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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines systematischen
Abweichungsfehlers in den Messwerten eines Beschleunigungssensors einer
wenigstens zwei Beschleunigungssensoren aufweisenden Sensoreinheit.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Fahrzeug mit
einer wenigstens zwei Beschleunigungssensoren aufweisenden Sensoreinheit.
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In
heutigen Fahrzeugen werden üblicherweise
Sensoreinheiten eingesetzt, welche die Bestimmung der Beschleunigung
des Fahrzeugs in verschiedenen Richtungen ermöglichen. Diese Sensoreinheiten
werden in der Regel an einem mit der Karosserie des Fahrzeugs fest
verbundenen Bauteil angebracht, wobei Messachsen der Beschleunigungssensoren
derart ausgerichtet werden, dass sie mit den Fahrzeugachsen zusammenfallen.
Idealerweise kann somit die Beschleunigung des Fahrzeugs in den Richtungen
aller Fahrzeugachsen bestimmt werden.
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Die
von den Beschleunigungssensoren gemessenen Beschleunigungswerte
sind jedoch nie exakt. Wie alle Sensormesswerte sind auch die Werte der
Beschleunigungssensoren verrauscht und weisen zusätzlich einen
systematischen Abweichungsfehler (Offset) auf. Dabei lässt sich
das Rauschen der Beschleunigungssensoren durch eine geeignete Filterung
minimieren, wohingegen eine Korrektur des systematischen Abweichungsfehlers
nicht so einfach möglich
ist. Vorliegend gilt das Interesse einem Bestimmen eines derartigen
systematischen Abweichungsfehlers, so dass die Beschleunigungswerte des
Fahrzeugs besonders exakt ermittelt werden können.
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Heutzutage
werden diverse Methoden angewandt, die eine Bestimmung des systematischen
Abweichungsfehlers eines Beschleunigungssensors ermöglichen.
Bei einer der Methoden werden die Beschleunigungssensoren nach der
Produktion entweder in einem noch nicht ins Fahrzeug eingebauten Zustand
oder während
einer Sonderfahrt geeicht. Dieses Verfahren bedarf jedoch zusätzlicher
Produktionsschritte und verursacht folglich zusätzliche Produktionskosten.
Außerdem
kann mit diesem Verfahren nur ein Abweichungsfehler der Beschleunigungssensoren
unmittelbar nach der Produktion ermittelt werden, so dass nicht
berücksichtigt
werden kann, dass sich der Abweichungsfehler im Laufe der Zeit verändern kann.
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Gemäß einem
weiteren Verfahren können die
Abweichungsfehler der Beschleunigungssensoren über eine vorgegebene lange
Zeit abgeglichen werden. Dabei wird eine Mittelung der Beschleunigungswerte über entsprechend
lange Zeit vorgenommen, mit der Annahme, dass das Fahrzeug in allen Richtungen
im Mittel gleich oft und gleich stark beschleunigt wird. Diese Methode
funktioniert jedoch nicht immer exakt, da sie Annahmen trifft, welche
in den Fahrzeugen nicht immer zutreffen müssen. Beispielsweise funktioniert
der Langzeitabgleich nicht, wenn das Fahrzeug auf einem Rundkurs
bewegt wird.
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Schließlich können die
systematischen Abweichungsfehler dergestalt beseitigt werden, dass die
gemessenen Beschleunigungswerte der Beschleunigungssensoren mit
Beschleunigungswerten verglichen werden, die mit Hilfe anderer Sensoren berechnet
worden sind. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass hierfür weitere
Sensoren notwendig sind, was zusätzliche
Kosten zur Folge hat. Außerdem
kann mit dieser Methode der Abweichungsfehler nur mit unbefriedigender
Genauigkeit ermittelt werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen
eines systematischen Abweichungsfehlers in den Messwerten eines
Beschleunigungssensors einer wenigstens zwei Beschleunigungssensoren
aufweisenden Sensoreinheit sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen
Sensoreinheit zu schaffen, bei denen Maßnahmen getroffen sind, die
auf technisch einfache Weise ein möglichst genaues Ermitteln des
Abweichungsfehlers und somit ein genaues Erfassen des Messwerts
gewährleisten.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Bestimmen eines systematischen Abweichungsfehlers eines Messwerts
eines Beschleunigungssensors einer wenigstens zwei Beschleunigungssensoren
aufweisenden Sensoreinheit bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird
zunächst
die Sensoreinheit in ein Fahrzeug eingebaut. In einem unbeschleunigten
Zustand des Fahrzeugs wird dann jeweils ein erster Messwert jedes
Beschleunigungssensors der Sensoreinheit bei einer ersten Wertekombination
von Werten zu einer ersten Winkelgröße und einer zweiten Winkelgröße der Sensoreinheit
bezüglich
eines vorgegebenen Koordinatensystems der Erde erfasst. Ferner wird
in dem unbeschleunigten Zustand des Fahrzeugs jeweils ein zweiter
Messwert jedes Beschleunigungssensors der Sensoreinheit bei einer
zweiten Wertekombination von Werten zu der ersten und der zweiten
Winkelgröße erfasst.
