WO2020011298A1 - Method and device for determining a 3d orientation and a 3d position on the basis of a single-axis coil and an marg sensor - Google Patents

Method and device for determining a 3d orientation and a 3d position on the basis of a single-axis coil and an marg sensor Download PDF

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coil
magnetic field
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Thomas FELDERHOFF
Gerhard STAUDE
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Fachhochschule Dortmund
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    • A61B5/0002Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network

Definitions

  • the invention relates to a method for 3D orientation and 3D position determination of objects according to the preamble of claim 1 and a suitable device according to claim 18.
  • the objects can be specific parts of the body.
  • the objects can be movable elements (tools, grippers, etc.), the orientation and position of which must be recorded relative to the robot base or a reference joint of the robot for the purpose of motion control.
  • the position is usually determined. based on a camera marker system.
  • active (light-emitting) or passive (reflecting) markers are applied to the object to be detected.
  • One or more camera (s) capture images on which the markers are recognized using image processing algorithms.
  • several markers are used, which are arranged in special patterns. These patterns are recognized in the recorded images and tracked (“tracked") for the purpose of determining their position [3].
  • a marker position is determined via triangulation using the known positions of the cameras relative to one another (e.g. systems from the "Vicon” company) [4]
  • Ultrasound-based methods work on a similar principle as the camera-based methods with multiple cameras.
  • a transmitter attached to the object emits an ultrasound signal that is registered by at least three receivers.
  • the position of the transmitter is determined from the different transit times of the signal using triangulation [5]
  • the position is determined by double numerical integration of acceleration data [6].
  • Magnetic field-based standard systems usually consist of a magnetic source, which is composed of three orthogonal coils and is usually placed firmly in the room and a three-axis magnetic sensor, whose position and orientation are determined relative to the source (see [7] - [1 1]).
  • the positions of the sensors with respect to all three axes must differ.
  • three magnetic field sensors are used at a fixed distance from each other in combination with an inertial sensor for determining the 3D orientation and 3D position.
  • the approach in [15] does not require an inertial sensor, instead four magnetic field sensors are required at a fixed distance from each other.
  • the previously available methods for 3D position determination have properties that are particularly disadvantageous for use in mobile applications.
  • visual contact is required between the sensors and the source. If visual contact is interrupted, for example, by an obstacle, it is no longer possible to determine the 3D position.
  • the sensor noise is also integrated with the integration of the sensor data.
  • the position determined contains an error that increases over time (so-called drift effect), so that the position becomes unusable after a short time without additional reference sensors or countermeasures [6].
  • drift effect the error that increases over time
  • the standard systems available to date rely on a stationary, three-axis magnetic source and are therefore only suitable for mobile applications to a limited extent.
  • the distances must be large enough that the measured magnetic fields differ from one another and in relation to the measurement noise to a sufficiently high degree so that a robust position determination is possible.
  • This means that the corresponding module must inevitably have a certain size, which makes it difficult to attach it to smaller parts of the body (for example on the fingertips).
  • the object of the present invention is therefore to realize a mobile and location-independent acquisition of 3D orientation and 3D position data, which does not require visual contact between the system components used.
  • the achievement of the object according to the invention results from the characterizing features of claim 1 in cooperation with the features of the generic term. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
  • the invention is based on a method for 3D orientation and 3D position determination of objects, with the aid of a device comprising a reference module with a uniaxial coil and its control electronics and a MARG sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity sensor), wherein the coil for generating a harmonic magnetic field signal of constant frequency is subjected to a periodic excitation current, a sensor module with a MARG sensor, the reference module serving as a spatial reference for determining the orientation and position of the sensor module and from the If the data of the MARG sensors in the reference module and sensor module are algorithmically determined, the 3D orientation of the respective module is determined, the MARG sensor of the sensor module detects a mixed signal which is derived from the harmonic magnetic field generated by the coil of the reference module and all other magnetic fields in the environment of the facility.
  • a device comprising a reference module with a uniaxial coil and its control electronics and a MARG sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity sensor), wherein the coil for generating a
  • Such a generic method is further developed in the manner according to the invention in that not only the amount information but also the phase information of the coil signal is used to extract the coil signal from the mixed signal from the mixed signal determined by the MARG sensor of the sensor module, as a result of which the amplitudes of the magnetic field components of the coil signal have the correct sign are determined, and from the determined amplitudes of the magnetic field components of the coil signal, the unique spatial position of the sensor module relative to the reference module is determined on the basis of the measurement data of only the MARG sensor on the sensor module.
  • This determination of the unambiguous spatial position of the sensor module relative to the reference module can take place cyclically or repeatedly, for example in order to be able to detect changes in the position of the sensor module.
  • a reference module consisting of the following main components: ⁇ Coil + control electronics
  • MARG sensor Magnetic field and inertial sensors are offered by numerous manufacturers in a common chip housing, which is why the combination of magnetic field and inertial sensor is often viewed as a sensor that is known as MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity) sensor is called
  • a radio module (depending on the application, it may be necessary to provide a radio module in at least one of the modules for wireless transmission of the resulting data (3D orientation / position or data on rotational / translational movements))
  • a sensor module consisting of the following main components:
  • the reference module is used to generate the magnetic field and as a spatial reference for determining the orientation and position of the sensor module.
  • the 3D orientation of the respective module can be determined using the data of the MARG sensors in the reference and sensor module using known fusion algorithms ([16], [17]). Joint inclination movements of both modules can be compensated for in this way.
  • the coil on the reference module (similar to the existing approaches from [14] and [15]) with a periodic excitation current , preferably stimulated with a sinusoidally modulated excitation current to generate a harmonic magnetic field signal of constant frequency
  • the measurement signal detected by the MARG sensor of the sensor module is a mixed signal which is composed of the coil-generated harmonic magnetic field and all other magnetic fields in the vicinity of the system. These include, for example, the Earth's magnetic field and Magne fields of electronic devices (see Figure 2).
  • the coil signal is filtered out of the superimposed signal by using a bandpass filter with a center frequency that is matched to the known frequency of the coil signal (FIG. 2b).
  • the amplitude of the resulting sinusoidal signal is then determined by means of envelope detection, for example by means of window-wise maximum determination [14] or a Hilbert transformation [15] (FIG. 2c). This is carried out separately for all three sensor axes, so that after the steps described, the amplitudes associated with the coil signal are present in the x, y and z directions. This amp lituden depend on the distance between the coil and reference module with respect to the respective spatial axis.
  • the method according to the invention is based on an alternative procedure.
  • not only the amount information but also the phase information of the coil signal is used to extract the signal from the superimposed measurement signal.
  • This makes it possible to determine the amplitudes of the magnetic field components Bx, By, and Bz with the correct sign. This in turn allows an unambiguous solution and thus an unambiguous position to be determined on the basis of the measurement data of an individual magnetic field sensor using an optimization algorithm via the magnetic field form (1) to (3).
  • the essential core of the method according to the invention is a magnetic field-based system for 3D orientation and 3D position determination based on a single, uniaxial coil on the reference module and a single MARG sensor (consisting of a 3D acceleration, rotation rate, and magnetic field sensor) on the sensor unit.
  • the implementation of such a method is made possible by the fact that, in contrast to existing systems based either on a three-axis magnetic source or a combination of several magnetic field sensors, not only amount information but also phase information of the coil-generated magnetic field is evaluated.
  • the new approach put forward in the context of the method according to the invention regards the coil signal as an amplitude-modulated signal, so that an existing coherent demodulation method based on a Hilbert transformation and a Costas loop can be used to determine the coil signal amplitude in the correct phase.
  • the amplitude of the useful signal depends on the distance between the sensor module and the coil on the reference module, so that it can assume any values.
  • the fact is used that under the given application criteria (position axis z> 0) it is impossible that all three magnetic field components have the value ⁇ 'at the same time can have. This approach is not part of the classic demodulation process or Costas Loop, but new.
  • the invention presented here offers a new magnetic field-based solution for determining the 3D orientation and 3D position using a single coil on the reference module and a single MARG sensor on the sensor unit.
  • the method presented does not require visual contact between the reference and sensor modules, so that the function of the system is not disturbed by objects that are located between the units (an exception is made of ferromagnetic objects Materials because they influence the magnetic field measurement).
  • the inertial sensor-based method there is no drift effect in the method presented, since no data has to be integrated to determine the position.
  • the sensor unit does not require several magnetic field sensors at a fixed distance from each other, but only a single MARG sensor. This makes it easier to implement miniaturized sensor modules that can also be attached to small objects (such as fingertips). Accordingly, the new method makes it possible, for example, to develop a system for recording body postures and body movements that is more comfortable to wear and has a lower energy requirement and therefore facilitates applications in the mobile environment and in the long-term area.
  • the invention described here thereby enables not only a 3D orientation determination but also a mobile, location-independent 3D position determination which does not require visual contact between the objects.
  • the invention thus opens up new application options, among other things. in the fields of biomechanics, robotics and virtual reality.
  • the system components are so scalable in terms of size, weight and energy requirement that the invention is also suitable for applications in which the components are intended to be worn on the body over a longer period of time (for example in medical technology applications for long-term movement detection).
  • the drawing shows a particularly preferred embodiment of the method according to the invention and the corresponding device.
  • FIG. 2 magnetic field sources (a), superimposed measurement signal (b) for a sensor axis and bandpass-filtered signal (c),
  • FIG. 3 - 2D view of two alternative sensor positions relative to the coil, FIG. 4 magnetic field components Bx and By for two different position coordinates in correlation to the coil signal,
  • FIG. 5 coherent AM demodulation by means of Hilbert transformation and multiplication with complex reference oscillation
  • FIG. 6 ideal amplitude frequency response of the filtered signal x (nT)
  • FIG. 7 amplitude frequency response of the Hilbert transformed signal
  • FIG. 8 amplitude frequency response to the signal y (t)
  • FIG. 9 demodulation method with Costas loop
  • FIG. 10 processing block for compensating the useful signal term from the
  • FIG. 12 determination of the initial phase position by means of a synchronization signal
  • FIG. 13 example for synchronization via known position position of the sensor module
  • FIG. 14 temporal sampling to avoid Eddy Field influences
  • the method according to the invention is based on the fact that when processing the sensor measurement data not only the amount information but also the phase information of the periodic, possibly rectangular, but preferably excitation current sinusoidal coil signal is used for 3D position determination.
  • the relationship between the signs of the magnetic field components and the phase position of the coil signal for a periodic, preferably a sinusoidal, coil signal is shown.
  • the following dependency can be determined from formulas (1) to (3) formulate the sign of the magnetic field components and the position of the sensor module relative to the reference module:
  • FIG. 3 shows the two sensor positions in the 2D position coordinate system, the origin of which is defined by the position of the coil.
  • the magnetic field components for sensor position 1 show that they have the same phase position as the coil signal (FIG. 4a). This is because both the x and y components of the position coordinates are positive. At the second sensor position, the y component is also positive, while the x component is negative. As a result, the signal has a phase shift of 180 ° compared to the coil signal (FIG. 4b).
  • the present invention takes advantage of this relationship between the phase position of the coil signal and the sign of the measured magnetic field component in order to extract the signal component correlated with the coil signal from the overall signal with the correct phase and sign. Based on the signal generated in this way, the 3D position can be clearly determined using formulas (1) to (3) without the need for additional magnetic field sensors. The procedure developed for this is explained in the following sections.
  • the amplitude of the coil signal contained in the measurement signal according to formulas (1) to (3) depends on the distance between the coil and reference module with respect to the three spatial axes x, y and z.
  • the coil signal component can be regarded as an amplitude-modulated signal in which the useful signal can be interpreted as a distance-dependent amplitude and the sinusoidal excitation signal as a carrier signal. Accordingly, an amplitude demodulation method can be used to obtain the useful signal from the modulated signal.
  • the basic principle of the coherent demodulation method used here is shown in FIG.
  • the input signal x (nT) is the measurement signal, which is composed of the high-frequency carrier signal x c (nT), the low-frequency useful signal s (nT), a noise component w (nT), and a DC component b e (for explanation -
  • the basic principle is first simplified from a one-dimensional measurement signal):
  • x (nT) s (nT) - x c (nT) + w (nT) + b e . (7)
  • the carrier signal x c (nT) corresponds to the coil excitation signal and is defined as follows:
  • the parameters of the bandpass filter are to be designed in such a way that the noise component w (nT) and the direct component b e (which essentially results from the superposition of the static earth magnetic field) are largely filtered out and the resulting signal x ( nT ) im Essentially reduced to the frequency range of the band-limited, modulated useful signal, so that
  • FIG. 6 shows the idealized amplitude frequency response of the Fourier transform X (f) to the bandpass-filtered output signal.
  • the frequency f max represents the maximum frequency of the band-limited useful signal s (nT).
  • the filtered signal is then transformed on the one hand by means of a Hilbert FIR filter [18], and on the other hand delayed by half the filter order q of the Hilbert filter in order to adjust the phase position of this signal branch to that of the Hilbert filter branch (see figure 5).
  • the idealized amplitude frequency response of the Fourier transform is shown in FIG. 7 for illustration shown for the signal x (f ) .
  • the frequency and phase of the NCO signal almost correspond to the actual frequency and phase of the carrier signal contained in the input signal (ie * f c and ⁇ Pc ⁇ Pc or D ⁇ * 0 and D ( R °)
  • the real part i (nT) (which is often also referred to as an in-phase component) is reduced to the useful signal s (nT)
  • the imaginary part ⁇ i ( nT ) (quadrature component) is zero in this case.
  • the multiplication of the input signal by the NCO signal corresponds to a so-called down conversion, in which the frequency components of the input signal are shifted by the frequency - f c (see FIG. 8).
  • this method only works if the frequency and phase relationship between the NCO and the carrier signal match. In practice, however, this is generally not the case, among other things, due to component tolerances in carrier signal generation. Even a very slight deviation of the reference frequency fc generated by the NCO from the actual frequency fc of the carrier signal leads to a drift effect, which causes an error in the demodulation that increases with time. This can be problematic - at least for long-term measurements.
  • FIG. 9 shows the demodulation method expanded by a digitally implemented Costas loop.
  • the instantaneous phase difference in the Costas loop is determined by the product e (nT) from the multiplication of the in-phase component by the quadrature component estimated. With small phase differences, the sine term in (16) and thus also the total product e (nT) tends to zero. This makes e (nT) suitable in principle as a control deviation variable for controlling the phase position of the NCO signal. All s 2 (nTj
  • the signal e c ( nT ) is only dependent on the phase difference D Y for 1 even e c ( nT ) D ⁇ R.
  • This filter on the one hand filters out noise components, on the other hand influences the dynamic behavior of the controller.
  • the loop filter determines, among other things, the response times and the overshoot of the controller in the event of sudden changes in the phase difference. It is usually implemented as a first-order recursive low-pass filter (see FIG. 11).
  • the parameters gO and g1 determine the filter characteristics and the desired dynamic behavior of the loop filter. A detailed description for the optimal parameter design can be found, for example [22].
  • the useful signal can be extracted from the respective measurement signal using the demodulation method described.
  • the demodulation method described there are two problems to be considered according to the status described so far:
  • the Costas Loop has the property that a minimization of the control deviation can be achieved either by converging the phase difference towards zero or towards ⁇ p depending on the initial phase position of the carrier signal.
  • the output signal i (nT) follows the amplitude profile of the useful signal and thus also detects phase changes (ie change of sign).
  • the initial phase position is not clear or is only known with a phase uncertainty of 180 °. An additional mechanism is therefore required that phase position (and thus the initial sign of the respective magnetic field component) is determined. Possible solutions for this are shown below.
  • a simple possibility for determining the initial phase position is the use of a synchronization signal which is generated by the source module when the coil control signal begins to be in a positive phase position and is transmitted by radio or cable, depending on the communication interface (FIG. 12).
  • the synchronization signal is received by the sensor module, the phase position of the NCO signal is reset so that the phase position of the NCO is synchronized with that of the carrier signal and the correct signs for the components of the magnetic field signal are thus automatically obtained.
  • a slight time delay between the synchronization signal and the initial phase position of the carrier signal in the measurement signal is not critical, provided that it is less than f s / f o ' ° ⁇ 5 (i.e. half the samples of a sine period). Since an interface (cable / radio) must be available for the transmission of the determined orientation and position data in most applications, this synchronization method can be implemented in practice with very little additional effort.
  • the initial position can also be determined without a synchronization signal.
  • the position is known to be sufficiently known if the sign of the x or y axis of the position vector - which describes the position of the sensor module relative to the coil module - is known. Knowledge of the sign of the x or y axis can be used to correct the sign of the demodulated magnetic field components after the phase loop has snapped into place.
  • the sign of the Bx or By component according to formulas (4) to (6) is only dependent on the sign of the x or y axis in the position space, the sign of the corresponding magnetic field component can be directly via the sign of the respective position coordinate be derived. If the sign If the magnetic field component does not correspond to the expected sign immediately after the phase locked loop has snapped in, the reference signal generated via the NCO has a phase deviation of 180 ° compared to the carrier signal, so that the signs of all magnetic field components have to be inverted once in order to obtain the correct sign. Otherwise there is no phase deviation, so that a correction of the sign is not necessary.
  • condition could be set that the sensor module must be "to the right of the coil” before it is switched on.
  • condition could be set that the sensor module must be "to the right of the coil” before it is switched on.
  • a positive sign of the Bx component would be derived from this.
  • This method has the advantage that neither radio communication nor a cable connection between the modules is required for the synchronization. It is therefore also suitable for applications in which the data are either only saved for later offline processing or are processed directly online, for example to control actuators or output signals depending on the data (for example output of an acoustic or visual warning signal for signaling certain body malpositions in biofeedback applications in the field of medical technology or biomechanics).
  • the initial phase can also be determined by transmitting additional information about the generated coil signal.
  • characteristic signal components can be encoded in the coil signal, which can be identified via the signal processing on the part of the sensor module in order to determine the time of synchronization.
  • a rectangular signal rise can be provided in the coil signal shortly before the start of the sine signal (with a known starting phase position).
  • an upstream, sinusoidal signal component with a frequency ⁇ f c before the actual coil signal (with frequency f c) can also be provided in the coil signal, so that the sensor module can identify the synchronization time by recognizing the frequency jump.
  • the DC method in addition to the AC method, in which an alternating magnetic field signal is generated at a constant frequency, the DC method is also used, in which the coil is excited by a pulsed signal.
  • the three coils of the magnetic field source must be activated sequentially (sequentially) in order to ensure that the coil magnetic fields can be distinguished and thus that the measured magnetic field belongs to the source axes (C, U, Z) on the part of the receiver or the magnetic field sensor ,
  • a signal section with the coil switched on and a signal section with the coil switched off is recorded in the sensor unit for each coil activation.
  • the difference between the two signal components is formed so that magnetic field components that are contained in both signals (for example the earth's magnetic field) are compensated for and ideally only the coil-dependent component results.
  • a vector with three magnetic field components is determined in this way. Since the acquisition of a data set consisting of X, Y and Z components in the existing three-axis systems requires the duration of three coil excitation periods, the latency of the position calculation with the DC method is generally higher in these systems than in the AC method.
  • B lo JO b e (T,) + w (T l ) (19) and are represented, where b e represents the direct component resulting mainly from the earth's magnetic field, H>, and w 2 high-frequency noise components, and B represents the coil-dependent signal component.

Abstract

The invention relates to a method for determining the 3D orientation and 3D position of objects using a device, having a reference module with a single-axis coil and an MARG sensor. The coil is supplied with a sinusoidally modulated excitation current in order to generate a harmonic magnetic field signal with a constant frequency. The device also has a sensor module with an MARG sensor. The reference module is used as a spatial reference for determining the orientation and position of the sensor module. The 3D orientation of each module is determined algorithmically in a cyclical manner from the data of the MARG sensors in the reference module and the sensor module. The MARG sensor of the sensor module detects a mixed signal which is composed of the harmonic magnetic field generated by the coil of the reference module and all of the other magnetic fields in the surroundings of the device. Thus, not just the value information but also the phase information of the coil signal is used to extract the coil signal from the mixed signal ascertained by the MARG sensor of the sensor module, whereby the amplitudes of the magnetic field components of the coil signal are ascertained complete with sign, and the unique spatial position of the sensor module relative to the reference module is determined from the ascertained amplitudes in a cyclical manner on the basis of the measurement data solely of the MARG sensor on the sensor module.

Description

Verfahren und Einrichtung zur 3D-Orientierungs- und 3D- Positionsbestimmung auf Basis einer einachsigen Spule und eines  Method and device for 3D orientation and 3D position determination based on a uniaxial coil and one
MARG-Sensors  MARG sensor
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-0rientierungs- und 3D-Positionsbestim- mung von Objekten gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine dazu geeigne- te Einrichtung gemäß Anspruch 18. The invention relates to a method for 3D orientation and 3D position determination of objects according to the preamble of claim 1 and a suitable device according to claim 18.
In vielen technischen Anwendungsbereichen wird eine zuverlässige und genaue Möglichkeit zur Bestimmung der Orientierung und der Position eines Objektes relativ zur Orientierung und Position eines zweiten (Referenz-)Objektes im dreidimensiona- len Raum benötigt. Im Anwendungsbereich Biomechanik beispielsweise kann es sich bei den Objekten um spezifische Körperteile handeln. Zur medizinisch-diag- nostischen Einschätzung der Beweglichkeit der Halswirbelsäule bzw. des Nackenbe- reiches z.B. ist die Bestimmung der Kopfneigung und Kopfposition relativ zur Nei- gung und Position des Oberkörpers erforderlich, um so rotatorische und translatorische Bewegungen des Nackens zu erfassen. Im Bereich Robotik kann es sich bei den Objekten um bewegbare Elemente (Werkzeuge, Greifer etc.) handeln, deren Orientierung und Position relativ zur Roboterbasis oder einem Referenzgelenk des Roboters zwecks Bewegungsregelung erfasst werden muss. Zur Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum existieren zahlreiche etablierte Technologien, die sich jedoch aus diversen Gründen (beispielsweise Gewicht, Größe, Energiebedarf) nur bedingt zur Realisierung mittels mobiler, ortsunabhängi- ger Systeme bzw. Applikationen eignen oder aber die Einschränkung aufweisen, dass zwischen den Systemkomponenten ein Sichtkontakt bestehen muss. Zur Bestimmung der 3D-Orientierung eines Objektes hat sich in den letzten Jahren (insbesondere in mobilen Anwendungen) die Verwendung von Inertialsensoren und Magnetometern etabliert [1]. Die Fusion aus 3D-Beschleunigungsdaten, Drehraten und Magnetfelddaten ermöglicht eine driftfreie, zuverlässige und genaue 3D- Orientierungsbestimmung, die im Gegensatz zu optischen oder ultraschallbasierten Verfahren ohne die Verwendung einer Quelle auskommt und sich somit gut für mobi- le, ortsunabhängige Applikationen eignet [2] In many technical application areas, a reliable and precise possibility for determining the orientation and position of an object relative to the orientation and position of a second (reference) object in three-dimensional space is required. In the field of biomechanics, for example, the objects can be specific parts of the body. For the medical-diagnostic assessment of the mobility of the cervical spine or the neck area, for example, it is necessary to determine the head inclination and head position relative to the inclination and position of the upper body in order to record rotational and translational movements of the neck. In the area of robotics, the objects can be movable elements (tools, grippers, etc.), the orientation and position of which must be recorded relative to the robot base or a reference joint of the robot for the purpose of motion control. There are numerous established technologies for determining the position in three-dimensional space, but for various reasons (such as weight, size, energy requirement) are only suitable to a limited extent for implementation by means of mobile, location-independent systems or applications, or they have the restriction that there is a gap between the system components Visual contact must exist. In recent years (especially in mobile applications) the use of inertial sensors and magnetometers has been established to determine the 3D orientation of an object [1]. The fusion of 3D acceleration data, yaw rates and magnetic field data enables drift-free, reliable and accurate 3D Orientation determination, which, in contrast to optical or ultrasound-based methods, does not require the use of a source and is therefore well suited for mobile, location-independent applications [2]
Technische Standardmethoden, die nach aktuellem Stand der Technik die Erfassung von Positionsdaten im 3D-Raum ermöglichen, sind folgende: Standard technical methods that enable the acquisition of position data in 3D space according to the current state of technology are as follows:
• kamerabasierte Methoden • camera-based methods
Bei kamerabasierten Methoden erfolgt die Positionsbestimmung i.d.R. auf Ba- sis eines Kamera-Marker-Systems. Hierbei werden aktive (Licht emittierende) oder passive (reflektierende) Marker auf dem zu erfassenden Objekt aufgebracht. Eine oder mehrere Kamera(s) erfassen Bilder, auf denen die Marker über Bildverarbeitungsalgorithmen erkannt werden. Beim Einsatz einer einzel- nen Kamera werden üblicherweise mehrere Marker eingesetzt, die in speziellen Mustern angeordnet sind. Diese Muster werden in den aufgenommenen Bildern erkannt und zwecks Positionsbestimmung verfolgt („getrackt“) [3]. Beim Einsatz mehrerer Kameras erfolgt die Bestimmung einer Markerposition über Triangula- tion mittels der bekannten Positionen der Kameras zueinander (z.B. Systeme der Firma "Vicon") [4]  With camera-based methods, the position is usually determined. based on a camera marker system. Here, active (light-emitting) or passive (reflecting) markers are applied to the object to be detected. One or more camera (s) capture images on which the markers are recognized using image processing algorithms. When using a single camera, usually several markers are used, which are arranged in special patterns. These patterns are recognized in the recorded images and tracked ("tracked") for the purpose of determining their position [3]. When using several cameras, a marker position is determined via triangulation using the known positions of the cameras relative to one another (e.g. systems from the "Vicon" company) [4]
• ultraschallbasierte Methoden • ultrasound-based methods
Ultraschallbasierte Methoden funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie die kamerabasierten Methoden mit mehreren Kameras. Ein auf dem Objekt an- gebrachter Sender emittiert ein Ultraschall-Signal, das von mindestens drei Empfängern registriert wird. Die Position des Senders wird aus den unterschiedlichen Laufzeiten des Signals über Triangulation ermittelt [5]  Ultrasound-based methods work on a similar principle as the camera-based methods with multiple cameras. A transmitter attached to the object emits an ultrasound signal that is registered by at least three receivers. The position of the transmitter is determined from the different transit times of the signal using triangulation [5]
• inertialsensorbasierte Methoden • methods based on inertial sensors
Bei den intertialsensorbasierten Methoden wird die Position durch zweifache numerische Integration von Beschleunigungsdaten ermittelt [6].  With the interactive sensor-based methods, the position is determined by double numerical integration of acceleration data [6].
• magnetfeldbasierte Methoden • Magnetic field based methods
Magnetfeldbasierte Standardsysteme (z.B.„FASTRAK“ oder„trackSTAR“) be- stehen in der Regel aus einer magnetischen Quelle, welche sich aus drei or- thogonalen Spulen zusammensetzt und üblicherweise fest im Raum platziert ist, und einem dreiachsigen Magnetsensor, dessen Position und Orientierung relativ zur Quelle bestimmt werden (s. [7]-[1 1]). Magnetic field-based standard systems (eg "FASTRAK" or "trackSTAR") usually consist of a magnetic source, which is composed of three orthogonal coils and is usually placed firmly in the room and a three-axis magnetic sensor, whose position and orientation are determined relative to the source (see [7] - [1 1]).
Um einen Einsatz der etablierten Magnetfeldtechnologie zur mobilen Erfassung von Körperbewegungen zu ermöglichen, sind in den letzten Jahren neue Ansätze ent- standen (siehe [12], [13]), bei denen neben den Sensoren auch die Magnetfeldquelle des Messsystems am Körper getragen wird (s. Figur 1). In Figur 1a aus [12] ist die Magnetquelle mit den drei orthogonalen Spulen in einem pyramidenförmigen Modul integriert. In Figur 1 b aus [13] sind die Spulen als Wicklungen in Form eines Gürtels realisiert. In der Forschung wird außerdem an Lösungen gearbeitet, die eine Positionsbestim- mung auf Basis einer einachsigen Magnetquelle, also einer einzelnen Spule, ermög- lichen. Bisherige Lösungsansätze benötigen bei Verwendung einer einzelnen Spule mehrere Magnetfeldsensoren im festen, bekannten Abstand zueinander, um eindeu- tig auf die 3D-Position schließen zu können. Dabei müssen sich die Positionen der Sensoren zueinander bzgl. aller drei Achsen (X, Y, Z) unterscheiden. Beispielsweise werden in [14] drei Magnetfeldsensoren in festem Abstand zueinander in Kombination mit einem Inertialsensor zur Bestimmung der 3D-Orientierung und 3D-Position eingesetzt. Der Ansatz in [15] kommt ohne einen Inertialsensor aus, stattdessen werden vier Magnetfeldsensoren in festem Abstand zueinander benötigt. Die bisher verfügbaren Methoden zur 3D-Positionsbestimmung weisen Eigenschaften auf, die insbesondere für den Einsatz in mobilen Anwendungen nachteilig sind. So ist bei kamera- und ultraschallbasierten Methoden zwischen den Sensoren und der Quelle jeweils ein Sichtkontakt erforderlich. Ist der Sichtkontakt beispielsweise durch ein Hindernis unterbrochen, ist keine Bestimmung der 3D-Position mehr mög- lieh. In order to enable the use of the established magnetic field technology for mobile detection of body movements, new approaches have emerged in recent years (see [12], [13]), in which the magnetic field source of the measuring system is worn on the body in addition to the sensors ( see Figure 1). In Figure 1a from [12], the magnetic source with the three orthogonal coils is integrated in a pyramid-shaped module. In Figure 1 b from [13] the coils are realized as windings in the form of a belt. Research is also working on solutions that enable position determination based on a uniaxial magnetic source, ie a single coil. Previous approaches to using a single coil require several magnetic field sensors at a fixed, known distance from one another in order to be able to conclusively conclude the 3D position. The positions of the sensors with respect to all three axes (X, Y, Z) must differ. For example, in [14] three magnetic field sensors are used at a fixed distance from each other in combination with an inertial sensor for determining the 3D orientation and 3D position. The approach in [15] does not require an inertial sensor, instead four magnetic field sensors are required at a fixed distance from each other. The previously available methods for 3D position determination have properties that are particularly disadvantageous for use in mobile applications. In camera and ultrasound-based methods, visual contact is required between the sensors and the source. If visual contact is interrupted, for example, by an obstacle, it is no longer possible to determine the 3D position.
Bei den inertialsensorbasierten Methoden zur Positionsbestimmung wird mit der Integration der Sensordaten auch das Sensorrauschen aufintegriert. Dadurch enthält die ermittelte Position einen mit der Zeit immer größer werdenden Fehler (sog. Drift- Effekt), so dass die Position ohne zusätzliche Referenzsensoren oder Gegenmaß- nahmen bereits nach kurzer Zeit unbrauchbar wird [6]. Bei den magnetfeldbasierten Methoden sind die bisher verfügbaren Standardsyste- me auf eine stationäre, dreiachsige Magnetquelle angewiesen und somit nur bedingt für mobile Anwendungen geeignet. In the inertial sensor-based methods for position determination, the sensor noise is also integrated with the integration of the sensor data. As a result, the position determined contains an error that increases over time (so-called drift effect), so that the position becomes unusable after a short time without additional reference sensors or countermeasures [6]. With the magnetic field-based methods, the standard systems available to date rely on a stationary, three-axis magnetic source and are therefore only suitable for mobile applications to a limited extent.
Die bisherigen Ansätze aus [12] und [13], die magnetfeldbasierte Positionsbestim- mung durch eine mobile bzw. tragbare Magnetfeldquelle auch für mobile Applikatio- nen zu verwenden, basieren wie die Standardsysteme auf dem Einsatz von drei or- thogonalen Spulen zur Magnetfeldgenerierung. Hieraus resultieren Einschränkungen für den Einsatz in mobilen Langzeitapplikationen: The previous approaches from [12] and [13] to use the magnetic field-based position determination by a mobile or portable magnetic field source for mobile applications as well as the standard systems are based on the use of three orthogonal coils for magnetic field generation. This results in restrictions for use in long-term mobile applications:
• Das Betreiben von drei Spulen geht mit einem hohen Energiebedarf einher: obwohl das System aus [12] für die Positionsbestimmung zusätzlich Inertial- sensoren einsetzt und die Spulen nur alle 0.5-1.0 Sekunden zur Positionsbe- stimmung und Driftkompensation aktiviert, lassen die vier beim Muster verwen- deten AA Batterien laut Angaben der Autoren nur eine Messdauer von ca. 30 Minuten zu. · Die Realisierungsform aus [12] führt zu einem hohen Volumen und Gewicht des Referenzmoduls; das in [12] beschriebene Modulmuster weist ein Volumen von ca. 800 cm3 und ein Gewicht von 450 g auf. • Operating three coils is associated with a high energy requirement: although the system from [12] also uses inertial sensors for position determination and the coils are only activated every 0.5-1.0 seconds for position determination and drift compensation, the four leave the pattern According to the authors, AA batteries only took about 30 minutes to measure. · The implementation form from [12] leads to a high volume and weight of the reference module; the module pattern described in [12] has a volume of approx. 800 cm 3 and a weight of 450 g.
• Bei der Realisierungsform aus [13] ist die exakte, orthogonale Ausrichtung der Spulenwicklungen zueinander eine kritische Größe. Sind die Spulen nicht exakt zueinander ausgerichtet, führt das zu Ungenauigkeiten bei der Positionsbe- stimmung. Eine Verschiebung oder Verformung der Spulenwicklungen in Folge von Körperbewegungen kann in der Praxis jedoch nicht ausgeschlossen wer- den. • In the implementation form from [13], the exact, orthogonal alignment of the coil windings with respect to one another is a critical variable. If the coils are not exactly aligned with each other, this leads to inaccuracies in the position determination. In practice, however, a shift or deformation of the coil windings as a result of body movements cannot be ruled out.
Bei den bisherigen Ansätzen aus [14] und [15] zur Verwendung einer einzigen Spule zur Magnetfeldgenerierung besteht die einschränkende Anforderung, dass mehrere Magnetfeldsensoren eingesetzt werden müssen, und dass diese zudem in einem festen Abstand zueinander positioniert sein müssen. Bei Applikationen, bei denen Sensoren am Körper angebracht werden sollen, führt diese Anforderung zu Proble- men. Werden die Sensoren beispielsweise an der Kleidung angebracht, kann ein Verrutschen der Kleidung leicht zu einer Veränderung der Sensorabstände führen und so die Positionsermittlung verfälschen. Auch eine Anbringung auf der Haut ist problematisch, da sich die Sensorpositionen bei Körperbewegungen aufgrund der Hautelastizität verändern können. Prinzipiell ist es denkbar, die Magnetfeldsensoren in festem Abstand zueinander in einem gemeinsamen Modul (bzw. auf einer Platine) unterzubringen und so für eine genaue, unveränderbare Positionierung der Senso- ren zueinander zu sorgen. Allerdings müssen die Abstände groß genug sein, dass sich die gemessenen Magnetfelder untereinander und im Verhältnis zum Messrau- schen in einem genügend hohen Maße voneinander unterscheiden, damit eine ro- buste Positionsbestimmung möglich ist. Dies führt dazu, dass das entsprechende Modul zwangsläufig eine gewisse Größe haben muss, die eine gezielte Anbringung an kleineren Körperteilen (beispielsweise an den. Fingerkuppen) erschwert. With the previous approaches from [14] and [15] for the use of a single coil for magnetic field generation, there is the restrictive requirement that several magnetic field sensors have to be used and that these must also be positioned at a fixed distance from one another. This requirement leads to problems in applications in which sensors are to be attached to the body. If the sensors are attached to clothing, for example, slipping of the clothing can easily change the sensor distances and thus falsify the position determination. Attachment to the skin is also problematic since the sensor positions can change during body movements due to the elasticity of the skin. In principle, it is conceivable to accommodate the magnetic field sensors at a fixed distance from one another in a common module (or on a circuit board) and thus to ensure an exact, unchangeable positioning of the sensors with respect to one another. However, the distances must be large enough that the measured magnetic fields differ from one another and in relation to the measurement noise to a sufficiently high degree so that a robust position determination is possible. This means that the corresponding module must inevitably have a certain size, which makes it difficult to attach it to smaller parts of the body (for example on the fingertips).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mobile und ortsunabhängige Erfassung von 3D-Orientierungs- und 3D-Positionsdaten zu realisieren, die keinen Sichtkontakt zwischen den eingesetzten Systemkomponenten benötigt. Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbe- griffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object of the present invention is therefore to realize a mobile and location-independent acquisition of 3D orientation and 3D position data, which does not require visual contact between the system components used. The achievement of the object according to the invention results from the characterizing features of claim 1 in cooperation with the features of the generic term. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur 3D-Orientierungs- und 3D- Positionsbestimmung von Objekten, mit Hilfe einer Einrichtung, aufweisend ein Refe- renzmodul mit einer einachsigen Spule sowie deren Ansteuerungselektronik und ei- nem MARG-Sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity-Sensor), wobei die Spule zur Generierung eines harmonischen Magnetfeldsignals konstanter Frequenz mit einem periodischen Erregerstrom beaufschlagt wird, ein Sensormodul mit einem MARG-Sensor, wobei das Referenzmodul als räumliche Referenz für die Orientie- rungs- und Positionsbestimmung des Sensormoduls dient und aus den Daten der MARG-Sensoren in Referenzmodul und Sensormodul algorithmisch die 3D-Orien- tierung des jeweiligen Moduls bestimmt wird, der MARG-Sensor des Sensormoduls ein Mischsignal erfasst, welches sich aus dem von der Spule des Referenzmoduls generierten harmonischen Magnetfeld und allen anderen Magnetfeldern im Umfeld der Einrichtung zusammensetzt. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass aus dem von dem MARG-Sensor des Sensormoduls ermittelten Mischsignal nicht nur die Betragsin- formation, sondern auch die Phaseninformation des Spulensignals zur Extraktion des Spulensignals aus dem Mischsignal genutzt wird, wodurch die Amplituden der Magnetfeldkomponenten des Spulensignals vorzeichenrichtig ermittelt werden, und aus den ermittelten Amplituden der Magnetfeldkomponenten des Spulensignals die eindeutige räumliche Position des Sensormoduls relativ zu dem Referenzmodul auf Basis der Messdaten allein des MARG-Sensors auf dem Sensormodul bestimmt wird. Diese Bestimmung der eindeutigen räumlichen Position des Sensormoduls re- lativ zu dem Referenzmodul kann dabei zyklisch oder wiederholt ablaufen, um z.B. Änderungen in der Position des Sensormoduls erfassen zu können. The invention is based on a method for 3D orientation and 3D position determination of objects, with the aid of a device comprising a reference module with a uniaxial coil and its control electronics and a MARG sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity sensor), wherein the coil for generating a harmonic magnetic field signal of constant frequency is subjected to a periodic excitation current, a sensor module with a MARG sensor, the reference module serving as a spatial reference for determining the orientation and position of the sensor module and from the If the data of the MARG sensors in the reference module and sensor module are algorithmically determined, the 3D orientation of the respective module is determined, the MARG sensor of the sensor module detects a mixed signal which is derived from the harmonic magnetic field generated by the coil of the reference module and all other magnetic fields in the environment of the facility. Such a generic method is further developed in the manner according to the invention in that not only the amount information but also the phase information of the coil signal is used to extract the coil signal from the mixed signal from the mixed signal determined by the MARG sensor of the sensor module, as a result of which the amplitudes of the magnetic field components of the coil signal have the correct sign are determined, and from the determined amplitudes of the magnetic field components of the coil signal, the unique spatial position of the sensor module relative to the reference module is determined on the basis of the measurement data of only the MARG sensor on the sensor module. This determination of the unambiguous spatial position of the sensor module relative to the reference module can take place cyclically or repeatedly, for example in order to be able to detect changes in the position of the sensor module.
Das im Rahmen der Erfindung vorgestellte System besteht grundsätzlich aus den folgenden zwei Modulen: The system presented in the context of the invention basically consists of the following two modules:
- Einem Referenzmodul, bestehend aus folgenden Hauptkomponenten: · Spule + Ansteuerungselektronik - A reference module consisting of the following main components: · Coil + control electronics
• MARG-Sensor (Magnetfeld- und Inertialsensoren werden von zahlreichen Her- steilen in einem gemeinsamen Chipgehäuse angeboten, daher wird die Kombi- nation aus Magnetfeld- und Inertialsensor häufig auch als ein Sensor betrach- tet, der als MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity)-Sensor bezeichnet wird) • MARG sensor (magnetic field and inertial sensors are offered by numerous manufacturers in a common chip housing, which is why the combination of magnetic field and inertial sensor is often viewed as a sensor that is known as MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity) sensor is called)
• Akku • Battery pack
• Mikrocontroller • microcontroller
• optional einem Funkmodul (je nach Applikation kann es erforderlich sein, in mindestens einem der Module ein Funkmodul zur drahtlosen Übertragung der resultierenden Daten (3D-Orientierung/-Position bzw. Daten zu rotatori- schen/translatorischen Bewegungen) vorzusehen) • optionally a radio module (depending on the application, it may be necessary to provide a radio module in at least one of the modules for wireless transmission of the resulting data (3D orientation / position or data on rotational / translational movements))
- Einem Sensormodul, bestehend aus folgenden Hauptkomponenten: - A sensor module consisting of the following main components:
• MARG-Sensor • Akku • MARG sensor • Battery pack
• Mikrocontroller • microcontroller
• optional einem Funkmodul. • optionally a radio module.
Das Referenzmodul dient zur Generierung des Magnetfeldes und als räumliche Re- ferenz für die Orientierungs- und Positionsbestimmung des Sensormoduls. Über die Daten der MARG-Sensoren in Referenz- und Sensormodul kann mithilfe bekannter Fusionsalgorithmen ([16], [17]) die 3D-Orientierung des jeweiligen Moduls bestimmt werden. Gemeinsame Neigungsbewegungen beider Module können so kompensiert werden. Über die bekannte Orientierung des Sensormoduls ist es außerdem mög- lieh, die gemessenen Magnetfeldsignale mathematisch in eine definierte Bezugslage zu rotieren, in der die z-Achse des Magnetfeldsensors parallel zur Spulenachse des Referenzmoduls ausgerichtet ist (dies ist für die Nutzung der weiter unten aufgeführ- ten Dipolgleichungen zur Ermittlung der 3D-Position erforderlich (siehe Formeln (1) bis (3)). Für die Positionsbestimmung wird die Spule auf dem Referenzmodul (ähnlich wie bei den bestehenden Lösungsansätzen aus [14] und [15]) mit einem periodischen Erregerstrom, vorzugsweise mit einem sinusförmig modulierten Erregerstrom zur Gene- rierung eines harmonischen Magnetfeldsignals konstanter Frequenz angeregt. Das vom MARG-Sensor des Sensormoduls erfasste Messsignal ist ein Mischsignal, wel- ches sich aus dem spulengenerierten harmonischen Magnetfeld und allen anderen Magnetfeldern im Umfeld des Systems zusammensetzt. Hierzu gehören bspw. das Erdmagnetfeld und Magnetfelder von elektronischen Geräten (s. Figur 2). The reference module is used to generate the magnetic field and as a spatial reference for determining the orientation and position of the sensor module. The 3D orientation of the respective module can be determined using the data of the MARG sensors in the reference and sensor module using known fusion algorithms ([16], [17]). Joint inclination movements of both modules can be compensated for in this way. Using the known orientation of the sensor module, it is also possible to mathematically rotate the measured magnetic field signals into a defined reference position, in which the z-axis of the magnetic field sensor is aligned parallel to the coil axis of the reference module (this is for the use of the The dipole equations are required to determine the 3D position (see formulas (1) to (3).) For the position determination, the coil on the reference module (similar to the existing approaches from [14] and [15]) with a periodic excitation current , preferably stimulated with a sinusoidally modulated excitation current to generate a harmonic magnetic field signal of constant frequency The measurement signal detected by the MARG sensor of the sensor module is a mixed signal which is composed of the coil-generated harmonic magnetic field and all other magnetic fields in the vicinity of the system. These include, for example, the Earth's magnetic field and Magne fields of electronic devices (see Figure 2).
