DE102015203686B4 - Method and arrangement for determining the position of a magnetic body using magnetic field sensors - Google Patents

Method and arrangement for determining the position of a magnetic body using magnetic field sensors Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers (3) mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren (2), der sich relativ zu dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (2) bewegt,bei dem mit dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (2) wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten einer magnetischen Flussdichte eines vom magnetischen Körper (3) erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet werden, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers (3) zu bestimmen, wobei- der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren (2) im Nahfeld des magnetischen Körpers (3) angeordnet werden und- die Auswertung zumindest teilweise mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells erfolgt,dadurch gekennzeichnet,dass bei der Auswertung die Position entweder zunächst unter Einsatz eines neuronalen Netzes grob ermittelt und anschließend mit dem optimalen Schätzer noch verfeinert wird oder zunächst mit dem optimalen Schätzer grob ermittelt und anschließend unter Einsatz eines neuronalen Netzes noch verfeinert wird.Method for determining the position of a magnetic body (3) by means of one or more magnetic field sensors (2), which moves relative to the one or more magnetic field sensors (2), in which one or more locally repeats one or more magnetic field sensors (2). of three directional components of a magnetic flux density of a magnetic field generated by the magnetic body (3) are detected and evaluated in order to determine the respective position of the magnetic body (3), the one or more magnetic field sensors (2) in the near field of the magnetic body ( 3) are arranged and - the evaluation is carried out at least partially with an optimal estimator based on a magnetic field model, characterized in that during the evaluation the position is either first roughly determined using a neural network and then further refined with the optimal estimator or initially with is roughly determined using the optimal estimator and then refined using a neural network.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

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, in which one or more of three directional components of the magnetic flux density of the magnetic field are locally determined with the one or more magnetic field sensors Magnetic field generated by the magnetic body is recorded and evaluated in order 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 works 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 location or orientation) of objects must be recorded. Non-contact processes have many advantages such as wear resistance and freedom from maintenance. Magnet-based processes 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 so far 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 recorded are always spatial due to assembly and manufacturing tolerances as well as wear. A series of movable mechanical connections, e.g. joints or couplings, also allow displacements and/or rotations in several axes, even on larger scales. Until now, such movements have often not been able to be measured magnetically with precise precision using a simple structure, but only by using several discrete sensors, which inevitably determine the desired variables individually at different locations. This is time-consuming, error-prone 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) .There are a number of sensors that are based on very different physical principles to determine the location and position of objects. In addition to optical, inertial, inductive and capacitive measuring systems, magnet-based sensors are also used, as is the case with the method and the associated arrangement proposed here. The most important physical measurement 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 magnet-based position sensor systems consist of a moving magnetic source and a stationary magnetic field sensor. The magnetic source, referred to as a magnetic body in the present patent application, is typically a permanent magnet. However, electromagnets are sometimes 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 into target variables such as distance (e.g. with linear distance measurement) or angle (e.g. with rotary encoders) via downstream signal processing.

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 unique 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 associated position can be determined directly using the measured value. In principle, position determination with more than one degree of freedom is also possible using this approach. However, with each degree of freedom, the need for storage space and computing power increases significantly. Therefore, no practically relevant resolutions can be achieved with it.

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 1 040 369 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 vector 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. Depending on the application, the magnitude is between > 10 cm and up to kilometers. These far-field location methods are based either on the measurement of disturbances in the earth's magnetic field by the magnetizable secondary source to be located, for example when locating ships, aircraft or mines, or they involve the location of a very small magnetic field source with highly sensitive sensors in an area around the source distributed, discrete sensor arrays, as is known, for example, from the localization of catheters or magnetic markers in medical technology. The methods of vector magnetic position determination use a dipole approximation for the magnetic source or the magnetic body, which enables a simple description of the magnetic field. An example of such a position determination in the far field is shown in: EP 1 040 369 B1 , in which the position of a vehicle is determined using this dipole approximation.