Schließlich
wird jeweils ein dritter Messwert jedes Beschleunigungssensors der Sensoreinheit
im unbeschleunigten Zustand des Fahrzeugs bei einer dritten Wertekombination
von Werten zu der ersten und der zweiten Winkelgröße erfasst.
Der systematische Abweichungsfehler wird dann anhand der erfassten
Messwerte bestimmt.
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Auf
diesem Wege gelingt es, ein Gleichungssystem einschließlich wenigstens
sechs Gleichungen bei mindestens sechs Unbekannten aufzustellen, aus
welchem der systematische Abweichungsfehler auf technisch einfache
Weise bestimmt werden kann.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird erreicht, dass keine zusätzlichen
Produktionsschritte sowie keine zusätzlichen Beschleunigungssensoren notwendig
sind, um den systematischen Abweichungsfehler zu bestimmen. Dies
hat ferner zur Folge, dass dieses Verfahren kostengünstig umgesetzt werden
kann. Dieses Verfahren bedarf ferner keines vorbestimmten Fahrzeugmodells,
wodurch eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Genauigkeit
der berechneten Werte des Abweichungsfehlers erzielt wird, da der
ermittelte Abweichungsfehler nicht von der Genauigkeit eines bestimmten
Fahrzeugmodells abhängt.
Zudem kann der systematische Abweichungsfehler mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch vorteilhaft praktisch zu jedem Zeitpunkt nach dem Einbauen
der Sensoreinheit in das Fahrzeug während einer unbeschleunigten
Fahrt bestimmt werden. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch für
Beschleunigungssensoren mit einer starken Drift der Messwerte geeignet.
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Unter
der ersten und der zweiten Winkelgröße der Sensoreinheit bezüglich des
vorgegebenen Koordinatensystems der Erde werden vorliegend Winkelgrößen verstanden,
welche jeweils eine Drehung der Sensoreinheit beschreiben und so
eine Transformation zwischen dem Koordinatensystem der Erde und
einem der Sensoreinheit zugrunde gelegten Sensorkoordinatensystem
definieren. Die erste Winkelgröße bezeichnet
einen Winkel, um welchen die Sensoreinheit ausgehend von dem Koordinatensystem
der Erde um die y-Achse des Koordinatensystems der Sensoreinheit
gedreht wird. Die zweite Winkelgröße beschreibt ferner eine Drehung
der Sensoreinheit um seine Längsachse
(d. h. die x-Achse des Sensorkoordinatensystems), und zwar nach dem
Drehen der Sensoreinheit um den ersten Winkel. Nachfolgend werden
die erste Winkelgröße als Nickwinkel
und die zweite Winkelgröße als Wankwinkel
bezeichnet.
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Um
ein einfaches Umrechnen der Messwerte der wenigstens zwei Beschleunigungssensoren
in Richtung der Messachsen der Beschleunigungssensoren in Beschleunigungswerte
des Fahrzeugs in Richtung der Fahrzeugsachsen sowie ein einfaches Bestimmen
des systematischen Abweichungsfehlers zu ermöglichen, wird das Verfahren
bevorzugt auf eine Sensoreinheit mit wenigstens zwei Beschleunigungssensoren
angewandt, bei welcher Messachsen der Beschleunigungssensoren orthogonal
zueinander angeordnet sind, und beide Messachsen der Beschleunigungssensoren
in einer Ebene liegen, in der auch der Vektor der Erdbeschleunigung
liegt, bzw. deren Winkel bzgl. dem Erdschwerevektor bekannt ist.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass das Verfahren auf eine Sensoreinheit
mit drei Beschleunigungssensoren angewandt wird. Auf diesem Wege gelingt
es, die Beschleunigungswerte des Fahrzeugs in den Richtungen aller
drei Fahrzeugachsen genau zu bestimmen. Umfasst die Sensoreinheit
drei Beschleunigungssensoren, so kann ein Gleichungssystem mit neun
Gleichungen bei sieben bis neun Unbekannten aufgestellt werden,
bei welchem drei Unbekannte jeweils einen systematischen Abweichungsfehler
eines Beschleunigungssensors definieren. Um ein Gleichungssystem
mit genau neun Gleichungen und neun Unbekannten zu erzielen, werden
bevorzugt der erste Messwert des jeweiligen Beschleunigungssensors
bei einem ersten Wert des Nickwinkels und einem ersten Wert des
Wankwinkels, der zweite Messwert des jeweiligen Beschleunigungssensors bei
jeweils einem zweiten Wert des Nickwinkels und des Wankwinkels sowie
der dritte Messwert des jeweiligen Beschleunigungssensors bei jeweils
einem dritten Wert des Nickwinkels und des Wankwinkels aufgenommen.
