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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Berechnungsverfahren,
mit denen genaue Azimutinformationen berechnet werden können.
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Bis
heute sind Anstrengungen unternommen worden, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Berechnen von Azimutinformationen eines Fahrzeugs
oder eines Sensormoduls, das sich im freien Raum bewegt, mittels
eines Erdmagnetsensors wie zum Beispiel eines Fluxgate-Magnetometers
bereitzustellen. Weil aber das Fluxgate-Magnetometer teuer und sperrig
ist, ist es bisher nur zur Navigation eingesetzt worden.
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In
jüngster
Zeit sind kleine und kostengünstige
Erdmagnetsensormodule entwickelt worden, und insbesondere mit dem
Aufkommen der MEMS-Technologie sind chipartige Erdmagnetsensormodule
entwickelt und auf verschiedenen Gebieten eingesetzt worden, in
denen Azimutinformationen benötigt
werden. Auf den Anwendungsgebieten jedoch, wo die Erdmagnetsensormodule
nicht nivelliert werden können,
können
genaue Azimutinformationen nicht allein mittels des Erdmagnetsensors
erhalten werden.
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Allgemein
ausgedrückt,
ist der Erdmagnetsensor eine Vorrichtung zum Messen der Stärke des
Erdmagnetfeldes, und sie ist nur dann in der Lage, die Stärke des
Magnetfeldes genau zu messen, wenn ein Flussvektor des Erdmagnetfeldes
parallel zu einem Vektor einer Messachse des Sensors zum Messen
des Flussvektors verläuft.
In diesem Fall wird, wenn ein Zweiachsen-Erdmagnetsensor, bei dem
jede Achse orthogonal entsprechend einer Dreifingerregel angeordnet
ist, horizontal montiert ist, um ein Sensormodul zu bilden, der
durch das Sensormodul angezeigte Azimutwinkel anhand von Ausgangssignalen
der beiden Sensoren errechnet.
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Wenn
jedoch das Erdmagnetsensormodul nicht nivelliert werden kann, so
kann die Stärke
des Erdmagnetfeldes nicht genau gemessen werden, und die Azimutinformationen
können
in diesem Moment einen erheblichen Fehler enthalten. Folglich muss
der auf eine Lage zurückzuführende Fehlerkompensiert
werden, und dafür
wird eine Fehlerkompensation durch eine Koordinatenkonversion unter
Verwendung eines Dreiachsen-Erdmagnetsensors und eines Neigungswinkelmessers
zum Messen der Lage ausgeführt.
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Mit
der Entwicklung eines kleinen Erdmagnetsensors weitet die Lagefehlerkompensationstechnik
dessen Anwendungsgebiete auf den Sport, Multimedia, Spielekonsolen
usw. aus.
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Wenn
jedoch aufgrund der Probleme mit dem Sensorinstallationsplatz der
Zweiachsen-Erdmagnetsensor verwendet wird, so kann der Fehler nicht
einfach nur durch die entwickelte Fehlerkompensationstechnik kompensiert
werden, und dadurch wird der Fehler des errechneten Azimutwinkels
im gleichen Maß wie
die Größe der Lage
größer.
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US 4,414,753 offenbart einen
Prozess zum Kompensieren der Magnetstörungen, die sich auf die Messungen
eines Gerätes
zum Bestimmen des missweisenden Steuerkurses eines Fahrzeugs auswirken.
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Die
Vorrichtung von US '753
umfasst ein Zweiachsen-Magnetometer und einen Zweiachsen-Neigungswinkelmesser.
Die Neigungswinkelmesswerte werden dafür verwendet, die Berechnungen
des missweisenden Steuerkurses um kleine Roll- und Nickwinkel zu
kompensieren.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Vorrichtung zum Berechnen eines Azimutwinkels bereitgestellt,
die Folgendes umfasst:
einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor zum
Erzeugen erster und zweiter Senkrechtachsen-Magnetdaten; und
einen
Zweiachsen-Neigungswinkelmesser zum Berechnen eines Rollwinkels ⎕ und
eines Nickwinkels ⎕
wobei die Vorrichtung des Weiteren
Folgendes umfasst:
ein Mittel zum Erzeugen von Magnetdaten
einer virtuellen Z-Achse
unter Verwendung der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten
und der Roll- und Nickwinkel, dergestalt, dass Dreiachsen-Erdmagnetdaten die
Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der errechneten Einachs-Magnetdaten
einer virtuellen Z-Achse umfassen;
ein Mittel zum Ausführen einer
Koordinatenkonversion der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten und
der Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse in ein horizontales Koordinatensystem;
und
ein Mittel zum Berechnen des Azimuts aus den koordinatenkonvertierten
Werten der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten.
