JPH09304077A - ３次元方位センサおよびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地磁気または人工的に作った環境の静磁界を
方位の基準とし、磁気検出器を利用して独立自由空間お
ける自装置の方位を精度よく検出する。 【解決手段】 方位角θに対し出力が｜Ｖ｜ｃｏｓθと
なる第１の磁気検出器１０、第２の磁気検出器１１、第
３の磁気検出器１２を互に直交させた状態に組み合わ
せ、基準静磁界４の方向を方位角θ，φが零となる方位
基準として決め、この基準静磁界４に対して３次元方位
センサが傾いたときの第１の磁気検出器１０から出力さ
れる第１の信号Ｄｘ，第２の磁気検出器１１から出力さ
れる第２の信号Ｄｙ，第３の磁気検出器１３から出力さ
れる第３の信号Ｄｚを成分とする出力ベクトル“Ｖ”か
ら単位方位ベクトルおよびその３次元的な傾きを知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば独立した自
由空間内での自装置の向いている方向を３次元的に検出
するのに好適な３次元方位センサおよびその装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、独立した自由空間内での自装置の
向いている方向を３次元的に知る手段としては、例え
ば、基準電波発信局から発信される電波の方向を基準に
し、前記電波の方向を方位基準として、該方位基準から
自装置の向いている方向の方位角を知ることで、前記独
立した空間内での自装置の向いている方向を知るものが
ある。また、空間の制限を受けないで自装置の向いてい
る方向を３次元的に知る手段としては、圧電ジャイロな
どの加速度センサを用い、前記加速度センサにより得ら
れた加速度を積分し出発点に対する現在の自装置の例え
ば進行方向を３次元的に知るものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の３次元方位セン
サおよびその装置は以上のように構成されていたので、
独立した空間内の方位を知る上記前者の手段では、固定
された方位基準が必要となり、また基準電波発信局から
発信される電波の届く空間領域に限定される結果、装置
が複雑になり、独立した自由空間で現在の自装置の進行
方向を３次元的に容易に知ることが困難である課題があ
った。

【０００４】また、空間の制限を受けないで自装置の進
行方向を３次元的に知る上記後者の手段では、前記加速
度センサにより得られた加速度を積分する度にその誤差
が累積されていく結果、定期的に方位情報をリセットす
る必要がある課題があった。

【０００５】そこで本発明の目的は、地磁気または人工
的に作った環境の静磁界を方位の基準とし、磁気検出器
を利用することで、自装置の方位を容易にかつ精度よく
検出することができる３次元方位センサおよびその装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、３次元的に互に直交して配置され、地磁気ま
たは人工的に作った環境の静磁界中に置かれたときに、
前記静磁界中の直交する３次元基準軸の第１の基準軸か
らの方位角に応じた第１の信号を出力する第１の磁気検
出器と、前記３次元基準軸の第２の基準軸からの方位角
に応じた第２の信号を出力する第２の磁気検出器と、前
記３次元基準軸の第３の基準軸からの方位角に応じた第
３の信号を出力する第３の磁気検出器とからなることを
特徴とする。

【０００７】本発明はまた、３次元的に互に直交して配
置され、地磁気または人工的に作った環境の静磁界中に
置かれたときに、前記静磁界中の直交する３次元基準軸
の第１の基準軸からの方位角に応じた第１の信号を出力
する第１の磁気検出器と、第２の基準軸からの方位角に
応じた第２の信号を出力する第２の磁気検出器と、第３
の基準軸からの方位角に応じた第３の信号を出力する第
３の磁気検出器とからなる３次元方位センサと、前記第
１の信号および前記第２の信号および前記第３の信号を
もとに、静磁界中の直交する３次元基準軸に対する前記
３次元方位センサの傾きに応じた単位方位ベクトルを求
め、前記磁界の方向に対する前記単位方位ベクトルの３
次元的な傾きを演算して求める方位演算手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００８】本発明の３次元方位センサは、互に直交す
る第１の磁気検出器、第２の磁気検出器、第３の磁気検
出器からなる３次元方位センサを、空間の方位基準とす
る静磁界中へ配置したときに、前記第１の磁気検出器が
前記磁界中の直交する３次元基準軸の第１の基準軸から
の方位角に応じた第１の信号を出力し、また前記第２の
磁気検出器が前記静磁界中の前記３次元基準軸の第２の
基準軸からの方位角に応じた第２の信号を出力し、また
前記第３の磁気検出器が前記静磁界中の前記３次元基準
軸の第３の基準軸からの方位角に応じた第３の信号を出
力して、前記第１の信号および前記第２の信号および前
記第３の信号から、前記３次元方位センサの前記方位基
準からの３次元的な傾きの検出を可能にする。

