FI126012B

FI126012B - Menetelmä ja laite suunnan määrittämiseksi magneettikentässä

Info

Publication number: FI126012B
Application number: FI20126398A
Authority: FI
Inventors: Aimo Heikkinen; Mikko Martikka; Erik Lindman
Original assignee: Suunto Oy
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2016-05-31
Also published as: FI20126398A; GB201322594D0; GB2511187A; GB2511187B; DE102013226677B4; US20140182148A1; US9068832B2; DE102013226677A1; HK1196424A1

Description

Menetelmä ja laite suunnan määrittämiseksi magneettikentässä

Keksintö koskee elektronista laitetta ja menetelmää suunnan määrittämiseksi magneettikentässä, jossa elektromagneettisilla anturivälineillä mitataan magneettikentässä kenttäkom-ponentteja, joiden avulla mitataan ja ilmaistaan magneettikentän suunta ja suoritetaan laitteen kalibrointi. Erityisesti keksintö koskee kompassilaitetta, kuten rannetietokonetta, mutta se soveltuu hyvin käytettäväksi myös kiinteissä kohteissa kuten ajoneuvoissa.

Elektronisia kompasseja käytetään suunnan osoittamiseen esimerkiksi autoissa ja rannetieto-koneissa. Tällaisissa kompasseissa on tyypillisesti kaksi tai kolme toisiinsa nähden kohtisuoraa magneettikentän komponenttia havainnoivaa magneettikenttäanturia. Tällaisia järjestelyjä on esitetty esim. US-j ui kai suissa 6817106 ja EiS-hakemusjulkaisussa 2010/0312509.

Anturit ovat luonnollisesti herkkiä paitsi maan magneettikentälle, myös muille ulkoisille ja laitteesta itsestään lähtöisin oleville magneettikentille. Myös magnetoituvat aineet laitteen läheisyydessä muokkaavat ulkoisia magneettikenttiä, mikä myös voi aiheuttaa vääristymän kompassin lukemaan. Tällaisten häiriötekijöiden takia kompassi täytyy kalibroida ennen varsinaista suunnanmääritystä jotta sen lukemasta saadaan tarkka. Asia yleensä korjataan käyttäjän tekemällä kalibroinnilla. Tunnetaankin joitakin rannetietokoneita, joissa kalibrointi suoritetaan siten, että käyttäjä, asetettuaan ensin laitteeseen kalibrointitilan, pyörähtää 360 astetta laite kädessään. Tämän pyörähdyksen aikana kerätystä datasta määritetään magneettisen ympyrän keskipiste, jota käytetään kompassisuunnan laskemiseksi uusien mittausten perusteella, kun laite on kompassitilassa. Ongelmina tällaisessa menetelmässä on se, että kalibrointi on hidastaja vaivalloista sekä se, että jos kalibrointia ei tehdä riittävän usein, laitteen antamiin suuntalukemiin ei välttämättä voi luottaa.

Kalibroinnin tarkoituksena on siis pääasiassa poistaa käyttöympäristöstä johtuvien staattisten häiriötekijöiden vaikutus suunnanmääritykseen. Varsinaisessa suunnanmäärityksessä ongelmana on taas mittauskohina, jota aiheuttaa pääasiassa magneettianturien kallistelu pois vaakatasosta. Tällöin niiden välittämä signaali ei vastaa todellista kompassisuuntaa, vaan tarvitaan menetelmiä tämän kohinan huomioimiseksi. US-julkaisuissa 6356851, 8239153 ja 2002/0035791 on kuvattu elektronisten kompassien kalibrointiin liittyvää ongelmakenttää sekä joitain menetelmiä itse kalibroinnin suorittamiseksi kompasseissa.

US-julkaisussa 6356851 esitetty menetelmä perustuu anturilukemien minimien ja maksimien etsimiseen. Laitetta liikutetaan siten, että mittaustietoa on saatavilla kaikista eri ilmansuuntia vastaavista ympyrän neljänsiksistä. Tällainen kalibrointi soveltuu huonosti esimerkiksi retkeilykäyttöön ja rannelaitteisiin, ja vaatii toimiakseen luotettavasti myös hyvin puhtaan signaalin.

US-julkaisussa 2002/0035791 esitetty menetelmä perustuu kolmen laitteen eri asentoa vastaavan xj-pisteparin mittaamiseen ja ympyrän yhtälön ratkaisemiseen mittausten perusteella. Menetelmän yksi haittapuoli on että laitetta pitää kiertää suhteellisen paljon onnistuneen kalibroinnin tekemiseksi. Lisäksi menetelmä on matemaattisesti verrattain raskas, eli kuluttaa paljon virtaa. Edellä mainituista syistä johtuen myös vasteajat tulevat tarpeettoman pitkiksi.

US-julkaisussa 8239153 on esitetty autokalibrointimenetelmä, joka jatkuvasti tarkkailee ympäristön magneettikentässä tapahtuvia muutoksia ja laskee milloin tarvitaan uudelleenkali-brointia. Itse kalibrointitapahtumaan ei oteta kantaa. Tämän lähestymistavan huonona puolena on myös suuri virrankulutus.

