DE102016221827A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, welcher fest in einem Fahrzeug angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs und Vorrichtung zur Kalibrierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors (20), welcher fest in einem Fahrzeug (5) angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs (5). Hierbei werden erste, zweite und dritte Beschleunigungswerten (21, 22, 23) entlang einer ersten, zweiten und dritten Achse (xl, yl, zl) innerhalb einer ersten Zeitspanne (T1) erfasst und anschließend tiefpassgefiltert. Daraufhin wird ein normierter Gravitationsvektor bestimmt, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt (tx) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) zum bestimmen Zeitpunkt (tx) nicht bewegt. Anschließend wird ein normierter Bewegungsvektors, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne (T2) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) während der zweiten Zeitspanne (T2) bewegt, in Abhängigkeit von gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten (24, 25, 26) innerhalb der zweiten Zeitspanne (T2) bestimmt, wobei die zweite Zeitspanne (T2) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) liegt. Daraufhin wird eine Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor bestimmt und schließlich das erste Koordinatensystem auf das zweite Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix kalibriert.Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung (10) mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor (20) und einer Verarbeitungseinheit (30), wobei die Vorrichtung (10) fest an einem Fahrzeug (5) angeordnet ist und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, welcher fest in einem Fahrzeug angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs sowie Vorrichtung auf welcher solch ein Verfahren abläuft.
• Solch ein Verfahren ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift WO 2014/130078 A1 offenbart. Dort wird anhand von Beschleunigungswerten eines dreiachsigen Beschleunigungssensors und einer Bewegungserkennung mittels eines GPS-Sensors die Kalibrierung des Koordinatensystems des Beschleunigungssensors auf das Koordinatensystem eines Fahrzeugs durchgeführt. Hierbei ist der Beschleunigungssensor fest im Fahrzeug angeordnet.
• Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Vorrichtung fest an einem Fahrzeug angeordnet ist und wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, welcher fest in einem Fahrzeug angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
• a. Erfassen einer Mehrzahl von ersten Beschleunigungswerten entlang einer ersten Achse, zweiten Beschleunigungswerten entlang einer zweiten Achse und dritten Beschleunigungswerten entlang einer dritten Achse jeweils innerhalb einer ersten Zeitspanne, wobei die erste, zweite und dritte Achse das erste Koordinatensystem bilden,
• b. Tiefpassfiltern der ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte,
• c. Bestimmen eines normierten Gravitationsvektors, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der ersten Zeitspanne vorliegt, wenn sich das Fahrzeug zum bestimmen Zeitpunkt nicht bewegt, indem ein Gravitationsvektor aus je einem gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswert des bestimmten Zeitpunkts gebildet und dieser Gravitationsvektor anschließend normiert wird,
• d. Bestimmen eines normierten Bewegungsvektors, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne vorliegt, wenn sich das Fahrzeug während der zweiten Zeitspanne bewegt, in Abhängigkeit von den gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten innerhalb der zweiten Zeitspanne, wobei die zweite Zeitspanne innerhalb der ersten Zeitspanne liegt,
• e. Bestimmen einer Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor,
• f. Kalibrieren des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass der Beschleunigungssensor dazu ausreicht, die Kalibrierung durchzuführen. Hierfür ist also kein weiterer Sensor nötig. Dies spart sowohl Herstellungskosten als auch Bauraum. Zudem kann das Verfahren unabhängig vom Fahrzeugtyp durchgeführt werden, wobei das erste Koordinatensystem unabhängig von der Anordnung der Vorrichtung am Fahrzeug auf das zweite Koordinatensystem kalibriert werden kann.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kalibrieren im Verfahrensschritt f erfolgt, indem die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte oder auch zukünftig mittels des Beschleunigungssensors erfasste Beschleunigungswerte mit der Rotationsmatrix multipliziert werden, um kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte zu erhalten.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass die erfassten Beschleunigungswerte nach der Kalibrierung an das Koordinatensystem des Fahrzeugs angepasst sind.
