DE3544877A1

DE3544877A1 - Richtungsanzeiger und ein verfahren zur richtungsbestimmung

Info

Publication number: DE3544877A1
Application number: DE19853544877
Authority: DE
Inventors: Hannu Espoo Purhonen; Risto Tanner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-19
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1986-06-19
Also published as: FI77932C; FI845043L; GB2169085A; US4640016A; FI845043A0; FR2574927A1; FI77932B; GB8531119D0

Description

PATENTANWÄLTE dh.-ing.franz wuesthoff

WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ **·»»... freda tuesthoff

DIPL.-ING. GERHARD PULS (19JI-I971) EUROPEAN PATENTATTORNEYS D₁PL-CHEm-DR-E-FXe₁HERr von pechmann

■"J - DR.-ING. DIETER BEHRENS

Risto Tanner, Hannu Purhonen DIPL.-1NG.DIPL.-WIRTSCH.-1NG.RUPERTGOETZ

lA-60 004 O C; ^ /^ QH ¹J DIPL.-PHYS. DK. AXEL VON HELLFELD

D-8000 MÜNCHEN Richtungsanzeiger und Verfahren schweigerstrasse2

zur Richtungsbestimmung telefon: (089) 66 20 51

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

telex: j 24070

TELEFAX: (089) 663936 (HI-)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, mit der eine erwünschte Richtung gemessen wird, beispielsweise der Winkel zwischen der Laufrichtung und der nördlichen Kartenrichtung. Genauer gesagt handelt es sich um eine Anordnung, wobei zur Richtungsanzeige ein sich an einen Magnet anschliessendes Geberarrangement verwendet wird, welcher Magnet an einer Magnetnadel oder an einem rotierenden Stück aus nicht-magnetischem Material befestigt ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf ein Arrangement beschrieben, wobei ein herkömmlicher Magnetkompass zum Anzeigen der Richtung der Horizontalkomponente des Magnetfeldes auf der Erde verwendet wird, jedoch ist es zu verstehen, dass statt der Magnetnadel eines Kompasses jedes beliebige, rotierende Stück aus nicht-magnetischem Material verwendet werden kann, an welchem Stück ein kleiner Magnet befestigt ist. Wenn im folgenden also von einem Kompass gesprochen wird, muss das als ein Ausführungsbeispiel verstanden werden, das die erfindungsgemässe Anordnung zur Richtungsbestimmung doch in keiner Weise beschränkt.

In dem Buch "Magnetic Compasses and Magnetometers", Alfred Hine, university of Toronto (1968), werden die an den Kompass der Erfindung erinnernden Kompasse in Kompasse mit Fernsichtanzeige (transmitting compasses) klassifiziert. Die Kompasse mit Fernsichtanzeige werden weiter einerseits in Kompasse, die einen Magnetkompass als primäres Fühlelement benutzen, und anderseits in Kompasse, die auf elektromagnetischer Induktion basierende primäre Fühlelemente benutzen, klassifiziert.

Bekannte Geberarrangements zur Erzeugung eines

richtungsanzeigenden Signals oder mehrerer solcher Signale von einem Magnetkompass sind u.s. die folgenden:

a) Auf einem Gebermagnet basierende Arrangements. Dabei dreht sich der Gebermagnet, der ein Teil eines Signalgenerators ist, gemäss dem von einem eigentlichen Kompassmagnet geschaffenen Feld und steuert den Signalgenerator. Der Signalgenerator kann zum Beispiel mit den folgenden Punkte b oder c übereinstimmen.

b) Kapazitives Arrangement, wobei der Kompass entweder ein Teil in einem Kondensator oder in Kondensatoren ist oder der Kompass beim Drehen einen regulierbaren Kondensator oder mehrere solche Kondensatoren steuert.

c) Ohmsche Arrangements, wobei der Kompass ein Teil einer flüssigen Widerstandsbrücke ist oder wobei er einen zu dieser Aufgabe geeigneten Potentiometer steuert.

d) Optisches Arrangement, wobei die Kompassrose und eine Öffnung oder öffnungen darin Licht in verschiedenen Weisen auf Phototransistoren strömen lassen, und zwar je nach dem Winkel zwischen den Phototransistoren und der Kompassrose. Eine Information über die Richtung wird dadurch erhalten, dass die Lichtgeber mechanisch gedreht werden, bis die erwünschte, konstante Situation wiederhergestellt ist.

e) Optisches Arrangement, wobei an dem Kompass eine optische Code-Scheibe befestigt ist, deren Stellung mittels Photodioden und Phototransistoren abgelesen wird.

f) Induktives Arrangement, wobei das von dem Kompass veranlasste Magnetfeld mittels Spulenarrangements ein Kurssignal oder mehrere Kurssignale steuert.

