Elektronischer Kompass
Vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Kompass mit digitaler und/oder analoger Anzeige.
Der—Kompass ist ein Instrument zur Bestimmung der Him¬ melsrichtung. Je nach seiner Verwendungsart dient er als Steuer- oder als Peilkompass.
Im Prinzip besteht ein Kompass aus einem Gehäuse, in dessen Bodenmitte die sog„ Pinne angebracht ist. Es ist dies ein senkrechter Metallstift mit einer harten Metall¬ spitze, auf der die Kompassrose, bzw. die Magnetnadel auf- gesetzt ist. Die Kompassrose weist meist an ihrem Rande ei¬ ne doppelte Teilung auf, nämlich eine innere in Strichen, die Windrose und eine äussere in Graden. Diese zählt von Nord über Ost von 0° bis 36θ°0
Es ist auch ein Kompass bekannt, der eine ringförmige Skala besitzt, die sich mit der Kompassnadel gleichzeitig dreht» Das Ablesen der Grade erfolgt mittelst einem einge¬ bautem Prisma, wobei der Kompass bei der Ablesung nicht
_ 9
schräg gehalten werden darf, ansonst die Kompassnadel sich verklemmt, was zu Fehlablesungen führt. Die Genauigkeit dieses Kompasses beträgt ca. 5 •
Anbetracht dessen, dass sich die waagrecht schwingende Magnetnadel stets nach Isogonen einstellt, die mit dem ge¬ ographischen Meridian einen Winkel bildet, der als Dekli¬ nation oder Missweisung bezeichnet wird, so zeigen alle Magnetkompasse magnetische oder missweisende Richtung an.
Die Nachteile der erwähnten Kompasse sind u.a. darin zu erblicken, dass sie keine allzugrosse Messgenauigkeit auf¬ weisen, da die visuelle Auflösung der Skala etweclhe Mühe bereitet...Eine weiter Unzulänglichkeit besteht bei den be¬ kannten Kompassen auch darin, dass sie nur über einen klei nen Neigungswinkel einwandfrei funktionieren. Der Kompass zeigt in allen Fällen missweisend an, sodass je nach
Standort eine Korrektur durch Addition oder Subtraktion de Variation erforderlich ist.
Gemäss der europäischen Offenlegungsschri t Nr. 0 078 510 ist eine Uhr bekannt, die ein Anzeigedispositiv für Stunden, sowie eine Vorrichtung für die Richtungsbestim¬ mung im magnetischen Erdfeld aufweist.
Zum Unterschied gegenüber der vorliegenden Erfindung, handelt es sich bei dieser Offenlegungsschri t um die An¬ wendung eines total verschiedenen Sensorprinzips. Die Ab- tastrate ist abhängig von der Erregung der Sensoren, was bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist, sodass eine Vereinfachun e enüber 0 0 8 10 erreicht wird was
als echter Fortschritt zu bezeichnen ist. Im Gegensatz zu 0 078 510 ist der Peak-Detektor im entscheidenden Moment, d.h. im maximalen Wert beim Nord- oder Süddurchgang am em¬ pfindlichsten, sodass potentielle Fehlerquellen sich auf ein Minimum herabsenken lassen.Bei der vorliegenden Erfindung sind zudem keine Konstanten notwendig und dies im Gegensatz zu 0 078 510» sodass keine Präzisionsbauteile und auch kei¬ ne gepaarten Sensoren notwendig sind. Gemäss der vorliegen¬ den Erfindung wird die Inklinationskorrektur, sowie die La- geempfindlichkeit automatisch korrigiert, was bei 0 078 510 nicht der Fall ist.
Die europäische Of enlegungsschri t Nr. 0 091 000 be¬ schreibt eine Vorrichtung zur Messung des Erdmagnet eldes als Navigationshilfe für den Führer eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Orientierung in einer Stadt. So wie ge¬ zeichnet und beschrieben hat es sich herausgestellt,dass es sich um ein anderes Sensorprinzip ohne Brückenschaltung han- delt,das bei einer Neigung des Fahrzeuges das Resultat ver¬ fälscht, weil die drei Sensoren kein Mass für die horizβn- tale Ebene sind, die für eine Kursbestimmung notwendig ist. Die elektronische und mechanische Schaltungslösung ist gar nicht beschrieben.Dieses System funktioniert in einem Fahr¬ zeug nicht,da o fensichtlich weder eine Deviationsmessung, noch deren Korrektur durchgeführt wird.Die ebenfalls notwen- dige Korrektur der Ortsmissweisung ist weder erwähnt noch beschrieben.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein digital und/ oder analog anzeigender,vollelektronischer Kompass,der die Nachteile eines Nadel- oder Kreiselkompasses eliminiert.
- -
Ueberraschenderweise konnte nun gefunden werden, was nicht ohne weiteres anzunehmen war, dass die übliche Ver¬ wendung einer Magnetnadel durch mindestens einen Magnet¬ feldsensor ersetzt werden kann, was zu einer genaueren Richtungsbestimmung führt, wobei die vom Magnetfeldsensor kommenden Signale elektronisch aufbereitet, eine grössere Genauigkeit zulassen.
Die Erfindung betrifft einen digital und/oder analog anzeigenden, vollelektronischen Kompass mit mindestens ei- nem Magnetfeldsensor, der mit einer nach olgenden elektro¬ nischen Schaltung verbunden ist, wobei der Magnet eldsen¬ sor auf dem Prinzip des Halleffektes, der Feldplatte, der Verstimmung einer Wheatstoneschen Brücke, oder der Wider¬ standsänderung arbeitet, während die nachfolgende elektro- nische Schaltung aus mindestens einem Operationsverstärker, einer Spannungsstabilisierung, einer Temperaturkompensation und einem Analogdigitalwandler besteht, die die Wertände¬ rung des Magnetfeldsensors verstärkt und diese in digitale und/oder analoge Signale bestimmter Grosse umwandelt und diese wiederum digital und/oder optisch und/oder akus¬ tisch zur Anzeige bringt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese an¬ hand der Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen elektro¬ nischen Kompass,
Fig. 2 einen Querschnitt gemäss der Linie A - A in Fig. 1 in stark vergrössertem Massstab ge¬ zeichnet,
Fig. 3 ein Blockschema eines elektronischen Kompasses,
Fig. k ein Blockschema für Kompass mit elektromoto¬ rischer Nachführung und digitaler Anzeige,
Fig. 5 ein Blockschema eines vollelektronischen, nei¬ gungsunabhängigen Kompasses,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf ein Anzeige- blatt einer Uhr mit eingebautem, nicht sicht¬ baren Kompass,
Fig. 7a Schema für elektronischen Kompass mit Quasi-
Analog-Anzeige, automatischer Inklinationskom¬ pensation und akustischer Kursanzeige für den Einbau in eine Uhr,
Fig. 7 Schema für elektronischen Kompass mit Quasi-
Analog-Anzeige, automatischer Inklinationskom¬ pensation und akustischer Kursanzeige für den Einbau in eine Uhr,
Fig. 8 automatische Austastung für den Einbau des Kom¬ passes in eine Uhr0
1. Ausführungsbeispiel
Gemäss den Figuren 1 und 2 besteht der Kompass aus ei¬ nem inneren 2 und einem äusseren Gehäuse 1. Das innere Ge-
- b -
häuse 2 trägt die kardanische Lagerung 3, an welcher min¬ destens ein Magnetfeldsensor 4 befestigt ist. Das innere Gehäuse 2 ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit 5 gefüllt und in seiner horizontalen Ebene um 190° im Uhrzeigersinn und um 190° im Gegenuhrzeigersinn drehbar gelagert, derart, das der Magnetfeldsensor 4 über eine im äusseren Gehäuse 1 ge¬ lagerte, drehbare und mit Gradeinteilung versehene Schei¬ be 6, welche über eine Ankoppelungseinrichtung 7 mit dem inneren Gehäuse 2 verbunden ist und auf jede beliebige Gradzahl von 1 bis 360° eingestellt werden kann.
Mit 8 ist der Operationsverstärker gemäss der Fig. 3 dargestellt, der aus einer integrierten Schaltung besteht, der die vom Ma∑rnetfeldsensor 4 abgegebenen Signale ver¬ stärkt und in Spannungswerte von mindesten 0 bis 360 mV umwandelt«, Diesem nachgeschaltet ist ein Analog-Digital- Wandler 9. der diese Spannungswerte auf einem LCD- oder LED-Display 10 gesichtsseits der äusseren Hülle 1 des Kompasses als dreistellige Gradanzeige sichtbar macht. Die Signale zum und vom Sensor können auch gepulst werden, Das äussere Gehäuse 1 besitzt den Schalter 12 zum Um¬ schalten von missweisend auf rechtweisend. Je nach Wahl erscheint dann gemäss Fig. 1 neben der dreistelligen Grad¬ zahl 11 die alphanumerische Anzeige M 13 oder T 14, wobei M für missweisend und T für rechtweisend eingesetzt ist. Am äusseren Gehäuse 1 ist fernerhin die Justeirung 15 zur Einstellung der Variation angebracht, wobei die Ablesung derselben während dem Drücken des Knopfes 16' auf dem Dis-
play 10 abgelesen werden kann.
Um einen bestimmten Punkt im Gelände anzuvisieren wird so vorgegangen, dass der Kompass lediglich in Richtung des anzuvisierenden Punktes gehalten wird, wobei automa- tisch die Gradzahl, d.h. der Azimut erscheint, die nur ab¬ gelesen werden kann.
Soll nun ein Azimut vorgewählt werden, so wird die Scheibe 6 solange gedreht, bis deren Gradeinteilung mit der gewünschten Gradzahl über dem Markierungsstrich 17 steht. Der Kompassbenützer dreht sich daraufhin mit dem Kompass solange, bis die Leuchtdiode 18 aufleuchtet. Der vorge¬ wählte Kurs ist erreicht. Erlischt hingegen die Leu'chtdiode 18, so bedeutet dies, dass man vom vorgewählten Kurs abge¬ wichen ist. Die Vorrichtung kann aber auch derart gestal- tet sein, dass ein Aufleuchten der Diode 18 bedeutet, dass vom vorgewählten Kurs abgewichen worden ist.
Dem Operationsverstärker 8 ist zudem zusätzlich ein Komparator 19, bestehend aus einer integrierten Schaltung, nachgeschaltet, der beim Erreichen z.B. eines bestimmten Spannungswertes von 0 mV die Leuchtdiode 18 aufleuchten lässt und somit ankündigt, dass der vorgewählte Kurs er¬ reicht ist.
Die Speisung der gesamten Elektronik erfolgt über min¬ destens einen Spannungsstabilisator 20 mittelst Akkumula- tor 21 und/oder mittelst Solarzellen oder aber durch eine Batterie.
2. Ausführungsbeispiel
Der elektronische Kompass gemäss Fig. 4 besteht aus mindestens einem Magnetfeldsensor 4, dessen Signal einem Operationsverstärker 8 zugeführt wird. Diesem nachgeschal¬ tet ist ein Minimum-Maximum-Detektor 22, dessen Höchst- , bzw. Tiefstwert an einen Differenzverstärker 23 geleitet wird. Das Signal des Dif erenzverstärkers 23 steuert einen elektromotorischen Antrieb 24, auf dessen Achse 25 eine Code-Scheibe 26, sowie die Kompassrosette 27 angebracht ist. Der Sensor 4 ist derart mit der Achse 25 verbunden, dass er sich mitdreht. Die Abtasteinheit 28 liefert die codierten Signale der Elektronikeinheit 29 zu, welche die notwendige Umwandlung vornimmt und das Azimut auf der An¬ zeige IQ numerisch zur Anzeige bringt.
Wird der Kompass gedreht, so tritt am Verstärker 8 eine Di ferenzspannung auf, die ihrerseits den elektro¬ motorischen Antrieb 24 so lange zum Nachführen zwingt, bis der Minimal-, bzw. Maximalwert wieder erreicht ist und so¬ mit kein Dif erenzpotential mehr vorhanden ist. Damit hat sich die Kompassrosette 27 um den Drehwinkel des Kompasses gedreht und zeigt das neue Azimut an. Desgleichen hat sich die Code-Scheibe 26 um den gleichen Winkel gedreht, wobei die Signale ausgelesen und aufbereitet werden, wobei das Azimut in digitaler Form auf der Anzeige 10 angezeigt wird,
3. Ausführungsbeispiel
Der vollelektronische, neigungsunabhängige Kompass gemäss Fig. 5 besteht im wesentlichen aus den Magnetfeld¬ sensoren 57, deren Signale mittels Operationsverstärkern verstärkt, über einen Analog-Digital-Wandler 5 einem Mikro« prozessor 44 zugeführt werden, sowie den Neigungssensoren, deren Signale über Demodulatoren 5k und einem Analog-Digi¬ tal-Wandler 53 ebenfalls zum Mikroprozessor 44 gelangen. Mittels einer Tastatur 48, deren Signale gleichfalls dem Mikroprozessor 44 zugeführt werden, können örtliche Miss- Weisung, Deviation und Kursvorwahl programmiert und im Speicher 43 abgelegt werden.
Diese Signale werden daraufhin im Mikroprozessor 44 verglichen, aufbereitet und das per Tastaturkommando ge¬ wünschte Resultat, wie z.B. rechtweisender Kurs, misswei- sender Kurs, Kursvorwahl, Deklination oder Deviationsta¬ belle, wird auf dem graphischen Display 51 in beliebiger Form zur Anzeige gebracht.
40 Ausführungsbeispiel
Gemäss der Fig. 6 ist die Kompasselektronik in die Uhrenelektronik integriert und derart angeordnet, dass das maximale Sensor-Ausgangssignal der auf der Uhr angegebenen Nordrichtung 35 entspricht. Wir die Uhr in Nordrichtung gedreht, so werden die auf der Flüssigkristallanzeige oder der dichroischen Anzeige 34 angebrachten Balken 35 in Pfeilform, oder auch kreisf rmigradial entsprechend der
Stärke des Sensorsignals angesteuert und entsprechend sichtbar gemacht. Nimmt die Anzahl der angesteuerten Bal¬ ken 35 während dem Drehvorgang nicht mehr weiter zu, so ist die Nordrichtung 33 erreicht. Alle Himmelsrichtungen kön- nen dann sofort am Stellring 36 abgelesen werden. Dieses Vorgehen erlaubt es, die Uhr während dem Peilvorgang auch schräg zu halten. Mit dem Knopf 37 kann der Kompass ein- und ausgeschaltet werden.
Der Stellring 56 mit der Gradeinteilung kann drehbar gelagert und mit dem Kompass-Sensor verbunden sein, der¬ art, dass bei einer Drehung des Stellringes 36 sich auch der Sensor um den gleichen Winkel mitdreht. Demzufolge kann jeder beliebige Kurs vorgewählt werden. Der Stellring 36 ist solange zu drehen, bis der gewünschte Kurs über der Kursmarke 38 steht. Der so vorgewähählte Kurs ist erreicht, wenn die Anzahl der sichtbaren Balken 35 während dem Peil¬ vorgang nicht mehr zunimmt0 Anstelle oder zusätzlich zur Balkenanzeige kann eine numerische Anzeige des jeweiligen Azimuts erfolgen,,
Die magnetischen Impulse der Uhr können gemäss der Schal¬ tung in Fig. 8 derart ausgetastet werden, dass sie die kor¬ rekte Kompassanzeige nicht mehr zu stören vermögen.
Es hat sich auch gezeigt, dass wenn mittels eines dyna¬ mischen Signals , das dem Sensor z.B. in einer Form eines zv.eiten und/oder dritten Magnetfeldes kurzzeitig und wechsel weise zugeführt wird, die Differenz der so erzielten Mag¬ netisierung, bzw. des Sensorausgangssignals, oder die Zeit,
die benötigt wird, um die ursprüngliche Lage einzunehmen, ein Mass für die Lage des Sensors im Ermagnetfeld ist.
Das dynamische Signal kann über Spulen geführt, oder aber dem Sensor als Variation der Spannung direkt zuge- führt werden.
Durch die Verwendung von Neigungssensoren ist die Azi¬ mutmessung sowohl läge- , als auch neigungsunabhängig. Die Aufbereitung und Berechnung der Signale findet in einem Mikroprozessor statt.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Kompasses sind da¬ rin zu erblicken, dass dieser im Gegensatz zu den bekannten Kreisel-Kompass-Systemen keinen zunehmenden Fehler auf¬ weist und auch nicht nach einem herkömmlichen Magnetkom- pass weder vor noch während der Reise, neu gesetzt werden muss. Im Gegensatz zu den bekannten Kompassen findet bei einer Drehung desselben kein Vor- oder Nachlaufen der An¬ zeige statt. Fehler durch Deklination und Deviation kön¬ nen automatisch auskorrigiert werden. Auch ist erstmals eine rechtweisende Kursanzeige möglich.
Der Verwendungsbereich erstreckt sich je nach Art der Ausführung auf Boden- , Wasser- , Luft - und Raumfahrzeu¬ ge, sowie als Taschen - oder Uhrenkompass.