DE102015203686A1

DE102015203686A1 - Method and device for determining the position of a magnetic body by means of magnetic field sensors

Info

Publication number: DE102015203686A1
Application number: DE102015203686.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Cichon; Willi Neudeck; Hans-Peter Hohe; Jörg Bretschneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: WO2016139135A1; DE102015203686B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren, der sich relativ zu dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren bewegt. Bei dem Verfahren wird mit den Magnetfeldsensoren wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des vom magnetischen Körper erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers zu bestimmen. Die Magnetfeldsensoren sind dabei im Nahfeld des magnetischen Körpers angeordnet. Die Auswertung erfolgt zumindest zum Teil mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells oder mit einem neuronalen Netz. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Anordnung lassen sich bis zu sechs mechanische Freiheitsgrade des magnetischen Körpers auf kleinstem Raum bestimmen.The present invention relates to a method and an arrangement for determining the position of a magnetic body by means of one or more magnetic field sensors, which moves relative to the one or more magnetic field sensors. In the method, one or more of three direction components of the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic body are repeatedly detected and evaluated locally with the magnetic field sensors to determine the respective position of the magnetic body. The magnetic field sensors are arranged in the near field of the magnetic body. The evaluation is carried out at least in part with an optimal estimator based on a magnetic field model or with a neural network. With the method and the associated arrangement, up to six mechanical degrees of freedom of the magnetic body can be determined in the smallest space.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren, der sich relativ zu dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren bewegt, bei dem mit dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des vom magnetischen Körper erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet werden, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers zu bestimmen. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren arbeitet.The present invention relates to a method for determining the position of a magnetic body by means of one or more magnetic field sensors, which moves relative to the one or more magnetic field sensors, wherein the one or more magnetic field sensors locally one or more of three direction components of the magnetic flux density of the Magnetic body generated magnetic field detected and evaluated to determine the respective position of the magnetic body. The invention also relates to an arrangement for determining the position of a magnetic body, which operates according to the proposed method.

In vielen technischen Anwendungen ist die Änderung der relativen Position (Ort und/oder Lage bzw. Orientierung) von Objekten zu erfassen. Berührungslose Verfahren haben viele Vorzüge wie z. B. Verschleißfestigkeit und Wartungsfreiheit. Magnetbasierte Verfahren sind dabei für den Einsatz in rauer Umgebung besonders geeignet, da sie durch Schmutz, Öl und Wasser nicht beeinträchtigt werden.In many technical applications, the change in the relative position (location and / or position or orientation) of objects is to be detected. Non-contact methods have many advantages such. B. wear resistance and maintenance. Magnet-based methods are particularly suitable for use in harsh environments, as they are not affected by dirt, oil and water.

Die etablierte magnetische Positionsmessung ist bisher auf wenige Freiheitsgrade, maximal zwei translatorische Bewegungen bzw. zwei Winkel, beschränkt oder erfordert einen komplizierten mechanischen Aufbau mit einer Vielzahl von magnetischen Sensoren. Tatsächlich sind die zu erfassenden Bewegungen durch Montage- und Fertigungstoleranzen sowie Verschleiß immer räumlich. Eine Reihe beweglicher mechanischer Verbindungen, z. B. Gelenke oder Kupplungen, erlauben zudem Verschiebungen und/oder Verdrehungen in mehreren Achsen auch in größeren Skalen. Solche Bewegungen können bisher häufig nicht mit einfachem Aufbau punktgenau magnetisch Vermessen werden, sondern nur durch Verwendung mehrerer diskreter Sensoren, welche die gewünschten Größen zwangsläufig an verschiedenen Orten einzeln ermitteln. Dies ist aufwändig, fehleranfällig und damit nicht sehr zuverlässig.The established magnetic position measurement has been limited to a few degrees of freedom, a maximum of two translational movements or two angles, or requires a complicated mechanical structure with a large number of magnetic sensors. In fact, the movements to be detected by assembly and manufacturing tolerances and wear are always spatial. A series of movable mechanical connections, e.g. As joints or couplings, also allow shifts and / or rotations in several axes, even in larger scales. Such movements can often not be precisely magnetically measured with a simple structure, but only by using a plurality of discrete sensors, which determine the desired sizes inevitably at different locations individually. This is complex, prone to errors and therefore not very reliable.

Stand der TechnikState of the art

Zur Bestimmung von Ort und Lage von Objekten gibt es eine Reihe von Sensoren, die auf ganz unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen. Neben optischen, inertialen, induktiven und kapazitiven Messsystemen werden, wie beim hier vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung, auch magnetbasierte Sensoren eingesetzt. Die wichtigsten physikalischen Messprinzipien in diesem Bereich sind der Hall-Effekt und magnetoresistive Effekte (AMR, GMR, TMR).To determine location and location of objects, there are a number of sensors based on very different physical principles. In addition to optical, inertial, inductive and capacitive measuring systems, as with the method proposed here and the associated arrangement, magnet-based sensors are also used. The most important physical measuring principles in this area are the Hall effect and magnetoresistive effects (AMR, GMR, TMR).

Typische magnetbasierte Positionssensorsysteme bestehen aus einer sich bewegenden, magnetischen Quelle und einem stationären Magnetfeldsensor. Die magnetische Quelle, in der vorliegenden Patentanmeldung als magnetischer Körper bezeichnet, ist typischerweise ein Permanentmagnet. Es werden zum Teil jedoch auch Elektromagnete verwendet. Mit dem Magnetfeldsensor werden eine oder mehrere der drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des magnetischen Körpers gemessen und über eine nachgelagerte Signalverarbeitung in Zielgrößen wie Weg (z. B. bei linearer Wegmessung) oder Winkel (z. B. bei Drehgebern) umgerechnet.Typical magnetic based position sensor systems consist of a moving magnetic source and a stationary magnetic field sensor. The magnetic source, referred to in the present application as a magnetic body, is typically a permanent magnet. However, some electromagnets are also used. With the magnetic field sensor, one or more of the three directional components of the magnetic flux density of the magnetic body are measured and converted via downstream signal processing into target variables such as travel (eg in the case of linear displacement measurement) or angles (for example with rotary encoders).

Für Bewegungen mit einem einzigen mechanischen Freiheitsgrad ist es bekannt, aus experimentell ermittelten Messwerten eine sogenannte Linearisierungstabelle zu erstellen, welche die eineindeutige Abbildung zwischen dem Messwert einer Flussdichtekomponente und einer Positionskomponente (Weg oder Winkel) des magnetischen Körpers diskret beschreibt. Auf diese Weise kann über den Messwert direkt die zugehörige Position bestimmt werden. Eine Positionsbestimmung mit mehr als einem Freiheitsgrad ist über diesen Ansatz prinzipiell auch möglich. Jedoch steigt mit jedem Freiheitsgrad der Bedarf an Speicherplatz und Rechenleistung erheblich. Daher können damit keine praktisch relevanten Auflösungen erzielt werden.For movements with a single mechanical degree of freedom, it is known to create a so-called linearization table from experimentally determined measured values, which discretely describes the one-to-one mapping between the measured value of a flux density component and a position component (path or angle) of the magnetic body. In this way, the corresponding position can be determined directly via the measured value. A position determination with more than one degree of freedom is in principle also possible via this approach. However, with every degree of freedom, the need for storage space and computing power increases significantly. Therefore, no practically relevant resolutions can be achieved.

