DE102006032280B4

DE102006032280B4 - Inclination

Info

Publication number: DE102006032280B4
Application number: DE200610032280
Authority: DE
Inventors: Volker Jahn
Original assignee: Fernsteuergeraete Kurt Oelsch GmbH
Current assignee: Fernsteuergeraete Kurt Oelsch GmbH
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: DE102006032280A1

Abstract

Neigungsaufnehmer (10), enthaltend Beschleunigungs-Messmittel mit zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen (x, y), die eine zu den Eingangsachsen senkrechte dritte Achse (z) definieren, wobei die Beschleunigungs-Messmittel Messsignale nach Maßgabe der Beschleunigungen in Richtung der beiden Eingangsachsen liefern und die dritte Achse (z) senkrecht zur Richtung der Erdbeschleunigung angeordnet ist, wobei weiterhin (a) Mittel zur Bestimmung des Quadranten eines Neigungswinkels (φ) des Beschleunigungsmessers um die dritte Achse (z) aus den beiden Messsignalen des Beschleunigungsmessers und (b) Mittel zur Bestimmung des Neigungswinkels aus den beiden Messsignalen und aus dem bestimmten Quadranten vorhanden sind, (c) der Neigungswinkel der Winkel zwischen einer der Eingangsachsen (x) und einer Horizontalen ist, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten Mittel (26) enthalten zur Feststellung, ob der Sinus des Neigungswinkels (φ) größer ist als der Kosinus des Neigungswinkels oder ob bei Gleichheit von Sinus und Kosinus der Kosinus negativ ist, wobei der Neigungswinkel bei Vorliegen dieser Bedingungen im zweiten oder dritten Quadranten zwischen > 45° und ≤ 225° liegt und bei Nichtvorliegen dieser Bedingungen im ersten oder vierten Quadranten ≤ 45° oder > 225° liegt, (e) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten weiterhin für den zweiten und dritten Quadranten Mittel (38) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im zweiten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigunkungswinkel (φ) im dritten Quadranten liegt, und (f) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten ferner für den ersten und vierten Quadranten Mittel (36) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im vierten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im ersten Quadranten liegt.Inclinometer (10), containing acceleration measuring means with two mutually perpendicular input axes (x, y) which define a third axis (z) perpendicular to the input axes, the acceleration measuring means delivering measurement signals according to the accelerations in the direction of the two input axes and the third axis (z) is arranged perpendicular to the direction of the acceleration due to gravity, furthermore (a) means for determining the quadrant of an inclination angle (φ) of the accelerometer about the third axis (z) from the two measurement signals of the accelerometer and (b) means for Determination of the angle of inclination from the two measurement signals and from the particular quadrant are present, (c) the angle of inclination is the angle between one of the input axes (x) and a horizontal, characterized in that (d) the means for determining the quadrant means (26 ) included to determine whether the sine of the angle of inclination (φ) is greater than the cosine de s angle of inclination or whether the cosine is negative if the sine and cosine are equal, the angle of inclination being between> 45 ° and ≤ 225 ° in the presence of these conditions in the second or third quadrant and in the absence of these conditions in the first or fourth quadrant ≤ 45 ° or > 225 °, (e) the means for determining the quadrant furthermore contain means (38) for the second and third quadrants for determining whether the absolute value of the sine of the angle of inclination is greater than the absolute value of the cosine of the angle of inclination, if this is present Condition of the angle of inclination (φ) in the second quadrant and, if this condition is not met, the angle of inclination (φ) is in the third quadrant, and (f) the means for determining the quadrant further comprise means (36) for determining whether for the first and fourth quadrants the absolute value of the sine of the inclination angle is greater than the absolute value of the cosine of the inclination angle, where b If this condition is met, the angle of inclination (φ) is in the fourth quadrant and if this condition is not met, the angle of inclination (φ) is in the first quadrant.

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungsaufnehmer, enthaltend einen Beschleunigungsmesser mit zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen (x, y), die eine zu den Eingangsachsen senkrechte dritte Achse (z) definieren, wobei der Beschleunigungsmesser Messsignale nach Maßgabe der Beschleunigungen in Richtung der beiden Eingangsachsen liefern und die dritte Achse (z) senkrecht zur Richtung der Erdbeschleunigung angeordnet ist, wobei weiterhin

(a) Mittel zur Bestimmung des Quadranten eines Neigungswinkels (φ) des Beschleunigungsmessers um die dritte Achse (z) aus den beiden Messsignalen des Beschleunigungsmessers und
(b) Mittel zur Bestimmung des Neigungswinkels aus den beiden Messsignalen und aus dem bestimmten Quadranten vorhanden sind,
(c) der Neigungswinkel der Winkel zwischen einer der Eingangsachsen (x) und einer Horizontalen ist.

The invention relates to an inclinometer comprising an accelerometer having two mutually perpendicular input axes (x, y) defining a third axis (z) perpendicular to the input axes, the accelerometer providing measurement signals in accordance with the accelerations in the direction of the two input axes and the third Axis (z) is arranged perpendicular to the direction of gravitational acceleration, wherein further

(A) means for determining the quadrant of an inclination angle (φ) of the accelerometer about the third axis (z) from the two measuring signals of the accelerometer and
(b) there are means for determining the angle of inclination from the two measuring signals and from the specific quadrant,
(c) the angle of inclination is the angle between one of the input axes (x) and a horizontal.

Bei bekannten Neigungsaufnehmern mit zweiachsigen Beschleunigungsmessern liegen die Eingangsachsen x und y im Ausgangszustand beide in einer Horizontalebene. Eine zu den beiden Eingangsachsen senkrechte dritte Achse z ist vertikal angeordnet. Bei einer Drehung des Neigungsaufnehmers um einen Winkel α um die Eingangsachse x liefert die Eingangsachse y ein Messsignal a_x = g sinα, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Bei einer Drehung des Neigungsgebers um einen Winkel β um die Eingangsachse y liefert die Eingangsachse x ein Messsignal a_y = g sinβ. Der Messbereich einer solchen Anordnung ist rein theoretisch ±90°. Durch die begrenzte Auflösung der gemessenen Beschleunigungen ist der reale Messbereich jedoch wesentlich kleiner. Die Winkelauflösung ist proportional dem Kosinus des Winkels. Somit ist die Winkelauflösung bei 60° nur noch die Hälfte der Winkelauflösung bei 0°. Bei 90° ist die Winkelauflösung null.In known inclinometers with biaxial accelerometers, the input axes x and y in the initial state are both in a horizontal plane. A third axis z, which is perpendicular to the two input axes, is arranged vertically. Upon rotation of the tilt sensor by an angle α about the input axis x, the input axis y provides a measurement signal a _x = g sinα, where g is the acceleration due to gravity. Upon rotation of the tilt sensor by an angle β about the input axis y, the input axis x delivers a measurement signal a _y = g sinβ. The measuring range of such an arrangement is purely theoretical ± 90 °. Due to the limited resolution of the measured accelerations, however, the real measuring range is considerably smaller. The angular resolution is proportional to the cosine of the angle. Thus, the angular resolution at 60 ° is only half the angular resolution at 0 °. At 90 ° the angular resolution is zero.

Ein weiterer Nachteil dieser Neigungswinkelmessung besteht darin, dass Beschleunigungen des Neigungsaufnehmers in Richtung der Eingangsachsen das Messergebnis stark verfälschen. Wenn z. B. der Neigungsaufnehmer so orientiert ist, dass die Eingangsachsen x und y in der Horizontalebene liegen, und translatorisch mit 1 g in x- oder y-Richtung beschleunigt wird, beträgt der Messfehler 90°.Another disadvantage of this inclination angle measurement is that accelerations of the inclination sensor in the direction of the input axes greatly falsify the measurement result. If z. B. the inclination sensor is oriented so that the input axes x and y lie in the horizontal plane, and is accelerated translationally with 1 g in the x or y direction, the measurement error is 90 °.

In der Druckschrift EP 48 212 A1 wird ein Kurs-Lage-Referenzgerät mit einem Lagekreisel offenbart. Die Drallachse des Lagekreisels ist im Wesentlichen horizontal und somit senkrecht zur Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet. Weiterhin werden insgesamt vier Neigungssensoren beschrieben, welche durch Beschleunigungssensoren ausgebildet sein können. Jeweils zwei Neigungssensoren sind mit zueinander senkrechten Eingangsachsen in einer Ebene angeordnet. Dadurch lässt sich die Neigung der Ebene gegenüber der Horizontalen, d. h. der Rollwinkel und der Nickwinkel der Ebene bestimmen. Dabei wird von kleinen Nick- und Rollwinkeln ausgegangen, welche im ersten oder vierten Quadranten liegen. Eine zu den beiden Eingangsachsen senkrechte dritte Achse ist im Wesentlichen vertikal, also parallel zur Erdbeschleunigung ausgerichtet. Auch in der EP 48 212 A1 ist eine Messung eines Neigungswinkels von ±90° oder mehr mit den beschriebenen Neigungssensoren nicht vorgesehen. Vielmehr wird von kleinen Neigungswinkeln ausgegangen und somit der Quadrant des Neigungswinkels a priori auf den ersten oder vierten Quadranten festgelegt.In the publication EP 48 212 A1 a course attitude reference device with a position gyroscope is disclosed. The spin axis of the position gyroscope is substantially horizontal and thus aligned perpendicular to the direction of gravitational acceleration. Furthermore, a total of four inclination sensors are described, which may be formed by acceleration sensors. Two inclination sensors each are arranged with mutually perpendicular input axes in a plane. This makes it possible to determine the inclination of the plane with respect to the horizontal, ie the roll angle and the pitch angle of the plane. It is based on small pitch and roll angles, which lie in the first or fourth quadrant. A third axis, which is perpendicular to the two input axes, is oriented substantially vertically, that is to say parallel to the gravitational acceleration. Also in the EP 48 212 A1 a measurement of an inclination angle of ± 90 ° or more with the inclination sensors described is not provided. Rather, it is assumed that small angles of inclination and thus the quadrant of the angle of inclination a priori fixed on the first or fourth quadrant.

