DE102008030071A1

DE102008030071A1 - GPS-Basierter fahrzeuginterner Sensorkalibrierungsalgorithmus

Info

Publication number: DE102008030071A1
Application number: DE102008030071A
Authority: DE
Inventors: Chaminda Windsor Basnayake
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: US7957897B2; CN101334294A; DE102008030071B4; CN101334294B; US20090005985A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zur Kalibrierung der Faktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung eines Fahrtrichtungsänderungssensors, wie beispielsweise eines Gierratensensors, unter Verwendung von GPS-Signalen bereitgestellt. Das System empfängt Raddrehzahl- oder -rotationssignale, eine Fahrzeugkilometerzählerauslesung, GPS-Signale und Gierratensignale. Das System umfasst einen Radschlupfdetektionsprozessor, der auf der Grundlage der Raddrehzahlsignale und der GPS-Signale ermittelt, ob ein Radschlupf vorliegt. Das System umfasst auch einen radbasierten Beschleunigungsprozessor, der die Fahrzeugbeschleunigung schätzt. Das System umfasst auch einen Differenzodometrieprozessor, der auf der Grundlage der Raddrehzahl eine Fahrzeugfahrtrichtung ermittelt. Das System umfasst auch einen GPS-Referenzdatenvalidierungsprozessor, der unter Verwendung der geschätzten Fahrzeugbeschleunigung und der Raddrehzahlen ermittelt, ob die GPS-Signale gültig sind. Die gültigen GPS-Signale werden dann verwendet, um die Gierratensensorsignale zu kalibrieren, die dann für Fahrzeugfahrtrichtungszwecke verwendet werden können.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Fahrtrichtungsänderungssensors, wie beispielsweise eines Trägheitssensors, d. h. eines Gierratensensors, und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Entfernen von Fehlern eines Faktors eines systematischen Sensorfehlers und einer Skalierung von einem Fahrtrichtungsänderungssensor, um die Sensorsignale zum Bereitstellen einer genauen Fahrzeugfahrtrichtung zu verwenden.
2. Erläuterung der verwandten Technik
GPS-Signale oder andere Global Navigation Satellite System-Signale (GNSS-Signale) können eine genaue Positionsbestimmung und Navigation bereitstellen. Bei GPS-Empfängern treten jedoch Probleme im Hinblick auf Einschränkungen auf, die mit der Sicht auf den Himmel in Beziehung stehen, wie beispielsweise in Straßenschluchten und Gebieten, die dicht mit Bäumen bewachsen sind. Ferner können bei GPS-Signalen in solchen Gebieten Probleme im Hinblick auf Mehrwegfehler oder Kreuzkorrelationsfehler bestehen. Aufgrund der existierenden GPS-Technologie mit hoher Empfindlichkeit und schneller Wiedererfassung stehen sogar in weniger optimalen Umgebungen genaue GPS-Signale zur Verfügung, wenn die Sicht auf den Himmel zeitweilig, wie beispielsweise für 10–20 Sekunden, temporär verbessert ist. Daher kommt es bei der Kontinuität der GPS-Technologie auf das Aufrechterhalten der Positionsbestimmungsgenauigkeit über GPS-Ausfälle zwischen Zeitfenstern mit GPS-Verfügbarkeit an.
Kraftfahrzeugtaugliche Trägheitssensoren, wie beispielsweise Gierratensensoren und Beschleunigungsmesser, weisen stark schwankende Eigenschaften eines systematischen Fehlers und einer Skalierung auf, die eine Sensordrift bewirken, welche sie typischerweise für Navigations- und Fahrtrichtungsermittlungsfunktionen ohne geeignete Fehlerkorrekturtechniken ungeeignet macht. Beispielsweise erlauben bestimmte kraftfahrzeugtaugliche Gierratensensoren Schwankungen von bis zu 2 Grad/s für den systematischen Fehler des Gierratensensors. Wenn solche Schwankungen nicht korrigiert werden und für eine Periode von mehr als zwei Minuten zugelassen werden, könnte ein Gierratensensor, der mit einem systematischen Fehler von 0 Grad/s bei null Sekunden startet, nach 120 Sekunden einen systematischen Fehler von 2 Grad/s erreichen. Wenn der Einfachheit halber ein lineares Wachstum des systematischen Fehlers angenommen wird, würde eine durch Integrieren von nicht kalibrierten Gierratensensorsignalen abgeleitete Fahrtrichtungsänderung eine Fahrtrichtungsänderung von 120° nur als Ergebnis der Schwankung des systematischen Fehlers angeben.
Trägheitssensoren können in Kombination mit GPS-Empfängern verwendet werden, um eine angemessen genaue Fahrzeugfahrtrichtung und Position bereitzustellen, wenn eine Distanzmessung, wie beispielsweise Fahrzeugraddrehzahlen, verfügbar ist, auch wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind. Kraftfahrzeugtaugliche Trägheitssensoren stellen jedoch typischerweise nicht das gleiche Genauigkeitsniveau bereit wie GPS-Signale. GPS-/trägheitssensorintegrierte Systeme können die Trägheitssensoren kalibrieren und unter Verwendung von GPS-Signalen die Fahrzeug fahrtrichtungs- und -positionsgenauigkeit aufrecht erhalten, wenn die GPS-Signale verfügbar sind, und die kalibrierten Trägheitssensoren verwenden, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind, um eine Fahrtrichtungs- und Positionsauflösung aufrecht zu erhalten, bis die GPS-Signale wieder zur Verfügung stehen.
Bekannte Gierratensensorkalibrierungsalgorithmen nähern eine Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung typischerweise als zweistufigen Prozess an und erfordern, dass für die Kalibrierung spezifische Fahrzeugmanöver ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine Kalibrierung eines systematischen Sensorfehlers erfordern, dass das Fahrzeug für eine bekannte Zeitdauer geradeaus gefahren wird oder stehen bleibt, sodass der akkumulierte Gierfahrtrichtungsfehler als Ergebnis des systematischen Sensorfehlers direkt geschätzt werden kann. Für eine Skalierungskalibrierung kann es erforderlich sein, dass das Fahrzeug eine kontrollierte Kurve fährt, um eine Skalierungskalibrierung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Kalibrieren der Faktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung eines Fahrtrichtungsänderungssensors, wie beispielsweise eines Gierratensensors, unter Verwendung von GPS-Signalen offenbart. Das System empfängt Raddrehzahl- oder -rotationssignale, eine Fahrzeugkilometerzählerauslesung, GPS-Signale und Gierratensignale. Das System umfasst einen Radschlupfdetektionsprozessor, der auf der Grundlage der Raddrehzahlsignale und der GPS-Signale ermittelt, ob ein Radschlupf vorliegt. Das System umfasst auch einen radbasierten Beschleunigungsprozessor, der eine Fahrzeugbeschleunigung schätzt. Das System umfasst auch einen Differenzodometrieprozessor, der auf der Grundlage der Raddrehzahl die Fahrzeugfahrtrichtung ermittelt. Das System umfasst auch einen GPS-Referenzdatenvalidierungsprozessor, der unter Verwendung der Raddrehzahl und der geschätzten Fahrzeugbeschleunigung ermittelt, ob die GPS-Signale gültig sind. Die gültigen GPS-Signale werden dann verwendet, um die Gierratensensorsignale zu kalibrieren, die dann für Fahrzeugfahrtrichtungszwecke verwendet werden können.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Fahrtrichtung auf der vertikalen Achse, das Kurven umfasst, die eine durch GPS-Signale bereitgestellte Fahrzeugfahrtrichtung, unkalibrierte Gierratensensorsignale, hinsichtlich eines systematischen Fehlers kalibrierte Gierratensensorsignale und hinsichtlich eines systematischen Fehlers und einer Skalierung kalibrierte Gierratensensorsignale zeigen;
2 ist eine Draufsicht auf ein Fahrzeug, das ein System zum Bereitstellen einer Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung eines Trägheitssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
3 ist ein Blockdiagramm des in 2 gezeigten Systems zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kalibrierung von systematischem Fehler (Bias) und Skalierung eines Trägheitssensors zum Bereitstellen von genauen Fahrzeugfahrtrichtungsauslesungen gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt keineswegs, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren vor, die GPS-Signale verwenden, um die Skalierung und den systematischen Fehler eines Fahrtrichtungsänderungssensors, wie beispielsweise eines Gierratensensors, zu kalibrieren, um die Genauigkeit des Trägheitssensors aufrecht zu erhalten und somit die Verwendung von kraftfahrzeugtauglichen Gierratensensoren für Navigations-, Positionsbestimmungs-, Fahrtrichtungsfunktionen und Funktionen einer verbesserten Fahrzeugstabilitätssteuerung zu ermöglichen, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind. Der Algorithmus der Erfindung kalibriert sowohl den Faktor des systematischen Fehlers als auch den Skalierungsfaktor unter Verwendung des gleichen Satzes von Daten und erfordert auch keine Durchführung spezifischer Fahrzeugmanöver zum Erreichen der Kalibrierung. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform wurde ein Gierraten- und GPS-Fahrtrichtungsdatensatz mit einer Datenrate von 1 Hz oder größer und einer Lange von 40 Sekunden für die Kalibrierung eines Gierratensensors verwendet, während dessen ein Bereich eines relativen geraden Fahrens und einer oder mehrerer Fahrzeugkurven identifizierbar sind.
1 ist ein Diagramm mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Fahrzeugfahrtrichtung auf der vertikalen Achse, das eine Kurve 10, die eine Fahrzeugfahrtrichtung von GPS-Signalen zeigt, und eine Kurve 12 umfasst, die eine Fahrzeugfahrtrichtung für einen Gierratensensor zeigt, der nicht hinsichtlich des systematischen Fehlers und der Skalierung kalibriert wurde. Eine Kurve 14 zeigt die Fahrzeugfahrtrichtung von einem Gierratensensor, der durch den Algorithmus der Erfindung hinsichtlich des systematischen Fehlers kalibriert wurde, und eine Kurve 16 zeigt die Fahrzeugfahrtrichtung von einem Gierratensensor, der durch den Algorithmus der Erfindung hinsichtlich des systematischen Fehlers und der Skalierung kalibriert wurde.
2 ist eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 20, das Vorderräder 22 und 24 und Hinterräder 26 und 28 umfasst. Das Fahrzeug 20 umfasst auch ein System 30 zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Räder 22, 24, 26 und 28 umfassen jeweils einen Raddrehzahlsensor 32, 34, 36 bzw. 38, die dem System 30 Raddrehzahl- und/oder Radrotationssignale bereitstellen. Ein GPS-Empfänger 42 liefert dem System 30 GPS-Signale, und ein Kilometerzähler 44 liefert dem System 30 Fahrzeugkilometerzählersignale, insbesondere einen Antriebswellenzählwert. Zusätzlich empfängt das System 30 Fahrzeuggierratensignale von einem Gierratensensor 46 und Fahrzeugquerbeschleunigungssignale von einem Querbeschleunigungssensor 48.
3 ist ein Blockdiagramm des Systems 30, bei dem die Raddrehzahl- und/oder Radrotationssignale von den Sensoren 32, 34, 36 und 38 an einer Leitung 52 bereitgestellt werden, die Kilometerzählersignale von dem Kilometerzähler 44 an einer Leitung 54 bereitgestellt werden, die GPS- Signale von dem GPS-Empfänger 42 an einer Leitung 56 bereitgestellt werden und die Gierratensignale von dem Gierratensensor 46 an einer Leitung 58 bereitgestellt werden. Wie es nachstehend ausführlicher erläutert werden wird, liefert das System 30 eine Fahrzeugfahrtrichtungsschätzung, die für einen beliebigen geeigneten Zweck, wie beispielsweise einen digitalen Kompass, eine Fahrzeugnavigation, eine Fahrzeugstabilitätssteuerung etc. verwendet werden kann. Wenn die GPS-Signale verfügbar sind, verwendet das System 30 jene Signale, um die Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen, und verwendet es die GPS-Signale, um die Faktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung des Gierratensensors 46 zu kalibrieren. Wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind, verwendet das System 30 die zuvor kalibrierten Gierratensignale, um die Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen. Wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind und der Gierratensensor 46 nicht korrekt arbeitet, verwendet das System 30 Raddrehzahlsignale, um die Fahrzeugfahrtrichtungssänderung unter Verwendung einer Differenzodometrie zu schätzen, die unter Verwendung des Kalibrierungsalgorithmus der Erfindung auf die gleiche Weise hinsichtlich des systematischen Fehlers und der Skalierung kalibriert wurde, auf die der Gierratensensor kalibriert wird, um die Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen. Obwohl es der Gierratensensor 46 ist, der durch das System 30 für Fahrzeugfahrtrichtungszwecke kalibriert wird, kann der Algorithmus der vorliegenden Erfindung für eine Kalibrierung alternativ für jeden Fahrzeugfahrtrichtungssänderungssensor, wie beispielsweise einen Differenzodometriesensor, verwendet werden.
Die Validierung der Genauigkeit der GPS-Referenzdaten ist ein Teil der durch die Erfindung bereitgestellten Sensorkalibrierung. Bei der Erfindung werden Fahrzeuggeschwindigkeits- und -positionsschätzwerte als die für den Kalibrierungsprozess verfügbaren GPS-Referenzgeschwindigkeitsdaten betrachtet. Kostengünstige GPS-Empfänger verwenden typischer weise Pseudoentfernungen oder trägergeglättete Pseudoentfernungen für eine Positionsschätzung und Doppler-Effekt- oder Pseudoentfernungsänderungsbeobachtungen für eine Geschwindigkeitsschätzung. Von allen erwähnten GPS-Messungen werden Doppler-Effekt-Beobachtungen am wenigsten von Mehrwegfehlern beeinflusst. Insbesondere leisten Mehrwegfehler auch den dominanten Fehlerbeitrag bei Kraftfahrzeugnavigations- und -positionsbestimmungsanwendungen. Daher sind von einem Doppler-Effekt abgeleitete GPS-Geschwindigkeiten bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit im Vergleich zu GPS-Positionsschätzwerten erheblich besser.
Der Algorithmus der Erfindung verwendet das Verhältnis zwischen durch GPS berichteter Fahrzeuggeschwindigkeit und Radrotation/-drehzahl, um die Genauigkeit der GPS-Referenzdaten zu verifizieren. Dies ermöglicht eine viel zuverlässigere Verifikation ohne Verwendung von Positionsbereichsdaten. Diese Verifikation wird zusätzlich zu den generischen GPS-Datenvalidierungstechniken auf der Grundlage der Anzahl von sichtbaren GPS-Satelliten ausgeführt, die durch den GPS-Empfänger 42 verwendet werden, um für jeden Satelliten eine Lösung und einen Rauschabstand und Residuen der kleinsten Quadrate bei der Schätzung von Satellitenelevation und -position zu erzeugen.
Das System 30 umfasst einen Radschlupfdetektionsprozessor 60, der die Raddrehzahl- und/oder Radrotationssignale von jedem der Sensoren 32, 34, 36 und 38 an der Leitung 52 und die GPS-Signale an der Leitung 56 verwendet, um einen Radschlupf zu detektieren und die Beeinflussung des GPS-Validierungsmechanismus als Ergebnis dessen, dass bei irgendeinem der Räder 22–28 ein Schlupft vorliegt, zu minimieren. Der Prozessor 60 dient als primärer Datenverifiktionsprozess und verwendet ein einfaches Radgeschwindigkeit-Kilometerzählergschwindigkeit-Verhältnis, um zu ermitteln, ob die Radzählwerte als Ergebnis eines Radschlupfs Fehler umfassen. Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform setzt der Prozessor 60 ein Modell von einem Algorithmus auf der Grundlage der nachstehenden Gleichung (1) ein, um zu ermitteln, ob bei irgendeinem der Räder 22–28 ein Radschlupf vorliegt.
Wobei ν_GPS die GPS-basierte Geschwindigkeit ist, ν_sensor die radsensorbasierte Fahrzeuggeschwindigkeit ist und δ ein vorbestimmter Datenqualitätsschwellenwert ist.
Wenn der Prozessor 60 ermittelt, dass kein Radschlupf vorliegt, werden die Raddrehzahl- und/oder -rotationssignale und die Kilometerzählersignale an einen Prozessor 62 für eine radbasierte Beschleunigungsschätzung gesendet oder können geeignet durch diesen verwendet werden, welcher die Fahrzeugbeschleunigung schätzt. Der Schätzungsprozessor 62 verwendet eine einfache zeitliche Ableitung der Radgeschwindigkeit, um die Fahrzeugbeschleunigung zu schätzen. GPS-Positions- und -Geschwindigkeitsdatenströme sind aufgrund von Verarbeitungsverzögerungen oftmals langsamer als andere fahrzeuginterne Datenströme. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Teil der GPS-Signalverarbeitung und -Schätzung eine Filterung realisiert wird. Die meisten alternativen sensorfähigen GPS-Empfänger, d. h., bei denen Fahrzeugsensordaten für eine GPS-Positions- und -Geschwindigkeitsschätzung und -Unterstützung verwendet werden, senden Triggerimpulse aus, um Fahrzeugdatennachrichten zu lesen und nachfolgend die Daten mit den GPS-Signalen zu kombinieren, um eine intern kombinierte Lösung bereitzustellen. Daher ist die Fahrzeugdrehzahl bzw. -geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt über die Raddrehzahlsensoren 32, 34, 36 und 38 verfügbar, bevor der entsprechende GPS-Drehzahlschätzwert verfügbar ist. Obwohl der Umfang dieser Verzögerung schwanken kann, zeigte die bestehende Hardware und Software eine Verzögerung von mehreren zehn Millisekunden bis zu einer Sekunde, wobei der ungünstigste Fall bei den alternativen sensorfähigen GPS-Empfängern vorliegt.
Der Prozessor 62 verwendet die von den Raddrehzahlsensoren 32, 34, 36 und 38 abgeleitete geschätzte Fahrzeugbeschleunigung, um die Drehzahlverhältnisschwankung (GPS-Drehzahl zu radbasierter Drehzahl) zu identifizieren, die sich aus der Zeitverzögerung der GPS-Signale ergibt, da sie stark in Korrelation stehen. Somit werden Verhältnisschwankungen, die einer GPS-Zeitverzögerung während einer Beschleunigung und während eines Abbremsens entsprechen, nicht als beschädigte GPS-Referenzdaten falsch identifiziert.