Für die weiträumige Ortung von magnetischen Körpern ist es bekannt, vektorielle Messungen der magnetischen Flussdichte durchzuführen. Dabei werden verteilte Messungen im Fernfeld des magnetischen Körpers genutzt. Die Entfernung zwischen magnetischem Körper und den Magnetfeldsensoren ist dabei viel größer als eine charakteristische Länge des magnetischen Körpers. Die Größenordnung beträgt je nach Anwendung zwischen > 10 cm bis zu Kilometern. Diese Fernfeld-Ortungsverfahren beruhen entweder auf der Messung von Störungen im Erdmagnetfeld durch die zu ortende, magnetisierbare Sekundärquelle, z. B. bei der Ortung von Schiffen, Flugzeugen oder Minen, oder sie beinhalten die Ortung einer sehr kleinen Magnetfeld-Quelle mit hochempfindlichen, in einem Bereich um die Quelle verteilten, diskreten Sensorarrays, wie dies z. B. von der Lokalisierung von Kathetern oder magnetischen Markern in der Medizintechnik bekannt ist. Die Verfahren der vektoriellen magnetischen Positionsbestimmung nutzen dabei eine Dipolnäherung für die magnetische Quelle bzw. den magnetischen Körper, die eine einfache Beschreibung des Magnetfeldes ermöglicht. Ein Beispiel für eine derartige Positionsbestimmung im Fernfeld zeigt die EP 1040369 B1 , bei der über diese Dipolnäherung die Position eines Fahrzeuges ermittelt wird.For the long-range location of magnetic bodies, it is known to carry out vectorial measurements of the magnetic flux density. Distributed measurements in the far field of the magnetic body are used. The distance between the magnetic body and the magnetic field sensors is much larger than a characteristic length of the magnetic body. The order of magnitude is depending on the application between> 10 cm up to kilometers. These far-field locating methods are based either on the measurement of disturbances in the earth's magnetic field through the magnetizable secondary source to be located, eg. As in the location of ships, aircraft or mines, or they include the location of a very small magnetic field source with highly sensitive, distributed in an area around the source, discrete sensor arrays, such as. B. from the location of catheters or magnetic markers in medical technology is known. The procedures of vectorial magnetic positioning thereby use a dipole approximation for the magnetic source or the magnetic body, which allows a simple description of the magnetic field. An example of such a position determination in the far field shows the EP 1040369 B1 in which the position of a vehicle is determined via this dipole approximation.

Aus der EP 2606411 B1 sind ein Verfahren sowie eine Anordnung für eine Magnetsensor-Benutzerschnittstelle bekannt, bei der auf Basis eines magnetischen Modells eine Tabelle (LUT: Look-up Table) erstellt wird, aus der durch Vergleich mit den vektoriell gemessenen Werten der magnetischen Flussdichte die Position des magnetischen Körpers bzw. des Aktuators bestimmt wird, an dem der magnetische Körper befestigt ist. Die Druckschrift nennt auch die Möglichkeit, ein analytisches Modell anzugeben, an das dann die gemessenen Daten dann angepasst werden, ohne jedoch näher auf diese Vorgehensweise einzugehen.From the EP 2606411 B1 For example, a method and an arrangement for a magnetic sensor user interface are known in which a table (LUT: Look-up Table) is created on the basis of a magnetic model, from which the position of the magnetic body is determined by comparison with the vectorially measured values of the magnetic flux density or of the actuator to which the magnetic body is attached. The publication also mentions the possibility of specifying an analytical model, to which the measured data are then adapted without, however, going into this procedure in more detail.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur magnetischen Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers anzugeben, mit dem sich die Position des magnetischen Körpers auf kleinstem Raum zuverlässig in mehreren mechanischen Freiheitsgraden bestimmen lässt. Unter der Position werden dabei der Ort und die Lage bzw. Orientierung des magnetischen Körpers verstanden.The object of the present invention is to provide a method and an arrangement for the magnetic position determination of a magnetic body, with which the position of the magnetic body can be reliably determined in a small space in several mechanical degrees of freedom. In this case, the position is understood to mean the location and the position or orientation of the magnetic body.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the arrangement according to claims 1 and 9. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird bzw. werden mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren wiederholt lokal eine oder mehrere der drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des vom magnetischen Körper erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers zu bestimmen. Der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren wird bzw. werden dabei im Nahfeld des magnetischen Körpers angeordnet. Unter dem Nahfeld ist ein Abstand zum magnetischen Körper zu verstehen, der betragsmäßig kleiner als die zweifache charakteristische Länge des magnetischen Körpers ist. Als charakteristische Länge wird der Durchmesser der kleinsten den Körper umschließenden Kugel definiert. Der Abstand des Magnetfeldsensors oder der Magnetfeldsensoren vom Mittelpunkt dieser Kugel liegt dabei zumindest an einem Punkt der Bewegungstrajektorie des magnetischen Körpers unterhalb dieser zweifachen charakteristischen Länge. Bei Einsatz mehrerer Magnetfeldsensoren werden diese in einem geringen Abstand zueinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand zueinander, der ebenfalls kleiner als die zweifache charakteristische Länge ist. Die Auswertung der Messwerte zur Positionsbestimmung erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren dann zumindest zum Teil entweder mit Hilfe eines optimalen Schätzers auf Basis eines vorzugsweise analytischen Magnetfeldmodells oder mit Hilfe eines neuronalen Netzes.In the proposed method, one or more of the three direction components of the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic body are repeatedly detected and evaluated locally with one or more magnetic field sensors in order to determine the respective position of the magnetic body. The one or more magnetic field sensors is or are arranged in the near field of the magnetic body. The near field is to be understood as a distance to the magnetic body which is less than twice the characteristic length of the magnetic body in absolute terms. The characteristic length defines the diameter of the smallest ball enclosing the body. The distance of the magnetic field sensor or the magnetic field sensors from the center of this sphere is at least at one point of the movement trajectory of the magnetic body below this two-fold characteristic length. When using a plurality of magnetic field sensors, these are arranged at a small distance from each other, preferably at a distance from each other, which is also smaller than twice the characteristic length. In the case of the proposed method, the evaluation of the measured values for position determination is then carried out, at least in part, either with the aid of an optimal estimator on the basis of a preferably analytical magnetic field model or with the aid of a neural network.