Aus der EP 2 606 411 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 2 606 411 B1 a method and an arrangement for a magnetic sensor user interface are known, in which a table (LUT: Look-up Table) is created based on 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 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 further detail about this procedure.

Die WO 2014/ 182 246 A1 beschreibt ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren, bei dem die Magnetfeldsensoren im Nahfeld des magnetischen Körpers angeordnet werden. Die Druckschrift setzt zur Auswertung ein neuronales Netzwerk ein.The WO 2014/ 182 246 A1 describes a method for determining the position of a magnetic body using one or more magnetic field sensors, in which the magnetic field sensors are arranged in the near field of the magnetic body. The publication uses a neural network for evaluation.

Die DE 10 2006 042 725 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Kippwinkels eines bewegten Körpers, an dem ein Magnet angebracht ist, mittels mehrerer Magnetfeldsensoren. Für die Auswertung werden Tabellenwerte genutzt, die für die verschiedenen Kippstellungen in einem Speicher gespeichert sind. Als Alternative wird auch der Einsatz eines neuronalen Netzes zur Auswertung der Sensorsignale genannt.The DE 10 2006 042 725 A1 describes a method for determining the tilt angle of a moving body to which a magnet is attached using several magnetic field sensors. For the evaluation, table values are used that are stored in a memory for the various tilt positions. The use of a neural network to evaluate the sensor signals is also mentioned as an alternative.

Die US 5 524 086 A befasst sich mit der Abschätzung von Dipol-Parametern mit Hilfe eines neuronalen Netzwerkes.The US 5,524,086 A deals with the estimation of dipole parameters using a neural network.

Aus der WO 2005/ 047 823 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt.From the WO 2005/ 047 823 A1 a method for determining the position of a magnetic body using one or more magnetic field sensors according to the preamble of claim 1 is known.

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 determining the magnetic position 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. The position means 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 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The task is solved with the method and arrangement according to claims 1 and 8. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent patent 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 mit Hilfe eines optimalen Schätzers auf Basis eines vorzugsweise analytischen Magnetfeldmodells.In the proposed method, one or more of the three directional components of the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic body are repeatedly locally detected and evaluated using 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 understood to mean a distance to the magnetic body that is smaller in magnitude than twice the characteristic length of the magnetic body. The diameter of the smallest sphere enclosing the body is defined as the characteristic length. The distance of the magnetic field sensor or sensors from the center of this sphere is at least at one point in the movement trajectory of the magnetic body below this twice the characteristic length. When using several magnetic field sensors, they are arranged at a small distance from one another, preferably at a distance from one another that is also smaller than twice the characteristic length. In the proposed method, the evaluation of the measured values for position determination is then carried out at least in part with the help of an optimal estimator based on a preferably analytical magnetic field model.

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.By arranging the magnetic field sensor or the magnetic field sensors in the near field, the measurement and evaluation enable the determination of several mechanical degrees of freedom of the position of the magnetic body. To determine three degrees of freedom, just one magnet is sufficient field sensor that detects all three directional or spatial components, ie the x, y and z components in the Cartesian coordinate system, of the magnetic flux density. When using two of these 3D magnetic field sensors, six mechanical degrees of freedom in the position can be determined with a suitable magnet shape. These are the three translational and three rotational degrees of freedom of the magnetic body. Position determination is also possible with magnetic field sensors, which only detect one directional component of the magnetic flux. For example, three so-called z-sensors can be used to determine 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, all three directional components of the magnetic flux are detected with the one or more magnetic field sensors, i.e. a vectorial measurement is carried out in order to be able 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 mit Hilfe eines optimalen Schätzers.The desired position values are then calculated in a processor from the measured values of the magnetic flux density. In the proposed method, this is done at least in part with the help of an optimal estimator.

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.A Kalman filter, for example, can be used as an optimal estimator. The optimal estimator requires a magnetic field model that represents a mathematical parameterization of the measurement system through its possible degrees of freedom. An analytical model is preferably provided for this. In principle, the model can also be provided in the form of a table (LUT). Techniques for creating a magnetic field model, for example using the Maxwell equations or the Biot-Savart law, are familiar to those skilled in the art.

