DE102009016855A1

DE102009016855A1 - Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels

Info

Publication number: DE102009016855A1
Application number: DE102009016855A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Krach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: DE102009016855B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels einer Person oder eines Gegenstandes. Hierbei wird wiederholt der absolute Gierwinkel durch einen Sensor gemessen, wenn sich die Person oder der Gegenstand translatorisch bewegt. Anschließend erfolgt ein Detektieren einer Ruhephase, wenn sich die Person oder der Gegenstand nicht translatorisch bewegt. Zu Beginn jeder Ruhephase wird der absolute Gierwinkel einmalig gemessen. Anschließend erfolgt ein differentielles Bestimmen des Gierwinkels in der Ruhephase, wobei der Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase vom aktuell gemessenen Gierwinkel abgezogen wird und ein Schätzwert, der auf Basis des letzten gemessenen Gierwinkels bestimmt wurde, der Differenz aus dem aktuell gemessenen Gierwinkel und dem Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase hinzuaddiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels einer Person oder eines Gegenstands.
Messwerte, beispielsweise Gierwinkel, können durch Störungen verfälscht werden. Bei der Erfassung von Messwerten sind die auf die Messung einwirkenden Fehler in der Praxis oft nicht unabhängig von Messung zu Messung, so dass bei der Filterung oder Mittelung der Messergebnisse der resultierende gemittelte oder gefilterte Messwert mit einer fälschlicherweise höheren Genauigkeit als der realen vorzuliegen scheint. Wären die Messwerte mit unabhängigen Fehlern behaftet, würde die Mittelung oder Filterung die Genauigkeit erhöhen, je mehr Messungen gemittelt bzw. gefiltert werden. Dies schlägt jedoch fehl, sobald über Messungen mit korrelierten Fehlerwerten gemittelt oder gefiltert wird, da auch bei einer längeren Mittelung oder Filterung ein Restfehler verbleibt, der auch durch weitere Mittelung oder Filterung nicht reduziert werden kann.
Ein derartiges Problem kann beispielsweise bei der Richtungsbestimmung mittels Magnetfeldsensoren, die auf der Messung des lokalen Erdmagnetfelds beruhen, entstehen. Insbesondere innerhalb von Gebäuden können die magnetischen Störungen bedingt durch im Gebäude verbaute Materialien und/oder elektrische Leitungen relativ groß sein. Insbesondere ist eine örtliche Korrelation der Fehler vorhanden. Örtlich korrelierte Messfehler sind beispielhaft im linken Teil der 1 dargestellt. Hierbei handelt es sich um die Messung des Erdmagnetfelds in Grad. Bei dem rechten Teil der 1 handelt es sich um eine Darstellung des Korrelationskoeffizienten in Abhängigkeit des Abstands zweier Punkte. Der Zufallsanteil am Messfehler ist in der Regel viel kleiner als der Anteil durch den zusätzlichen örtlichen korrelierten Fehler. Beispielsweise kann das durch die Sensorbauweise bedingte mittelwertfreie Sensorrauschen s = 1° sein, während der Fehler durch die externe Störung an einem bestimmten Ort beliebig große Werte annehmen kann.
In der Praxis tritt das genannte Problem beispielsweise bei integrierten Lagesensoren auf, in denen Trägheitssensoren, beispielsweise Beschleunigungssensoren und Gyroskope, in Verbindung mit Fusionsfiltern verwendet werden. Hierbei werden Roll- und Nickwinkel mit Hilfe der Beschleunigungssensoren über die Erdanziehungskraft bestimmt. Der verbleibende Gierwinkel kann nicht über die Erdanziehungskraft bestimmt werden. Um die Gyroskop-Drift zu kompensieren, werden zusätzlich Magnetfeldsensoren verwendet, mit denen über das Erdmagnetfeld der Gierwinkel bestimmt werden kann. Liegt nun eine Störung des Magnetfeldes vor, so ergeben sich die oben dargestellten Probleme.
Es ist zwar aus dem Stand der Technik bekannt, den Sensor aufgrund der durch den Sensoreinbau bedingten festen magnetischen Störungen zu kalibrieren. Jedoch ist dies nicht möglich für ortsabhängige und damit von der Bewegung des Sensors abhängige also zeitveränderliche Störgrößen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels einer Person oder eines Gegenstandes zu schaffen, das eine höhere Genauigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1.