Durch die Anordnung des Magnetfeldsensors oder der Magnetfeldsensoren im Nahfeld wird mit der Messung und Auswertung die Bestimmung mehrerer mechanischer Freiheitsgrade der Position des magnetischen Körpers ermöglicht. Für die Bestimmung von drei Freiheitsgraden reicht dabei auch nur ein Magnetfeldsensor aus, der alle drei Richtungs- oder Raumkomponenten, d. h. die x-, y- und z-Komponente im kartesischen Koordinatensystem, der magnetischen Flussdichte erfasst. Bei Nutzung von zwei dieser 3D-Magnetfeldsensoren können bei geeigneter Magnetform bereits sechs mechanische Freiheitsgrade in der Position bestimmt werden. Dies sind die drei translatorischen und die drei rotatorischen Freiheitsgrade des magnetischen Körpers. Die Positionsbestimmung ist auch mit Magnetfeldsensoren möglich, die lediglich jeweils nur eine Richtungskomponente des magnetischen Flusses erfassen. So können bspw. drei sog. z-Sensoren für die Bestimmung von drei Freiheitsgraden der Position des magnetischen Körpers eingesetzt werden.The arrangement of the magnetic field sensor or the magnetic field sensors in the near field enables the determination of a plurality of mechanical degrees of freedom of the position of the magnetic body with the measurement and evaluation. For the determination of three degrees of freedom only one magnetic field sensor is sufficient, which covers all three directional or spatial components, ie. H. the x, y, and z components in the Cartesian coordinate system, which detects magnetic flux density. When two of these 3D magnetic field sensors are used, six mechanical degrees of freedom in the position can already be determined with a suitable magnetic shape. These are the three translational and three rotational degrees of freedom of the magnetic body. The position determination is also possible with magnetic field sensors which only detect only one directional component of the magnetic flux at a time. Thus, for example, three so-called z-sensors can be used for the determination of three degrees of freedom of the position of the magnetic body.

Vorzugsweise werden mit dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren alle drei Richtungskomponenten des magnetischen Flusses erfasst, d. h. eine vektorielle Messung durchgeführt, um wenigstens drei mechanische Freiheitsgrade in der Position des magnetischen Körpers bestimmen zu können.Preferably, with the one or more magnetic field sensors, all three directional components of the magnetic flux are detected, i. H. a vectorial measurement is performed to determine at least three mechanical degrees of freedom in the position of the magnetic body.

Aus den erfassten Messwerten der magnetischen Flussdichte werden in einem Prozessor dann die gewünschten Positionswerte berechnet. Dies erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren zumindest zum Teil entweder mit Hilfe eines optimalen Schätzers oder mit Hilfe eines neuronalen Netzes.The desired position values are then calculated in a processor from the measured values of the magnetic flux density. This is done in the proposed method, at least in part, either with the help of an optimal estimator or with the help of a neural network.

Als optimaler Schätzer kann bspw. ein Kalman-Filter eingesetzt werden. Der optimale Schätzer benötigt ein Magnetfeldmodell, das eine mathematische Parametrisierung des Messsystems durch seine möglichen Freiheitsgrade darstellt. Vorzugsweise wird hierfür ein analytisches Modell bereitgestellt. Das Modell kann prinzipiell auch in Form einer Tabelle (LUT) bereitgestellt werden. Techniken zur Erstellung eines Magnetfeldmodells, bspw. mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen bzw. des Biot-Savart-Gesetzes, sind dem Fachmann geläufig.As an optimal estimator, for example, a Kalman filter can be used. The optimal estimator requires a magnetic field model that provides a mathematical parameterization of the measuring system through its possible Represents degrees of freedom. Preferably, an analytical model is provided for this purpose. The model can in principle also be provided in the form of a table (LUT). Techniques for creating a magnetic field model, for example with the aid of the Maxwell equations or the Biot-Savart law, are familiar to the person skilled in the art.

Die Nutzung eines neuronalen Netzes erfordert kein vorgegebenes Magnetfeldmodell. Hier wird der Zusammenhang zwischen den Messwerten und der jeweiligen Position des magnetischen Körpers bzw. des entsprechenden Freiheitsgrades vielmehr durch einen Anlernprozess bestimmt.The use of a neural network does not require a given magnetic field model. Here, the relationship between the measured values and the respective position of the magnetic body or the corresponding degree of freedom is rather determined by a learning process.

Als Magnetfeldsensoren können bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung bspw. Hall-Sensoren oder Sensoren auf Basis des magnetoresistiven Effektes genutzt werden. Für die Realisierung des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung ist es unerheblich, welcher physikalische Prozess zur Erfassung der Komponente(n) der magnetischen Flussdichte durch die Sensoren ausgenutzt wird. Wesentlich ist, dass die Erfassung der Richtungskomponenten des magnetischen Flusses durch die Sensoren im Nahfeld des magnetischen Körpers (gem. obiger Definition) erfolgt, vorzugsweise vektoriell, d. h. in allen drei Raumrichtungen des kartesischen Koordinatensystems. Durch geeignete Anzahl und Art (hinsichtlich der Erfassung der Richtungskomponenten) der Magnetfeldsensoren kann dann mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung die Position des magnetischen Körpers in bis zu sechs mechanischen Freiheitsgraden bestimmt werden. Die Magnetfeldsensoren können monolithisch integriert sein, wodurch ihre Lage zueinander sehr genau definiert ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.As magnetic field sensors, for example, Hall sensors or sensors based on the magnetoresistive effect can be used in the proposed method and the associated arrangement. For the realization of the method and the associated arrangement, it does not matter which physical process is used to detect the component (s) of the magnetic flux density by the sensors. It is essential that the detection of the directional components of the magnetic flux by the sensors in the near field of the magnetic body (according to the above definition) takes place, preferably vectorially, d. H. in all three spatial directions of the Cartesian coordinate system. By suitable number and type (with respect to the detection of the directional components) of the magnetic field sensors can then be determined in the proposed method and the associated arrangement, the position of the magnetic body in up to six mechanical degrees of freedom. The magnetic field sensors can be monolithically integrated, whereby their position is defined very precisely to each other. However, this is not mandatory.