Ein Gleichungssystem mit neun Gleichungen und neun Unbekannten lässt sich dabei
auf einfache Weise lösen,
so dass der systematische Abweichungsfehler jedes Beschleunigungssensors
problemlos bestimmt werden kann.
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Um
eine bestimmte Genauigkeit der Bestimmung des systematischen Abweichungsfehlers
zu erreichen, ist es wichtig, dass sich jeweils der erste, der zweite
und der dritte Wert des Nickwinkels und des Wankwinkels paarweise
möglichst
stark voneinander unterscheiden. Somit ist gemäß einer weiteren Ausführungsform
vorgesehen, dass sich der erste, der zweite und der dritte Wert
des Nickwinkels paarweise wenigstens um einen vorgebbaren Wert voneinander
unterscheiden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass sich der
erste, der zweite und der dritte Wert des Wankwinkels ebenfalls
paarweise wenigstens um einen vorgebbaren Wert voneinander unterscheiden.
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Hierzu
wird gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt,
welches eine wenigstens zwei Beschleunigungssensoren aufweisende
Sensoreinheit umfasst, wobei die Sensoreinheit an einem bezüglich einer Karosserie
des Fahrzeugs beweglichen Teil angeordnet ist. Durch das Anordnen
der Sensoreinheit an einem bezüglich
der Karosserie bewegbaren Teil des Fahrzeugs wird erreicht, dass
jeweils der erste, der zweite und der dritte Wert des Nickwinkels
und des Wankwinkels derart aufeinander abgestimmt werden können, dass
sie stark genug voneinander abweichen. Somit kann die Genauigkeit
der Bestimmung des systematischen Abweichungsfehlers deutlich erhöht werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Sensoreinheit
an einer Lenksäule des
Fahrzeugs angeordnet ist. Somit verursacht jede Umdrehung der Lenksäule eine
entsprechende Änderung
sowohl des Nickwinkels als auch des Wankwinkels. Dabei fällt bevorzugt
keine der Messachsen der Beschleunigungssensoren mit einer Drehachse der
Lenksäule
zusammen.
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Um
bei drei Beschleunigungssensoren eine hohe Genauigkeit der Bestimmung
des systematischen Abweichungsfehlers jedes Beschleunigungssensors
zu erreichen, ist in einer Ausführungsform vorgesehen,
dass eine Messachse jedes Beschleunigungssensors einen Winkel in
einem Wertebereich zwischen 1° bis
179°, bevorzugt
zwischen 20° und 90°, noch bevorzugter
zwischen 50° bis
60°, insbesondere
einen Winkel von 54,74°,
mit einer Drehachse der Lenksäule
einschließt.
Auf diesem Wege gelingt es, bei jeder Drehung der Lenksäule eine
vergleichbar starke Änderung
des von jedem Sensor gemessenen Anteils der Erdbeschleunigung zu
erreichen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der beigefügten
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Lenksäule eines Fahrzeugs mit einer
daran angeordneten Sensoreinheit, die drei Beschleunigungssensoren
aufweist;
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2 eine
Darstellung, anhand derer eine Umdrehung der Sensoreinheit um einen
Nickwinkel bezüglich
eines Koordinatensystems der Erde erläutert wird;
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3 eine
Darstellung, anhand derer eine Umdrehung der Sensoreinheit um einen
Wankwinkel bezüglich
des Koordinatensystems der Erde erläutert wird;
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4 ein
Flussdiagramm zu einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen
eines systematischen Abweichungsfehlers jeweils eines Messwerts
dreier Beschleunigungssensoren.
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Ein
schematisch angedeutetes Fahrzeug 1 umfasst eine Lenksäule 2,
welche eine Drehachse A aufweist. Mit der Lenksäule 2 ist in herkömmlicher Weise
ein Lenkrad 3 drehfest gekoppelt. An der Lenksäule 2 ist
ferner eine Sensoreinheit 4 angeordnet, welche drei Beschleunigungssensoren
aufweist. Dabei weist ein erster Beschleunigungssensor eine x-Messachse
xa, ein zweiter Beschleunigungssensor eine
y-Messachse ya und ein dritter Beschleunigungssensor
eine z-Achse za auf. Die Messachsen xa, ya, za,
der Beschleunigungssensoren sind jeweils orthogonal zueinander angeordnet
und definieren ein Sensorkoordinatensystem der Sensoreinheit 4.
