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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Messeinrichtung und
ein Verfahren zum Betreiben einer Messeinrichtung, wobei eine Ausgabe
der Messeinrichtung auf der Grundlage von Kalibrierwerten korrigiert
wird.
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Stand der Technik
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Messeinrichtungen,
welche beispielsweise im Automobilbereich zum Einsatz kommen, können
ein mehr oder weniger stark hervortretendes Driftverhalten aufweisen.
Hierunter versteht man die Verschiebung des Nullpunkts in der Ausgabe
der Messeinrichtung, auch als „Offset” bezeichnet,
wodurch ein von der Messeinrichtung ausgegebenes Signal mit einem
Fehler behaftet ist. Einflussgrößen, die eine
solche Offsetverschiebung hervorrufen, sind zum Beispiel im Betrieb
der Messeinrichtung auftretende Temperaturänderungen und
die Alterung der Messeinrichtung. Zur Offsetkompensation einer Messeinrichtung
werden daher üblicherweise Kalibrierwerte ermittelt, mit
deren Hilfe ein fehlerbehaftetes Signal korrigiert wird.
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Aus
der
US 5,297,028 ist
zum Beispiel ein Verfahren zur Kompensation eines Temperaturdrifts
eines in einem Navigationssystem eingesetzten mikromechanischen
Drehratensensors bekannt. Über den Drehratensensor, welcher
auch als Gyroskop bezeichnet wird, wird die Drehrate eines Fahrzeugs
erfasst. Zum Zweck des Offsetabgleichs werden bei Stillstand des
Fahrzeugs eine Offsetspannung des Drehratensensors und eine zugehörige
Umgebungstemperatur ermittelt, sowie in einer Speichereinrichtung
in Form einer Nachschlagetabelle hinterlegt. Während der
Fahrt wird die aktuelle Temperatur gemessen und ein zugehöriger
Kalibrierwert (Offsetwert) aus der Spei chereinrichtung entnommen
bzw. mittels Interpolation bestimmt. Auf der Grundlage dieses Kalibrierwerts
wird die fehlerbehaftete Ausgabe des Drehratensensors korrigiert.
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Das
in der
US 5,297,028 beschriebene
Verfahren ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. So werden
alte Kalibrierwerte, welche in der Speichereinrichtung hinterlegt
sind, bei Ermittlung von aktuellen Kalibrierwerten kurzerhand überschrieben.
Auf diese Weise besteht beispielsweise die Gefahr, dass bei der
Aktualisierung ein „guter” Kalibrierwert (welcher
mit einem relativ geringen Messfehler behaftet ist) durch einen „schlechten” Kalibrierwert
(welcher mit einem relativ großen Messfehler behaftet ist)
ersetzt wird, wodurch die Offsetkorrektur beeinträchtigt
wird. Des Weiteren wird für jede beliebige Temperatur ein
entsprechender Eintrag von Temperatur- und Kalibrierwert in der
Speichereinrichtung generiert, so dass die zu speichernde Nachschlagetabelle
im Laufe der Zeit sehr groß werden kann.
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Mikromechanische
Gyroskope zeigen ferner neben der Temperaturabhängigkeit
auch eine signifikante Einschwingdauer, welche beispielsweise fünfzehn
Minuten ab Betriebsbeginn beträgt, so dass die Offsetverschiebung
zusätzlich von der Zeit abhängt. Da bei dem oben
genannten Verfahren die Offsetkompensation des Drehratensensors
lediglich anhand der Temperaturabhängigkeit erfolgt, kann
das Verfahren insbesondere zu Betriebsbeginn ungenau sein. Darüber
hinaus wird eine Alterung von Bauteilen des Drehratensensors nicht beachtet,
und erfolgt eine Ermittlung neuer Kalibrierwerte nur im Stand des
Fahrzeugs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Vorrichtung mit einer Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren
zum Betreiben einer Messeinrichtung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird
eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche eine Messeinrichtung, eine
Speichereinrichtung und eine Auswerteeinrichtung umfasst. Die Speichereinrichtung
dient zum Hinterlegen von Kalibrierwerten und Streuungswerten der
Kalibrierwerte für Betriebspunkte der Messeinrichtung.
Die Auswerteeinrichtung dient zum Korrigieren einer Ausgabe der
Messeinrichtung auf der Grundlage der in der Speichereinrichtung
hinterlegten Kalibrierwerte und zugehörigen Streuungswerte.
Die Auswerteeinrichtung ist ferner ausgebildet, einen aktuellen
Kalibrierwert und einen zugehörigen aktuellen Streuungswert
an einem Betriebspunkt der Messeinrichtung zu ermitteln, und den
aktuellen Kalibrierwert und den aktuellen Streuungswert mit einem in
der Speichereinrichtung hinterlegten Kalibrierwert und einem zugehörigen
hinterlegten Streuungswert zu kombinieren, um einen kombinierten
Kalibrierwert und einen kombinierten Streuungswert zum Hinterlegen
in der Speichereinrichtung zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß werden
neben den Kalibrierwerten zusätzlich zugehörige
Streuungswerte der Kalibrierwerte berücksichtigt. Auf diese
Weise kann die Genauigkeit eines Kalibrierwerts erfasst werden,
wodurch sich die Korrektur der Ausgabe der Messeinrichtung mit einer
höheren Genauigkeit durchführen lässt.