Die Fernsichtanzeige kann mittels eines erhaltenen Signals oder erhaltener Signale entweder direkt gesteuert werden, oder alternativ wird das Signal oder die Signale verstärkt und sonst behandelt, bevor Fernsicht-

ORfGfNAL INSPECTED

anzeigen dadurch gesteuert werden. Besonders bei verschiedenen automatischen Steuergeräten wird allgemein ein Arrangement verwendet, wobei der Geber, der das Kurssignal erzeugt, je nachdem gedreht wird, wie der Magnetkompass sich dreht, und zwar so dass der Wert des von dem Geber erzeugten Signals konstant bleibt (North seeking compasses). Die Richtung ist dabei auf der Basis der Geberstellung zu schliessen.

Die auf den obenbeschriebenen Prinzipien basierenden Kompasse weisen Mangelhaftigkeiten auf, die mittels des erfindungsgemässen Kompasses entscheidend verbessert werden können, und zwar:

- Arrangements, wobei die Fernsichtanzeige mittels eines von einem Geberarrangement erhaltenen analogen Signals direkt gesteuert wird, sind oft ungenau, weil das Signal zum Steuern der Sichtanzeige schwach ist.

- Arrangements, wobei der Geber zum Bewahren des erwünschten Signalwertes (North seeking magnetic device) gedreht wird, setzen Drehmechanismen für den Geber voraus.

- Bei analogen Arrangements überhaupt kann Information über Richtung z.B. zum Berechnen eines Mittelkurses nicht gespeichert werden.

- Ein Magnetkompass mit seinem Geber ist oft sperrig, um z.B. in Kleinbooten verwendet zu werden.

- Das auf einer optischen Code-Scheibe basierende Arrangement erschwert die Herstellung eines Magnetkompasses.

- Die Stromabnahme der meisten elektrischen Kompasse verhindert ihre Anwendung, wenn die Stromabnahme beschränkt werden muss. Eine solche Gebrauchsumgebung kann zum Beispiel ein Segelboot sein.

Mittels eines erfindungsgemässen Kompasses wird eine entscheidende Verbesserung der obenangeführten Nachteile zustandegebracht. Zu deren Ausführung ist

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die erfindungsgemässe Anordnung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführt ist. Das erfindungsgemässe Verfahren wieder ist dadurch gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 5 angeführt ist.

Als die wichtigsten Vorteile der Erfindung können die folgenden Faktoren erwähnt werden:

- Der Magnetkompass mit seinem Geber kann kleiner als ein normaler Bootkompass sein. Wenn erwünscht, kann er so angebracht werden, dass die Ablesung direkt aus dem Magnetkompass ersichtlich ist und eine elektronisch erzeugte Information über Richtung nur unter anspruchsvollen Umständen oder bei automatischen Steuergeräten benutzt wird.

- Geber, Prozessierungsgerate und Sichtanzeigen können auch als Zusatzausrüstung für vorausgewählte ilagnetkompasstypen vermarktet werden.

- Die Berücksichtigung einer Ablenkung und einer Deviation findet digital statt. Irgendwelche Kompensationsmagnete oder andere entsprechende Mechanismen sind nicht nötig. Die Abstimmung des Kompasses geschieht, was Deviation und Ablenkung betrifft, in der Gebrauchsumgebung, und das Ergebnis der Abstimmung wird im nichtflüchtigen Speicher gespeichert.

- Information über Richtung steht in digitaler Form zur Verfügung, was ihre Ausnutzung zu den verschiedensten Zwecken ermöglicht. Zum Beispiel ist die Anzahl und Qualität der Fernsichtanzeigen in keiner Weise technisch beschränkt.

- Das Gebersystem ist sowohl mechanisch als auch magnetisch separat von den Kompassmagneten, wobei es die Funktion des Magnetkompasses nicht stört.

- Die TemperaturStabilität der zu benutzenden Geber ist gut, und analoge Signalbehandlung ist gering. Somit ist die Stabilität des ganzen Systems gut.

- Alle elektrischen Funktionen können dieselbe

Gleichspannungsstromquelle ausnutzen und die Stromabnahme des erfindungsgemässen Gebersystems ist kleiner als die der meisten bekannten Arrangements.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.

Figur 1 ist ein Schema über das gesamte Kompassarrangement, wenn ein Nadelkompass und zwei Geber verwendet werden.

Figur 2 ist ein Beispiel dafür, wie ein Geber im Zusammenhang mit einem Magnetkompass angebracht werden, wenn ein Nadelkompass verwendet wird.

Figur 2a zeigt eine Seitenansicht des Beispiels der Figur 2.

