DE102010048574A1 - Method and system for determining the position of a device - Google Patents

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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 Dipol emittierte 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.The invention relates to a method for determining the spatial position of a device having a rotating magnetic dipole using at least one triaxial magnetic field sensor, the magnetic field emitted by the magnetic dipole being measured by the magnetic field sensor and evaluated in a triaxial coordinate system to determine the position coordinates at least two individual measurements are carried out which are distinguished by a different relative position between the axis of rotation of the dipole and the location vector which extends between the dipole and the magnetic field sensor, these different relative positions not resulting from a movement of the device.

Description

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.The invention relates to a method for determining the position of a device having a rotating magnetic dipole using at least one three-axis magnetic sensor, wherein the magnetic field emitted by the magnetic dipole is measured by the magnetic field sensor and evaluated to determine the position coordinates in a three-axis coordinate system. The invention further relates to a system for carrying out such a method comprising the device having a rotating magnetic dipole and at least one triaxial magnetic field sensor.

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 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.Microsurgical and endoscopic instruments used in medicine are used in particular for diagnostics and operations on sensitive or difficult to access tissues and organs. These procedures are usually computer and / or camera controlled and usually require a maximum of precise positioning, positioning and movement of the instruments. For this purpose, probe systems such as magnetic or electromagnetic probes are used. So be in the US 5,836,869 and the US 6,248,074 Magnetic field or magnetic field sensors described that measure the three spatial coordinates of a moving magnetic field. As a result, however, no spatially accurate or timely position determination of the endoscopic device is possible. This is explained by the fact that in the US 5,836,869 described type of determination of the magnetic field coordinates in the local three-axis, consisting of three mutually perpendicular coils magnet makes the measurement of three different magnetic fields necessary that are time-shifted successively measured to avoid interference, by applying a delay to the individual coils with electrical voltage become. The measurement takes place here outside the patient and also requires a conversion in order to be able to estimate the position of the endoscope in the body.

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 Region zu messen oder die Beeinträchtigung der Messgenauigkeit durch äußere magnetische Felder.The US 6,248,074 describes the attachment of a magnetic field source outside the patient. The localization takes place here by determining the relative position of the detector to the external magnetic field via a magnetic field sensor attached to the distal end of the endoscope. Again, only a relatively inaccurate measurement is possible because endoscope and sensor are moved relative to the fixed magnetic field and thus no exact relation between the fixed magnetic field coordinates and the changing spatial orientation of the sensor is given. In addition, there are other obstacles and factors that affect the accuracy, such as the problem of measuring in regions far away from the surface of the body or the impairment of the accuracy of measurement due to external magnetic fields.

Ein gegenüber dem zuvor beschriebenen verbesserte 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 Magnetfeldsensoren ermittelt werden kann. Als konkrete Ausführungsform wird ein kurzfristiges Stoppen oder Kippen des Dipols in einer definierten Relativlage bezüglich des Gehäuses beschrieben.An improved method for locating a device as described above is known from US Pat WO 2003/103492 A1 known. Therein it is disclosed to arrange a magnetic dipole in the housing of a medical device or, for example, also of a drill head, which is rotationally driven independently of an optionally occurring rotation of the housing. To locate the device, the magnetic field generated by the magnetic dipole is measured and evaluated by a three-axis magnetic field sensor (fluxgate). This makes it possible to accurately determine the position of, for example, a medical device in the body of a patient. In the WO 2003/103492 A1 also discloses a way to determine the roll angle of the housing of the device. For this purpose, a variable component of the magnetic field, which depends on the roll angle, generated, which can be determined by the magnetic field sensors. As a concrete embodiment, a short-term stopping or tilting of the dipole in a defined relative position with respect to the housing is described.

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 auswertbare 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.A further development of the WO 2003/103492 A1 known method is in the DE 10 2005 051 357 A1 disclosed. There it is provided that the independent of the device rotatably driven dipole no longer rotate about a rotational axis, which is arranged coaxially or parallel to the axis of rotation of the self-rotating device driven, but obliquely thereto. This is intended to ensure that the position of the magnetic field generated by the magnet is set in an evaluable relative dependence on the housing. As a result, despite the independence of the rotation of the device from that of the magnetic dipole disposed therein, it can be concluded by an evaluation of the magnetic field on the roll angle of the device.