Fl-patentissa 120276 on esitetty kompassilaitetta, jossa kun kompassia käytetään, sitä kalibroidaan jatkuvasti aina sen mukaan, onko mitattu data riittävän hyvälaatuista kalibroinnin tekemiseksi. Tässä laitteessa ei tarvita erillistä kalibrointitilaa, vaan kalibrointi tapahtua suunnannäyttötilassa kun kompassia käytetään, jos ennalta määrätyt kompassisignaalin laatukriteerit täyttyvät.

Useimmat tunnetut laitteet rajoittuvat kuitenkin magneettikenttien mittaamiseen tasossa, eli 2D-tilassa. 2D-kalibroinnin laatu on hyvin riippuvainen paikallisista olosuhteista, koska mitä kauempana päiväntasaajasta ollaan, sen suurempi on magneettikentän pystykompo-nentti ja sen tuottama haitallinen kohina, ja sen herkemmin kompassin kallistus tuottaa virhettä joka pitää kompensoida. Anturien tarkkuus, käyttäjän liikkeet ja käytetyt laskentamenetelmät vaikuttavat myös kalibroinnin tarpeeseen ja tulokseen. Kalibrointi vaatii tyypillisesti siten raskasta laskentaa ja/tai käyttäjän tekemän kalibroinnin toistamista useita kertoja, ennen kuin hyväksyttävä tarkkuus saavutetaan.

Erästä magneettikentän offset-vektorin laskentatapaa on esitetty US-patentissa 7177779, jossa suoritetaan laskentaa kolmessa dimensiossa (3D). Tässä määritetään sekä offset-vektoria ja magneettisen ympyrän sädettä, jolloin käytetään laskennallisesti raskaita menetelmiä, kuten matriisilaskentaa ja tilastollisia algoritmeja, jolloin joudutaan tekemään suuri määrä tarkistuksia tehtyjen kompassisunnan estimointien oikeellisuudesta.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan käyttäjän kannalta huomaamaton ja luotettava automaattisella kalibroinnilla varustettu suunnannäyttömenetelmä ja -laite, joka kuluttaa vähän virtaa ja joka ei vaadi paljon jatkuvaa laskentatehoa. Erityisesti tarkoituksena on saada aikaan uusi kompassin käsittävä rannetietokone, veneilytietokone tai ajoneuvotietokone, jotka käyttötarkoituksensa vuoksi joutuvat hyvin vaihteleviin käyttöolosuhteisiin.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että kun kompassia käytetään, sitä kalibroidaan jatkuvasti aina sen mukaan, onko mitattu data riittävän hyvälaatuista kalibroinnin tekemiseksi. Niinpä keksinnön mukaisessa menetelmässä kompassisuunnan määrittämiseksi elektronisella kompassilaitteella ei pyydetä käyttäjää tekemään erillistä kalibrointia kuin poikkeustapauksissa. Normaalisti kalibrointi siis tapahtuu suunnannäyttötilassa eli ”lennossa” kun laitetta käytetään, jos tietyt kompassi signaalin laatukriteerit täyttyvät. Normaalitilanteessa kun käyttäjä käynnistää kompassilaitteen, kompassissa on valmiina niin hyvä kalibrointi että kompassia voidaan heti käyttää. Laite tekee itse jatkuvasti kalibrointia taustalla, niin että kompassin näyttämä suunta on tarkka. Lisäksi kalibrointi tehdään aina kun paristo vaihdetaan ja määräväliajoin, tämäkin tehdään taustalla ilman että käyttäjä huomaa.

Taustalla tehtävää kalibrointia voidaan tehdä esimerkiksi viikon väliajoin, ja siihen on edullista kytkeä muitakin kriteerejä sen suorittamiseksi. Kiihtyvyysantureilla voi seurata laitteen liikkeitä ja hakea siitä sopiva kalibrointiajankohta. Kellonajasta ja/tai kalenterista voidaan päätellä esim. onko päiväsaika ja viikonloppu, jolloin liikkuminen saattaa liittyä harrastuksiin ja matkustamiseen, jolloin kompassin käyttötarve ja siten kalibroinnin tarve on todennäköisempää. Virransäästötilan tai sammutuksen jälkeen herättäessä voidaan tarkistaa aika edellisestä kalibroinnista ja liiketila.

Jos kalibrointia ei saada hyväksi taustalla, niin käyttäjää pyydetään suorittamaan kalibrointi, jolloin keksinnön mukainen menetelmä antaa mahdollisuuden tehdä kalibrointi suhteellisen mielivaltaisella laitteen kääntelyllä, jolloin se on helppoja nopea suorittaa. Tai jos kalibrointia saada tehtyä säädetyn ajan puitteissa (time out), luovutaan yrittämisestä virran säästämiseksi. Tällöin voidaan tukeutua käyttäjän tekemään kalibrointiin kun hän laittaa kompassin päälle.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Keksinnön avulla kompassin kalibrointi voidaan nimittäin piilottaa käyttäjältä huomaamattomaksi taustatoimenpiteeksi, jota suoritetaan samalla kun käyttäjä operoi kompassia normaalissa suunnannäyttötilassa.

