DE102014211283A1 - Device for navigation within areas exposed to a magnetic field - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung zur Navigation innerhalb von Bereichen, die einem Magnetfeld ausgesetzt sind, ist versehen mit einer innerhalb des Bereichs translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Sensoranordnung mit mindestens zwei in einer definierten geometrischen Beziehung zueinander angeordneten Magnetfeldsensoren zur Ermittlung der Stärke und/oder der Richtung des Magnetfeldes an den jeweiligen Aufenthaltsorten der Magnetfeldsensoren innerhalb des Bereichs. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die Messsignale der Magnetfeldsensoren empfängt und anhand einer Untersuchung der Messsignale auf ähnliche Abschnitte ihrer Zeitverläufe und/oder auf im Wesentlichen gegebene Übereinstimmungen charakteristischer Abschnitte der Zeitverläufe der Messsignale und anhand einer Bestimmung eines Zeitversatzes der ähnlichen Verläufe und/oder der charakteristischen Abschnitte der Messsignale erfolgende Signalverarbeitung eine Information über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung ermittelt.The device for navigation within areas which are exposed to a magnetic field is provided with a sensor arrangement that can be moved translationally and / or rotationally within the area with at least two magnetic field sensors arranged in a defined geometrical relationship for determining the strength and / or the direction of the magnetic field at the respective locations of the magnetic field sensors within the range. Furthermore, the device has an evaluation unit, which receives measurement signals of the magnetic field sensors and based on a study of the measurement signals on similar sections of their time courses and / or substantially given matches characteristic sections of the time courses of the measured signals and based on a determination of a time offset of the similar courses and / or the signal-processing taking place in the characteristic sections of the measuring signals determines information about the current position and / or the current speed and / or the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Navigation innerhalb von Bereichen, die einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Dabei kann das Magnetfeld im Wesentlichen zeitinvariant sein und/oder ortsabhängige bzw. ortsabhängig veränderliche Magnetfeldstärken und -richtungen aufweisen.The invention relates to a device for navigation within areas which are exposed to a magnetic field. In this case, the magnetic field can be essentially time-invariant and / or have location-dependent or location-dependent variable magnetic field strengths and directions.
Eine derartige Vorrichtung lässt sich beispielsweise zur Navigation in Gebäuden einsetzten. Bisher bekannte Vorrichtungen weisen eine Sensorik auf, die sich mit Hilfe von Kameras o.dgl. optischen Sensoren oder mittels Beschleunigungs- und/oder Drehratensensoren innerhalb des Gebäudes orientieren. Beispiele für derartige Vorrichtungen sind in
Aufgabe der Erfindung ist es, die Schätzung der relativen Bewegung einer Sensoranordnung innerhalb eines Bereichs, beispielweise innerhalb eines Raums, zu verbessern bzw. unter Zuhilfenahme zusätzlicher Messgrößen zu ermöglichen.The object of the invention is to improve the estimation of the relative movement of a sensor arrangement within a range, for example within a space, or to enable it with the aid of additional measured variables.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Navigation innerhalb von Bereichen, die einem Magnetfeld ausgesetzt sind, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist
- – mit einer innerhalb des Bereichs translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Sensoranordnung mit mindestens zwei in einer definierten geometrischen Beziehung zueinander angeordneten Magnetfeldsensoren zur Ermittlung der Stärke und/oder der Richtung des Magnetfeldes an den jeweiligen Aufenthaltsorten der Magnetfeldsensoren innerhalb des Bereichs und
- – einer Auswerteeinheit, die Messsignale der Magnetfeldsensoren empfängt und anhand einer Untersuchung der Messsignale auf ähnliche Abschnitte ihrer Zeitverläufe und/oder auf im Wesentlichen gegebene Übereinstimmungen charakteristischer Abschnitte der Zeitverläufe der Messsignale und anhand einer Bestimmung eines Zeitversatzes der ähnlichen Verläufe und/oder der charakteristischen Abschnitte der Messsignale erfolgende Signalverarbeitung eine Information über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung ermittelt.
- With a sensor arrangement which can be moved translationally and / or rotationally within the range and has at least two magnetic field sensors arranged in a defined geometrical relationship for determining the strength and / or the direction of the magnetic field at the respective locations of the magnetic field sensors within the range and
- An evaluation unit, which receives measurement signals of the magnetic field sensors and based on an examination of the measurement signals on similar sections of their time courses and / or on substantially given matches of characteristic sections of the time courses of the measurement signals and on the basis of a determination of a time offset of the similar courses and / or the characteristic sections of Measurement signals signal processing information about the current position and / or the current speed and / or the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement determined.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, zur Navigation bzw. zur Positionsschätzung eine Sensoranordnung einzusetzen, die mindestens zwei Magnetfeldsensoren aufweist, welche in einer definierten geometrischen Beziehung zueinander angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren sensieren die Stärke und/oder die Richtung des Magnetfeldes (mit oder ohne dessen Stärke – als mathematischer Betrag –) an denjenigen Positionen innerhalb des Bereiches, an denen sich die Magnetfeldsensoren aktuell befinden. Dabei wird die Sensoranordnung innerhalb des Bereichs in einer Richtung bewegt, so dass eine Bewegungskomponente von ungleich Null in Abstandserstreckung zwischen den Sensoren resultiert. Die Bewegung kann sowohl translatorisch als auch rotatorisch als auch eine Überlagerung aus beiden sein.According to the invention, it is thus provided to use a sensor arrangement for navigation or position estimation which has at least two magnetic field sensors which are arranged in a defined geometric relationship to one another. The magnetic field sensors sense the strength and / or the direction of the magnetic field (with or without its strength - as a mathematical value) at those positions within the range in which the magnetic field sensors are currently located. In this case, the sensor arrangement is moved within the area in one direction, so that a component of motion which is not equal to zero results in the distance between the sensors. The movement can be both translational and rotational as well as an overlay of both.
Es hat sich gezeigt, dass die Orts- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung anhand des Magnetfeldes insbesondere in Gebäuden vorteilhaft ist, da gerade in Gebäuden ein räumlich gesehen sich sehr schnell änderndes und damit insoweit feingranulares Magnetfeld vorhanden ist, das wohl auf Decken- und andere Gebäudearmierungen bzw. hierzu eingesetzten Stahlstäben zurückzuführen ist. Durch Ausnutzung eines derartigen bereits vorhandenen, feingranularen Magnetfeldes kann eine Positionierung durchgeführt werden, wobei mehrere Magnetfeldsensoren in einer festen geometrischen Beziehung verbaut sind und gemeinsam durch den Bereich (translatorisch und/oder rotatorisch) hindurch bewegt werden. Die Bestimmung der Bewegung erfolgt dann beispielsweise durch Korrelation. It has been found that the location and / or velocity determination is advantageous based on the magnetic field, especially in buildings, as there is a spatially seen very rapidly changing and so far fine-granular magnetic field in buildings, probably on ceiling and other Gebäudearmierungen or . Is used for this purpose steel rods. By utilizing such an already existing, finely granular magnetic field, a positioning can be carried out, wherein a plurality of magnetic field sensors are installed in a fixed geometric relationship and are moved together through the area (translationally and / or rotationally). The determination of the movement then takes place, for example, by correlation.
Allgemeiner ausgedrückt erfolgt die Bestimmung der Bewegung bzw. die Positionsschätzung anhand einer Untersuchung der Messsignale der Magnetfeldsensoren auf Identifizierung ähnlicher Abschnitte ihrer Zeitverläufe und/oder auf im Wesentlichen gegebene Übereinstimmungen charakteristischer Abschnitte der Zeitverläufe der Messsignale und anhand einer Bestimmung eines Zeitversatzes der ähnlichen Verläufe und/oder charakteristischen Abschnitte der Messsignale, wodurch eine Information über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung.More generally, the determination of the movement or the position estimation based on an examination of the measurement signals of the magnetic field sensors to identify similar portions of their time courses and / or substantially given matches of characteristic sections of the time courses of the measured signals and based on a determination of a time offset of the similar courses and / or characteristic sections of the measuring signals, whereby information about the current position and / or the current speed and / or the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement.
Durch den erfindungsgemäßen Ansatz der Nutzung eines vorhandenen insbesondere feingranularen Magnetfeldes für die Positionsbestimmung können insbesondere die Nachteile von GNSS-Empfängern in Gebäuden in Folge von beispielsweise starken Abschattungen der Satellitensignale beseitigt werden. Trägheitsmesssysteme, die alternativ zu GNSS-Empfängern eingesetzt werden könnten, driften relativ stark und erlauben daher lediglich eine unzureichende Bestimmung der aktuellen Position. Insoweit ist also der erfindungsgemäße Ansatz, Magnetfeldsensor zu verwenden, vorteilhaft.The inventive approach of using an existing particularly fine-grained magnetic field for position determination, in particular, the disadvantages of GNSS receivers in buildings due to, for example, strong shadowing of the satellite signals can be eliminated. Inertial measurement systems, which could be used as an alternative to GNSS receivers, drift relatively strong and therefore only allow an insufficient determination of the current position. In that regard, therefore, the inventive approach to use magnetic field sensor is advantageous.
Der Vorteil der Navigation anhand eines sich ortsabhängig verändernden Magnetfeldes besteht u. a. darin, dass kein konkretes Wissen über die Verteilung des Magnetfeldes (Betrag, Stärke und/oder Richtung) erforderlich ist. Man benötigt also insoweit keinerlei "Karten"-Information. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Auswertung von Signalen im Ortsbereich kann darin gesehen werden, dass man die Signale zur Bereinigung von Störungen relativ auswirkungsfrei filtern kann, und zwar durch Filterung im Zeitbereich, ohne dass dies einen signifikanten Signal- bzw. Signalinformationsverlust mit sich bringt. The advantage of navigation based on a location-dependent changing magnetic field u. a. in that no specific knowledge about the distribution of the magnetic field (magnitude, strength and / or direction) is required. So you do not need any "map" information. The advantage of the evaluation of signals according to the invention in the local area can be seen in the fact that one can filter the signals for the correction of disturbances relatively free of effects, by filtering in the time domain, without this entailing a significant signal or signal information loss.
Das erfindungsgemäß unmittelbar aus der Bewegung der Sensoranordnung ableitbare Signal beschreibt die Geschwindigkeit der Sensoranordnung. Durch einen (einzigen) Integrationsschritt gelangt man zur Position der Sensoranordnung. Demgegenüber muss man bei Verwendung von Inertial- bzw. anderen Beschleunigungssensoren deren Messsignal zweifach integrieren, um Positionsdaten zu erhalten, was aber wegen der beiden Integrationsschritte ungenauer bzw. fehlerbehafteter sein kann als bei der Erfindung. The signal deriving directly from the movement of the sensor arrangement according to the invention describes the speed of the sensor arrangement. A (single) integration step leads to the position of the sensor arrangement. In contrast, when using inertial or other acceleration sensors, it is necessary to integrate their measurement signal twice in order to obtain position data, which, however, can be more inaccurate or more error-prone than in the invention because of the two integration steps.
Die Positionsbestimmung ergibt sich aber auch alternativ anhand folgender Überlegungen. Das ortsabhängig veränderliche Magnetfeld kann als eine Art "Bild" aufgefasst werden, über das sich die Sensoranordnung bewegt. Wenn nun zwei Sensoren zeitlich verzögert die gleichen Bild-Merkmale "sehen", so kann anhand dessen auf die aktuelle Position der Sensoranordnung geschlossen werden.However, the position determination also results alternatively based on the following considerations. The location-dependent variable magnetic field can be regarded as a kind of "image" over which the sensor arrangement moves. If now two sensors "see" the time delayed the same image features, so it can be concluded based on the current position of the sensor array.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Sensoranordnung kann als 2D- oder 3D-Sensoranordnung also zur Bewegung durch ein 2D- oder ein 3D-Magnetfeld ausgelegt sein.The sensor arrangement used according to the invention can thus be designed as a 2D or 3D sensor arrangement for movement through a 2D or a 3D magnetic field.
Wie bereits oben angedeutet, ist es zweckmäßig, wenn die Information über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung innerhalb des Bereichs auf der Grundlage einer Kreuzkorrelation der Messsignale der Magnetfeldsensoren ermittelt wird. As already indicated above, it is expedient if the information about the current position and / or the current speed and / or the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement within the range is determined on the basis of a cross-correlation of the measurement signals of the magnetic field sensors ,
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Magnetfeldsensoren Veränderungen der Magnetfeldstärke und/oder -richtung ermitteln und dass die Auswerteeinheit die von den Magnetfeldsensoren gemessenen Signale in Relation zueinander setzt, um Informationen über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung zu erhalten.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that the magnetic field sensors determine changes in the magnetic field strength and / or direction and that the evaluation unit sets the signals measured by the magnetic field sensors in relation to each other to information about the current position and / or the current speed and / or to obtain the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement.
Schließlich kann es ferner von Vorteil sein, wenn die Sensoranordnung mehr als zwei Magnetfeldsensoren aufweist, wobei die Richtungen der Differenzpositionen jeweils mindestens zweier Magnetfeldsensoren unterschiedlich zueinander sind, wobei insbesondere gilt, dass so viele Magnetfeldsensoren vorhanden sind, dass die Richtungen der Differenzpositionen jeweils mindestens zweier Magnetfeldsensoren orthogonal zueinander sind. Finally, it may also be advantageous if the sensor arrangement has more than two magnetic field sensors, wherein the directions of the difference positions of at least two magnetic field sensors are different from each other, wherein in particular, there are so many magnetic field sensors that the directions of the difference positions of at least two magnetic field sensors are orthogonal to each other.
Wenn die Sensoranordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb des Bereichs entlang einer Linie bewegbar ist, ist es zweckmäßig, wenn die Magnetfeldsensoren (zwei bzw. insbesondere mehr als zwei Magnetfeldsensoren) entlang der Bewegungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Dies ist beispielsweise sinnvoll bei spurgeführten Fahrzeugen wie beispielsweise Schienenfahrzeugen. If the sensor arrangement of the device according to the invention is movable within the range along a line, it is expedient if the magnetic field sensors (two or in particular more than two magnetic field sensors) are arranged consecutively along the direction of movement. This is useful, for example, track-guided vehicles such as rail vehicles.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit ein Bandsperren- oder Notch-Filter zur Eliminierung von zeitvarianten Störmagnetwechselfeldern mit einer innerhalb eines angenommenen Frequenzbandes liegenden Frequenz aufweist, wobei es insbesondere von Vorteil sein kann, wenn die Eliminierungsfrequenz des Filters auf die Frequenz eines Störmagnetwechselfeldes selbstsynchronisierend bzw. selbstabstimmend ist.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that the evaluation has a bandstop or Notch filter for eliminating time-variant interference magnetic alternating fields with a lying within an assumed frequency band frequency, it may be particularly advantageous if the elimination frequency of the filter on the Frequency of a fault magnetic alternating field is self-synchronizing or selbstabstimmend.
Neben den Magnetfeldsensoren kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch noch mindestens ein weiterer Sensor vorgesehen sein, bei dem es sich beispielsweise um mindestens einen Beschleunigungssensor und/oder mindestens ein Gyroskop und/oder mindestens einen Satellitennavigationsempfänger zum Erhalt mindestens eines weiteren Messsignals handelt, das in die Auswerteeinheit zur Ermittlung der Information über die aktuelle Position und/oder die aktuelle Geschwindigkeit und/oder die aktuelle Beschleunigung und/oder die aktuelle Orientierung der Sensoranordnung eingebbar ist. Während beispielsweise die Magnetfeldsensoren vorteilhaft zur Ermittlung langsamer translatorischer Bewegungen der Sensoranordnung eingesetzt werden können, können durch zusätzliche (z.B. Trägheits-)Sensoren Kipp- und Drehbewegungen, d.h. Roll-, Gier- und Nickbewegungen der Sensoranordnung erfasst werden, wobei anzumerken ist, dass derartige Sensoren nicht unbedingt gut geeignet sein müssen, um langsame translatorische Bewegungen zu erfassen, da diese nach der Erfindung durch die Magnetfeldsensoren detektiert werden.In addition to the magnetic field sensors, at least one further sensor can also be provided in the device according to the invention, which is, for example, at least one acceleration sensor and / or at least one gyroscope and / or at least one satellite navigation receiver for obtaining at least one further measurement signal which enters the evaluation unit for determining the information about the current position and / or the current speed and / or the current acceleration and / or the current orientation of the sensor arrangement can be entered. For example, while magnetic field sensors may be advantageously used to detect slow translational movements of the sensor assembly, additional (e.g., inertial) sensors may cause tilting and rotation, i. Rolling, yawing and pitching movements of the sensor arrangement are detected, it being noted that such sensors need not necessarily be well suited to detect slow translational movements, since they are detected according to the invention by the magnetic field sensors.
Ferner ist es hinsichtlich der Schnelligkeit der Orts- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung der Sensoranordnung von Vorteil, wenn die Bandbreite des Ortsspektrums des Magnetfeldes, dem der Bereich, durch welchen sich die Sensoranordnung bewegt, ausgesetzt ist, größer ist, als es die Abstände der Magnetfeldsensoren untereinander sind. Die Magnetfeldsensoren sind dabei näher benachbart als 1/Bandbreite. Unter der Bandbreite wird der Hauptanteil des Ortsspektrums, also mehr als 50 %, vorzugsweise bis zu 70 % und insbesondere 90 % des Gesamtspektrums verstanden. Dann verkürzt sich die Wegstrecke, über die eine Korrelation erfolgen muss, damit eine Aussage über die Geschwindigkeit oder den aktuellen Aufenthaltsort der Sensoranordnung getroffen werden kann. Werden längere Korrelationszeiten toleriert, so können die zuvor genannten geometrischen Größenverhältnisse auch anders gewählt werden als oben angegeben.Furthermore, it is advantageous in terms of the speed of the location and / or velocity determination of the sensor arrangement if the bandwidth of the location spectrum of the magnetic field, that of the area through which the sensor arrangement moved, is exposed, is greater than the distances between the magnetic field sensors with each other. The magnetic field sensors are closer than 1 / bandwidth. The bandwidth is understood as meaning the major portion of the location spectrum, ie more than 50%, preferably up to 70% and in particular 90% of the total spectrum. Then the distance, via which a correlation has to take place, is shortened so that a statement about the speed or the current location of the sensor arrangement can be made. If longer correlation times are tolerated, then the aforementioned geometric proportions can also be chosen differently than indicated above.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn die Sensoranordnung zur Anordnung an einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem (z.B. Land-)Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, einem Schiff, einem Schienen- oder anderen spurgeführten (z. B. Kraft-)Fahrzeug und/oder einem autonom navigierenden (z.B. Industrie-)Roboter vorgesehen ist. Die Sensoranordnung kann aber ebenso gut von einem Fußgänger oder Fahrradfahrer mitgeführt werden.In a further embodiment of the invention, it is expedient for the sensor arrangement to be arranged on a vehicle, such as a (eg land) motor vehicle, an aircraft, a ship, a rail or other track-guided (eg force) vehicle and / or an autonomously navigating (eg industrial) robot is provided. However, the sensor arrangement can just as well be carried by a pedestrian or cyclist.
Schließlich kann auch mindestens ein zumindest phasenweise stillstehender Referenzmagnetfeldsensor zur Ermittlung eines (insbesondere quasi-stationären) Störmagnetfeldes vorgesehen sein, wobei die Störung durch das Störmagnetgleichfeld durch Korrektur der Messsignale der Magnetfeldsensoren der Sensoranordnung anhand des Messwerts bzw. des Messsignals des Referenzmagnetfeldsensors kompensierbar ist. Finally, it is also possible to provide at least one reference magnetic field sensor which is stationary at least in phases for determining a (in particular quasi-stationary) interference magnetic field, wherein the disturbance due to the interference magnetic field can be compensated by correcting the measurement signals of the magnetic field sensors of the sensor arrangement based on the measured value or the measurement signal of the reference magnetic field sensor.
Ein derartiger zumindest phasenweise stillstehender Referenz-Magnetfeldsensor kann beispielsweise an einem Schuh einer sich durch den Bereich bewegenden Person angebracht und insbesondere an einer im Wesentlichen starren Sohle des Schuhs angeordnet sein, wobei die anderen Magnetfeldsensoren der Sensoranordnung an dem zweiten Schuh der Person angebracht sind. Der Messwert eines potentiellen Stör-Magnetgleichfeldes kann dann mithilfe des Referenz-Magnetfeldsensors in denjenigen Phasen eines Bewegungsschritts der Person ermittelt werden In denen sich der mit dem Referenz-Magnetfeldsensor versehen Schuh nicht (insbesondere vor-)bewegt. Such a reference magnetic field sensor, which is stationary at least in phases, may, for example, be attached to a shoe of a person moving through the area and in particular be arranged on a substantially rigid sole of the shoe, the other magnetic field sensors of the sensor arrangement being attached to the person's second shoe. The measured value of a potential interfering magnetic DC field can then be determined with the aid of the reference magnetic field sensor in those phases of a movement step of the person in which the shoe provided with the reference magnetic field sensor does not move (in particular forward).
Die für die Erfindung wesentlichste Erkenntnis ist also, dass ein sich räumlich gesehene schnell d.h. in geringen Abständen veränderndes Magnetfeld, also eine feingranulares Magnetfeld genutzt werden kann, um die Position einer Sensoranordnung mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren zu schätzen bzw. zu bestimmen. The most significant finding for the invention is therefore that a spatially seen quickly. In a small intervals changing magnetic field, so a finely granular magnetic field can be used to estimate the position of a sensor array with at least two magnetic field sensors or to determine.