Die Druckschrift US 2003/0158699 A1 beschreibt einen Sensor zur Erfassung von Orientierung. Der Sensor verfügt insbesondere über drei zueinander orthogonale Beschleunigungsmesser, welche Nick-, Roll und Gier-Winkel relativ zum Erdmagnetfeld bzw. Gravitationsfeld ermitteln. Der Nickwinkel kann dabei über einen Winkelbereich von 360° aufgelöst werden.The publication US 2003/0158699 A1 describes a sensor for detecting orientation. In particular, the sensor has three mutually orthogonal accelerometers which determine pitch, roll and yaw angles relative to the earth's magnetic field or gravitational field. The pitch angle can be resolved over an angular range of 360 °.

Die Druckschrift DE 197 19 564 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Welle, wobei aus einem Sinus- und einem Kosinus-Signal eines Winkelgebers ein Quadrant bestimmt wird und mit entsprechend der Steigung der Signale im Quadranten gewählten Vorzeichen die Winkellage aus den Signalen durch Summation und Offset-Addition dargestellt wird.The publication DE 197 19 564 A1 discloses a device for determining a rotation angle of a shaft, wherein a quadrant is determined from a sine and a cosine signal of an angle sensor and with the sign selected according to the slope of the signals in the quadrant, the angular position of the signals is represented by summation and offset addition ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Beschleunigungen messenden Neigungsaufnehmer zu schaffen, der eine Winkelmessung über einen großen Winkelbereich, vorzugsweise über 360° gestattet.The invention is based on the object to provide an acceleration-measuring inclinometer, which allows an angle measurement over a large angular range, preferably over 360 °.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Neigungsaufnehmer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

(d) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten Mittel (26) enthalten zur Feststellung, ob der Sinus des Neigungswinkels (φ) größer ist als der Kosinus des Neigungswinkels oder ob bei Gleichheit von Sinus und Kosinus der Kosinus negativ ist, wobei der Neigungswinkel bei Vorliegen dieser Bedingungen im zweiten oder dritten Quadranten zwischen > 45° und ≤ 225° liegt und bei Nichtvorliegen dieser Bedingungen im ersten oder vierten Quadranten ≤ 45° oder > 225° liegt,
(e) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten weiterhin für den zweiten und dritten Quadranten Mittel (38) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im zweiten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigunkungswinkel (φ) im dritten Quadranten liegt, und
(f) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten ferner für den ersten und vierten Quadranten Mittel (36) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im vierten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im ersten Quadranten liegt.

According to the invention this object is achieved with a tilt sensor of the type mentioned in that

(d) the means of identification of the quadrant ( 26 ) to determine whether the sine of the angle of inclination (φ) is greater than the cosine of the angle of inclination or whether the sine and cosine are equal, the cosine is negative, the angle of inclination in the presence of these conditions in the second or third quadrant between> 45 ° and ≤ 225 ° and in the absence of these conditions in the first or fourth quadrant ≤ 45 ° or> 225 °,
(e) the means for determining the quadrant continue to be used for the second and third quadrant 38 ) for determining whether the absolute value of the sine of the inclination angle is larger than the absolute value of the cosine of the inclination angle, and in the presence thereof Condition of the inclination angle (φ) in the second quadrant and, in the absence of this condition, the inclination angle (φ) in the third quadrant, and
(f) the means for determining the quadrant further for the first and fourth quadrant means ( 36 ) to determine whether the absolute value of the sine of the inclination angle is greater than the absolute value of the cosine of the inclination angle, wherein in the presence of this condition, the inclination angle (φ) in the fourth quadrant and in the absence of this condition, the inclination angle (φ) in the first quadrant.