【０００９】また、本発明の３次元方位センサ装置は、
互に直交する第１の磁気検出器、第２の磁気検出器、第
３の磁気検出器からなる３次元方位センサを磁界の方向
を空間の方位基準とする静磁界中へ配置したときに、前
記第１の磁気検出器が出力する第１の信号および前記第
２の磁気検出器が出力する第２の信号および前記第３の
磁気検出器が出力する第３の信号をもとに、前記３次元
方位センサの単位方位ベクトルを求め、前記方位基準に
対する前記単位方位ベクトルの３次元的な傾きを演算し
て求め、３次元方位センサの前記方位基準からの３次元
的な傾きを検出する。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明による３次元方位セン
サおよびその装置の実施の形態例について説明する。図
１は、３次元方位を検出する磁気検出器の説明図であ
る。図１において、符号１は磁気検出器であり、この磁
気検出器１の回転平面２上に基準静磁界（Ｈｅ）４が存
在する状態において、磁気検出器１がその中心３を軸に
して回転平面２内を時計方向に回転したときに、磁気検
出器１から得られる方位出力は図２に示すようになる。
すなわち、（Ｈｅ）４で示す基準静磁界ベクトルの方向
をθ＝０°の基準として、磁気検出器１を方位角θ回転
した時の方位出力Ｖ＝｜Ｖ｜ｃｏｓθとなる。なお、基
準静磁界（Ｈｅ）４は、地磁気または人工的に作った環
境の静磁界を方位の基準とする。このように図１及び図
２に示す特性の磁気検出器１を３個互いに直交するよう
に組み合わせることにより３次元方位センサを構成す
る。

【００１１】図３は、磁気検出器を３個組み合わせた３
次元方位センサの構成例を示すもので、基準静磁界４の
方向をＸ軸７とした３次元の直交座標系において、Ｘ軸
７上には第１の磁気検出器１０が配置され、Ｙ軸８には
第２の磁気検出器１１が配置され、Ｚ軸９上には第３の
磁気検出器１２が配置され、かつ各磁気検出器１０、１
１、１２は直交された配置状態になっている。なお、第
１の磁気検出器１０が基準静磁界（Ｈｅ）４と同一の方
向を向いている状態を絶対方位の原点とする。

【００１２】図４は、前記図３に示す状態にある３次元
方位センサが基準静磁界４に対して傾いたときの単位方
位ベクトル１６を示す説明図である。図４において、１
３は単位方位ベクトル１６のＸ軸方向成分Ｄｘ、１４は
同様にＹ軸方向成分Ｄｙ、１５は同様にＺ軸方向成分Ｄ
ｚ、１７は前記単位方位ベクトル１６のＸ−Ｙ平面上へ
の投影像がＸ軸７となす角度、１８は単位方位ベクトル
１６のＸ−Ｙ平面上への投影像と単位方位ベクトル１６
とがなす角度である。なお、第１の磁気検出器１０，第
２の磁気検出器１１，第３の磁気検出器１２にはホール
素子を用いることが出来る。