Die GPS-Signale von dem GPS-Empfänger 42 an der Leitung 56 und die Raddrehzahl-/-rotationssignale von dem Prozessor 60 werden an einen Wiederabtastungs- und Zeitsynchronisationsprozessor 66 gesendet, um den Zeitrahmen zwischen den GPS-Signalen und den Raddrehzahl-/Kilometerzählerauslesungen zu synchronisieren, sodass der Radsensordatenstrom mit dem GPS-Datenstrom synchronisiert wird. Typischerweise stehen Fahrzeugsensordaten mit einer höheren Abtastrate als GPS-Signale zur Verfügung, und daher ist die GPS-Signalrate für die Rate von an einen GPS-Validierungsprozess gesendeten Daten maßgeblich. Beispielsweise können GPS-Signale bei 1 Hz liegen und können Fahrzeugsensordaten bei 10 Hz oder höher Liegen.
Die zeitlich synchronisierten GPS-Signale und Raddrehzahl-/-rotationssignale von dem Prozessor 66 werden zusammen mit den Beschleuni gungsschätzungssignalen von dem Prozessor 62 an einen GPS-Referenzdatenvalidierungsprozessor 68 gesendet. Der Prozessor 68 wählt gültige GPS-Referenzdaten aus, die bestimmte Anforderungen für eine Sensorkalibrierung erfüllen. Der Ausgang des Prozessors 68 ist ein Signal, das identifiziert, ob die GPS-Signale für eine bestimmte Zeitdauer gültig sind oder nicht. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform verwendet der Algorithmus ein Modell auf der Grundlage der nachstehenden Gleichung (2), um die Validierung der GPS-Referenzdaten in dem Prozessor 68 bereitzustellen.
Wobei k eine vordefinierte Konstante ist, die von dem verwendeten GPS-Empfänger abhängt, und a_i die durch eine zeitliche Ableitung von Raddaten geschätzte Fahrzeugbeschleunigung ist.
Die Gierratensensorsignale an der Leitung 58 und die gültigen GPS-Signale von dem Prozessor 68 werden an einen Prozessor 70 zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung gesendet. Der Prozessor 70 verwendet die gültigen GPS-Signale, um den systematischen Fehler zu entfernen und den Skalierungsfaktor des Gierratensensors 46 zu kalibrieren, sodass der Gierratensensor 46 für Fahrzeugfahrtrichtungszwecke verwendet werden kann, wenn die GPS-Signale nicht gültig sind. Bei einer Ausführungsform behandelt der in dem Prozessor 70 verwendete Kalibrierungsalgorithmus das GPS-Fahrtrichtungsprofil und das Gierratenfahrtrichtungsprofil als zwei Formen, d. h. erzeugt durch zeitliche Integration des Gierratensignals, und versucht, die Faktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung derart zu schätzen, dass in dem Modell ein Minimum erreicht wird. Dieser Prozess wird durch die nachstehende Gleichung (3) gezeigt.
Wobei N die Anzahl von Datenpunkten ist, α_i die relative Wichtigkeit des Zeitraums i ist, GPS_i die GPS-Fahrtrichtung (Zeit = i) ist, S der Skalierungsfaktor ist, B der systematische Gier-Fehler ist und Sensor_i die Bierbasierte Fahrtrichtung ist, die beispielsweise unter Verwendung der nachstehendem Gleichung (6) (Zeit = i) abgeleitet wird.
Das durch Gleichung (3) bereitgestellte Modell ermöglicht auch die Einbeziehung von Gewichtungen der relativen Wichtigkeit für einzelne Beobachtungen in dem Kalibrierungsdatensatz. Wenn beispielsweise verschiedene fehlerhafte Fahrtrichtungsbeobachtungen in dem GPS-Fahrtrichtungsdatensatz detektiert werden, d. h. unter Verwendung der Kontinuität von GPS-Fahrtrichtungsdaten, Fahrzeugdynamikbeschränkungen und einer gierratenbasierten Fahrtrichtung detektiert werden, die eine viel größere Kontinuität aufweist, können jenen Datenpunkten in den Parameteroptimierungsprozess kleinere Gewichtungen zugeordnet werden oder können diese sogar ignoriert werden.
Vor dem Optimieren des Modells von Gleichung (3) legt der Algorithmus zwei Suchräume für die Parameter des systematischen Fehlers und der Skalierung fest. Auf der Grundlage der Fahrtrichtungsdiskrepanz zwischen den GPS-Auslesungen und der gierratenbasierten Fahrtrichtungsschätzung unter Verwendung der Annahme eines perfekten Gierratensensors schätzt der Algorithmus einen Wert des systematischen Fehlers und definiert er einen Suchraum um diesen angenäherten systematischen Fehler. Er sucht auch identifizierbare Fahrzeugkurven aus, beispielsweise durch Verwenden von nicht kalibrierten Gierratensignalen, und schätzt einen Annäherungsskalierungsfaktor zusammen mit einem Fehlerschätzwert, was zu einem Suchraum für den Skalierungsfaktor führt. Nachfolgend wird eine Suche ausgeführt, um die optimalen Faktorwerte des systematischen Fehlers und der Skalierung zu schätzen.