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.Both in the method according to the WO 2003/103492 A1 as well as at the DE 10 2005 051 357 A1 a problem remains unresolved. The localization of the magnet via a measurement and evaluation of the magnetic field emitted by this corresponds to the solution of a so-called "inverse problem". An inverse problem is the task of deducing the cause from the effects of a system. In general, an inverse problem is not uniquely solvable.

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.In the from the WO 2003/103492 A1 known method is the inverse problem is to reconstruct from the magnetic field of the rotating magnetic dipole the location and orientation of the magnetic dipole. This is not without Further possible, because in a merely mathematical evaluation of the measured magnetic field results for the retroactive calculation of the location of the magnet four equivalent solutions. Without additional information, it is therefore not possible to select the right one from the four solutions offered. Therefore, it is necessary for the implementation of the WO 2003/103492 A1 known method, for example, by a visual estimation, to define boundary conditions by means of which the four mathematical solutions can be reduced to one. But this is just the case in the WO 2003/103492 A1 mentioned applications, namely the localization of an endoscopic medical instrument or a horizontal drilling usually not possible because a visual contact with the instrument or the drilling device is not given. A further problem is that the selection of the correct solution depends on how the axis of rotation of the magnet and the position vector extending between the magnetic dipole and the magnetic field sensor are oriented relative to one another. Thus, this selection changes when the angle between these two factors (axes of rotation and position vector) passes through 90 ° (ie from <90 ° to> 90 ° alternating or vice versa). The approach of initially selecting a correct solution as boundary condition by sight, and then extrapolating from the course of the localized locations of the magnetic dipole into the future and seeing which of the offered solutions comes closest to this extrapolation, can in many situations lead to wrong results.

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.The invention was therefore based on the object of specifying an improved method and a corresponding system for determining the spatial position of a device. In particular, a simpler and / or more accurate localization should be achieved.

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.This object is achieved by a method according to independent claim 1 and by a system according to independent claim 7. Advantageous embodiments are the subject of the respective dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.

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.The core of the method according to the invention is to perform at least two individual measurements for a location measurement, which are characterized by a different relative position between the axis of rotation of the dipole and the position vector extending between the dipole and the magnetic field sensor, these different relative positions not from a possible movement of the device result, d. H. are independent of it.

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.The choice to choose the right solution then results from the fact that the two measurements make it impossible to find the right solution - unlike the wrong one - or only to a lesser extent (in case of movement of the magnetic field sensor and / or the device itself). changed.

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.Since in the (real) application of the method according to the invention, the measured values of the magnetic field sensor are superimposed by noise, can not be determined twice (or several times) exactly the same place at the defined relative change in position usually. The more general selection criterion for determining the correct solution is therefore to select the solution whose location changes less with the change in position.

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.The solution selection according to the invention, d. H. In order to determine which solution does not leave its value (ie the determined position) or only relatively little in a comparison of different relative positions of the axis of rotation and the position vector, no extrapolation of future solutions on the basis of already determined solutions is required.

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.A corresponding system according to the invention comprises, in addition to a device comprising a rotating magnetic dipole and (at least) a triaxial magnetic field sensor, i. H. a magnetic field sensor, which can determine the strength (magnetic flux density) of a magnetic field in at least three different coordinates, also means for performing at least two individual measurements, wherein the individual measurements by a different relative position between the axis of rotation of the dipole and between the dipole and the magnetic field sensor extending position vector characterized, wherein the different relative positions do not result from a movement of the device.

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.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the different relative positions between the axis of rotation and the position vector are achieved by changing the position of the axis of rotation of the magnetic dipole for the two individual measurements. This embodiment has the particular advantage that as a result the positions of the magnetic dipole (apart from a possible movement of the device itself) and the sensor do not change globally, and thus the selection of the correct solution according to the invention is easily verifiable.

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.Structurally, this can be implemented by the dipole in a system according to the invention, for example, is rotatable about an additional second axis of rotation, which is arranged obliquely with respect to the first axis of rotation of the dipole. By This superimposition of the two rotations of the magnetic dipole results in a cyclic (with a constant rotation about both axes of rotation) change in position of the (first) axis of rotation to the position vector, which can be used to select the correct solution according to the invention. For the solution selection already an inclination of the two axes of rotation of the magnetic dipole ranges by a few degrees (preferably at least 3 °), the accuracy with which a selection can be made, with increasing inclination increases. The inclination can reach up to an angle of 90 °, in which the (first) axis of rotation of the magnetic dipole rotates in a circle.

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.A rotation of the dipole about an additional second axis of rotation oriented obliquely with respect to the first axis of rotation can be achieved on the device side by rotating the device within which the magnetic dipole is arranged itself about a rotation axis and thus representing this axis of rotation as the second axis of rotation.

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 Lageänderung 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.Another possibility for achieving a defined change in the relative position between the axis of rotation of the dipole and the position vector can be achieved in that the position of the magnetic field sensor (possibly additionally by a change in position due to the movement of the device) between the two individual measurements relative to the Device is changed, and preferably along a defined path or between two or more defined positions. This can be done on the device side by suitable means for changing the position of the magnetic field sensor relative to the device between at least two defined positions. This solution, in which the relative change in position is achieved by a defined change in the location of the magnetic field sensor, allows the selection of the correct solution, in turn, that the correct solution as the one whose result does not change or only to a lesser extent despite the change in position , represents. Of course, the defined change in position of the magnetic field sensor must be taken into account and mathematically corrected. The magnetic field sensor can then be moved continuously between the at least two defined positions (eg by an alternating or rotating movement), whereby a regular selection of the solution can be carried out. Alternatively, the movement can only take place as needed.

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.A relative defined change in position of the one magnetic field sensor can be achieved, for example, by displacing it in a holding device between two defined end points. This can be done both translationally and rotationally (for example by means of a hinge).

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.A "defined relative change in position" according to the invention relates to the respective relative positions of the axis of rotation of the dipole and the position vector extending between the dipole and the magnetic field sensor during the two individual measurements of a position measurement. This may be independent of the time course of the two measurements. While the two individual measurements in the above embodiments take place one after the other in time and the defined relative change in position is produced by an actual change in position of the dipole or of the magnetic field sensor, it is also possible to achieve the different relative positions in that the magnetic field (also simultaneously) of at least two magnetic field sensors is measured, which are arranged at a defined distance from each other. The choice of the right solution then results from the fact that the positions, which are each determined by means of the two magnetic field sensors, in the wrong solution have a greater distance from each other than the correct ones. The accuracy of the solution selection increases with the distance between the two magnetic field sensors, whereby even at a distance of 10 cm (and below) usable results can be achieved.

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.In an advantageous embodiment of an embodiment of the invention based on the use of two magnetic field sensors, it is provided to arrange the two magnetic field sensors in the direction of gravity one above the other. This can in particular have handling and design advantages.

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 (rechnerisch) zu kompensieren.Since it may be difficult to align the magnetic field sensors exactly in the gravitational direction when using the system according to the invention, this may preferably further comprise an inclination sensor with which the inclination of the connecting line extending between the magnetic field sensors relative to the gravitational direction can be determined. This makes it possible to (computationally) compensate for the localization errors caused by the non-exact alignment in the direction of gravity.

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.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, provision may be made for the magnetic field sensor to be positioned relative to the device such that the sign of the coordinate of a selected axis of the coordinate system is uniquely determined. This should preferably be done before or at the beginning of the measurement. Thereby two of the four solutions can be eliminated, which can be mathematically calculated from an evaluation of the magnetic dipole emitted magnetic field. The remaining two solutions can then be evaluated according to the invention by the defined change in the relative position of the axis of rotation of the dipole and the position vector and thus the correct solution can be determined.

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.If, due to a movement of the device, the coordinate of the selected axis passes through zero, there is a sign change not only of this, but also of the other coordinates; in these even jumpy. This erratic change can be used to perform a mathematical change of the sign in all coordinates compared to the previous location measurement. This can be changed without delay to the then correct, in the previous measurements still wrong of the two solutions.

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 sichtbaren Geräts. Beispielsweise sollen hier Erdarbeitsvorrichtungen und insbesondere Horizontalbohrvorrichtungen genannt werden.The method according to the invention or the system according to the invention is preferably used to localize the spatial position of a medical and in particular a microsurgical or endoscopic instrument. However, it is not limited to this application, but is in principle suitable for the localization of any, especially poorly accessible and / or invisible device. For example, here Erdarbeitsvorrichtungen and horizontal drilling devices are called.

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.Under a "Erdarbeitsvorrichtung" according to the invention any device for creating holes, for expanding holes and for pulling pipes or pipes in holes or old pipes understood within the soil.

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 Materialschüttungen an der Erdoberfläche, wie beispielsweise Baustoffschüttung, fallen.Under "soil" is understood according to the invention any accumulation of a material or material mixture into which a bore can be introduced; This should include in particular not only the soil itself, but also any bulk material on the surface, such as building material, fall.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings.

In den Zeichnungen zeigt:In the drawings shows:

1 ein erfindungsgemäßes System in einer ersten Ausführungsform; 1 a system according to the invention in a first embodiment;

2 ein erfindungsgemäßes System in einer zweiten Ausführungsform; 2 a system according to the invention in a second embodiment;

3 ein erfindungsgemäßes System in einer dritten Ausführungsform; 3 a system according to the invention in a third embodiment;

4 die für die Ermittlung der Position einer Vorrichtung eines erfindungsgemäßen Systems relevanten physikalischen Größen und deren Zusammenhänge; und 4 the physical quantities relevant for determining the position of a device of a system according to the invention and their relationships; and

5a bis 9 graphische Darstellungen der Ergebnisse einer Messreihe zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5a to 9 graphical representations of the results of a series of measurements to illustrate the method according to the invention.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System zur Lokalisierung einer Vorrichtung.The 1 shows a schematic representation of an inventive system for locating a device.

Bei der Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein medizinisches Instrument für endoskopische oder mikrochirurgische Anwendungen oder um einen Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung.The device is, for example, a medical instrument for endoscopic or microsurgical applications or a drill head of a horizontal drilling device.

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.Inside the device is a magnetic dipole 1 (in the present case a permanent magnet) rotatably mounted. The magnetic dipole 1 is about a wave 2 with an electric motor 3 connected, which drives this rotating. Alternatively, z. As well as a hydraulic or pneumatic drive, such as corresponding turbines may be provided. The rotation axis 4 of the dipole 1 is oblique with respect to the longitudinal axis 5 aligned with the device. The rotating dipole 1 creates a magnetic field that co-rotates with it. The magnetic field can be from a receiving unit arranged, for example, on the earth's surface 6 that has at least a three-axis magnetic field sensor 7 includes, measured and for determining the position of the magnetic dipole 1 be evaluated. Starting from a fixed coordinate system of the receiving unit 6 or the magnetic field sensor 7 turns the rotating magnetic field of the dipole 1 as a magnetic field vector changing in size and direction. Concretely, by means of the magnetic field sensor 7 the rotating magnetic field vector whose origin is the position of the rotating dipole 1 Are defined. By an evaluation of the by the dipole 1 emitted, time-varying magnetic field by the receiving unit 6 Accordingly, the position of the drill head located in the ground can be determined, this determination first mathematically produces four different solutions. Of these solutions, each have two identical absolute coordinates in all coordinates, but their signs are opposite. This results in two pairs of solutions, which are symmetrical to each other to the origin of the coordinate system. From these four solutions, a clear solution is determined by the method according to the invention.

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 (einzigen) richtigen Lösung lediglich noch eine Bestimmung der „richtigen” Lösung aus dem verbliebenen Lösungspaar erforderlich.For this purpose, first the "correct" of the two solution pairs is selected. This is done by the fact that at the beginning of the measurement or localization the Device and the magnetic field sensor are positioned to each other so that the measured value with respect to a coordinate of the three-axis coordinate system receives a sign as accurately defined as possible. As a result, the coordinate space can be divided into two "hemispheres" which differ (clearly) in the sign of one of the three coordinates. From the knowledge of the approximate position of the device, the "correct" sign can be determined, allowing to select and exclude the "wrong" of the two pairs of solutions. Then, for the unambiguous determination of the (only) correct solution, only a determination of the "right" solution from the remaining solution pair is required.

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.This is done according to the invention by at least two individual measurements, which differ by different relative positions between the axis of rotation of the dipole and the position vector 10 , which lies between the origin of the coordinate system of the magnetic field sensor 7 and the dipole 1 extends, distinguished, wherein the different relative positions do not result from a (possible) movement of the device itself.

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 = |yi – yi-1| + |z – zi-1| 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.In the computational determination of the correct solution of the remaining pair of solutions, there may be a change of sign if the coordinate used for the "hemispherical selection" (in this case x) goes through zero, ie if the position vector and the axis of rotation are perpendicular to one another. Now, however, that always the two associated ones of the four solutions are mirror-symmetrical to the origin of coordinates, all coordinates of these two solutions always have opposite signs. Therefore, by the interaction of a change of the hemisphere (which is equivalent to the sign change of x) and a hold on the sign of x, the signs of the other coordinates (here y and z) are immediately wrong. Their values (or at least one of these two values) therefore make a significant leap. This would theoretically only not be the case if all the coordinates were to go through zero when changing the hemisphere, which is not or only with difficulty possible because the magnet would then have to cross the sensor. This jump is clearly determinable, if z. For example, the criterion K = | y i - y i-1 | + | z - z i-1 | used, where i is the sequence number of the respective location measurement. Thus, the difference of the y and z coordinates of two successive positioning measurements (each with two individual measurements) is added. In the hemispheric change, K has a significantly greater value than in the entire remaining course of the location measurements. The occurrence of such a "peak" can thus be used as a request to change the signs in all coordinates with respect to the previous positioning measurements. The criterion K is independent of the direction, so even with a possible reversal of the direction of the device to be located and thus possibly associated re-passing the "hemispherical boundary" again force a change of sign.

Die erfindungsfähige Ermittlung der richtigen Lösung aus dem so für die Hemisphäre als richtig ermittelten Lösungspaar wird bei der in der 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.The feasible determination of the correct solution from the thus for the hemisphere as correctly determined solution pair becomes in the in the 1 illustrated embodiment by a superposition of two rotational movements of the magnetic dipole 1 achieved, namely on the one hand, the rotation of the dipole 1 around its own axis of rotation 4 and on the other hand by a (co-) rotation of the dipole arranged inside the device 1 around the axis of rotation (longitudinal axis 5 ) of the device by means of a drive, not shown, driven in rotation. The position of the rotation axis 4 thereby becomes continuous and cyclic relative to the location vector 10 changed.

Die Ausführungsform gemäß den 2 und 3 unterscheiden sich von derjenigen der 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 (2) oder zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b eingesetzt werden (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.The embodiment according to the 2 and 3 differ from those of 1 to the extent that not the location of the axis of rotation 4 of the rotating dipole 1 is changed, but the location vector 10 itself is shifted between the two individual measurements defined by either the (global) position of the magnetic field sensor 7 is changed in a defined way ( 2 ) or two magnetic field sensors 7a . 7b be used ( 3 ), resulting in two position vectors 10a . 10b result, the different relative positions to the axis of rotation 4 of the dipole 1 exhibit. In both cases, a recalculation of the new or second position to the old or first, to the influence of the change in position of a magnetic field sensor 7 or the distance between the two magnetic field sensors 7a . 7b to compensate for the solution selection.

Die Lageänderung des einen magnetischen Dipols wird bei der Ausführungsform gemäß der 2 dadurch erreicht, dass der Magnetfeldsensor 7 in einem Gestell 8 der Empfangseinheit 6 entlang einer Führung zwischen zwei definierten Positionen verfahrbar ist (vgl. Doppelpfeil). Das Verfahren des Magnetfeldsensors 7 erfolgt dabei bedarfsgemäß entweder zyklisch kontinuierlich oder zu definierten Zeitpunkten.The change in position of the one magnetic dipole is in the embodiment according to the 2 achieved in that the magnetic field sensor 7 in a rack 8th the receiving unit 6 along a guide between two defined positions is movable (see double arrow). The method of the magnetic field sensor 7 If necessary, this takes place either cyclically continuously or at defined times.

Die zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b bei der Ausführungsform gemäß der 3 sind innerhalb eines Gestells 8 der Empfangseinheit 6 (in Gravitationsrichtung) übereinander 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.The two magnetic field sensors 7a . 7b in the embodiment according to the 3 are inside a frame 8th the receiving unit 6 (in the direction of gravity) arranged one above the other. Since this alignment (one above the other) does not always have to be exact, but at the same time has an influence on the accuracy of the solution selection, the receiving unit additionally has a tilt sensor 9 on, a possible deviation from the detected vertical alignment, so that a corresponding computational compensation can be made.

In der 4 sind in einem Diagramm schematisch die für die Ermittlung der Position des magnetischen Dipols erforderlichen physikalischen Größen und deren Zusammenhänge dargestellt.In the 4 are shown in a diagram schematically the physical quantities required for the determination of the position of the magnetic dipole and their relationships.

