专利名称：移动电子三维罗盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括实现罗盘功能的装置的移动电子系统以及这种系统的部件。本发明同样涉及一种用于移动电子系统的方法。
背景技术：
根据现有技术给移动电子系统提供二维罗盘是已知的。这种移动电子系统例如可包含在像移动电话那样的通信设备中。
在德国专利申请DE19837568 A1中，建议提供一种具有全球定位系统(GPS)接收器、移动通信单元和罗盘的个人数字助理(PDA)。罗盘用于确定PDA的当前方位，这是实现PDA中导航功能所需的。
在英国专利申请GB2298539 A中，同样建议提供一种包含带有罗盘的GPS接收器的手持设备。根据设备的相应方位旋转关于当前环境的显示信息，例如地图。
此外，在国际专利申请WO01/88687 A2中，提出用用户设备例如手机来访问环境信息。环境信息是从基于位置服务的网络下载的。然后，使用用户设备中的罗盘确定用户设备的方位。一旦知道方位，就在用户设备上生成可视用户界面，用于显示下载的环境信息。为了选择在可视用户界面上显示的虚拟目标，用户可通过定位用户设备来指向相应的目标。在用户设备移动过程中，显示的虚拟目标在用户面前相应地移动。
移动电子系统还可包括惯性导航系统(INS)，INS可用于确定移动电子系统的位置。在这种系统中，重要的是所提供的方向信息随时间保持准确，因为即使计算方位中的小误差也会产生对位置估计的大误差。传统上，IN系统利用陀螺罗盘来确保准确方向。但陀螺罗盘有几个缺点。由于它们是复杂的电子仪器，因此包含非常贵的部件。此外，物理上它们是大传感器，因此无法在小模块中实现。在小INS中使用传统的3轴陀螺罗盘根本不可行，因为它需要甚至更复杂的电子仪器，并且其功率消耗更高。结果，它更加昂贵而且还需更多空间。然而，对于准确的INS，3轴操作是必需的。

发明内容
本发明的目的是扩展和增强移动电子系统的可用性。
根据本发明用移动电子系统达到这个目的，其中所述移动电子系统包括允许向移动电子系统用户显示信息的输出装置。提出的移动电子系统还包括进行三维磁测量并基于这些测量提供表示移动电子系统当前姿态的数据的3D(三维)磁力计。因此，3D磁力计实现3维罗盘的功能。最后，提出的移动电子系统包括处理装置，所述处理装置处理由3D磁力计提供的数据，用于允许通过输出装置姿态相关显示信息。
移动电子系统可由单一单元或几个单元组成。它可完全包含在例如像移动通信设备那样的用户设备中。或者，移动电子系统可包括例如包含输出装置的用户设备，同时至少在可连接到用户设备的独立、互补单元中包含3D磁力计。在后一种情况下，连接应该是刚性的，以使带有3D磁力计的互补单元的姿态总是相应于用户设备的姿态。处理装置于是可包含在两个单元的任何一个中，或分配到两个单元中。包含输出装置的单元例如可以是移动电话，而包含3D磁力计的互补单元可以是移动电话的功能盖。
用相应的互补单元和相应的用户设备同样可达到本发明的目的，其中所述用户设备包含互补单元不包含的所提出的移动电子系统的一部分或整个所提出的移动电子系统。
用移动电子系统的相应方法可进一步达到本发明的目的。所述方法包括第一步在移动电子系统中进行三维磁测量。所述方法还包括基于所进行的磁测量确定表示移动电子系统当前姿态的数据。最后，所提出的方法包括处理这个数据，用于允许向移动电子系统用户姿态相关显示信息。
本发明基于这样的考虑3D磁力计不仅能够探测设备的方位，而且能够探测它的当前趋势，其中所述设备像2D罗盘那样包含在或附在水平面上。这个附加数据可用于移动电子系统的各种新的或增强的功能。它例如可用于增强信息显示和/或根据移动电子设备的当前姿态选择显示模式。在惯性导航系统中3D磁力计还可用作方向信息的主要源，因为它比陀螺罗盘小且便宜。