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.Hall sensors or sensors based on the magnetoresistive effect, for example, can be used as magnetic field sensors in the proposed method and the associated arrangement. For the implementation of the method and the associated arrangement, it is irrelevant which physical process is used to record the component(s) of the magnetic flux density by the sensors. It is essential that the directional components of the magnetic flux are detected by the sensors in the near field of the magnetic body (according to the definition above), preferably vectorially, i.e. in all three spatial directions of the Cartesian coordinate system. By means of a suitable number and type (with regard to the detection of the directional components) of the magnetic field sensors, the position of the magnetic body can then be determined in up to six mechanical degrees of freedom using the proposed method and the associated arrangement. The magnetic field sensors can be integrated monolithically, whereby their position relative to one another is very precisely defined. However, this is not absolutely necessary.

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 mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells durchführt.The proposed arrangement includes 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 locally detects 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 evaluated to determine the respective position of the magnetic body. When using several magnetic field sensors, these are arranged at a small distance from one another, preferably at a distance from one another that is less than twice the characteristic length of the magnetic body. The evaluation and measuring device is designed in such a way that it carries out the evaluation at least partially using an optimal estimator based on a magnetic field model.

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. This means that solutions cannot be used, such as those used in far-field positioning methods that are based on the dipole approximation. Depending on the size of the magnetic body, the arrangement in the near field typically requires a distance of between 10 cm and less than 1 mm. At this distance, the multipole components required for the process dominate the shape of the flux density field, which disappear in the far field compared to the dipole component. Due to these multipole components or higher order multipole terms, 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 range in order to be able to obtain a unique relationship between the magnetic field vector and position. If several magnetic field sensors are used, they should therefore preferably also be arranged in a very small space together, for example on an IC chip (IC: integrated circuit). In this case, the sensor array is not distributed over a wide area in the field of the magnetic body, 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.Methods or configurations for determining the position of the magnetic body from the magnetic field measurement values that are insensitive to homogeneous interference fields and/or temperature effects are preferably used in the evaluation.

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, other variables influencing the measurement are determined - in addition to the mechanical degrees of freedom. For this purpose, in the case of an optimal estimator, a preferably analytical description of the influence of the size on the sensor measured values is included in the model and the state vector to be determined is expanded to include the additional sizes. Additional properties can be estimated from the magnetic field measurement values, such as a homogeneous interference field and/or sensor parameters (e.g. sensitivity or orthogonality error) and/or parameters of the magnetic source such as temperature-dependent remanence or mismagnetization.

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 methods or the explicit determination of the interference field and/or temperature parameters results in an expanded permissible range of application of the position sensor systems even in the presence of such influences, which is often the case and then previously results in lower levels of accuracy or requires complex shielding measures. The advantage is the gain in accuracy and/or no effort for protective measures in environments with strong interference fields (electric motors, power lines, arcs, ...) or temperature fluctuations.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung werden Kombinationen unterschiedlicher Verfahren bzw. Algorithmen für die Positionsbestimmung genutzt. So erfolgt mit dem optimalen Schätzer oder mit einem neuronalen Netz zunächst eine grobe Näherung der Position, die anschließend mit einem weiteren Verfahren verbessert wird (Hybridisierung). Als weiteres Verfahren kommt dabei wiederum ein optimaler Schätzer oder ein neuronales Netz zum Einsatz.The proposed method and the associated arrangement use combinations of different methods or algorithms for position determination. A rough approximation of the position is initially made using the optimal estimator or a neural network, which is then improved using a further process (hybridization). Another method used is an optimal estimator or a neural network.

Schließlich kann nach einer Bestimmung der Freiheitgrade auch ein Verfahren aus der Gruppe optimaler Schätzer, neuronales Netz oder Optimierungsverfahren 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 determining the degrees of freedom, a method from the group of optimal estimators, neural networks or optimization methods can also be used to check the plausibility of the results of the method used to determine the position. The procedure used for plausibility checks should of course differ from the procedure used for position determination.

