及方向更新和输出单元205。首先，装置200将根据陀螺仪数据的积分来估计粗略的当前方向。因此，传感器数据输入单元201被构造为通过针对方向估计装置200的测量设备206来获取设备的当前方向。在一个实施例中，输入可以是来自陀螺仪和磁力计的数据，有时也可以是加速计数据。方向估计单元202被构造为对方向进行估计。CPU101控制方向估计单元202进行图3所示的步骤S301和步骤S302，以估计第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备的方向估计方法，所述方向估计方法包括：第一方向估计步骤，用于根据陀螺仪数据估计第一方向；第二方向估计步骤，用于根据磁力计数据和所述设备的俯仰角及滚转角估计第二方向；校正增益确定步骤，用于通过将第一校正增益和第二校正增益进行组合来确定校正增益；校准步骤，用于利用所述校正增益来校准所述第一方向估计和所述第二方向估计，以得到所述设备的方向；其中，所述校正增益确定步骤还包括以下的步骤：基于磁力计数据和磁场的理论值来计算所述第一校正增益；基于磁力计数据的变化率来计算所述第二校正增益。

【技术特征摘要】
1.一种设备的方向估计方法，所述方向估计方法包括：第一方向估计步骤，用于根据陀螺仪数据估计第一方向；第二方向估计步骤，用于根据磁力计数据和所述设备的俯仰角及滚转角估计第二方向；校正增益确定步骤，用于通过将第一校正增益和第二校正增益进行组合来确定校正增益；校准步骤，用于利用所述校正增益来校准所述第一方向估计和所述第二方向估计，以得到所述设备的方向；其中，所述校正增益确定步骤还包括以下的步骤：基于磁力计数据和磁场的理论值来计算所述第一校正增益；基于磁力计数据的变化率来计算所述第二校正增益。2.根据权利要求1所述的方向估计方法，所述方向估计方法还包括以下步骤：基于所述两个方向，根据原始的陀螺仪数据和所校准的方向来调整所述校正增益。3.根据权利要求1或2所述的方向估计方法，其中，所述方向估计方法还包括以下步骤：对磁力计数据与地磁场的理论值之差的范数的第一分段函数进行定义，以及对磁力计数据的范数的变化率的第二分段函数进行定义。4.根据权利要求3所述的方向估计方法，其中，在磁力计数据的范数位于预定义范围内的情况下，所述第一分段函数是高斯函数或线性函数。5.根据权利要求3所述的方向估计方法，其中，在磁力计数据与地磁场的理论值在正交轴上的差的范数位于预定义范围内的情况下，所述第一分段函数是单调递减函数。6.根据权利要求3所述的方向估计方法，其中，在磁力计数据的范数的变化率位于预定义范围内的情况下，所述第二分段函数是高斯函数或线性函数。7.根据权利要求2所述的方向估计方法，其中，所述方向估计方法还包括以下步骤：计算所述两个方向的偏差。8.根据权利要求2所述的方向估计方法，其中，在新的方向偏差与方向偏差的平均值之差大于预定义阈值的情况下，将所述校正增益强制调整为预定义值。9.根据权利要求2所述的方向估计方法，其中，在新的方向偏差与方向偏差的平均值之差大于预定义阈值乘以该方向的标准方差的情况下，将所述校正增益强制调整为预定义值。10.一种设备的方向估计装置，所述方向估计装置包括：输入单元，其被构造为输入来自陀螺仪和磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贺飞，段瑞雪，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP