WO2012052120A2

WO2012052120A2 - Verfahren und system zur ermittlung der position einer vorrichtung

Info

Publication number: WO2012052120A2
Application number: PCT/EP2011/005051
Authority: WO
Inventors: Volkmar Schultze
Original assignee: Rayonex Schwingungstechnik GmbH
Current assignee: Rayonex Biomedical GmbH
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2013-04-18
Also published as: WO2012052120A3; DE102010048574A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Position einer einen rotierenden magnetischen Dipol aufweisenden Vorrichtung unter Verwendung zumindest eines dreiachsigen Magnetfeldsensors, wobei das von dem magnetischen Dipolemittierte magnetische Feld von dem Magnetfeldsensor gemessen und zur Bestimmung der Lagekoordinaten in einem dreiachsigen Koordinatensystem ausgewertet wird, wobei zumindest zwei Einzelmessung durchgeführt werden, die sich durch eine unterschiedliche Relativlage zwischen der Rotationsachse des Dipols und dem Ortsvektor, der sich zwischen dem Dipol und dem Magnetfeldsensors erstreckt, auszeichnen, wobei diese unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer Bewegung der Vorrichtung resultieren.

Description

"Verfahren und System zur Ermittlung der Position einer Vorrichtung"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position einer einen rotierenden magnetischen Dipol aufweisenden Vorrichtung unter Verwendung zumindest eines dreiachsigen Magnetsensors, wobei das von dem magnetischen Dipol emittierte magnetische Feld von dem Magnetfeldsensor gemessen und zur Bestimmung der Lagekoordinaten in einem dreiachsigen Koordinatensystem ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens umfassend die einen rotierenden magnetischen Dipol aufweisende Vorrichtung und zumindest einen dreiachsigen Magnetfeldsensor.

In der Medizin verwendete mikrochirurgische und endoskopische Instrumente werden insbesondere zur Diagnostik und bei Operationen an empfindlichen oder schwer zugänglichen Geweben und Organen eingesetzt. Diese Eingriffe verlaufen in der Regel Computer- und/oder kameragesteuert und erfordern meist ein Höchstmaß an präziser Ortung, Positionierung und Bewegung der Instrumente. Hierzu kommen Sondensysteme wie etwa magnetische oder elektromagnetische Sonden zum Einsatz. So werden in der US 5,836,869 und der US 6,248,074 Magnetfeldquellen bzw. Magnetfeldsensoren beschrieben, die die drei räumlichen Koordinaten eines sich bewegenden Magnetfelds messen. Hierdurch wird jedoch keine räumlich exakte oder zeitgenaue Positionsbestimmung des endoskopischen Geräts ermöglicht. Dies erklärt sich daraus, dass die in der US 5,836,869 beschriebene Art der Bestimmung der Magnetfeldkoordinaten bei dem dortigen dreiachsigen, aus drei senkrecht zueinander angeordneten

BESTÄTIGUNGSKOPIE Spulen bestehenden Magneten die Messung von drei verschiedenen Magnetfeldern notwendig macht, die, um eine Überlagerung zu vermeiden, zeitversetzt nacheinander gemessen werden, indem die einzelnen Spulen zeitversetzt mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden. Die Messung erfolgt hier außerhalb des Patienten und erfordert außerdem eine Umrechnung, um die Position des Endoskops im Körper abschätzen zu können.

Die US 6,248,074 beschreibt die Befestigung einer Magnetfeldquelle außerhalb des Patienten. Die Lokalisierung erfolgt hier über eine Bestimmung der relativen Position des Detektors zum äußeren Magnetfeld über einen am distalen Ende des Endoskops angebrachten Magnetfeldsensor. Auch hier ist nur eine relativ ungenaue Messung möglich, da Endoskop und Sensor relativ zu dem fixierten Magnetfeld bewegt werden und somit keine exakte Relation zwischen den festen Magnetfeldkoordinaten und der sich verändernden räumlichen Ausrichtung des Sensors gegeben ist. Hinzu kommen weitere hinderliche und die Genauigkeit beeinträchtigende Faktoren, etwa das Problem, in unterschiedlich weit von der Körperoberfläche entfernten Regionen zu messen oder die Beeinträchtigung der Messgenauigkeit durch äußere magnetische Felder.

Ein gegenüber dem zuvor beschriebenen verbessertes Verfahren zur Lokalisierung eines Geräts ist aus der WO 2003/103492 A1 bekannt. Darin ist offenbart, im Gehäuse eines medizinischen Geräts oder beispielsweise auch eines Bohrkopfs einen magnetischen Dipol anzuordnen, der unabhängig von einer gegebenenfalls erfolgenden Rotation des Gehäuses rotierend angetrieben wird. Zur Lokalisierung des Geräts wird das von dem magnetischen Dipol erzeugte magnetische Feld von einem dreiachsigen Magnetfeldsensor (Fluxgate) gemessen und ausgewertet. Dies ermöglicht, die Position beispielsweise eines medizinischen Geräts in dem Körper eines Patienten exakt zu bestimmen. In der WO 2003/103492 A1 ist zudem eine Möglichkeit offenbart, den Rollwinkel des Gehäuses des Geräts zu bestimmen. Hierzu wird eine veränderliche Komponente des Magnetfelds, die von dem Rollwinkel abhängt, erzeugt, die von dem Magnetfeldsensor ermittelt werden kann. Als konkrete Ausführungsform wird ein kurzfristiges Stoppen oder Kippen des Dipols in einer definierten Relativlage bezüglich des Gehäuses beschrieben.

Eine Weiterentwicklung des aus der WO 2003/103492 A1 bekannten Verfahrens ist in der DE 10 2005 051 357 A1 offenbart. Dort ist vorgesehen, den unabhängig von dem

Gerät rotierend angetriebenen Dipol nicht mehr um eine Rotationsachse rotieren zu lassen, die koaxial oder parallel zu der Rotationsachse des selbst rotierend angetriebenen Geräts angeordnet ist, sondern schräg dazu. Dadurch soll erreicht werden, dass die Position des durch den Magneten erzeugten magnetischen Felds in eine auswert- bare relative Abhängigkeit zu dem Gehäuse gesetzt wird. Dadurch kann, trotz der

Unabhängigkeit der Rotation des Geräts von derjenigen des darin angeordneten magnetischen Dipols, durch eine Auswertung des Magnetfelds auf den Rollwinkel des Geräts geschlossen werden.

Sowohl bei dem Verfahren gemäß der WO 2003/103492 A1 als auch bei dem der DE 10 2005 051 357 A1 bleibt ein Problem ungelöst. Die Lokalisierung des Magneten über eine Messung und Auswertung des von diesem emittierten Magnetfelds entspricht der Lösung eines sogenannten„inversen Problems". Als inverses Problem wird die Aufgabe bezeichnet, aus den Wirkungen eines Systems auf die Ursache zu schließen. Im Allgemeinen ist ein inverses Problem nicht eindeutig lösbar.

Bei dem aus der WO 2003/103492 A1 bekannten Verfahren liegt das inverse Problem darin, aus dem Magnetfeld des rotierenden magnetischen Dipols den Ort und die Orientierung des magnetischen Dipols zu rekonstruieren. Dies ist nicht ohne weiteres möglich, denn bei einer lediglich mathematischen Auswertung des gemessenen Magnetfelds ergeben sich für die Rückrechnung auf den Ort des Magneten vier gleichwertige Lösungen. Ohne Zusatzinformation ist es daher nicht möglich, aus den vier angebotenen Lösungen die richtige auszuwählen. Daher ist es für die Durchführung des aus der WO 2003/103492 A1 bekannten Verfahrens erforderlich, beispielsweise durch eine visuelle Abschätzung, Randbedingungen zu definieren, anhand derer die vier mathematischen Lösungen auf eine reduziert werden können. Dies ist aber gerade bei den in der WO 2003/103492 A1 genannten Anwendungen, nämlich der Lokalisierung eines endoskopischen medizinischen Instruments oder einer Horizontalbohrvorrichtung in der Regel nicht möglich, da ein Sichtkontakt zu dem Instrument oder der Bohrvorrichtung nicht gegeben ist. Als weiteres Problem kommt hinzu, dass die Auswahl der richtigen Lösung davon abhängig ist, wie die Rotationsachse des Magneten und der sich zwischen dem magnetischen Dipol und dem Magnetfeldsensor erstreckende Ortsvektor zueinander orientiert sind. So wechselt diese Auswahl, wenn der Winkel zwischen diesen beiden Faktoren (Rotationsachsen und Ortsvektor) durch 90° hindurchgeht (also von <90° zu >90° wechselnd oder umgekehrt). Der Ansatz, zu Beginn eine richtige Lösung als Randbedingung nach Sicht zu selektieren und dann aus dem Verlauf der lokalisierten Orte des magnetischen Dipols in die Zukunft zu extrapolieren und zu schauen, welche der angebotenen Lösungen dieser Extrapolation am nächsten kommt, kann dadurch in vielen Situationen zu falschen Ergebnissen führen.

Der Erfindung lag demnach die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und ein entsprechendes System zur Ermittlung der räumlichen Position einer Vorrichtung anzugeben. Insbesondere sollte eine einfachere und/oder genauere Lokalisierung erreicht werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, für eine Ortungsmessung zumindest zwei Einzelmessungen durchzuführen, die durch eine unterschiedliche Relativlage zwischen der Rotationsachse des Dipols und dem Ortsvektor, der sich zwischen dem Dipol und dem Magnetfeldsensor erstreckt, gekennzeichnet sind, wobei diese unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer möglichen Bewegung der Vorrichtung resultieren, d.h. davon unabhängig sind.

Der Zugang zur Auswahl der richtigen Lösung ergibt sich dann daraus, dass durch die zwei Einzelmessungen die richtige Lösung - im Gegensatz zu der falschen - ihren Ort nicht oder nur in einem geringeren Maße (bei einer eventuellen Bewegung des

Magnetfeldsensors und/oder der Vorrichtung selbst) verändert.

