状态估计设备和偏移更新方法技术

状态估计设备具有包括用于检测磁分量的三维磁性传感器的多个传感器。卡尔曼滤波器用于基于观测残差更新状态向量。状态向量具有代表多个状态变量的分量，多个状态变量包括用于估计磁测数据的偏移量的状态变量。中心点计算单元假设由预定数量的累积磁测数据表示的坐标有可能分布在第一球面附近，并且计算第一球面的中心点。卡尔曼滤波器使用第一球面的中心点来对用于估计磁测数据的偏移量的状态变量进行更新。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
近年来，随着便携式仪器的性能和用途的提升，人们正在积极研发具有估计地磁方向和便携式仪器姿态的功能的便携式仪器。在估计地磁的方向和便携式仪器的姿态的情况下，使用测量各种不同类型物理量的多个传感器的输出的综合来实现估计，速度比仅仅使用单独一个传感器(比如地磁传感器)的输出实现的估计要快得多。使用卡尔曼(Kalman)滤波器的方法是一种众所周知的对测量各种不同类型物理量的多个传感器的输出进行综合以估计动态系统状态的方法。例如，专利文献I公开了一种姿态角度测量设备，具有安装在其中的三轴角速度传感器、三轴加速度传感器和一个非 线性卡尔曼滤波器。而且，非专利文献I公开了一种使用扩展卡尔曼滤波器或西格玛点(sigma point)卡尔曼滤波器(使用无损变换(unscented transformation))对三轴角速度传感器、三轴加速度传感器和三轴地磁传感器输出的信号进行综合的方法。[专利文献I]日本专利申请公开第H9-5104号[非专利文献 l]Wolfgang Gunthner 所著的《Enhancing Cognitive AssistanceSystems with Inertial Measurement Units》，Springer,2008一般来说，卡尔曼滤波器具有用于估计代表动态系统状态的多个物理量的时基变化的状态转移模型和用于根据动态系统的估计状态来估计由动态系统的多个传感器测得的观测值的观测模型。而且，卡尔曼滤波器使用估计的观测值与传感器实际测量的观测值之间的差值(观测残差)，将以代表动态系统状态的物理量为元素的状态向量更新为更加接近于实际值的值。不过，观测残差是利用更新前的状态向量计算出来的值。在动态系统的状态突然和明显变化的情况下，状态向量会被更新为不同于实际值的假值。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题而做出的，并且本专利技术的一个目的是，即使在动态系统的状态突然发生大幅变化的情况下，也能正确地估计动态系统的状态。在下文中，将会介绍本专利技术。同时，为了便于理解，在括号中给出了实施方式、变型例和附图中的附图标记，不过，本专利技术并不局限于这些实施方式。为了解决上述问题，按照本专利技术的状态估计设备包括多个传感器，其中包括三维磁性传感器，该三维磁性传感器构成为用来检测三个方向上的磁分量并且构成为用来相继输出代表所检测到的各磁分量的磁测数据(Qi);卡尔曼滤波器，其构成为用来基于观测残差(Zk)更新状态向量(xk)，该状态向量具有代表多个状态变量的分量，所述多个状态变量包括用于估计磁测数据的偏移量(q<w)的状态变量( )，所述观测残差是使用状态向量和具有代表多个传感器的输出的分量的观测向量(yk)计算出来的；累积单元，其构成为用来累积从三维磁性传感器中相继输出的磁测数据；和中心点计算单元，其构成为用来假设由预定数量(N)的累积磁测数据表示的坐标有可能分布在第一球面(S)附近，并且构成为用来计算表示该第一球面的中心点(C())的坐标，其中，卡尔曼滤波器使用表示第一球面的中心点( )的坐标来对用于估计磁测数据的偏移量(q0FF)的状态变量( )进行更新或重写。