Der Einsatz von Streuungswerten macht es ferner möglich,
bei der Aktualisierung von hinterlegten Kalibrierwerten diese sinnvoll
mit aktuellen Werten zu kombinieren, anstatt die hinterlegten Werte
kurzerhand zu ersetzen, wodurch eine genaue Offsetkompensation weiter
begünstigt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist die Speichereinrichtung
zum Hinterlegen von Kalibrierwerten und zugehörigen Streuungswerten
nur für vorgegebene Betriebspunkte der Messeinrichtung
aus einer Gruppe von vorgegebenen Betriebspunkten vorgesehen. Infolgedessen
wird vermieden, dass die Anzahl der in der Speichereinrichtung zu
hinterlegenden Werte im Laufe der Zeit immer größer
wird. Der maximal zum Halten der Kalibrier- und Streuungswerte benötigte
Speicherbedarf der Speichereinrichtung kann daher von vornherein
festgelegt werden.
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Für
den Fall, dass die Auswerteeinrichtung den aktuellen Kalibrierwert
und den aktuellen Streuungswert an einem vorgegebenen Betriebspunkt
der Messeinrichtung ermittelt, bestimmt die Auswerteeinrichtung den
kombinierten Kalibrierwert und den kombinierten Streuungswert für
den vorgegebenen Betriebspunkt vorzugsweise derart, dass der kombinierte
Streuungswert minimal ist. Durch das Vorsehen minimaler Streuungswerte
wird die Genauigkeit bei der Offsetkorrektur der Messeinrichtung
weiter verbessert.
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Für
den Fall, dass die Auswerteeinrichtung den aktuellen Kalibrierwert
und den aktuellen Streuungswert an einem nicht vorgegebenen Betriebspunkt
der Messeinrichtung ermittelt, bestimmt die Auswerteeinrichtung
vorzugsweise wenigstens einen kombinierten Kalibrierwert und einen
kombinierten Streuungswert für einen vorgegebenen Betriebspunkt
benachbart zu dem nicht vorgegebenen Betriebspunkt. Die Auswerteeinrichtung
bestimmt den kombinierten Kalibrierwert und den kombinierten Streuungswert
hierbei wiederum derart, dass der kombinierte Streuungswert minimal
ist. Des weiteren berücksichtigt die Auswerteeinrichtung
bei der Bestimmung des kombinierten Kalibrierwerts und des kombinierten
Streuungswerts den Abstand des vorgegebenen Betriebspunkts zu dem
nicht vorgegebenen Betriebspunkt. Auf diese Weise wird ein zuverlässiges Aktualisieren
von Kalibrier- und Streuungswert für wenigstens einen vorgegebenen
Betriebspunkt der Messeinrichtung auf der Grundlage von Kalibrier-
und Streuungswert eines nicht für die Hinterlegung vorgesehenen Betriebspunkts
ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Auswerteeinrichtung
und/oder die Speichereinrichtung ausgebildet, hinterlegte Streuungswerte
von hinterlegten Kalibrierwerten mit einem Alterungswert zu beaufschlagen, über
welchen die Alterungszeit der Messeinrichtung erfasst wird. Je länger
ein Kalibrierwert keiner Aktualisierung unterzogen wurde, desto
geringer wird auch die „Gültigkeit” bzw.
desto höher wird die „Unsicherheit” in
Bezug auf diesen Wert. Dieser Zusammenhang wird über die
Beaufschlagung mit einem Alterungswert erfasst.
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In
einer möglichen Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung
einen Drehratensensor. Ein Betriebspunkt des Drehratensensors umfasst
eine Temperatur und eine Betriebszeit ab Betriebsbeginn des Drehratensensors,
so dass neben der Temperaturabhängigkeit auch das zeitabhängige
Einschwingverhalten des Drehratensensors berücksichtigt
wird. Ein Kalibrierwert umfasst eine Nullpunktsverschiebung des
Drehratensensors.
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Erfindungsgemäß wird
ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Messeinrichtung vorgeschlagen,
wobei eine Ausgabe der Messeinrichtung auf der Grundlage von für
Betriebspunkte der Messeinrichtung hinterlegten Kalibrierwerten
und zugehörigen Streuungswerten korrigiert wird. Das Verfahren
umfasst das Ermitteln eines aktuellen Kalibrierwerts und eines zugehörigen
aktuellen Streuungswerts an einem Betriebspunkt der Messeinrichtung,
ein Kombinieren des aktuellen Kalibrierwerts und des zugehörigen
aktuellen Streuungswerts mit einem hinterlegten Kalibrierwert und
mit einem zugehörigen hinterlegten Streuungswert, um einen
kombinierten Kalibrierwert und einen kombinierten Streuungswert
zu bestimmen, und ein Hinterlegen des kombinierten Kalibrierwerts
und des kombinierten Streuungswerts. In entsprechender Weise lässt
sich durch die Berücksichtigung von Streuungswerten und
durch die Kombination von aktuellen und hinterlegten Kalibrier-
und Streuungswerten eine genaue Offsetkompensation der Messeinrichtung
verwirklichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem zu kalibrierenden
Drehratensensor;
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2 eine
Darstellung einer Nachschlagetabelle für eine Speichereinrichtung
der Vorrichtung von 1;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer Offsetkorrektur
auf der Grundlage von hinterlegten Kalibrier- und Streuungswerten;
und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Aktualisieren von Kalibrier-
und Streuungswerten.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Mögliche
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand
eines zu kalibrierenden Drehratensensors 110 erläutert.
Die dargestellten Ansätze und Prinzipien sind jedoch nicht
auf die Kalibration einer solchen Sensoreinrichtung beschränkt,
sondern können auch auf andere Sensor- und Messeinrichtungen übertragen
werden.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100, welche
ein Navigationssystem für ein Fahrzeug bzw. einen Teil
desselben darstellt. Die Vorrichtung 100 weist einen zu
kalibrierenden Drehratensensor 110, eine Prozessor- oder
Auswerteeinrichtung 120, sowie zwei Speichereinrichtungen 130, 135 auf, in
welchen Kalibrierwerte für den Drehratensensor 110 hinterlegbar
sind. Bei der Speichereinrichtung 130 handelt es sich beispielsweise
um einen flüchtigen Arbeitsspeicher, welcher Kalibrierwerte
nur im Betrieb der Vorrichtung 100 hält, wohingegen
die Speichereinrichtung 135 beispielsweise einen nichtflüchtigen
Speicher darstellt, in welchem Kalibrierwerte nach dem Ausschalten
der Vorrichtung 100 gehalten werden. Weiter vorgesehen
sind ein Temperatursensor 140 zum Ermitteln einer Umgebungstemperatur
T und ein Zeitmesser 150 zum Erfassen einer Zeitdauer t
ab dem Einschalten bzw. Betriebsbeginn der Vorrichtung 100 bzw.
des Drehratensensors 110. Die Vorrichtung 100 weist
ferner eine Einrichtung 160 zum Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit
(Tachometer) oder einer zurückgelegten Wegstrecke (Odometer),
einen GPS-Empfänger 170 (Global Positioning System)
zur Positionsbestimmung und eine Einrichtung 180 zum Bereitstellen
einer digitalen Karte auf. Die Einrichtung 180 kann beispielsweise
eine weitere Speichereinrichtung sein, in welcher die digitale Karte
hinterlegt ist. Möglich ist es auch, die Einrichtung 180 als
Leseeinrichtung vorzusehen, in welche ein Speichermedium wie zum
Beispiel eine Speicherkarte oder ein Speicherstick mit Karteninformationen
eingesetzt werden kann.
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Auf
der Grundlage eines von dem GPS-Empfänger 170 empfangenen
GPS-Signals und der durch die Einrichtung 180 bereitgestellten
Karte kann die Auswerteeinrichtung 120 eine Fahrzeugnavigation
vornehmen, was beispielsweise akustisch und/oder visuell wiedergegeben
wird. Sofern der Empfang des GPS-Signals durch den Empfänger 170 nicht
möglich ist, was beispielsweise zu Betriebsbeginn, bei
Tunnelfahrten, engen Innenstädten usw. der Fall sein kann,
kann die Auswerteeinrichtung 120 die Fahrzeugnavigation
mithilfe der Ausgaben des Drehratensensors 110 und des
Tacho-/Odometers 160 überbrücken. Der
Drehratensensor 110 übermittelt hierbei ein Ausgabesignal
(zum Beispiel eine Spannung) an die Auswerteeinrichtung 120,
welches eine Drehrate des Fahrzeugs wiedergibt.
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Die
Ausgabe des Drehratensensors 110 kann einer Nullpunktsverschiebung
unterliegen, so dass das von dem Sensor 110 ausgegebene
Signal mit einem Fehler behaftet ist. Eine mögliche Ursache
für einen solchen Nullpunktsdrift ist die Temperatur abhängigkeit
des Drehratensensors 110, welcher als mikromechanischer
Sensor aus einer Anzahl unterschiedlicher Komponenten und Materialien
zusammengesetzt sein kann. Eine Veränderung der Umgebungstemperatur
während des Betriebs des Sensors 110 kann daher
dazu führen, dass sich die Messcharakteristik des Sensors 110 verändert
und infolgedessen der Nullpunkt des Ausgabesignals verschoben ist
(Offsetverschiebung). Darüber hinaus kann der Drehratensensor 110 neben
der Temperaturabhängigkeit zusätzlich ein Einschwingverhalten
aufzeigen, so dass das Ausgabesignal ab Betriebsbeginn für
eine gewisse Zeitdauer weiteren Änderungen unterliegen
kann. Die Einschwingdauer beträgt hierbei beispielsweise
bis zu 15 Minuten. Ein zuverlässiges Navigieren mithilfe
des Drehratensensors 110 und der Einrichtung 160 bei
einem Ausfall des GPS-Empfangs erfordert folglich, die Effekte des
Temperaturdrifts und des Einschwingverhaltens des Drehratensensors 110 zu
kompensieren.
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Da
der Drehratensensor 110 ein komplexes mikromechanisches
System darstellt, lässt sich keine allgemeine Funktion
angeben, welche die Temperatur- und Zeitabhängigkeit für
den gesamten Operationsbereich – beispielsweise von –40
bis +85°C und vom Zeitpunkt des Einschaltens bis zu einer
beliebig langen Betriebszeit – beschreibt. Näherungsweise
kann jedoch angenommen werden, dass sich der Offset Z des Sensors 110 ungefähr
lokal linear in Abhängigkeit der Temperatur T und der Zeit
t gemäß Z(T, t) ≈ Z(T0, t0) + c1(T – T0)
+ c2(t – t0) (1)für
kleine Temperaturänderungen T – T0 und
kleine Zeitdauern t – t0 verhält,
wobei c1 und c2 die
Temperatur- bzw. Zeitabhängigkeit wiedergebende Koeffizienten
darstellen. Die Änderungen durch das Einschwingverhalten
werden mit der Zeit immer kleiner, so dass sie nach einer Zeitdauer
t – t0 von beispielsweise 15 Minuten nicht
mehr messbar sind. Die lineare Be schreibung des Offsetverhaltens
wird bei der Vorrichtung 100 zur Offsetkorrektur des Sensors 110 eingesetzt.