Da bei der (realen) Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messwerte des Magnetfeldsensors durch Rauschen überlagert werden, kann bei der definierten relativen Lageänderung in der Regel nicht zweimal (oder mehrmals) exakt der gleiche

Ort ermittelt werden. Das allgemeinere Auswahlkriterium zur Bestimmung der richtigen Lösung liegt daher darin, diejenige Lösung auszuwählen, deren Ort sich bei der Lageänderung weniger ändert. Die erfindungsgemäße Lösungsauswahl, d.h. zu ermitteln, welche Lösung ihren Wert

(d.h. die ermittelte Position) bei einem Vergleich von unterschiedlichen Relativlagen von Drehachse und Ortsvektor nicht oder nur relativ wenig verlässt, benötigt keine Extrapolation zukünftiger Lösungen anhand bereits ermittelter Lösungen. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes System weist neben einer einen rotierenden magnetischen Dipol umfassenden Vorrichtung und (zumindest) einem dreiachsigen Magnetfeldsensor, d.h. einem Magnetfeldsensor, der die Stärke (magnetische Flussdichte) eines Magnetfelds in zumindest drei unterschiedlichen Koordinaten bestimmen kann, zudem Mittel für die Durchführung von zumindest zwei Einzelmessungen auf, wobei sich die Einzelmessungen durch eine unterschiedliche Relativlage zwischen der

Rotationsachse des Dipols und dem sich zwischen dem Dipol und dem Magnetfeldsensor erstreckenden Ortsvektor auszeichnet, wobei die unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer Bewegung der Vorrichtung resultieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die unterschiedlichen Relativlagen zwischen der Rotationsachse und dem Ortsvektor dadurch erreicht, dass für die zwei Einzelmessungen die Lage der Rotationsachse des magnetischen Dipols verändert wird. Diese Ausführungsform weist den besonderen Vorteil auf, dass sich dadurch die Positionen des magnetischen Dipols (abgesehen von einer möglichen Bewegung der Vorrichtung selbst) und des Sensors global nicht ändern und somit die erfindungsgemäße Auswahl der richtigen Lösung einfach überprüfbar ist.

Strukturell kann dies umgesetzt werden, indem der Dipol bei einem erfindungsgemäßen System beispielsweise um eine zusätzliche zweite Rotationsachse rotierbar ist, die schräg bezüglich der ersten Rotationsachse des Dipols angeordnet ist. Durch diese Überlagerung der beiden Rotationen des magnetischen Dipols ergibt sich eine zyklische (bei einer konstanten Rotation um beide Rotationsachsen) Lageänderung der (ersten) Rotationsachse zu dem Ortsvektor, die erfindungsgemäß zur Auswahl der richtigen Lösung herangezogen werden kann. Für die Lösungsauswahl reicht bereits eine Schrägstellung der zwei Rotationsachsen des magnetischen Dipols um wenige Grad (vorzugsweise mindestens 3°), wobei die Genauigkeit, mit der eine Auswahl erfolgen kann, mit zunehmender Schrägstellung steigt. Die Schrägstellung kann bis zu einem Winkel von 90° reichen, bei dem sich die (erste) Rotationsachse des magnetischen Dipols im Kreis dreht.

Eine Rotation des Dipols um eine zusätzliche zweite, schräg bezüglich der ersten Rotationsachse orientierte Rotationsachse kann vorrichtungsseitig dadurch erreicht werden, dass die Vorrichtung, innerhalb derer der magnetische Dipol angeordnet ist, selbst um eine Rotationsachse rotierend angetrieben wird und diese Rotationsachse somit die zweite Rotationsachse darstellt.

Eine weitere Möglichkeit zum Erzielen einer definierten Änderung der relativen Lage zwischen der Rotationsachse des Dipols und dem Ortsvektor kann dadurch erreicht werden, dass die Lage des Magnetfeldsensors (ggf. zusätzlich durch eine durch die Bewegung der Vorrichtung erfolgende Lageänderung) zwischen den zwei Einzelmessungen relativ zu der Vorrichtung verändert wird und zwar vorzugsweise entlang eines definierten Weges oder zwischen zwei oder mehr definierten Positionen. Dies kann vorrichtungsseitig durch geeignete Mittel zur Lageänderung des Magnetfeldsensors relativ zu der Vorrichtung zwischen zumindest zwei definierten Positionen erfolgen. Diese Lösung, bei der die relative Lageänderung durch eine definierte

Veränderung des Standorts des Magnetfeldsensors erreicht wird, ermöglicht die Auswahl der richtigen Lösung wiederum dadurch, dass sich die richtige Lösung als diejenige, deren Ergebnis sich trotz der Lageänderung nicht oder nur in einem geringeren Maße verändert, darstellt. Selbstverständlich muss die definierte Lage- änderung des Magnetfeldsensors dabei berücksichtigt und mathematisch korrigiert werden. Der Magnetfeldsensor kann dann kontinuierlich zwischen den zumindest zwei definierten Positionen bewegt werden (z.B. durch eine alternierende oder rotierende Bewegung), wodurch eine regelmäßige Durchführung der Lösungsauswahl erfolgen kann. Alternativ kann die Bewegung auch nur bedarfsweise erfolgen. Eine relative definierte Lageänderung des einen Magnetfeldsensors kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass dieser in einer Haltevorrichtung zwischen zwei definierten Endpunkten verschoben wird. Dies kann sowohl translatorisch als auch rotatorisch (beispielsweise mittels eines Scharniers) erfolgen.

