DE102009000152A1

DE102009000152A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich von Kombisensoren, insbesondere neigungskompensierten elektronischen Kompassen, mit einer Beschleunigungs-Sensorkomponente und einer geomagnetischen Sensorkomponente

Info

Publication number: DE102009000152A1
Application number: DE102009000152A
Authority: DE
Inventors: Christoph Brueggenolte; Fouad Bennini
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-07-15

Abstract

Zum Abgleich eines Kombisensors (7), insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Empfindlichkeitsachsen sukzessiv, durch Kippen, auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit einer dazu achsparallelen mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, deren Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das homogene Magnetfeld in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, und dass während des Abgleichs einer der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen gleichzeitig die entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung abgeglichen wird. Eine erfindungsgemäße Abgleichvorrichtung umfasst eine Kombination aus einem Kipptisch (6) und einer eindimensionalen Helmholtz-Spule (1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich mindestens eines Kombisensors, insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld-Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, die beim Abgleich der Beschleunigungs-Sensorkomponente von einem Kipptisch und beim Abgleich der geomagnetischen Sensorkomponente von einer Helmholtz-Spule Gebrauch macht.
Magnetsensoren können zur Messung der Erdmagnetfelder benutzt werden und dementsprechend als elektronische Kompasse eingesetzt werden. Da die Erdmagnetfelder parallel zur Erdoberfläche verlaufen, ist ein zweiachsiger Magnetsensor die minimale Anforderung für einen Kompass. Der Kompass muss entsprechend parallel zur Erdoberfläche gehalten werden. Eine Weiterentwicklung sind die neigungskompensierten Kompasse, vergleiche zum Beispiel DE 10 2004 007 775 A1 . Diese bestehen aus einem dreiachsigen Beschleunigungssensor zur Neigungsbestimmung und einem zwei- oder dreiachsigen Magnetsensor, der entsprechend der Neigung kompensiert wird. Damit kann die richtige Ausrichtung in jeder Haltung bzw. Neigung bestimmt werden. Derartige neigungskompensierte Kompasse werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Kombisensoren dieser Art können insbesondere als mikromechanische sensorfusionierte Systeme auf einem einzigen Substrat aufgebaut sein, vergleiche zum Beispiel DE 10 2006 010 484 A1 .
Die Empfindlichkeit von Beschleunigungssensoren wird durch die Anwendung von Erdbeschleunigung abgeglichen. Dabei werden jeweils die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gedreht und entsprechend auf 1g abgeglichen (1g = Erdbeschleunigung), vergleiche z. B. DE 198 58 621 C2 . Dabei ist es auch bekannt, eine um drei Achsen drehbare Montagefläche, beziehungsweise einen Kipptisch einzusetzen, damit der Beschleunigungssensor beim sukzessiven Abgleich der drei – rechtwinklig zueinander angeordneten – Empfindlichkeitsachsen nicht ummontiert werden muss. Magnetsensoren andererseits werden üblicherweise durch kontrollierte homogene Magnetfelder abgeglichen. Hierfür werden üblicherweise Helmholtz-Spulen benutzt. Diese bekannten Spulen sind insbesondere in ‚eindimensionaler’ und ‚dreidimensionaler’ Bauform bekannt. Mit der – relativ aufwändigen – dreidimensionalen Helmholtz-Spule kann man ein homogenes Magnetfeld entlang jeder der drei Raumachsen erzeugen und damit einen Gegenstand untersuchen, ohne diesen drehen beziehungsweise ummontieren zu müssen. Der Abgleich der beiden Sensorkomponenten erfolgt demnach bisher unabhängig voneinander, das heißt insbesondere nacheinander, in unterschiedlichen Abgleichstationen, so dass der Aufwand für den Abgleich des Kombisensors insgesamt relativ hoch ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich eines Kombisensors ist in Anspruch 1 gekennzeichnet, während eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens im unabhängigen Anspruch 3 gekennzeichnet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgleichverfahren ist, über die gattungsgemäßen Merkmale hinaus, vorgesehen, dass das homogene Magnetfeld in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, und dass während des Abgleichs einer der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen gleichzeitig die entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung abgeglichen wird.