Die vorgeschlagene Anordnung umfasst den magnetischen Körper, einen oder mehrere Magnetfeldsensoren im Nahfeld des magnetischen Körpers sowie eine Auswerte- und Messeinrichtung, die über den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des vom magnetischen Körper erzeugten Magnetfeldes erfasst und auswertet, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers zu bestimmen. Bei Einsatz mehrerer Magnetfeldsensoren sind diese in einem geringen Abstand zueinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand zueinander, der kleiner als die zweifache charakteristische Länge des magnetischen Körpers ist. Die Auswerte- und Messeinrichtung ist so ausgebildet, dass sie die Auswertung zumindest zum Teil entweder mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells oder unter Einsatz eines neuronalen Netzes durchführt.The proposed arrangement comprises the magnetic body, one or more magnetic field sensors in the near field of the magnetic body and an evaluation and measuring device which repeatedly detects locally one or more of three directional components of the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic body via the one or more magnetic field sensors and evaluates to determine the respective position of the magnetic body. When using a plurality of magnetic field sensors, these are arranged at a small distance from each other, preferably at a distance from one another which is smaller than twice the characteristic length of the magnetic body. The evaluation and measuring device is designed such that it performs the evaluation at least partially either with an optimal estimator based on a magnetic field model or using a neural network.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren im Nahbereich des magnetischen Körpers angeordnet. Dadurch können keine Lösungen herangezogen werden, wie sie bei den Fernfeld-Ortungsverfahren zum Einsatz kommen, die auf der Dipolnäherung beruhen. Die Anordnung im Nahfeld erfordert je nach Größe des magnetischen Körpers typischerweise einen Abstand unterhalb von 10 cm bis weniger als 1 mm. In diesem Abstand dominieren die für das Verfahren erforderlichen Multipolanteile die Form des Flussdichtefeldes, die im Fernfeld gegenüber dem Dipolanteil verschwinden. Durch diese Multipolanteile bzw. Multipolterme höherer Ordnung findet eine starke Änderung des Magnetfeldes auf sehr kleinem Raum statt. Die Multipolterme der Flussdichte sind in diesem Bereich erforderlich, um einen eineindeutige Beziehung zwischen Magnetfeldvektor und Position gewinnen zu können. Bei Einsatz mehrerer Magnetfeldsensoren sollten diese daher vorzugsweise ebenfalls auf sehr engem Raum beieinander, bspw. auf einem IC-Chip (IC: integrierter Schaltkreis), angeordnet werden. Das Sensorarray ist in diesem Fall also nicht weiträumig im Feld des magnetischen Körpers verteilt, sondern befindet sich in einem kleinen Ausschnitt des stark nichtlinearen Nahfeldes des magnetischen Körpers.In the proposed method, the one or more magnetic field sensors are arranged in the vicinity of the magnetic body. As a result, it is not possible to use solutions such as those used in far-field locating methods based on the dipole approximation. Depending on the size of the magnetic body, the arrangement in the near field typically requires a distance of less than 10 cm to less than 1 mm. At this distance, the multipole components required for the process dominate the shape of the flux density field, which vanishes in the far field with respect to the dipole portion. Due to these multipole parts or multipole terms of higher order, a strong change in the magnetic field takes place in a very small space. The multipole terms of the flux density are required in this area in order to obtain a one-to-one relationship between magnetic field vector and position. When using a plurality of magnetic field sensors, therefore, they should preferably also be arranged in a very small space, for example on an IC chip (IC: integrated circuit). The sensor array is therefore not widely distributed in the field of the magnetic body in this case, but is located in a small section of the highly nonlinear near field of the magnetic body.

Vorzugsweise werden bei der Auswertung Verfahren bzw. Ausgestaltungen zum Ermitteln der Position des magnetischen Körpers aus den Magnetfeldmesswerten eingesetzt, die unempfindlich gegen homogene Störfelder und/oder Temperatureffekte sind.In the evaluation, methods or embodiments for determining the position of the magnetic body from the magnetic field measured values that are insensitive to homogeneous interference fields and / or temperature effects are preferably used.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden – neben den mechanischen Freiheitsgraden – weitere die Messung beeinflussende Größen bestimmt. Hierzu wird im Falle eines optimalen Schätzer eine vorzugsweise analytische Beschreibung des Einflusses der Größe auf die Sensormesswerte mit in das Modell aufgenommen und der zu bestimmende Zustandsvektor um die zusätzlichen Größen erweitert. So können aus den Magnetfeldmesswerten weitere Eigenschaften geschätzt werden, wie z. B. ein homogenes Störfeld und/oder Sensorparameter (z. B. Empfindlichkeit oder Orthogonalitätsfehler) und/oder Parameter der magnetischen Quelle wie z. B. temperaturabhängige Remanenz oder Fehlmagnetisierung.In a further advantageous embodiment of the method - in addition to the mechanical degrees of freedom - further parameters influencing the measurement are determined. For this purpose, in the case of an optimal estimator, a preferably analytical description of the influence of the quantity on the sensor measured values is included in the model and the state vector to be determined is expanded by the additional variables. Thus, from the magnetic field measured values further properties can be estimated, such. B. a homogeneous interference field and / or sensor parameters (eg., Sensitivity or Orthogonitätsfehler) and / or parameters of the magnetic source such. B. temperature-dependent remanence or Fehlmagnetisierung.

Der Einsatz störfeld- und temperaturunempfindlicher Verfahren bzw. die explizite Bestimmung des Störfeldes und/oder von Temperaturparametern bewirkt einen erweiterten zulässigen Einsatzbereich der Positionssensorsysteme auch bei Vorliegen solcher Einflüsse, was vielfach der Fall ist und dann bisher geringere Genauigkeiten nach sich zieht oder aufwändigen Schirmungsmaßnahmen erfordert. Der Vorteil besteht im Gewinn an Genauigkeit und/oder entfallendem Aufwand für Schutzmaßnahmen, in Umgebungen mit starken Störfeldern (Elektromotoren, Stark-stromleitungen, Lichtbogen, ...) oder Temperaturschwankungen.The use of interference field and temperature-insensitive method or the explicit determination of the interference field and / or temperature parameters causes an extended permissible range of use of the position sensor systems even in the presence of such influences, which is often the case and then draws lower accuracy or requires complex shielding measures. The advantage is in Gain in accuracy and / or cost of protection, in environments with strong interference (electric motors, power lines, electric arc, ...) or temperature fluctuations.

Die Bestimmung der (mechanischen) Freiheitsgrade des bewegten magnetischen Körpers kann beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung alleine auf Basis des jeweils eingesetzten optimalen Schätzers oder neuronalen Netzes erfolgen. In vorteilhaften Ausgestaltungen werden jedoch Kombinationen unterschiedlicher Verfahren bzw. Algorithmen für die Positionsbestimmung genutzt. So kann in einer Ausgestaltung mit dem optimalen Schätzer oder mit dem neuronalen Netz zunächst eine grobe Näherung der Position erfolgen, die anschließend mit einem weiteren Verfahren verbessert wird (Hybridisierung). Als weiteres Verfahren kann dabei wiederum ein optimaler Schätzer oder ein neuronales Netz oder auch ein Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen. Bei einem nichtlinearen Optimierungsverfahren wird die Messfunktion während des Messablaufs iterativ, analytisch oder numerisch ausgewertet und dabei eine Zielfunktion minimiert. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist das Levenberg-Marquardt-Verfahren.The determination of the (mechanical) degrees of freedom of the moving magnetic body can be carried out in the proposed method and the associated arrangement solely on the basis of the respectively used optimal estimator or neural network. In advantageous embodiments, however, combinations of different methods or algorithms are used for the position determination. Thus, in one embodiment with the optimal estimator or with the neural network, a rough approximation of the position can first be made, which is subsequently improved with a further method (hybridization). As a further method, an optimal estimator or a neural network or an optimization method can again be used. In a non-linear optimization method, the measurement function is evaluated iteratively, analytically or numerically during the measurement process, thereby minimizing a target function. An example of such a method is the Levenberg-Marquardt method.