Vain tarvittaessa, kun liikaa magneettikentän vaihtelua on havaittu tai aikaisempaa luotettavaa kalibrointidataa ei ole käytössä (esim. kompassitilan käynnistys ensimmäistä kertaa pitkään aikaan), kalibrointimittaus toistetaan. Siten kalibroinnin on mahdollista antaa pienitehoisten prosessorien tehtäväksi, suoraviivaisesti myöhemmin kuvattavalla keksinnön mukaisella tähtäysmenetelmällä, eikä taustalla tarvita raskasta statistista laskentaa. Itse asiassa, jos mittausdatassa ei ole virhemittauksia ja mittaukset ovat ortogonaalisia (magneettianturit kalibroidaan ortogonaalisiksi tehtaalla herkkyysmatriiseilla), yksi kolmen tason tähtäys riittää. Erityisesti monikäyttöisissä rannelaitteissa on pienet prosessorit ja vasteajoista voi helposti tulla pitkiä, jos suorittimella on paljon yhtäaikaisia tehtäviä, kuten esim. etäantureiden radioliikenteen hoitaminen ja erilaisten laskentojen, kuten sukelluksessa dekompressioalgo-ritmien, liikuntasuorituksen haijoitusvasteen tai kalorikulutuksen suorittaminen.

Seuraavassa keksinnön sovellutusmuotoja selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuviossa 1 esitetään kompassin 3D- kalibrointia keksinnön mukaisessa järjestelyssä; kuviossa 2 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukainen kompassilaite;

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen kompassilaitteen toiminta vuokaaviona.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen laitteen kalibroinnin mittausgeometria. Laitteen magneettianturit, jotka ovat kiinteänä laitteessa, pystyvät siis tietyllä tarkkuudella osoittaman magneettisen pohjoisen suunnan kolmessa dimensiossa. Kuviossa 1 tätä avaruutta kuvaa koordinaatisto xyz, ja sen origo O on magneettianturien mittausavaruuden, esim. anturien mittaussuuntien leikkauspiste (kuvio 2), ja siten myös laitteen kompassin fyysinen keskipiste. Laitteessa on kuitenkin erilaisia häiriöitä ja kohinaa aiheuttavia komponentteja, kuten metallirakenteitta, kaiuttimia, jne. Kiinteästi asennetuissa laitteissa myös ympäristössä on vastaavia tekijöitä. Tämän vuoksi magneettianturien mittausavaruuden keskipiste todellisuudessa ei koskaan ole O, vaan vektorin V päässä oleva piste C. Pisteen C sijainti ei ole vakio, joskin vektorin V laitteen sisäisistä ominaisuuksista johtuva kohina voidaan mitata ja kalibroida pysyvästi pois. Muuttuva ympäristöjä sen esineistöjä pidempien matkojen päässä myös maan magneettikentän ja deklinaation muutokset vaikuttavat virheeseen. Vektoria V kutsutaan offset-vektoriksi. Offset-vektoria V määritetään tarvittaessa mittaamalla laitteen ja sen ympäristön magneettikenttään aiheuttamat häiriöt, ja muodostamalla uusi offset-vektori V laitteen keskipisteestä O referenssipisteeseen C.

Seuraavassa käydään tarkemmin läpi erilaisia magneettianturien mittausten virhelähteitä ja niiden kompensointia kompassilaitteen valmistusvaiheessa ja mahdollisesti uudelleenasen-nuksessa tms. tilanteissa, joissa magneettianturien pysyvät olosuhteet muuttuvat.

Deklinaatio

Deklinaatio eli eranto on paikkariippuvainen virhe ja tarkoittaa kulmaa maantieteellisen poh-joissuunnan ja magneettisen pohjoissuunnan välillä, jotka eivät siis ole yhdensuuntaisia. Kompassin voi kalibroida joko manuaalisesti, esim. karttaan painetun erantotietodon perusteella tai GPS-laitteen avulla, johon on valmiiksi tallennettu ko. tiedot. Kalibroinnin jälkeen kompassi osoittaa kohti maantieteellistä pohjoista.

Kallistumat

Kompassin näyttämään suuntaan vaikuttaa se kulma, missä kompassia pidetään. Maanpinta voidaan mieltää xy- koordinaatistoksi, jossa x- suunta on kohti horisonttia ja y- suunta siihen suorassa kulmassa sivullepäin. Tällöin pitää erikseen kompensoida kompassin kaltevuuskulma (elevation) horisonttiin nähden, ja kompassin kallistus y-akseliin nähden (bank angle). Sensoreina kulmamittauksissa käytetään useimmiten IMU (Inertial Measurement Unit) mittalaitetta, jossa on ainakin kaksi sensoria: kiihtyvyysanturi ja magnetometri. Siinä voi olla myös gyroskooppi, joskin niitä ei voida miniatyrisoida kovin pitkälle, joten mikromekaanisissa ns. MEMS- laitteissa niitä ei käytetä. Kallistumat lasketaan kiihtyvyysantureilla, jotka mittaavat laitteen kiihtyvyyden kolmessa dimensiossa. X-suuntainen kiihtyvyys ja maan vetovoima (z-suunta alaspäin) antaa kaltevuuskulman ja vastaavasti y-ja z arvot kallistuskulman. Kallistuman suhteen kalibrointi tapahtuu tietenkin kompassilaitteen käytön aikana, mutta laitteen ns. herkkyysmatriisiin on tallennettava kallistumien koijaustaulukot magneettikentän arvoille.