Bei den bisherigen Lösungsansätzen wird das Spulensignal durch Anwendung eines Bandpassfilters mit einer auf die bekannte Frequenz des Spulensignals abgegliche- nen Mittenfrequenz aus dem überlagerten Signal herausgefiltert (Figur 2b). An- schließend wird die Amplitude des resultierenden Sinussignals über eine Hüllenkurvendetektion bspw. mittels einer fensterweisen Maximumermittlung [14] oder einer Hilberttransformation [15] ermittelt (Figur 2c). Dies wird für alle drei Sensorachsen getrennt durchgeführt, so dass nach den beschriebenen Schritten jeweils die zu dem Spulensignal gehörenden Amplituden in x-, y- und z-Richtung vorliegen. Diese Amp- lituden sind von dem Abstand zwischen Spulen- und Referenzmodul bezüglich der jeweiligen Raumachse abhängig. Je größer der Abstand zwischen den Modulen auf der jeweiligen Achse ist, desto kleiner ist die Amplitude des jeweiligen Spulensignal- anteils. Dies geht aus den Dipolgleichungen (1) bis (3) hervor, welche den mathema- tischen Zusammenhang zwischen den Komponenten eines Magnetfeldvektors B = [Bx By Bz] und einer Messposition [x y z] relativ zur Position der Quelle (Koordinaten In previous approaches, the coil signal is filtered out of the superimposed signal by using a bandpass filter with a center frequency that is matched to the known frequency of the coil signal (FIG. 2b). The amplitude of the resulting sinusoidal signal is then determined by means of envelope detection, for example by means of window-wise maximum determination [14] or a Hilbert transformation [15] (FIG. 2c). This is carried out separately for all three sensor axes, so that after the steps described, the amplitudes associated with the coil signal are present in the x, y and z directions. This amp lituden depend on the distance between the coil and reference module with respect to the respective spatial axis. The greater the distance between the modules on the respective axis, the smaller the amplitude of the respective coil signal component. This is evident from dipole equations (1) to (3), which show the mathematical relationship between the components of a magnetic field vector B = [Bx By Bz] and a measurement position [xyz] relative to the position of the source (coordinates
[0 0 0]) beschreiben (falls der Radius der Spule wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen Spule und dem Messpunkt des Magnetfeldes, kann die Spule als magneti- scher Dipol approximiert werden): [0 0 0]) (if the radius of the coil is significantly smaller than the distance between the coil and the measuring point of the magnetic field, the coil can be approximated as a magnetic dipole):
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wobei k eine von den Spulenparametern Windungszahl, Stromstärke und Quer- schnittsfläche abhängige Konstante ist und r = y *2+y2 -f z2 der Distanzbetrag zwi- sehen Sensor und Spule. where k is a constant dependent on the coil parameters number of turns, current strength and cross-sectional area and r = y * 2 + y 2 -fz 2 is the distance between the sensor and the coil.
Für die Inversion der Gleichungen (1) bis (3), die zur Berechnung der Positionsvek- torkomponenten x, y, z in Abhängigkeit der Magnetfeldvektorkomponenten Bx, By, Bz erforderlich ist, existiert keine einfache geschlossene Lösung. Allerdings lassen sich die Positionsvektorkomponenten zu einem gegebenen Magnetfeldvektor mithilfe numerischer Optimierungsalgorithmen, in denen die Abweichung zwischen berech- netem und gemessenem Magnetfeldvektor minimiert wird, eindeutig bestimmen [14], There is no simple closed solution for the inversion of equations (1) to (3), which is required to calculate the position vector components x, y, z as a function of the magnetic field vector components Bx, By, Bz. However, the position vector components for a given magnetic field vector can be clearly determined with the aid of numerical optimization algorithms in which the deviation between the calculated and measured magnetic field vector is minimized [14],
[15]. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Magnetfeldvektorkomponenten mit den richtigen Vorzeichen vorliegen, da sich für unterschiedliche Vorzeichenkombinationen gemäß der Formeln (1) bis (3) unterschiedliche Positionslösungen ergeben. Bei den Verfahren aus [14] und [15] stehen nach der Hüllkurvendetektion jedoch nur die Beträge |Bx|, |By| und |Bz| der jeweiligen Magnetfeldvektorkomponenten zur Ver- fügung, so dass für einen Sensormesswert mehrere mögliche Positionsvektorlösun- gen existieren, die alle dieselben Betragskomponenten |Bx|, |By| und |Bz| aufweisen. Dies ist der Grund dafür, warum diese Verfahren bei Verwendung einer einzelnen Spule mehrere Magnetfeldsensoren zur Positionsbestimmung benötigen: die festen räumlichen Abstände der Magnetfeldsensoren zueinander werden hier dazu genutzt, um die möglichen Lösungsvektoren auf die korrekte Lösung und damit auf die kor- rekte 3D-Position einzugrenzen. [15]. The prerequisite for this, however, is that the magnetic field vector components have the correct sign, since different position solutions result for different sign combinations according to formulas (1) to (3). In the methods from [14] and [15], however, only the amounts | Bx |, | By | appear after the envelope curve detection and | Bz | of the respective magnetic field vector components, so that there are several possible position vector solutions for a sensor measured value, all of which have the same magnitude components | Bx |, | By | and | Bz | exhibit. This is the reason why these methods require several magnetic field sensors to determine the position when using a single coil: the fixed ones Spatial distances between the magnetic field sensors are used here in order to limit the possible solution vectors to the correct solution and thus to the correct 3D position.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer alternativen Vorgehensweise. Im Gegensatz zu den bestehenden Ansätzen wird nicht nur die Betragsinformation, sondern auch die Phaseninformation des Spulensignals zur Extraktion des Signals aus dem überlagerten Messsignal eingesetzt. Dadurch ist es möglich, die Amplituden der Magnetfeldkomponenten Bx, By, und Bz vorzeichenrichtig zu ermitteln. Dies wie- derum erlaubt es, mithilfe eines Optimierungsalgorithmus über die Magnetfeldfor- mein (1) bis (3) eine eindeutige Lösung und somit eine eindeutige Position auf Basis der Messdaten eines einzelnen Magnetfeldsensors zu bestimmen. The method according to the invention is based on an alternative procedure. In contrast to the existing approaches, not only the amount information but also the phase information of the coil signal is used to extract the signal from the superimposed measurement signal. This makes it possible to determine the amplitudes of the magnetic field components Bx, By, and Bz with the correct sign. This in turn allows an unambiguous solution and thus an unambiguous position to be determined on the basis of the measurement data of an individual magnetic field sensor using an optimization algorithm via the magnetic field form (1) to (3).
Der wesentliche Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein magnetfeldbasier- tes System zur 3D-Orientierungs- und 3D-Positionsbestimmung auf Basis einer ein- zelnen, einachsigen Spule auf dem Referenzmodul und eines einzelnen MARG- Sensors (bestehend aus einem 3D-Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeld- sensor) auf der Sensoreinheit. The essential core of the method according to the invention is a magnetic field-based system for 3D orientation and 3D position determination based on a single, uniaxial coil on the reference module and a single MARG sensor (consisting of a 3D acceleration, rotation rate, and magnetic field sensor) on the sensor unit.
Die Realisierung eines solchen Verfahrens wird dadurch ermöglicht, dass im Gegen- satz zu bestehenden Systemen, die entweder auf einer dreiachsigen Magnetquelle, oder einer Kombination aus mehreren Magnetfeldsensoren basieren, nicht nur Be- tragsinformationen, sondern auch Phaseninformationen des spulen-generierten Magnetfeldes ausgewertet werden. Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah- rens vorgebrachte, neue Ansatz betrachtet das Spulensignal dabei als amplitudenmoduliertes Signal, so dass ein bestehendes kohärentes Demodulationsverfahren basierend auf einer Hilbert-Transformation und einer Costas-Loop zur phasenrichti- gen Bestimmung der Spulensignalamplitude eingesetzt werden kann. The implementation of such a method is made possible by the fact that, in contrast to existing systems based either on a three-axis magnetic source or a combination of several magnetic field sensors, not only amount information but also phase information of the coil-generated magnetic field is evaluated. The new approach put forward in the context of the method according to the invention regards the coil signal as an amplitude-modulated signal, so that an existing coherent demodulation method based on a Hilbert transformation and a Costas loop can be used to determine the coil signal amplitude in the correct phase.
In der vorliegenden Anwendung ist die Amplitude des Nutzsignals von der Entfernung zwischen dem Sensormodul und der Spule auf dem Referenzmodul abhängig, so dass diese beliebige Werte annehmen kann. Um die Abhängigkeit des Phasendif- ferenztermes von der Amplitude des Nutzsignals zu umgehen, wird die Tatsache ausgenutzt, dass unter den gegebenen Anwendungskriterien (Positionsachse z > 0) ausgeschlossen ist, dass alle drei Magnetfeldkomponenten gleichzeitig den Wert Ό' aufweisen können. Dieser Ansatz ist nicht Bestandteil der klassischen Demodulati- onsverfahren bzw. Costas-Loop, sondern neu. In the present application, the amplitude of the useful signal depends on the distance between the sensor module and the coil on the reference module, so that it can assume any values. In order to avoid the dependence of the phase difference term on the amplitude of the useful signal, the fact is used that under the given application criteria (position axis z> 0) it is impossible that all three magnetic field components have the value Ό 'at the same time can have. This approach is not part of the classic demodulation process or Costas Loop, but new.
Die hier vorgebrachte Erfindung bietet eine neue magnetfeldbasierte Lösung zur Er- mittlung der 3D-Orientierung und 3D-Position mithilfe einer einzelnen Spule auf dem Referenzmodul und eines einzigen MARG-Sensors auf der Sensoreinheit. Im Ge- gensatz zu optischen und ultraschallbasierten Methoden ist bei der vorgestellten Me- thode kein Sichtkontakt zwischen Referenz- und Sensormodul erforderlich, sodass die Funktion des Systems nicht durch Gegenstände, die sich zwischen den Einheiten befinden, gestört wird (eine Ausnahme stellen Gegenstände aus ferromagnetischen Materialien dar, da diese die Magnetfeldmessung beeinflussen). Anders als beim inertialsensorbasierten Verfahren existiert bei dem vorgestellten Verfahren außer- dem kein Drift-Effekt, da zur Positionsbestimmung keine Daten aufintegriert werden müssen. The invention presented here offers a new magnetic field-based solution for determining the 3D orientation and 3D position using a single coil on the reference module and a single MARG sensor on the sensor unit. In contrast to optical and ultrasound-based methods, the method presented does not require visual contact between the reference and sensor modules, so that the function of the system is not disturbed by objects that are located between the units (an exception is made of ferromagnetic objects Materials because they influence the magnetic field measurement). In contrast to the inertial sensor-based method, there is no drift effect in the method presented, since no data has to be integrated to determine the position.
Auch gegenüber den bisher bekannten magnetfeldbasierten Lösungsansätzen bietet die Erfindung zahlreiche Vorteile: The invention also offers numerous advantages over previously known magnetic field-based approaches:
- Die Verwendung einer Magnetquelle mit einer einzigen Spule anstelle einer drei- achsigen Quelle mit drei Spulen ermöglicht: - Using a magnetic source with a single coil instead of a three-axis source with three coils enables:
• eine einfache Anbringung an den Körper • easy attachment to the body
• einen geringen Energiebedarf · eine geringe Baugröße (kleines Volumen) • a low energy requirement · a small size (small volume)
• ein geringes Gewicht • light weight
- Die Verwendung eines einzelnen Magnetfeldsensors auf dem Sensormodul anstelle von mehreren Sensoren im festen Abstand ermöglicht: - Using a single magnetic field sensor on the sensor module instead of multiple sensors at a fixed distance enables:
• eine einfache und gezielte Anbringung an den Körper geringen Energiebedarf geringe Baugröße (kleines Volumen) • geringes Gewicht • simple and targeted application to the body low energy requirement small size (small volume) • light weight
Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen, die auf den Einsatz einer einachsigen Magnetquelle basieren ([14],[15]), werden auf der Sensoreinheit nicht mehrere Mag- netfeldsensoren in festem Abstand zueinander, sondern lediglich ein einzelner MARG-Sensor benötigt. Dies erleichtert die Realisierung miniaturisierter Sensormo- dule, die sich gezielt auch auf kleine Objekte (beispielsweise Fingerkuppen) anbringen lassen. Demnach ist es mit dem neuen Verfahren möglich, beispielsweise ein System zur Erfassung von Körperhaltungen und Körperbewegungen zu entwickeln, das einen höheren Tragekomfort und einen geringeren Energiebedarf aufweist und deshalb Anwendungen im mobilen Umfeld und im Langzeitbereich erleichtert. In contrast to the previous approaches, which are based on the use of a uniaxial magnetic source ([14], [15]), the sensor unit does not require several magnetic field sensors at a fixed distance from each other, but only a single MARG sensor. This makes it easier to implement miniaturized sensor modules that can also be attached to small objects (such as fingertips). Accordingly, the new method makes it possible, for example, to develop a system for recording body postures and body movements that is more comfortable to wear and has a lower energy requirement and therefore facilitates applications in the mobile environment and in the long-term area.
Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht dadurch neben einer 3D-Orientierungs- bestimmung auch eine mobile, ortsunabhängige 3D-Positionsbestimmung, die kei- nen Sichtkontakt zwischen den Objekten erfordert. Damit eröffnet die Erfindung neue Applikationsmöglichkeiten u.a. in den Bereichen Biomechanik, Robotik und Virtual Reality. Die Systemkomponenten sind bezüglich Größe, Gewicht und Energiebedarf so skalierbar, dass sich die Erfindung auch für Anwendungen eignet, bei denen die Komponenten über einen längeren Zeitraum am Körper getragen werden sollen (beispielsweise in medizintechnischen Applikationen zur Langzeitbewegungserfas- sung). Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Einrichtung zeigt die Zeichnung. The invention described here thereby enables not only a 3D orientation determination but also a mobile, location-independent 3D position determination which does not require visual contact between the objects. The invention thus opens up new application options, among other things. in the fields of biomechanics, robotics and virtual reality. The system components are so scalable in terms of size, weight and energy requirement that the invention is also suitable for applications in which the components are intended to be worn on the body over a longer period of time (for example in medical technology applications for long-term movement detection). The drawing shows a particularly preferred embodiment of the method according to the invention and the corresponding device.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Varianten zur mobilen Nutzung der herkömmlichen, magnetfeldba- sierten Positionierung basierend auf einer dreiachsigen Quelle, a): Quelle in Form eines pyramidenförmigen Moduls [12], b): Quelle in Form von drei Spulenwicklungen [13], 1 variants for mobile use of the conventional, magnetic field-based positioning based on a three-axis source, a): source in the form of a pyramid-shaped module [12], b): source in the form of three coil windings [13],
Figur 2 - Magnetfeldquellen (a), überlagertes Messsignal (b) für eine Sensor- achse und bandpass-gefiltertes Signal (c), FIG. 2 - magnetic field sources (a), superimposed measurement signal (b) for a sensor axis and bandpass-filtered signal (c),
Figur 3 - 2D-Ansicht von zwei alternativen Sensorpositionen relativ zur Spule, Figur 4 Magnetfeldkomponenten Bx und By für zwei unterschiedliche Positionskoordinaten in Korrelation zum Spulensignal, FIG. 3 - 2D view of two alternative sensor positions relative to the coil, FIG. 4 magnetic field components Bx and By for two different position coordinates in correlation to the coil signal,
Figur 5 kohärente AM-Demodulation mittels Hilbert-Transformation und Mul- tiplikation mit komplexer Referenzschwingung, Figur 6 idealer Amplitudenfrequenzgang des gefilterten Signals x(nT) FIG. 5 coherent AM demodulation by means of Hilbert transformation and multiplication with complex reference oscillation, FIG. 6 ideal amplitude frequency response of the filtered signal x (nT)
Figur 7 Amplitudenfrequenzgang des Hilbert-transformatierten Signals, FIG. 7 amplitude frequency response of the Hilbert transformed signal,
Figur 8 Amplitudenfrequenzgang zum Signal y(t), FIG. 8 amplitude frequency response to the signal y (t),
Figur 9 Demodulationsverfahren mit Costas-Loop, FIG. 9 demodulation method with Costas loop,
Figur 10 Verarbeitungsblock zur Kompensation des Nutzsignalterms aus dem FIG. 10 processing block for compensating the useful signal term from the
Signal e(t),  Signal e (t),
Figur 1 1 Loop-Filter Realisierung (Tiefpassfilter 1. Ordnung), Figur 12 Bestimmung der Anfangsphasenlage per Synchronisationssignal, Figur 13 Beispiel zur Synchronisation über bekannte Positionslage des Sensormoduls, Figur 14 Zeitliche Abtastung zur Vermeidung von Eddy Field Einflüssen bei 1 1 loop filter implementation (1st order low-pass filter), FIG. 12 determination of the initial phase position by means of a synchronization signal, FIG. 13 example for synchronization via known position position of the sensor module, FIG. 14 temporal sampling to avoid Eddy Field influences
Verwendung des DC-Verfahrens mit einer Spule.  Using the DC method with a coil.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass bei der Verarbeitung der Sensormessdaten nicht nur die Betrags-, sondern auch die Phaseninformation des periodischen, möglicherweise rechteckförmigen, vorzugsweise aber Erregerstrom sinusförmigen Spulensignals zur 3D-Positionsbestimmung genutzt wird. Im Folgen- den wird zunächst der Zusammenhang zwischen den Vorzeichen der Magnetfeld- komponenten und der Phasenlage des Spulensignals für ein periodisches, hier be- vorzugt ein sinusförmiges Spulensignal aufgezeigt. The method according to the invention is based on the fact that when processing the sensor measurement data not only the amount information but also the phase information of the periodic, possibly rectangular, but preferably excitation current sinusoidal coil signal is used for 3D position determination. In the following, the relationship between the signs of the magnetic field components and the phase position of the coil signal for a periodic, preferably a sinusoidal, coil signal is shown.
Unter der Voraussetzung, dass sich die Sensoreinheit in der Applikation räumlich immer oberhalb der Spule auf der Referenzmodul, also im positiven z-Bereich befin- det (z > 0), lässt sich aus den Formeln (1) bis (3) folgende Abhängigkeit zwischen den Vorzeichen der Magnetfeldkomponenten und der Position des Sensormoduls relativ zum Referenzmodul formulieren: Provided that the sensor unit in the application is always located above the coil on the reference module, ie in the positive z range (z> 0), the following dependency can be determined from formulas (1) to (3) formulate the sign of the magnetic field components and the position of the sensor module relative to the reference module:
(4) (4)
(5) (5)
(6)(6)
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Zur Veranschaulichung wird im Folgenden ein vereinfachtes 2D-Beispiel betrachtet, bei dem die x- und y-Komponenten der Magnetfeldkomponenten (Bx und By) für zwei unterschiedliche Positionen des Sensormoduls schemenhaft skizziert sind. Fi- gur 3 zeigt die beiden Sensorpositionen im 2D-Positionskoordinatensystem, dessen Ursprung durch die Position der Spule definiert ist. For the sake of illustration, a simplified 2D example is considered below, in which the x and y components of the magnetic field components (Bx and By) are schematically sketched for two different positions of the sensor module. Figure 3 shows the two sensor positions in the 2D position coordinate system, the origin of which is defined by the position of the coil.
In Figur 4 sind die zugehörigen Magnetfeldkomponenten Bx und By zusammen mit dem Spulensignal dargestellt. Der Gleichanteil resultiert im Wesentlichen aus dem Erdmagnetfeld (s. linkes Teilbild a in Figur 4). Die Amplitude der sinusförmigen Sig- nalanteile ist gemäß Formeln (1 ) bis (3) abhängig von dem Abstand des Sensormo- duls vom Referenzmodul bezüglich der drei Raumachsen. In Figure 4 the associated magnetic field components Bx and By are shown together with the coil signal. The DC component essentially results from the earth's magnetic field (see left partial image a in FIG. 4). According to formulas (1) to (3), the amplitude of the sinusoidal signal components depends on the distance of the sensor module from the reference module with respect to the three spatial axes.
Bei den Magnetfeldkomponenten zu Sensor-Position 1 lässt sich feststellen, dass diese die gleiche Phasenlage besitzen wie das Spulensignal (Figur 4a). Dies liegt daran, dass sowohl die x-, als auch die y-Komponente der Positionskoordinaten po- sitiv sind. Bei der zweiten Sensor-Position ist die y-Komponente ebenfalls positiv, die x- Komponente hingegen negativ. Dies führt dazu, dass das Signal verglichen mit dem Spulensignal eine Phasenverschiebung um 180° aufweist (Figur 4b). Die vorgestellte Erfindung macht sich diesen Zusammenhang zwischen der Phasen- lage des Spulensignals und dem Vorzeichen der gemessenen Magnetfeldkompo- nente zunutze, um den mit dem Spulensignal korrelierten Signalanteil phasen- und somit vorzeichenrichtig aus dem Gesamtsignal zu extrahieren. Auf Basis des so ent- stehenden Signals kann die 3D-Position über Formeln (1) bis (3) eindeutig bestimmt werden, ohne dass weitere Magnetfeldsensoren benötigt werden. In den folgenden Abschnitten wird das hierzu entwickelte Verfahren erläutert. The magnetic field components for sensor position 1 show that they have the same phase position as the coil signal (FIG. 4a). This is because both the x and y components of the position coordinates are positive. At the second sensor position, the y component is also positive, while the x component is negative. As a result, the signal has a phase shift of 180 ° compared to the coil signal (FIG. 4b). The present invention takes advantage of this relationship between the phase position of the coil signal and the sign of the measured magnetic field component in order to extract the signal component correlated with the coil signal from the overall signal with the correct phase and sign. Based on the signal generated in this way, the 3D position can be clearly determined using formulas (1) to (3) without the need for additional magnetic field sensors. The procedure developed for this is explained in the following sections.
Wie bereits beschrieben, ist die Amplitude des im Messsignal enthaltenen Spulen- signals gemäß Formeln (1) bis (3) von dem Abstand zwischen Spulen- und Refe- renzmodul bezüglich der drei Raumachsen x, y und z abhängig. Der Spulensignalan- teil kann als amplitudenmoduliertes Signal betrachtet werden, bei welchem das Nutzsignal als abstandsabhängige Amplitude und das sinusförmige Erregungssignal als Trägersignal gedeutet werden können. Dementsprechend kann ein Amplituden- demodulationsverfahren verwendet werden, um das Nutzsignal aus dem modulierten Signal zu gewinnen. Das Grundprinzip des hier eingesetzten kohärenten Demodulationsverfahrens ist in Figur 5 dargestellt. As already described, the amplitude of the coil signal contained in the measurement signal according to formulas (1) to (3) depends on the distance between the coil and reference module with respect to the three spatial axes x, y and z. The coil signal component can be regarded as an amplitude-modulated signal in which the useful signal can be interpreted as a distance-dependent amplitude and the sinusoidal excitation signal as a carrier signal. Accordingly, an amplitude demodulation method can be used to obtain the useful signal from the modulated signal. The basic principle of the coherent demodulation method used here is shown in FIG.
Bei dem Eingangssignal x(nT) handelt es sich um das Messsignal, welches sich aus dem hochfrequenten Trägersignal xc(nT), dem niederfrequenten Nutzsignal s(nT), einem Rauschanteil w(nT), und einem Gleichanteil be zusammensetzt (zur Erläute- rung des Grundprinzips wird zunächst vereinfachend von einem eindimensionalen Messsignal ausgegangen): The input signal x (nT) is the measurement signal, which is composed of the high-frequency carrier signal x c (nT), the low-frequency useful signal s (nT), a noise component w (nT), and a DC component b e (for explanation - The basic principle is first simplified from a one-dimensional measurement signal):
x(nT) = s(nT) - xc(nT) + w(nT) + be. (7) x (nT) = s (nT) - x c (nT) + w (nT) + b e . (7)
Das Trägersignal xc(nT) entspricht dem Spulenerregungssignal und ist wie folgt defi- niert: The carrier signal x c (nT) corresponds to the coil excitation signal and is defined as follows:
xc (nT)— cos(2 fcnT + <pc). (8) wobei fc die Spulenerregungs- und somit die Trägerfrequenz des modulierten Nutz- signals ist, und <Pc die Phasenlage des Spulenerregungssignals repräsentiert. x c (nT) - cos (2 f c nT + <p c ). (8th) where f c is the coil excitation and thus the carrier frequency of the modulated useful signal, and < Pc represents the phase position of the coil excitation signal.
Die Parameter des Bandpassfilters sind so auszulegen, dass der Rauschanteil w(nT) und der Gleichanteil be (der sich im Wesentlichen aus der Überlagerung des stati- sehen Erdmagnetfelds ergibt) weitgehend herausgefiltert werden und sich das resul- tierende Signal x(nT) im Wesentlichen auf den Frequenzbereich des bandbegrenz- ten, modulierten Nutzsignals reduziert, so dass The parameters of the bandpass filter are to be designed in such a way that the noise component w (nT) and the direct component b e (which essentially results from the superposition of the static earth magnetic field) are largely filtered out and the resulting signal x ( nT ) im Essentially reduced to the frequency range of the band-limited, modulated useful signal, so that
x(nT) % s(nT) cos(2 fcnT t <pc) (9) gilt. In Figur 6 ist der idealisierte Amplitudenfrequenzgang der Fourier-Transformierten X(f) zu dem bandpassgefilterten Ausgangssignal dargestellt. Die Frequenz fmax re- präsentiert darin die maximale Frequenz des bandbegrenzten Nutzsignals s(nT). x (nT)% s (nT) cos (2 f c nT t <p c ) (9) applies. FIG. 6 shows the idealized amplitude frequency response of the Fourier transform X (f) to the bandpass-filtered output signal. The frequency f max represents the maximum frequency of the band-limited useful signal s (nT).
Anschließend wird das gefilterte Signal einerseits mittels eines FIR-Filters Hilberttransformiert [18], anderseits um die halbe Filterordnung q des Hilbert-Filters verzö- gert, um die Phasenlage dieses Signalzweiges an die des Hilbert-Filter-Zweiges an- zugleichen (s. Figur 5). The filtered signal is then transformed on the one hand by means of a Hilbert FIR filter [18], and on the other hand delayed by half the filter order q of the Hilbert filter in order to adjust the phase position of this signal branch to that of the Hilbert filter branch (see figure 5).
Die so entstehenden Signale xi (nT) und xr (nT) stellen den Imaginär- und Realteil eines analytischen Signals x(nT) = xr (nT) + Jxi (nT) dar, welches dadurch gekennzeich- net ist, dass es keine Frequenzanteile im negativen Frequenzbereich besitzt. Zur Veranschaulichung ist in Figur 7 der idealisierte Amplitudenfrequenzgang der Fou- rier-Transformierten
Figure imgf000017_0001
zu dem Signal x(f) dargestellt.
The resulting signals x i ( nT ) and x r ( nT ) represent the imaginary and real part of an analytical signal x ( nT ) = x r ( nT ) + J x i ( nT ), which is characterized by that it has no frequency components in the negative frequency range. The idealized amplitude frequency response of the Fourier transform is shown in FIG. 7 for illustration
Figure imgf000017_0001
shown for the signal x (f ) .
Da ^max per Systemauslegung immer kleiner ist, als die Trägerfrequenz ^c, lässt sich die Hilbert-Transformatierte des Signals x(nT) gemäß [21] analytisch wie folgt dar- stellen: C; (hT) = s(nT) sin (2nfcnT + <pc). (10) Since ^ max is always smaller than the carrier frequency ^ c by system design, the Hilbert transform of the signal x ( nT ) can be analytically represented as follows according to [21]: C; (hT) = s (nT) sin (2nf c nT + <p c ). (10)
Mit den Formeln (9) und (10) kann das analytische Signal
Figure imgf000018_0001
somit auch formuliert werden als
With the formulas (9) and (10) the analytical signal
Figure imgf000018_0001
thus also be formulated as
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000018_0002
Der in Figur 5 dargestellte NCO (Numerically Controlled Oszillator) erzeugt ein Kosi- nus-Signal, dessen Frequenz fc und Phasenlage eine Schätzung für die Frequenz und Phasenlage des Trägersignals darstellen. Dieses Signal bildet zusammen mit einer um 90° phasenverschobenen Version des Signals das komplexe Signal v(nT) mit v(nT) = vr (nT) + jVj (nT)
Figure imgf000018_0003
The NCO (Numerically Controlled Oscillator) shown in FIG. 5 generates a cosine signal whose frequency f c and phase position represent an estimate for the frequency and phase position of the carrier signal. Together with a 90 ° phase-shifted version of the signal, this signal forms the complex signal v (nT) with v (nT) = v r (nT) + jV j (nT)
Figure imgf000018_0003
Das Signal v(nT) wird mit dem Signal - (nT) multipliziert, so dass sich das komplexe Signal y(nT) mit Realteil i(nT) und Imaginärteil i(nT) gemäß y(nT) = x-(nT) · v(nT)
Figure imgf000018_0004
The signal v ( nT ) is multiplied by the signal - ( nT ), so that the complex signal y ( nT ) with real part i ( nT ) and imaginary part i ( nT ) according to y (nT) = x- (nT) v (nT)
Figure imgf000018_0004
= i(nT) + j q(nT) (13) ergibt. = i (nT) + jq (nT) (13) results.
Falls die Frequenz und die Phasenlage des NCO-Signals nahezu der tatsächlichen Frequenz und Phasenlage des im Eingangssignals enthaltenen Trägersignals ent- sprechen (also
Figure imgf000019_0001
* fc und <Pc <Pc bzw. * 0 und D(R °), reduziert sich der Real- teil i(nT) (der häufig auch als Inphase-Komponente bezeichnet wird) zu dem Nutz- signal s(nT). Der Imaginärteil <i(nT) (Quadratur-Komponente) ist in diesem Fall Null. Im Frequenzbereich entspricht die Multiplikation des Eingangssignals mit dem NCO- Signal einer sogenannten Down-Conversion, bei der die Frequenzanteile des Ein- gangssignals um die Frequenz - fc verschoben werden (s. Figur 8). Wie bereits erwähnt, funktioniert dieses Verfahren nur bei Übereinstimmung der Frequenz und Phasenlage zwischen dem NCO- und dem Trägersignal. Dies ist in der Praxis aber u.a. aufgrund von Bauteiltoleranzen bei der Trägersignalgenerierung i.d.R. nicht gegeben. Bereits eine sehr geringe Abweichung der durch den NCO er- zeugten Referenzfrequenz fc von der tatsächlichen Frequenz fc des Trägersignals führt zu einem Drifteffekt, der einen mit der Zeit größer werdenden Fehler bei der Demodulation bewirkt. Dies kann - zumindest bei Langzeitmessungen - problema- tisch sein.
If the frequency and phase of the NCO signal almost correspond to the actual frequency and phase of the carrier signal contained in the input signal (ie
Figure imgf000019_0001
* f c and <Pc < Pc or * 0 and D ( R °), the real part i (nT) (which is often also referred to as an in-phase component) is reduced to the useful signal s (nT) , The imaginary part < i ( nT ) (quadrature component) is zero in this case. In the frequency domain, the multiplication of the input signal by the NCO signal corresponds to a so-called down conversion, in which the frequency components of the input signal are shifted by the frequency - f c (see FIG. 8). As already mentioned, this method only works if the frequency and phase relationship between the NCO and the carrier signal match. In practice, however, this is generally not the case, among other things, due to component tolerances in carrier signal generation. Even a very slight deviation of the reference frequency fc generated by the NCO from the actual frequency fc of the carrier signal leads to a drift effect, which causes an error in the demodulation that increases with time. This can be problematic - at least for long-term measurements.
Um derartige Effekte aufgrund von Frequenz- bzw. Phasenabweichungen zu vermeiden, eignet sich die Verwendung einer Phasenregelschleife. Eine etablierte Form einer digitalen Phasenregelschleife ist die sog. Costas-Loop [19, 20] Figur 9 zeigt das um eine digital realisierte Costas-Loop erweiterte Demodulationsverfahren. In order to avoid such effects due to frequency or phase deviations, the use of a phase locked loop is suitable. An established form of a digital phase locked loop is the so-called Costas loop [19, 20]. FIG. 9 shows the demodulation method expanded by a digitally implemented Costas loop.
Die Phasenlage des NCO-Signals ist damit nicht mehr wie in Formel (12) konstant, sondern zeitvariabel, so dass v(nT) = vr (nT) + jvj (nT)The phase position of the NCO signal is no longer constant as in formula (12), but rather time-variable, so that v (nT) = v r (nT) + jv j (nT)
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0002
e -j(2 fcnT+<?ci_nrj) r 141 giit. Die Phasenregelschleife hat die Aufgabe, die Phasenlage des NCOs kontinuierlich an die des Trägersignals anzupassen, so dass die Phasendifferenz Lf(hT') <pc - <pc(nT ) minimiert wird. Aufgrund der allgemeinen Beziehung f(t) = <p(t) (15) zwischen Frequenz f und Phase < werden durch kontinuierliche Phasenanpassungen des NCOs auch Frequenzabweichungen in gewissem Maße kompensiert. Daher wird im Folgenden davon ausgegangen, dass fc = fc und somit f 0 gilt, und dass Frequenzabweichungen über die Phasendifferenzen in der Phasenregelschleife be- rücksichtigt bzw. kompensiert werden. e -j (2 f c nT + <? c i_nrj) r 141 giit. The phase-locked loop has the task of continuously adapting the phase position of the NCO to that of the carrier signal, so that the phase difference Lf ( h T ' ) <p c - <p c (nT) is minimized. Due to the general relationship f (t) = <p (t) (15) between frequency f and phase <, continuous phase adjustments of the NCO also compensate for frequency deviations to a certain extent. It is therefore assumed below that fc = fc and thus f 0 , and that frequency deviations via the phase differences in the phase-locked loop are taken into account or compensated for.
Die momentane Phasendifferenz wird in der Costas-Loop durch das Produkt e(nT) aus der Multiplikation der Inphase-Komponente mit der Quadraturkomponente ge- mäß
Figure imgf000020_0001
geschätzt. Bei kleinen Phasendifferenzen geht der Sinus-Term in (16) und somit auch das Gesamtprodukt e(nT) gegen Null. Dadurch eignet sich e(nT) prinzipiell als Regelabweichungsgröße bei der Regelung der Phasenlage des NCO-Signals. Aller- s2(nTj
The instantaneous phase difference in the Costas loop is determined by the product e (nT) from the multiplication of the in-phase component by the quadrature component
Figure imgf000020_0001
estimated. With small phase differences, the sine term in (16) and thus also the total product e (nT) tends to zero. This makes e (nT) suitable in principle as a control deviation variable for controlling the phase position of the NCO signal. All s 2 (nTj
dings ist der darin enthaltene Term i problematisch, da hierdurch eine Abhän- gigkeit von der Nutzsignalamplitude vorliegt. Zur Kompensation dieses Terms wird der in Figur 10 dargestellte Verarbeitungsblock mit der Bezeichnung„Ampi. -Comp.“ (Abk. für„Amplitude-Compensation“) eingesetzt. However, the term i contained therein is problematic since it is dependent on the useful signal amplitude. To compensate for this term, the processing block shown in FIG. 10 is called “Ampi. -Comp. ”(Abbreviation for“ amplitude compensation ”).
Darin wird ein Schätzwert für den Nutzsignalanteil s2 (nT) aus der Inphase- und der Quadraturkomponente über die Beziehung
Figure imgf000020_0002
It gives an estimate of the useful signal component s 2 (nT) from the in-phase and the quadrature components via the relationship
Figure imgf000020_0002
abgeleitet. derived.
Das nutzsignal- bzw. amplitudenkompensierte Ausgangssignal ec(nT) ergibt sich als für Df « 1 . (18)The useful signal or amplitude compensated output signal e c (nT) results as for Df «1. (18)
Figure imgf000020_0003
Das Signal ec(nT) ist nur noch von der Phasendifferenz DY abhängig, für
Figure imgf000021_0001
1 gilt sogar ec(nT) D<R. Bevor das Signal dem NCO als Phasenabweichungsgröße zuge- führt wird, durchläuft es noch ein sog. Loop Filter. Über dieses Filter werden einer- seits Rauschanteile herausgefiltert, anderseits wird das dynamische Verhalten des Reglers beeinflusst. Das Loop Filter bestimmt u.a. die Reaktionszeiten und das Ü- berschwingen des Reglers bei sprunghaften Änderungen der Phasendifferenz. Es wird in der Regel als rekursives Tiefpassfilter 1. Ordnung realisiert (s. Figur 11).
Figure imgf000020_0003
The signal e c ( nT ) is only dependent on the phase difference D Y for
Figure imgf000021_0001
1 even e c ( nT ) D <R. Before the signal is fed to the NCO as a phase deviation variable, it goes through a so-called loop filter. This filter on the one hand filters out noise components, on the other hand influences the dynamic behavior of the controller. The loop filter determines, among other things, the response times and the overshoot of the controller in the event of sudden changes in the phase difference. It is usually implemented as a first-order recursive low-pass filter (see FIG. 11).
Die Parameter gO und g1 bestimmen die Filtercharakteristik und das gewünschte dynamische Verhalten des Loop Filters. Eine detaillierte Beschreibung für die opti- male Parameterauslegung kann beispielsweise [22] entnommen werden. The parameters gO and g1 determine the filter characteristics and the desired dynamic behavior of the loop filter. A detailed description for the optimal parameter design can be found, for example [22].
Über das beschriebene Demodulationsverfahren kann das Nutzsignal prinzipiell aus dem jeweiligen Messsignal extrahiert werden. Dabei sind jedoch nach dem bisher beschriebenen Stand zwei Problemstellungen zu beachten: In principle, the useful signal can be extracted from the respective measurement signal using the demodulation method described. However, there are two problems to be considered according to the status described so far:
- Wenn der im Eingangssignal enthaltene Nutzsignalanteil s(nT) gegen Null geht, geht das Signal ec (nT) durch die Division bei der Amplitudenkompensation in- If the useful signal component s (nT) contained in the input signal goes to zero, the signal e c (nT) goes through the division in the amplitude compensation
Formel (18) gegen unendlich. Da das Nutzsignal der Amplitude des im Messsignal enthaltenen Spulensignals entspricht und diese vom Abstand des Quellenmoduls zum Spulenmodul bezüglich der jeweiligen Raumachse (x/y/z) abhängt, sind Nulldurchgänge im Nutzsignal gemäß den Formeln (4) bis (6) möglich. Nachstehend wird aufgezeigt, wie die Division durch Null bei Nulldurchgängen im Nutzsignal umgangen werden kann. Formula (18) against infinity. Since the useful signal corresponds to the amplitude of the coil signal contained in the measurement signal and this depends on the distance from the source module to the coil module with respect to the respective spatial axis (x / y / z), zero crossings in the useful signal according to formulas (4) to (6) are possible. The following shows how the division by zero at zero crossings in the useful signal can be avoided.
- Die Costas-Loop besitzt die Eigenschaft, dass eine Minimierung der Regelabwei- chung je nach anfänglicher Phasenlage des Trägersignals entweder durch ein Konvergieren der Phasendifferenz gegen Null, oder gegen ±p erreicht werden kann. Zwar folgt das Ausgangssignal i(nT) nach dem„Einrasten“ der Phasenre- gelschleife dem Amplitudenverlauf des Nutzsignals und erfasst somit auch Pha- sensprünge (also Vorzeichenwechsel). Die Anfangsphasenlage ist bei diesem Verfahren jedoch nicht eindeutig bzw. nur mit einer Phasenunsicherheit von 180° bekannt. Daher ist ein zusätzlicher Mechanismus erforderlich, der die Anfangs- phasenlage (und somit das Anfangsvorzeichen der jeweiligen Magnetfeldkompo- nente) bestimmt. Lösungsansätze hierfür werden nachstehend aufgezeigt. - The Costas Loop has the property that a minimization of the control deviation can be achieved either by converging the phase difference towards zero or towards ± p depending on the initial phase position of the carrier signal. After the “locking” of the phase-locked loop, the output signal i (nT) follows the amplitude profile of the useful signal and thus also detects phase changes (ie change of sign). In this method, however, the initial phase position is not clear or is only known with a phase uncertainty of 180 °. An additional mechanism is therefore required that phase position (and thus the initial sign of the respective magnetic field component) is determined. Possible solutions for this are shown below.
Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, sind Nulldurchgänge im Nutzsignal durch die Division bei der Amplitudenkompensation in Formel (18) problematisch. Um den Problemfall zu umgehen, wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Nutzsignalanteile in den drei Messsignalen By, By, und Bz alle auf demselben spulengenerierten Mag- netfeld bzw. demselben Trägersignal basieren. Die Amplituden der drei Messsignale unterscheiden sich gemäß des jeweiligen Abstands zwischen Referenz- und Spu- lenmodul. Die Phasenlagen unterscheiden sich wie vorstehend ausgeführt entweder gar nicht (bei gleichem Vorzeichen) oder um 180° (bei unterschiedlichem Vorzei- chen). Für die Schätzung der Phasenlage mittels der Phasenregelschleife macht ein Phasenunterschied von 180° keinen Unterschied: die Regelabweichung geht sowohl für DF °, als auch DF p gegen Null. Somit spielt es keine Rolle, welche der drei Messsignalkomponenten (By/By/Bz) zur Ermittlung der Regelabweichung bzw. zur Schätzung der Phasenlage des Trägersignals verwendet werden (lediglich die An- fangsphasenlage kann sich um 180° unterscheiden. Wie vorstehend erläutert, weist die Anfangsphasenlage ohne zusätzliche Maßnahmen ohnehin eine Unsicherheit von 180° auf. Somit ist der Unterschied der Anfangsphasenlage durch Verwendung beliebiger Messsignalkomponenten an dieser Stelle irrelevant). Das Problem der Nulldurchgänge im Nutzsignal kann somit umgangen werden, indem immer diejenige Messsignalkomponente zur Regelung der Phasenlage verwendet wird, welche den größten Betrag aufweist. Unter der Voraussetzung, dass sich das Sensormodul räumlich immer oberhalb des Spulenmoduls (also im Positionsbereich z>0) befindet, ist gemäß Formeln (1) bis (6) immer mindestens eine Messsignalkomponente un- gleich Null. Somit wird durch die Auswahl der betraglich größten Messsignalkompo- nente für die Phasenregelung vermieden, dass es bei der Nutzsignal- bzw. Amplitu- denkompensation zu einer Division durch Null kommen kann. As described in the previous section, zero crossings in the useful signal by dividing the amplitude compensation in formula (18) are problematic. To avoid the problem case, the fact is used that the useful signal components in the three measurement signals By, By, and Bz are all based on the same coil-generated magnetic field or the same carrier signal. The amplitudes of the three measurement signals differ according to the respective distance between the reference and coil modules. As stated above, the phase positions either do not differ at all (with the same sign) or by 180 ° (with different signs). A phase difference of 180 ° makes no difference for the estimation of the phase position by means of the phase locked loop: the control deviation goes towards zero for both D F ° and D F p . It therefore does not matter which of the three measurement signal components (By / By / Bz) are used to determine the control deviation or to estimate the phase position of the carrier signal (only the initial phase position can differ by 180 °. As explained above, the Starting phase position without any additional measures an uncertainty of 180 ° anyway, so the difference in the starting phase position by using any measurement signal components is irrelevant at this point). The problem of zero crossings in the useful signal can thus be avoided by always using that measuring signal component for regulating the phase position which has the greatest amount. Provided that the sensor module is always spatially above the coil module (ie in the position range z> 0), according to formulas (1) to (6) at least one measurement signal component is always non-zero. The selection of the largest measured signal component for the phase control prevents the division by zero in the useful signal or amplitude compensation.
Wie vorstehend beschrieben, besteht bezüglich der Anfangsphasenlage des im Messsignal enthaltenen Trägersignals eine Phasenunsicherheit von 180°. Somit können die Anfangsvorzeichen der spulenabhängigen Magnetfeldkomponenten ver- glichen mit den tatsächlichen Vorzeichen je nach Konvergenzrichtung der Phasenregelschleife (Richtung DF = 0 oder DF = ±p) entweder korrekt, oder invertiert sein. In diesem Abschnitt werden Verfahren vorgestellt, mit denen sich die Anfangsphasenlage bestimmen lässt. As described above, there is a phase uncertainty of 180 ° with respect to the initial phase position of the carrier signal contained in the measurement signal. Thus, the initial signs of the coil-dependent magnetic field components can either be correct or inverted compared to the actual signs depending on the direction of convergence of the phase locked loop (direction D F = 0 or D F = ± p ). In In this section, methods are presented with which the initial phase position can be determined.
Eine einfache Möglichkeit zur Bestimmung der Anfangsphasenlage ist der Einsatz eines Synchronisationssignals, das vom Quellenmodul bei beginnender positiver Phasenlage des Spulenansteuerungssignals erzeugt und je nach Kommunikationsschnittstelle per Funk oder per Kabel übermittelt wird (Figur 12). Beim Empfang des Synchronisationssignals durch das Sensormodul wird die Phasenlage des NCO- Signals zurückgesetzt, so dass sich die Phasenlage des NCOs mit der des Träger- signals synchronisiert und sich so automatisch die korrekten Vorzeichen für die Komponenten des Magnetfeldsignals ergeben. A simple possibility for determining the initial phase position is the use of a synchronization signal which is generated by the source module when the coil control signal begins to be in a positive phase position and is transmitted by radio or cable, depending on the communication interface (FIG. 12). When the synchronization signal is received by the sensor module, the phase position of the NCO signal is reset so that the phase position of the NCO is synchronized with that of the carrier signal and the correct signs for the components of the magnetic field signal are thus automatically obtained.
Eine geringe zeitliche Verzögerung zwischen dem Synchronisationssignal und der Anfangsphasenlage des Trägersignals im Messsignal (bspw. durch Latenzzeiten bei Funkübertragung) ist unkritisch, sofern diese kleiner als fs/fo ' °·5 (also der Hälfte der Abtastwerte einer Sinusperiode) ist. Da in den meisten Anwendungen ohnehin eine Schnittstelle (Kabel/Funk) zur Über- tragung der ermittelten Orientierungs- und Positionsdaten vorhanden sein muss, lässt sich diese Synchronisationsmethode in der Praxis mit sehr geringem Zusatz- aufwand implementieren. A slight time delay between the synchronization signal and the initial phase position of the carrier signal in the measurement signal (e.g. due to latency in radio transmission) is not critical, provided that it is less than f s / f o ' ° · 5 (i.e. half the samples of a sine period). Since an interface (cable / radio) must be available for the transmission of the determined orientation and position data in most applications, this synchronization method can be implemented in practice with very little additional effort.
Wenn die Positionslage des Sensormoduls relativ zum Spulenmodul zu einem defi- nierten Zeitpunkt (bspw. direkt beim Einschalten des Sensormoduls) hinreichend bekannt ist, kann die Bestimmung der Anfangslage auch ohne Synchronisationssig- nal erfolgen. Die Positionslage gilt als hinreichend bekannt, wenn das Vorzeichen der x- oder der y-Achse des Positionsvektors - welcher die Position des Sensormoduls relativ zum Spulenmodul beschreibt - bekannt ist. Die Kenntnis über das Vor- Zeichen der x- oder y-Achse kann dazu genutzt werden, um nach dem Einrasten der Phasenschleife die Vorzeichen der demodulierten Magnetfeldkomponenten zu korrigieren. Da das Vorzeichen der Bx- bzw. By-Komponente gemäß Formeln (4) bis (6) nur von dem Vorzeichen der x- bzw. y-Achse im Positionsraum abhängig ist, kann über das Vorzeichen der jeweiligen Positionskoordinate direkt das Vorzeichen der entsprechenden Magnetfeldkomponente abgeleitet werden. Wenn das Vorzeichen der Magnetfeldkomponente direkt nach dem Einrasten der Phasenregelschleife nicht dem erwarteten Vorzeichen entspricht, hat das über den NCO generierte Referenz- Signal gegenüber dem Trägersignal eine Phasenabweichung von 180°, so dass die Vorzeichen aller Magnetfeldkomponenten einmalig invertiert werden müssen, um die korrekten Vorzeichen zu erhalten. Anderenfalls liegt keine Phasenabweichung vor, so dass eine Korrektur der Vorzeichen nicht erforderlich ist. If the position of the sensor module relative to the coil module is sufficiently known at a defined point in time (for example, directly when the sensor module is switched on), the initial position can also be determined without a synchronization signal. The position is known to be sufficiently known if the sign of the x or y axis of the position vector - which describes the position of the sensor module relative to the coil module - is known. Knowledge of the sign of the x or y axis can be used to correct the sign of the demodulated magnetic field components after the phase loop has snapped into place. Since the sign of the Bx or By component according to formulas (4) to (6) is only dependent on the sign of the x or y axis in the position space, the sign of the corresponding magnetic field component can be directly via the sign of the respective position coordinate be derived. If the sign If the magnetic field component does not correspond to the expected sign immediately after the phase locked loop has snapped in, the reference signal generated via the NCO has a phase deviation of 180 ° compared to the carrier signal, so that the signs of all magnetic field components have to be inverted once in order to obtain the correct sign. Otherwise there is no phase deviation, so that a correction of the sign is not necessary.
In der Praxis könnte beispielsweise die Bedingung aufgestellt werden, dass sich das Sensormodul vor dem Einschalten„rechts von der Spule“ befinden muss. Bei einem Koordinatensystem wie in Figur 13 würde sich daraus ein positives Vorzeichen der Bx-Komponente ableiten. In practice, for example, the condition could be set that the sensor module must be "to the right of the coil" before it is switched on. In the case of a coordinate system as in FIG. 13, a positive sign of the Bx component would be derived from this.
Diese Methode hat den Vorteil, dass für die Synchronisation weder eine Funkkom- munikation noch eine Kabelverbindung zwischen den Modulen erforderlich ist. Somit eignet sie sich auch für Anwendungen, bei denen die Daten entweder für eine späte- re Offline-Verarbeitung nur gespeichert oder direkt Online verarbeitet werden, um in Abhängigkeit der Daten bspw. Aktuatoren zu steuern oder Signale auszugeben (bei- spielsweise Ausgabe eines akustischen oder visuellen Warnsignals zur Signalisierung bestimmter Körperfehlhaltungen bei Biofeedbackanwendungen im Bereich Me- dizintechnik bzw. Biomechanik). This method has the advantage that neither radio communication nor a cable connection between the modules is required for the synchronization. It is therefore also suitable for applications in which the data are either only saved for later offline processing or are processed directly online, for example to control actuators or output signals depending on the data (for example output of an acoustic or visual warning signal for signaling certain body malpositions in biofeedback applications in the field of medical technology or biomechanics).
Wenn in der Applikation weder eine Kabel- oder Funkschnittstelle gegeben ist, noch sichergestellt werden kann, dass die Positionslage zu einem bestimmten Zeitpunkt hinreichend bekannt ist, kann eine Bestimmung der Anfangsphasenlage auch durch die Übertragung zusätzlicher Informationen über das erzeugte Spulensignal erfolgen. Dazu können im Spulensignal charakteristische Signalanteile kodiert werden, die über die Signalverarbeitung seitens des Sensormoduls zur Bestimmung des Syn- chronisationszeitpunkts zu identifizieren sind. If there is neither a cable or radio interface in the application, nor can it be ensured that the position is known at a certain point in time, the initial phase can also be determined by transmitting additional information about the generated coil signal. For this purpose, characteristic signal components can be encoded in the coil signal, which can be identified via the signal processing on the part of the sensor module in order to determine the time of synchronization.
Im einfachsten Fall kann hierzu ein rechteckartiger Signalanstieg kurz vor Beginn des Sinussignals (mit bekannter Anfangsphasenlage) im Spulensignal vorgesehen werden. Um eine störungsrobustere Identifizierung zu gewährleisten, kann im Spu- lensignal auch ein vorgelagerter, sinusförmiger Signalanteil mit einer Frequenz ^ fc vor dem eigentlichen Spulensignal (mit Frequenz fc) vorgesehen werden, so dass das Sensormodul den Synchronisationszeitpunkt über das Erkennen des Frequenzsprunges identifizieren kann. In the simplest case, a rectangular signal rise can be provided in the coil signal shortly before the start of the sine signal (with a known starting phase position). In order to ensure a more robust identification with respect to interference, an upstream, sinusoidal signal component with a frequency ^ f c before the actual coil signal (with frequency f c) can also be provided in the coil signal, so that the sensor module can identify the synchronization time by recognizing the frequency jump.
Bei magnetfeldbasierten Systemen mit einer dreiachsigen Magnetfeldquelle kommt neben dem AC-Verfahren, bei dem Wechselmagnetfeldsignal konstanter Frequenz erzeugt wird, auch das DC-Verfahren zum Einsatz, bei dem die Spule über ein ge- pulstes Signal angeregt wird. Beim herkömmlichen DC-Verfahren müssen die drei Spulen der Magnetfeldquelle zeitlich nacheinander (sequentiell) aktiviert werden, um eine Unterscheidbarkeit der Spulenmagnetfelder und somit die Zugehörigkeit des gemessenen Magnetfeldes zu den Quellenachsen (C,U,Z) seitens des Empfängers bzw. des Magnetfeldsensors zu gewährleisten. In der Sensoreinheit wird hierzu bei jeder Spulenaktivierung ein Signalabschnitt mit eingeschalteter und ein Signalabschnitt mit abgeschalteter Spule erfasst. Zur Bestimmung der Magnetfeldkomponenten wird die Differenz der beiden Signalanteile gebildet, so dass Magnetfeldanteile, die in beiden Signalen enthalten sind (bspw. das Erdmagnetfeld), kompensiert wer- den und im Idealfall nur der spulenabhängige Anteil resultiert. Für jede der drei nacheinander aktivierten Spulen wird auf diese Weise ein Vektor mit jeweils drei Magnetfeldkomponenten ermittelt. Da für die Erfassung eines Datensatzes bestehend aus X-, Y- und Z-Komponente bei den bestehenden dreiachsigen Systemen die Dauer von drei Spulenerregungsperioden benötigt wird, ist die Latenzzeit der Po- sitionsberechnung mit dem DC-Verfahren bei diesen Systemen im Allgemeinen höher als beim AC-Verfahren. In the case of magnetic field-based systems with a three-axis magnetic field source, in addition to the AC method, in which an alternating magnetic field signal is generated at a constant frequency, the DC method is also used, in which the coil is excited by a pulsed signal. In the conventional DC method, the three coils of the magnetic field source must be activated sequentially (sequentially) in order to ensure that the coil magnetic fields can be distinguished and thus that the measured magnetic field belongs to the source axes (C, U, Z) on the part of the receiver or the magnetic field sensor , For this purpose, a signal section with the coil switched on and a signal section with the coil switched off is recorded in the sensor unit for each coil activation. To determine the magnetic field components, the difference between the two signal components is formed so that magnetic field components that are contained in both signals (for example the earth's magnetic field) are compensated for and ideally only the coil-dependent component results. For each of the three successively activated coils, a vector with three magnetic field components is determined in this way. Since the acquisition of a data set consisting of X, Y and Z components in the existing three-axis systems requires the duration of three coil excitation periods, the latency of the position calculation with the DC method is generally higher in these systems than in the AC method.
Bei Verwendung des vorgestellten System konzepts mit einem MARG-Sensor und einer Magnetfeldquelle mit einer einzelnen Spule entfällt dieser Nachteil bei Verwendung eines pulsförmigen Ansteuerungssignals, da hier nur eine Spule aktiviert wer- den muss und sich die benötigte Erfassungszeit gegenüber dreiachsigen Messsystemen somit um den Faktor drei reduziert. Der wesentliche Vorteil der DC-basierten Amplitudenbestimmung liegt darin, dass diese weniger anfällig auf Störungen in Folge von Eddy Fields ist: das Magnetfeldsignal wird nämlich erst abgetastet wird, wenn die Eddy Fields, die aus der Strominduktion beim Aktivieren der Spule in nahegele- genen Stromleitern resultieren, im Wesentlichen abgeklungen sind, wie dies in Figur 14 dargestellt ist. Zur Bestimmung der spulenabhängigen Magnetfeldkomponenten wird je Zyklus / jeweils ein Magnetfeldvektor ( B. (T ) ) zum Zeitpunkt T bei abgeschalteter Spule und ein Magnetfeldvektor {Bh. Tt) ) zum Zeitpunkt 7^ h bei eingeschalteter Spule erfasst. Sofern die Pulsrate hoch genug ist, dass die bewegungsabhängige Magnet- feldänderung zwischen den beiden Messdatensätzen vernachlässigbar gering ist, können die Magnetfeldvektoren als When using the system concept presented with a MARG sensor and a magnetic field source with a single coil, this disadvantage does not apply when using a pulse-shaped control signal, since only one coil has to be activated here and the acquisition time required compared to triaxial measuring systems is therefore a factor of three reduced. The main advantage of DC-based amplitude determination is that it is less susceptible to interference due to Eddy Fields: the magnetic field signal is only sampled when the Eddy Fields, which result from the current induction when the coil is activated in nearby conductors result, have essentially subsided, as shown in FIG. 14. To determine the coil-dependent magnetic field components, a magnetic field vector (B. (T)) at time T with the coil switched off and a magnetic field vector {B h. T t )) recorded at 7 ^ h with the coil switched on. If the pulse rate is high enough that the movement-dependent change in the magnetic field between the two measurement data sets is negligible, the magnetic field vectors can be as
BloJO = be(T,) + w (Tl) (19) und
Figure imgf000026_0001
dargestellt werden, wobei be den hauptsächlich durch das Erdmagnetfeld resultierenden Gleichanteil, H>, und w2 hochfrequente Rauschanteile, und B den spulenabhängigen Signalanteil repräsentiert.
B lo JO = b e (T,) + w (T l ) (19) and
Figure imgf000026_0001
are represented, where b e represents the direct component resulting mainly from the earth's magnetic field, H>, and w 2 high-frequency noise components, and B represents the coil-dependent signal component.
Durch Differenzbildung der beiden Magnetfeldvektoren folgt
Figure imgf000026_0002
Durch Anwendung eines Tiefpassfilters kann der hochfrequente Rauschanteil eliminiert werden, so dass das resultierende Signal
Figure imgf000026_0003
dem gesuchten spulenabhängigen Magnetfeldanteil entspricht. Die über die Sensorfusion der MARG-Daten bekannte Orientierung der beiden Module kann dazu ge- nutzt werden, um den Einfluss der Rotation in den Magnetfeldkomponenten von B(T') zu kompensieren, so dass über die Dipolgleichungen (s. Formeln (19)-(21 )) die Ermittlung der relativen 3D-Position zwischen den beiden Modulen möglich ist. Literatur
By forming the difference between the two magnetic field vectors follows
Figure imgf000026_0002
By using a low-pass filter, the high-frequency noise component can be eliminated, so that the resulting signal
Figure imgf000026_0003
corresponds to the coil-dependent magnetic field component sought. The orientation of the two modules known from the sensor fusion of the MARG data can be used to compensate for the influence of the rotation in the magnetic field components of B (T '), so that the dipole equations (see formulas (19) - (21)) the determination of the relative 3D position between the two modules is possible. literature
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur 3D-0rientierungs- und 3D-Positionsbestimmung von Objekten, mit Hilfe einer Einrichtung, aufweisend ein Referenzmodul mit einer einachsigen Spule sowie deren Ansteuerungs- elektronik und einem MARG-Sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity-1. Method for 3D orientation and 3D position determination of objects, with the aid of a device comprising a reference module with a uniaxial coil and its control electronics and a MARG sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity-
Sensor), wobei die Spule zur Generierung eines harmonischen Magnetfeldsig- nals konstanter Frequenz mit einem periodischen Erregerstrom beaufschlagt wird, ein Sensormodul mit einem MARG-Sensor, wobei das Referenzmodul als räumliche Referenz für die Orientierungs- undSensor), wherein the coil is generated with a periodic excitation current to generate a harmonic magnetic field signal of constant frequency, a sensor module with a MARG sensor, the reference module as a spatial reference for orientation and
Positionsbestimmung des Sensormoduls dient und aus den Daten der MARG- Sensoren in Referenzmodul und Sensormodul zyklisch algorithmisch die 3D- Orientierung des jeweiligen Moduls bestimmt wird, der MARG-Sensor des Sensormoduls ein Mischsignal erfasst, welches sich aus dem von der Spule des Referenzmoduls generierten harmonischen Magnetfeld und allen anderen Magnetfeldern im Umfeld der Einrichtung zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem von dem MARG-Sensor des Sensormoduls ermittelten Mischsignal nicht nur die Betragsinformation, sondern auch die Phaseninformation des Spu- lensignals zur Extraktion des Spulensignals aus dem Mischsignal genutzt wird, wodurch die Amplituden der Magnetfeldkomponenten des Spulensignals vorzeichenrichtig ermittelt werden, und aus den ermittelten Amplituden der Mag netfeldkomponenten des Spulensignals zyklisch die eindeutige räumliche Position des Sensormoduls relativ zu dem Referenzmodul auf Basis der Messdaten allein des MARG-Sensors auf dem Sensormodul bestimmt wird. The position of the sensor module is used and the data of the MARG sensors in the reference module and sensor module are used to determine the 3D orientation of the respective module cyclically and algorithmically, the MARG sensor of the sensor module detects a mixed signal which is generated from the harmonic magnetic field generated by the coil of the reference module and all other magnetic fields in the vicinity of the device, characterized in that from the mixed signal determined by the MARG sensor of the sensor module not only the amount information but also the phase information of the coil signal is used to extract the coil signal from the mixed signal, whereby the Amplitudes of the magnetic field components of the coil signal are determined with the correct sign, and cyclically from the determined amplitudes of the magnetic field components of the coil signal the unique spatial position of the sensor module relative to the reference module based on the measurement data of the MARG sensor alone on the Se nsormodule is determined.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Daten der MARG-Sensoren in Referenzmodul und Sensormodul die 3D- Orientierung des jeweiligen Moduls bestimmt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the 3D orientation of the respective module is determined on the basis of the data from the MARG sensors in the reference module and sensor module.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der bekannten Orientierung des Sensormoduls das gemessene Mischsignal mathematisch in eine definierte Bezugslage rotiert wird, in der die z-Achse des MARG-Sensors des Sensormoduls parallel zur Spulenachse des Referenzmoduls ausgerichtet ist. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that based on the known orientation of the sensor module, the measured mixed signal is rotated mathematically into a defined reference position in which the z-axis of the MARG sensor of the sensor module is aligned parallel to the coil axis of the reference module is.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der Magnetfeldkomponenten vorzeichenrichtig ermit- telt werden, wonach auf Basis des gemessenen Mischsignals über die Dipol- gleichungen die eindeutige Position des MARG-Sensors auf dem Sensormodul relativ zu dem Referenzmodul bestimmt werden kann. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amplitudes of the magnetic field components are determined with the correct sign, after which the unique position of the MARG sensor on the sensor module relative to the reference module is determined on the basis of the measured mixed signal via the dipole equations can.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusam- menhang zwischen der Phasenlage des Spulensignals und dem Vorzeichen der von dem MARG-Sensor auf dem Sensormodul gemessenen Magnetfeld- komponente des gemessenen Mischsignals genutzt wird, um den mit dem Spu- lensignal korrelierten Signalanteil phasenrichtig und somit vorzeichenrichtig aus dem gemessenen Mischsignal zu extrahieren. 5. The method according to claim 4, characterized in that the connection between the phase position of the coil signal and the sign of the magnetic field component of the measured mixed signal measured by the MARG sensor on the sensor module is used to correlate the one with the coil signal To extract the signal component in the correct phase and thus with the correct sign from the measured mixed signal.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des im gemessenen Magnetfeldsignal enthaltenen Spulensignals gemäß der Dipolgleichungen abhängig von dem Abstand zwi- sehen Referenzmodul und Sensormodul bezüglich der drei Raumachsen x, y und z bestimmt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the coil signal contained in the measured magnetic field signal is determined according to the dipole equations depending on the distance between the reference module and the sensor module with respect to the three spatial axes x, y and z.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Spulensignals des Referenzmoduls ein amplituden- moduliertes Signal aufweist, bei welchem das Nutzsignal als abstandsabhängi- ge Amplitude und das sinusförmige Erregungssignal als Trägersignal angese- hen werden kann. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the portion of the coil signal of the reference module has an amplitude-modulated signal in which the useful signal can be viewed as a distance-dependent amplitude and the sinusoidal excitation signal as a carrier signal.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Amplitudendemodulationsverfahren genutzt wird, um das für die Positionsbestimmung benötigte Nutzsignal aus dem von dem MARG-Sensor des Sensormoduls ermittelten Mischsignal zu ermitteln. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an amplitude demodulation method is used to determine the useful signal required for the position determination from the mixed signal determined by the MARG sensor of the sensor module.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Amplitu- dendemodulationsverfahren ein kohärentes Demodulationsverfahren zur pha- senrichtigen Bestimmung der Amplitude des im Mischsignal enthaltenen Spu- lensignals genutzt wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that a coherent demodulation method is used as the amplitude demodulation method for determining the correct phase of the amplitude of the coil signal contained in the mixed signal.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem kohä- renten Demodulationsverfahren eine Hilbert-Transformation durchgeführt wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that a Hilbert transformation is carried out in the coherent demodulation method.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ko- härenten Demodulationsverfahren zur Vermeidung von Drifteffekten oder sons- tigen Langzeiteffekten eine Phasenregelschleife, vorzugsweise ein Costas- Loop eingesetzt wird. 11. The method according to claim 10, characterized in that a phase locked loop, preferably a Costas loop, is used in the coherent demodulation process to avoid drift effects or other long-term effects.
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Nulldurchgängen im Nutzsignal während der Amplitudenkompensation ausgenutzt wird, dass nie alle räumlichen Magnet- feldkomponenten im gemessenen Magnetfeldsignal gleichzeitig zu Null werden können. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that is used to avoid zero crossings in the useful signal during the amplitude compensation that never all spatial magnetic field components in the measured magnetic field signal can become zero at the same time.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermei- dung von Nulldurchgängen im Nutzsignal während der Amplitudenkompensati- on die betragsmäßig größte Komponente im gemessenen Magnetfeldsignal für die Phasenregelung genutzt wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that in order to avoid zero crossings in the useful signal during the amplitude compensation, the largest component in terms of amount in the measured magnetic field signal is used for the phase control.
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsphasenlage der spulenabhängigen Magnetfeldkompo- nenten im gemessenen Magnetfeldsignal durch ein Synchronisationssignal, insbesondere ein kabelgebundenes oder per Funk zwischen Referenzmodul und Sensormodul übertragenes Synchronisationssignal synchronisiert wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the initial phase position of the coil-dependent magnetic field components in the measured magnetic field signal is synchronized by a synchronization signal, in particular a synchronization signal that is wired or transmitted by radio between the reference module and the sensor module.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchro- nisationssignal bei beginnender positiver oder negativer Phasenlage des Spu- lenansteuerungssignals erzeugt wird. 15. The method according to claim 14, characterized in that the synchronization signal is generated at the beginning of the positive or negative phase position of the coil control signal.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsphasenlage der spulenabhängigen Magnetfeldkomponenten in einer bekannten relativen räumlichen Position zwischen Referenzmodul und Sensormodul, vorzugsweise beim Einschalten der Einrichtung, synchronisiert wird. 16. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the initial phase position of the coil-dependent magnetic field components in a known relative spatial position between the reference module and the sensor module, preferably when the device is switched on.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsphasenlage der spulenabhängigen Magnetfeldkomponenten durch Übertragung zusätzlicher Informationen mit Hilfe des erzeugten Spulensignals synchronisiert wird. 17. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the initial phase position of the coil-dependent magnetic field components is synchronized by transmitting additional information with the aid of the generated coil signal.
18. Einrichtung zur 3D-Orientierungs- und 3D-Positionsbestimmung von Objekten, aufweisend ein Referenzmodul mit einer einachsigen Spule sowie deren Ansteuerungselektronik und einem MARG-Sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity- Sensor), wobei die Spule zur Generierung eines harmonischen Magnetfeldsig- nals konstanter Frequenz mit einem periodischen Erregerstrom beaufschlagbar ist, ein Sensormodul mit einem MARG-Sensor, wobei das Referenzmodul eine räumliche Referenz für die Orientierungs- und Positionsbestimmung des Sensormoduls bildet und aus den Daten der MARG- Sensoren in Referenzmodul und Sensormodul algorithmisch die 3D-Orien- tierung des jeweiligen Moduls bestimmt wird, mit dem MARG-Sensor des Sensormoduls ein Mischsignal erfassbar ist, wel- ches sich aus dem von der Spule des Referenzmoduls generierten harmoni- schen Magnetfeld und allen anderen Magnetfeldern im Umfeld der Einrichtung zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein MARG-Sensor auf dem Sensormoduls angeordnet ist, der das von der einen Spule des Referenzmoduls zur Generierung eines harmonischen Mag- netfeldsignals konstanter Frequenz erzeugte Mischsignal empfängt, und daraus die eindeutige räumliche Position des Sensormoduls relativ zu dem Referenz- modul auf Basis der Messdaten allein des MARG-Sensors auf dem Sensormo- dul bestimmbar ist. 18. Device for 3D orientation and 3D position determination of objects, comprising a reference module with a uniaxial coil and its control electronics and a MARG sensor (Magnetic, Angular Rate, and Gravity sensor), the coil for generating a harmonic magnetic field a periodic excitation current can be applied as a constant frequency, a sensor module with a MARG sensor, the reference module forming a spatial reference for the orientation and position determination of the sensor module and algorithmically the 3D from the data of the MARG sensors in the reference module and sensor module. Orientation of the respective module is determined, with the MARG sensor of the sensor module, a mixed signal can be detected, which is composed of the harmonic magnetic field generated by the coil of the reference module and all other magnetic fields in the vicinity of the device, characterized in that that only one MARG sensor is on the sensor module rdnet, which receives the mixed signal generated by one coil of the reference module for generating a harmonic magnetic field signal of constant frequency, and from this the unique spatial position of the sensor module relative to the reference module can be determined on the basis of the measurement data of the MARG sensor alone on the sensor module.
19. Einrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmodul und/oder das Sensormodul einen Mikrocontroller zur Auswertung der Messwerte des MARG-Sensors aufweist. 19. Device according to claim 18, characterized in that the reference module and / or the sensor module has a microcontroller for evaluating the measured values of the MARG sensor.
20. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul und optional das Referenzmodul ein Funkmodul zur Datenübertragung aufweist. 20. Device according to one of claims 18 or 19, characterized in that the sensor module and optionally the reference module has a radio module for data transmission.
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