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Zum
Durchführen der Offsetkompensation kann die Auswerteeinrichtung 120 auf
in der Speichereinrichtung 130 hinterlegte Kalibrierwerte
zurückgreifen. Die Kalibrierwerte sind hierbei in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur und der Betriebszeit hinterlegt. Das Wertepaar
aus Temperatur und Zeit stellt dabei einen Betriebspunkt des Drehratensensors 110 dar.
Die Kalibrierwerte (sofern vorhanden) können im Rahmen
des Einschaltens der Vorrichtung 100 aus der nichtflüchtigen
Speichereinrichtung 135 über die Auswerteeinrichtung 120 oder
ein der Auswerteeinrichtung 120 zugeordnetes Übertragungs-
oder Bussystem in die als Arbeitsspeicher fungierende Speichereinrichtung 130 eingelesen
werden. Im Betrieb erfolgt des weiteren eine Aktualisierung der
Kalibrierwerte. Im Rahmen des Ausschaltens der Vorrichtung 100 können
die in der Speichereinrichtung 130 enthaltenen Kalibrierwerte
wieder in die Speichereinrichtung 135 übertragen
werden.
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Bei
der Vorrichtung 100 werden Kalibrierwerte nur für
vorgegebene Betriebspunkte aus einer ausgewählten Gruppe
von Betriebspunkten des Drehratensensors 110 hinterlegt
und aktualisiert. Durch das Festlegen der vorgegebenen Betriebspunkte
wird der maximal erforderliche Speicherbedarf der Speichereinrichtung 130 (und
damit der Speichereinrichtung 135) zum Halten der Kalibrierwerte
von vornherein festgelegt. Es besteht daher keine Gefahr, dass der
Speicherbedarf der Einrichtung 130 (und der Einrichtung 135)
im Verlauf des Einsatzes der Vorrichtung 100 durch Hinzufügen
weiterer Einträge für weitere Betriebspunkte des
Drehratensensors 110 anwächst.
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Darüber
hinaus werden bei der Vorrichtung 100 neben den Kalibrierwerten
zusätzlich den einzelnen Kalibrierwerten zugehörige
Streuungswerte berücksichtigt und hinterlegt. Über
die Streuungswerte wird ein „Messfehler” und damit
die Genauigkeit der Kalibrierwerte vermittelt. Auf diese Weise kann
die Auswerteeinrichtung 120 eine Offsetkompensation mit
einer höheren Genauigkeit durchführen. Auch besteht
beispielsweise die Möglichkeit, einen Grenzwert für
einen Streuungswert festzulegen, so dass die Auswerteeinrichtung 120 einen
Kalibrierwert mit einer den Grenzwert überschreitenden
Streuung in der Offsetkompensation nicht berücksichtigt.
In einem solchen Fall kann die Auswerteeinrichtung 120 aus
der Speichereinrichtung 130 (wenigstens) einen Kalibrierwert
mit einem geringeren Streuungswert eines benachbarten Betriebspunkts
auslesen und der Offsetkorrektur (beispielsweise nach einer Interpolation)
zugrunde legen.
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Die
Kalibrier- und Streuungswerte können beispielsweise in
Form einer zweidimensionalen Nachschlagetabelle (Look Up Table)
in der Speichereinrichtung 130 hinterlegt sein, wie anhand
von 2 veranschaulicht wird. Jedes Tabellenfeld legt
dabei einen vorgegebenen Betriebspunkt des Drehratensensors 110 aus
Temperatur T und Zeit t fest, für welchen ein Kalibrier-
und Streuungswert eintragbar ist. Wie in 2 dargestellt
können die Temperaturwerte T beispielsweise einen Bereich
von –40 bis +80°C abdecken, welcher in 5°C-Schritten
unterteilt ist. Die Zeitwerte t können beispielsweise einen
Bereich von 1 bis 900 Sekunden abdecken, wobei die Differenzen von
einem zum nächsten Zeitpunkt aufgrund des Einschwingverhaltens
des Drehratensensors 110 am Anfang sehr klein, und mit
fortschreitender Zeitdauer im Sinne einer logarithmischen Einteilung
immer größer gewählt werden.
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Zwar
deckt die Nachschlagetabelle wie in 2 dargestellt
einen relativ großen Operationsbereich des Drehratensensors 110 ab.
In der Praxis ist jedoch zu erwarten, dass die Vorrichtung 100 nur
in einem Teilbereich hiervon betrieben wird, und daher Kalibrier-
und Streuungswerte nur für einen Teil der vorgegebenen Betriebspunkte
zu hinterlegen sind. Im Hinblick auf die Speichereinrichtung 130 ist
es daher möglich, nur für die tatsächlich
auftretenden Betriebspunkte einen entsprechenden Eintrag zu speichern.
Dies gilt in entsprechender Weise auch für die Speichereinrichtung 135.
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Als
Kalibrierwert kann beispielsweise eine Nullpunktsverschiebung (Offset)
Z des Ausgabesignals des Sensors
110, und als Streuungswert
eine (positive) Varianz V des Offsets Z berücksichtigt
werden. Ein Eintrag in einem Tabellenfeld kann daher die Variablen
Z
ij und V
ij aufweisen,
mit i als Index für einen Temperaturpunkt und j als Index
für einen Zeitpunkt, so dass ein Eintrag wie in
2 angedeutet
den Kalibrierwert einschließlich Streuung
abbildet. Anstelle der Varianz
V kann auch ein anderes Streuungsmaß wie zum Beispiel die
Standardabweichung verwendet werden. Alternativ zu der Nullpunktsverschiebung
können auch andere Kalibrierwerte wie zum Beispiel eine
zur Korrektur einsetzbare „Kalibrierdrehrate” hinterlegt
werden.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm, welches eine durch die Vorrichtung 100 durchgeführte
Offsetkorrektur des Drehratensensors 110 veranschaulicht.
In einem Verfahrensschritt 210 werden über den
Temperatursensor 140 die aktuelle Temperatur, und über
den Zeitmesser 150 die aktuelle Betriebszeit bestimmt und
der Auswerteeinrichtung 120 zugeführt, so dass
der aktuelle Betriebspunkt des Drehratensensors 110 erfasst
wird. In einem weiteren Verfahrensschritt 220, welcher
beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung 120 durchgeführt
wird, wird ermittelt, ob für diesen Betriebspunkt ein Eintrag
bestehend aus Kalibrier- und Streuungswert in der Speichereinrichtung 130 hinterlegt
ist. Bei Vorliegen eines Eintrags kann die Auswerteeinrichtung 120 den
betreffenden Kalibrierwert und Streuungswertwert direkt von der
Speichereinrichtung 130 übernehmen (Verfahrensschritt 230).
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Falls
kein Eintrag vorhanden ist, weil beispielsweise zu dem aktuellen
Betriebspunkt (noch) kein Eintrag in der Speichereinrichtung 130 hinterlegt
wurde oder es sich bei dem aktuellen Betriebspunkt um einen nicht
vorgegebenen Betriebs punkt handelt, für welchen keine Kalibrier-
und Streuungswerte hinterlegt werden, kann die Auswerteeinrichtung 120 der
Speichereinrichtung 130 einen oder mehrere Kalibrierwerte
einschließlich Streuungswerten von wenigstens einem zu
dem aktuellen Betriebspunkt benachbarten Betriebspunkt entnehmen,
und einen Kalibrier- und Streuungswert für den aktuellen
Betriebspunkt mittels einer linearen Interpolation bestimmen. Diese
Vorgehensweise basiert auf dem näherungsweise als lokal
linear angenommenen Verhalten des Drehratensensors 110 gemäß Formel
(1). Vorzugsweise werden die Kalibrier- und Streuungswerte der am
dichtesten benachbarten Betriebspunkte entnommen und der Interpolation
zugeführt. Auf der Grundlage des übermittelten
oder durch Interpolation ermittelten Kalibrierwerts und Streuungswerts
kann die Auswerteeinrichtung 120 für das von dem
Drehratensensor 110 ausgegebene Signal einen Offsetabgleich durchführen
und infolgedessen eine korrigierte Drehrate bestimmen, welche der
Fahrzeugnavigation zugrunde gelegt wird (Verfahrensschritt 250).
Das Verfahren kann anschließend wiederholt werden.
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Ein
mögliches Verfahren zum Hinterlegen und Aktualisieren von
Kalibrier- und Streuungswerten in der Speichereinrichtung 130 wird
im Folgenden anhand von 4 erläutert. Im Betrieb
der Vorrichtung 100 wird in einem Verfahrensschritt 310 mithilfe
des Temperatursensors 140 und des Zeitmessers 150 der
aktuelle Betriebspunkt (Temperatur, Betriebszeit) des Drehratensensors 110 erfasst
und der Auswerteeinrichtung 120 zugeführt. In
einem weiteren Verfahrensschritt 320, welcher gleichzeitig
oder im Rahmen des Verfahrensschrittes 310 erfolgen kann,
wird durch die Auswerteeinrichtung 120 ein entsprechender
aktueller Kalibrierwert für den Drehratensensor 110 einschließlich
eines zugehörigen Streuungswertes ermittelt. Hierzu können
beispielsweise eine Vielzahl von Nullpunktsverschiebungen in kurzen
Zeitabständen nacheinander erfasst werden, und anschließend
im Rahmen einer Mittelwertbildung der Kalibrierwert und der Streuungswert
bestimmt werden.