Magneettikompassin näyttämään pohjoissuuntaan vaikuttaa lisäksi eksymä, jonka aiheuttaa kompassin läheisyydessä olevat metallit. Näitä on kahta lajia. Vakiosuuruisen magneettikentän aiheuttajat (Hard Iron) luovat pysyvän siirtymän (offset) magnetometrin ilmaiseman maan magneettikentän sijaintiin. Tyypillinen esimerkki on kaiuttimien magneetit.

Jos mielletään että magnetometrin ilmaisevan maan magneettikenttä on ympyrä kun sitä pyöritetään vaakatasossa 360 °, vääristymä näkyy ympyrän keskipisteen siirtymänä. Tällaista vääristymää on suhteellisen helppo kompensoida kompassilaitteen kalibroinnissa, koska sen magneettikentän voimakkuus ja suunta on yleensä vakio.

Toinen vääristymän aiheuttaja ovat erilaiset magnetometrin lähellä olevat metallit, kuten nikkeli ja rauta, jotka vääristävät niiden kautta kulkevan magneettikentän muotoa, olematta magneettisia itse (Soft Iron). Nämä ovat monimutkaisempia kompensoitavia, koska vääristymä riippuu aineen orientaatiosta sensoriin ja sen ilmaisemaan magneettikenttään nähden. Vääristymän tuloksena on yleensä se, että magnetometrin ilmaiseman kenttävoimakkuuden ympyrä on kallellaan oleva ellipsi. Kompensointi tapahtuu korjaamalla ensin magnetometrin kenttää deklinaation ja kiinteiden magneettikenttien suhteen. Sen jälkeen mitataan ellipsin pisin ja lyhin vektori keskipisteestä, josta saadaan ellipsin akselit, ja ratkaisemalla siitä ellipsin kaltevuus. Kun tunnetaan kaltevuuskulma, voidaan ellipsin asentoa korjata vaakasuoraksi. Ellipsin muoto voidaan korjata ympyräksi esim. jakamalla ellipsin kehän koordinaattiarvoja sen akselien suhdeluvulla, eli skaalausvakiolla. Kiertämällä näin saatu ympyrä ellipsin kaltevuuskulman verran takaisin, saadaan korjattu ympyrä joka toimii laitekohtaisena peruskalibrointina ja jatkossa tehtävien kalibrointien perustana. Tarvittaessa korjaukset voidaan tehdä myös ellipsoidille, jolloin magnetometrissä oleville kolmelle magneettianturille saadaan skaalattua ja talletettua laitteen herkkyysmatriisiin kolmen magneettisen mittausanturin kenttävoimakkuusvektorit.

Keksinnön mukaisen kompassilaitteen muistiin syötetään siis itse laitteen ja sen magneet-tianturien aiheuttamat vääristymät mittauksissa. Mahdollisesti talletetaan myös maantieteellisen pohjoissuunnan korjaus, eli deklinaatio. Tätä korjausparametrien ”taulukkoa” kutsutaan siis laitteen herkkyysmatriisiksi. Kompassilaitteen magneettiantureiden vahvistus-ja ristiherkkyystekijät on siis yleensä määritetty jo tehtaalla ja tallennettu herkkyysmatriisiin, joten ne oletetaan keksinnön toiminnan kuvauksessa tunnetuiksi, ja oletetaan, että ainakaan ristiherkkyystekijät eivät oleellisesti muutu kompassilaitteen käytön aikana.

Niinpä kunkin mitatun pisteen pl-p6 sijainnissa kyseiset vääristymät on jo eliminoitu. Vaihtoehtoisesti kalibroidaan tehtaalla vain magneettianturit sovelluskohtaisine ASIC-piireineen (ASIC=Application Specific Integrated Circuit), jolloin valmiiksi kalibroitu kom-passisensori on tuote joka voidaan asentaa mihin tahansa haluttuun laitekuoreen.

Kiinteissä asennuksissa kalibrointi tapahtuu ottamalla huomioon koko kompassilaitteen mukana liikkuva kulkuneuvo, alus tai laite. Jos kompassi siirretään toiseen paikkaan kulkuneuvossa tms., käyttäjä voi luonnollisesti asettaa kompassilaitteen kalibrointitilaan itse, jotta uusi asema tulisi välittömästi huomioiduksi kalibroinnissa.