Eine„definierte relative Lageänderung" bezieht sich erfindungsgemäß auf die jeweiligen Relativlagen der Rotationsachse des Dipols und des sich zwischen dem Dipol und dem Magnetfeldsensor erstreckenden Ortsvektors während der zwei Einzelmessungen einer Ortungsmessung. Dies kann unabhängig von dem zeitlichen Verlauf der zwei Messungen sein. Während die zwei Einzelmessungen bei den obigen Ausführungsformen zeitlich nacheinander erfolgen und die definierte relative Lageänderung durch eine tatsächliche Lageänderung des Dipols oder des Magnetfeldsensors erzeugt wird, besteht auch die Möglichkeit, die unterschiedlichen Relativlagen dadurch zu erreichen, dass das magnetische Feld (auch gleichzeitig) von mindestens zwei Magnetfeldsensoren gemessen wird, die in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind. Die Auswahl der richtigen Lösung ergibt sich dann daraus, dass die Positionen, die jeweils mittels der beiden Magnetfeldsensoren ermittelt werden, bei der falschen Lösung einen größeren Abstand voneinander haben als die richtigen. Dabei steigt die Genauigkeit der Lösungsauswahl mit dem Abstand zwischen den beiden Magnetfeldsensoren an, wobei bereits bei einem Abstand von 10 cm (und darunter) verwertbare Ergebnisse erreicht werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer auf der Verwendung von zwei Magnetfeldsensoren basierenden Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die zwei Magnetfeldsensoren in Gravitationsrichtung übereinander anzuordnen. Dies kann insbesondere handhabungstechnische und konstruktive Vorteile haben. Unter

Gravitationsrichtung ist hier in Richtung der Erdbeschleunigung bzw. in Richtung der Schwerkraft der Erde zu verstehen.

Da es beim Gebrauch des erfindungsgemäßen Systems schwierig sein kann, die Magnetfeldsensoren exakt in Gravitationsrichtung übereinander auszurichten, kann dieses vorzugsweise weiterhin einen Neigungssensor aufweisen, mit dem die Neigung der zwischen den Magnetfeldsensoren verlaufenden Verbindungslinie relativ zu der Gravitationsrichtung ermittelt werden kann. Dadurch wird ermöglicht, die durch die nicht-exakte Ausrichtung in Gravitationsrichtung erfolgten Lokalisierungsfehler (rech- nerisch) zu kompensieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Magnetfeldsensor so relativ zu der Vorrichtung positioniert wird, dass das Vorzeichen der Koordinate einer ausgewählten Achse des Koordinatensystems eindeutig festgelegt ist. Dies sollte vorzugsweise vor oder zu Beginn der Messung erfolgen. Dadurch können zwei der insgesamt vier Lösungen eliminiert werden, die sich mathematisch aus einer Auswertung des von dem magnetischen Dipol emittierten Magnetfelds ergeben. Die verbliebenen zwei Lösungen können dann erfindungsgemäß durch die definierte Änderung der Relativlage der Rotationsachse des Dipols und des Ortsvektors ausgewertet und so die richtige Lösung ermittelt werden.

Sofern durch eine Bewegung der Vorrichtung die Koordinate der ausgewählten Achse durch Null geht, kommt es zu einem Vorzeichenwechsel nicht nur dieser sondern auch der übrigen Koordinaten; bei diesen sogar sprunghaft. Dieser sprunghafte Wechsel kann dazu verwendet werden, rechnerisch einen Wechsel der Vorzeichen in allen

Koordinaten gegenüber der vorangegangenen Ortungsmessung durchzuführen. Dadurch kann ohne Verzögerung auf die dann richtige, bei den vorherigen Messungen noch falsche der zwei Lösungen gewechselt werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße

System zur Lokalisierung der räumlichen Position eines medizinischen und insbesondere mikrochirurgischen oder endoskopischen Instruments verwendet. Es ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern eignet sich grundsätzlich für die Lokalisierung eines beliebigen, insbesondere schlecht zugänglichen und/oder nicht sichtba- ren Geräts. Beispielsweise sollen hier Erdarbeitsvorrichtungen und insbesondere Horizontalbohrvorrichtungen genannt werden.

Unter einer„Erdarbeitsvorrichtung" wird erfindungsgemäß eine beliebige Vorrichtung zum Erstellen von Bohrungen, zum Aufweiten von Bohrungen sowie zum Einziehen von Rohren oder Leitungen in Bohrungen oder Altrohre innerhalb des Erdreichs verstanden.