【００１３】次に動作について説明する。この３次元方
位センサは、図１および図２に示すように方位角θに対
し出力が｜Ｖ｜ｃｏｓθとなる第１の磁気検出器１０、
第２の磁気検出器１１、第３の磁気検出器１２を互に直
交させた状態に組み合わせる。そして、基準静磁界４の
方向を方位角θ，φが零となる方位基準として決め、こ
の基準静磁界４の方向を図３に示すようにＸ軸７と同方
向にする。そして、３次元直交座標系の原点と３次元方
位センサの第１の磁気検出器１、第２の磁気検出器１１
及び第３の磁気検出器１２の中心とが一致するように、
かつ第１の磁気検出器１がＸ軸７上に位置するように３
次元方位センサを配置する。この状態を絶対方位の原点
として、この状態から３次元方位センサが基準静磁界４
に対して傾くと図４に示す状態になる。このとき第１の
磁気検出器１から出力される第１の信号Ｄｘ，第２の磁
気検出器１１から出力される第２の信号Ｄｙ，第３の磁
気検出器１２から出力される第３の信号Ｄｚを成分とす
る出力ベクトル“Ｖ”を、次式（１）のように定義す
る。

【００１４】

【数１】

【００１５】また、この出力ベクトル“Ｖ”の絶対値は
次式（２）のように表わすことが出来る。

【００１６】

【数２】

【００１７】この結果、絶対値が１である単位方位ベク
トル“Ｄ”は、図４に示すように出力ベクトル“Ｖ”の
絶対値とそのＸ軸方向の成分であるＤｘ，Ｙ軸方向の成
分であるＤｙ，Ｚ軸方向の成分であるＤｚを用いて次式
（３）として求めることが出来る。

【００１８】

【数３】

【００１９】このとき、単位方位ベクトル“Ｄ”１６の
Ｘ−Ｙ平面上への投影像がＸ軸７となす方位角θ、およ
び単位方位ベクトル“Ｄ”１６のＸ−Ｙ平面上への投影
像と単位方位ベクトル“Ｄ”１６とがなす方位角φと、
Ｘ軸方向の成分であるＤｘ，Ｙ軸方向の成分であるＤ
ｙ，Ｚ軸方向の成分であるＤｚとの間に図５に示すよう
に次式（４），（５），（６）、（７），（８），
（９）の関係が成立する。

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】

【数６】

【００２３】

【数７】

【００２４】

【数８】

【００２５】

【数９】

【００２６】これら式（４），（５）、（６）、（７）
からｔａｎθ＝Ｄｘ／Ｄｙが求められ、従ってθは式
（８）からａｒｃｔａｎ（Ｄｘ／Ｄｙ）として求められ
る。また、φは式（９）からａｒｃｓｉｎ（Ｄｚ）とし
て求められる。Ｘ軸７に対する前記単位方位ベクトル
“Ｄ”あるいは前記出力ベクトル“Ｖ”の方位角θ，φ
は、３次元方位センサの第１の磁気検出器１のＸ軸７に
対する３次元的な傾きである。このようにして求めた方
位角θ，φは、３次元方位センサの基準静磁界４の方向
である方位基準に対する傾きとしてサーボシステムに用
いることで、前記３次元方位センサを組み込んだ装置の
方向を前記方位基準の方向へ追従させたり、前記方位基
準に対し一定の角度を有した所定の方向へ自動制御させ
ることが可能となる。

【００２７】なお、以上の説明では、３次元方位センサ
の３次元的な傾きをＸ軸７に対する第１の磁気検出器１
の方位角θ，φとして求めたが、Ｙ軸８に対する第２の
磁気検出器１１の方位角あるいはＺ軸９に対する第３の
磁気検出器１２の方位角として求めることも可能であ
る。

【００２８】図６は、このような３次元方位センサを衛
星波受信用のアンテナの方向を常に衛星の方向へ向けて
おくアンテナの自動制御システムへ用いたときの実施の
一形態例を示すブロック図である。図６中、図３に示し
た同一要素には同一の符号を付した。図６において、符
号３１は３次元方位センサであり、アンテナ４３に取り
付けられている。図６では３次元方位センサ３１をアン
テナ４３から抜き出した状態をし示している。また、符
号３２は第３の磁気検出器１２から出力される第３の信
号を増幅するアンプ、符号３３は第１の磁気検出器１０
から出力される第１の信号を増幅するアンプ、符号３４
は第２の磁気検出器１１から出力される第２の信号を増
幅するアンプであり、これらアンプ３２〜３４の出力信
号は方位演算手段３５に出力される。