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 processor associated with the measuring system, i.e. the proposed arrangement, which can be integrated, embedded or also arranged externally. With the proposed method and the associated arrangement, several degrees of freedom of a magnetic body can be determined with just one sensor or sensor array. This enables, for example, the simultaneous measurement of displacement and rotation. Additional degrees of freedom can be recorded that are not primarily sought in the measurement task. The use of these degrees of freedom for monitoring second-order variables, for correction or similar causes the measuring system to be more robust against mechanical tolerances. This has the advantage, for example, that installation position errors of the magnetic body do not have to be compensated for by expensive end-off-line calibration. This means that cheaper manufacturing processes can be used if necessary, as their generally larger tolerances do not have a negative impact on the measurement result. In addition, assembly tolerances can be measured directly in this way, e.g. for production monitoring or quality control. The method and arrangement enable the implementation of simpler measuring systems, which are therefore less error-prone, more compact and cheaper. 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.Monolithic integration of the magnetic field sensors on an IC chip enables a particularly significant reduction in installation space. This also leads to a drastic reduction in the development and manufacturing effort for the measuring system compared to a discrete structure. The susceptibility to errors and production costs are reduced 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 computing power to be optimally tailored to the required accuracy. This has the advantage that a cheaper microcontroller can be used without compromising the accuracy requirements or a higher level of accuracy can be achieved without increasing costs.

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 several degrees of freedom or axes. The magnetic body is attached to the respective object to be monitored. In the fol Examples of different applications are listed 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. ± 5mm bewegen. Am Bedienelement befindet sich ein quaderförmiger Magnetgeber (magnetischer Körper), der sich mit dem Bedienelement über einem feststehenden Sensor-IC bewegt.With the help of the method, it is possible, for example, to construct a control element (multi-DoF control element) that, in addition to three tilt angles (rotation around the x, y and z axes), detects further degrees of freedom, namely translational movements in all spatial directions. The structure then consists of a lever that can be tilted and moved in all directions. The deflections here can be in the range of ± 10° or ± 5mm. There is a cuboid magnetic encoder (magnetic body) on the control element, 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. Using 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 using a classic, magnet-based position sensor. However, precision movements of the magnet on the piston rod cause measurement errors. With a vectorial measuring sensor structure and method according to the present invention, the tilting and twisting of the magnet is detected in addition to the displacement, which enables a significantly more precise 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, e.g. rotation angle sensor, steering angle sensor, steering column switch, gear selector switch, etc.), the double tilting of an object with displacement (3 DoF, e.g. joystick with pressure function, air spring), the three-way displacement of an object (3 DoF, e.g. unbalance, drift, valve travel sensor), the double tilting of an object with displacement and rotation (4 DoF, e.g. push-turn joystick), the triple tilting of an object (3 DoF, e.g. ball joints, trackball), the double tilting of an object with triple displacement (5 DoF, e.g. metal bellows coupling), or the triple displacement and tilting of an object (6 DoF, e.g. 6D mouse, bearing play sensor). The method and the arrangement enable the determination of several degrees of freedom in order to compensate for tolerances, for example in the case of a triple displacement with a main axis and additional marginal displacements due to play (monitored linear encoder) or with rotation around a main axis and additional marginal rotations due to play (monitored rotary encoder). . This is of course not an exhaustive list of the possibilities for using the proposed method and the associated 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:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Magnetfeldsensoren sowie des magnetischen Körpers gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung;
  • 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
  • 3 eine Darstellung eines Beispiels für die Positionsbestimmung mit einem neuronalen Netz.
The proposed method and the associated arrangement are explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show here:
  • 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 an example of signal processing within a neuron of a neural network, as can be used in the proposed method and the associated arrangement; and
  • 3 a representation of an example of position determination with a neural network.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of carrying 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.Two exemplary embodiments are given below in which the position of a moving magnetic body is determined using the proposed method. The magnetic body has no rotational symmetry.