Kalibrointi

Keksinnön mukaisessa laitteessa on anturit, joilla voidaan mitata magneettikenttä kolmesta eri suunnasta. Anturit voivat olla samassa komponenttikotelossa tai erillään toisistaan. Optimitilanteessa anturit muodostavat suorakulmaisen koordinaatiston ja niiden vahvistusker-toimet ovat identtiset. Tämä tarkoittaa sitä, että jos laitetta käännetään niin, että en yksi anturi osoittaa tarkasti magneettikentän suuntaan, niin tämä anturi antaa lukeman M, joka vastaa magneettikentän M voimakkuutta |M|. Kaksi muuta koordinaatiston anturia antavat lukeman 0. Vastaavasti jos laite käännetään niin, että toinen anturi osoittaa tarkasti magneettikentän suuntaan, tämä toinen anturi antaa lukeman M ja ensimmäinen ja kolmas anturi lukeman 0. Sama pätee kolmannelle anturille. Todellisuudessa näin ei ole, vaan anturi-kolmikko pitää virittää näyttämään oikein. Viritys tuottaa ns. herkkyysmatriisin ja poik-keamavektorin V = [x,y,z]. Jos mielivaltaisia anturilukemia tarkastellaan kolmiulotteisessa koordinaatistossa, niin ne muodostavat ellipsoidin. Tämä ellipsoidi voidaan muuttaa pallo-pinnaksi herkkyysmatriisin sisältämillä koijaustekijöillä. Näin saatujen mittaustuloksien muodostaman pallopinnan keskipiste sijaitsee mittaustulosavaruudessa poikkeamavektorin V osoittamassa paikassa (kuval).

Keksinnön mukaisessa kompassilaitteessa oletetaan, että herkkyysmatriisi pysyy laitteen käyttöhistorian ajan muuttumattomana. Sen sijaan mittauksen poikkeamavektori V muuttuu lähes jatkuvasti. Tämä voi johtua esimerkiksi siitä, että laitteen komponentit saattavat magnetoitua ulkoisessa voimakkaassa magneettikentässä. Nämä magnetoituneet komponentit aiheuttavat systemaattisen virheen antureiden lukemiin. Siksi poikkeamavektori pitää selvittää ennen kuin mittaustuloksia voidaan käyttää laitteen asennon (kompassisuun- nan) määrittämiseen. Tätä poikkeamavektorin selvittämistä kutsutaan tässä keksinnössä kalibroinniksi ja tämä keksintö kuvaa menetelmät Joilla kalibrointi voidaan tehdä laskennallisesti edullisesti ja käyttäjää häiritsemättä.

Poikkeamavektorin muutoksen laskennallinen selvittäminen on usein vaivalloista ja se pitää tehdä usein, koska poikkeama muuttuu myös usein. Tämä tarkoittaa myös, että poik-keamavektori pitää määrittää usein. Koska näin on, niin poikkeamavektorin muutoksen toteaminen on ”turhaa”. Siksi tässä keksinnössä tämä ohitetaan ja poikkeama selvitetään joka kerta kun kompassia käytetään.

Jos mitattava magneettikenttä on M = [Mxi,Myi,Mzi] ja antureiden lukemat on korjattu herkkyysmatriisilla, niin saadaan mittaustulokset

(1)

Edellä i kuvaa eri mittaushetkiä ja sen arvot ovat tyypillisesti i = 1,2,..,6. Mittauspisteellä tarkoitetaan lukemia pxi, pyi ja pzi yhdellä mittaushetkellä. Komponentit Mxi, Myi ja Mzi ovat maan magneettikentän arvot antureiden suuntiin ja ne muuttuvat kun laitetta käännetään eri asentoihin suhteessa magneettikenttään. Mittauspisteistä muodostetaan kolme vektoria. Tämä voidaan tehdä jo kolmella mittauspisteellä ja maksimissaan tarvitaan kuusi mittauspistettä, kuten kuviossa 1 on esitetty.

Magneettisen mittauksen poikkeamavektori voidaan selvittää esimerkiksi ns. tähtäysmene-telmällä. Oletetaan, että herkkyysmatriisi tuottaa mittaustuloksista pallopinnan. Kuviossa 1 on esitetty tämän pallopinnan kuusi pistettä pl-p6, jotka pareittain (pl,p2; p3,p4; ja p5,p6) muodostavat kolme vektoria a, b ja c. Näiden keskipisteet ovat

(2) ja yksikkövektorit

(3)

Jokainen vektorin keskipiste ja yksikkövektori, esimerkiksi paja na, määrittävät vektorin puolittajan kautta kulkevan tason, na on kyseisen tason normaalivektori eli se on kohtisuorassa tasoon nähden. Pallopinnan tapauksessa pallon säde on tässä tasossa. Tästä seuraa, että edellä muodostettujen tasojen leikkauspiste määrittää myös pallon keskipisteen (”referenssipisteen”). Tasojen leikkauspiste saadaan kaavalla

jossa inv(|na nb nc|) on pysty vektoreiden na, nb ja ne muodostaman kolmirivisen matriisin käänteisdeterminantti. pa*na on vektoreiden paja na skalaaritulo; nb x ne on vektoreiden nb ja ne ristitulo jne. Jos kaksi tasoa ovat saman suuntaiset tai kaikki normaalivek-torit ovat samassa tasossa, niin |na nb nc| = 0, eikä määritystä voida tehdä.

Vaihtoehtoisesti poikkeamavektori V = [x, y, z] (pallon P keskipiste C, ”referenssipiste”) voidaan selvittää ratkaisemalla kuvion 1 pallon P mittauspisteiden pl - p6 toteuttama yhtälöryhmä

Edellä esitetyssä yhtälöryhmässä on huomionarvoista, että haettavien muuttujien x, y ja z toisen asteen tekijät katoavat.