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Die
Erfindung kann somit einen Lagefehler eines Erdmagnetsensors unter
Verwendung von Informationen zu einem Erdmagnetfeld, die mittels
eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und eines Neigungswinkelmessers
gewonnen wurden, kompensieren. Daraus lassen sich genaue Azimutinformationen
gewinnen.
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Die
Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Berechnen eines
Azimutwinkels bereit, das Folgendes umfasst:
Erzeugen erster
und zweiter Senkrechtachsen-Magnetdaten; und
Gewinnen von Neigungswinkelmessdaten,
die einen Rollwinkel ⎕ und eine n Nickwinkel ⎕ umfassen;
wobei
das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst:
Erzeugen von
Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse unter Verwendung der ersten
und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten und der Roll- und Nickwinkel,
um dadurch Dreiachsen-Erdmagnetdaten
abzuleiten, welche die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten zuzüglich der
errechneten Einachs-Magnetdaten einer virtuellen Z-Achse umfassen;
Ausführen einer
Koordinatenkonversion der Dreiachsen-Erdmagnetdaten in ein horizontales
Koordinatensystem; und
Berechnen des Azimutwinkels unter Verwendung
der koordinatenkonvertierten Werte der ersten und zweiten Senkrechtachsen-Magnetdaten.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung ermöglichen das Berechnen genauer
Azimutinformationen durch Kompensieren eines Lagefehlers eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors.
Falls der Zweiachsen-Erdmagnetsensor an einer Vorrichtung montiert
wird, welche die Azimutinformationen benötigt (zum Beispiel ein Navigationssystem,
eine Spielekonsole, ein PDA, ein Mobiltelefon usw.), so lassen sich
mittels der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
die Lageinformationen unter Verwendung eines Zweiachsen-Neigungswinkelmessers
errechnen und dann Fehler entsprechend der Lage des Erdmagnetsensors
kompensieren, um die genauen Azimutinformationen zu erhalten.
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Ein
Algorithmus zum Errechnen der Koordinatenkonversionsmatrix zum Konvertieren
der Erdmagnetsensordaten in das horizontale Koordinatensystem kann
Folgendes umfassen: Konvertieren einer Einheit der Neigungswinkelmessdaten,
die in dem internen Register des Mikroprozessors gespeichert sind,
in eine SI-Einheit durch Multiplizieren der Neigungswinkelmessdaten
mit einem Skalierungsfaktor, Berechnen einer Lage unter Verwendung
der konvertierten Neigungswin kelmessdaten und Berechnen der Koordinatenkonversionsmatrix
unter Verwendung des errechneten Lagewertes.
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Ein
Algorithmus zum Erzeugen der Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse
im Fall der Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors kann Folgendes umfassen:
Einstellen von Erdmagnetdaten, die gemessen werden, wenn der Erdmagnetsensor
in eine vertikale Abwärtsrichtung
der Erde weist, und Erzeugen der Erdmagnetdaten einer virtuellen
Z-Achse unter Verwendung der errechneten Lageinformationen und der X-Achsen- und Y-Achsen-Erdmagnetdaten.
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Es
werden nun bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung im Detail unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, die Folgendes darstellen:
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1 ist
eine Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels
durch Kompensieren eines Lagefehlers durch einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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2 ist
eine Ansicht, die den Aufbau eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Mikroprozessors, der an dem
Zweiachsen-Erdmagnetsensor montiert ist, und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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4 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Lage
veranschaulicht, die unter Verwendung des Neigungswinkelmessers
gemäß der vorliegenden
Erfindung errechnet wurde.
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5 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Erdmagnetdaten
einer virtuellen Z-Achse veran schaulicht, die unter Verwendung des
Zweiachsen-Erdmagnetsensors und des Neigungswinkelmessers errechnet
wurden.