Das erste Beispiel zeigt eine Vorgehensweise zur Positionsbestimmung mit optimalen Schätzern, die bei dem vorgeschlagenen Verfahren in Kombination mit einem neuronalen Netz eingesetzt wird. 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 position determination with optimal estimators, which is used in the proposed method in combination with a neural network. In 1 A position measuring system or an arrangement according to the present invention is shown here. 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 measure the magnetic field vectorially, that is, detect all three directional components. The sensor chip therefore delivers 15 scalar sensor readings. A processor, not shown, 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 integrated into the IC chip 1 or 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.A cuboid permanent magnet 3 magnetized in the z direction is used as the magnetic body or magnetic source. This is firmly connected to the object to be monitored, which can move translationally and rotationally in space and whose location and position can be determined relative to the sensor. The sensor (IC chip 1) is located in the near field of the magnet 3.

Das ortsabhängige Flussdichtefeld des Magneten 3 wird durch eine nichtlineare Funktion B ( r )

Figure DE102015203686B4_0001
beschrieben. Gemeinsam mit affinen Transformationen bildet diese die Messfunktion des Positionsmesssystems, also den Übergang des Positionsvektors ( r )
Figure DE102015203686B4_0002
auf die Messwerte  
Figure DE102015203686B4_0003
ƒ B ( r ) = ( B x 1 , B y 1 , B z 1 ..., B z m ) T
Figure DE102015203686B4_0004
für die m = 5 vektoriellen Magnetfeldsensoren 2. Um die sechs Positionswerte (drei translatorische und sechs rotatorische Freiheitsgrade) zu berechnen, muss die Mess- oder Modellfunktion fB:R6→R3m 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
Figure DE102015203686B4_0005
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 determined by a nonlinear function b ( r )
Figure DE102015203686B4_0001
described. Together with affine transformations, this forms the measuring function of the position measuring system, i.e. the transition of the position vector ( r )
Figure DE102015203686B4_0002
on the measured values
Figure DE102015203686B4_0003
ƒ b ( r ) = ( b x 1 , b y 1 , b e.g 1 ..., b e.g m ) T
Figure DE102015203686B4_0004
for the m = 5 vector magnetic field sensors 2. In order to calculate the six position values (three translational and six rotational degrees of freedom), the measurement or model function f B :R 6 →R 3m must be inverted as part of the algorithm. This usually cannot be done directly because an explicit inverse of the measurement function is only known 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, a position to be determined is first predicted using a motion model and then using the measured values in a two-stage calculation process y
Figure DE102015203686B4_0005
corrected. In order to take the non-linear measurement function into account, this approach uses linearization (extended Kalman filter) or the so-called unscented transformation.

Mit Hilfe mehrerer Berechnungsschritte wird hierbei der Zustandsfaktor x

Figure DE102015203686B4_0006
und damit die gesuchten Freiheitsgrade schrittweise geschätzt. Die für eine linearisierte Variante eines Kalman-Filters durchgeführten Berechnungsschritte lauten beispielsweise:The condition factor is determined using several calculation steps x
Figure DE102015203686B4_0006
and thus the desired degrees of freedom are estimated step by step. For example, the calculation steps carried out for a linearized variant of a Kalman filter are:

Initialisierung: x ^ = E [ x 0 ]

Figure DE102015203686B4_0007
P 0 = E [ ( x 0 x ^ 0 ) ( x 0 x ^ 0 ) T ]
Figure DE102015203686B4_0008
Initialization: x ^ = E [ x 0 ]
Figure DE102015203686B4_0007
P 0 = E [ ( x 0 x ^ 0 ) ( x 0 x ^ 0 ) T ]
Figure DE102015203686B4_0008

Vorhersage: x ^ k = F ( x ^ k 1 ,0 )