【００２９】方位演算手段３５は、前記図１から図５ま
でを使用して説明したように、第１の磁気検出器１が出
力する第１の信号および第２の磁気検出器１１が出力す
る第２の信号および第３の磁気検出器１２が出力する第
３の信号をもとに、３次元方位センサ３１の傾きに応じ
た単位方位ベクトルを求め、地磁気の方向、つまり北の
方向をＸ軸とする基準静磁界４に対する前記単位方位ベ
クトルの３次元的な傾きを演算する。サーボ制御部３６
は、方位演算手段３５で演算された出力信号（θ’，
φ’）によりアンテナ４３のサーボモータ４１，４２を
制御するもので、演算器３６、３７から構成される。ま
た、サーボ制御部３６には駆動回路３９、４０を介して
サーボモータ４１，４２が接続されている。

【００３０】この自動制御システムでは、指令値として
Ｘ軸７に対する第１の磁気検出器１の方位角θ，φが与
えられる。また、方位基準には地磁気が作る静磁界を用
いる。方位角θ，φは、図７に示すように衛星５１の方
位であり、この場合、衛星５１の３次元的な方位は前記
地磁気の方向に対し一定であり変らないものとする。

【００３１】方位演算手段３５は、アンテナ４３の現在
の方位を図１から図５までを使用して説明した前記手順
で求めることが出来るが、ディジタル的な演算処理によ
り演算周期毎にアンテナ４３の現在の方位を求める場合
には、地磁気の方向と一致するＸ方向の基準軸を有した
３次元基準軸に対する３次元方位センサ３１の傾きに応
じた単位方位ベクトルを求め、該単位方位ベクトルの３
次元的な方位角θ１，φ１を記憶する。さらに、この状
態の３次元方位センサ３１の姿勢を基準とした新たな３
次元基準軸を設定して前記３次元方位センサ３１がさら
に傾いたときの第１の磁気検出器１が出力する第１の信
号の変化量および第２の磁気検出器１１が出力する第２
の信号の変化量および第３の磁気検出器１２が出力する
第３の信号の変化量をもとに新たな単位方位ベクトルを
求め、その新たな単位方位ベクトルの３次元的な方位角
θ２，φ２を演算して求める。そして、その方位角θ２
を前記記憶した方位角θ１に加算し、また方位角φ２を
前記記憶した方位角φ１に加算することで、地磁気の方
向に対する３次元方位センサ３１の３次元的な傾きを演
算して求めることも可能である。

【００３２】従って、前記地磁気を用いた基準方位に対
するアンテナ４３の方位角が検出され、アンテナ４３が
自動車などの移動体に搭載されている場合にも、その移
動体の向きに関わらずアンテナ４３は常に衛星５１のあ
る方向へ向くように自動制御することが可能となる。

【００３３】また、このように地磁気を用いたときに
は、方位基準を与える特別な装置を用意することなくコ
ストパーフォーマンスの高い３次元方位センサとして、
バーチャルリアリティやゲーム機、コンピュータを始め
様々な装置へ応用することが出来る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の３次元方
位センサでは、互に直交する第１の磁気検出器と第２の
磁気検出器と第３の磁気検出器とからなる簡単な構成
で、地磁気または人工的に作った環境の静磁界を方位の
基準として３次元的な傾き、すなわち自由空間における
自装置の方位を用意にかつ精度よく検出することができ
る効果がある。

【００３５】また、本発明の３次元方位センサ装置で
は、３次元方位センサの第１の磁気検出器の出力する第
１の信号、第２の磁気検出器の出力する前記第２の信
号、第３の磁気検出器の出力する第３の信号をもとに、
方位演算手段が磁界中の直交する３次元基準軸に対する
前記３次元方位センサの傾きに応じた単位方位ベクトル
を求め、前記磁界の方向に対する前記単位方位ベクトル
の３次元的な傾きを演算して求め、前記３次元方位セン
サの傾きを知る構成であるから、方位基準を規定する電
波を発信する基準電波発信局を必要とすることなく現在
の自装置の進行方向などの方位を簡単な構成で３次元的
に容易に知ることが出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例において、３次元方位セ
ンサを構成する磁気検出器の一例を示す説明図である。