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6 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis des Azimutwinkels
veranschaulicht, der unter Verwendung des Zweiachsen-Erdmagnetsensors
und des Neigungswinkelmessers errechnet wurde.
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Es
werden nun eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Berechnen eines
Azimutwinkels gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.
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1 ist
eine Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines Azimutwinkels
durch Kompensieren eines Lagefehlers durch einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Das Verfahren enthält einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor 101,
einen Neigungswinkelmesser 102, eine Lage-(zum Beispiel
Koordinaten-)Konversionsmatrix 103, eine Erzeugung 104 von
Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse, eine Erdmagnetdatenkoordinatenkonversion 105 und
eine Azimutwinkelberechnung 106.
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Der
Erdmagnetsensor 101, bei dem es sich um einen Fluxgate-Sensor oder einen
Magnetowiderstand (MW) handeln kann, misst die Stärke des
Erdmagnetfeldes und umfasst einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor mit
einer X-Achse in der Vorwärtsrichtung
des Sensormoduls und einer Y-Achse in der Rückwärtsrichtung von der X-Achse
in einem Winkel von 90°.
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Der
Neigungswinkelmesser 102 misst einen Neigungswinkel des
Sensors 101 relativ zur Erdoberfläche, und es kann ein Beschleunigungsmesser
als der Neigungswinkelmesser verwendet werden. Falls der Beschleunigungsmesser,
der nur die Erdbeschleunigung bei Stillstand misst, als der Neigungswinkelmesser
verwendet wird, können
die Lageinformationen durch Messen der Beschleunigungen verschiedener
Niveaus entsprechend der Lage unter Verwendung des im rechten Winkel
angeordneten Zweiachsen oder Dreiachsenmoduls errechnet werden.
Im Fall der Verwendung des Zweiachsen-Beschleunigungsmessers wird die Beschleunigung
mittels der Gleichungen 1a und 1b gemessen, und die Lage wird unter
Verwendung der Gleichungen 2a und 2b berechnet. ax = g⎕sin⎕ (1a) ay = g⎕sin⎕ (1b) ⎕ = sin-1(⎕y/g) (2a) ⎕ = sin-1(⎕x/g) (2b)
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Dabei
sind ax und ay Ausgabewerte
des X-Achsen- und Y-Achsen-Beschleunigungsmessers,
g ist die Erdbeschleunigung, und ⎕ und ⎕ sind
der Roll- bzw. der Nickwinkel.
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Die
Koordinatenkonversionsmatrix 103 dient zum Konvertieren
der Erdmagnetsensordaten in das horizontale Koordinatensystem und
ist folgendermaßen
unter Verwendung der Lageinformationen aufgebaut, die unter Verwendung
des Ausgabewertes des Neigungswinkelmessers 102 errechnet
wurden.
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Die
Erdmagnetdaten
104 einer virtuellen Z-Achse dienen der
Lagefehlerkompensation des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und werden
folgendermaßen
unter Verwendung der zwei Ausgaben des Erdmagnetsensors und der
oben berechneten Lageinformationen berechnet:
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Dabei
ist Zh die Stärke des Erdmagnetfeldes, die
zuerst experimentell gemessen wird, wenn eine Messachse des Erdmagnetsensors
in eine vertikale Abwärtsrichtung
der Erde weist.
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Die
Koordinatenkonversion 105 der Erdmagnetsensorsdaten in
das horizontale Koordinatensystem wird folgendermaßen ausgeführt.
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Dabei
sind [Xjg Yjg Zjg]T die Erdmagnetsensordaten.
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Die
Azimutberechnung 106 wird folgendermaßen unter Verwendung der Erdmagnetdaten
ausgeführt, deren
Koordinate in das horizontale Koordinatensystem konvertiert wird. ⎕ = tan-1(Yh/Xh) (6)
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2 ist
eine Ansicht, die den Aufbau einer Schnittstelle für einen
Zweiachsen-Erdmagnetsensor veranschaulicht, der dafür konfiguriert
ist, die Funktion von 1 auszuführen. Die Schnittstelle enthält einen Zweiachsen-Erdmagnetsensor 201,
einen Neigungswinkelmesser 202, eine Signalaufbereitungseinheit 203, einen
Mikroprozessors 204, ein LCD-Modul 205 und eine serielle
Kommunikationsschnittstelle 206.