In einer anderen Ausgestaltung wird mit dem optimalen Schätzer oder mit dem neuronalen Netz lediglich eine erste Teilmenge der insgesamt zu ermittelnden Freiheitsgrade bestimmt (bspw. der Ort des magnetischen Körpers in bis zu drei Freiheitsgraden) und dann mit einem weiteren Verfahren die verbleibende zweite Teilmenge, d. h. die restlichen zu bestimmenden Freiheitsgrade (bspw. die Orientierung des magnetischen Körpers in bis zu drei Freiheitsgraden). Auch hier können die bereits genannten Verfahren, d. h. optimaler Schätzer, neuronales Netz oder Optimierungsverfahren für die Bestimmung der zweiten Teilmenge der Freiheitsgrade eingesetzt werden.In another embodiment, with the optimal estimator or with the neural network, only a first subset of the total degrees of freedom to be determined is determined (eg the location of the magnetic body in up to three degrees of freedom) and then with a further method the remaining second subset, i , H. the remaining degrees of freedom to be determined (for example, the orientation of the magnetic body in up to three degrees of freedom). Again, the already mentioned methods, d. H. optimal estimator, neural network or optimization method for the determination of the second subset of the degrees of freedom.

Schließlich kann nach einer Bestimmung der Freiheitgrade auch ein Verfahren aus der obigen Gruppe eingesetzt werden, um die Ergebnisse des für die Positionsbestimmung verwendeten Verfahrens zu plausibilisieren. Das für die Plausibilisierung eingesetzte Verfahren sollte sich dabei natürlich von dem für die Positionsbestimmung genutzten Verfahren unterscheiden.Finally, after a determination of the degrees of freedom, a method from the above group can also be used to make the results of the method used for the position determination plausible. The method used for the plausibility check should, of course, differ from the method used for determining the position.

Die für die Auswertung erforderlichen Rechenoperationen werden vorzugsweise von einem zum Messsystem, d. h. der vorgeschlagenen Anordnung, zugehörigen Prozessor durchgeführt, der integriert, eingebettet oder auch extern angeordnet sein kann. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren sowie der zugehörigen Anordnung lassen sich mehrere Freiheitsgrade eines magnetischen Körpers mit nur einem Sensor- oder Sensorarray bestimmen. Dies ermöglicht bspw. die simultane Messung von Verschiebung und Verdrehung. Es können zusätzliche Freiheitsgrade erfasst werden, die in der Messaufgabe nicht primär gesucht sind. Die Nutzung dieser Freiheitsgrade zur Überwachung von Größen zweiter Ordnung, zur Korrektur oder ähnlichem bewirkt eine größere Robustheit des Messsystems gegenüber mechanischen Toleranzen. Dies hat z. B. den Vorteil, dass Einbaulagefehler des magnetischen Körpers nicht durch teure End-Off-Line-Kalibrierung ausgeglichen werden müssen. Dadurch können ggf. preiswertere Fertigungsverfahren angewandt werden, da sich deren im Allgemeinen größere Toleranzen nicht negativ auf das Messergebnis auswirken. Außerdem können Montagetoleranzen auf diese Weise direkt gemessen werden, z. B. zur Fertigungsüberwachung oder Qualitätskontrolle. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen die Realisierung einfacherer Messsysteme, die damit auch weniger fehleranfällig, kompakter und preiswerter sind. Es können ggf. Sensoren eingespart werden und Bauraum wird gewonnen.The arithmetic operations required for the evaluation are preferably carried out by a to the measuring system, i. H. the proposed arrangement, associated processor performed, which may be integrated, embedded or arranged externally. With the proposed method and the associated arrangement, several degrees of freedom of a magnetic body can be determined with only one sensor or sensor array. This allows, for example, the simultaneous measurement of displacement and rotation. Additional degrees of freedom can be detected that are not primarily sought in the measurement task. The use of these degrees of freedom for monitoring second-order quantities, for correction or the like results in greater robustness of the measuring system compared to mechanical tolerances. This has z. B. the advantage that installation position errors of the magnetic body must not be compensated by expensive end-off-line calibration. As a result, cheaper manufacturing processes may possibly be used, since their generally larger tolerances do not adversely affect the measurement result. In addition, mounting tolerances can be measured directly in this way, for. B. for production monitoring or quality control. The method and the arrangement allow the realization of simpler measuring systems, which are thus less error-prone, more compact and less expensive. If necessary, sensors can be saved and installation space is gained.

Bei einer monolithischen Integration der Magnetfeldsensoren auf einem IC-Chip wird eine besonders starke Verringerung des Bauraums ermöglicht. Dies führt auch zu einer drastischen Reduzierung des Entwicklungs- und Fertigungsaufwandes für das Messsystem gegenüber einem diskreten Aufbau. Die Fehleranfälligkeit und die Herstellungskosten sinken dabei deutlich.In a monolithic integration of the magnetic field sensors on an IC chip, a particularly large reduction of the installation space is made possible. This also leads to a drastic reduction of the development and production costs for the measuring system compared to a discrete structure. The susceptibility to errors and the manufacturing costs fall significantly.

Die Verwendung hybrider Verfahren zur Positionsbestimmung erlaubt eine optimal auf die erforderliche Genauigkeit abgestimmte Rechenleistung. Das hat den Vorteil, dass ohne Abstriche an die Genauigkeitsanforderungen ein preiswerterer Mikrokontroller genutzt bzw. eine höhere Genauigkeit ohne Kostenerhöhung erzielt werden kann.The use of hybrid methods for position determination allows optimally matched to the required accuracy computing power. This has the advantage that it can be used without sacrificing the accuracy requirements, a cheaper microcontroller or higher accuracy can be achieved without cost increase.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung lassen sich grundsätzlich bei allen Anwendungen einsetzen, bei denen sich mechanische Teile in mehreren Freiheitsgraden oder Achsen bewegen. Der magnetische Körper wird dabei an dem jeweiligen zu überwachenden Objekt angebracht. Im Folgenden werden beispielhaft unterschiedliche Anwendungen aufgeführt, bei denen die magnetische Positionsmessung des vorgeschlagenen Verfahrens signifikante Vorteile bietet.The proposed method and the associated arrangement can basically be used in all applications in which mechanical parts move in multiple degrees of freedom or axes. The magnetic body is attached to the respective object to be monitored. In the following, different applications are listed by way of example, in which the magnetic position measurement of the proposed method offers significant advantages.

Mit Hilfe des Verfahrens ist es bspw. möglich, ein Bedienelement (Multi-DoF-Bedienelement) zu konstruieren, das neben drei Kippwinkeln (Rotation um x-, y- und z-Achse) weitere Freiheitsgrade, nämlich translatorische Bewegungen in alle Raumrichtungen erfasst. Der Aufbau besteht dann aus einem in alle Richtungen kipp- und verschiebbaren Hebel. Die Auslenkungen hierbei können sich im Bereich von ±10° bzw. ±5 mm bewegen. Am Bedienelement befindet sich ein quaderförmiger Magnetgeber (magnetischer Körper), der sich mit dem Bedienelement über einem feststehenden Sensor-IC bewegt. With the aid of the method, it is possible, for example, to construct an operating element (multi-DoF operating element) which, in addition to three tilt angles (rotation about the x, y and z axes) detects further degrees of freedom, namely translatory movements in all spatial directions. The structure then consists of a tilt and slide in all directions lever. The deflections in this case can move in the range of ± 10 ° or ± 5 mm. The control element is a cuboid magnetic encoder (magnetic body), which moves with the control element over a stationary sensor IC.

Ein weiteres Beispiel betrifft Pneumatik-Zylinder. Durch einen Ringzylinder-Magneten auf der Kolbenstange eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders lässt sich mit einem klassischen, magnetbasierten Weggeber die translatorische Position der Kolbenstange und damit der Hub des Zylinders ermitteln. Hierbei sorgen allerdings Präzisionsbewegungen des Magneten auf der Kolbenstange für Messfehler. Mit einem vektoriell messenden Sensoraufbau und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zur Verschiebung die Verkippung und Verdrehung des Magneten detektiert, was eine deutlich genauere Hubmessung ermöglicht.Another example concerns pneumatic cylinders. By means of a ring cylinder magnet on the piston rod of a hydraulic or pneumatic cylinder, the translational position of the piston rod and thus the stroke of the cylinder can be determined with a classic magnet-based displacement sensor. However, precision movements of the magnet on the piston rod cause measurement errors. With a vector-measuring sensor structure and method according to the present invention, the tilting and rotation of the magnet is detected in addition to the displacement, which allows a much more accurate stroke measurement.

Weitere Beispiele sind die Erfassung der Verdrehung eines Objektes mit Verschub (2 DoF, z. B. Drehwinkelgeber, Lenkwinkelgeber, Lenkstockschalter, Gangwahlschalter u. a.), die Zweifachverkippung eines Objektes mit Verschub (3 DoF, z. B. Joystick mit Druckfunktion, Luftfeder), die Dreiwegeverschiebung eines Objekts (3 DoF, z. B. Unwucht-, Drift-, Ventilwegsensor), die Zweifachverkippung eines Objektes mit Verschub und Drehung (4 DoF, z. B. Druck-Dreh-Joystick), die Dreifachverkippung eines Objektes (3 DoF, z. B. Kugelgelenke, Trackball), die Zweifachverkippung eines Objektes mit Dreifachverschiebung (5 DoF, z. B. Metallbalgkupplung), oder die Dreifachverschiebung und Verkippung eines Objekts (6 DoF, z. B. 6D-Maus, Lagerspielsensor). Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen die Bestimmung von mehreren Freiheitsgraden, um Toleranzen auszugleichen, bspw. bei einer Dreifachverschiebung mit einer Hauptachse und zusätzlichen marginalen Verschiebungen durch Spiel (überwachter Lineargeber) oder bei Drehung um eine Hauptachse und zusätzliche marginale Verdrehungen durch Spiel (überwachter Drehgeber). Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung der Möglichkeiten für den Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung.Further examples are the detection of the rotation of an object with displacement (2 DoF, eg rotary encoder, steering angle sensor, steering column switch, gear selector switch, etc.), the double tilt of an object with displacement (3 DoF, eg joystick with pressure function, air spring), the three-way displacement of an object (3 DoF, eg unbalance, drift, valve travel sensor), the double tilting of an object with displacement and rotation (4 DoF, eg pressure / rotary joystick), the triple tilting of an object (3 DoF, eg ball joints, trackball), the double tilt of an object with triple shift (5 DoF, eg metal bellows coupling), or the triple shift and tilt of an object (6 DoF, eg 6D mouse, bearing clearance sensor). The method and arrangement allow the determination of several degrees of freedom to compensate for tolerances, for example, in a triple shift with a major axis and additional marginal shifts by game (monitored linear encoder) or when rotating around a major axis and additional marginal twists by game (monitored encoder) , Of course, this is not an exhaustive list of possibilities for using the proposed method and arrangement.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method and the associated arrangement will be explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Magnetfeldsensoren sowie des magnetischen Körpers gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung; 1 a schematic representation of an arrangement of the magnetic field sensors and the magnetic body according to the proposed method and the associated arrangement;

2 ein Beispiel für eine Signalverarbeitung innerhalb eines Neurons eines neuronalen Netzes, wie es bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung zum Einsatz kommen kann; und 2 an example of signal processing within a neuron of a neural network, as may be used in the proposed method and arrangement; and

3 eine Darstellung eines Beispiels für die Positionsbestimmung mit einem neuronalen Netz. 3 a representation of an example of the position determination with a neural network.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele angegeben, bei der die Position eines sich bewegenden magnetischen Körpers mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelt wird. Der magnetische Körper weist dabei keine Rotationssymmetrie auf.In the following two embodiments are given, in which the position of a moving magnetic body is determined by means of the proposed method. The magnetic body has no rotational symmetry.

Das erste Beispiel zeigt eine Vorgehensweise zur Positionsbestimmung mit optimalen Schätzern. In 1 ist hierbei ein Positionsmesssystem bzw. eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt einen IC-Chip 1, im Folgenden auch als Sensorchip bezeichnet, auf dem sich fünf Magnetfeldsensoren 2 befinden. Jeder dieser Magnetfeldsensoren 2 kann das Magnetfeld vektoriell messen, d. h. alle drei Richtungskomponenten erfassen. Der Sensorchip liefert also 15 skalare Sensormesswerte. Ein nicht dargestellter Prozessor, der aus den Messwerten die Position, d. h. Ort und/oder Lage, des magnetischen Körpers bestimmt und damit als Mess- und Auswerteeinrichtung dient, kann in den IC-Chip 1 integriert oder als eingebettetes System oder als Computer, bspw. als PC, ausgeführt sein.The first example shows a procedure for determining the position with optimal estimators. In 1 Here, a position measuring system or an arrangement according to the present invention is shown. The figure shows an IC chip 1 , also referred to below as a sensor chip, on which five magnetic field sensors 2 are located. Each of these magnetic field sensors 2 can vectorially measure the magnetic field, ie capture all three directional components. The sensor chip thus provides 15 scalar sensor readings. An unillustrated processor, which determines the position, ie location and / or position, of the magnetic body from the measured values and thus serves as a measuring and evaluation device, can be incorporated in the IC chip 1 integrated or implemented as an embedded system or as a computer, for example as a PC.