Figur 3a, Figur 3b und Figur 3c zeigen ein Beispiel für von den Gebern gegebene Signale als Funktion des Winkeis zwischen der von dem Magnetkompass gezeigten nördlichen Richtung und der Befestigungsunterlage der Geber, und Tabellen, auf deren Anwendung das Verfahren I zur Richtungsbestimmung basiert.

Figur 4a und Figur 4b zeigen bei dem Verfahren II zur Richtungsbestimmung zu erhaltende Signale und die dabei zu benutzende Tabelle.

Figur 5a und Figur 5b zeigen bei dem Verfahren III zur Richtungsbestimmung zu erhaltende Signale und die dabei zu benutzende Tabelle.

Gemäss Figur 1 wird als primärer Richtungsgeber ein normaler Nadelkompass oder ein anderer Magnetkompass 1 verwendet, dessen Nadel mit der Referenz 1a bezeichnet ist. Unter dem Kompass werden zwei oder mehrere magnetoohmsche Geber (2) befestigt, und zwar je nach dem zu benutzenden Behandlungsprinzip der Signale. Die Geber werden an dem Rahmen des Kompasses befestigt und sie werden mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die mit den Referenzen U+ und U- bezeichnet ist. Wenn es mehrere Geber als zwei gibt, werden sie an einen Processor (3) und an eine Sichtanzeige 7 gemäss dem-

ORiGfNAL

selben Prinzip wie die Geber der Figur 1 angeschlossen. Die von den Gebern erhaltenen Signale werden nach Figur 1 zu Verstärkern (4) geleitet und weiter über einen Wähler (5) zu einem A/D-Umformer (6). Eine ausreichende Genauigkeit wird mittels eines Umformers von 8 bit erreicht. Eventuelle, sich an eine Temperaturkompensation der Geber anschliessende Kreise sind in Figur nicht gezeichnet.

In Figur 2 ist das Anbringen der Geber genauer gezeigt, und zwar bei der Ausführung mit einem Nadelkompass (1) und zwei Gebern (2). Der Geber in dem Beispiel ist ein magnetoohmscher Geber von Philips (Philips: Electronic components and materials, Technical publication 102). Die Funktion des Gebers besteht aus einer Widerstandsbrücke, wobei die Resistanzen ihrer Widerstände sich als Funktion sich auf die Widerstände richtenden Magnetfeldes ändern. Das von den Polen der Widerstandsbrücke zu erhaltende Spannungssignal ist die Funktion eines von dem Magnetkompass veranlassten Feldes. Der Wert des Signals ist von dem Winkel zwischen dem Geber und der von dem Kompass gezeigten magnetischen nördlichen Richtung so abhängig, dass das '.Signal zyklisch ist und die Länge des Zyklus 360 Grad ist. Das Signal erinnert in gewissem Massen an einer Sinuskurve.

Ein Beispiel für die erhaltenen Signalwerte als Funktion des Winkels bei der Ausführung mit einem Nadelkompass und zwei Gebern ist in Figur 3a gezeigt. In den Kurven der Figur 3a bezeichnet die Vertikalachse die Stärke des Gebersignals und die Horizontalachse den Winkel. Kurve 1 bezeichnet das von dem Geber 1 und Kurve 2 das von dem Geber 2 zu erhaltende Signal. Die Amplitude und die Form des Signals können im Rahmen der Herstellungstoleranzen des Gebers und der von der Befestigungsstelle des Gebers veranlassten Veränderungen von dem Beispielfall abweichen. Ausserdem ist die Form des Signals verschieden bei verschiedenen Magnet-

kompassen. Das Anbringen der Geber im Kompass und einander gegenüber ist in keiner Weise kritisch. Das beste Schlussergebnis wird jedoch dadurch erreicht, dass die Geber in der Nähe der Kompassachse und hinsichtlich einander so angebracht werden, dass die flachen Bereiche der Signale sich nicht auf derselben Stelle befinden. Ein vorteilhafter Phasenunterschied (der Winkel (5? in Figur 2 und in Figur 3a) ist in dem Fall mit zwei Gebern 90 Grad und in dem Fall mit drei Gebern 120 Grad.

In den Figuren 1 und 2 ist das Anbringen der Geber bei der Ausführung mit einem Nadelkompass gezeigt. Viele bei Navigation zu gebrauchenden Kompasse enthalten doch zwei parallele Magnete, die sich symmetrisch hinsichtlich des Aufhängepunkts befinden. Das erfindungsgemässe Gebersystem ist auch in solchen Fällen benutzbar. Dabei kann das Signal je nach dem Anbringen der Geber von dem obenbeschriebenen so abweichen, dass es zwei Maximal- und zwei Minimalpunkte pro einen Zyklus von 360 Grad aufweist. Eine vorteilhafte Stelle zum Anbringen der Geber bei solchen Kompassen soll kompasstypmässig untersucht werden. Phasenunterschiede können wie oben gewählt werden: bei der Ausführung mit zwei Gebern 90° und bei der mit drei Gebern 120°.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Geberlösungen sind nur Beispiele. Technisch ist es möglich, einen Geber herzustellen, wobei alle magnetoohmschen Elemente und ein zweckmässiger Teil von der Signalbehandlung für denselben Kreis integriert sind.