根据从属权力要求，本发明的优选实施例变得显而易见。
在本发明一个优选实施例中，显示的信息包括罗盘信息。
在本发明另一优选实施例中，根据移动电子系统的姿态选择不同的显示模式。如果输出装置包括显示器并且移动电子系统基本水平持放，则显示器及功能例如可类似于传统罗盘。相反，当移动电子系统基本垂直持放时，信息显示可切换到某一其它模式。
在本发明另一优选实施例中，输出装置包括3D显示器，用于显示罗盘信息，例如显示浮动罗盘。与甚至不能在自由姿态下使用的2D电子罗盘相比，这带来一种新的用户体验。
在本发明另一优选实施例中，系统包括提供另外的测量数据的附加传感器装置。这些另外的测量数据还可由处理装置使用，用于允许通过输出装置姿态相关显示信息。附加测量数据允许处理装置根据环境和/或用户简档调整系统的功能性。例如，可用关于移动电子系统的运动姿态和特征的数据改变功能性。功能性的调整可包括例如通过输出装置的信息显示的调整和/或由3D磁力计提供的信号的滤波的调整。
附加传感器装置可包括例如分别二维或三维测量移动电子系统加速度的2D或3D线性加速计，或包括三维测量移动电子系统角加速度的3D角加速计。
因为磁罗盘易受不可预知的干扰，所以可用3D角加速计来验证3D磁力计所指示的方向的突然改变是否确实发生，或者是否只存在暂时破坏。这允许补偿随机磁干扰。从实现的观点来看，角加速计的优点是它们不需要任何专用电子仪器，并且它们可用与线性加速计一样的电子仪器读取。角加速计也不贵且比陀螺罗盘小。
如果将3D角加速计用作附加传感器装置，则3D磁力计可提供表示移动电子系统当前方向的第一数据，而3D角加速计提供表示移动电子系统当前方向的第二数据。此外，处理装置可包括组合第一和第二数据的互补滤波器，以便获得关于移动电子系统当前方向的特别可靠的信息。
对于在移动电子系统中实现的INS，3D磁力计和3D角加速计的组合具有独特的优点。
要理解到，由3D磁力计提供的数据可用于移动电子系统中的各种应用。


根据下面结合附图的详细描述，本发明的其它目的和特征将变得明显，附图中图1示意性地示出本发明第一实施例中所用的第一姿态相关显示模式；图2示意性地示出本发明第一实施例中用作第一示例的第二姿态相关显示模式；图3示意性地示出本发明第一实施例中用作第二示例的第二姿态相关显示模式；图4a-d示意性地示出本发明第二实施例中浮动罗盘的模拟；图5是本发明第三实施例中所用的互补滤波器的方框图；以及图6是基于磁力计的两个轴和角加速计的一个罗盘平面上的互补滤波器的方框图。
具体实施例方式
在图1至3所示的本发明第一实施例中，移动电话10可作为具有两种不同显示模式的二维罗盘。移动电话10包括按钮11、显示器12、3D磁力计、3D加速计和处理装置。
3D磁力计不断地进行全三维磁测量。将包含关于移动电话10当前姿态的信息的测量结果提供给处理装置。此外，3D加速计不断地进行全三维加速度测量。也将这些允许得出关于移动电话当前速度的结论的测量结果提供给处理装置。
只要3D加速计的测量结果指示移动电话只是缓慢移动，则在处理装置中启动快作用滤波软件，用于滤波由3D磁力计提供的测量结果。快作用滤波软件用大约1至3秒的积分周期对测量结果进行滤波，这消除了如手振动、错车和地球磁场干扰的影响。
相反，如果3D加速计的测量结果指示移动电话以加速移动，则在处理装置中启动慢滤波软件，用于对由3D磁力计提供的测量结果进行滤波。慢滤波软件用大约5至10秒的积分周期对测量结果进行滤波。例如如果当用户在市区环境驾驶时要用罗盘功能，则启动慢滤波，以便对由于绕过有轨电车、公共汽车、建筑物、金属构件等引起的磁场中的暂时波动进行滤波。