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Der
Verfahrensschritt 320 zum Ermitteln des aktuellen Kalibrierwerts
und des zugehörigen Streuungswerts kann beispielsweise
bei einem Stillstand des Fahrzeugs erfolgen. Sofern der Drehratensensor 110 hierbei
ein Signal ausgibt, welches eine von Null verschiedene Drehrate
wiedergibt (obwohl die Drehrate aufgrund des Stillstands des Fahrzeugs
den Wert Null aufweisen sollte), stellt ein solches Ausgangssignal
direkt eine zur Kalibrierung geeignete Nullpunktsverschiebung des
Sensors 110 dar. Alternativ besteht die Möglichkeit, den
Kalibrierwert für den Drehratensensor 110 bei
Fahrt des Fahrzeugs zu ermitteln. Hierbei kann die Auswerteeinrichtung 120 die
durch das Ausgangssignal des Drehratensensors 110 wiedergegebene
Drehrate mit einer Referenzdrehrate vergleichen, welche anhand der
Ausgabe anderer Einrichtungen der Vorrichtung 100 ableitbar
ist. Die Referenzdrehrate lässt sich beispielsweise mithilfe
des GPS-Empfängers 170 oder anhand der durch die
Einrichtung 180 bereitgestellten Karte, gegebenenfalls
zusätzlich unter Zuhilfenahme der Einrichtung 160 bestimmen.
Eine Abweichung zwischen Dreh- und Referenzdrehrate kann zur Ermittlung
eines Kalibrierwerts für den Drehratensensor 110 herangezogen
werden. Der aktuelle Kalibrierwert wird im Folgenden mit Zn und der zugehörige aktuelle Streuungswert
bzw. die zugehörige Varianz mit Vn gekennzeichnet.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt
330, welcher beispielsweise
durch die Auswerteeinrichtung
120 durchgeführt
wird, erfolgt ein Vergleich des mithilfe der Einrichtungen
140,
150 erfassten
aktuellen Betriebspunkts des Drehratensensors
110 mit den
für die Speichereinrichtung
130 vorgegebenen Betriebspunkten.
Bei einer Übereinstimmung mit einem der vorgegebenen Betriebspunkte
wird in einem weiteren Verfahrensschritt
340 eine Aktualisierung
für den betreffenden Betriebspunkt vorgenommen. Sofern
in der Speichereinrichtung
130 für diesen Betriebspunkt
bereits ein Kalibrierwert Z
ij und ein Streuungswert
V
ij hinterlegt sind, werden die hinterlegten
Werte Z
ij, V
ij an
die Auswerteeinrichtung
120 übermittelt. Die Auswerteeinrichtung
120 kombiniert den
aktuellen Kalibrierwert Z
n und den aktuellen
Streuungswert V
n mit den hinterlegten Werten
Z
ij, V
ij, um einen kombinierten
Kalibrierwert und einen kombinierten Streuungswert zu bestimmen,
welche im Folgenden mit Z
k bzw. V
k gekennzeichnet werden. Die kombinierten
Werte Z
k und V
k bzw.
werden anschließend
in der Speichereinrichtung
130 für den betreffenden
Betriebspunkt hinterlegt, wie in
2 anhand
des schraffierten Tabellenfelds
190 veranschaulicht ist.
Die Kombination wird hierbei gemäß
vorgenommen,
wodurch der kombinierte Streuungswert V
k minimal
ist.
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Eine
derartige Kombination oder Filterung von bereits hinterlegten und
aktuellen Werten wird erst durch die Berücksichtigung von
Streuungswerten ermöglicht. Hinterlegte Werte Zij und Vij werden
daher nicht einfach verworfen, sondern finden weiterhin Berücksichtigung
in den kombinierten Werten Zk und Vk. Auf diese Weise wird insbesondere sichergestellt,
dass ein genauer Kalibrierwert (welcher mit einer relativ geringen Streuung
behaftet ist) nicht ersatzlos gestrichen und durch einen ungenauen
Kalibrierwert (welcher mit einer relativ großen Streuung
behaftet ist) ersetzt wird. Infolgedessen lässt sich die
Genauigkeit bei der oben beschriebenen Offsetkompensation des Drehratensensors 110 verbessern.
Das Durchführen der Offsetkorrektur wird des weiteren durch
das Anstreben minimaler (kombinierter) Streuungswerte begünstigt.
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Für
den Fall, dass in der Speichereinrichtung 130 für
den betreffenden vorgegebenen Betriebspunkt noch kein Eintrag hinterlegt
ist, können hier der aktuelle Kalibrierwert Zn und
der zugehörige Streuungswert Vn hinterlegt
werden. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die
Varianz Vij auf Unendlich („∞”) gesetzt
wird, so dass gemäß der oben angegebenen Formeln
(2) und (3) die kombinierten Werte Zk und
Vk mit den aktuellen Werten Zn und
Vn (näherungsweise) gleich gesetzt
werden. Es ist zum Beispiel möglich, für sämtliche
vorgegebenen Betriebspunkte, für welche (noch) kein Eintrag
in der Speichereinrichtung 130 generiert wurde, einen unendlichen
Streuungswert zu hinterlegen.
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Sofern
in dem Verfahrensschritt
330 festgestellt wird, dass der
aktuelle Betriebspunkt des Drehratensensors
110 nicht mit
einem der für die Speichereinrichtung
130 vorgegebenen
Betriebspunkte übereinstimmt, erfolgt in einem Verfahrensschritt
350 durch
die Auswerteeinrichtung
120 eine Kombination und Hinterlegung in
der Speichereinrichtung
130 für wenigstens einen
vorgegebenen Betriebspunkt benachbart zu dem aktuellen Betriebspunkt.