Eine von den zwei Gebern erhaltene binäre Geberwertkombination bestimmt den Winkel zwischen der Befestigungsunterlage der Geber und der von dem Kompass gezeigten magnetischen nördlichen Richtung eindeutig.

Die Bestimmung des Winkels basiert auf numerischen Tabellensuchverfahren, die später beschrieben werden. Die Tabellensuchverfahren setzen voraus, dass der P.egel und die Form der Signale stabil bleiben.

ORlGSNAL INSPECTED

Der Pegel der Signale kann kontrolliert und wenn erwünscht, so verändert werden, dass er den tabellierten Referenzwerten entspricht/ und zwar dadurch/ dass der Kompass in einem besonderen Testmodus umgedreht wird, wobei ein Processor Geberwerte kontinuierlich abliest und die Minimal- und Maximalablesung jedes Gebers sucht. Durch Vergleich dieser Werte mit den gespeicherten Minimal- und Maximalwerten der Geber wird ermittelt, ob die Funktion der Kombination eines Gebers und eines Magnetkompasses unverändert ist. Ein erwünschter Pegel und ein erwünschter Anwendungsbereich des Signals werden durch Korrektion des von dem A/D-Umformer erhaltenen Wertes gemäss den folgenden Formeln U)... (3) erreicht.

Bezeichnungen:

Q skalierte Geberablesung X Ablesung vom A/D-Umformer ΜΙΝ_χ Minimalwert vom A/D-Umformer MAX Maximalwert vom A/D-Umformer

MIN_R Minimalwert des gespeicherten Referenzsignals

MAX_R Maximalwert des gespeicherten Referenzsignals

V1 die Konstante, mit der ein erwünschter Minimalwert der Ablesung gestellt wird

V2 die Konstante, mit der eine erwünschte Amplitude gestellt wird

(1) A = V1 + V2·(X - MIN_V)

(2) V1 = MIN_V

(3) V2 = (MAX_p - MINp) / (ΜΑΧ_γ - MIN_Y)

In dem Testmodus bestimmt der Processor den Wert von V1, MIN und V2 automatisch.

Im folgenden werden 3 alternative Verfahren zur Richtungsbestimmung angeführt. Nach jedem Verfahren

wird die Richtung aus praktischen Gründen in zwei Phasen bestimmt. In der ersten Phase wird eine Tabelle oder Tabellen benutzt, die beim Anschluss von einem Magnetkompass und Gebern aneinander (Figuren 3b, 4b, 5b) geschaffen sind. In der zweiten Phase wird die erhaltene Richtungsinformation korrigiert, und zwar unter Benutzung einer in der betreffenden Gebrauchsumgebung geschaffenen Korrektionstabelle (Figur 3c).

Die Richtungsbestimmung wird programmgesteuert ausgeführt. Als Ausgangspunkt bei der Richtungsbestimmung werden in der obenbeschriebenen Weise skalierte Geberablesungen verwendet. Die zu benutzenden Tabellen und Programme sind im nicht-flüchtigen Speicher gespeichert. Ein geeigneter Speichertyp ist zum Beispiel EEPROM, in dem die von der Gebrauchsumgebung abhängige Deviationstabelle (Figur 3c) praktisch gespeichert werden kann.

Verfahren I zur Richtungsbestimmung mittels zwei Geber

Bei Kombinierung eines Magnetkompasses und zwei magnetoohmscher Geber wird eine Tabelle geschaffen, in der der Wert der beiden Geber für die betreffende Kompassrichtung der in ausreichend kleinen Abständen gewählten Kompassrichtungen gespeichert wird. Ein geeigneter Abstand ist 5 oder 10 Grad. Die Form der Tabelle geht aus Figur 3b hervor. In der Tabelle wird Platz für 360 Geberwertpaare reserviert. Die Geberwertpaare werden in der dem betreffenden Winkel entsprechenden Zeile der Tabelle gespeichert. In den Figuren 3a und 3b sowie in den Figuren 4a und 4b, 5a und 5b ist die Skalierung der Geberablesungen deutlichkeitshalber unbeachtet gelassen.