便利地，三维磁性传感器被安装在包括产生磁场(Bi)的部件的仪器中。在这种情况下，所述偏移量(q<w)是代表由该仪器的所述部件产生的磁场(Bi)的分量的三维向量。按照本专利技术，包括中心点计算单元和卡尔曼滤波器的状态估计设备使用由中心点计算单元计算出来的中心点的坐标来对用于估计三维磁性传感器的偏移量的状态变量(该状态变量是卡尔曼滤波操作中使用的状态向量的分量之一)进行更新或重写，并且进行卡尔曼滤波操作。卡尔曼滤波器基于使用观测向量和状态向量计算出来的观测残差来执行更新状态向量的操作，从而使得状态向量接近于动态系统的实际值，所述状态向量的分量物理量 (状态变量)代表了某一时刻下的动态系统状态，所述观测向量的分量是来自测量各种不同种类物理量的多个传感器的输出值。具体地说，卡尔曼滤波器使用代表动态系统状态的时基变化的状态转移模型，根据某一时刻的状态向量来估计经过单位时间之后的状态向量。随后，卡尔曼滤波器使用根据动态系统状态的估计值用于估计传感器的输出值的观测模型，根据估计的状态向量来估计观测向量。此外，卡尔曼滤波器计算估计的观测向量与以来自各种不同种类的传感器的实际输出(实际观测值)为其分量的观测向量之间的差值，以计算观测残差。而且，卡尔曼滤波器使用观测残差更新状态向量。同时，安装了三维磁性传感器的仪器常常包括产生磁场的机械或电子部件，比如可以被磁化的各种类型的金属和电路。在这种情况下，三维磁性传感器输出的向量数据除了代表目标地磁的向量之外，还包括代表由仪器中安装的部件产生的磁场的向量。因此，为了正确检测地磁的值，必须进行修正处理，以从三维磁性传感器输出的向量数据中除去代表仪器的部件所产生的内部磁场的向量。在修正处理中为了获得所要检测的地磁的正确值而从三维磁性传感器输出的数据中除掉了所述内部磁场，代表该内部磁场的向量被称为三维磁性传感器的偏移量。在仪器的内部状态没有变化的情况下，内部磁场具有恒定不变的方向和幅度。另一方面，在仪器的内部状态变化的情况下，内部磁场的方向和幅度都发生变化。取决于仪器的用户操作、仪器的外部环境等，仪器的内部状态可能会突然发生很大变化。结果，仪器部件产生的内部磁场(即，三维磁性传感器的偏移量)也会随着仪器的内部状态的变化而突然发生很大变化。如前面所介绍的，卡尔曼滤波操作包括使用代表动态系统状态的时基变化的状态转移模型根据某一时刻的状态向量的值来估计经过单位时间之后的状态向量的值的操作。因此，由卡尔曼滤波器估计的状态变量最好是能够在状态转移模型中定式化(formulized)的物理量。不过，由于三维磁性传感器的偏移量会因用户对仪器的操作而突然急剧变化，因此很难确定偏移量值的变化。而且，用于更新状态向量的观测残差是基于更新之前状态向量的值来计算的。gp，通过卡尔曼滤波操作计算出来的更新之后的状态向量的值受到更新之前的在先状态向量的值的影响。此外，更新之前的在先状态向量的值受到再之前的更新之前的过去状态向量的值的影响。因此，在卡尔曼滤波操作重复进行的情况下，由卡尔曼滤波器估计的状态向量的值是考虑了从卡尔曼滤波操作开始时到估计出状态向量的值时这样的范围内的所有步骤中的状态向量的值的前提下计算出来的。因此，在三维磁性传感器的偏移量突然发生很大变化的情况下，用于估计三维磁性传感器的偏移量的更新之后的状态变量的值可能会大大背离于变化之后的三维磁性传感器的偏移量。在状态向量的值收敛于大大偏离正确表示实际物理量的值(实际值)的情况下，状态向量的值可能不会接近实际值，尽管随后会重复进行卡尔曼滤波操作。