Der Kern der Erfindung besteht darin, ein homogenes Magnetfeld in Richtung des Gravitationsvektors aufzubauen. Damit kann der Abgleich der Beschleunigungssensoren und Magnetsensoren gleichzeitig und in einer Abgleichstation erfolgen. Da die Beschleunigungssensoren für jede Empfindlichkeitsachse sowieso in Richtung des Gravitationsfeldes gekippt werden, werden gleichzeitig die entsprechenden Magnetfeld-Sensierrichtungen des Magnetsensors sukzessive in das homogene Magnetfeld eingebracht und können mit dem Beschleunigungssensor im gleichen Zuge abgeglichen werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens im Vergleich zum getrennten Abgleichen in unabhängigen Abgleichstationen gemäß dem Stand der Technik sind die kombinierte und vereinfachte Abgleichapparatur und die Verkürzung der Abgleichzeiten und damit die Reduktion der Herstellkosten von Kombisensoren, wie insbesondere neigungskompensierten Kompassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen zur Ermittlung des Offsets der Beschleunigungs-Sensorkomponente jeweils zusätzlich in die zum Erdbeschleunigungsvektor inverse Richtung gekippt und die zugehörigen Beschleunigungen gemessen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet sich die Möglichkeit, beim Abgleich des Magnetsensors eine vereinfachte Abgleichapparatur, insbesondere eine nur ‚eindimensional’ ausgebildete Helmholtz-Spule einzusetzen, ohne den Magnetsensor dann zum Abgleich seiner jeweiligen (zwei oder drei) Sensierrichtungen ummontieren zu müssen. Im einzelnen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abgleich eines Kombisensors über die gattungsgemäßen Merkmale hinaus vorgesehen, dass eine eindimensionale Helmholtz-Spule vorgesehen und zusammen mit dem Kipptisch so angeordnet ist, dass das homogene Magnetfeld der eindimensionalen Helmholtz-Spule in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, so dass beim Verkippen der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels des Kipptisches jeweils eine entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung der geomagnetischen Sensorkomponente in die Richtung des homogenen Magnetfeldes der eindimensionalen Helmholtz-Spule orientiert ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten eindimensionalen Helmholtz-Spule,
2 schematisch den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten dreidimensionalen Helmholtz-Spule,
3 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung mit Kipptisch und eindimensionaler Helmholtz-Spule.
Der Abgleich von Erdmagnetfeldern erfolgt üblicherweise durch so genannte Helmholtz-Spulen, in denen ein homogenes Feld erzeugt wird und somit die Empfindlichkeit eines Magnetsensors kontrolliert eingestellt werden kann. 1 zeigt den an sich bekannten Aufbau einer eindimensionalen Helmholtz-Spule 1, bei dem zwei kurze parallele Spulen 2, 3 mit großem Radius R im Abstand R auf gleicher Achse parallel aufgestellt sind. In beiden Spulen 2, 3 fließt der gleiche Strom 1 in die gleiche Richtung. Das Feld jeder einzelnen Spule 2, 3 ist inhomogen, jedoch ergibt sich durch die Überlagerung beider Felder zwischen beiden Spulen 2, 3 nahe der Spulenachse ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld B_x, in dem Messungen vorgenommen werden können. Der Magnetsensor (nicht dargestellt) wird in den homogenen Feldbereich gelegt und entsprechend der eingestellten Feldstärke wird der Magnetsensor in eine Sensierrichtung (hier: Sensierrichtung „x”) abgeglichen. Für den Abgleich der anderen Achsen beziehungsweise Sensierrichtungen muss der Magnetsensor bezüglich der eindimensionalen Helmholtz-Spule 1 entsprechend gekippt bzw. gedreht werden. Üblicherweise werden deshalb im Stand der Technik relativ aufwändige ‚dreidimensionale’ Helmholtz-Spulen benutzt, um entsprechend das Magnetfeld in Sensierrichtung zu ‚drehen’ und nicht den Magnetsensor. 2 zeigt die verschachtelt in drei Raumrichtungen angeordneten Spulen-Paare 1, 4 und 5 einer dreidimensionalen Helmholtz-Spule gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt die erfindungsgemäße Abgleichvorrichtung, bestehend aus einer Kombination eines Kipptisches 6 mit einer eindimensionalen Helmholtz-Spule 1 zum gleichzeitigen Abgleich von Beschleunigungs- und Magnetsensoren (Links in 3: Ausgangslage des Kipptisches 6, Abgleich der Z-Achse. Rechts in 3: gekippte Lage des Kipptisches 6, Abgleich der X-Achse). Die Beschleunigungs-Sensorkomponente des Kombisensors 7 wird im Kipptisch 6 abgeglichen, wobei jede Empfindlichkeitsachse in Richtung des Gravitationsvektors g ausgerichtet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zum Kipptisch 6 eine eindimensionale Helmholtz-Spule 1 vorgesehen. Damit ist man in der Lage, während des Abgleichs der Beschleunigungssensoren gleichzeitig den dreiachsigen Magnetsensor des Kombisensors 7 in alle drei Raumrichtungen abzugleichen, beziehungsweise, bei einem zweiachsigen Magnetsensor, in zwei Raumrichtungen.
Im Übrigen kann mithilfe der erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung beziehungsweise des erfindungsgemäßen Abgleichverfahrens auch der Offset der Beschleunigungs-Sensorkomponente für jede Empfindlichkeitsachse ermittelt werden. Wenn der Beschleunigungssensor bezüglich einer Empfindlichkeitsachse einmal in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors (positiver Betrag der Erdbeschleunigung) und einmal – nach Kippen um 180° – in die inverse Richtung (negativer Betrag der Erdbeschleunigung) gemessen wird, so ergibt sich der Offset einfach als arithmetisches Mittel der beiden Messwerte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004007775 A1 [0002]
- DE 102006010484 A1 [0002]
- DE 19858621 C2 [0003]

Claims

Verfahren zum Abgleich mindestens eines Kombisensors (7), insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor (7) achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld-Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magnetfeld in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, und dass während des Abgleichs einer der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen gleichzeitig die entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung abgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen zur Ermittlung des Offsets der Beschleunigungs-Sensorkomponente jeweils zusätzlich in die zum Erdbeschleunigungsvektor inverse Richtung gekippt und die zugehörigen Beschleunigungen gemessen werden.
Vorrichtung zum Abgleich mindestens eines Kombisensors (7), insbesondere eines neigungskompensierten elektronischen Kompasses, mit mindestens einer dreiachsigen Beschleunigungs-Sensorkomponente, deren Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels eines Kipptisches (6) sukzessiv in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors gekippt und auf die Erdbeschleunigung abgeglichen werden, und mit mindestens einer mehrachsigen geomagnetischen Sensorkomponente, die im Kombisensor (7) achsparallel zur Beschleunigungs-Sensorkomponente angeordnet ist und deren Magnetfeld- Sensierrichtungen zum Abgleich sukzessiv entlang eines von einer Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes mit bekannter Feldstärke angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindimensionale Helmholtz-Spule (1) vorgesehen und zusammen mit dem Kipptisch (6) so angeordnet ist, dass das homogene Magnetfeld der eindimensionalen Helmholtz-Spule (1) in Richtung des Erdbeschleunigungsvektors aufgebaut wird, so dass beim Verkippen der Beschleunigungs-Empfindlichkeitsachsen mittels des Kipptisches (6) jeweils eine entsprechende Magnetfeld-Sensierrichtung der geomagnetischen Sensorkomponente in die Richtung des homogenen Magnetfeldes der eindimensionalen Helmholtz-Spule (1) orientiert ist.