然后，通过处理装置估计3D磁力计的滤波的测量结果，用于在移动电话10的显示器12上显示罗盘信息。
当磁测量指示电话10基本水平放置时，例如可以是电话10的用户正在行走时的情况，处理装置选择第一显示模式。在第一显示模式中，显示器12及功能类似于传统罗盘。
对于这个第一显示模式，处理装置基于所提供的测量结果确定移动电话10的顶部所定向的水平面上的方向。移动电话10的显示器12上的圆14中的箭头13于是反映了包含在滤波信号中的方位信息，如图1所示。带有箭头13的圆14表示传统罗盘。因而，箭头13总是定向的，以使它指向北。或者，基于滤波信号可指示任何其它预定方向。当用户行走时启动的快作用滤波使用户可以即刻找到北。
相反，当磁测量指示移动电话的倾斜度超过预定值时，例如可能是使用者将电话倾斜或将它放在汽车架上的情况，选择第二显示模式。
对于第二显示模式，处理装置基于滤波的磁测量结果确定倾斜移动电话的背面的方向。此外，所确定的罗盘信息的显示不同于第一显示模式中的显示，因为第一显示模式中的传统罗盘的模拟不适合于倾斜的电话。
图2和图3示出了第二显示模式的两种可能性。
在图2示出的第一种可能性中，显示器12上的显示类似于“航海罗盘”。在第一行，罗盘的北“N”、东“E”、南“S”和西“W”点指示电话的当前方位，而在第二行，相应的度数“90”、“180”、“270”和“360”指示电话的当前方位。在图2描述的情况下，电话的用户面向西北或315°，因为第一行的中心位于指示的“N”和指示的“W”之间，而第二行的中心位于指示的“360”和指示的“270”度之间。
提供图3所示的第二显示模式的第二种可能性，以便使移动电话10的用户能容易地保持预置的目标方向。可通过移动电话10的按钮11输入方向。特别是可用罗盘的点或度数的相应指示来选择期望的方向。
然后，通过显示器上指向期望方向的简单箭头，反映包含在滤波的磁测量结果中的方向信息。
图3给出了在第二显示模式的第二种可能性下正在使用移动电话10的汽车司机的视野。移动电话10固定在连接到汽车方向盘右手边的仪表板的汽车架上。在给出的例子中，移动电话10的显示器12上所示的箭头15指示期望方向是正前方。
用第二显示模式的第二种可能性，由此提供了简化的导航系统。它可用于例如在市区环境中朝位于已知方向的机场驾驶的情况。用户驾驶时启动的慢滤波保证了在罗盘信息的显示中大多数磁干扰不可见。
在本发明第二实施例中，移动电话可用于模拟浮动三维罗盘，例如浮动航海罗盘。和第一实施例的移动电话一样，第二实施例的移动电话包括按钮、显示器、3D磁力计、3D加速计和处理装置。但在第二实施例中，显示器是3D显示器。
3D磁力计不断地进行全三维磁测量，其提供了关于移动电话当前姿态的信息。3D加速计还全三维测量移动电话的加速度。
处理装置使用3D磁力计和3D加速计的测量结果，用于在移动电话的显示器上显示浮动罗盘。更具体地说，处理装置使用3D加速计提供的测量结果对由3D磁力计提供的带有延迟的测量结果进行滤波，与第一实施例中描述的相似。然后，处理装置在3D显示器上显示3D罗盘，其方向对应于包含在滤波测量结果中的姿态信息。通过处理装置在3D显示器上表示罗盘，以便用户可通过倾斜移动电话来从各个侧面观察罗盘。由于信号的滤波，显示的罗盘只缓慢地跟随姿态的改变，产生虚拟浮动罗盘的特殊效果。
图4a-4d示意性示出了电话的各种姿态下移动电话显示器42上的浮动罗盘的显示。