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Die
Signalaufbereitungseinheit 203 umfasst ein Tiefpassfilter
zum Entfernen eines Stromversorgungsrauschens und eines Hochfrequenzrauschens
und einen Analog-Digital (A/D)-Wandler zum Umwandeln des analogen
Sensorsignals in einen digitalen Wert. Die Signalaufbereitungseinheit 203 ist
notwendig, um das Sensorsignal zu verarbeiten, bevor es in den Mikroprozessor 204 eingespeist
wird.
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Der
Mikroprozessor 204 umfasst ein Register zum Speichern des
aus dem A/D-Wandler 203 ausgegebenen Sensorsignals, eine
ALE (Arithmetische Logikeinheit) und eine GKE (Gleitkommaeinheit)
zum Kompensieren des Lagefehlers des Erdmagnetsensors und zum Berechnen
der Azimutinformationen sowie einen internen Zeitgeber zum Einstellen
eines Ausgabezeitraums zum Senden der Sensordaten und der errechneten Azimutinformationen
an das LCD-Modul und die externe Vorrichtung.
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Das
LCD-Modul 205 zeigt die aus dem Mikroprozessor 204 ausgegebenen
Azimutinformationen an, so dass der Benutzer den Azimutwinkel der
Vorrichtung erkennen kann, auf der das Erdmagnetsensormodul montiert
ist.
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Die
serielle Kommunikationsschnittstelle 206 dient dem Senden
der Sensordaten und der aus dem Mikroprozessor 204 ausgegebenen
Azimutinformationen an die externe Vorrichtung, und sie kann vom
asynchronen seriellen Kommunikationstyp oder vom synchronen seriellen
Kommunikationstyp sein.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Mikroprozessors, der an dem
Zweiachsen-Erdmagnetsensor montiert ist, und einer Lagefehlerkompensationsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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Um
die Ausgabewerte des Zweiachsen-Erdmagnetsensors 201 und
des Neigungswinkelmessers 202 und die letztendlich errechneten
Azimutinformationen an das externe System zu senden, wird zuerst
der Datenausgabezeitraum unter Verwendung des internen Zeitgebers,
der an dem Mikrocomputer 204 (Schritt 301) montiert
ist, eingestellt.
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Um
die Ausgabewerte des Erdmagnetsensors 201 und des Neigungswinkelmessers 202 in
digitale Werte umzuwandeln, wird ein A/D-Wandler-Steuersignal erzeugt
(Schritt 302), und dann werden die konvertierten Sensordaten
in dem internen Register gespeichert (Schritt 303).
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Die
Lage des Sensorsmoduls wird mittels der Gleichungen 2a und 2b unter
Verwendung der Neigungswinkelmessdaten unter den gespeicherten Sensordaten
berechnet (Schritt 304). Unter Verwendung dieser errechneten
Lage wird die Koordinatenkonversionsmatrix mittels Gleichung 3 (Schritt 305)
berechnet.
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Die
Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse werden mittels Gleichung
4 unter Verwendung der errechneten Lage und der Erdmagnetsensordaten,
die in dem internen Register gespeichert sind, erzeugt (Schritt 306).
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Die
Dreiachsen-Erdmagnetdaten (d. h. die Zweiachsen-Erdmagnetsensordaten
und die errechneten Einachs-Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse)
werden in die Stärke
des Erdmagnetfeldes in dem horizontalen Koordinatensystem mittels
Gleichung 5 unter Verwendung der errechneten Koordinatenkonversionsmatrix
umgewandelt (Schritt 307). Unter Verwendung dieser konvertierten
Daten wird der Azimutwinkel mittels Gleichung 6 berechnet (Schritt 308).
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Es
wird festgestellt, ob eine Unterbrechung durch den Datenausgabezeitraum,
der in dem internen Zeitgeber eingestellt wurde, erzeugt wird (Schritt 309).
