DE102008042621A1 - Device for measuring a direction of movement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung, welche Magnetfelderfassungsmittel zur Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes und Bewegungserfassungsmittel zur Erfassung einer Drehrate und/oder eines Drehwinkels sowie eine Bewertungseinrichtung enthält, welche aus den Daten der Magnetfelderfassungsmittel und den Daten der Bewegungserfassungsmittel ein Ausgangssignal erzeugt.The invention relates to a device for measuring a direction of movement, which magnetic field detecting means for measuring the direction of the earth's magnetic field and motion detection means for detecting a rate of rotation and / or a rotation angle and an evaluation device which generates an output signal from the data of the magnetic field detecting means and the data of the movement detection means.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung, welche Magnetfelderfassungsmittel zur Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes enthält.The Invention relates to a device for measuring a direction of movement, which magnetic field detecting means for measuring the direction of the earth's magnetic field contains.
Die genannten Vorrichtungen werden insbesondere dazu verwendet, die Bewegungsrichtung eines Fahrzeuges, eines Bootes oder eines Flugzeuges relativ zum Erdmagnetfeld zu erfassen. Die Bewegungsrichtung kann dann dem Benutzer visualisiert werden, beispielsweise in Form eines Kompasskurses. Weiterhin kann die erfasste Bewegungsrichtung als Eingangswert einer automatischen Steuerung verwendet werden, so dass die Bewegungsrichtung bei Abweichungen von einem vorgebbaren Sollkurs automatisiert korrigiert wird.The mentioned devices are used in particular, the Direction of movement of a vehicle, a boat or an airplane to capture relative to the earth's magnetic field. The direction of movement can then visualized to the user, for example in the form of a Compass heading. Furthermore, the detected movement direction as Input value of an automatic control can be used, so that the direction of movement in case of deviations from a predetermined Target price is automatically corrected.
Zur Erfassung der Bewegungsrichtung ist aus dem Stand der Technik bekannt, mittels dreier Magnetfeldsensoren die Stärke des Erdmagnetfeldes in drei Raumrichtungen zu erfassen. Dadurch können die drei Komponenten des Feldvektors und damit dessen Richtung bestimmt werden. Ein einzelner Sensor kann dabei beispielsweise ein Hallsensor, ein Fluxgatesensor oder ein GMR-Sensor sein.to Detection of the direction of movement is known from the prior art, by means of three magnetic field sensors the strength of the geomagnetic field in to capture three spatial directions. This allows the three components of the Field vector and thus its direction are determined. An individual For example, the sensor can be a Hall sensor, a fluxgate sensor or a GMR sensor.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch die Tatsache, dass magnetische Sensoren zwar über einen längeren Zeitraum ein relativ stabiles Richtungssignal liefern, jedoch auch kurzfristig auf lokale Störungen reagieren. Dadurch wird das Richtungssignal gestört und eine zuverlässige Erfassung der Bewegungsrichtung wird unmöglich. Lokale Störungen können sich dabei insbesondere durch Anomalien des Erdmagnetfeldes, durch die Anwesenheit eisenmetallischer Gegenstände oder die Nähe zu stromdurchflossenen elektrischen Leitungen ergeben.adversely However, in this state of the art is the fact that magnetic Although sensors over a longer one Period provide a relatively stable directional signal, but also short-term to local disturbances react. As a result, the direction signal is disturbed and reliable detection of Movement direction becomes impossible. Local disturbances can in particular by anomalies of the earth's magnetic field, by the presence of iron-metal objects or the proximity to current-carrying result in electrical wiring.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung anzugeben, mit welcher die Bewegungsrichtung genauer und mit größerer Zuverlässigkeit angegeben werden kann.outgoing From the prior art, the invention is therefore based on the object to specify a device for measuring a direction of movement, with which the direction of movement is more accurate and with greater reliability can be specified.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung gelöst, welche Magnetfelderfassungsmittel zur Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes und Bewegungserfassungsmittel zur Erfassung einer Drehrate und/oder eines Drehwinkels sowie eine Bewertungseinrichtung enthält. Dabei erzeugt die Bewertungseinrichtung aus den Daten der Magnetfelderfassungsmittel und den Daten der Bewegungserfassungsmittel ein Ausgangssignal, welches die Bewegungsrichtung beschreibt.The The object is achieved by a Device for measuring a direction of motion solved, which Magnetic field detecting means for measuring the direction of the earth's magnetic field and motion detection means for detecting a rotation rate and / or a rotation angle and an evaluation device contains. there generates the evaluation device from the data of the magnetic field detection means and the data of the motion detection means an output signal, which describes the direction of movement.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Bewegungsrichtung weiterhin aus der relativen Orientierung zum Erdmagnetfeld zu bestimmen. Die so gewonnen Daten werden durch Erfassung einer Drehrate und/oder eines Drehwinkels plausibilisiert. Auf diese Weise können Messfehler der Magnetfelderfassungsmittel aufgrund zeitlicher oder örtlicher Störfelder erkannt und eliminiert werden. Umgekehrt kann eine gemessene Drehrate bzw. ein gemessener Drehwinkel plausibilisiert werden, in dem die erwartete Änderung der Orientierung zum Erdmagnetfeld vorausberechnet und mit der gemessenen Orientierung verglichen wird.According to the invention, it is proposed the direction of movement continues from the relative orientation to Earth magnetic field to determine. The data obtained in this way are collected a rate of rotation and / or a rotation angle plausibility. To this Way you can Measurement error of the magnetic field detection means due to temporal or local interference fields be recognized and eliminated. Conversely, a measured rate of turn or a measured angle of rotation can be made plausible, in which the expected change the orientation to the geomagnetic field precalculated and with the measured Orientation is compared.
Für die wechselseitige Plausibilisierung der von den Magnetfelderfassungsmitteln und den Bewegungserfassungsmitteln erzeugten Daten steht erfindungsgemäß eine Bewertungseinrichtung zur Verfügung. Die Bewertungseinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, aus den gemessenen Rohdaten eine Bewegungsrichtung mit möglichst geringem Fehler zu erzeugen. Dazu kann die Bewertungseinrichtung beispielsweise einen Kalman-Filter oder ein neuronales Netzwerk enthalten. Alternativ können auch stochastische Filter oder theoretische Vorhersagen über die erwartete Bewegung von der Bewertungseinrichtung berücksichtigt werden.For the mutual Plausibilisierung of the magnetic field detection means and the According to the invention, the data generated by movement detection means is an evaluation device to disposal. The evaluation device is in particular configured to off the measured raw data a direction of movement as possible to produce a small error. For this purpose, the evaluation device For example, a Kalman filter or a neural network contain. Alternatively, too stochastic filters or theoretical predictions about the expected movement of the evaluation device considered become.
Als Bewegungserfassungsmittel kommen insbesondere mikromechanische Sensoren in Betracht. Zur Erfassung einer Drehrate oder eines Drehwinkels können beispielsweise Gyroskope oder federnd aufgehängte Messelemente verwendet werden. Weiterhin können die Bewegungserfassungsmittel Beschleunigungssensoren zur Erfassung einer lateralen Beschleunigung umfassen. Neben der oben dargestellten Plausibilisierung der von den Magnetfelderfassungsmitteln bestimmten Orientierung zum Erdmagnetfeld können diese Daten darüber hinaus zur Korrektur der Daten der Magnetfelderfassungsmittel bei Verkippung der magnetischen Sensoren dienen.When Motion detection means are in particular micromechanical sensors into consideration. For detecting a rate of rotation or a rotation angle can For example, used gyroscopes or spring-mounted measuring elements become. Furthermore you can the motion detection means acceleration sensors for detection a lateral acceleration include. In addition to the above Plausibilisierung determined by the magnetic field detection means Orientation to the Earth's magnetic field can this data about it in addition to correcting the data of the magnetic field detecting means Tilting of the magnetic sensors serve.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung befinden sich sowohl die Bewegungserfassungsmittel als auch die Magnetfelderfassungsmittel sowie die Bewertungseinrichtung in einem einzigen Gehäuse mit mehreren Anschlusskontakten, so dass nach Anlegen einer Betriebsspannung an das Bauelement unmittelbar Daten ausgegeben werden, welche die Bewegungsrichtung kennzeichnen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfelderfassungsmittel, die Bewegungserfassungsmittel und die Bewertungseinrichtung auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht sowie der Herstellungsaufwand vermindert.In a preferred embodiment of the invention are both the motion sensing means as well as the magnetic field sensing means as well the evaluation device in a single housing with several connection contacts, so that after applying an operating voltage to the device immediately Data are output, which identify the direction of movement. In a particularly preferred embodiment, the magnetic field detecting means, the motion detection means and the evaluation means a single semiconductor substrate arranged. This way will the reliability the device according to the invention elevated and the production cost is reduced.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Navigationsgerätes oder eines elektronischen Kompasses sein. Weiterhin kann die Vorrichtung Bestandteil von Consumer-Elektronik sein, wie beispielsweise einem Mobiltelefon, einem PDA oder einem tragbaren Computer. In diesem Fall kann die Consumer-Elektronik neben ihrer Hauptaufgabe auch zur Navigation oder zur Anzeige einer Bewegungsrichtung verwendet werden.The present invention proposed Vor Direction may for example be part of a navigation device or an electronic compass. Furthermore, the device may be part of consumer electronics, such as a mobile phone, a PDA or a portable computer. In this case, the consumer electronics can be used in addition to their main task for navigation or to display a direction of movement.
Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die Erfindung nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt:Without restriction of the general concept of the invention, the invention is intended below based on an embodiment be explained in more detail. Showing:
Die
Vorrichtung gemäß
Um
einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Halbleitersubstrat
Auf
der Oberfläche
des Halbleitersubstrates
Die
Magnetfelderfassungsmittel
Weiterhin
umfasst das Halbleitersubstrat
Die
von den Bewegungserfassungsmitteln
Die
Bewertungseinrichtung
Die
Bewertungseinrichtung
Weiterhin
weist das Halbleitersubstrat
Im ersten Verfahrensschritt wird zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung die relative Orientierung zum Erdmagnetfeld bestimmt. Hierzu werden die Magnetfelderfassungsmittel ausgelesen. Sofern die Magnetfelderfassungsmittel eine Vielzahl von Sensoren umfassen, welche jeweils eine Komponente des Erdmagnetfeldes in einer Raumrichtung bestimmen, kann hieraus die relative Orientierung zum Erdmagnetfeld eindeutig bestimmt werden.in the first method step is used to determine a direction of movement determines the relative orientation to the Earth's magnetic field. For this purpose, the Magnetic field detecting means read. Provided the magnetic field detecting means comprise a plurality of sensors, each having a component of the earth's magnetic field in a spatial direction, it can the relative orientation to the Earth's magnetic field can be clearly determined.
Im nächsten Verfahrensschritt wird zumindest eine Drehrate bzw. ein Drehwinkel mithilfe der Bewegungserfassungsmittel bestimmt. Diese Abfrage erzeugt eine Information darüber, ob sich das Navigationsgerät bzw. das zugehörige Fahr- oder Flugzeug geradlinig bewegt oder die Bewegungsrichtung eine gekrümmte Bahn aufweist.in the next Process step is at least a rate of rotation or a rotation angle determined using motion detection means. This query generates an information about whether the navigation device or the associated Driving or aircraft moved in a straight line or the direction of movement curved Railway has.
Im
dritten Verfahrensschritt wird schließlich eine Bewertung der von
den Magnetfelderfassungsmitteln und den Bewegungserfassungsmitteln
gelieferten Daten vorgenommen. Diese Bewertung kann insbesondere
auch einen Vergleich mit Daten umfassen, welche in einem vorherigen
Zeitschritt aufgenommen wurden. Das Ziel der Bewertung gemäß dem dritten
Verfahrensschritt besteht darin, die Nachteile der Magnetfelderfassungsmittel
und die Nachteile der Bewegungserfassungsmittel gegenseitig zu eliminieren.
So weisen beispielsweise die Daten der Magnetfelderfassungsmittel
Die Messung einer Bewegungsrichtung mittels einer Einrichtung zur Bewegungserfassung zeichnet sich durch niedriges Rauschen und Unempfindlichkeit gegenüber kurzzeitigen oder lokalen Störungen aus. Andererseits können sich Messfehler über einen längeren Zeitraum summieren und so die Richtungsbestimmung negativ beeinflussen. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass durch eine Messung der Bewegungsrichtung, eine Messung des Erdmagnetfeldes und eine Bewertung der erhaltenen Daten die Nachteile beider Messeinrichtungen durch die jeweiligen Vorteile kompensiert werden können.The Measurement of a movement direction by means of a device for detecting movement draws characterized by low noise and insensitivity to short-term or local disturbances out. On the other hand measuring errors over a longer one Add up the period and thus negatively influence the direction determination. According to the invention was now realized that by measuring the direction of movement, a Measurement of the Earth's magnetic field and an evaluation of the data obtained the disadvantages of both measuring devices by the respective advantages can be compensated.
Beispielsweise kann die Bewertung darin bestehen, dass die gemessene Orientierung zum Erdmagnetfeld mithilfe des erfassten Drehwinkels plausibilisiert wird. Sofern die Magnetfelderfassungsmittel aufgrund einer lokalen Störung des Magnetfeldes eine geänderte Orientierung zum Erdmagnetfeld anzeigen, muss auch ein korrespondierender Drehwinkel erkannt worden sein. Andernfalls kann die Magnetfeldmessung als fehlerhaft identifiziert werden.For example the assessment may consist in that the measured orientation to the geomagnetic field using the detected rotation angle plausibility becomes. If the magnetic field detecting means due to a local disorder the magnetic field changed Orientation to the Earth's magnetic field must also be a corresponding one Rotation angle have been detected. Otherwise, the magnetic field measurement identified as defective.
Weiterhin kann die Bewertung dergestalt vorgenommen werden, dass gemessene Drehraten oder Drehwinkel verworfen werden, wenn das verwendete Fahr- oder Flugzeug solche Bewegungen nicht zulässt.Farther the assessment can be made in such a way that measured Rotation rate or rotation angle are discarded if the used Driving or airplane does not allow such movements.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bewertung gemäß dem dritten Verfahrensschritt eine Datenfilterung mittels eines Kalman-Filters. Der Kalman-Filter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Bewegungsrichtung des Fahr- oder Flugzeuges in besonders einfacher Weise aus den aktuellen Messwerten und den Messwerten des vorherigen Zeitschrittes mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden kann. Da weitere Daten nicht erforderlich sind, kann Rechenleistung und Speicherplatz und damit Chipfläche eingespart werden.In A preferred embodiment of the invention comprises the evaluation according to the third method step a data filtering by means of a Kalman filter. The Kalman filter is characterized in particular by the fact that the direction of movement of the vehicle or aircraft in a particularly simple manner from the current Measurements and the measurements of the previous time step with high reliability can be determined. Since additional data is not required, can be saved computing power and storage space and thus chip area.
Im vierten Verfahrensschritt wird schließlich die Bewegungsrichtung ausgegeben. Diese kann nun entweder einem Benutzer über eine Anzeige visualisiert oder zur automatisierten Steuerung verwendet werden. Insbesondere kann die Bewegungsrichtung in Form eines digitalen Datums ausgegeben werden, beispielsweise im Format NMEA 0183. Sofern die Messdaten zur Bestimmung einer zukünftigen Bewegungsrichtung benötigt werden, beispielsweise bei Verwendung eines Kalman-Filters, werden die Messdaten der Magnetfelderfassungsmittel und/oder die Messdaten der Bewegungserfassungsmittel und/oder die bestimmte Bewegungsrichtung in einem Speicher abgelegt.in the fourth method step is finally the direction of movement output. This can now either a user over a Display visualized or used for automated control become. In particular, the direction of movement in the form of a digital Date, for example, in the format NMEA 0183. Unless the measurement data are needed to determine a future direction of movement, For example, when using a Kalman filter, the measured data the magnetic field detection means and / or the measurement data of the movement detection means and / or the determined direction of movement stored in a memory.
Nachdem in diesem Zeitschritt eine Bewegungsrichtung bestimmt und ausgegeben wurde, beginnt das Verfahren mit dem oben beschriebenen ersten Verfahrensschritt von vorne. Gegebenenfalls kann vor dem erneuten Ablauf eine vorgebbare Wartezeit programmiert werden. Durch den rekursiven Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Benutzer fortlaufend über seine Bewegungsrichtung informiert.After in this time step a move direction determined and output, the method begins with the above-described first method step from the beginning. Optionally, a predeterminable waiting time can be programmed before the re-run. Due to the recursive procedure of the method according to the invention, the user is informed continuously about his direction of movement.
Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen.the Specialist is self-evident familiar, that the invention is not limited to the illustrated embodiments limited is. Rather, you can in the implementation of the invention modifications and changes be made without substantially changing the invention itself. The The above description is therefore not intended to be limiting as illustrative to watch.
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