Als magnetischer Körper bzw. magnetische Quelle wird ein quaderförmiger, in z-Richtung magnetisierter Permanentmagnet 3 verwendet. Dieser ist mit dem zu überwachenden Objekt fest verbunden, welches sich translatorisch und rotatorisch im Raum bewegen kann und dessen Ort und Lage relativ zum Sensor zu bestimmen ist. Der Sensor (IC-Chip 1) befindet sich im Nahfeld des Magneten 3.As a magnetic body or magnetic source is a cuboid, magnetized in the z direction permanent magnet 3 used. This is firmly connected to the object to be monitored, which can move in space in a translatory and rotational manner and whose location and position relative to the sensor is to be determined. The sensor (IC chip 1 ) is in the near field of the magnet 3 ,

Das ortsabhängige Flussdichtefeld des Magneten 3 wird durch eine nichtlineare Funktion B ⇀(r ⇀) beschrieben. Gemeinsam mit affinen Transformationen bildet diese die Messfunktion des Positionsmesssystems, also den Übergang des Positionsvektors (r ⇀) auf die Messwerte f ⇀_B(r ⇀) = (B_x ¹, B_y ¹, B_z ¹ ..., B_z ^m)^T für die m = 5 vektoriellen Magnetfeldsensoren 2. Um die sechs Positionswerte (drei translatorische und sechs rotatorische Freiheitsgrade) zu berechnen, muss die Mess- oder Modellfunktion f_B: R⁶ → R^3m im Rahmen des Algorithmus invertiert werden. Dies kann meist nicht direkt erfolgen, da eine explizite Inverse der Messfunktion nur in sehr speziellen Fällen bekannt ist. Die Positionswerte werden daher beim vorliegenden Verfahren geschätzt. Eine Möglichkeit hierfür ist die Technik mit optimalen Schätzern. Diese beruht auf statistischen Methoden. Beispielsweise wird im Falle eines Kalman-Filter-basierten Ansatzes in einem zweistufigen Berechnungsablauf eine zu bestimmende Position zunächst anhand eines Bewegungsmodelles vorhergesagt und dann durch die Messwerte y ⇀ korrigiert. Um der nichtlinearen Messfunktion Rechnung zu tragen, wird bei diesem Ansatz eine Linearisierung (extended Kalman-Filter) oder die sog. Unscented Transformation verwendet. The location-dependent flux density field of the magnet 3 is due to a non-linear function B ⇀ (r ⇀) described. Together with affine transformations, this forms the measuring function of the position measuring system, ie the transition of the position vector (r ⇀) on the readings f ⇀ _B (r ⇀) = (B _x ¹ , B _y ¹ , B _z ¹ ..., B _z ^m ) ^T for the m = 5 vectorial magnetic field sensors 2 , To calculate the six position values (three translatory and six rotatory degrees of freedom), the measurement or model function f _B : R ⁶ → R ^3m must be inverted in the algorithm. This can usually not be done directly, as an explicit inverse of the measurement function is known only in very special cases. The position values are therefore estimated in the present method. One possibility for this is the technique with optimal estimators. This is based on statistical methods. For example, in the case of a Kalman filter-based approach, in a two-stage calculation sequence, a position to be determined is first predicted on the basis of a motion model and then corrected by the measured values y ⇀. In order to take the non-linear measurement function into account, this approach uses a linearization (extended Kalman filter) or the so-called unscented transformation.

Mit Hilfe mehrerer Berechnungsschritte wird hierbei der Zustandsfaktor x ⇀ und damit die gesuchten Freiheitsgrade schrittweise geschätzt. Die für eine linearisierte Variante eines Kalman-Filters durchgeführten Berechnungsschritte lauten beispielsweise: Initialisierung:

Vorhersage:

Korrektur:

With the aid of several calculation steps, the state factor x ⇀ and thus the desired degrees of freedom are estimated step by step. The calculation steps performed for a linearized variant of a Kalman filter are, for example: Initialization:

prediction:

Correction:

Die Initialisierungswerte für

und die Kovarianzmatrix P₀ ergeben sich durch den Aufbau. Diese können im Beispiel zu

bzw. P₀ = 0_6,6 gewählt werden. Die Parametermatrizen Rⁿ, R^p entsprechen dem zu erwartenden Sensorrauschen bzw. der Unsicherheit über den Bewegungsprozess. Die Funktion

B(x →, n →)

stellt hierbei die Messfunktion bzw. das Messmodell dar. Eingangsparameter sind die Position und x → das Messrauschen n →. Die Übergangsfunktion

F(x →, p →)

beschreibt die Dynamik des Systems abhängig von der Position x → und dem Prozessrauschen p →.The initialization values for

and the covariance matrix P ₀ result from the structure. These can in the example too

and P ₀ = 0 _6.6 can be selected. The parameter matrices R ⁿ , R ^p correspond to the expected sensor noise or the uncertainty about the motion process. The function

B (x →, n →)

represents the measurement function or the measurement model. Input parameters are the position and x → the measurement noise n →. The transition function

F (x →, p →)

describes the dynamics of the system depending on the position x → and the process noise p →.

Im nächsten Beispiel wird die Positionsbestimmung mit neuronalen Netzen näher erläutert. Neuronale Netze bestehen aus relativ einfachen Signalverarbeitungseinheiten, den sog. Neuronen, und Verbindungen zwischen diesen. Unter bestimmten Voraussetzungen lässt sich eine Abbildung f: Rⁿ → R^m (n, m aus N) beliebig genau durch ein neuronales Netz approximieren, wenn die Topologie des Netzes und die Gewichtung der Verbindungen zwischen den Neuronen geeignet gewählt werden. Ein typisches neuronales Netz kann bspw. mit fünf Eingängen und einem Ausgang realisiert werden. Jedes Neuron berechnet aus den Signalwerten der eingehenden Verbindungen sowie einem konstanten Offset eine gewichtete Summe und wendet auf diese eine sog. Aktivierungsfunktion σ: R → R an. Der so ermittelte Funktionswert kann weiteren Neuronen als Input zur Verfügung stehen oder er wird als Ausgangswert des Netzes verwendet. 2 zeigt hierzu eine beispielhafte Signalverarbeitung innerhalb eines Neurons 4. Die über die Eingänge 5 eingehenden Signale werden zunächst mit den Gewichtsfaktoren w₁..., w_p gewichtet und aufsummiert. Bei der Summation wird ein Offset 6 berücksichtigt, der in die Summation eingebracht wird. Anschließend wird auf das Ergebnis die Aktivierungsfunktion σ angewendet und das Ergebnis am Ausgang 7 ausgegeben. Bei dem auf neuronalen Netzen basierten Ansatz wird die Invertierung der Messfunktion a priori durchgeführt, indem das neuronale Netz trainiert wird. Dies ist in 3 veranschaulicht. Das Training 12 erfolgt im Labor 8. Um die zu einem Messwertevektor B gehörenden Orts- und Lagedaten r zu ermitteln, werden dann in der Anwendung 9 die Komponenten von B aus der Messung 10 als die Eingangsdaten in das trainierte neuronale Netz 11 eingespeist, das dann an seinen Ausgängen eine Näherung für den gesuchten Orts- und Lagevektor r ⇀ ausgibt. Dies ist im unteren Teil der 3 dargestellt.In the next example, the position determination with neural networks is explained in more detail. Neural networks consist of relatively simple signal processing units, the so-called neurons, and connections between them. Under certain conditions, a mapping f: R ⁿ → R ^m (n, m from N) can be approximated by a neural network as exactly as desired, if the topology of the network and the weighting of the connections between the neurons are suitably chosen. A typical neural network can, for example. realized with five inputs and one output. Each neuron calculates a weighted sum from the signal values of the incoming connections and a constant offset and applies a so-called activation function σ: R → R to it. The thus determined function value can be available to further neurons as input or it is used as output value of the network. 2 shows an exemplary signal processing within a neuron 4 , The over the inputs 5 Incoming signals are first weighted with the weighting factors w ₁ ... w _p and added up. The summation becomes an offset 6 taken into account in the summation. Subsequently, the activation function σ is applied to the result and the result at the output 7 output. In the neural network based approach, the inversion of the measurement function is performed a priori by training the neural network. This is in 3 illustrated. The workout 12 done in the lab 8th , In order to determine the location and location data r belonging to a measured value vector B, the application then becomes 9 the components of B from the measurement 10 as the input data into the trained neural network 11 fed, which then outputs an approximation for the sought location and position vector r ⇀ at its outputs. This is in the lower part of the 3 shown.