在移动电话的3D显示器42上，罗盘被表示成球体43。圆44指示球体43的顶部，即虚拟罗盘的顶部。在图4a-4d所示的全部四种情况中，移动电话的用户面向东南(SE)。指示用户所面向方向的箭头45由此标记为“SE”。箭头45总是指向球体43的顶部44。在球体43的中部画一个圆46，该圆上的所有点到球43的顶部44都是等距的。
图4a示出了第一种情况下的显示器42，其中移动电话垂直持放。靠近显示器42的顶部47描绘罗盘的顶部44。第一种情况中指示东南的箭头45相当短。
图4b示出了由图4a的第一种情况产生的第二种情况下的显示器42，其中移动电话向右侧倾斜。用户具有与图4a中完全相同的所示罗盘上的视野。即，现在靠近显示器42的左上角48描绘罗盘的顶部44。指示东南的箭头45与图4a中的长度相同。
图4c示出了由图4a的第一种情况产生的第三种情况下的显示器42，其中移动电话向前倾斜。结果，移动电话的底部现在比移动电话的顶部稍微更靠近用户。表示的罗盘看来转向用户，因为罗盘的顶部44转到显示器42中心的方向。指示东南的箭头45比图4a和4b中的稍长。
图4d示出了第四种情况下的显示器42，其中移动电话水平持放。现在移动电话的用户有了所示罗盘的顶视图。因此，罗盘的顶部44描绘在球体43可视部分的中心。指示东南的箭头45延长至贯穿球体43的可视部分。现在球体43的可视部分由绕球体43中部画出的圆46限定。
本发明的第二实施例对于具有大彩色显示器的移动电话是理想的。
在本发明第三实施例中，移动电话用于实现INS。为此目的，移动电话包括显示器、3D磁力计、3轴角加速计和处理装置。
处理装置使用由3D磁力计和角加速计提供的测量结果，用于在显示器上显示移动电话用户的当前方向。3D磁力计为设备的角位置提供极好的长期参考。但是，磁力计对外部干扰敏感。相反，角加速计表现出低噪声工作但稳定性差。从而，磁力计和角加速计的组合给进行测量的装置提供了对外部干扰的良好稳定性和容限。
图5是说明处理由3D磁力计和角加速计提供的信号的方框图。该方框图包括表示3轴角加速计的第一方框50和表示3D磁力计的第二方框51。角加速计50的输出连接到第一滤波装置52，并且3D磁力计51的输出连接到第二个滤波装置53。滤波装置52、53的输出连接到求和点54。形成互补滤波器的滤波装置52、53和求和点54是移动电话处理装置的一部分。
从方向已知的时间点直到新的时间点t，角加速计50测量在任何方向移动电话的角加速度。基于测量的运动和最后一次的已知方向，角加速计然后估计在时间点t的新方向，并提供相应的第一方向信号。这个第一方向信号包括时间点t的真实方向s(t)和噪声分量n1(t)，其将角测量中的误差考虑进去了。
在同一时间点t，3D磁力计51还进行磁测量，以便确定移动电话的当前姿态。基于磁测量，3D磁力计51然后也估计在时间点t移动电话的新方向，并提供相应的第二方向信号。这个第二方向信号同样包括时间点t的真实方向s(t)和噪声分量n2(t)，其将磁测量中的误差考虑进去了。
结果，相同信号的两个冗余测量是可用的。这两个测量现在可以一种使测量误差最小化的方式组合。这是用给互补滤波器提供两个方向信号来实现的。
第一滤波装置52将具有传递函数G(s)的滤波函数用于第一方向信号。此外，用1减去函数G(s)的结果。第二滤波装置53将具有传递函数G(s)的滤波函数用于第二方向信号。然后，在求和点54对滤波装置52、53的输出求和，产生和x(t)。这种互补滤波器允许在不使信号失真的情况下对噪声进行滤波。
因此，求和点54输出的信号非常近似地反映了在时间点t处移动电话的真实方向，并可在移动电话的显示器上显示相应信息。