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 → . χ 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).Here, m → represents the magnetic dipole moment at the location of the dipole (origin of the coordinate system), B → is the flux density generated by this at the location of the sensor. The vector D → (position vector) points from the dipole to the sensor. θ is the angle between m → and D →. χ is the angle between D → and B →. n → is the normal vector of the ellipse plane and v → the vector pointing in the direction of movement of the device (and thus of the dipole) (propulsion vector).

In den 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. 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 + 30 cm), P3(Höhe z + 60 cm) und P4(Höhe z + 90 cm) bezeichnet.In the 5a to 9 the results of a series of measurements are shown, which further illustrate the operation of the solution selection according to the invention. The series of measurements is based on the principle of using two magnetic field sensors (cf. 3 ). The measurements were carried out along a straight measurement path which runs approximately parallel to the x-axis of the coordinate system of a stationary magnetic field sensor. A device with a rotating magnetic dipole was moved along the measuring path, the steps becoming smaller and smaller with increasing proximity to the magnetic field sensor. The x-coordinate was varied between ± 11 m and the distance in the y-direction was about 70 cm. The magnetic field sensor was sequentially mounted at four different heights for each position of the magnetic dipole to determine which distance between two magnetic field sensors is favorable for good discrimination of the correct solution. The lowest height was about 60 cm above the measuring section (height z); the other three heights of the magnetic field sensor were each 30 cm above the previous one. In the evaluation, these positions are referred to as P1 (height z), P2 (height z + 30 cm), P3 (height z + 60 cm) and P4 (height z + 90 cm).

Die 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.The 5a to 5d show the compilation of the measurement results with these four positions of the magnetic field sensor. It can be seen that the two solutions with the correct sign of the x-coordinate (in this case solutions 3 and 4) exchange the roles when passing through the magnetic field sensor (ie at x = 0). For x <0 solution 4 is the right one, for x> 0 it is solution 3. The wrong solution moves extremely quickly away from the correct path of the measurement path.

In den 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.In the 6a and 6b For example, the measurement results are shown together with solutions 3 and 4 for the four magnetic field sensor heights after the above height offset has been eliminated. It can be seen that the locations coincide with the correct solution for all four magnetic field sensor heights, but differ significantly in the wrong solution.

Das ist in den 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.That is in the 7a to 7c summarized again as you would interpret this practically in two superimposed magnetic field sensors. It calculates the geometric distance of the determined with two superimposed magnetic field sensors locations, namely for the two available solutions. It is clear that for the right solution this distance is zero, while it stands out clearly for the wrong solution. Of course, this is the clearer the greater the distance between the two magnetic field sensors.

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 (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)).The measurement results clearly show that the criterion of the lower geometric distance of the location with two superimposed sensors represents a very clear and infallible criterion, especially for the solution selection when passing the sensor, ie when the two solutions exchange their roles as correct and incorrect. However, it can also be seen that for long distances, where locating accuracy decreases, this criterion can be affected by poor locating results ( 7c ). Here, the safety of the selection becomes the better, the greater the geometric distance of the sensors ((P4 · -P1) gives clearer results than (P3 · -P1) or even (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 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.In the location method according to the invention, each locating result stands alone. Should the wrong solution be chosen due to any error, this has no effect on the next location. This is easy to see, considering the worst choice for solution selection. This is of course the measurement with the smallest distance of the sensors to each other, so (P2 · - P1) in the 7c , There, at the greatest distances on both sides, there is the case that the solution distance of the wrong solution is lower than that of the right one.

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 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. 8th shows the location and the solution selection, as it results from the criterion of the lower geometric distance. You can see the "slip-up" of the wrong solution, but you can also see that the further tracking of it is unaffected. In 7d In addition to the location of the two magnetic field sensors, their mean value was also indicated. This increases the accuracy of the location a bit more, since twice as many measurements are received. The two magnetic field sensors can also be used to increase the quality of the measurements.

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. 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. The location according to the invention by means of two magnetic field sensors can provide further information: So far, the geometric distance of the solutions was considered only for the selection of the correct solution. But you can also use the size of the distance of the right solutions as a criterion for the quality of the measurement, because with really good measurements, it must be close to zero. 9 shows a corresponding result. Now only the location results are offered with sufficient quality. So you have a reliable selection option, where you can set the quality criterion on the allowable distance of the solutions of the two magnetic field sensors used.