Ferner ist die Sensoreinheit dergestalt an der Lenksäule 2 angeordnet,
dass jede Messachse xa, ya,
za zur Drehachse A der Lenksäule 2 einen
Winkel von 54,74° einschließt. Außerdem sind
die Messachsen xa, ya,
za derart aufeinander abgestimmt, dass in
einer Geradeausfahrstellung des Lenkrads 3 die x-Messachse
xa in einer durch die Fahrzeughochachse
und die Fahrzeuglängsachse
definierten Ebene angeordnet liegt.
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Mit
Messwerten jedes der Beschleunigungssensoren der Sensoreinheit 4 und
in Kenntnis einer aktuellen Winkelstellung der Lenksäule 2 bzw.
des Lenkrads 3 ist es möglich,
Beschleunigungswerte des Fahrzeugs in Richtung jeder Fahrzeugachse
zu bestimmen.
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Anhand
der 2 und 3 wird nachfolgend eine Transformation
zwischen einem Koordinatensystem der Erde und einem Sensorkoordinatensystem
der Sensoreinheit 4 erläutert.
In 2 stellen x und z entsprechend eine x-Achse und
eine z-Achse des Koordinatensystems der Erde dar. Dabei ist die z-Achse des Koordinatensystems
der Erde in Richtung des Erdmittelpunkts orientiert. Die Transformation
von dem Koordinatensystem der Erde in das Sensorkoordinatensystem
ergibt sich aus einer Drehung um einen Nickwinkel n und einer Drehung
um einen Wankwinkel w. Die Drehung um den Nickwinkel n erfolgt dabei
um eine y-Achse des Koordinatensystems der Sensoreinheit, was anhand
von 2 ersichtlich ist. Ein nach der Drehung um den
Nickwinkel n gebildetes Zwischenkoordinatensystem weist nun eine bezüglich der
x-Achse um den Nickwinkel n gedrehte x'-Achse sowie eine bezüglich der
z-Achse gedrehte z'-Achse
auf. Nach der Drehung um den Nickwinkel n erfolgt eine weitere Drehung
des Zwischenkoordinatensystems um einen Wankwinkel w um die x'-Achse des Zwischenkoordinatensystems.
Diese Drehung um den Wankwinkel w ist in 3 zu erkennen.
Ein nach der Drehung des Zwischenkoordinatensystems um den Wankwinkel
w gebildetes Koordinatensystem entspricht dem Sensorkoordinatensystem
der Sensoreinheit 4. Auf diese Art und Weise lässt sich
jede aktuelle Stellung der Sensoreinheit 4 bezüglich des Schwerkraftvektors
durch Angabe von zwei Winkeln, nämlich
dem Nickwinkel n und dem Wankwinkel w, beschreiben.
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In
einem unbeschleunigten Zustand bzw. im Stillstand des Fahrzeugs 1 lassen
sich die Messwerte der Beschleunigungssensoren der Sensoreinheit 4 wie
folgt darstellen: ax =
g·sin(n)
+ ax,offset, ay = g·cos(n)·sin(w)
+ ay,offset, az = g·cos(n)·cos(w)
+ az,offset, wobei ax,offset,
ay,offset und az,offset systematische
Abweichungsfehler (Offset) der Messwerte ax,
ay, az bezeichnen
und g die Gravitationskonstante der Erde bezeichnet.
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Um
die systematischen Abweichungsfehler ax,offset,
ay,offset und az,offset zu
bestimmen, werden nun die Messwerte ax,
ay, az der Beschleunigungssensoren
der Sensoreinheit 4 bei drei unterschiedlichen Winkelstellungen
der Lenksäule 2 und
somit bei drei unterschiedlichen Stellungen der Sensoreinheit 4 ausgewertet.
Auf diese Art und Weise wird ein Gleichungssystem mit neun Gleichungen
aufgestellt: ax1 = g·sin(n1) + ax,offset, ay1 = g·cos(n1)·sin(w1) + ay,offset, az1 = g·cos(n1)·cos(w1) + az,offset, ax2 = g·sin(n2) + ax,offset, ay2 = g·cos(n2)·sin(w2) + ay,offset, az2 = g·cos(n2)·cos(w2) + az,offset, ax3 = g·sin(n3) + ax,offset, ay3 = g·cos(n3)·sin(w3) + ay,offset, az3 = g·cos(n3)·cos(w3) + az,offset,wobei
n1, w1, n2, w2, n3,
w3 entsprechend einen ersten, einen zweiten
und einen dritten Wert von Nickwinkel und Wankwinkel bezeichnen.