In der Gebrauchsumgebung wird eine andere Tabelle geschaffen, mittels deren sowohl eine Deviation als auch eine Ablenkung eliminiert werden. In der Tabelle werden

ο ο 4 4 ο < /

für erwünschte Kompassrichtungen (d.h. in den entsprechenden Zeilen der Tabelle) die dafür geltende zusammengerechnete Deviation und Ablenkung gespeichert. Ein Beispiel für diese Tabelle ist in Figur 3c. In der Fortsetzung wird diese Tabelle Deviationstabelle genannt .

Das Verfahren zur Richtungsbestimmung fungiert so, dass aus der Tabelle gemass Figur 3b das dem erhaltenen Geberwertpaar am besten entsprechende Wertpaar ausgesucht wird. Der Winkel zwischen der von dem Magnetkompass gezeigten nördlichen Richtung und der Befestigungsunterlage des Gebers ist diejenige der laufenden Nummern der Horizontalzeile der Tabelle (die Nummerung beginnt mit Null), die die beste Kombination der Geberwerte gibt. Vor dem Transfer der Richtungsinformation zur Sichtanzeige wird in der Deviationstabelle der Figur 3c die Summe der Deviation und Ablenkung davon abgezogen, welche Summe der betreffenden Richtung entspricht. Je nach der Ausführung ist es vielleicht notwendig, die Richtungsinformation vor der Sichtanzeige zu filtern.

Zur Erleichterung der Tabellensuche werden die Tabellen gemäss den Figuren 3b und 3c so ergänzt, dass alle Positionen mit den der betreffenden Richtung entsprechenden Werten versehen sind. Die Ergänzung geschieht dadurch, dass die Geberwerte (Figur 3b) und die zusammengerechneten Deviations- und Ablenkungswerte zwischen den gemessenen Richtungen linear vermutet sind. Der von dieser Linearitätvermutung veranlasste Fehler ist je kleiner, in je dichteren Abständen gemessene Werte in der Tabelle gespeichert sind.

Einzelheiten beim Verfahren zum Suchen der Richtung können variiert werden, ohne dass die Grundidee verändert wird. Diese Grundidee kann in* die folgende Form gefasst werden:

Die Richtung wird mittels eines Gebers geschätzt,

ORIGINAL

dessen Ablesung dem Mittelwert aller Ablesungen des betreffenden Gebers näher liegt. Dabei bleibt man immer in einem Bereich, wo die Abhängigkeit der Geberablesung von der Richtung nahezu linear ist.

Weil die Geberwerte bei einem Zyklus von 360 Grad zyklisch sind, ist die Ablesung des zweiten Gebers nötig, damit bestimmt werden kann, ob die gesuchte Richtung sich im Bereich der ersten oder der zweiten Hälfte des Zyklus befindet.

Weil der Magnetkompass seine eigene Langsamkeit hat und die Befestigungsunterlage des Kompasses je nach der Ausführung sich auch nicht sehr schnell dreht, können nacheinander folgende Richtungswerte in der Nähe von einander gesucht werden. Wenn die Prozessierung der Richtungsinformation auch sonst schnell genug geschieht, braucht diese Eigenschaft nicht ausgenutzt werden (Punkt 1 im Algorithmus).

Unten wird das Verfahren I zur Richtungsbestimmung in Algorithmusform beschrieben.

Bezeichnungen:

S(i) Ablesung des Gebers i, i=1...2

ASTE(j,i) Tabelle gemäss Figur 3b, die mit den fehlenden Geberwertkombinationen ergänzt ist, j=0...359, i = 1...2

PUO(i) Mittelwert der tabellierten Ablesungen ASTE ( j ,i) des Gebers i, i=1...2

KOR(j) Deviationstabelle gemäss Figur 3c, in der eine Korrektur für jede Richtung gespeichert ist, j=0...359

APROK eine mittels der Tabelle ASTE(j,i) ausgesuchte Richtungsapproximation SUUNTA korrigierte Richtungsinformation

Der Algorithmus schreitet fort, wie folgt: Die Geberwerte S(1) und S(2) werden abgelesen und skaliert.

Wenn der Kompass früher angelassen ist und die Richtungsapproximation APROK einen Wert hat, werden A=APROK-5 und B=APR0K+5 gestellt. Wenn A oder B sich nicht im Bereich 0...359 stellt, erhält eine Variable, die einen Wert ausserhalb dieses Bereichs aufweist, den Wert 0 oder 359 je nachdem, welcher von den beiden dem obenberechneten Wert näher liegt. Die Bestimmung der Richtung wird mit dem Punkt 5 fortgesetzt.

Wenn S(D dem PUO(I) verhältnismässig näher liegt als S(2) dem PU0(2), werden K=1 und L=2 gestellt, sonst K=2 und L=1.