【図２】本発明の３次元方位センサを構成する磁気検出
器の方位角θと方位出力との関係を示す特性図である。

【図３】図１に示す磁気検出器を３個組み合わせて３次
元方位センサを構成した場合の配置例を示す説明図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態例における３次元方位セン
サが基準静磁界に対して傾いたときの単位方位ベクトル
を示す説明図である。

【図５】本発明の実施の形態例における３次元方位セン
サが基準静磁界に対して方位角θ，φを有して傾いたと
きの単位方位ベクトルを示す説明図である。

【図６】本発明の実施の形態例における３次元方位セン
サを用いた衛星波受信用のアンテナの自動制御システム
を示すブロック図である。

【図７】本発明の実施の形態例における３次元方位セン
サを用いた衛星波受信用アンテナの自動制御システムに
おけるアンテナの方位角および衛星の方位を示す説明図
である。

【符号の説明】

１０……第１の磁気検出器、１１……第２の磁気検出
器、１２……第３の磁気検出器、３１……３次元方位セ
ンサ、３５……方位演算手段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元的に互いに直交して配置され、地
   磁気または人工的に作った環境の静磁界中に置かれたと
   きに、前記静磁界中の直交する３次元基準軸の第１の基
   準軸からの方位角に応じた第１の信号を出力する第１の
   磁気検出器と、 前記３次元基準軸の第２の基準軸からの方位角に応じた
   第２の信号を出力する第２の磁気検出器と、 前記３次元基準軸の第３の基準軸からの方位角に応じた
   第３の信号を出力する第３の磁気検出器と、 を備えたことを特徴とする３次元方位センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の３次元方位センサと、該
   ３次元方位センサの第１の磁気検出器が出力する第１の
   信号および第２の磁気検出器が出力する第２の信号およ
   び第３の磁気検出器が出力する第３の信号をもとに、静
   磁界中の直交する３次元基準軸に対する前記３次元方位
   センサの傾きに応じた単位方位ベクトルを求め、静磁界
   の方向に対する前記単位方位ベクトルの３次元的な傾き
   を演算して求める方位演算手段とを備えたことを特徴と
   する３次元方位センサ装置。
3. 【請求項３】 前記方位演算手段は、静磁界の方向と一
   致する基準軸を有した３次元基準軸に対する３次元方位
   センサの傾きに応じた単位方位ベクトルを求め、該単位
   方位ベクトルの３次元的な傾きを記憶し、この状態の３
   次元方位センサの姿勢を基準とした新たな３次元基準軸
   に対し前記３次元方位センサがさらに傾いたときの第１
   の磁気検出器が出力する第１の信号の変化量および第２
   の磁気検出器が出力する第２の信号の変化量および第３
   の磁気検出器が出力する第３の信号の変化量をもとに、
   前記新たな３次元基準軸に対する３次元方位センサの傾
   きに応じた単位方位ベクトルを求め、該単位方位ベクト
   ルの３次元的な新たな傾きを演算して求め、該傾きを前
   記記憶した傾きに加算することで前記３次元方位センサ
   の前記磁界の方向に対する３次元的な傾きを演算して求
   めることを特徴とする請求項２記載の３次元方位センサ
   装置。
4. 【請求項４】 前記第１の信号，前記第２の信号，前記
   第３の信号は、方位角に応じて交番的に変化する信号で
   あることを特徴とする請求項２または請求項３記載の３
   次元方位センサ装置。
5. 【請求項５】 前記第１の磁気検出器、前記第２の磁気
   検出器、前記第３の磁気検出器はホール素子により構成
   されていることを特徴とする請求項４記載の３次元方位
   センサ装置。