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Wenn
festgestellt wird, dass die Zeitgeberunterbrechung nicht erzeugt
wurde, so kehrt der augenblickliche Schritt zum vorherigen Schritt 302 des
Konvertierens der Sensorda ten in den digitalen Wert zurück, um die
Ausführung
des Schrittes 302 zu wiederholen. Wenn nun festgestellt
wird, dass die Zeitgeberunterbrechung erzeugt wurde (Schritt 309),
so werden die wie oben berechneten Azimutinformationen und die Sensordaten
unter Verwendung der seriellen Kommunikation an das externe System
gesendet (Schritt 310) und an das LCD-Modul zum Anzeigen
ausgegeben (Schritt 311). Danach kehrt der Betriebsablauf
zu Schritt 302 des Konvertierens von Sensordaten in einen
digitalen Wert zurück
und wiederholt anschließend
die Schritte, bis die nächste
Zeitgeberunterbrechung erzeugt wird.
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4 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der Lage
veranschaulicht, die mittels Gleichung 2 unter Verwendung des Neigungswinkelmessers 202 gemäß der vorliegenden
Erfindung errechnet wurde.
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5 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis der mittels
Gleichung 4 errechneten Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse
im Vergleich zur Z-Achse des Dreiachsen-Erdmagnetsensors veranschaulicht.
In 5 stellt die Strichlinie die Z-Achse des Dreiachsen-Erdmagnetsensors
dar, und die durchgezogene Linie stellt die Erdmagnetdaten einer
virtuellen Z-Achse dar, die mittels Gleichung 4 errechnet wurden.
Es ist zu erkennen, dass die Z-Achsen-Erdmagnetdaten, die sich entsprechend
der Lageveränderung ändern, mittels
Gleichung 4 korrekt erzeugt werden.
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6 ist
ein Kurvendiagramm, welches das experimentelle Ergebnis des Azimutwinkel
veranschaulicht, der mittels der Gleichungen 5 und 6 unter Verwendung
der erzeugten Erdmagnetdaten einer virtuellen Z-Achse, des Ausgangssignals
des Zweiachsen-Erdmagnetsensors und der errechneten Koordinatenkonversionsmatrix
für den
Fall berechnet wurde, dass sich die Lage verändert. Die Strichlinie stellt
den unkompensierten Azimutwinkel dar, was eine starke Veränderung des
Azimutwinkels aufzeigt, während
die durchgezogene Linie den kompensierten Azimutwinkel darstellt,
was zeigt, dass der Azimutwinkel nur innerhalb eines Fehlerbereichs
geändert
wird, wo die Änderung
des Azimutwinkels gering ist.
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Gemäß der Vorrichtung
zum Berechnen des Azimutwinkels durch die Lagefehlerkompensation
des Erdmagnetsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Azimutinformationen dem Benutzer unter Verwendung
eines Zweiachsen-Erdmagnetsensors und eines Zweiachsen-Neigungswinkelmessers
und Überwinden
der technischen Beschränkungen
des Zweiachsen-Erdmagnetsensormoduls bereitgestellt. Dadurch wird
die Notwendigkeit für
existierende Dreiachsen-Erdmagnetsensoren mit dem Neigungswinkelmesser
vermieden.
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Die
vorliegende Erfindung kann zweckmäßig in jeder Situation verwendet
werden, in der die Azimutinformationen benötigt werden. Wenn es zum Beispiel
beabsichtigt ist, den Steuerkurs des Benutzers unter Verwendung
einer elektronischen Karte, die in einem PDA gespeichert ist, zu überprüfen, so
wird der momentane genaue Azimutwinkel des Benutzer erkannt, und
die Karte wird entsprechend gedreht, um auf der LCD des PDA angezeigt
zu werden, so dass der Benutzer bequem seinen eigenen Steuerkurs
feststellen kann.
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Außerdem erleichtert
die vorliegende Erfindung die Implementierung dreidimensionaler
Spiele durch Verwenden der Informationen zur Drehrichtung der Spielekonsole
zusätzlich
zur Lage der Spielekonsole, und des Weiteren kann sie als eine Dateneingabevorrichtung
einer virtuellen Realität
verwendet werden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben wurde, versteht
es sich, dass verschiedene Änderungen,
Ersetzungen und Umbauten daran vorgenommen werden können, ohne
vom Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.