Unter„Erdreich" wird erfindungsgemäß jede Anhäufung eines Materials oder Materialgemisches verstanden, in das eine Bohrung eingebracht werden kann; hierunter soll insbesondere nicht nur das Erdreich an sich, sondern auch beliebige Materialschüttun- gen an der Erdoberfläche, wie beispielsweise Baustoffschüttung, fallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt: Fiq. 1 ein erfindungsgemäßes System in einer ersten Ausführungsform;

Fiq. 2 ein erfindungsgemäßes System in einer zweiten Ausführungsform;

Fiq. 3 ein erfindungsgemäßes System in einer dritten Ausführungsform;

Fiq. 4 die für die Ermittlung der Position einer Vorrichtung eines erfindungsgemäßen Systems relevanten physikalischen Größen und deren Zusammenhänge; und

Fig. 5a bis 9 graphische Darstellungen der Ergebnisse einer Messreihe zur

Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System zur Lokalisierung einer Vorrichtung.

Bei der Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein medizinisches Instrument für endoskopische oder mikrochirurgische Anwendungen oder um einen Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung.

Innerhalb der Vorrichtung ist ein magnetischer Dipol 1 (vorliegend ein Permanentmagnet) drehbar gelagert. Der magnetische Dipol 1 ist über eine Welle 2 mit einem Elektromotor 3 verbunden, der diesen rotierend antreibt. Alternativ können z.B. auch ein hydraulischer oder pneumatischer Antrieb, beispielsweise entsprechende Turbinen, vorgesehen sein. Die Rotationsachse 4 des Dipols 1 ist schräg bezüglich der Längsachse 5 der Vorrichtung ausgerichtet. Der rotierende Dipol 1 erzeugt ein magnetisches Feld, das mit diesem mitrotiert. Das magnetische Feld kann von einer, beispielsweise an der Erdoberfläche angeordneten Empfangseinheit 6, die zumindest einen dreiachsigen Magnetfeldsensor 7 umfasst, gemessen und zur Bestimmung der Position des magnetischen Dipols 1 ausgewertet werden. Ausgehend von einem feststehenden Koordinatensystem der Empfangseinheit 6 bzw. des Magnetfeldsensors 7 stellt sich das rotierende magnetische Feld des Dipols 1 als ein sich hinsichtlich der Größe und Richtung ändernder Magnetfeldvektor dar. Konkret kann mittels des Magnetfeldsensors 7 der rotierende Magnetfeldvektor ermittelt werden, dessen Ursprung die Position des rotierenden Dipols 1 definiert. Durch eine Auswertung des durch den Dipol 1 emittierten, sich zeitlich ändernden magnetischen Felds durch die Empfangseinheit 6 kann demnach die Position des sich im Erdreich befindlichen Bohrkopfs bestimmt werden, wobei diese Bestimmung zunächst mathematisch vier unterschiedliche Lösungen hervorbringt. Von diesen Lösungen weisen jeweils zwei in allen Koordinaten identische absolute Größen auf, deren Vorzeichen jedoch entgegengesetzt sind. Es ergeben sich somit zwei Lösungspaare, die zueinander symmetrisch zum Ursprung des Koordinatensystems sind. Aus diesen vier Lösungen wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine eindeutige Lösung ermittelt. Hierzu wird zunächst das„richtige" der beiden Lösungspaare ausgewählt. Dies erfolgt dadurch, dass zu Beginn der Messung bzw. Lokalisierung die Vorrichtung und der Magnetfeldsensor so zueinander positioniert werden, dass der Messwert bezogen auf eine Koordinate des dreiachsigen Koordinatensystems ein möglichst exakt definiertes Vorzeichen erhält. Dadurch kann der Koordinatenraum in zwei„Hemisphären" aufgeteilt werden, die sich im Vorzeichen einer der drei Koordinaten (deutlich) unterscheiden. Aus der Kenntnis der ungefähren Position der Vorrichtung kann das„richtige" Vorzeichen bestimmt werden, was ermöglicht, das„falsche" der beiden Lösungspaare zu selektieren und auszuschließen. Dann ist für die eindeutige Bestimmung der (einzi- gen) richtigen Lösung lediglich noch eine Bestimmung der„richtigen" Lösung aus dem verbliebenen Lösungspaar erforderlich.

Dies erfolgt erfindungsgemäß durch mindestens zwei Einzelmessungen, die sich durch unterschiedliche Relativlagen zwischen der Rotationsachse des Dipols und dem Ortsvektor 10, der sich zwischen dem Ursprung des Koordinatensystems des Magnetfeldsensors 7 und dem Dipol 1 erstreckt, auszeichnen, wobei die unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer (möglichen) Bewegung der Vorrichtung selbst resultieren.

Bei der rechnerischen Ermittlung der richtigen Lösung des verbliebenen Lösungspaars kann es zu einem Vorzeichenwechsel kommen, wenn durch eine Bewegung der

Vorrichtung die für die„Hemisphärenauswahl" herangezogene Koordinate (vorliegend x) durch Null geht, d.h. wenn Ortsvektor und Rotationsachse senkrecht aufeinander stehen. Nun haben aber dadurch, dass immer die zwei zusammengehörigen der insgesamt vier Lösungen spiegelsymmetrisch zum Koordinatenursprung liegen, stets alle Koordinaten dieser beiden Lösungen entgegengesetztes Vorzeichen. Daher sind durch das Zusammenwirken eines Wechsels der Hemisphäre (was gleichbedeutend mit dem Vorzeichenwechsel von x ist) und einem Festhalten am Vorzeichen von x sofort die Vorzeichen der anderen Koordinaten (hier y und z) falsch. Deren Werte (oder zumindest einer dieser beiden Werte) machen deshalb einen deutlichen Sprung. Dies wäre theoretisch nur dann nicht der Fall, wenn alle Koordinaten beim Wechsel der

Hemisphäre durch Null gehen würden, was aber nicht oder nur schwer möglich ist, weil der Magnet dann den Sensor kreuzen müsste. Dieser Sprung ist eindeutig ermittelbar, wenn man z.B. das Kriterium K =

- ,y_M| ⁺ |^z _< - z_f_,| verwendet, wobei i die laufende

Nummer der jeweiligen Ortungsmessung ist. Es wird also die Differenz der y- und z- Koordinaten zweier aufeinanderfolgender Ortungsmessungen (mit jeweils zwei

Einzelmessungen) addiert. Beim Hemisphärenwechsel weist K einen deutlich größeren Wert auf als im gesamten restlichen Verlauf der Ortungsmessungen. Das Auftreten eines solchen„Peaks" kann somit als Aufforderung zum Wechsel der Vorzeichen in allen Koordinaten gegenüber den vorangegangenen Ortungsmessungen verwendet werden. Das Kriterium K ist dabei unabhängig von der Richtung, wird also auch bei einer eventuellen Umkehr der Richtung der zu ortenden Vorrichtung und einem damit ggf. verbundenen erneuten Passieren der„Hemisphärengrenze" wieder einen erneuten Wechsel der Vorzeichen erzwingen. Die erfindungsfähige Ermittlung der richtigen Lösung aus dem so für die Hemisphäre als richtig ermittelten Lösungspaar wird bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durch eine Überlagerung von zwei Rotationsbewegungen des magnetischen Dipols 1 erreicht, nämlich zum einen der Rotation des Dipols 1 um die eigene Rotationsachse 4 und zum anderen durch eine (Mit-)Rotation des innerhalb der Vorrichtung angeordneten Dipols 1 um die Rotationsachse (Längsachse 5) der selbst mittels eines nicht dargestellten Antriebs rotierend angetriebenen Vorrichtung. Die Lage der Rotationsachse 4 wird dadurch kontinuierlich und zyklisch relativ zu dem Ortsvektor 10 verändert. Die Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 unterscheiden sich von derjenigen der

Fig. 1 dahingehend, dass nicht die Lage der Rotationsachse 4 des rotierenden Dipols 1 verändert wird, sondern der Ortsvektor 10 selbst wird zwischen den zwei Einzelmessungen definiert verlagert, indem entweder die (globale) Position des Magnetfeldsensors 7 definiert verändert wird (Fig. 2) oder zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b eingesetzt werden (Fig. 3), woraus sich zwei Ortsvektoren 10a, 10b ergeben, die unterschiedliche Relativlagen zu der Rotationsachse 4 des Dipols 1 aufweisen. In beiden Fällen erfolgt eine Rückrechnung der neuen bzw. zweiten Position auf die alte bzw. erste, um den Einfluss der Lageänderung des einen Magnetfeldsensors 7 bzw. des Abstands zwischen den beiden Magnetfeldsensoren 7a, 7b auf die Lösungsauswahl zu kompensieren.

Die Lageänderung des einen magnetischen Dipols wird bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 dadurch erreicht, dass der Magnetfeldsensor 7 in einem Gestell 8 der Empfangseinheit 6 entlang einer Führung zwischen zwei definierten Positionen ver- fahrbar ist (vgl. Doppelpfeil). Das Verfahren des Magnetfeldsensors 7 erfolgt dabei bedarfsgemäß entweder zyklisch kontinuierlich oder zu definierten Zeitpunkten.

Die zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 sind innerhalb eines Gestells 8 der Empfangseinheit 6 (in Gravitationsrichtung) übereinan- der angeordnet. Da diese Ausrichtung (übereinander) nicht stets exakt sein muss, gleichzeitig jedoch einen Einfluss auf die Genauigkeit der Lösungsauswahl hat, weist die Empfangseinheit zusätzlich noch einen Neigungssensor 9 auf, der eine eventuelle Abweichung von der senkrechten Ausrichtung erfasst, so dass eine entsprechende rechnerische Kompensation erfolgen kann. In der Fig. 4 sind in einem Diagramm schematisch die für die Ermittlung der Position des magnetischen Dipols erforderlichen physikalischen Größen und deren Zusammenhänge dargestellt.

Darin stellt m das magnetische Dipolmoment am Ort des Dipols (Ursprung des Koordinatensystems) dar, B ist die von diesem erzeugte Flussdichte am Ort des Sensors. Der Vektor D (Ortsvektor) zeigt vom Dipol zum Sensor. Θ ist der Winkel zwischen m und D . x ist der Winkel zwischen D und B . n ist der Normalenvektor der Ellipsenebene und v der Vektor, der in die Bewegungsrichtung der Vorrichtung (und damit des Dipols) zeigt (Vortriebsvektor).

In den Fig. 5a bis 9 sind die Ergebnisse einer Messreihe dargestellt, die die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösungsauswahl weiter verdeutlichen. Die Messreihe beruht auf dem Prinzip der Verwendung von zwei Magnetfeldsensoren (vgl. Fig. 3). Die Messungen wurden entlang einer geraden Messstrecke durchgeführt, die in etwa parallel zur x-Achse des Koordinatensystems eines feststehenden Magnetfeldsensors verläuft. Eine Vorrichtung mit einem rotierenden magnetischen Dipol wurde entlang der Messstrecke bewegt, wobei die Schritte mit zunehmender Annäherung an den Magnetfeldsensor immer kleiner wurden. Die x-Koordinate wurde dabei zwischen ± 11 m variiert und der Abstand in y-Richtung betrug ca. 70 cm. Der Magnetfeldsensor wurde für jede Position des magnetischen Dipols nacheinander in vier verschiedenen Höhen angebracht, um bestimmen zu können, welcher Abstand zwischen zwei Magnetfeldsensoren für eine gute Diskriminierung der richtigen Lösung günstig ist. Die unterste Höhe betrug etwa 60 cm oberhalb der Messstrecke (Höhe z); die weiteren drei Höhen des Magnetfeldsensors lagen jeweils 30 cm über der vorangegangenen. In der Auswertung werden diese Positionen als P1 (Höhe z), P2 (Höhe z+30cm), P3 (Höhe z+60cm) und P4 (Höhe z+90cm) bezeichnet.

Die Fig. 5a bis 5d zeigen die Zusammenstellung der Messergebnisse mit diesen vier Positionen des Magnetfeldsensors. Es ist zu erkennen, dass die beiden Lösungen mit dem richtigen Vorzeichen der x-Koordinate (in diesem Fall die Lösungen 3 und 4) beim Passieren des Magnetfeldsensors (also etwa bei x=0) die Rollen tauschen. Für x<0 ist Lösung 4 die richtige, für x>0 die Lösung 3. Die jeweils falsche Lösung entfernt sich extrem rasch von dem richtigen Pfad der Messstrecke.

In den Fig. 6a und 6b sind die Messergebnisse mit den Lösungen 3 und 4 für die vier Magnetfeldsensorhöhen gemeinsam dargestellt, nachdem der oben angegebene Höhenversatz herausgerechnet wurde. Man erkennt, dass die Ortungen mit der richtigen Lösung für alle vier Magnetfeldsensorhöhen quasi zusammenfallen, bei der falschen Lösung hingegen deutlich differieren. Das ist in den Fig. 7a bis 7c noch einmal so zusammengefasst, wie man dies praktisch bei zwei übereinander angeordneten Magnetfeldsensoren auswerten würde. Es wird der geometrische Abstand der mit zwei übereinander angeordneten Magnetfeldsensoren ermittelten Orte berechnet, und zwar für die beiden zur Auswahl stehenden Lösungen. Es ist klar zu sehen, dass dieser Abstand für die richtige Lösung bei Null liegt, während er sich für die falsche Lösung deutlich davon abhebt. Dies ist natürlich umso klarer ausgeprägt, je größer der Abstand zwischen den zwei Magnetfeldsensoren ist.

Die Messergebnisse belegen klar, dass gerade für die Lösungsauswahl beim Passieren des Sensors, also wenn die beiden Lösungen ihre Rolle als richtige und falsche tauschen, das Kriterium des geringeren geometrischen Abstandes der Ortung mit zwei übereinander angeordneten Sensoren ein ganz klares und untrügliches Kriterium darstellt. Allerdings sieht man auch, dass für große Entfernungen, wo die Ortungsgenauigkeit geringer wird, dieses Kriterium durch schlechte Ortungsergebnisse beeinträchtigt werden kann (Fig. 7c). Hier wird die Sicherheit der Auswahl dann umso besser, je größer der geometrische Abstand der Sensoren ist ((P4- P1 ) gibt klarere Ergebnisse als (P3- P1 ) oder gar (P2- P1 )).

Bei dem erfindungsgemäßen Ortungsverfahren steht jedes Ortungsergebnis für sich allein. Sollte durch irgendwelche Fehlereinflüsse einmal die falsche Lösung gewählt werden, hat dies keine Auswirkung auf die nächste Ortung. Dies kann man gut sehen, wenn man einmal die schlechteste Messung für die Lösungsauswahl ansieht. Dies ist natürlich die Messung mit dem geringsten Abstand der Sensoren zueinander, also (P2- P1 ) in der Fig. 7c. Dort gibt es bei den größten Entfernungen auf beiden Seiten einmal den Fall, dass der Lösungsabstand der dort falschen Lösung geringer ist als der der richtigen.

Fig. 8 zeigt die Ortung und die Lösungsauswahl, wie sie aus dem Kriterium des geringeren geometrischen Abstandes resultiert. Man sieht die "Ausrutscher" der falschen Lösung, aber man sieht auch, dass der weitere Ortungsverlauf davon unbeeinträchtigt ist. In Fig. 7d wurde neben den Ortungen der beiden Magnetfeldsensoren auch deren Mittelwert mit angegeben. Dieser erhöht die Genauigkeit der Ortung noch etwas, da doppelt so viele Messwerte eingehen. Die beiden Magnetfeldsensoren können so auch noch zur Steigerung der Güte der Messungen eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Ortung mittels zweier Magnetfeldsensoren kann noch weitere Informationen liefern: Bisher wurde der geometrische Abstand der Lösungen nur für die Auswahl der richtigen Lösung betrachtet. Man kann aber zusätzlich die Größe des Abstandes der richtigen Lösungen als Kriterium für die Güte der Messung verwenden, denn bei richtig guten Messungen muss er nahe Null liegen. Fig. 9 zeigt ein entsprechendes Ergebnis. Es werden nun nur noch die Ortungsergebnisse mit ausreichender Güte angeboten. Man hat also eine zuverlässige Selektionsmöglichkeit, wobei man das Gütekriterium über den zugelassenen Abstand der Lösungen der verwendeten zwei Magnetfeldsensoren einstellen kann. Fig. 9 zeigt auch, dass bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren das

Gebiet um x=0 herum, wo keine der beiden Lösungen wirklich richtig ist, extrem eingeengt werden kann. Die dortige fehlerhafte Abweichung ist hier im Bereich von 5 cm.

Claims

Patentansprüche:

Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Position einer einen rotierenden magnetischen Dipol (1) aufweisenden Vorrichtung unter Verwendung zumindest eines dreiachsigen Magnetfeldsensors (7), wobei das von dem Dipol (1) emittierte magnetische Feld von dem Magnetfeldsensor (7) gemessen und zur Bestimmung der Lagekoordinaten in einem dreiachsigen Koordinatensystem ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einzelmessungen durchgeführt werden, die sich durch eine unterschiedliche Relativlage zwischen der Rotationsachse (4) des Dipols (1) und dem zwischen dem Dipol (1) und dem Magnetfeldsensor (7) gebildeten Ortsvektor (10) auszeichnen, wobei diese unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer Bewegung der Vorrichtung resultieren.

Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Einzelmessungen die Lage der Rotationsachse (4) verändert wird.

Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (1) zusätzlich um eine zweite, schräg bezüglich der ersten Rotationsachse (4) orientierte Rotationsachse (5) rotiert wird.

Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Einzelmessungen die Lage des Magnetfeldsensors (7) relativ zu der Vorrichtung verändert wird.

Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Einzelmessungen mittels zweier Magnetfeldsensoren (7a, 7b) durchgeführt werden.

Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Magnetfeldsensor(en) (7) so relativ zu der Vorrichtung positioniert wird/werden, dass das Vorzeichen der Koordinate einer definierten Achse des Koordinatensystems eindeutig festgelegt ist.

Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn durch eine Bewegung der Vorrichtung die Koordinate der definierten Achse Null beträgt, ein rechnerischer Wechsel des Vorzeichens aller Koordinaten im Vergleich zur vorherigen Messung durchgeführt wird.

8. System zur Ermittlung der räumlichen Position einer Vorrichtung, umfassend die einen rotierenden magnetischen Dipol (1) aufweisende Vorrichtung und zumin- dest einen dreiachsigen Magnetfeldsensor (7), gekennzeichnet durch Mittel für die Durchführung von zumindest zwei Einzelmessungen, die sich durch eine unterschiedliche Relativlage zwischen der Rotationsachse (4) des Dipols (1) und dem (10) zwischen dem Dipol (1) und dem Magnetfeldsensor (7) ausgebildeten Ortsvektor (10) auszeichnen, wobei diese unterschiedlichen Relativlagen nicht aus einer Bewegung der Vorrichtung resultieren.

9. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (1) um eine zweite, schräg bezüglich der ersten Rotationsachse (4) orientierte Rotationsachse (5) rotierbar ist.

10. System gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der den Dipol (1) umfassende Teil der Vorrichtung um die zweite Rotationsachse (5) rotierbar ist.

11. System gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel zur Lageänderung des Magnetfeldsensors (7) relativ zu der Vorrichtung zwischen zumindest zwei definierten Positionen.

12. System gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei dreiachsige Magnetfeldsensoren (7a, 7b).

13. System gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Magnetfeldsensoren (7a, 7b) in einem Abstand von mindestens 10 cm angeordnet sind.

14. System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Magnetfeldsensoren (7a, 7b) in Gravitationsrichtung übereinander angeordnet sind.

15. System gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Neigungssensor (9) zur Ermittlung der relativen Ausrichtung der beiden Magnetfeldsensoren (7a, 7b) bezüglich der Gravitationsrichtung.