Die Werte ASTE(J,K) werden vom Wert ASTE(0,K) bis zum ASTE(359,K) in Abständen von 20 Grad abgesucht, bis die Differenz S(K)-ASTE(j,K) das Vorzeichen tauscht. Dabei werden B=j und A= der vorhergehend benutzte Wert von j bezeichnet. Wenn die Differenz mit irgendeinem benutzten Wert von j 0 ist, wird C=j gestellt.

Es wird geprüft, ob die folgenden Differenzen dasselbe Vorzeichen haben: S(L)-PUO(L) und ASTE(A₇L)-PUO(L). Wenn das Vorzeichen dasselbe ist und die Variable C oben im Punkt 3 einen Wert erhielt, wird APROK=C bezeichnet, und man geht zum Punkt 6 über. Wenn das Vorzeichen dasselbe ist, aber die Variable C oben im Punkt 3 keinen Wert erhielt, wird mit dem Punkt 5 fortgesetzt. Wenn die Differenzen verschiedene Vorzeichen

haben, wird mit der Absuchung der Tabelle ASTE(J₇K) im Punkt 3 fortgesetzt.

5. Die Werte ASTE(J,K) werden in Abständen von 1 Grad im Bereich j=A...B abgesucht, bis der Eigenwert der Differenz ASTE(J,K)-S(K) sein Minimum erreicht. Nachdem das Minimum erreicht ist, wird APROK=J gestellt, und man geht zum Punkt 6 über. Wenn das Minimum nicht gefunden wird, wird auf Punkt 3 zurückgekehrt.

6. Es wird kontrolliert (notwendig nur beim Gebrauch eines 2-magnetischen Kompasses), dass ASTE(APROK,L) = S(L) mit einer ausreichenden Genauigkeit ist. Wenn die Bedingung nicht realisiert wird, wird mit der Absuchung der Tabelle ASTE im Punkt 3 fortgesetzt. Wenn die Bedingung realisiert wird, wird SUUNTA = APROK-KOR(APROK) berechnet und mit einer neuen Richtungsbestimmung im Punkt 0 angefangen.

Verfahren II zur Richtungsbestimmung mittels zwei Geber

Das Verfahren basiert auf derselben Tabelle nach Figur 3b wie das vorige Verfahren, und die Tabelle wird so ergänzt, dass sie alle Richtungen im Bereich 0...359 Grad umfasst, wie oben beschrieben ist. Statt dessen dass die Richtung direkt mittels dieser Tabelle bestimmt würde, werden auf deren Grundlage zwei neue Tabellen geschaffen, deren Form und Inhalt in Figur 4b gezeigt sind.

Die Grundidee ist, für die beiden Geber eine Tabelle zu schaffen, in der die entsprechenden Richtungsablesungen für jede mögliche Geberablesung gespeichert sind. Weil das Gebersignal zyklisch und die Länge des Zyklus 360 Grad ist, entsprechen jedem Geberwert (abgesehen von dem Minimal- und Maximalwert des Gebers) zwei Richtungsablesungen. Die obenbeschriebenen Tabellen

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werden beim Anschluss des Magnetkompasses und der Geber aneinander geschaffen. Beim Gebrauch eines Kompasses mit zwei Magneten können sogar vier Richtungsablesungen einer Geberablesung je nach dem Anbringen der Geber entsprechen. Im folgenden wird nur die Ausführung mit einem Nadelkompass mit einem Magnet behandelt.

Aus den Figuren 4a und 4b geht das Prinzip des Verfahrens zur Richtungsbestimmung hervor. In Figur 4a sowie in Figur 3a wird die Stärke des Gebersignals mittels der Vertikalachse und der Winkel mittels der Horizontalachse gezeigt. Die Kurven bezeichnen die von den Gebern zu erhaltenden Signale. Der Geberablesung S(1) entsprechen die Richtungen X3 und X4. Der Geberablesung S(2) entsprechen die Richtungen X1 und X2. Zwei der Richtungen X1...X4 müssen (im Rahmen einer gewissen Toleranz) gleich sein. Die Aufgabe ist, diese zwei Richtungen zu finden, und zu schliessen, welche Richtung die Zuverlässigere ist, d.h. welche Richtung ihre Geberablesung im linearen Bereich hat.

Der Algorithmus schreitet fort wie folgt:

0. Die Geberwerte S(1) und S(2) werden abgelesen und skaliert.

1. In den folgenden Differenzen: X1 - X2 ,

X1 - X4

X2 - X3

X2 - X4

wird das Minimum (mittels der Bezeichnungen in Figur 4) gesucht.