Das neuronale Netz beinhaltet also ein implizites Modell der inversen Messfunktion. Ein solches implizites Modell kann mit relativ geringem rechentechnischen Aufwand und sehr schnell während der Messung ausgewertet werden.The neural network thus contains an implicit model of the inverse measurement function. Such an implicit model can be evaluated with relatively little computational effort and very fast during the measurement.

Für das Training 12 wird durch Simulation oder Messung 13 eine große Menge von Trainingsdaten M{(Bⁱ, rⁱ)|1 ≤ i ≤ k} erzeugt, wobei die Magnetfeldwerte Bⁱ der Position rⁱ entsprechen. Beim Einspeisen der Komponenten eines der Vektoren B^k als Eingabe in das neuronale Netz bilden dessen Ausgänge dann die Komponenten eines Vektors r →^k . Mit Hilfe des sog. Trainingsalgorithmus werden die Gewichte w_j der Verbindungen des neuronalen Netzes so optimiert, dass die Ausgabe r →ⁱ des Netzes für alle 1 ≤ i ≤ K möglichst genau mit rⁱ übereinstimmt.For the training 12 is through simulation or measurement 13 a large amount of training data {M (B ^i, r ⁱ⁾ | 1 ≤ i ≤ k} generated, the magnetic field values B ⁱ correspond to the position r ^i. When feeding the components of one of the vectors B ^k as input to the neural network, its outputs then form the components of a vector r → ^k , With the help of the so-called training algorithm, the weights w _{j of} the connections of the neural network are optimized so that the output r → ⁱ of the network for all 1 ≤ i ≤ K as exactly as possible with r ⁱ .

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: IC-ChipIC chip
22: Magnetfeldsensormagnetic field sensor
33: Permanentmagnetpermanent magnet
44: Neuronneuron
55: Eingänge des NeuronsInputs of the neuron
66: Offsetoffset
77: Ausgang des NeuronsOutput of the neuron
88th: Laborlaboratory
99: Anwendungapplication
1010: MessungMeasurement
1111: neuronales Netzneural network
1212: Trainingtraining
1313: Messreihe/SimulationMeasurement series / Simulation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1040369 B1 [0007]
EP 2606411 B1 [0008]

Claims

Method for determining the position of a magnetic body ( 3 ) by means of one or more magnetic field sensors ( 2 ) relative to the one or more magnetic field sensors ( 2 ), in which the one or more magnetic field sensors ( 2 ) locally repeats one or more of three direction components of a magnetic flux density of the magnetic body ( 3 ) are detected and evaluated to the respective position of the magnetic body ( 3 ), wherein - the one or more magnetic field sensors ( 2 ) in the near field of the magnetic body ( 3 ) and - the evaluation takes place at least partially either with an optimal estimator based on a magnetic field model or with a neural network.

Method according to claim 1, characterized in that at least one 3D magnetic field sensor ( 2 ) is used, with which all three direction components of the magnetic flux density are detected.

Method according to claim 1, characterized in that at least three magnetic field sensors ( 2 ) are used, each detecting only a direction component of the magnetic flux density.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the evaluation, the position is first roughly determined with an optimal estimator and then further refined using a neural network or with an optimization method.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that during the evaluation, the position is first roughly determined using a neural network and then further refined with an optimal estimator or with an optimization method.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the evaluation of the position in several degrees of freedom is determined, wherein a first subset of the degrees of freedom with an optimal estimator and a remaining second subset of degrees of freedom using a neural network or with an optimization method is determined.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the evaluation of the position in several degrees of freedom is determined, wherein a first subset of the degrees of freedom using a neural network and a remaining second subset of the degrees of freedom with an optimal estimator or with an optimization method is determined.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that after the determination of the position, a plausibility check is carried out with a method that was not used for the determination of the position.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that from the measured values, which are detected by the magnetic field sensors, in the evaluation also further the magnetic flux density at the location of the measurement or the measurement itself influencing variables are determined.

A method according to claim 9, characterized in that as a further variables, a homogeneous interference field and / or sensor parameters and / or one or more parameters of the magnetic body are determined.

Arrangement for determining the position of a magnetic body, the - the magnetic body ( 3 ), - one or more magnetic field sensors ( 2 ) in the near field of the magnetic body ( 3 ), and - has an evaluation and measuring device which, via the one or more magnetic field sensors ( 2 ) locally repeats one or more of three direction components of a magnetic flux density of the magnetic body ( 3 ) detected and evaluated to the respective position of the magnetic body ( 3 ), wherein - the evaluation and measuring device is designed such that it performs the evaluation at least partially either with an optimal estimator based on a magnetic field model or using a neural network.

Arrangement according to claim 11, characterized in that at least a subset of the magnetic field sensors ( 2 ) are spaced apart from each other by less than twice the characteristic length of the magnetic body.

Arrangement according to claim 11 or 12, characterized in that at least one of the magnetic field sensors ( 2 ) is a 3D magnetic field sensor.

Arrangement according to claim 11 or 12, characterized in that at least three of the magnetic field sensors ( 2 ) Are magnetic field sensors, each of which can detect only a direction component of the magnetic flux density.

Arrangement according to one of claims 11 to 14, characterized in that the magnetic field sensors ( 2 ) are arranged monolithically integrated on a sensor substrate.

Arrangement according to one of claims 11 to 15, characterized in that the evaluation and measuring device is formed by a processor.