Das Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels einer Person oder eines Gegenstands umfasst die folgenden Schritte:
Der absolute Gierwinkel wird wiederholt durch einen Sensor gemessen, wenn sich die Person oder der Gegenstand translatorisch bewegt. Der Begriff Person im Sinne der Erfindung bezieht sich nicht lediglich auf einen Menschen, sondern kann beispielsweise auch ein Tier einschließen. Wenn sich die Person oder Gegenstand nicht translatorisch bewegt, wird eine Ruhephase detektiert. Zu Beginn jeder Ruhephase erfolgt ein einmaliges Messen des absoluten Gierwinkels durch den Sensor. Anschließend erfolgt ein differentielles Bestimmen des Gierwinkels in der Ruhephase, wobei der Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase vom aktuell gemessenen Gierwinkel abgezogen wird und ein Schätzwert, der auf Basis des letzten gemessenen absoluten Gierwinkels bestimmt wurde, der Differenz aus aktuell gemessenem Gierwinkel und dem Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase hinzuaddiert wird. Der Schätzwert kann beispielsweise durch einfache arithmetische Mittelung über eine gewisse Anzahl von vorangegangenen Messwerten bestimmt werden. Jedoch können auch andere aufwändigere Schätzverfahren zur Schätzwertbildung verwendet werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, den Gierwinkel trotz örtlich korrelierter Fehler genauer zu bestimmen. Bewegt man einen aus dem Stand der Technik bekannten Lagesensor in einem Bereich mit einer magnetischen Störung, so wird der vom Sensor ermittelte Gierwinkel mit der Zeit im Mittel gegen die an der betreffenden Stelle bestehende fehlerhafte magnetische Richtung laufen. In Abhängigkeit vom Filterdesign, von Sensitivität oder der Responsezeit erfolgt dies schneller oder langsamer. Dies liegt darin begründet, dass der Filteralgorithmus wiederholt die fehlerbehafteten Messungen fusioniert, in der Annahme, die Fehler wären mittelwertfrei und unabhängig, um so durch die Mitteilung oder die Filterung eine effektive höhere Genauigkeit zu erzielen. Diese Bedingung der Unabhängigkeit der Fehler ist aber aufgrund der örtlich korrelierten Störungen nicht gegeben, so dass der ermittelte Gierwinkel fehlerhaft wird.
Unter der Annahme, dass die Störgröße zeitlich konstant für einen festen Ruheort ist, werden durch die erfindungsgemäße differentielle Bestimmung des Gierwinkels die korrelierten Fehler durch Abziehen von einander eliminiert, wodurch die resultierenden Fehler verkleinert werden. Erfindungsgemäß wird somit in der Ruhephase der an einem bestimmten Ort bestehende Magnetfeldmesswert nur ein einziges Mal in die Fusion einbezogen, nämlich am Anfang der Ruhephase.
Vorzugsweise erfolgt das Messen des Gierwinkels durch einen Magnetfeldsensor, während das Detektieren der Ruhephase der Person oder des Gegenstands durch einen Beschleunigungssensor erfolgt. Es ist bevorzugt, dass das Messen des Gierwinkels und das Detektieren der Ruhephase durch unterschiedliche Sensoren erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf andere Messverfahren Anwendung finden, bei denen Messwerte erfasst werden, die einer örtlich korrelierten Störung unterliegen. Durch das erfindungsgemäße differentielle Bestimmen von Messwerten in der Ruhephase der Person oder des Gegenstandes ist es möglich, die Auswirkungen der örtlich korrelierten Störfelder zu verringern.
Es ist bevorzugt, dass der ermittelte Gierwinkel mittels eines Fusionsfilters mit Messwerten von Trägheitssensoren zusammengeführt wird, um die Position der Person oder des Gegenstands zu bestimmen. Bei den Trägheitssensoren kann es sich beispielsweise um Beschleunigungssensoren oder ein Gyroskop handeln.