Hierzu werden mehrere Magnetfeldsensoren in geeigneter Weise angeordnet. Die vielversprechendste Anordnung wäre eine räumliche Anordnung, wobei die Abstände der Sensoren an die Granularität des Magnetfelds angepasst sein sollten, die dementsprechend zumindest schätzungsweise bekannt sein sollte. D.h., dass die Granularität der Ortsveränderung des Magnetfeldes, dem der Bereich, durch welchen sich die Sensoranordnung bewegt, ausgesetzt ist, gröber ist als die Abstandsabmessungen der Magnetfeldsensoren untereinander. So könnten die Sensoren in einem Quader, einem Würfel oder in einer Kugel angeordnet sein. Ist eine räumliche Anordnung nicht möglich, so können sie auch in einer Fläche oder entlang einer beliebig geformten Linie angeordnet sein. Besonders interessant erscheint die Unterbringung der Sensoren in einer Schuhsohle.For this purpose, a plurality of magnetic field sensors are arranged in a suitable manner. The most promising arrangement would be a spatial arrangement, wherein the distances of the sensors should be adapted to the granularity of the magnetic field, which accordingly should be at least estimated to be known. That is, the granularity of the location change of the magnetic field to which the area through which the sensor array moves is coarser than the pitch dimensions of the magnetic field sensors with each other. Thus, the sensors could be arranged in a cuboid, a cube or in a sphere. If a spatial arrangement is not possible, then they can also be arranged in a surface or along an arbitrarily shaped line. Especially interesting is the placement of the sensors in a shoe sole.
Bestimmung der Bewegung Determination of the movement
Wie bei einer optischen Maus die strukturierte Oberfläche, so wird nach der Erfindung das "durchziehende" fein granulare Magnetfeld durch die Sensoren an verschieden Stellen, optimalerweise zum identischen Zeitpunkt abgetastet und an eine Auswerteeinheit z.B. einen Computer übermittelt. Eine erneute Abtastung zu einem späteren Zeitpunkt liefert dasselbe Magnetfeldmuster zu einem späteren Zeitpunkt. Die Bewegung der Plattform (Sensoranordnung) lässt sich durch Korrelation der Signale bestimmen. Hierzu kann beispielsweise die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen den Zeitsignalen wenigstens zweier Sensoren bestimmt werden. Die Verschiebungskomponente in Richtung der Differenzposition der beiden Sensoren ergibt sich als das Argument Maximum der Korrelationsfunktion. Dies kann für alle Sensoren durchgeführt werden. Die Kombination der Verschiebungsvektoren beispielsweise durch Mittelung oder Minimieren des quadratischen Fehlers ergibt für jede Komponentenrichtung eine Bewegung. Die räumliche Kombination dieser Komponenten ergibt die räumliche Verschiebung. Dieses kann in allen Achsen erfolgen. Wenigstens lässt sich so ein 3D Geschwindigkeitsvektor bestimmen, dessen Integration die Position liefert. Die zeitliche Variation liefert die Beschleunigung. Ferner lässt sich auch direkt die Position bestimmen. In entsprechender Weise lässt sich im Falle einer Rotation der Sensoranordnung durch Integration des Rotationsgeschwindigkeitssignals über der Zeit die Lage/Ausrichtung der Sensoranordnung bestimmen.As with an optical mouse, the structured surface, according to the invention, the "passing" finely granular magnetic field is scanned by the sensors at various locations, optimally at the same time, and sent to an evaluation unit e.g. transmitted a computer. Resampling at a later time provides the same magnetic field pattern at a later time. The movement of the platform (sensor arrangement) can be determined by correlation of the signals. For this purpose, for example, the cross-correlation function between the time signals of at least two sensors can be determined. The displacement component in the direction of the difference position of the two sensors results as the argument maximum of the correlation function. This can be done for all sensors. The combination of the displacement vectors, for example, by averaging or minimizing the squared error results in a motion for each component direction. The spatial combination of these components results in the spatial displacement. This can be done in all axes. At least one can determine a 3D velocity vector whose integration provides the position. The temporal variation provides the acceleration. Furthermore, the position can also be determined directly. In a corresponding manner, the position / orientation of the sensor arrangement can be determined in the case of rotation of the sensor arrangement by integration of the rotational speed signal over time.
Da der erfindungsgemäße Ansatz verwandt mit einer optischen Maus ist, können alle Methoden, die dort zum Einsatz kommen, auch in diesem Falle eingesetzt werden. Beispielsweise kann der "magnetischer Fluss" in Analogie zum "optischen Fluss" bestimmt werden (siehe z.B.
Besonders vorteilhaft erscheint es, die Zeitserie der Sensoren als "Bildfolge" anzusehen und diese mit bekannten Videokompressionsverfahren zu komprimieren, die Verschiebungsvektoren der Kompression verwenden. Die Auswertung dieser Verschiebungsvektoren liefert dann die Bewegung. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass bereits vorhandene Implementierungen sowie spezielle Hardware genutzt werden kann.It is particularly advantageous to regard the time series of the sensors as a "sequence of images" and to compress them using known video compression methods which use displacement vectors of the compression. The evaluation of these displacement vectors then provides the motion. The advantage of this approach is that already existing implementations as well as special hardware can be used.
Alternativ ist eine Lösung im Frequenzbereich möglich.Alternatively, a solution in the frequency domain is possible.
Ansatz A)Approach A)
Transformation jedes Sensors bezüglich der Zeit in den Frequenzbereichen. Bestimmung des Argument Maximums und somit der Verschiebungsgeschwindigkeit.Transformation of each sensor with respect to time in the frequency ranges. Determination of the maximum argument and thus the speed of displacement.
Ansatz B)Approach B)
Transformation bezüglich des Ortes in ein Raumfrequenzspektrum und Ablesen der Verschiebung.Transformation with respect to the location into a spatial frequency spectrum and reading of the displacement.
Kompensation von StörungenCompensation of disturbances
1. Stromnetz-Magnetische Wechselfelder1. AC mains magnetic alternating fields
Eine wesentliche Störung stellt das Stromnetz dar. Fließt durch einen Zweidrahtleiter Strom, so entsteht ein zeitvariantes Dipolfeld, das die Messung stört. Bei der vorliegenden Erfindung kann optional das Messsignal der Sensoren durch eine Bandsperre (Notch Filter) entfernt werden. Hierdurch geht zwar Nutzenergie verloren, aber die Unterdrückung der Störung ist erheblich nutzbringender. Vorteilhafterweise kann diese Filterung durch eine auf die Netzfrequenz synchronisierte Bandsperre (siehe
2. Quasistationäre magnetische Gleichfelder2. Quasi-stationary magnetic DC fields
Eine andere oft gegebene Störung sind magnetische Gleichfelder. Diese treten auf, wenn starke Gleichströme übertragen werden vor allem, wenn die Hin- und Rückleiter weit auseinander liegen. Ein prominentes Beispiel sind gleichstrombetriebene U-Bahnen. Quasistationär meint hier, dass die Varianz des Feldes unter einigen wenigen und insbesondere unter einem Hertz liegt.Another common disorder is DC magnetic fields. These occur when strong DC currents are transmitted, especially when the outgoing and return conductors are far apart. A prominent example is DC powered subways. Quasi-stationary here means that the variance of the field is below a few, and especially under one hertz.
Bei der Bekämpfung dieser Störung wird angenommen, dass die Störquelle weit entfernt ist. In diesem Fall trifft die Störung alle Sensoren gleichzeitig und gleich stark. Die Verwendung dieser Tatsache erlaubt eine effiziente Unterdrückung. Möglichkeiten hierfür sind:
- a) Detrend. Hierbei wird ein gemeinsamer Trend der Sensoren bestimmt. Dieser wird entfernt, so dass die Sensoren nur noch die örtliche Variabilität des Magnetfelds aufnehmen. Im einfachsten Fall geschieht das durch Mittelwertbildung aller Sensoren und deren Entfernung.
- b) Weitere Sensoren, die ortsfest und in der Nähe sind. Ein gutes Beispiel sind zwei mit Sensoren ausgerüstete Schuhe. Während bei einem Schritt der eine Schuh ortsfest steht (detektiert z.B. durch Beschleunigungssensoren), bewegt sich der andere durch das feingranulare Magnetfeld. Notwendigerweise sind beide dicht beieinander. Nun kann der ortsfeste Schuh verwendet werden, um das zeitvariante Magnetfeld zu bestimmen und dieses beim bewegten zu Schuh korrigieren am einfachsten durch Mittelung des ortsfesten Schuhs und anschließende Subtraktion von den Messsignalen des bewegten Schuhs.
- a) detrend. Here, a common trend of the sensors is determined. This is removed, so that the sensors only absorb the local variability of the magnetic field. In the simplest case, this is done by averaging all sensors and their removal.
- b) Other sensors that are stationary and in the vicinity. A good example is two sensors equipped with sensors. While in one step a shoe is stationary (detected, for example, by acceleration sensors), the other moves through the fine-grained magnetic field. Necessarily, both are close together. Now, the stationary shoe can be used to determine the time-variant magnetic field and correct this when moving to shoe most easily by averaging the stationary shoe and subsequent subtraction of the measured signals of the moving shoe.
Erweiterung des Sensors durch Hinzunahme eines INS SystemsExtension of the sensor by adding an INS system
Trägheitsnavigationssysteme auf MEMS Basis sind heute sehr kostengünstig geworden. Bisherige Ansätze verwenden solche Sensoren bereits, um eine Positionsschätzung durchzuführen. Hierbei ist die Drift dieser Sensoren ein großes Problem.Inertial navigation systems based on MEMS have become very cost-effective today. Previous approaches already use such sensors to perform a position estimation. Here, the drift of these sensors is a big problem.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Stationarität des örtlichen Magnetfeldes genutzt werden, um die Drift des INS Systems zu stabilisieren: Hierzu kann vorteilhafterweise ein Particle Filter verwendet werden, dass neben der INS Messung auch Geschwindigkeits- bzw. Verschiebungsmessung des hier beschriebenen Magnetsensors nutzt, um eine Positionslösung zu erreichen.In the present invention, the stationarity of the local magnetic field can be used to stabilize the drift of the INS system: For this purpose, a particle filter can advantageously be used which, in addition to the INS measurement, also uses velocity or displacement measurement of the magnetic sensor described here Reach position solution.
Eine vereinfachte Realisierung verwendet Rotationssensoren, um die räumliche Orientierung der Magnetplattform zu bestimmen. Die räumliche Verschiebung der Magnetplattform kann dann wieder durch Kreuzkorrelation der Magnetsensoren bestimmt werden. Für die finale Positionsbestimmung muss die Verschiebung im Raum aufsummiert werden. Hierfür muss die Lage der Plattform bekannt sein. Vor allem in Fällen, in denen keine räumlichen Sensoren verwendet werden (z.B. Schuh), kann die Orientierung dann aus den Gyroskopen entnommen werden. A simplified realization uses rotation sensors to the spatial orientation to determine the magnet platform. The spatial displacement of the magnetic platform can then be determined again by cross-correlation of the magnetic sensors. For the final position determination, the shift in space must be summed up. For this, the location of the platform must be known. Especially in cases where no spatial sensors are used (eg shoe), the orientation can then be taken from the gyroscopes.
Ebenso können die INS Sensoren mit den Magnetsensoren zusammen durch einen geeigneten Schätzalgorithmus (z.B. Maximum Likelihood Schätzer) gemeinsam verwendet werden.Likewise, the INS sensors may be shared with the magnetic sensors by a suitable estimation algorithm (e.g., maximum likelihood estimators).
In allen Fällen ist es nicht erforderlich, eine Karte des Magnetfeldes zu kennen oder zu erstellen.In all cases, it is not necessary to know or create a map of the magnetic field.
Die wesentlichsten Merkmale der Erfindung lassen sich wie folgt auflisten:
- 1) Sensor zur Bestimmung von Lagedaten (Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder ein oder mehrdimensionaler Orientierung), wobei wenigstens zwei Magnetfeldsensoren verwendet werden, die in einer festen, räumlichen Beziehung zueinander durch ein vorhandenes Magnetfeld bewegt werden wobei deren Geschwindigkeit und/oder Orientierung unter Zuhilfenahme der Kreuzkorrelation der Messsignale ermittelt wird.
- 2) Sensor nach Ziffer 1), wobei ein oder mehrere Beschleunigungssensoren verwendet werden, um eine zweite, unabhängige Messung der Bewegung in die Schätzung mit einzubringen.
- 3) Sensor nach Ziffer 1) oder 2), wobei ein oder mehrere Gyroskope verwendet werden, um eine zweite, unabhängige Messung der räumlichen Orientierung mit einzubringen.
- 4) Sensor nach einer der vorgehenden Ziffern, wobei die Signale der Magnetsensoren zur Eliminierung von zeitvarianten Magnetfeldstörungen durch ein Notch- bzw. ein Bandsperrenfilter gefiltert werden.
- 5) Ein Sensor nach einer der vorhergehenden Ziffern, wobei die Signale der Magnetsensoren durch einen weiteren, möglichst unbewegten Magnetsensor korrigiert werden.
- 1) sensor for determining position data (position and / or speed and / or acceleration and / or one or more dimensional orientation), wherein at least two magnetic field sensors are used, which are moved in a fixed, spatial relationship to each other by an existing magnetic field whose speed and / or orientation is determined with the aid of the cross-correlation of the measurement signals.
- 2) sensor according to item 1), wherein one or more acceleration sensors are used to introduce a second, independent measurement of the movement in the estimation.
- 3) sensor according to item 1) or 2), wherein one or more gyroscopes are used to introduce a second independent measurement of the spatial orientation.
- 4) Sensor according to one of the preceding figures, wherein the signals of the magnetic sensors for eliminating time-variant magnetic field disturbances are filtered by a notch or a band-stop filter.
- 5) A sensor according to one of the preceding figures, wherein the signals of the magnetic sensors are corrected by another, as stationary as possible magnetic sensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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