Bei einer solchen Anordnung liefern bei Drehung des Neigungsaufnehmers um den Winkel φ um die „dritte” Achse (z) die beiden Eingangsachsen x und y Messsignale a_x = g cosφ a_y = g sinφ. In such an arrangement, upon rotation of the inclination transducer about the angle φ about the "third" axis (z), the two input axes x and y provide measurement signals a _x = g cosφ a _y = g sinφ.

Die Messsignale sind somit proportional dem Kosinus bzw. dem Sinus des Drehwinkels. Der Kosinus und der Sinus sind je nach dem Quadranten des Drehwinkels positiv oder negativ. Aus der Kombination dieser Messsignale kann daher auf den Quadranten des Drehwinkels geschlossen werden. Aus den Messsignalen kann der Drehwinkel unter Berücksichtigung des Quadranten berechnet werden. Durch Addition geeigneter fester Versatzwerte kann dann ein Ausgangssignal erzeugt werden, welches über einen Winkelbereich von 360° hinweg ein eindeutiges Maß für den Drehwinkel liefert.The measurement signals are thus proportional to the cosine or the sine of the rotation angle. The cosine and sine are positive or negative depending on the quadrant of the rotation angle. From the combination of these measurement signals can therefore be concluded on the quadrant of the rotation angle. From the measurement signals, the rotation angle can be calculated taking into account the quadrant. By adding suitable fixed offset values, an output signal can then be generated which provides an unambiguous measure of the angle of rotation over an angular range of 360 °.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is explained below with reference to the accompanying drawings.

1 ist eine schematisch perspektivische Darstellung und zeigt einen Neigungsaufnehmer mit zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen x und y und einer zu den beiden Eingangsachsen senkrechten dritten Achse z. 1 is a schematic perspective view and shows a tilt sensor with two mutually perpendicular input axes x and y and a vertical to the two input axes third axis z.

2 zeigt die Drehung des Neigungsaufnehmers von 1 um die horizontal angeordnete dritte Achse z. 2 shows the rotation of the tilt sensor of 1 around the horizontally arranged third axis z.

3 ist ein Diagramm und zeigt die bei einer Drehung des Neigungsaufnehmers über 360° an den Eingangsachsen auftretenden Messsignale und deren Verhältnisse 3 is a diagram showing the measurement signals and their conditions occurring when the tilt sensor rotates through 360 ° on the input axes

4 ist ein Flussdiagramm und zeigt die Signalverarbeitung zur Bestimmung der Quadranten. 4 is a flowchart showing the signal processing for determining the quadrant.

5 ist ein Diagramm und zeigt das Ausgangssignal des Neigungsaufnehmers in Abhängigkeit vom Drehwinkel. 5 is a diagram showing the output of the tilt sensor depending on the angle of rotation.

In 1 ist mit 10 ein Neigungsaufnehmer bezeichnet. Der Neigungsaufnehmer 10 ist mit Besehleunigungs-Messmitteln aufgebaut. Die Beschleunigungs-Messmittel sind vorzugsweise von einem zweiachsigen Beschleunigungssensor gebildet. Die Beschleunigungs-Messmittel haben zwei zueinander senkrechte Eingangsachsen x und y. Sie messen die Beschleunigungen in Richtung der Eingangsachsen x bzw. y. Das sind normalerweise die Komponenten der Erdbeschleunigung g. Senkrecht zu den beiden Eingangsachsen x und y ist eine dritte Achse z definiert.In 1 is with 10 a tilt sensor called. The inclinometer 10 is constructed with acceleration measuring devices. The acceleration measuring means are preferably formed by a biaxial acceleration sensor. The acceleration measuring means have two mutually perpendicular input axes x and y. They measure the accelerations in the direction of the input axes x and y. These are usually the components of the gravitational acceleration g. Perpendicular to the two input axes x and y, a third axis z is defined.

Nach der Erfindung erstreckt sieh die dritte Achse z horizontal. Der Neigungsaufnehmer 10 ist um diese Achse z drehbar. Gemessen werden soll der Drehwinkel φ um die Achse z. Im Ausgangszustand erstreckt sich die Eingangsachse x ebenfalls horizontal. Die andere Eingangsachse y verläuft vertikal in Richtung der Erdbeschleunigung. Der Winkel φ ist der Winkel, um welchen sich die Eingangsachse x um die Achse z aus der Horizontalen herausgedreht hat. Das ist in 2 dargestellt. An den Eingangsachsen x und y werden Komponenten der Erdbeschleunigung gemessen a_x = g cosφ a_y = g sinφ. According to the invention, the third axis z extends horizontally. The inclinometer 10 is rotatable about this axis z. The rotation angle φ should be measured around the axis z. In the initial state, the input axis x also extends horizontally. The other input axis y runs vertically in the direction of acceleration due to gravity. The angle φ is the angle by which the input axis x has rotated out of the horizontal about the axis z. Is in 2 shown. At the input axes x and y, components of the gravitational acceleration are measured a _x = g cosφ a _y = g sinφ.

Die Komponenten sind somit proportional dem Kosinus bzw. dem Sinus des Drehwinkels φ.The components are thus proportional to the cosine or the sine of the rotation angle φ.

In 3 ist der Verlauf des Kosinus und des Sinus durch die Kurven 12 bzw. 14 dargestellt. Die Kosinus- und Sinusfunktionen sind über 360° hinweg mehrdeutig. Aus den Werten bzw. Vorzeichen beider Winkelfunktionen kann aber der Quadrant bestimmt werden, in welchem der Drehwinkel liegt.In 3 is the course of the cosine and sine through the curves 12 respectively. 14 shown. The cosine and sine functions are ambiguous over 360 °. From the values or signs of both angular functions but the quadrant can be determined, in which the angle of rotation is located.

In 3 sind vier Quadranten QI, QII, QIII und QIV definiert Dabei erstreckt sich
Quadrant QI von 315° bis 45°
Quadrant QII von 45° bis 135°
Quadrant QIII von 135° bis 225°
Quadrant QIV von 225° bis 315°In 3 Four quadrants QI, QII, QIII and QIV are defined
Quadrant QI from 315 ° to 45 °
Quadrant QII from 45 ° to 135 °
Quadrant QIII from 135 ° to 225 °
Quadrant QIV from 225 ° to 315 °

In 3 ist weiterhin das Verhältnis der Beschleunigungen an den beiden Eingangsachsen dargestellt, das dem Tangens bzw. dem Kotangens des Drehwinkels entspricht. Im ersten Quadranten QI von 3 ist Kurve 16 der Tangen des Drehwinkels φ. Kurve 18 in 3 gibt den Kotangens des Drehwinkels φ wieder. In dem dritten Quadranten QIII gibt Kurve 20 wieder den Tangens des Drehwinkels φ wieder, und im vierten Quadranten QIV zeigt Kurve 22 wieder den Tangens des Drehwinkels φ.In 3 Furthermore, the ratio of the accelerations on the two input axes is shown, which corresponds to the tangent or the Kotangens the rotation angle. In the first quadrant QI of 3 is curve 16 the tangents of the rotation angle φ. Curve 18 in 3 gives the Kotangens the rotation angle φ again. In the third quadrant QIII gives curve 20 again the tangent of the angle of rotation φ again, and in the fourth quadrant QIV shows curve 22 again the tangent of the angle of rotation φ.

Aus den Winkelfunktionen Sinus und Kosinus kann der Quadrant bestimmt werden, in welchem der Drehwinkel liegt. Das ist in dem Flussdiagramm von 4 dargestellt.From the trigonometric functions sine and cosine the quadrant can be determined, in which the angle of rotation lies. This is in the flowchart of 4 shown.

Eingegeben werden sinφ und cosφ. Das ist in 4 durch Block 24 dargestellt. Als nächstes wird geprüft, ob die Bedingung (sinφ > cosφ) oder (sinφ = cosφ und cos < 0) erfüllt ist. Das ist in 4 durch Block 26 dargestellt.Enter sinφ and cosφ. Is in 4 through block 24 shown. Next, it is checked whether the condition (sinφ> cosφ) or (sinφ = cosφ and cos <0) is satisfied. Is in 4 through block 26 shown.

Ist das der Fall (j), liegt der Drehwinkel φ im zweiten Quadranten QII oder im dritten Quadranten QIII, ist also > 45° und ≤ 225. Man kann das anhand von 3 verifizieren: Zwischen 45° und 225° verläuft die Kurve 14 des Sinus oberhalb der Kurve 12 des Kosinus. Wenn Sinus und Kosinus gleich sind, nämlich in den Punkten 28 bei 45° und 30 bei 225° von 3, muss der Kosinus negativ sein, was im Punkt 30 der Fall 151. Der Wert 225° liegt noch im dritten Quadranten QIII, während der Wert 45° noch nicht im zweiten Quadranten QII liegt.If this is the case (j), the angle of rotation φ lies in the second quadrant QII or in the third quadrant QIII, ie> 45 ° and ≤ 225 3 Verify: The curve runs between 45 ° and 225 ° 14 of the sinus above the curve 12 of the cosine. If sine and cosine are the same, namely in the points 28 at 45 ° and 30 at 225 ° from 3 , the cosine must be negative, which in point 30 the case 151 , The value 225 ° is still in the third quadrant QIII, while the value 45 ° is not yet in the second quadrant QII.