Von den Faktoren der Minimaldifferenz wird derjenige gewählt, dem ein Geberwert entspricht, der dem Mittelwert aller Werte des betreffenden Gebers verhältnismässig näher liegt. Stell APROK = der ausgewählte Faktor der Minimaldifferenz (im Fall der Figur 4 X2).

Berechne SÜÜNTA = APROK-KOR(APROK). Kehre auf den Punkt 0 zurück.

Die im Punkt 3 benutzte Tabelle KOR wurde im Zusammenhang mit dem Verfahren I zur Richtungsbestimmung beschrieben.

Der Vorteil des Verfahrens II zur Richtungsbestimmung ist seine Geschwindigkeit, weil keine Iteration nötig ist. Der Nachteil ist ein grösserer Bedarf an Speicherkapazität als bei dem Verfahren I zur Richtungsbestimmung.

Verfahren III zur Richtungsbestimmung mittels drei Geber

Eine Weise zur Kompensierung von eventuellen Änderungen der Signalpegel ist, die Richtungsbestimmung so auszuführen, dass das Verhältnis zwischen den Ablesungen von zwei Gebern als Basis für Richtungsbestimmung verwendet wird. Dabei sind wenigstens drei Geber nötig, von denen die zwei verwendet werden, die dem Mittelwert aller Ablesungen dieser Geber am nächsten liegen, d.h. sich im linearen Bereich befinden.

Infolge der zyklischen Beschaffenheit der Signale erhält das Verhältnis zwischen den Signalen der zwei Geber denselben Wert an zwei Punkten des Zyklus. Der dritte Geber wird zur Ausführung der Wahl zwischen diesen zwei Punkten verwendet (vgl. Figur 5a). In Figur 5a, sowie früher in den Figuren 3a und 4a, wird die Stärke des Gebersignals mittels der Vertikalachse und der Winkel mittels der Horizontalachse bezeichnet. Die Kurven I und II und III zeigen von den drei verschiedenen Gebern kommende Signale.

Als Grundtabelle bei dem Verfahren wird eine Tabelle gemäss Figur 3b den drei Gebern angepasst benutzt. Beim Anschluss des Magnetkompasses und der Geber aneinander wird auf der Basis dieser Tabelle eine neue Tabelle berechnet, in der für jeden Winkel (0...359) gemäss Figur 5b die folgenden Verhältniszahlen gespeichert sind:

ORIGINAL INSPECTED

S(D/S(2) Ablesung des Gebers 1 durch Ablesung

des Gebers 2 geteilt S(D/S (3) Ablesung des Gebers 1 durch Ablesung

des Gebers 3 geteilt S (2)/S (3) Ablesung des Gebers 2 durch Ablesung

des Gebers 3 geteilt

Dieselben Bezeichnungen wie beim Verfahren I zur Richtungsbestimmung werden benutzt, abgesehen von der ASTE-Tabelle:

ASTE(j,k) Tabelle gemäss Figur 5b, in der für

jede Richtung j die obenbeschriebenen Verhältniszahlen gespeichert sind. j=0...359 und k=1...3

Der Algorithmus schreitet fort wie folgt:

0. Die Geberwerte S(D...S(3) werden abgelesen und skaliert.

1. Wenn der Kompass früher angelassen ist und die Richtungsapproximation APROK einen Wert hat, werden A=APR0K-5 und B=APROK+5 gestellt. Wenn A oder B sich nicht im Bereich 0...359 stellt, wird der Variable, die einen Wert ausserhalb dieses Bereiches aufweist, der Wert 0 oder 359 je nachdem gegeben, welcher von diesen Werten dem obenberechneten Wert näher liegt. Die Richtungsbestimmung wird mit dem Punkt 4 fortgesetzt.

2. Zum Berechnen der Verhältniszahl werden von den Geberablesungen S (D... S (3) die zwei Ablesungen gewählt, die dem Mittelpunkt PUO(D...PUO(3) der Ablesungen derselben Geber verhältnismässig am nächsten liegen. Das Verhältnis zwischen den gewählten Geberablesungen wird in derselben Ordnung berechnet wie sie in der Tabelle ASTE(j,k) gespeichert sind. Dieses Verhältnis wird mit

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dem Buchstaben L bezeichnet. Dem k wird ein entsprechender Wert gegeben, der in der Fortsetzung mit K bezeichnet wird.

3. Die Werte ASTE(J,K) werden mit dem Wert ASTE(0,K) beginnend bis zum Wert ASTE(359,K) in Abständen von 20 Grad abgesucht, bis die Differenz L ASTE(J,K) das Vorzeichen tauscht. Dabei wird B=j und A= der vorhergehend benutzte Wert von j bezeichnet. Wenn die Differenz mit irgendeinem benutzten Wert von j 0 ist, wird C=j gestellt.

4. Die Werte ASTE(J,K) werden in Abständen von 1 Grad im Bereich j=A...B abgesucht, bis die Differenz ASTE(J₇K) - L sein Minimum erreicht. Nachdem das Minimum erreict ist, wird APROK=J gestellt, und man geht zum Punkt 5 über. Wenn das Minimum nicht erreicht wird, wird mit der Absuchung der Werte ASTE(J₇K) im Punkt 3 fortgesetzt.

5. M=1...3 wird so gewählt, dass M und K von verschiedener Grosse sind. Der Wert ASTE (APROK,M) wird mit dem entsprechenden Verhältnis verglichen, das auf der Basis der Geberablesungen berechnet ist. Wenn diese einander nahe genug sind, wird SUUNTA = APROK-KOR(APROK) berechnet und eine neue Richtungsbestimmung vom Punkt 0 angefangen. Wenn die Verhältnisse sich einander nicht nahe genug befinden, wird mit der Absuchung der Tabelle ASTE(J,K) im Punkt 3 fortgesetzt.

Obwohl die Erfindung unter Hinweis auf das Arrangement oben beschrieben wird, wobei als primäres Fühlelement ein Magnetkompass fungiert, ist die Erfindung nicht nur darauf beschränkt, im Zusammenhang mit Kompassen verwendet zu werden, sondern sie kann im Rahmen der beigefügten Patentansprüche variiert werden.

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3 5 A 4 8 7 7

So kann erfindungsgemäss zum Beispiel die Windrichtung gemessen werden, wenn statt der Magnetnadel des Kompasses ein sich mit dem Wind drehender Zeiger aus nichtmagnetischem Material verwendet wird, an welchem Zeiger ein Magnet befestigt ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE pr.-ing. franz wuesthopf WUESTHOFF-v.PECHMANN-BEHRENS-GOETZ DRlPHIL"EDA ™ESTHO" DIPL.-ING. GERHARD PULS (19J2-I971) EUROPEAN PATENT ATTORNEYS dipl.-chem. dr. e. pre.herr von pechmann Risto Tanner, Hannu Purhonen •WII61Bnil"Hmi lÄ fifi ΠΠ4 DIPL.-ING. DIPL1-1WIRTSC H.-ING. RUPERTGOETZ DIPL.-PHYS. DR. AXEL VON HELLFELD 3 5 /, L ρ 7 7 ~* ^ D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 6620 51 _ , ... telegramm: protectpatent Patentansprüche: telex: $24070 telefax: (089) 663936 (nt)

1. Anordnung zur Richtungsbestimmung, welche Anordnung einen sich drehenden Zeiger mit magnetischen Eigenschaften umfasst, dadurch gekennzeichnet , dass sie zwei oder mehrere an dem Rahmen befestigte Geber (2) aufweist, deren Funktion auf der Abhängigkeit der Resistanz eines magnetischen Materials von dem sich auf die Geber richtenden Magnetfeld basiert, und die über einen A/D-Umformer (6) an einen Signalbehandlungsprocessor (3) angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass die Geber (2) aus einer von magnetoohmschen Elementen gebildeten Brückenschaltung bestehen.

3. Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Geber gibt und ihr Phasenunterschied 90° ist.

4. Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es drei Geber gibt und ihr gegenseitiger Phasenunterschied 120° ist.

5. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der sich drehende Zeiger eine Magnetnadel (1a) ist.

6. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der sich drehende Zeiger aus nicht-magnetischem Material besteht und dass an dem Zeiger ein Magnet befestigt ist.

7. Verfahren zur Richtungsbestimmung mittels einer Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die von den Gebern

(2) erhaltenen Signale mittels eines A/D-Umformers (6) * digital umgeformt werden, die von dem A/D-Umformer (6) erhaltenen Geberablesunaen skaliert werden. zum Er-

zielen einer präliminaren Schätzung der Richtung die skalierten Geberablesungen direkt mit den Referenzwerten für verschiedene Richtungen verglichen werden oder das Verhältnis der gewählten Geberablesungen mit den gespeicherten Verhältniszahlen verglichen werden, und die endgültige Richtung dadurch bestimmt wird, dass die präliminare Richtungsschätzung mit dem tabellierten, der betreffenden Richtung entsprechenden Ablenkungs- und Deviationswert (E) summiert wird, welcher Ablenkungsund Deviationswert unter den tatsächlichen Gebrauchsumständen der Anordnung geschaffen wird und in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert wird.

8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die bei der Skalierung zu benutzenden Konstanten dadurch berechnet werden, dass die Anordnung in einem besonderen Testmodus umgedreht wird, und dass das Minimum und Maximum der erhaltenen Signalwerte mit den erwünschten Minimal- und Maximalwerten verglichen werden.

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