Dieser Ansatz basiert wiederum auf dem näherungsweise als
lokal linear angenommenen Verhalten des Drehratensensors
110 gemäß Formel
(1). Der Kalibrierwert Z für einen nicht vorgegebenen Betriebspunkt
kann folglich durch eine zweidimensionale Linearkombination der
Kalibrierwerte Z
ij für vorgegebene
benachbarte Betriebspunkte gemäß
Z = ΣαijZij (4)ausgedrückt
werden. Entsprechend lässt sich der Streuungswert V an
einem nicht vorgegebenen Betriebspunkt durch
V = ΣαijVij (5)ausdrücken.
Die Koeffizienten α
ij geben hierbei
den Abstand zwischen den einzelnen vorgegebenen Betriebspunkten
und dem nicht vorgegebenen Betriebspunkt wieder, wobei
αij ≥ 0
und Σαij = 1 (6)gilt. Durch
Einsetzen von Formel (5) in die oben angegebene Formel (2) erhält
man für den kombinierten Streuungswert
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Dieser
Wert kann jedoch nicht in der Speichereinrichtung
130 hinterlegt
werden, da er sich auf einen nicht vorgegebenen Betriebspunkt bezieht,
die Aktualisierung hingegen für (wenigstens) einen vorgegebenen benachbarten
Betriebspunkt erfolgen soll. Für die Aktualisierung durch
die Auswerteeinrichtung
120 wird daher die folgende Abschätzung
angesetzt:
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Hieraus
ergibt sich, dass ein für einen vorgegebenen Betriebspunkt
hinterlegter Kalibrierwert Zij und Streuungswert
Vij mit einem aktuellen Kalibrierwert Zn und Streuungswert Vn eines
nicht vorgegebenen Betriebspunktes derart kombiniert werden, dass
der aktuelle Streuungswert Vn mit dem Reziproken
des Abstandskoeffizientens αij aus
Formel (4) gewichtet wird.
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Die
Kombination für einen vorgegebenen benachbarten Betriebspunkt
wird wiederum auf der Grundlage der oben angegebenen Formeln (2)
und (3) durchgeführt, um einen minimalen kombinierten Streuungswert
V
k zu erhalten. Hierbei werden der für den
vorgegebenen Betriebspunkt hinterlegte Kalibrierwert und Streuungswert
mit dem um den Koeffizienten α
ij erweiterten Kalibrierwert und Streuungswert
aktualisiert, d. h.
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Für
einen vorgegebenen Betriebspunkt, welcher einen geringen „Abstand” zu
dem nicht vorgegebenen Betriebspunkt aufweist und daher einen großen
Beitrag in der Linearkombination gemäß Formel
(4) leistet (großer Koeffizient αij),
erfolgt die Aktualisierung in einem größeren Maße
als für einen „weiter entfernten” benachbarten
Betriebspunkt.
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Vorzugsweise
wird die Kombination nur für die dichtesten benachbarten
Betriebspunkte zu einem nicht vorgegebenen (aktuellen) Betriebspunkt
durchgeführt. Sofern sich der nicht vorgegebene Betriebspunkt
sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch hinsichtlich der Betriebszeit
von den vorgegebenen Betriebspunkten unterscheidet, kann es sich
hierbei um vier benachbarte Betriebspunkte handeln, wie anhand der
vier schraffierten Tabellenfelder 195 in der Nachschlagetabelle
von 2 angedeutet ist. Bei Vorliegen eines Unterschieds
nur hinsichtlich eines der Parameter Temperatur oder Zeit kann es
sich um zwei benachbarte Betriebspunkte handeln. Für einen
nicht vorgegebenen Betriebspunkt am Rand oder außerhalb
des vorgegebenen Operationsbereichs des Drehratensensors 110 (d.
h. am Rand oder außerhalb der Nachschlagetabelle) können
die vorstehend genannten Anzahlen an benachbarten Betriebspunkten
auch kleiner sein.
-
Für
den Fall, dass für einen zu aktualisierenden benachbarten
Betriebspunkt noch kein Eintrag hinterlegt ist, können
hier der aktuelle Kalibrierwert Zn und der
zugehörige mit dem Reziproken des Abstandskoeffizientens αij gewichtete Streuungswert Vn/αij hinterlegt werden. Dies kann in analoger
Weise wie oben beschrieben dadurch erreicht werden, dass für
die Formeln (9) und (10) die Varianz Vij auf
Unendlich („∞”) gesetzt wird.
-
Für
die Aktualisierung von benachbarten Betriebspunkten werden ferner
die Abstandskoeffizienten α
ij benötigt.
Diese lassen sich durch Umsetzen der zweidimensionalen Linearkombination
gemäß Formel (4) in entsprechende eindimensionale
Linearkombinationen bestimmen. Für einen nicht vorgegebenen
aktuellen Betriebspunkt mit Temperatur T
n und
Zeit t
n und vier unmittelbar benachbarten
Betriebspunkten, welche durch die Temperaturen T
1 und
T
2 und die Zeitpunkte t
1 und
t
2 festgelegt sind, wobei
T1 < Tn < T2 und
t1 < tn < t2 (11)gilt,
erhält man für die einzelnen Koeffizienten α
ij:
-
Das
anhand von 4 erläuterte Verfahren
zum Aktualisieren und Hinterlegen von Kalibrier- und Streuungswerten
kann regelmäßig in vorgegebenen Zeitabständen
während des Betriebs der Vorrichtung 100 durchgeführt
werden, sofern entsprechende Referenzsignale zum Ermitteln von aktuellen
Kalibrierwerten zur Verfügung stehen. Eine Aktualisierung
kann hierbei zum Beispiel mit einer Frequenz von 1 oder 10 Hz erfolgen.