Ist die Bedingung nicht erfüllt, dann liegt der Drehwinkel φ entweder im ersten Quadranten QI oder im vierten Quadranten QIV, d. h. ist entweder ≤ 45° oder > 225°. Auch das kann man anhand von 3 verifizieren: Im vierten Quadranten QIV für Werte > 225° bis 315° verläuft die Kurve 12 des Kosinus oberhalb der Kurve 14 des Sinus. Das gleiche gilt den ersten Quadranten QI für Werte von 315 (links in 3) bis 45°. Im Punkt 28 ist der Kosinus positiv, also nicht negativ. Der Wert 45° gehört zu dem ersten Quadranten QI. Im Punkt 30 ist der Kosinus negativ. Der Punkt 225 gehört daher nicht zum vierten Quadranten QIV.If the condition is not fulfilled, the angle of rotation φ lies either in the first quadrant QI or in the fourth quadrant QIV, ie, either ≤ 45 ° or> 225 °. Also that one can by means of 3 Verify: In the fourth quadrant QIV for values> 225 ° to 315 °, the curve runs 12 of the cosine above the curve 14 of the sinus. The same applies to the first quadrant QI for values of 315 (left in 3 ) up to 45 °. In the point 28 the cosine is positive, not negative. The value 45 ° belongs to the first quadrant QI. In the point 30 the cosine is negative. The point 225 therefore does not belong to the fourth quadrant QIV.

Aus den beiden Signalen der Eingangsachsen x und y ist somit der Drehwinkel φ auf jeweils zwei Quadranten eingegrenzt. Das ist in 4 durch die Blöcke 32 und 34 dargestellt.From the two signals of the input axes x and y thus the rotation angle φ is limited to two quadrants. Is in 4 through the blocks 32 and 34 shown.

Es wird jetzt sowohl bei einem Ergebnis gemäß Block 32 als auch bei einem Ergebnis gemäß Block 34 geprüft, ob der Absolutbetrag des Sinus größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus, also |sinφ| > |cosφ|, It will now both in a result according to block 32 as well as a result according to block 34 checked whether the absolute value of the sine is greater than the absolute value of the cosine, ie | Sinφ | , | cosφ |,

Das ist in 4 durch die Rhomben 36 bzw. 38 dargestellt. Wenn eine Eingrenzung gemäß Block 32 erfolgt ist, dann liegt der Drehwinkel φ bei Vorliegen dieser Bedingung gemäß Rhombus 36 (j) im vierten Quadranten QIV, d. h. ist > 225° und < 315°. Ist die Bedingung nicht erfüllt (n), liegt der Drehwinkel im ersten Quadranten QI, d. h. ist ≥ 315° und ≤ 45°. Das ist in 4 durch die Blöcke 41) bzw. 42 dargestellt Bei einer Eingrenzung gemäß Block 34 liegt der Drehwinkel φ bei Vorliegen der Bedingung gemäß Rhombus 38 (j) im zweiten Quadranten QII, d. h. ist > 45° und < 135°. Ist die Bedingung gemäß Rhombus 38 nicht erfüllt (n), dann liegt der Drehwinkel φ im dritten Quadranten QIII, d. h. ist ≥ 135° und ≤ 225°. Das ist in 4 durch Blöcke 44 bzw. 46 dargestellt.Is in 4 through the rhombs 36 respectively. 38 shown. If a restriction according to block 32 has occurred, then the angle of rotation φ is in the presence of this condition according to rhombus 36 (j) in the fourth quadrant QIV, ie> 225 ° and <315 °. If the condition is not fulfilled (n), the angle of rotation lies in the first quadrant QI, ie ≥ 315 ° and ≤ 45 °. Is in 4 through the blocks 41 ) respectively. 42 shown with a restriction according to block 34 is the rotation angle φ in the presence of the condition according to rhombus 38 (j) in the second quadrant QII, ie> 45 ° and <135 °. Is the condition according to rhombus 38 not satisfied (n), then the rotation angle φ in the third quadrant QIII, ie ≥ 135 ° and ≤ 225 °. Is in 4 through blocks 44 respectively. 46 shown.