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. 9 also shows that in the method according to the invention described here, the area around x = 0, where neither of the two solutions is really correct, can be extremely narrowed. The erroneous deviation there is in the range of 5 cm.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (15)

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.Method for determining the spatial position of a rotating magnetic dipole ( 1 ) using at least one three-axis magnetic field sensor ( 7 ), whereas that of the dipole ( 1 ) emitted magnetic field from the magnetic field sensor ( 7 ) is measured and evaluated to determine the position coordinates in a three-axis coordinate system, characterized in that at least two individual measurements are performed, which are characterized by a different relative position between the axis of rotation ( 4 ) of the dipole ( 1 ) and between the dipole ( 1 ) and the magnetic field sensor ( 7 ) formed position vector ( 10 ), wherein these different relative positions do not result from a movement of the device. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Einzelmessungen die Lage der Rotationsachse (4) verändert wird.A method according to claim 1, characterized in that between the two individual measurements, the position of the axis of rotation ( 4 ) is changed. 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.Process according to claim 2, characterized in that the dipole ( 1 ) in addition to a second, obliquely with respect to the first axis of rotation ( 4 ) oriented axis of rotation ( 5 ) is rotated. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Einzelmessungen die Lage des Magnetfeldsensors (7) relativ zu der Vorrichtung verändert wird.A method according to claim 1, characterized in that between the two individual measurements, the position of the magnetic field sensor ( 7 ) is changed relative to the device. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Einzelmessungen mittels zweier Magnetfeldsensoren (7a, 7b) durchgeführt werden.A method according to claim 1, characterized in that the two individual measurements by means of two magnetic field sensors ( 7a . 7b ) be performed. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field sensor (s) ( 7 ) is positioned relative to the device so that the sign of the coordinate of a defined axis of the coordinate system is uniquely determined. 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.A method according to claim 7, characterized in that, if by a movement of the device, the coordinate of the defined axis is zero, a mathematical change of the sign of all coordinates is performed in comparison to the previous measurement. System zur Ermittlung der räumlichen Position einer Vorrichtung, umfassend die einen rotierenden magnetischen Dipol (1) aufweisende Vorrichtung und zumindest 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.System for determining the spatial position of a device comprising a rotating magnetic dipole ( 1 ) and at least one triaxial magnetic field sensor ( 7 ), characterized by means for performing at least two individual measurements, which are characterized by a different relative position between the axis of rotation ( 4 ) of the dipole ( 1 ) and the ( 10 ) between the dipole ( 1 ) and the magnetic field sensor ( 7 ) formed location vector ( 10 ), wherein these different relative positions do not result from a movement of the device. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (1) um eine zweite, schräg bezüglich der ersten Rotationsachse (4) orientierte Rotationsachse (5) rotierbar ist.System according to claim 8, characterized in that the dipole ( 1 ) about a second, obliquely with respect to the first axis of rotation ( 4 ) oriented axis of rotation ( 5 ) is rotatable. System gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der den Dipol (1) umfassende Teil der Vorrichtung um die zweite Rotationsachse (5) rotierbar ist.System according to claim 9, characterized in that at least the dipole ( 1 ) comprehensive part of the device about the second axis of rotation ( 5 ) is rotatable. System gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel zur Lageänderung des Magnetfeldsensors (7) relativ zu der Vorrichtung zwischen zumindest zwei definierten Positionen.System according to claim 8, characterized by means for positional change of the magnetic field sensor ( 7 ) relative to the device between at least two defined positions. System gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei dreiachsige Magnetfeldsensoren (7a, 7b).System according to claim 8, characterized by two triaxial magnetic field sensors ( 7a . 7b ). System gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Magnetfeldsensoren (7a, 7b) in einem Abstand von mindestens 10 cm angeordnet sind.System according to claim 12, characterized in that the two magnetic field sensors ( 7a . 7b ) are arranged at a distance of at least 10 cm. System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Magnetfeldsensoren (7a, 7b) in Gravitationsrichtung übereinander angeordnet sind.System according to claim 13, characterized in that the two magnetic field sensors ( 7a . 7b ) are arranged one above the other in the direction of gravity. System gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Neigungssensor (9) zur Ermittlung der relativen Ausrichtung der beiden Magnetfeldsensoren (7a, 7b) bezüglich der Gravitationsrichtung.System according to claim 14, characterized by a tilt sensor ( 9 ) for determining the relative orientation of the two magnetic field sensors ( 7a . 7b ) with respect to the direction of gravity.
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