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    公开号:WO1988006274A1
    申请号:PCT/EP1988/000104
    申请日:1988-02-12
    公开日:1988-08-25
    发明作者:Heinz Wellhausen
    申请人:Heinz Wellhausen；
    IPC主号:G01C17-00
    专利说明:
    [0001] - Λ -
    [0002] Elektronischer Kompaß
    [0003] Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kompaß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    [0004] Ein derartiger elektronischer Kompaß ist bekannt durch die Technische Information Nr. 840323 der Fa. VA VO. Die dort beschriebenen magnetoresistiven Sensoren vom Typ KMZ 10A sind ein passives Bauteil mit einer Widerstandsbrücke, an die eine Betriebsspannung angelegt ist. Der Abgleich der Brücke ändert sich in Abhängigkeit von der Größe eines den Sensor in seiner Längsrichtung durchsetzenden Magnetfeldes. An der Brückendiagionale kann daher eine Spannung abgenommen werden, deren Vorzeichen von der Richtung und deren Größe von dem Betrag des einfallenden Magnetfeldes abhängig ist. Dabei ist es bekannt, zwei derartige Sensoren um 90° gegen¬ einander versetzt anzuordnen, die somit die Komponenten des einfallenden Magnetfeldes in zwei zueinander senkrechten Richtungen auswerten. Durch diese beiden Komponenten, d.h. durch die AusgangsSpannungen der beiden Sensoren, ist das Magnetfeld nach Betrag und Richtung eindeutig definiert.
    [0005] Derartige Sensoren haben eine unvermeidbare OffetSpannung, d.h. eine im Ausgangssignal vorhandene Gleichspannungskompo¬ nente, die insbesondere durch einen unvollkommenen Abgleich der Brücke und sonstige Umwelteinflüsse entsteht. Diese Off- setspannung ist mit z.B.±10 - 20 mV wesentlich größer als die SignalSpannung im Bereich einiger μV.
    [0006] Zum Ausgleich dieser Offsetspannung ist es bekannt, den Sen¬ soren eine Spule zuzuordnen/ die mit einer Taktspannung ge¬ steuert ist und in den Sensoren ein umgeschaltetes Erreger¬ feld erzeugt, das senkrecht zu der Empfindlichkeitsrichtung der Sensoren steht. Durch dieses Erregerfeld wird die Emp¬ findlichkeitsrichtung der Sensoren mit der Frequenz der Takt¬ spannung periodisch umgeschaltet. Das Ausgangssignal der Sen- - I -
    [0007] soren ist dann keine Gleichspannung, sondern eine Wechsel¬ spannung mit der Frequenz der Taktspannung. Dadurch ist es möglich, daß eigentlich Nutzsignal von der Offsetspannung zu trennen.
    [0008] Die von den Sensoren abgegebenen Nutsignale müssen indessen für ihre Weiterverarbeitung verstärkt werden. Einerseits ist ihre Amplitude für die weitere Signalverarbeitung zu gering. Andererseits ändert sich das Erdfeld regional stark, so daß die Verstärkung jeweils angepaßt und geregelt werden muß. Da geringe Unterschiede in der Verstärkung der einzelnen Signa¬ le das Meßergebnis bestimmen und insbesondere bei der Rege¬ lung mehrerer Verstärkungswege für die Signale der beiden Sensoren ein Gleichlauf in der Verstärkung praktisch nicht erreichbar ist, entstehen relativ große Ungenauigkeiten in der Messung, die den Einsatz derartiger magnetoresistiver Sensoren begrenzen.
    [0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Streuun¬ gen und Abhängigkeiten vom Abgleich der Sensoren und sonsti¬ gen Parametern zu verringern und die Genauigkeit des mit der¬ artigen Sensoren bestückten Kompasses zu erhöhen.
    [0010] Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Er¬ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter nsprüchen beschrieben.
    [0011] Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen und Überle¬ gungen. Bei der Anordnung von drei gleichen Sensoren unter einem Winkel von 120° ist jeweils die Summe der Ausgangssi¬ gnale der drei demselben Magnetfeld ausgesetzten Sensoren gleich 0. Das beruht darauf, daß die Summe der drei Augen¬ blickswerte einer Sinusspannung im Abstand von 120° stets 0 ist. Das ist gleichbedeutend damit, daß die AusgangsSignale der drei unter 120° versetzten und in einem konstanten Ma¬ gnetfeld gedrehten Sensoren unabhängig von der Größe dieses Magnetfeldes rtets 0 ist, unter der Voraussetzung, daß die drei um 120° versetzten Ausgangssignale gleiche Amplitude haben. Wenn somit die Ausgangssignale der drei Sensoren je¬ weils zeitlich kurz nacheinander getastet werden, so ist auch deren Summe 0. Die so gewonnen Signale sind voneinander unabhängig, da sie keinen Gleichspannungsanteil enthalten, und können daher über einen gemeinsamen Wechselspannungsver¬ stärker geführt werden. Dessen Verstärkung indessen ist in vorteilhafter Weise unkritisch, da die Verstärkung auf das Meßergebnis nicht eingeht, sondern das Meßergebnis lediglich durch das Verhältnis der Amplituden der Ausgangssignale der Sensoren bestimmt ist. Daher geht auch jegliche Änderung der Verstärkung, z.B. durch Langzeitänderungen, Temperaturein¬ flüsse und Regelung der Verstärkung auf das Meßergebnis nicht ein. Voraussetzung dabei ist, daß die störende Offest¬ spannung im Signal beseitigt ist. Das wird erreicht durch eine besonders vorteilhafte Schaltung gemäß Anspruch 9.
    [0012] Der Abgleich der gesamten Schaltungsordnung wird daher beson¬ ders einfach, da im wesentlichen nur noch ein Abgleich auf die unterschiedliche Empfindlichkeit der drei Sensoren erfor¬ derlich ist. Temperatureinflüsse wirken sich auf die drei Sensoren gleichmäßig aus, beeinflussen also die drei Aus¬ gangssignale der Sensoren gleichmäßig und gehen daher in vor¬ teilhafter Weise auf das Meßergebnis, das auf dem Verhältnis dieser Signale beruht, nicht ein. Durch den erfindungsgemä¬ ßen Kompaß und die zugeordnete Schaltung zur Auswertung der Signale kann eine Genauigkeit in der Messung der Richtung des Erdfeldes von etwa 1/2° und eine Auflösung von ca 1/10° erreicht werden, also wesentlich höhere Werte als bei einer herkömlichen mechanischen Kompaßnadel. Der Kompaß zusammen mit der Auswertschaltung ist an unterschiedliche Navigations¬ systeme anpaßbar und eignet sich auch für unterschiedliche Darstellungen des Meßergebnisses, z.B. in Form eines Vektors auf einem Bildschirm oder zur digitalen Anzeige der Richtung des Erdmagnetfeldes. Durch die Erfindung werden die noch be¬ stehenden Unzulänglichkeiten der bekannten Sensoren weitest- gehend ausgeglichen und deren Einsatzbereich für die. Messung des Erdmagnetfeldes erweitert. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar bei den sogenannten agnetoresistiven Sensoren, deren ohmscher Widerstand von der Größe und Rich¬ tung des sie durchsetzenden Magnetfeldes abhängig ist und wie sie in der genannten Technischen Information der Firma VALVO beschrieben sind. Derartige Sensoren sind besonders klein und ermöglichen einen sehr engen Aufbau für den gesam¬ ten Kompaß.
    [0013] Bei einer Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 9 er¬ folgt auf einfache Weise eine Beseitigung der unerwünschten Offsetspannung, indem während der ersten Halbwelle der das Erregerfeld erzeugenden Taktspannung ein Kondensator auf den Wert der vom Sensor kommenden Spannung aufgeladen und in der zweiten Halbwelle auf den weiteren Signalweg durchgeschaltet wird, wobei die durchgeschaltete Spannung gleich der Diffe¬ renz zwischen den Spitzenspannungen der beiden Halbwellen ist und somit die störende Offsetspannung beseitigt ist. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß den Ansprüchen 6, 7 wird der für die drei SignalSpannungen der Sensoren gemeinsam ver¬ wendete Wechselspannungsverstärker immer so geregelt, daß das Signal mit der größten Amplitude gerade den vollen Aus¬ steuerbereich erreicht und z.B. im Signal angeordnete A/D- Wandler voll ausgesteuert werden. Dadurch wird eine größere maximale Auflösung erreicht, weil dann zumindest für das ma¬ ximale Signal der gesamte Aussteuerbereich des Wandlers aus¬ genutzt wird und alle Stufen des Wandler für die digitalen Signale, z.B. 256, ausgenutzt werden. Das ist dadurch mög¬ lich, daß die Verstärkung des Verstärkers, wie bereits erläu¬ tert, auf das Meßergebnis keinen Einfluß hat. Die Regelspan¬ nung für den Verstärker, die somit von der Amplitude des größten Signals der drei Sensoren abhängig ist, kann daher gemäß Anspruch 8 auch als eine Anzeige für die absolute Grö¬ ße des Erdfeldes gewonnen werden.
    [0014] Für die Ermittlung der Feldrichtung sind an sich zwei gegen¬ einander versetzte Sensoren ausreichend, so daß die drei Si- gnale der drei Sensoren an sich redundant sind. Daher können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ins¬ gesamt drei Ergebnisse für den Winkel gebildet werden, die theoretisch übereinstimmen müssen. So kann zur Erhöhung der Genauigkeit oder zur Ausschaltung offensichtlicher Fehlmes¬ sungen aus den drei Ergebnissen für die Darstellung jeweils der Mittelwert gebildet werden. Der Kompaß mit den drei ge¬ geneinander versetzten Sensoren und der Spule für das Erre¬ gerfeld kann als kompakte, ggf. vergossene gekapselte Ein¬ heit ausgebildet sein, wodurch die Lage der drei Sensoren unter 120° mit großer Genauigkeit eingehalten werden kann.
    [0015] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an ei¬ nem Ausführungsbeispiel erläutert. Darin zeigen
    [0016] Fig. 1 im Prinzip den Aufbau für den erfindungsgemäßen
    [0017] Kompaß, Fig. 2 eine Schaltung zur Beseitigung der Offsetspan nung, Fig. 3 einen Spannungsverlauf zur Erläuterung der
    [0018] Fig. 2, Fig. 4 eine vollständige Schaltung zur Auswertung der
    [0019] Signale der drei Sensoren und Fig. 5 Spannungsdiagramme zur Erläuterung der
    [0020] Schaltung gemäß Fig. 4.
    [0021] In Fig. 1 sind drei magnetorisistive Sensoren 1, 2, 3, z-.B. vom Typ KMZ 10 A der Fa. VALVO, unter einem Winkel von 120° angeordnet. Das bedeutet, daß die Längsachsen der drei Senso¬ ren 1, 2, 3, deren zugehörige Feldkomponente Hy ausgewertet wird, einen Winkel von 120° zueinander bilden. Die Sensoren 1, 2, 3 sind von einer Spule 4 umgeben, die mit einer Takt¬ spannung Ut gespeist wird. Die Spule 4 erzeugt ein Erreger¬ feld Hx, das senkrecht zu Hy steht und die Empfindlichkeits¬ richtung der Sensoren 1, 2, 3 periodisch umpolt. Die Summe der Ausgangssignale der Sensoren 1, 2, 3 ist durch den 120°- Versatz nach dem Drehfeld-Prinzip unabhängig,von der Lage und Richtung des Erdmagnetfeldes Hy und der räumlichen Lage des Kompaß stets gleich 0. Jedes der Signale von den Senso¬ ren 1, 2, 3 hat neben der durch die Taktspannung Ut erzeug¬ ten Nutz-WechselSpannung eine unerwünschte Offsetspannung durch Fehlabgleich der in den Sensoren enthaltenen Wider¬ stand-Brückenschaltung oder sonstige Abweichungen.
    [0022] Fig. 2, 3 zeigen eine Schaltung, mit der die für die Auswer¬ tung unerwünschte Offsetspannung in den Ausgangssignalen je¬ weils eines Sensors beseitigt werden kann. Der Sensor 1 ist von der Erdfeldkomponente Hy und außerdem von der Erreger¬ feldkomponente Hx, die periodisch umgeschaltet ist, beauf¬ schlagt. Die dadurch gewonnene Spannung Ua gelangt auf den Differenzverstärker 5 und erscheint somit am Ausgang a. Wäh¬ rend der ersten Halbwelle Hl der Spannung Ua (entsprechend Ut) wird der Schalter 7 durch eine synchrone Schaltspannung geschlossen. Durch den niederoh ig ausgebildeten Ausgang a und den geerdeten Punkt b lädt sich der Kondensator 6 in sehr kurzer Zeit auf die Spannung am Punkt a auf. Diese Span¬ nung hat gemäß Fig. 3 den Wert Uo-Um, wobei Um die Amplitude der Wechselspannung und Uo der Wert der Offsetspannung ist. In der zweiten Halbwelle H2 ist der Schalter 7 geöffnet und während einer kurzen Zeit für die Signalauswertung der Schal¬ ter 8 geschlossen. Der Kondensator 6 hat weiterhin die Span¬ nung Uo-Um mit dem negativen Pol am Punkt a. Da andererseits jetzt die Spannung am Punkt a = Um+Uo ist, gelangt bei geöff¬ neten Schalter 8 auf die Klemme c eine Spannung mit dem Wert
    [0023] Uo + Um - (Uo - Um) = 2 Um.
    [0024] Es ist ersichtlich, daß in der SignalSpannung am Punkt c die störende Offsetspannung Uo beseitigt ist. Das Signal am Punkt c wird daher ohne die Offsetspannung Uo der weiteren Auswertschaltung zugeführt. Eine entsprechende Schaltung ist in gleicher Form vorgesehen für die beiden anderen Sensoren 2, 3. Der Verstärker 5 ist ein Gleichspannungsverstärker mit einer geringen Verstärkung. Er dient im wesentlichen dazu, den niederohmigen Ausgang a für die Umladung des Kondensa¬ tors 6 zu bilden und einen Abgleich auf unterschiedliche Emp¬ findlichkeiten der drei Sensoren 1, 2, 3 zu ermöglichen.
    [0025] Fig. 4 zeigt eine vollständige Schaltung zur Auswertung der in den Sensoren 1, 2, 3 erzeugten SignalSpannungen, die die Schaltung gemäß Fig. 2 dreimal enthält. Anhand der Kurven gemäß Fig. 5 wird die Wirkungsweise erläutert. Die Spannung Stl erzeugt über den Verstärker 12 und die Endstufe 13 die Taktspannung Ut, die in der beschriebenen Weise die Spule 4 speist und dadurch das Erregerfeld Hx erzeugt. Die drei Schalter 7 werden jeweils während der ersten Halbwelle Hl der Spannung Stl und damit auch Ut durch den Impuls St2 gleichzeitig geschlossen und bewirken die schnelle Aufladung der Kondensatoren 6 auf die AusgangSpannung der Verstärker 5 gemäß Fig. 2. Die Schalter 8, 9, 10 arbeiten wie der Schal¬ ter 8 in Fig. 2, werden jedoch während der Halbwelle H2 zeit¬ lich nacheinander durch die Impulse St3, St4, St5 kurzzeitig leitend gesteuert. Am Punkt c entstehen dadurch zeitlich nacheinander Signale, die das Ausgangssignal der drei Senso¬ ren 1, 2, 3 darstellen und von der Offsetspannung befreit sind. Diese Gewinnung der drei Signale zeitlich nacheinander ist zulässig, weil sich die Ausgangssignale der drei Senso¬ ren zeitlich zumindest in der kurzen Zeit nicht ändern. Die¬ se sequentiellen Signale gelangen über den Kondensator C auf den für alle drei Signale gemeinsamen Wechselspannungsver- stärker 11, der durch die Regelspannung Ur geregelt ist. Die sequentiellen Signale gelangen über den weiteren Verstärker 15 gleichermaßen auf die Eingänge der drei Tast- und Halte¬ schaltungen 16, 17, 18 (sample and hold Schaltung). Die Hal¬ teschaltungen 16, 17, 18 werden synchron, zu den Impulsen St3, St4, St5 jedoch um die Laufzeit der Verstärker zeitlich verschoben, durch die Impulse St6, St7, St8 für die Signal- tastung betätigt. Jedes der drei Signale wird also während seines Auftretens in der Schaltung 16, 17, 18 gespeichert und jeweils bis zum nächsten Impuls, also der nächsten zwei¬ ten Halbwelle H2 der Spannung- Stl, aufrechterhalten. Auf die- - δ -
    [0026] se Weise werden die jeweils nur kurzzeitig vorhandenen se¬ quentiellen Signale am Ausgang des Verstärkers 15 wieder in ständig vorhandene simultane Signale umgewandelt. Die Stufen 16, 17, 18 liefern die drei Signale Ul, U2, U3. Aus dem Ver¬ hältnis von zwei dieser Spannungen, z.B. Ul und U2 oder Ul und U3 oder U2 und U3 kann dann die Richtung des Erdmagnet¬ feldes, dem der Kompaß ausgesetzt ist, ermittelt werden. Die¬ se Signale stellen das Meßergebnis dar. Sie können z.B. die Richtung des gemessenen Erdmagnetfeldes in Form eines Vek¬ tors auf einem Bildschirm darstellen oder in digitaler Form in Form von Zahlenwerten die Richtung des Erdmagnetfeldes in Grad und Minuten.
    [0027] Mit den Verstärkern 13, 14 wird aus den Signalen Ul, U2, U3 die Regelspannung Ur für den Verstärker 11 erzeugt. Diese Regelung der Verstärkung erfolgt so, daß der Verstärker 11 durch das Signal am Punkt c mit der größten Amplitude gerade eben voll ausgesteuert ist. Durch diese ständige volle Aus¬ steuerung werden im Signalweg liegende A/D-Wandler jeweils zumindest durch das Signal mit der größten Amplitude voll ausgesteuert, wodurch der Störabstand und die Fehlermöglich¬ keit verringert werden. Dann ändert sich zwar die für die Signale wirksame Verstärkung. Dadurch ergibt sich aber kein Fehler in dem Meßergebnis, weil in der Auswertschaltung für die Signale Ul, U2, U3 nur das Verhältnis der Amplituden die¬ ser Signale ausgewertet wird und nicht ihre absolute Amplitu¬ de.
    [0028] Der Wert der Regelspannung Ur ist somit abhängig von der größten Amplitude des von einem Sensor ausgewerteten Erdfel¬ des Hy, in dem Sinne, daß bei sinkender Amplitude die Ver¬ stärkung des Verstärkers 11 erhöht wird. Daher kann die Re¬ gelspannung Ur auch als Anzeige für die absolute Größe des jeweils wirksamen, von dem Kompaß erfaßten Erdfeldes dienen.
    [0029] Für die Ermittlung der Richtung des Erdfeldes genügen an sich zwei Signale, so daß das gewonnene Signal Ul, U2, U3 an - 3 -
    [0030] sich redundant ist. Deshalb können aus den Signalen insge¬ samt drei verschiedene Meßergebnisse für Richtung des Erdfel¬ des gewonnen werden, nämlich durch Vergleich von Ul und U2, von Ul und U3 und von U2 und U3. Für die Anzeige kann dann der Mittelwert dieser drei Meßergebnisse ausgewertet werden, wodurch die Genauigkeit erhöht und etwaige grobe Fehler durch zu starke Abweichungen der drei Ergebnisse erkannt wer¬ den. Die Summe der drei Signale Ul, U2, U3 ist ebenfalls stets 0. Eine Abweichung von dieser Grundbedingung der Schal¬ tung kann ebenfalls gesondert ermittelt und als Fehler er¬ kannt und zur Ξliminierung des Ergebnisses dienen. Die Aus¬ wertung der Signale Ul, U2, U3 erfolgt vorzugsweise in einem Rechner, der das für die jeweilige Darstellung gewünschte Signal erzeugt, z.B. für die Darstellung eines Zeigers auf einem Bildschirm oder Signale für eine numerische Angabe der Feldrichtung.
    [0031] Die Erfindung ist anwendbar bei allen Fahrzeugen mit Naviga¬ tion wie Flugzeugen, Schiffen, Autos mit Verkehrsfindung und Einrichtungen, bei denen die einfache und störfreie Ermitt¬ lung des wirksamen Erdfeldes nützlich oder notwendig ist.
    权利要求:
    Claims

    -Λ O -
    Patentansprüche
    Elektronischer Kompaß mit Sensoren, deren Ausgangssi¬ gnal von der Größe und Richtung der sie durchsetzenden Magnetfelder (Hy) abhängig ist und denen eine mit einer Taktspannung (Ut) gespeiste Spule (4) für ein Erreger¬ feld (Hx) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Fehlern aufgrund unterschiedlicher Signalverstärkung drei Sensoren (1, 2, 3) unter einem Winkel von 120° angeordnet sind.
    Kompaß nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (Ua) der drei Sensoren (1, 2, 3) wäh¬ rend einer Halbwelle (Hl) der Taktspannung (Ut) zeit¬ lich nacheinander ausgewertet und in einem gemeinsamen Verstärker (11) verstärkt werden.
    Kompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsweg eine Wechselspannungskopplung (C) mit Gleichstromtrennung aufweist.
    Kompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei sequentiellen Ausgangssignale des Verstärkers (11) durch getastete HalteSchaltungen ( 6, 7, 8) in drei si- - M -
    multane, kontinuierliche Signale (Ul, U2, U3) für die Meßwertdarstellung umgewandelt werden.
    5., Kompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Darstellung der Richtung des Erdfeldes drei Ergeb¬ nisse aus dem ersten und zweiten, dem ersten und drit¬ ten sowie dem zweiten und dritten Signal gebildet und deren Mittelwert verwendet wird.
    6. Kompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Verstärkers (11) in Abhängigkeit von der Amplitude der Signale (Ul, U2, U3) so geregelt ist, daß der Verstärker (11) durch das Signal mit der grö߬ ten Amplitude stets voll ausgesteuert ist.
    7. Kompaß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der analogen Signale (Ul, U2, U3) so geregelt ist, daß im Signalweg liegende A/D-Wandler stets annä¬ hernd voll ausgesteuert sind.
    8. Kompaß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Größe der Regelspannung (Ur) eine Anzeige für die absolute Größe des Erdfeldes abgeleitet ist.
    9. Kompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je¬ weils das Ausgangssignal des Sensors (1, 2, 3) an den Eingang eines Differenzverstärkers (5) angelegt ist, an dessen Ausgang (a) ein Ende eines Kondensators (6) ange¬ schlossen ist, dessen anderes Ende (b) während der er¬ sten Halbwelle (Hl) der Taktspannung (Ut) über einen ersten Schalter (7) geerdet und während der zweiten Halbwelle (H2) der Taktspannung (Ut) über einen zweiten Schalter (8) mit dem weiteren Signalweg (c) verbunden ist (Fig. 2).
    10. Kompaß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß je¬ weils während der ersten Halbwelle (Hl) die ersten - AI
    Schalter (7) der drei Sensoren (1, 2, 3) gleichzeitig und während der zweiten Halbwelle (H2) die zweiten Schalter (8, 9, 10) der drei Sensoren (1, 2, 3) zeit¬ lich nacheinander für die Signal erwertung betätigt wer¬ den (Fig. 4, 5).
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