而且，即使状态向量的值接近实际值，也要花费很长时间，状态向量的值才会收敛于实际值。在这种情况下，状态估计设备不能正确估计系统状态，并且因此，不能基于由状态估计设备计算出来的状态变量来计算地磁的方向和仪器的姿态。地磁是具有指向地球的北磁极的水平分量和垂直于磁倾角方向的分量的一种磁场。地磁是相对于地面具有恒定不变的方向和恒定不变的幅度的均匀磁场。因此，在仪器的姿态相对于地面发生变化的情况下，从仪器看去的地磁方向也会变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种状态估计设备，包括：多个传感器，其中包括三维磁性传感器，该三维磁性传感器构成为用来检测三个方向上的磁分量并且构成为用来相继输出代表所检测到的各磁分量的磁测数据；卡尔曼滤波器，其构成为用来基于观测残差更新状态向量，该状态向量具有代表多个状态变量的多个分量，所述多个状态变量包括用于估计磁测数据的偏移量的状态变量，所述观测残差是使用所述状态向量和具有代表所述多个传感器的输出的多个分量的观测向量计算出来的；累积单元，其构成为用来累积从三维磁性传感器中相继输出的磁测数据；和中心点计算单元，其构成为用来假设由预定数量的累积磁测数据表示的坐标有可能分布在第一球面附近，并且构成为用来计算表示该第一球面的中心点的坐标，其中卡尔曼滤波器使用表示第一球面的中心点的坐标来对用于估计磁测数据的偏移量的状态变量进行更新。

【技术特征摘要】
2011.09.20 JP 2011-2046811.一种状态估计设备，包括 多个传感器，其中包括三维磁性传感器，该三维磁性传感器构成为用来检测三个方向上的磁分量并且构成为用来相继输出代表所检测到的各磁分量的磁测数据； 卡尔曼滤波器，其构成为用来基于观测残差更新状态向量，该状态向量具有代表多个状态变量的多个分量，所述多个状态变量包括用于估计磁测数据的偏移量的状态变量，所述观测残差是使用所述状态向量和具有代表所述多个传感器的输出的多个分量的观测向量计算出来的； 累积单元，其构成为用来累积从三维磁性传感器中相继输出的磁测数据；和 中心点计算单元，其构成为用来假设由预定数量的累积磁测数据表示的坐标有可能分布在第一球面附近，并且构成为用来计算表示该第一球面的中心点的坐标，其中 卡尔曼滤波器使用表示第一球面的中心点的坐标来对用于估计磁测数据的偏移量的状态变量进行更新。2.按照权利要求1所述的状态估计设备，其中，卡尔曼滤波器构成为使用状态转移模型根据某一时刻的状态向量来估计经过单位时间之后的状态向量，卡尔曼滤波器构成为使用观测模型根据估计出的经过单位时间之后的状态向量来计算估计的观测向量，卡尔曼滤波器构成为基于估计出的观测向量和具有代表所述多个传感器的输出的多个分量的观测向量来计算观测残差，并且卡尔曼滤波器构成为用来基于观测残差和估计出的经过单位时间之后的状态向量来更新状态向量。3.按照权利要求1所述的状态估计设备，还包括 分布判定单元，其构成为用来计算表示预定数量的累积磁测数据的坐标分布的三维分散度的分散评估值，从而使得中心点计算单元构成为用来在该分散评估值等于或大于可容许的分散值的情况下计算表示第一球面的中心点的坐标； 变形判定单元，该变形判定单元构成为用来假设多个累积磁测数据表示的坐标有可能分布在通过将第二球面和曲面组合起来而获得的三维图形的表面附近，该变形判定单元构成为用来基于所述多个累积磁测数据对表示所述三维图形的形状与第二球面的形状之间的差异程度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：半田伊吹，
申请(专利权)人：雅马哈株式会社，
类型：发明
国别省市：