Figure DE102015203686B4_0009
P k = F x | x k 1 P k 1 ( F x | x k 1 ) T + F p | x k 1 R p ( F p | x k 1 ) T
Figure DE102015203686B4_0010
Forecast: x ^ k = F ( x ^ k 1 ,0 )
Figure DE102015203686B4_0009
P k = F x | x k 1 P k 1 ( F x | x k 1 ) T + F p | x k 1 R p ( F p | x k 1 ) T
Figure DE102015203686B4_0010

Korrektur: K k = P k ( B x | x ^ k ) T ( B x | x ^ k P k ( B x | x ^ k ) T + B n | x ^ k R n ( B n | x ^ k ) T )

Figure DE102015203686B4_0011
x ^ k = x ^ k + K k ( y k B ( x ^ k ,0 ) )
Figure DE102015203686B4_0012
P k = ( I K k H k ) P k
Figure DE102015203686B4_0013
Correction: K k = P k ( b x | x ^ k ) T ( b x | x ^ k P k ( b x | x ^ k ) T + b n | x ^ k R n ( b n | x ^ k ) T )
Figure DE102015203686B4_0011
x ^ k = x ^ k + K k ( y k b ( x ^ k ,0 ) )
Figure DE102015203686B4_0012
P k = ( I K k H k ) P k
Figure DE102015203686B4_0013

Die Initialisierungswerte für x ^ 0

Figure DE102015203686B4_0014
und die Kovarianzmatrix P0 ergeben sich durch den Aufbau. Diese können im Beispiel zu x ^ 0 = 0
Figure DE102015203686B4_0015
bzw. P0=06,6 gewählt werden. Die Parametermatrizen Rn, Rp entsprechen dem zu erwartenden Sensorrauschen bzw. der Unsicherheit über den Bewegungsprozess. Die Funktion B ( x , n )
Figure DE102015203686B4_0016
stellt hierbei die Messfunktion bzw. das Messmodell dar. Eingangsparameter sind die Position x
Figure DE102015203686B4_0017
und das Messrauschen n .
Figure DE102015203686B4_0018
Die Übergangsfunktion F ( x , p )
Figure DE102015203686B4_0019
beschreibt die Dynamik des Systems abhängig von der Position x
Figure DE102015203686B4_0020
und dem Prozessrauschen p .
Figure DE102015203686B4_0021
The initialization values for x ^ 0
Figure DE102015203686B4_0014
and the covariance matrix P 0 result from the structure. These can be used in the example x ^ 0 = 0
Figure DE102015203686B4_0015
or 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 movement process. The function b ( x , n )
Figure DE102015203686B4_0016
represents the measurement function or the measurement model. Input parameters are the position x
Figure DE102015203686B4_0017
and the measurement noise n .
Figure DE102015203686B4_0018
The transition function F ( x , p )
Figure DE102015203686B4_0019
describes the dynamics of the system depending on the position x
Figure DE102015203686B4_0020
and the process noise p .
Figure DE102015203686B4_0021

Im nächsten Beispiel wird die Positionsbestimmung mit neuronalen Netzen näher erläutert, die beim vorgeschlagenen Verfahren in Kombination mit einem optimalen Schätzer eingesetzt wird. Neuronale Netze bestehen aus relativ einfachen Signalverarbeitungseinheiten, den sog. Neuronen, und Verbindungen zwischen diesen. Unter bestimmten Voraussetzungen lässt sich eine Abbildung f:Rn→Rm (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...,wp 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