Esimerkki

Alla on esitetty Matlab™-koodilla tähtäysperiaatteella suoritetun magneettimittauksen symmetriapisteen laskenta kaavojen (2) - (4) menetelmää käyttäen. Esimerkissä on oletettu, että anturit ovat täysin ortogonaaliset ja mittaukset ovat kohinattomat. Keksinnön mukaisien menetelmien etuina on, että pallon sädettä ei tarvitse tietää etukäteen edes arviolta ja että laskenta toimii hyvin myös kokonaisluvuilla.

function intersection = calc(origo) % ! for the 'aim-with-planes' method using ideal data.

% measurements are from orthogonal axes and there is no % reference point to be determined.

% should be the same than 'origo' after calculation.

%{

Get segment midpoints (xp) and segment unit vectors (n).

i} [n,xp] = simulateMeasurements(origo) ;

Calculate the inverse of the normal matrix determinant *}

c {

Calculate the intersection of the three planes defined by the measurement points. Three points is the minimum, six is the maximum, to construct three segments on the sphere.

% } '

function sp = dotProduct(vecl,vec2)

function cpVec = crossProduct(vecl,vec2)

function [segment unit vectors, segment midpoints] = simulateMeasurements (origo) i{

Initialize variables to zeros i } segment end points = zeros(4,3); segment unit vectors = zeros(3,3); i unit vectors of segments segment_midpoints = zeros (3,3); % midpoints R = 3000*rand + 100; 1 Arbitrary radius for simulation, will be different at every call %{

Create arbitrary end points of segments i} for i=l:4, x=rand; y=rand; z=rand;

end * {

Create unit vectors and midpoints i } for i=l:3, v = segment end points(i,:) - segment end points(i+1,:); segment unit vectors(i,:) = v / norm(v); segment midpoints (i, :) = ( segment end points(i,:) + segment end points (i + 1, :) ) / 2; end

Todellisissa mittauksissa on aina mukana satunnaista virhettä (”mittauskohinaa”). Laskennan luotettavuus paranee Jos mittaustuloksien määrittämien janojen välinen kulma on iso, esimerkiksi 37 astetta tai suurempi. Pienempikin laitteen liike riittää, jos mittauspisteiden sijaintitiedon laatu voidaan tarkistaa myöhemmin esitetyillä tavoilla. On havaittu, että jos kohinataso on pienempi kuin 2 %, niin poikkeamavektorin määritys onnistuu jopa alle kahden asteen suuntamuutoksella. Kompassi suunnan tarkkuus pysyy vielä tällöinkin parempana kuin kaksi astetta.

Virheentarkistus

Kalibroinnin laatu paranee, jos mittauspisteet valitaan sopivasti. Valintakriteerit riippuvat halutusta tarkkuudesta, kompassilaitteen ominaisuuksista ja valituista laskentamenetelmistä. Siksi seuraavassa esitetyt tarkistukset ovat vain esimerkkejä: - mittauspisteiden pl-p6 koordinaattien minimi - ja maksimiarvojen tarkistus. On selvää, että pallon P vaipan uiko- tai sisäpuolelle jääville arvoille voidaan asettaa hyväksymisrajat. Esimerkiksi voidaan määrätä, että kaikkien pisteiden etäisyys laskettuun keskipisteeseen pitää olla 5 % virhemarginaalin sisällä; - mittauspisteiden etäisyys toisistaan on oltava vähintään luokkaa pallon P säde/3, eli eivät saa olla liian lähellä toisiaan. Lisäksi prosessointipiiri voidaan sovittaa laskemaan segmentit aina peräkkäisten mittauspisteiden välille, jolloin segmentit eivät todennäköisesti risteä; - vektoreiden a, b ja c kulma toisiinsa nähden tulee olla yli 37 astetta, millä varmistetaan että vektorit eivät ole samansuuntaisia, ja että kohinan tuottama virhe segmenttien suuntiin ei näy herkästi keskipisteen määrityksessä; - vektoreiden virittämän suuntaissärmiön tilavuus tulee olla suurempi kuin vektoreiden a, b ja c pituuksien tulon puolikas eli

jolla varmistetaan että vektorit eivät ole samassa tasossa; - referenssipisteen C poikkeama edellisestä referenssipisteestä pitää olla pienempi kuin pallon P säde/20. Siten varmistetaan tarkkuus, ja saman kalibroinnin aikana voidaan vaatia että referenssipisteitä pitää saada kaksi peräkkäin mainitulla tarkkuudella, millä estetään virhekalibroinnit; - referenssipisteen C koordinaattien arvoksi asetetaan kahden viimeisen hyväksytysti lasketun pisteiden C koordinaattien keskiarvo; - vanhimmat kaksi mittauspistettä, eli vanhin vektori, poistetaan aina kun kalibrointia uusitaan.

Kompassi suunta

Kuviossa 2 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukainen kompassilaite 1, joka tässä esimerkissä on rannetietokone. Kuvioon on myös merkitty laitteen eri toimintoja ohjaavia nappeja 2a-2d. Laitteen sisällä on magneettianturit 3a-3c, jotka mittaavat maan magneettikenttää ortogonaalisesti. Kuvassa 2 anturit on sijoitettu laitteen keskelle; yleensä niiden paikka valitaan laitteen sähköisten ominaisuuksien mukaan. Antureiden suuntaisia maan magneettikentän komponentteja on kuvattu symbolein Mx, My ja Mz. Kompassisuunnalla tarkoitetaan yleensä jonkun referenssiakselin vaakatason projektion suuntaa suhteessa maan magneettikentän vaakatason projektioon. Yleensä rannetietokoneissa referenssiakse-lina pidetään ”kello 12”-suuntaa. Kuvassa 2 tätä suuntaa vastaa komponentti Mx. Tyypillisesti rannetietokone ei ole vaakatasossa, vaan sen kallistuma pitää selvittää ennen kompas- sisuunnan määrittämistä. Rannetietokone voidaan varustaa esimerkiksi kiihtyvyysantureilla, joiden avulla kallistuma määritetään vähintään kahden riippumattoman suunnan suhteen. Tällöin saadaan kaksi kallistusta kuvaavaa lukemaa tilt x ja tilt_y. Magneettimittauk-sien ja kallistumatietojen avulla määritetään mittauksien vaakatason projektiot:

Näiden avulla lasketaan tähtäyssuunta magneettikentässä:

Kallistuskompensaatio voidaan tehdä matemaattisesti usealla tavalla eikä niitä esitetä tässä. Mx_h, My_h ja Mz_h ovat mittauksen vaakatason projektion komponentit.

Kompassilaitteen laskema suunta D voidaan näyttää käyttäjälle sellaisenaan kompassilait-teen näytössä, esimerkiksi nuolella 4. Lisäksi voidaan näyttää tavoitesuunta A. Kuvion 2 laitteessa kulkusuunnan osoittimeksi on valittu magneettikenttäkoordinaatiston x-suunta (”Mx”). Kulkusuunnan osoitin voi tietenkin olla myös joku muukin suunta. Kuvion 2 mukaisen laitteen symmetriapiste ”O” toimii koko laitteen ”sijaintina” kompassi suunnan laskennassa.

Kuvion 3 vuokaavio esittää keksinnön mukaisen menetelmän yhden sovellutusmuodon toimintaa. Vaiheessa 100 määritetään mittauspiste pi. Vaiheessa 110 lasketaan mittauksen poikkeamavektori (referenssipiste, eli pallon P keskipiste C). Poikkeamavektorin määrittämiseksi tarvitaan useita mittauspisteitä, tyypillisesti pisteet pl - p6. Poikkeamavektorin määritys epäonnistuu, jos pisteitä ei ole vielä tarpeeksi tai jos määritys on virheellinen, ks. virheentarkistus. Käytännössä vaiheet 100 - 120 toistetaan kunnes referenssipisteen C peräkkäiset määritykset ovat riittävän samoja. Seuraavaksi näytetään kompassi suunta 130. Kuvion 3 mukainen algoritmi toistetaan uudelleen joko tietyn aikavälin tai jonkin ennalta määrätyn tapahtuman jälkeen. Tällainen tapahtuma voi olla esimerkiksi ennalta asetettua arvoa suurempi muutos antureiden mittausarvoissa.

Keksintö ei rajoitu yllä kuvattuihin sovellutusmuotoihin, vaan sitä on tulkittava oheisten patenttivaatimusten täydessä laajuudessa.

Claims

1. Menetelmä magneettikentän suunnan määrittämiseksi, jossa menetelmässä: - mitataan (110) liikkuvalla elektronisella kompassilaitteella (1) haluttu määrä kertoja magneettikentän (M) kolmea kenttävektoria (Mx, My, Mz), muodostetaan kustakin mittauksesta kolmiulotteisessa koordinaatistossa datapiste (pl-p6), joille mittausten datapisteille lasketaan yhteinen referenssipiste (C), - määritetään (110) laitteen sijainti referenssipisteeseen nähden mainitussa koordinaatistossa, - verrataan lasketun referenssipisteen koordinaatteja ainakin yhteen aikaisempaan referenssipisteen koordinaatteihin ja kalibroidaan referenssipisteen koor-dinaattiarvot, ilmaistaan (130) kompassilaitteella magneettikentän (M) suunta referenssipisteen (C) avulla, jolloin datapisteet (pl-p6) on muodostettu oleellisesti pallomaiselle pinnalle (P) ja laskettu referenssipiste (C) on pallomaisen pinnan keskipiste, tunnettu siitä, että mainittu referenssipiste (C) lasketaan muodostamalla valittujen datapisteiden (pl-p6) väliin kolme janaa, joista muodostetaan yksikkövektorit janojen keskipisteiden kautta kulkevalle kolmelle tasolle, ja joiden tasojen leikkauskohta on mainittu referenssipiste.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä mitataan kutakin referenssipisteen (C) määritystä varten ainakin kolme datapistettä (pl- p6).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, j ossa menetelmässä mitataan kutakin referenssipisteen (C) määritystä varten kuusi datapistettä (pl-p6).

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä mainittu referenssipiste (C) lasketaan muodostamalla valittujen datapisteiden (pl-p6) koordinaateista yhtälöryhmä, joissa kunkin datapisteen koordinaateista muodostetun pallon yhtälö ovat pareittain asetettu yhtä suuriksi, joista yhtälöryhmästä ratkaistaan mainitun referenssipisteen koordinaatit.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä laitteen sijainti (O) lasketusta referenssi pisteestä (C) on ennalta määritetyn offset-vektorin (V) päässä.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä laitteen sijainti (O) laskettuun referenssipisteeseen (C) nähden saadaan mittaamalla laitteen ja sen ympäristön magneettikenttään aiheuttamat häiriöt ja muodostamalla siitä offset-vektori (V) laitteesta mainittuun referenssipisteeseen.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä lasketaan kaksi perättäistä referenssipistettä (C) joiden koordinaattiansa verrataan, ja käytetään varsinaisena referenssipisteenä koordinaattiarvojen keskiarvoa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä lasketaan tietty määrä referenssipisteitä (C) ja analysoidaan koordinaatit tilastollisesti, jolloin varsinaisena referenssipisteenä käytetään tilastollisen virhe-funktion minimivirheen omaavaa referenssipistettä.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä uusi referenssipiste (C) lasketaan aina kun elektronisen kompassilaitteen virta on ollut katkaistu.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä uusi referenssipiste (C) lasketaan tietyin ennalta määrätyin väliajoin.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä uusi referenssipiste (C) lasketaan automaattisesti, ja tämän epäonnistuessa osoitetaan laitteen käyttäjälle käsin tehdyn kalibroinnin tarpeesta.

12. Elektroninen laite (1) magneettikentän suunnan määrittämiseksi, käsittäen: - elektromagneettiset anturivälineet (3a, 3b, 3c) magneettikentän (M) ai nakin kolmen kenttäkomponentin (Mx, My, Mz) mittaamiseksi, - välineet (4) magneettikentän suunnan ilmaisemiseksi, ja prosessointiyksikön, joka on sovitettu muodostamaan kustakin mittauksesta kolmiulotteisessa koordinaatistossa datapisteen (pl-p6) ja laskemaan (110) yhteisen refe-renssipisteen (C) useampien mittausten tuottamille datapisteiden joukolle, vertaamaan lasketun referenssipisteen koordinaatteja ainakin yhteen aikaisempaan referenssipisteen koordinaatteihin, kalibroimaan vertauksen perusteella laitteen sijainti referenssipisteeseen nähden koordinaatistossa, ja muodostamaan referenssipisteen avulla tieto magneettikentän suunnasta laitteeseen nähden, jolloin datapisteet (p 1 -p6) on muodostettu oleellisesti pallomaiselle pinnalle (P) ja laskettu referenssipiste (C) on pallomaisen pinnan keskipiste, tunnettu siitä, että prosessointiyksikkö on sovitettu laskemaan (120) referenssipiste (C) muodostamalla valittujen datapisteiden (pl-p6) väliin kolme janaa, joista muodostetaan yksikkövektorit janojen keskipisteiden kautta kulkevalle kolmelle tasolle, ja joiden tasojen leikkauskohta on mainittu referenssipiste.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laite, jonka prosessointiyksikkö on sovitettu laskemaan mainittu referenssipiste (C) muodostamalla valittujen datapisteiden (pl-p6) koordinaateista yhtälöryhmä, joissa kunkin datapisteen koordinaateista muodostetun pallon yhtälö ovat pareittain asetettu yhtä suuriksi, joista yhtälöryhmästä ratkaistaan mainitun referenssipisteen koordinaatit.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen laite, jonka välineet magneettikentän suunnan mittaamiseksi käsittävät kolme toisiinsa nähden suorassa kulmassa magneettikenttää mittaavaa magneettianturia (3a, 3b, 3c).

15. Jonkin patenttivaatimuksen 12-14 mukainen laite, johon on tallennettu ennalta määritetty offset-vektori (V), joka lisättynä mainittuun referenssipisteeseen (C) osoittaa magneettianturien mittaussuuntien leikkauskohdan sijainnin (O), joka on laitteen sijainti.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 12 -14 mukainen laite, jossa määritetään laitteen sijainti (O) laskettuun referenssipisteeseen (C) nähden mittaamalla laitteen ja sen ympäristön magneettikenttään aiheuttamia häiriöitä ja muodostetaan offset-vektori (V) laitteen sijainnista mainittuun referenssipisteeseen.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 12-16 mukainen laite, jossa prosessointiyksikkö on sovitettu laskemaan uusi referenssipiste (C) aina kun elektronisen kompassi-laitteen virta on ollut katkaistu.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 12-17 mukainen laite, jossa prosessointiyksikkö on sovitettu laskemaan uusi referenssipiste (C) tietyin ennalta määrätyin väliajoin.

19. Jonkin patenttivaatimuksen 12-17 mukainen laite, jossa prosessointiyksikkö on sovitettu laskemaan uusi referenssipiste (C) automaattisesti, ja tämän epäonnistuessa osoittaa laitteen käyttäjälle käsin tehdyn kalibroinnin tarpeesta.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 12-19 mukainen laite, jossa prosessointiyksikkö on sovitettu suorittamaan jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukaisia toimintoja.

21. Jonkin patenttivaatimuksen 12 - 20 mukainen laite, joka laite (1) on rannelaite kuten rannetietokone urheilu- tai retkeilykäyttöä varten.