Das kann wieder anband von 3 verifiziert werden. Im vierten Quadranten ist der Absolutbetrag des Sinus (Kurve 14) größer als der Absolutbetrag des Kosinus (Kurve 12). Im ersten Quadranten QI ist der Absolutbetrag des Sinus (Kurve 14) kleiner als der Absolutbetrag des Kosinus (Kurve 12). Im zweiten Quadranten QII ist der Absolutbetrag des Sinus (Kurve 14) größer als der Absolutbetrag des Kosinus (Kurve 12). Im dritten Quadranten QIII ist das nicht der Fall: Dort ist der Absolutbetrag des Kosinus (Kurve 12) größer als der Absolutbetrag des Sinus (Kurve 14).That can be attached again by 3 be verified. In the fourth quadrant, the absolute value of the sine (curve 14 ) greater than the absolute value of the cosine (curve 12 ). In the first quadrant QI, the absolute value of the sine (curve 14 ) is smaller than the absolute value of the cosine (curve 12 ). In the second quadrant QII the absolute value of the sine (curve 14 ) greater than the absolute value of the cosine (curve 12 ). In the third quadrant QIII this is not the case: there is the absolute value of the cosine (curve 12 ) greater than the absolute value of the sine (curve 14 ).

Auf diese Weise ist der Quadrant des Drehwinkels φ eindeutig festgelegt.In this way, the quadrant of the rotation angle φ is clearly defined.

Als nächster Schritt werden nun abhängig von dem festgestellten Quadranten die für die verschiedenen Quadranten erhaltenen Tangens- oder Kotangens-Funktionen mit geeignetem Qrdinatenversatz so aneinandergesetzt, daß ein sich annähernd linear mit dem Drehwinkel φ sich änderndes Ausgangssignal ergibt.As a next step, depending on the detected quadrant, the tangent or cotangent functions obtained for the different quadrants with a suitable offset in Qrdinaten are set together in such a way that an output signal which changes approximately linearly with the angle of rotation φ results.

In Abhängigkeit von dem festgestellten Quadranten wird das Ausgangssignal wie folgt gewählt:
Quadrant QI: 1 + (sinφ/cosφ)
Quadrant QII 3 – (cosφ/sinφ)
Quadrant QII 5 + (sinφ/cosφ)
Quadrant QIV 7 – (cosφ/sinφ) Depending on the detected quadrant, the output signal is selected as follows:
Quadrant QI: 1 + (sinφ / cosφ)
Quadrant QII 3 - (cosφ / sinφ)
Quadrant QII 5 + (sinφ / cosφ)
Quadrant QIV 7 - (cosφ / sinφ)

Es ergibt sich so ein winkelabhängiges Ausgangssignal 48. wie es in 5 dargestellt ist. Die Kurven 12 bis 22 sind unten in 5 mit eingezeichnet.This results in an angle-dependent output signal 48 , as it is in 5 is shown. The curves 12 to 22 are down in 5 marked with.

Wenn beispielsweise durch die Signalverarbeitung gemäß 4 festgestellt ist, daß der Drehwinkel φ im Dritten Quadranten QIII liegt, dann wird aus den an den Eingangsachsen x und y erhaltenen Signalen das Verhältnis gebildet, das dem Tangens des Drehwinkels entspricht. Dieses Verhältnis entspricht Kurve 20 in 3. Zu dem (positiven oder negativen) Tangen wird die Zahl 5 addiert. Das ergibt ein Ausgangssignal gemäß Kurve 48, das eindeutig dem Winkel φ zugeordnet ist. Somit steht ein Messwert im Bereich von 0° bis 360° zur Verfügung. Die Kennlinie 48 hat einen Linearitätsfehler. Dieser Linearitätsfehler kann durch Addition oder Subtraktion von Korrekturwerten ausgeglichen werden.If, for example, by the signal processing according to 4 If it is determined that the rotation angle φ is in the third quadrant QIII, then the ratio corresponding to the tangent of the rotation angle is formed from the signals obtained at the input axes x and y. This ratio corresponds to curve 20 in 3 , The (positive or negative) tangent becomes the number 5 added. This results in an output signal according to curve 48 that is uniquely associated with the angle φ. Thus, a measured value in the range of 0 ° to 360 ° is available. The characteristic 48 has a linearity error. This linearity error can be compensated by addition or subtraction of correction values.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Neigungsaufnehmers besteht darin, dass Beschleunigungen in Richtung der Eingangsachsen x oder y das Messergebnis weniger stark verfälschen als bei den oben erwähnten bekannten Neigungssensoren. Wenn beispielsweise der Neigungsaufnehmer senkrecht zu der z-Achse mit 1 g beschleunigt wird, dann beträgt der Messfehler nur 45°.Another advantage of the tilt sensor described is that accelerations in the direction of the input axes x or y falsify the measurement result less than in the known inclination sensors mentioned above. For example, if the inclinometer is accelerated perpendicular to the z-axis at 1 g, then the measurement error is only 45 °.

Claims

Neigungsaufnehmer (10), enthaltend Beschleunigungs-Messmittel mit zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen (x, y), die eine zu den Eingangsachsen senkrechte dritte Achse (z) definieren, wobei die Beschleunigungs-Messmittel Messsignale nach Maßgabe der Beschleunigungen in Richtung der beiden Eingangsachsen liefern und die dritte Achse (z) senkrecht zur Richtung der Erdbeschleunigung angeordnet ist, wobei weiterhin (a) Mittel zur Bestimmung des Quadranten eines Neigungswinkels (φ) des Beschleunigungsmessers um die dritte Achse (z) aus den beiden Messsignalen des Beschleunigungsmessers und (b) Mittel zur Bestimmung des Neigungswinkels aus den beiden Messsignalen und aus dem bestimmten Quadranten vorhanden sind, (c) der Neigungswinkel der Winkel zwischen einer der Eingangsachsen (x) und einer Horizontalen ist, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten Mittel (26) enthalten zur Feststellung, ob der Sinus des Neigungswinkels (φ) größer ist als der Kosinus des Neigungswinkels oder ob bei Gleichheit von Sinus und Kosinus der Kosinus negativ ist, wobei der Neigungswinkel bei Vorliegen dieser Bedingungen im zweiten oder dritten Quadranten zwischen > 45° und ≤ 225° liegt und bei Nichtvorliegen dieser Bedingungen im ersten oder vierten Quadranten ≤ 45° oder > 225° liegt, (e) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten weiterhin für den zweiten und dritten Quadranten Mittel (38) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im zweiten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigunkungswinkel (φ) im dritten Quadranten liegt, und (f) die Mittel zur Bestimmung des Quadranten ferner für den ersten und vierten Quadranten Mittel (36) enthalten zur Feststellung, ob der Absolutbetrag des Sinus des Neigungswinkels größer ist als der Absolutbetrag des Kosinus des Neigungswinkels, wobei bei Vorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im vierten Quadranten und bei Nichtvorliegen dieser Bedingung der Neigungswinkel (φ) im ersten Quadranten liegt.Inclinometer ( 10 ), comprising acceleration measuring means with two mutually perpendicular input axes (x, y), which define a third axis (z) perpendicular to the input axes, wherein the acceleration measuring means supply measuring signals in accordance with the accelerations in the direction of the two input axes and the third axis (z) is arranged perpendicular to the direction of gravitational acceleration, further comprising (a) means for determining the quadrant of an inclination angle (φ) of the accelerometer about the third axis (z) from the two measuring signals of the accelerometer and (b) means for determining the inclination angle (c) the angle of inclination is the angle between one of the input axes (x) and a horizontal, characterized in that (d) the means for determining the quadrant mean (d) 26 ) to determine whether the sine of the angle of inclination (φ) is greater than the cosine of the angle of inclination or whether the sine and cosine are equal, the cosine is negative, the angle of inclination in the presence of these conditions in the second or third quadrant between> 45 ° and ≤ 225 ° and in the absence of these conditions in the first or fourth quadrant ≤ 45 ° or> 225 °, (e) the means for determining the quadrant continue to be used for the second and third quadrant means ( 38 ) for determining whether the absolute value of the sine of the inclination angle is greater than the absolute value of the cosine of the inclination angle, in which case the inclination angle (φ) in the second quadrant and in the absence of this condition the inclination angle (φ) in the third quadrant, and (f) the means for determining the quadrant further for the first and fourth quadrant means ( 36 ) to determine whether the absolute value of the sine of the inclination angle is greater than the absolute value of the cosine of the inclination angle, wherein in the presence of this condition, the inclination angle (φ) in the fourth quadrant and in the absence of this condition, the inclination angle (φ) in the first quadrant.

Neigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel zur Bestimmung des Neigungswinkels (φ) aus den beiden Messsignalen unter Berücksichtigung des Quadranten ein Ausgangssignal erzeugbar ist, das in dem ersten Quadranten 1 + (sin φ/cos φ) in dem zweiten Quadranten 3 – (cos φ/sin φ) in dem dritten Quadranten 5 + (sin φ/cos φ) in dem vierten Quadranten 7 – (cos φ/sin φ) beträgt.Inclination sensor according to claim 1, characterized in that by the means for determining the inclination angle (φ) from the two measurement signals taking into account the quadrant, an output signal is generated, in the first quadrant 1 + (sin φ / cos φ) in the second quadrant 3 - (cos φ / sin φ) in the third quadrant is 5 + (sin φ / cos φ) in the fourth quadrant 7 - (cos φ / sin φ).