Figure DE102015203686B4_0022
ausgibt. Dies ist im unteren Teil der 3 dargestellt.The next example explains position determination with neural networks in more detail, which is used in the proposed method in combination with an optimal estimator. Neural networks consist of relatively simple signal processing units, called neurons, and connections between them. Under certain conditions, a map f:R n →R m (n, m from N) can be approximated with any precision by a neural network if the topology of the network and the weighting of the connections between the neurons are chosen appropriately. A typical neural network can, for example, be implemented 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 this. The function value determined in this way can be available as input to other neurons or it can be used as the output value of the network. 2 shows an example of signal processing within a neuron 4. The signals arriving via the inputs 5 are first weighted with the weighting factors w 1 ..., w p and added up. During the summation, an offset 6 is taken into account, which is incorporated into the summation. The activation function σ is then applied to the result and the result is output at output 7. In the neural network-based approach, the inversion of the measurement function is carried out a priori by training the neural network. This is in 3 illustrated. The training 12 takes place in the laboratory 8. In order to determine the location and position data r belonging to a measured value vector B, the components of B from the measurement 10 are then fed into the trained neural network 11 as the input data in the application 9, which then at its outputs an approximation for the desired location and position vector r
Figure DE102015203686B4_0022
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 therefore contains an implicit model of the inverse measurement function. Such an implicit model can be evaluated with relatively little computational effort and very quickly during the measurement.

Für das Training 12 wird durch Simulation oder Messung 13 eine große Menge von Trainingsdaten M{(Bi,ri)l1 ≤ i ≤ k} erzeugt, wobei die Magnetfeldwerte Bi der Position ri entsprechen. Beim Einspeisen der Komponenten eines der Vektoren Bk als Eingabe in das neuronale Netz bilden dessen Ausgänge dann die Komponenten eines Vektors r k .

Figure DE102015203686B4_0023
Mit Hilfe des sog. Trainingsalgorithmus werden die Gewichte wj der Verbindungen des neuronalen Netzes so optimiert, dass die Ausgabe r i
Figure DE102015203686B4_0024
des Netzes für alle 1 ≤ i ≤ K möglichst genau mit ri übereinstimmt.For training 12, a large amount of training data M{(B i , r i )l1 ≤ i ≤ k} is generated by simulation or measurement 13, where the magnetic field values B i correspond to the position r i . When the components of one of the vectors B k are fed into the neural network as input, its outputs then form the components of a vector r k .
Figure DE102015203686B4_0023
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
Figure DE102015203686B4_0024
of the network matches r i as closely as possible for all 1 ≤ i ≤ K.

BezugszeichenlisteReference symbol list

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

Claims (13)