Die tatsächliche Realisierung des Kalibrierungsalgorithmus kann in Abhängigkeit von dem für GPS-Signale und Fahrzeugsensoren verwendeten Integrationsmechanismus variieren. Beispielsweise kann bei einer komplexen Realisierung eine von kalibrierten Sensoren abgeleitete Fahrzeugfahrtrichtung zu einem GPS-Positions- und -Geschwindigkeitsschätzungsprozessor zurückgeführt werden. Bei jeder Realisierung verbessert eine häufige Kalibrierung des Sensors die Genauigkeit der geschätzten Fahrtrichtung. Idealerweise findet die Kalibrierung als kontinuierlicher Prozess unter Verwendung des jüngsten Segments von gültigen GPS-Daten statt. Dies ist jedoch möglicherweise aufgrund von beschränkten Verarbeitungsressourcen in einer Fahrzeugplattform nicht realisierbar, wodurch ein automatisches Schema zum Auslösen einer neuen Kalibrierungsaktualisierung erforderlich ist, wann immer gültige Referenzdaten verfügbar sind und wenn erhebliche Abweichungen des systematischen Sensorfehlers oder der Skalierung detektiert werden.
Es kann ein Modell, das auf den nachstehenden Gleichungen (4) und (5) basiert, verwendet werden, um signifikante Schwankungen der Fahrtrichtung, die durch die validierten GPS-Datensegmente und entsprechende kalibrierte Sensordaten berichtet werden, zu überwachen, um eine Aktualisierung der Kalibrierungsparameter auszulösen.
Wobei ϕ_Sensor die sensorbasierte Fahrtrichtung ist (Gierrate oder Differenzodometrie), ϕ_GPS die GPS-basierte Fahrtrichtung ist, δ_Scale der Skalierungsfaktorschwellenwert ist und δ_Bias der Schwellenwert des systematischen Fehlers ist.
Die Raddrehzahl- und/oder -rotationssignale und die Kilometerzählersignale werden auch an einen Differenzodometrieprozessor 64 gesendet oder können durch diesen verwendet werden. Der Differenzodometrieprozessor 64 verwendet die Radrotationszählwerte von den Raddrehzahlsensoren 32, 34, 36 und 38, um die Fahrzeugfahrtrichtung auf der Grundlage der Distanz zwischen zwei der Räder, wie beispielsweise den Rädern 22 und 26 oder 24 und 28, zu ermitteln. Der Algorithmus zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung in dem Prozessor 70 kann auch verwendet werden, um den systematischen Fehler und die Skalierung der Differenzodometriesignale zu kalibrieren.
Die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung von dem Prozessor 70 werden dann zusammen mit den Gierratensignalen an der Leitung 58 zu einem Fahrtrichtungsschätzungsprozessor 72 gesendet. Der in dem Prozessor 72 verwendete Fahrtrichtungsschätzungsalgorithmus schätzt die Fahrzeugfahrtrichtung unter Verwendung der Gierratensignale, die durch den Algorithmus in dem Prozessor 70 kalibriert wurden. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform können die Faktoren der Skalierung und des systematischen Fehlers verwendet werden, um die Fahrtrichtung, die auf dem kalibrierten Gierratensensor ba siert, durch Verwenden des Modells in der nachstehenden Gleichung (6) zu schätzen. ϕi = ϕi-1 + S(∂ϕi – Γ)dT (6)
Wobei ϕ die gierratensensorbasierte Fahrtrichtung ist, ∂ϕ die Gierrate ist, S der Skalierungsfaktor ist, Γ der Faktor des systematischen Fehlers ist und dT das Gierratensensordatenintervall ist (1/Abtastrate).
Wenn die Gierratensignale zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt nicht verfügbar sind, kann der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor 72 die Fahrtrichtungssignale von dem Odometrieprozessor 64 verwenden. Verschiedene Gründe würden bewirken, dass der Prozessor 72 die Gierratensensorsignale an der Leitung 58 nicht verwendet, wie beispielsweise ein Sensorausfall. Es ist in der Technik weithin bekannt, die Fahrzeugfahrtrichtung durch die Raddrehzahl von zwei Vorder- und Hinterrädern eines Fahrzeugs bereitzustellen. Wie es in der Technik jedoch auch bekannt ist, ist dies weniger genau als das Bereitstellen der Fahrzeugfahrtrichtung unter Verwendung von Giersensoren.
Die Fahrtrichtungsschätzung von dem Prozessor 72 kann dann in einem beliebigen geeigneten System an dem Fahrzeug 20 verwendet werden, wie beispielsweise einem digitalen Kompass 74.
Die vorangehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus solch einer Erläuterung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

System zum Ermitteln der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, wobei das System umfasst: einen GPS-Empfänger, der GPS-Signale bereitstellt, die die Position des Fahrzeugs angeben; einen Gierratensensor zum Bereitstellen von Gierratensignalen, die die Gierrate des Fahrzeugs angeben; einen Beschleunigungsschätzungsprozessor zum Ermitteln der Beschleunigung des Fahrzeugs und Bereitstellen von Beschleunigungssignalen; einen GPS-Validierungsprozessor, der die GPS-Signale, Raddrehzahl- oder -rotationssignale und die Beschleunigungssignale empfängt und ermittelt, ob die GPS-Signale gültig sind; und einen Prozessor zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung, der auf die Gierratensensorsignale und die GPS-Signale anspricht, wobei der Kalibrierungsprozessor Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung für die Gierratensensorsignale unter Verwendung der GPS-Signale bereitstellt, wenn der Validierungsprozessor ermittelt, dass die GPS-Signale gültig sind.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Raddrehzahlsensor zum Bereitstellen der Raddrehzahl- oder -rotationssignale der Drehzahl oder Rotation der Räder des Fahrzeugs und einen Radschlupfdetektionsprozessor, der auf die Raddrehzahlsignale anspricht, wobei der Radschlupfdetektionsprozessor ermittelt, ob ein Radschlupf vorliegt.
System nach Anspruch 2, wobei der Radschlupfdetektionsprozessor die folgende Gleichung zum Ermitteln des Radschlupfs verwendet:
wobei ν_GPS die GPS-basierte Geschwindigkeit ist, ν_Sensor die radsensorbasierte Fahrzeuggeschwindigkeit ist und 6 ein vorbestimmter Datenqualitätsschwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Fahrtrichtungsschätzungsprozessor, der auf die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung von dem Kalibrierungsprozessor und die Gierratensignale anspricht, wobei der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor die Kalibrierungsfaktoren und die Gierratensignale verwendet, um eine Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen.
System nach Anspruch 4, wobei der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor die folgende Gleichung zum Bereitstellen der Fahrzeugfahrtrichtung verwendet: ϕi = ϕi-1 + S(∂ϕi – Γ)dT wobei ϕ die gierratensensorbasierte Fahrtrichtung ist, ∂ϕ die Gierrate ist, S der Skalierungsfaktor ist, Γ der Faktor des systematischen Fehlers ist und dT ein Gierratensensordatenintervall ist.
System nach Anspruch 1, wobei der GPS-Validierungsprozessor ein Verhältnis zwischen der durch das GPS-Signal s und die Raddrehzahl- oder -rotationssignale bereitgestellten Geschwindigkeit verwendet, um zu ermitteln, ob die GPS-Signale gültig sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungsschätzungsprozessor eine zeitliche Ableitung der Radgeschwindigkeit verwendet, um die Fahrzeugbeschleunigung zu schätzen.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung die folgende Gleichung verwendet, um die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung zu ermitteln:
wobei N die Anzahl von Datenpunkten ist, α_i die relative Wichtigkeit des Zeitraums i ist, GPS_i die GPS-Fahrtrichtung (Zeit = i) ist, S der Skalierungsfaktor ist, B der systematische Gier-Fehler ist und Sensor_i die gierbasierte Fahrtrichtung ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Wiederabtastungs- und Zeitsynchronisationsprozessor, der den Zeitrahmen zwischen den GPS-Signalen und den Raddrehzahlsignalen synchronisiert.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Differenzodometrieprozessor zum Ermitteln der Fahrzeugfahrtrichtung auf der Grundlage von Radrotationszählwerten.
System zum Kalibrieren des systematischen Fehlers und der Skalierung eines Sensors in einem Fahrzeug, wobei das System umfasst: einen Fahrtrichtungssänderungssensor, der Sensorsignale bereitstellt; einen GPS-Empfänger, der GPS-Signale bereitstellt, die die Position des Fahrzeugs angeben; mehrere Raddrehzahl-/Radrotationssensoren zum Bereitstellen von Signalen der Raddrehzahl oder Radrotation der Räder des Fahrzeugs; einen Radschlupfdetektionsprozessor, der auf die Raddrehzahl- oder Radrotationssignale anspricht und ermittelt, ob bei irgendeinem der Räder ein Radschlupf vorliegt; einen Beschleunigungsschätzungsprozessor zum Ermitteln der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Grundlage der Raddrehzahl- oder Radrotationssignale; und einen Prozessor zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung, der auf die Sensorsignale und die GPS-Signale anspricht, wobei der Kalibrierungsprozessor Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung für die Sensorsignale unter Verwendung der GPS-Signale bereitstellt.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Fahrtrichtungsschätzungsprozessor, der auf die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung von dem Kalibrierungsprozessor und die Gierratensignale anspricht, wobei der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor die Kalibrierungsfaktoren und die Gierratensignale verwendet, um die Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen.