Durch die zusätzliche Verwendung eines Magnetfeldsensors zum Bestimmen des Gierwinkels ist es möglich, die Gyroskop-Drift zu kompensieren.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 örtlich korrelierte Fehler bei der Messung des Erdmagnetfeldes sowie ein Verlauf des Korrelationskoeffizienten in Abhängigkeit des Abstands zweier Punkte,
2 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren und
3 einen Vergleich von Winkelfehlern und Positionsfehlern zwischen dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß 2 wird die Ruhephase einer Person oder eines bewegbaren Gegenstands durch einen Sensor oder Detektor erfasst. Im rechten oberen Teil der 2 ist eine Entscheidungsmatrix dargestellt. Sofern im vorangegangenen Abschnitt, d. h. bei der letzten Messung durch den Magnetfeldsensor keine Ruhephase vorlag und die aktuelle Abfrage beispielsweise des Beschleunigungssensors ergibt, dass sich der Gegenstand oder die Person nach wie vor translatorisch bewegt, d. h. dass keine Ruhephase vorliegt, erfolgt die Messung im Modus 1 (Spalte 1 der Entscheidungsmatrix). Ebenfalls im Modus 1 wird gemessen, wenn im vorangegangenen Abschnitt eine Ruhephase detektiert wurde, jedoch die aktuelle Abfrage ergeben hat, dass keine Ruhephase mehr vorliegt (Spalte 2 der Entscheidungsmatrix). Sofern im vorangegangenen Abschnitt keine Ruhephase vorlag, jedoch die aktuelle Abfrage ergeben hat, dass gerade die Ruhephase eingesetzt hat, wird letztmalig für diese Ruhephase im Modus 1 gemessen (Spalte 3). In diesem Fall wird eine Speicherung eines Schätzwerts veranlasst, der im Modus 2 beim differentiellen Bestimmen des Gierwinkels berücksichtigt wird. Der Modus 2 (Spalte 4) wird angewandt, sofern im vorangegangenen Abschnitt eine Ruhephase detektiert wurde, die auch im aktuellen Messzyklus fortbesteht.
Im Modus 1 wird der absolute Gierwinkel durch den Magnetfeldsensor bestimmt, da sich die Person entweder aktuell translatorisch bewegt (Spalten 1 und 2) oder gerade aufgehört hat, sich translatorisch zu bewegen (Spalte 3).
Im Modus 2 wird in der Ruhephase der Gierwinkel, der zu Beginn der Ruhephase gemessen wurde, vom aktuell gemessenen Gierwinkel abgezogen. Ferner wird ein Schätzwert, der auf Basis des letzten gemessenen absoluten Gierwinkels bestimmt wurde, der Differenz aus dem aktuell gemessenen Gierwinkel und dem Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase hinzuaddiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch folgenden Ablauf dargestellt werden:
3 stellt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Gezeigt wird der mittlere Winkel- und Positionsfehler bei der Bewegung durch ein Gebiet mit korrelierten Winkelmessfehlern, wobei eine Korrelationsdistanz von 0,5 m angenommen wurde. Dies bedeutet, dass bei einer Distanz von 0,5 m der Korrelationskoeffizient 1/e beträgt. Die gesamte mittlere Standardabweichung der absoluten Winkelmessfehler ist 60°, wobei die Kurve über 1000 Simulationsläufe Bemittelt wurde. Die Bewegung ist als gradlinig angenommen, wobei in allen Messungen zwei Ruhephasen auftreten. In dem linken Teil der 3 ist die höhere Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens während der beiden Ruhephasen gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu sehen. Die höhere Genauigkeit in Bezug auf den Positionsfehler im rechten Teil der 3 ergibt sich dadurch, dass eine richtigere Bestimmung des Gierwinkels bei einer anschließenden translatorischen Bewegung auf eine genauere Positionsbestimmung gegenüber dem Stand der Technik mit sich bringt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels einer Person oder eines Gegenstands mit den Schritten: Wiederholtes Messen des absoluten Gierwinkels durch einen Sensor, wenn sich die Person oder der Gegenstand translatorisch bewegt; Detektieren einer Ruhephase, wenn sich die Person oder der Gegenstand nicht translatorisch bewegt; Einmaliges Messen des absoluten Gierwinkels zu Beginn jeder Ruhephase; Anschließendes differentielles Bestimmen des Gierwinkels in der Ruhephase, wobei der Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase vom aktuell gemessenen Gierwinkel abgezogen wird und ein Schätzwert, der auf Basis des letzten gemessenen absoluten Gierwinkels bestimmt wurde, der Differenz aus aktuell gemessenem Gierwinkel und dem Gierwinkel zu Beginn der Ruhephase hinzuaddiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des Gierwinkels durch einen Magnetfeldsensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren der Ruhephase der Person oder des Gegenstands durch einen Beschleunigungssensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Gierwinkel mittels eines Fusionsfilters mit Messwerten von Trägheitssensoren zusammengeführt wird, um die Position der Person oder des Gegenstands zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitssensoren Beschleunigungssensoren oder ein Gyroskop sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung eines Magnetfeldsensors zur Bestimmung des Gierwinkels die Gyroskop-Drift kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des Gierwinkels und das Detektieren der Ruhephase der Person oder des Gegenstands durch unterschiedliche Sensoren erfolgt.