Verfahren zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers (3) mittels einem oder mehrerer Magnetfeldsensoren (2), der sich relativ zu dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (2) bewegt, bei dem mit dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (2) wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten einer magnetischen Flussdichte eines vom magnetischen Körper (3) erzeugten Magnetfeldes erfasst und ausgewertet werden, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers (3) zu bestimmen, wobei - der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren (2) im Nahfeld des magnetischen Körpers (3) angeordnet werden und - die Auswertung zumindest teilweise mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung die Position entweder zunächst unter Einsatz eines neuronalen Netzes grob ermittelt und anschließend mit dem optimalen Schätzer noch verfeinert wird oder zunächst mit dem optimalen Schätzer grob ermittelt und anschließend unter Einsatz eines neuronalen Netzes noch verfeinert wird.Method for determining the position of a magnetic body (3) by means of one or more magnetic field sensors (2), which moves relative to the one or more magnetic field sensors (2), in which the one or more magnetic field sensors (2) repeatedly locally one or more of three directional components of a magnetic flux density generated by the magnetic body (3). Magnetic field are detected and evaluated in order to determine the respective position of the magnetic body (3), wherein - the one or more magnetic field sensors (2) are arranged in the near field of the magnetic body (3) and - the evaluation at least partially with an optimal estimator based on a magnetic field model, characterized in that during the evaluation the position is either first roughly determined using a neural network and then further refined using the optimal estimator, or first roughly determined using the optimal estimator and then further refined using a neural network becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optimaler Schätzer ein Kalman-Filter eingesetzt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a Kalman filter is used as the optimal estimator. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein 3D-Magnetfeldsensor (2) eingesetzt wird, mit dem alle drei Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte erfasst werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least one 3D magnetic field sensor (2) is used, with which all three directional components of the magnetic flux density are detected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Magnetfeldsensoren (2) eingesetzt werden, die jeweils nur eine Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte erfassen.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least three magnetic field sensors (2) are used, each of which only detects one directional component of the magnetic flux density. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung der Position eine Plausibilitätsprüfung mit einem Verfahren durchgeführt wird, das nicht für die Bestimmung der Position eingesetzt wurde.Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that after the position has been determined, a plausibility check is carried out using a method that was not used to determine the position. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus Messwerten, die mit den Magnetfeldsensoren (2) erfasst werden, bei der Auswertung auch weitere die magnetische Flussdichte am Ort der Messung oder die Messung selbst beeinflussende Größen bestimmt werden.Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that other variables influencing the magnetic flux density at the location of the measurement or the measurement itself are determined during the evaluation from measured values that are recorded with the magnetic field sensors (2). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Größen ein homogenes Störfeld und/oder Sensorparameter und/oder ein oder mehrere Parameter des magnetischen Körpers (3) bestimmt werden.Procedure according to Claim 6 , characterized in that a homogeneous interference field and/or sensor parameters and/or one or more parameters of the magnetic body (3) are determined as further variables. Anordnung zur Positionsbestimmung eines magnetischen Körpers (3), die - den magnetischen Körper (3), - einen oder mehrere Magnetfeldsensoren (2) im Nahfeld des magnetischen Körpers (3), und - eine Auswerte- und Messeinrichtung aufweist, die über den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren (2) wiederholt lokal eine oder mehrere von drei Richtungskomponenten einer magnetischen Flussdichte eines vom magnetischen Körper (3) erzeugten Magnetfeldes erfasst und auswertet, um die jeweilige Position des magnetischen Körpers (3) zu bestimmen, - wobei die Auswerte- und Messeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Auswertung zumindest teilweise mit einem optimalen Schätzer auf Basis eines Magnetfeldmodells durchführt und die Position entweder zunächst unter Einsatz eines neuronalen Netzes grob ermittelt und anschließend mit dem optimalen Schätzer noch verfeinert oder zunächst mit dem optimalen Schätzer grob ermittelt und anschließend unter Einsatz eines neuronalen Netzes noch verfeinert.Arrangement for determining the position of a magnetic body (3), which - 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), repeatedly locally detects and evaluates one or more of three directional components of a magnetic flux density of a magnetic field generated by the magnetic body (3) in order to determine the respective position of the magnetic body (3) to determine - wherein the evaluation and measuring device is designed in such a way that it carries out the evaluation at least partially with an optimal estimator based on a magnetic field model and the position is either first roughly determined using a neural network and then further refined with the optimal estimator or initially with the The optimal estimator is roughly determined and then refined using a neural network. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Teilmenge der Magnetfeldsensoren (2) in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der kleiner als die zweifache charakteristische Länge des magnetischen Körpers (3) ist.Arrangement according to Claim 8 , characterized in that at least a subset of the magnetic field sensors (2) are arranged at a distance from one another that is less than twice the characteristic length of the magnetic body (3). Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Magnetfeldsensoren (2) ein 3D-Magnetfeldsensor ist.Arrangement according to Claim 8 or 9 , characterized in that at least one of the magnetic field sensors (2) is a 3D magnetic field sensor. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei der Magnetfeldsensoren (2) Magnetfeldsensoren sind, die jeweils nur eine Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte erfassen können.Arrangement according to Claim 8 or 9 , characterized in that at least three of the magnetic field sensors (2) are magnetic field sensors, each of which can only detect one directional component of the magnetic flux density. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (2) monolithisch integriert auf einem Sensorsubstrat angeordnet sind.Arrangement according to one of the Claims 8 until 11 , characterized in that the magnetic field sensors (2) are arranged monolithically integrated on a sensor substrate. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Messeinrichtung durch einen Prozessor gebildet ist.Arrangement according to one of the Claims 8 until 12 , characterized in that the evaluation and measuring device is formed by a processor.
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