-
Des
weiteren ist vorgesehen, die Alterung des Drehratensensors 110 zu
berücksichtigen. Die einzelnen Bauteile und Komponenten
des Drehratensensors 110 können mit der Zeit ihre
Kennwerte ändern mit der Folge, dass sich die Messcharakteristik
des Sensors 110 verändert. Je länger
ein Kalibrierwert daher keiner Aktualisierung unterzogen wurde,
desto geringer wird auch die „Gültigkeit” bzw.
desto höher wird die „Unsicherheit” in
Bezug auf diesen Wert. Zwar kann nicht angegeben werden, wie sich
das Messverhalten des Drehratensensors 110 über
die Zeit ändert. Es können nur die Größenordung
für das Altern abgeschätzt werden. Daher werden
hinterlegte Streuungswerte Vij von hinterlegten
Kalibrierwerten Zij mit einem Alterungswert oder
-faktor beaufschlagt, so dass der betreffende Streuungswert vergrößert
wird. Der Alterungswert, welcher proportional zu der Zeit seit der
letzten für den betreffenden Betriebspunkt durchgeführten
Aktualisierung oder Alterung ist, kann beispielsweise auf den hinterlegten
Streuungswert aufaddiert oder mit diesem multipliziert werden. Eine
derartige Vergrößerung von hinterlegten Streuungswerten
kann regelmäßig für vorgegebene Zeitabstände
erfolgen, zum Beispiel nach Ablauf von jeweils vierundzwanzig Stunden.
Beispielsweise kann die Speichereinrichtung 130 ausgebildet
sein, eine Beaufschlagung von Streuungswerten selbständig
nach Ablauf des vorgegebenen Zeitabstands oder zu vorgegebenen Zeitpunkten
vorzunehmen. Alternativ ist es möglich, die Auswerteeinrichtung 120 zum
Einschreiben von „gealterten” Streuungswerten
in die Speichereinrichtung 130 auszubilden.
-
Bei
der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 sind
die einzelnen Einrichtungen 110 bis 180 als voneinander
getrennte Komponenten dargestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
mehrere Komponenten in einer gemeinsamen Einrichtung zusammenzufassen.
Für den Fall, dass beispielsweise die Einrichtung 180 zum
Bereitstellen der digitalen Karte eine nichtflüchtige Speichereinrichtung
darstellt, kann die Einrichtung 180 auch als integrierter
Teil bzw. zusammen mit der Speichereinrichtung 135 ausgebildet
sein. Des weiteren ist es möglich, die Speichereinrichtung 130 als
nichtflüchtigen Speicher auszuführen. In einem
solchen Fall kann auch auf die Speichereinrichtung 135 verzichtet
werden.
-
Bei
den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen
erfolgt das Aktualisieren von Kalibrier- und Streuungswerten in
Abhängigkeit von zwei Parametern, der Temperatur und der
Betriebszeit. Die angegebenen Ansätze und Prinzipien können
jedoch auch auf andere oder eine andere Anzahl von Parametern übertragen
und verallgemeinert werden, sofern eine lokal lineare Abhängigkeit
des Offsets Z in Bezug auf diese Parameter entsprechend zu Formel
(1) angenommen werden kann. Daher ist es beispielsweise möglich, nur
einen der genannten Parameter zu berücksichtigen, oder
auch zusätzliche Parameter für die Offsetkorrektur
und Aktualisierung zu verwenden. Bei Berücksichtigung einer
höheren Anzahl an Parametern ist eine gegebenenfalls eingesetzte
Nachschlagetabelle gegenüber der Tabelle von 2 entsprechend
höher dimensioniert.
-
Darüber
hinaus sind die dargestellten Ansätze nicht auf die Kalibration
eines Drehratensensors eingeschränkt, sondern lassen sich
in entsprechender Weise auch auf andere Sensor- und Messeinrichtungen übertragen.
Ein mögliches Beispiel ist die Korrektur eines Tachometers
eines Fahrzeugs. Hierbei beruht die Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit
auf einer Drehzahlmessung eines Fahrzeugrades. Aus der Drehzahl
und dem Umfang des Rades kann auf die Geschwindigkeit geschlossen
werden. Problematisch ist, dass durch Effekte wie beispielsweise auftretende
Fliehkräfte, eine Profilabnutzung des Reifens, Änderung
des Luftdrucks, der Temperatur usw. der Radumfang einer Änderung
unterliegt, wodurch der Skalierungsfaktor des Tachometers, d. h.
der Faktor zwischen Drehzahl und Geschwindigkeit, verschoben wird.
In einem solchen Fall kann eine Korrektur des Skalierungsfaktors
auf der Grundlage von Kalibrier- und Streuungswerten durchgeführt werden,
welche für vorgegebene Betriebspunkte in einer Speichereinrichtung
hinterlegt werden. In entsprechender Weise ist es möglich,
eine Aktualisierung durch eine Kombination von aktuellen mit hinterlegten
Kalibrier- und Streuungswerten wie vorstehend beschrieben durchzuführen.
Als Referenz zum Ermitteln eines aktuellen Kalibrierwerts kann zum
Beispiel die über ein GPS-Signal bestimmbare Geschwindigkeit
herangezogen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5297028 [0003, 0004]
aktualisiert, d. h.