• Hierdurch kann anschließend anhand der kalibrierten Beschleunigungswerte auf aufgetretene Fahrereignisse des Fahrzeugs geschlossen werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bedingung im Verfahrensschritt c, dass das Fahrzeug sich zum bestimmten Zeitpunkt nicht bewegt, dadurch geprüft wird, dass sich jeweils ein maximaler und minimaler, gefilterter, erster, zweiter und dritter Beschleunigungswert innerhalb einer dritten Zeitspanne, in welcher der bestimmte Zeitpunkt liegt, höchstens um einen bestimmten Grenzwert voneinander unterscheiden.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass die Konstanz der ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte innerhalb der dritten Zeitspanne, ein klarer Hinweis dafür ist, dass sich das Fahrzeug nicht bewegt. Bewegt sich das Fahrzeug nicht, kann angenommen werden, dass der Gravitationsvektor, welcher anhand der Beschleunigungswerte bestimmt werden kann genau in vertikaler Richtung zum Fahrzeug zeigen müsste, um zum zweiten Koordinatensystem zu passen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der normierte Bewegungsvektor im Verfahrensschritt d bestimmt wird, indem jeweils ein Maxima und Minima der gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte der zweiten Zeitspanne bestimmt werden, anschließend eine Differenz zwischen Maxima und Minima für jede der Achsen ermittelt wird und anschließend ein sich daraus ergebender Bewegungsvektor normiert wird.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache Möglichkeit darstellt, einen normierten Bewegungsvektor zu bestimmen. Somit kann Rechenleistung eingespart werden, wodurch wiederum der Energieverbrauch reduziert werden kann. Der normierte Bewegungsvektor zeigt dann die Richtung der Bewegung des Beschleunigungssensors auf, welche anschließend mit einer angenommen Richtung einer Bewegung des Fahrzeugs verglichen werden, um das erste Koordinatensystem auf das zweite Koordinatensystem kalibrieren zu können.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Verfahrensschritt c ein Verfahrensschritt g durchgeführt wird, in welchem geprüft wird, ob der im Verfahrensschritt c bestimmte, normierte Gravitationsvektor fehlerhaft ist und in diesem Fall mit dem Verfahrensschritt d fortgefahren wird.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass das Verfahren abgebrochen werden kann, wenn der bestimmte, normierte Gravitationsvektor bereits korrekt kalibriert ist. Dies schont erneut Systemressourcen und spart Energie ein.
• Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Vorrichtung fest an einem Fahrzeug angeordnet ist und wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von ersten Beschleunigungswerten entlang einer ersten Achse, zweiten Beschleunigungswerten entlang einer zweiten Achse und dritten Beschleunigungswerten entlang einer dritten Achse jeweils innerhalb einer ersten Zeitspanne mittels des Beschleunigungssensors zu erfassen, wobei die erste, zweite und dritte Achse das erste Koordinatensystem bilden, und wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte tiefpasszufiltern, und
  wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, einen normierten Gravitationsvektors zu bestimmen, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der ersten Zeitspanne vorliegt, wenn sich das Fahrzeug zum bestimmen Zeitpunkt nicht bewegt, und zudem einen Gravitationsvektor aus je einem gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswert des bestimmten Zeitpunkts zu bilden und diesen Gravitationsvektor zu normieren, um einen normierten Gravitationsvektor zu erhalten, und
  wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, einen normierten Bewegungsvektors, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne vorliegt, wenn sich das Fahrzeug während der zweiten Zeitspanne bewegt, in Abhängigkeit von den gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten innerhalb der zweiten Zeitspanne zu bestimmen, wobei die zweite Zeitspanne innerhalb der ersten Zeitspanne liegt, und
  wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor zu bestimmen und das erste Koordinatensystem auf das zweite Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix zu kalibrieren.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass der Beschleunigungssensor dazu ausreicht, die Kalibrierung durchzuführen. Hierfür ist also kein weiterer Sensor nötig. Dies spart sowohl Herstellungskosten als auch Bauraum. Zudem kann das Verfahren unabhängig vom Fahrzeugtyp durchgeführt werden, wobei das erste Koordinatensystem unabhängig von der Anordnung der Vorrichtung am Fahrzeug auf das zweite Koordinatensystem kalibriert werden kann.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte oder auch zukünftig mittels des Beschleunigungssensors erfasste Beschleunigungswerte mit der Rotationsmatrix zu multiplizieren, um kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte zu erhalten.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass die erfassten Beschleunigungswerte nach der Kalibrierung an das Koordinatensystem des Fahrzeugs angepasst sind. Hierdurch kann anschließend anhand der kalibrierten Beschleunigungswerte auf aufgetretene Fahrereignisse des Fahrzeugs geschlossen werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Bedingung, dass das Fahrzeug sich zum bestimmten Zeitpunkt nicht bewegt, dadurch zu prüfen, dass jeweils ein maximaler und minimaler, gefilterter, erster, zweiter und dritter Beschleunigungswert innerhalb einer dritten Zeitspanne, in welcher der bestimmte Zeitpunkt liegt, höchstens um einen bestimmten Grenzwert voneinander verschieden sind.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass die Konstanz der ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte innerhalb der dritten Zeitspanne, ein klarer Hinweis dafür ist, dass sich das Fahrzeug nicht bewegt. Bewegt sich das Fahrzeug nicht, kann angenommen werden, dass der Gravitationsvektor, welcher anhand der Beschleunigungswerte bestimmt werden kann genau in vertikaler Richtung zum Fahrzeug zeigen müsste, um zum zweiten Koordinatensystem zu passen.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, jeweils ein Maxima und Minima der gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte der zweiten Zeitspanne zu bestimmen, anschließend eine Differenz zwischen Maxima und Minima für jede der Achsen zu ermitteln und anschließend ein sich daraus ergebender Bewegungsvektor zu normieren, um den normierten Bewegungsvektor zu bestimmen.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache Möglichkeit darstellt, einen normierten Bewegungsvektor zu bestimmen. Somit kann Rechenleistung eingespart werden, wodurch wiederum der Energieverbrauch reduziert werden kann. Der normierte Bewegungsvektor zeigt dann die Richtung der Bewegung des Beschleunigungssensors auf, welche anschließend mit einer angenommen Richtung einer Bewegung des Fahrzeugs verglichen werden, um das erste Koordinatensystem auf das zweite Koordinatensystem kalibrieren zu können.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, zu prüfen, ob der bestimmte, normierte Gravitationsvektor fehlerhaft ist und in diesem Fall eine Kalibrierung des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem durchzuführen.
• Vorteilhaft ist hierbei, dass die Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren abbrechen kann, wenn der bestimmte, normierte Gravitationsvektor bereits korrekt kalibriert ist. Dies schont erneut Systemressourcen und spart Energie ein.
• Figurenliste
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, welcher fest in einem Fahrzeug angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs.
• 3 zeigt ein erstes Beschleunigung-Zeit-Diagramm, in welchem erfasste erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte dargestellt sind.
• 4 zeigt ein zweites Beschleunigung-Zeit-Diagramm, in welchem die erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte gefiltert dargestellt sind.
• 5 zeigt ein drittes Beschleunigung-Zeit-Diagramm, in welchem kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte dargestellt sind.
• Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dargestellt ist eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist einen dreiachsigen Beschleunigungssensor 20 und eine Verarbeitungseinheit 30 auf. Die Verarbeitungseinheit 30 ist beispielsweise ein Mikrocontroller und derartig mit dem Beschleunigungssensor 20 verbunden, dass erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 erfassbar sind. Dabei sind die ersten Beschleunigungswerte 21 entlang einer ersten Achse x1, die zweiten Beschleunigungswerte 22 entlang einer zweiten Achse y1 und die dritten Beschleunigungswerte 23 entlang einer dritten Achse z1 erfassbar. Die erste, zweite und dritte Achse x1, y1 und z1 bilden ein erstes Koordinatensystem vom Beschleunigungssensor 20, wobei die erste, zweite und dritte Achse x1, y1 und z1 insbesondere jeweils senkrecht aufeinander stehen und das erste Koordinatensystem entsprechend aufspannen. Die Vorrichtung 10 ist zudem fest an einem Fahrzeug 5 angeordnet. Diese feste Anordnung kann beispielsweise erfolgen, indem die Vorrichtung 10 in eine nicht dargestellte, im Fahrzeug 5 befindliche Aufnahmeeinheit für einen Zigarettenanzünder gesteckt wird. Durch die Aufnahmeeinheit für den Zigarettenanzünder kann die Vorrichtung 10 beispielsweise zudem mit Energie versorgt werden. Das Fahrzeug 5 kann beispielsweise ein PKW, ein LKW, ein Motorrad oder ein Fahrrad sein. Das Fahrzeug 5 weist hierbei ein zweites Koordinatensystem auf, welches ebenfalls dreiachsig ausgestaltet ist und somit eine vierte Achse x2, eine fünfte Achse y2 und eine sechste Achse z2 aufweist, wobei die vierte, fünfte und sechste Achse x2, y2 und z2 ebenfalls insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Hierbei spannen die vierte Achse x2, die fünfte Achse y2 und die sechste Achse z2 entsprechend das zweite Koordinatensystem auf. Die vierte, fünfte und sechste Achse x2, y2 und z2 sind dann beispielsweise so fix auf das Fahrzeug 5 definiert, dass eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 5 beispielsweise eine Bewegung in x2-Richtung darstellt. Entsprechend ist eine Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs 5 beispielsweise eine Bewegung in negativer x2-Richtung. Eine Bewegung des Fahrzeugs 5 entlang der fünften Achse y2 stellt dann eine seitliche Bewegung des Fahrzeugs 5 und eine Bewegung des Fahrzeugs 5 entlang der sechsten Achse z2 eine vertikale Bewegung des Fahrzeugs 5 dar.
• Optional weist die Vorrichtung 10 eine Kommunikationseinheit 40 auf. Die Kommunikationseinheit 40 ist derartig mit der Verarbeitungseinheit 30 verbunden, dass die Verarbeitungseinheit 30 Signale nach außen hin abgeben kann. Solche Signale können beispielsweise entsprechende Messwerte des Beschleunigungssensors 20 sein oder aber mittels der Verarbeitungseinheit 30 anhand der erfassten Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 bestimmte Fahrereignisse.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, welcher fest in einem Fahrzeug angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs.
• Zuerst werden in einem Verfahrensschritt a eine Mehrzahl von ersten Beschleunigungswerten 21, zweiten Beschleunigungswerten 22 und dritten Beschleunigungswerten 23 innerhalb einer ersten Zeitspanne T1 erfasst.
• In einem Verfahrensschritt b werden daraufhin die erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 tiefpassgefiltert. Hierdurch ergeben sich gefilterte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte 24, 25 und 26, welche typischerweise weniger Störungen und Artefakte als die erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 aufweisen.
• Anschließend wird in einem Verfahrensschritt c ein normierter Gravitationsvektor bestimmt, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt tx innerhalb der ersten Zeitspanne T1 vorliegt, wenn sich das Fahrzeug 5 nicht bewegt. Dies geschieht, indem ein Gravitationsvektor aus je einem gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswert 24, 25, 26 des bestimmten Zeitpunkts tx gebildet und dieser Gravitationsvektor anschließend normiert wird. Dass das Fahrzeug sich zum bestimmten Zeitpunkt tx nicht bewegt kann dabei dadurch überprüft werden, dass sich jeweils ein maximaler und minimaler, gefilterter, erster, zweiter und dritter Beschleunigungswert innerhalb einer dritten Zeitspanne T3, in welcher der bestimmte Zeitpunkt tx liegt, höchstens um einen bestimmten Grenzwert voneinander unterscheiden.
• Nach der Bestimmung des normierten Gravitationsvektors im Verfahrensschritt c erfolgt ein Verfahrensschritt d. Im Verfahrensschritt d wird ein normierter Bewegungsvektor bestimmt, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne T2 vorliegt, wenn sich das Fahrzeug 5 bewegt. Der Bewegungsvektor wird dabei bestimmt, indem jeweils ein Maxima und Minima der gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte 24, 25, 26 ermittelt wird. Die Differenz der Maxima und Minima für jeden der gefilterten Beschleunigungswerte 24, 25 und 26 innerhalb der zweiten Zeitspanne ergibt dann den Bewegungsvektor. Dieser Bewegungsvektor wird zudem noch normiert, um den normierten Bewegungsvektor zu erhalten.
• Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt e eine Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor bestimmt. Zur Bestimmung der Rotationsmatrix R wird zuerst eine erste Teilrotationsmatrix R₁ in Abhängigkeit vom normierten Gravitationsvektor g_n bestimmt. Des Weiteren wird eine zweite Teilrotationsmatrix R₂ in Abhängigkeit vom normierten Bewegungsvektor m_n bestimmt. Die erste Teilrotationsmatrix R₁ wird mittels folgender Gleichung bestimmt: $${\text{R}}_1={\text{I}}_{\text{3}}+{\text{v}}_{\text{1}\text{,1}}+{\text{v}}_{\text{1}\text{,1}}{}^2\left({\text{1-c}}_{\text{1}}\right)\text{s}{1}^2$$