图6给出了基于角加速计的使用用于补偿磁力计信号中磁场干扰的互补滤波器的更加具体实现。图6是用于一个罗盘平面的互补滤波器的更具体的方框图，其中罗盘平面基于2轴磁力计和角加速计。所有三个方向都要求相似的实现。
图6的方框图包括两个方框61、62，分别表示在第一方向x和第二方向y的3D磁力计的测量值mx、my。两个方框61、62连接到表示罗盘功能的方框63。这个方框63的输出一方面通过表示微分器64的方框连接到第一求和点65，且另一方面连接到第二求和点66。方框图还包括表示角加速计测量值 的方框67。这个方框67连接到积分器68，且还连接到第一求和点65。第一求和点65的输出连接到表示自适应滤波器69的方框。方框69的输出还连接到第二求和点66。虚线将左手边有关传感器的方框61、62和67与右手边有关数字信号处理的其它方框分开。
在方框63中根据磁力计值mx、my计算出的罗盘信号θxy在微分器64中相对于时间进行微分，以便消除常量磁场值。结果值表示基于磁场的角速度，但是包含高频干扰。在积分器68中对相应角加速度信号 进行积分。结果值表示基于移动电话加速度的真实角速度，但包含低频漂移。微分器64和积分器68的时间常数是匹配的。
通过求和点65比较由微分器64和积分器68输出的两个信号 以便将干扰和真实角速度的低频漂移分开。更具体地说，求和点65将从积分器68得到的值减去从微分器64得到的值。信号然后经过自适应滤波器65。自适应滤波器对接收的信号应用高通滤波，以便分开信号的干扰。为了惯性导航，还在自适应滤波器65中对干扰积分，以便获得设备的角误差估计。
然后通过第二求和点66从由方框63输出的包含干扰的罗盘方向信息θxy中减去角误差的高通滤波估计。因此第二求和点66的输出是对于一个罗盘平面的校正的罗盘方向θxy，corr。
通过使用自适应滤波器，例如卡尔曼(Kalman)滤波器，可进一步改进图6的系统，用于误差信号处理。
要注意，所描述的实施例只是从本发明各种可能实施例中精选的几个。
权利要求
1.移动电子系统，包括-输出装置(12、42)，允许向所述移动电子系统用户显示信息；-3D磁力计(51)，进行三维磁测量并基于所述测量提供表示所述移动电子系统当前姿态的数据；以及-处理装置(52、54)，处理由所述3D磁力计(51)提供的所述数据，用于允许通过所述输出装置(12、42)姿态相关显示信息。
2.如权利要求1所述的移动电子系统，其中所述处理装置基于由所述3D磁力计提供的所述数据选择至少两种不同显示模式的其中之一。
3.如权利要求1或2所述的移动电子系统，其中所述处理装置基于由所述3D磁力计提供的所述数据通过所述输出装置(12、42)显示罗盘信息(13、14、15、43-46)。
4.如权利要求3所述的移动电子系统，其中所述输出装置包括在其上显示所述罗盘信息(43-46)的3D显示器(42)。
5.如权利要求4所述的移动电子系统，其中所述处理装置基于由所述3D磁力计提供的所述数据在所述3D显示器(42)上显示浮动罗盘(43-46)。
6.如上述权利要求其中一项所述的移动电子系统，还包括提供附加测量数据的附加传感器装置(50)，其中所述处理装置还使用所述附加测量数据用于允许通过所述输出装置(42)姿态相关显示信息(43-46)。
7.如权利要求6所述的移动电子系统，其中所述处理装置将所述附加传感器装置提供的所述附加测量数据至少用于如下一项调整通过所述输出装置的信息显示，以及对由所述3D磁力计提供的信号进行滤波。
8.如权利要求6或7所述的移动电子系统，其中所述传感器装置包括三维测量所述移动电子系统加速度的2D或3D线性加速计。