System nach Anspruch 11, wobei der Beschleunigungsschätzungsprozessor eine zeitliche Ableitung der Radgeschwindigkeit verwendet, um die Fahrzeugbeschleunigung zu schätzen.
System zum Ermitteln der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, wobei das System umfasst: einen GPS-Empfänger, der GPS-Signale bereitstellt, die die Position des Fahrzeugs angeben; einen Gierratensensor zum Bereitstellen von Gierratensignalen, die die Gierrate des Fahrzeugs angeben; mehrere Raddrehzahl-/Radrotationssensoren zum Bereitstellen von Signalen der Raddrehzahl oder Radrotation der Räder des Fahrzeugs; einen Radschlupfdetektionsprozessor, der auf die Raddrehzahl- oder Radrotationssignale anspricht und ermittelt, ob bei irgendeinem der Räder ein Radschlupf vorliegt; einen Beschleunigungsschätzungsprozessor zum Ermitteln der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Grundlage der Raddrehzahl- oder Radrotationssignale; einen GPS-Validierungsprozessor, der die GPS-Signale und die Beschleunigungssignale empfangt und ermittelt, ob die GPS-Signale gültig sind; einen Prozessor zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung, der auf die Gierratensensorsignale und die GPS-Signale anspricht, wobei der Kalibrierungsprozessor Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung für die Gierratensensorsignale unter Verwendung der GPS-Signale bereitstellt, wenn der Validierungsprozessor ermittelt, dass die GPS-Signale gültig sind; und einen Fahrtrichtungsschätzungsprozessor, der auf die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung von dem Kalibrierungsprozessor und die Gierratensignale anspricht, wobei der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor die Kalibrierungsfaktoren und die Gierratensignale verwendet, um eine Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen.
System nach Anspruch 14, wobei der Radschlupfdetektionsprozessor die folgende Gleichung zum Ermitteln des Radschlupfs verwendet:
wobei ν_GPS die GPS-basierte Geschwindigkeit ist, ν_Sensor die radsensorbasierte Fahrzeuggeschwindigkeit ist und 6 ein vorbestimmter Datenqualitätsschwellenwert ist.
System nach Anspruch 14, wobei der Fahrtrichtungsschätzungsprozessor die folgende Gleichung verwendet, um die Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen: ϕi = ϕi-1 + S(∂ϕi – Γ)dTwobei ϕ die gierratensensorbasierte Fahrtrichtung ist, ∂ϕ die Gierrate ist, S der Skalierungsfaktor ist, Γ der Faktor des systematischen Fehlers ist und dT ein Gierratensensordatenintervall ist.
System nach Anspruch 14, wobei der GPS-Validierungsprozessor ein Verhältnis zwischen der durch das GPS-Signal und die Raddrehzahl- oder -rotationssignale bereitgestellten Geschwindigkeit verwendet, um zu ermitteln, ob die GPS-Signale gültig sind.
System nach Anspruch 14, wobei der Beschleunigungsschätzungsprozessor eine zeitliche Ableitung der Radgeschwindigkeit verwendet, um die Fahrzeugbeschleunigung zu schätzen.
System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor zur Kalibrierung des systematischen Fehlers und der Skalierung die folgende Gleichung verwendet, um die Kalibrierungsfaktoren des systematischen Fehlers und der Skalierung zu ermitteln:
wobei N die Anzahl von Datenpunkten ist, α_i die relative Wichtigkeit des Zeitraums i ist, GPS_i die GPS-Fahrtrichtung (Zeit = i) ist, S der Skalierungsfaktor ist, B der systematische Gier-Fehler ist und Sensor_i die gierbasierte Fahrtrichtung ist.
System nach Anspruch 14, ferner umfassend einen Wiederabtastungs- und Zeitsynchronisationsprozessor, der den Zeitrahmen zwischen den GPS-Signalen und den Raddrehzahlsignalen synchronisiert.
System nach Anspruch 14, ferner umfassend einen Differenzodometrieprozessor zum Ermitteln der Fahrzeugfahrtrichtung auf der Grundlage von Radrotationszählwerten.