  
• Dabei ist I₃ eine Einheitsmatrix bzw. Identitätsmatrix: $${\text{I}}_3=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  

  und v_1,1 ist eine Matrix mit folgenden Einträgen: $${\text{v}}_{\text{1}\text{,1}}=\left[\begin{array}{ccc}0& -v_{\mathrm{1,}z}& v_{\mathrm{1,}y}\\ v_{\mathrm{1,}z}& 0& -v_{\mathrm{1,}x}\\ -v_{\mathrm{1,}y}& v_{\mathrm{1,}x}& 0\end{array}\right]$$

  

  zudem gilt für v₁: $${\text{v}}_{\text{1}}=\left[\begin{array}{l}{v}_{\mathrm{1,}x}\\ v_{\mathrm{1,}y}\\ v_{\mathrm{1,}z}\end{array}\right]={\text{g}}_{\text{n}}\times {\text{v}}_{\text{1}\text{,n}}$$

  

  wobei v_1,n ein Normalvektor in z-Richtung bezogen auf das Fahrzeug 5 dargestellt im zweiten Koordinatensystem ist: $${\text{v}}_{\text{1}\text{,n}}=\left[\begin{array}{l}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$$

  
• Dies liegt darin begründet, dass der Gravitationsvektor derartig angenommen wird, dass dieser im zweiten Koordinatensystem lediglich einen Beitrag in der sechsten Achse z2 aufweist.
• Des Weiteren werden c₁ und s₁ folgendermaßen bestimmt: $${\text{c}}_1={\text{g}}_{\text{n}}*{\text{v}}_{\text{1}\text{,n}}$$

  

  und $${\text{s}}_1=\text{norm}\left({\text{v}}_{\text{1}}\right)$$

  

  c₁ ist also das Skalarprodukt aus dem normierten Gravitationsvektor g_n und dem Einheitsvektor in z2-Richtung v_1,n. Zudem ist s₁ der Betrag des Vektors v₁.
• Für die Bestimmung der zweiten Teilrotationsmatrix R₂ gilt dann entsprechend: $${\text{R}}_{\text{2}}={\text{I}}_{\text{3}}+{\text{v}}_{\text{2}\text{,2}}+{\text{v}}_{\text{2}\text{,2}}{}^2\left(1{\text{-c}}_2\right)/{\text{s}}_{\text{2}}{}^2$$

  

  wobei v_2,2 eine Matrix mit folgenden Einträgen ist: $${\text{v}}_{\text{2}\text{,2}}=\left[\begin{array}{ccc}0& -v_{\mathrm{2,}z}& v_{\mathrm{2,}y}\\ v_{\mathrm{2,}z}& 0& -v_{\mathrm{2,}x}\\ -v_{\mathrm{2,}y}& v_{\mathrm{2,}x}& 0\end{array}\right]$$

  

  und wobei für v₂ gilt: $$v_2=\left[\begin{array}{l}{v}_{\mathrm{2,}x}\\ v_{\mathrm{2,}y}\\ v_{\mathrm{2,}z}\end{array}\right]={\text{g}}_{\text{n}}\times v_{\mathrm{2,}\text{n}}$$

  

  wobei v_2,n ein Normalvektor in der Richtung ist, in welcher die Bewegung des Fahrzeugs 5 basierend auf dem zweiten Koordinatensystem angenommen wird.
• Hier zum Beispiel in x2-Richtung, was gleichbedeutend mit einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 5 ist: $$v_{\mathrm{2,}\text{n}}=\left[\begin{array}{l}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]\text{.}$$

  
• Natürlich könnte auch eine beispielsweise eine Rückwärtsbewegung angenommen werden, wobei der Normalvektor dann ein negatives Vorzeichen hätte.
• Des Weiteren werden c₂ und s₂ folgendermaßen bestimmt: $${\text{c}}_{\text{2}}={\text{m}}_{\text{n}}*{\text{v}}_{\text{2}\text{,n}}$$

  

  und $${\text{s}}_{\text{2}}=\text{norm}\left({\text{v}}_2\right)$$

  
• Aus der ersten Teilrotationsmatrix R₁ und der zweiten Teilrotationsmatrix R₂ wird dann durch Multiplikation der beiden Teilrotationsmatrix R₁ und R₂ die endgültige Rotationsmatrix R gebildet: $$\text{R}={\text{R}}_1*{\text{R}}_2$$

  
• Zuletzt wird in einem Verfahrensschritt f das erste Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix auf das zweite Koordinatensystem kalibriert. So können beispielsweise die erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 mit der Rotationsmatrix multipliziert werden, um kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte 27, 28 und 29 zu erhalten, welche dann an das zweite Koordinatensystem des Fahrzeugs 5 angepasst sind. Allerdings können auch neu erfasste Beschleunigungswerte direkt mit der Rotationsmatrix auf das zweite Koordinatensystem des Fahrzeugs 5 umgerechnet werden.
• Optional läuft zwischen dem Verfahrensschritt c und dem Verfahrensschritt d noch ein Verfahrensschritt g ab. Dabei wird im Verfahrensschritt g geprüft, ob der im Verfahrensschritt c bestimmte, normierte Gravitationsvektor fehlerhaft ist und in diesem Fall mit dem Verfahrensschritt d fortgefahren wird. Der im Verfahrensschritt c bestimmte, normierte Gravitationsvektor gilt dabei beispielsweise als fehlerhaft, wenn dieser von einem in einem zuvor abgelaufenen Verfahren bestimmten, normierten Gravitationsvektor über einen Grenzwert hinaus abweicht.
• 3 zeigt ein erstes Beschleunigung-Zeit-Diagramm, in welchem innerhalb erfasste erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte dargestellt sind. Dargestellt sind erste Beschleunigungswerte 21, zweite Beschleunigungswerte 22 und dritte Beschleunigungswerte, welche jeweils innerhalb einer ersten Zeitspanne T1 erfasst wurden. Die erste Zeitspanne T1 beträgt hier beispielsweise ca. sechs Sekunden. Die ersten Beschleunigungswerte 21 sind dabei entlang einer ersten Achse x1, die zweiten Beschleunigungswerte 22 entlang einer zweiten Achse y1 und die dritten Beschleunigungswerte 23 entlang einer dritten Achse z3 erfasst worden.
• 4 zeigt ein zweites Beschleunigung-Zeit-Diagramm, in welchem die erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte gefiltert dargestellt sind. Dargestellt sind gefilterte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte 24, 25, 26, welche sich durch Tiefpassfilterung der erfassten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte 21, 22 und 23 nach 3 ergeben. Zudem ist eine zweite Zeitspanne T2 dargestellt, in welcher eine deutliche Änderung der gefilterten ersten und zweiten Beschleunigungswerte 24 und 25 sichtbar ist, was für eine Bewegung des Fahrzeugs 5 innerhalb der zweiten Zeitspanne T2 spricht. Des Weiteren ist eine dritte Zeitspanne T3 dargestellt. Innerhalb der dritten Zeitspanne T3 ist zudem ein bestimmter Zeitpunkt tx gezeigt. Da die gefilterten, ersten, zweiten als auch die dritten Beschleunigungswerte 24, 25 und 26 innerhalb der dritten Zeitspanne T3 nahezu konstant sind, kann angenommen werden, dass während der dritten Zeitspanne T3 und somit auch zum bestimmten Zeitpunkt tx das Fahrzeug 5 nicht in Bewegung ist. Hierfür ist es sogar ausreichend, wenn die dritte Zeitspanne T3 beispielsweise nur eine Sekunde beträgt.
• 5 zeigt ein drittes Beschleunigung-Zeit-Diagramm, welches kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte darstellt. Dargestellt sind kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte 27, 28, 29, welche ausgehend von den ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten 21, 22 und 23 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2 bestimmt wurden und aus welchem somit auf die Bewegung des Fahrzeugs 5 bezogen auf das zweite Koordinatensystem geschlossen werden kann. Hierbei sind die kalibrierten ersten Beschleunigungswerte 27 entlang einer vierten Achse x2, die kalibrierten zweiten Beschleunigungswerte 28 entlang einer fünften Achse y2 und die kalibrierten dritten Beschleunigungswerte 29 entlang einer sechsten Achse z2 dargestellt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2014/130078 A1 [0002]

Claims (10)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines ersten Koordinatensystems eines dreiachsigen Beschleunigungssensors (20), welcher fest an einem Fahrzeug (5) angeordnet ist, auf ein zweites Koordinatensystem des Fahrzeugs (5), aufweisend folgende Verfahrensschritte: a. Erfassen einer Mehrzahl von ersten Beschleunigungswerten (21) entlang einer ersten Achse (x1), zweiten Beschleunigungswerten (22) entlang einer zweiten Achse (y1) und dritten Beschleunigungswerten (23) entlang einer dritten Achse (z1) jeweils innerhalb einer ersten Zeitspanne (T1), wobei die erste, zweite und dritte Achse (x1, y1, z1) das erste Koordinatensystem bilden, b. Tiefpassfiltern der ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (21, 22, 23), c. Bestimmen eines normierten Gravitationsvektors, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt (tx) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) zum bestimmen Zeitpunkt (tx) nicht bewegt, indem ein Gravitationsvektor aus je einem gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswert (24, 25, 26) des bestimmten Zeitpunkts (tx) gebildet und dieser Gravitationsvektor anschließend normiert wird, d. Bestimmen eines normierten Bewegungsvektors, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne (T2) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) während der zweiten Zeitspanne (T2) bewegt, in Abhängigkeit von den gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten (24, 25, 26) innerhalb der zweiten Zeitspanne (T2), wobei die zweite Zeitspanne (T2) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) liegt, e. Bestimmen einer Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor, f.Kalibrieren des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren im Verfahrensschritt f erfolgt, indem die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (21, 22, 23) und/oder zukünftig mittels des Beschleunigungssensors (20) erfasste Beschleunigungswerte mit der Rotationsmatrix multipliziert werden, um kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte (27, 28, 29) zu erhalten.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung im Verfahrensschritt c, dass das Fahrzeug (5) sich zum bestimmten Zeitpunkt (tx) nicht bewegt, dadurch geprüft wird, dass sich jeweils ein maximaler und minimaler, gefilterter, erster, zweiter und dritter Beschleunigungswert innerhalb einer dritten Zeitspanne (T3), in welcher der bestimmte Zeitpunkt (tx) liegt, höchstens um einen bestimmten Grenzwert voneinander unterscheiden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der normierte Bewegungsvektor im Verfahrensschritt d bestimmt wird, indem jeweils ein Maxima und Minima der gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (24, 25, 26) der zweiten Zeitspanne (T2) bestimmt werden, anschließend eine Differenz zwischen Maxima und Minima für jede der Achsen (xl, yl, zl) ermittelt wird und anschließend ein sich daraus ergebender Bewegungsvektor normiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt c ein Verfahrensschritt g durchgeführt wird, in welchem geprüft wird, ob der im Verfahrensschritt c bestimmte, normierte Gravitationsvektor fehlerhaft ist und in diesem Fall mit dem Verfahrensschritt d fortgefahren wird.
6. Vorrichtung (10) aufweisend einen Beschleunigungssensors (20) und eine Verarbeitungseinheit (30), wobei die Vorrichtung (10) fest an einem Fahrzeug (5) anordenbar ist, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von ersten Beschleunigungswerten (21) entlang einer ersten Achse (xl), zweiten Beschleunigungswerten (22) entlang einer zweiten Achse (yl) und dritten Beschleunigungswerten (23) entlang einer dritten Achse (yl) jeweils innerhalb einer ersten Zeitspanne (T1) mittels des Beschleunigungssensors (20) zu erfassen, wobei die erste, zweite und dritte Achse (xl, yl, zl) das erste Koordinatensystem bilden, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (21, 22, 23) tiefpasszufiltern, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, einen normierten Gravitationsvektors zu bestimmen, welcher zu einem bestimmten Zeitpunkt (tx) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) zum bestimmen Zeitpunkt (tx) nicht bewegt, und zudem einen Gravitationsvektor aus je einem gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswert (24, 25, 26) des bestimmten Zeitpunkts (tx) zu bilden und diesen Gravitationsvektor zu normieren, um einen normierten Gravitationsvektor zu erhalten, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, einen normierten Bewegungsvektors, welcher innerhalb einer zweiten Zeitspanne (T2) vorliegt, wenn sich das Fahrzeug (5) während der zweiten Zeitspanne (T2) bewegt, in Abhängigkeit von den gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerten (24, 25, 26) innerhalb der zweiten Zeitspanne (T2) zu bestimmen, wobei die zweite Zeitspanne (T2) innerhalb der ersten Zeitspanne (T1) liegt, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, eine Rotationsmatrix in Abhängigkeit von dem normierten Gravitationsvektor und dem normierten Bewegungsvektor zu bestimmen und das erste Koordinatensystem auf das zweite Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Rotationsmatrix zu kalibrieren.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, die ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (21, 22, 23) und/oder zukünftig mittels des Beschleunigungssensors (20) erfasste Beschleunigungswerte mit der Rotationsmatrix zu multiplizieren, um kalibrierte erste, zweite und dritte Beschleunigungswerte (27, 28, 29) zu erhalten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Bedingung, dass das Fahrzeug (5) sich zum bestimmten Zeitpunkt (tx) nicht bewegt, dadurch zu prüfen, dass jeweils ein maximaler und minimaler, gefilterter, erster, zweiter und dritter Beschleunigungswert innerhalb einer dritten Zeitspanne (T3), in welcher der bestimmte Zeitpunkt (tx) liegt, höchstens um einen bestimmten Grenzwert voneinander verschieden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, jeweils ein Maxima und Minima der gefilterten ersten, zweiten und dritten Beschleunigungswerte (24, 25, 26) der zweiten Zeitspanne (T2) zu bestimmen, anschließend eine Differenz zwischen Maxima und Minima für jede der Achsen (xl, yl, zl) zu ermitteln und anschließend ein sich daraus ergebender Bewegungsvektor zu normieren, um den normierten Bewegungsvektor zu bestimmen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, zu prüfen, ob der bestimmte, normierte Gravitationsvektor fehlerhaft ist und in diesem Fall eine Kalibrierung des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem durchzuführen.

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