9.如权利要求6至8其中一项所述的移动电子系统，其中所述传感器装置包括三维测量所述移动电子系统角加速度的3D角加速计(50)。
10.如权利要求9所述的移动电子系统，其中所述3D磁力计(51)提供表示所述移动电子系统当前方位的第一数据，其中所述3D角加速计(50)提供表示所述电子移动系统当前方位的第二数据，并且其中所述处理装置包括组合表示所述移动电子系统当前方位的所述第一和所述第二数据的互补滤波器(52-54)。
11.如上述权利要求其中一项所述的移动电子系统，实现惯性导航系统。
12.如上述权利要求其中一项所述的移动电子系统，其中在用户设备中至少包含所述输出装置，其中在所述用户设备外部的互补单元中至少包含所述3D磁力计，其中所述用户设备和所述互补单元包括各自的连接装置，所述连接装置刚性电连接所述互补单元和所述用户设备，用于将基于所述3D磁力计的磁测量的信号提供给所述用户设备。
13.互补单元，用于如权利要求12所述的移动电子系统。
14.用户设备，用于如权利要求12所述的移动电子系统。
15.用户设备，包括如权利要求1至11其中一项所述的移动电子系统。
16.用在移动电子系统中的方法，所述方法包括-在所述移动电子系统中进行三维磁测量；-基于所述进行的磁测量，确定表示所述移动电子系统当前姿态的数据；以及-处理所述数据，用于允许向所述移动电子系统的用户姿态相关显示信息。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述处理包括基于表示所述移动电子系统当前姿态的数据选择至少两种不同显示模式的其中之一。
18.如权利要求16或17所述的方法，包括显示在所述处理中获得的罗盘信息(13、14、15、43-46)。
19.如权利要求18所述的方法，包括在3D显示器(42)上显示所述罗盘信息(43-46)。
20.如权利要求19所述的方法，包括在3D显示器(42)上显示浮动罗盘(43-46)。
21.如权利要求16至20其中一项所述的方法，还包括在所述移动电子系统中进行附加测量，其中所述处理还基于所述附加测量产生的测量数据。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述处理包括将所述附加测量数据至少用于如下一项调整信息显示以及对所述进行的磁测量产生的信号进行滤波。
23.如权利要求21或22所述的方法，其中进行所述附加测量包括三维测量所述移动电子系统的加速度。
24.如权利要求21至23其中一项所述的方法，其中进行所述附加测量包括三维测量所述移动电子系统的角加速度。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述处理包括通过互补滤波将表示所述移动电子系统当前方向的第一数据与表示所述移动电子系统当前方向的第二数据相组合，其中第一数据基于所述磁测量，并且第二数据基于所述角加速度测量。
全文摘要
本发明涉及一种移动电子系统。为了扩展和增强移动电子系统的可用性，建议它包括3D磁力计(51)，该3D磁力计进行三维磁测量并基于这些测量提供表示移动电子系统当前姿态的数据。此外，建议移动电子系统包括处理装置(52、54)，该处理装置处理由3D磁力计(51)提供的数据，用于允许通过移动电子系统的输出装置(12、42)姿态相关显示信息。本发明同样涉及这种系统的部件以及相应方法。
文档编号G01C17/28GK1695042SQ02829859
公开日2005年11月9日 申请日期2002年11月5日 优先权日2002年11月5日
发明者S·诺卡琳恩, T·莱哈恩, K·哈杰特, K·欣哈 申请人:诺基亚有限公司