Da alle Werte für den
Nickwinkel n1, n2,
n3 und für
den Wankwinkel w1, w2,
w3 sowie alle systematischen Abweichungsfehler ax,offset, ay,offset und
az,offset unbekannt sind, erhält man somit
ein Gleichungssystem mit neun Gleichungen und neun Unbekannten.
Dieses Gleichungssystem lässt
sich auf einfache Weise lösen,
so dass die systematischen Abweichungsfehler der Beschleunigungssensoren
der Sensoreinheit 4 einfach bestimmt werden können. Dabei
ist es wichtig, dass die Werte der Nickwinkel n1,
n2, n3 sowie die
Werte der Wankwinkel w1, w2,
w3 bei den einzelnen Messungen möglichst
stark voneinander abweichen. Hierzu erweist sich die Anordnung der
Sensoreinheit 4 an der Lenksäule 2 des Fahrzeugs 1 besonders
vorteilhaft.
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4 stellt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der systematischen
Abweichungsfehler ax,offset, ay,offset und
az,offset der Messwerte ax,
ay, az der Beschleunigungssensoren
der Sensoreinheit 4 dar. Dabei wird in einem ersten Schritt
S1 die Sensoreinheit 4 einschließlich dreier Beschleunigungssensoren,
deren Messachsen xa, ya,
za orthogonal zueinander angeordnet sind,
bereitgestellt und an der Lenksäule 2 des
Fahrzeugs 1 angebracht. Anschließend wird in einem zweiten
Schritt S2 jeweils ein erster Messwert ax1,
ay1, az1 in dem
unbeschleunigten Zustand des Fahrzeugs 1 erfasst. Dabei
wird der jeweils erste Messwert ax1, ay1, az1 bei einer
ersten Winkelstellung der Lenksäule 2,
also bei dem ersten Wert des Nickwinkels n1 sowie
dem ersten Wert des Wankwinkels w1 erfasst.
In einem dritten Schritt S3 wird in dem unbeschleunigten Zustand
des Fahrzeugs 1 jeweils ein zweiter Messwert ax2,
ay2, az2 jedes Beschleunigungssensors
der Sensoreinheit 4 erfasst. Diese Erfassung der Messwerte
ax2, ay2, az2 erfolgt bei einer zweiten Winkelstellung
der Lenksäule 2,
also bei jeweils einem zweiten Wert des Nickwinkels und des Wankwinkels
n2, w2. Ferner wird
in einem vierten Schritt S4 des Verfahrens jeweils ein dritter Messwert
ax3, ay3, az3 jedes Beschleunigungssensors der Sensoreinheit 4 im
unbeschleunigten Zustand des Fahrzeugs 1 erfasst. Dabei
befindet sich die Lenksäule 2 in
einer dritten Winkelstellung, welcher jeweils ein dritter Wert des
Nickwinkels und des Wankwinkels n3, w3 zugeordnet sind. Liegen keine Messwerte
vor, so wird das auf diese Art und Weise gebildete und neun Gleichungen
sowie neun Unbekannten aufweisende Gleichungssystem in einem fünften Schritt
S5a des Verfahrens ausgewertet. Im fünften Schritt S5a werden somit
die systematischen Abweichungsfehler ax,offset,
ay,offset und az,offset berechnet.
Liegen bereits Messungen bei weiteren Werten des Nickwinkels n und
des Wankwinkels w vor, so können
diese auch mitberücksichtigt
werden. Hierzu wird in einem alternativen Schritt S5b ein überbestimmtes
Gleichungssystem mit Hilfe eines RLS-Algorithmus (Recursive-Least-Squares)
zur adaptiven Systembestimmung ausgewertet. Dabei bezeichnet der
RLS-Algorithmus einen rekursiven Algorithmus zur Minimierung eines
Fehlerquadrates. Einem derartigen RLS-Verfahren kann ein adaptiver
Filter zugrunde gelegt werden, dessen Übertragungsfunktion im Betrieb
selbständig
verändert
wird.
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In
einem sechsten Schritt S6 werden die Beschleunigungswerte um die
zuvor berechneten Abweichungsfehler ax,offset,
ay,offset und az,offset korrigiert, und
die Beschleunigungswerte der Sensoreinheit 4 werden auf
die Fahrzeugachsen umgerechnet und entsprechenden Nutzersystemen
des Fahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt.