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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors und einer Sensoranordnung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor im Betrieb nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mikromechanische Beschleunigungssensoren sind bekannt und finden einen breiten Einsatz insbesondere als Beschleunigungs- oder Drehratensensoren. Die Sensoren müssen durch die übergeordnete Prozesssteuerung auf ihr Einsatzgebiet abgeglichen werden. Üblicherweise erfolgt der Abgleich mit einem gewissen Aufwand am Ende des Fertigungsprozesses durch Beschleunigung in seiner sensitiven Raumachse sukzessive für alle Sensorachsen. Derartige Sensoren haben den Nachteil, dass eine Drift von Nullpunkt und Sensitivität im Betrieb nicht berücksichtigt wird. Ein weiterer Ansatz ist die die Verwendung des Gravitationsvektors als Referenz für einen Abgleich während des Betriebes, vorgestellt in Loetters et al.: Procedure for in-use calibration of triaxial accelerometers in medical applications, Sensors and Actuators A 68 (1998), 221–228. Dabei basiert ein Verfahren auf der Grundannahme, dass der Sensor an einem Patienten nicht ständig beschleunigt wird, sondern Ruhephasen aufweist, in denen die Gravitationsbeschleunigung zum Kalibrieren genutzt werden kann. Das Verfahren benutzt im Wesentlichen die Verfahrensschritte, nicht notwendig in dieser Reihenfolge,
- – Gewährleisten der Beobachtbarkeit der Sensitivität und des Offsets des Sensors;
- – Kalibrieren des Sensors mit Hilfe von Kalibrierwerten für Sensitivität und Offset;
- – Prüfen des Selbstabgleichs auf eine Störbeschleunigung mit Hilfe einer Messgleichung und geschätzter Werte für Sensitivität und Offset;
- – im Falle des Erkennens einer Störbeschleunigung Wiederholen des Abgleichs;
- – im Falle des Nicht-Erkennens einer Störbeschleunigung Übernehmen der geschätzten Werte für Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte. Das Gewährleisten der Beobachtbarkeit der Sensitivität und des Offsets des Sensors bedeutet das Erkennen eines Zeitintervalls, das ein Kandidat für eine Ruhephase sein kann, so dass aus den Messdaten Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte bestimmt werden können. Gemäß Loetters et al. wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Filtern die Beobachtbarkeit und Erkennung einer Störbeschleunigung sichergestellt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die nötige Adaption insbesondere der Filter, zum Beispiel bezüglich von Eckfrequenzen, an das Produktszenario. Dies benötigt eine zusätzliche Modellierung und schränkt den Sensor auf die jeweiligen Szenarien ein. Loetters et al. verwenden eine Sensoranordnung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einer Recheneinheit und einem Speicher, wobei die Recheneinheit ausgestaltet ist, eine Kalibrierung des Beschleunigungssensors im Betrieb durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Dagegen hat das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sensoranordnung den Vorteil, dass ein Beobachter Störbeschleunigungen mit Hilfe von statistischen Tests erkennt, welche nicht an das Produktszenario angepasst werden müssen. Durch die Verwendung von Schätzern, wie zum Beispiel Kalman-Filter und Fehler-Quadrat Minimierungsalgorithmen, werden Sensorfehler geschätzt und korrigiert. Damit ergeben sich die weiteren Vorteile, dass kein Abgleich am Ende des Fertigungsprozesses des Sensors erforderlich ist, und dass Einflüsse wie Temperaturschwankungen und Alterung des Sensors auf die Sensorparameter implizit berücksichtigt werden. Die Erfindung ermöglicht es striktere Spezifikationen zu fordern, die über äußere Einflüsse hinweg einhaltbar sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Reduzierung von Testkosten.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors im Betrieb mit den Verfahrensschritten
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- b. Kalibrieren des Sensors mit Hilfe von Kalibrierwerten für Sensitivität und Offset – hier werden Sensitivität und Offset bestimmt;
- c. Prüfen des Selbstabgleichs auf eine Störbeschleunigung mit Hilfe einer Messgleichung und geschätzter Werte für Sensitivität und Offset – hier wird geprüft, ob während einer Messung zum Kalibrieren eine Störbeschleunigung aufgetreten ist;
- d. im Falle des Erkennens einer Störbeschleunigung Wiederholen des Abgleichs – im Falle einer Störbeschleunigung sind die Messwerte für ein Kalibrieren nicht geeignet;
- e. im Falle des Nicht-Erkennens einer Störbeschleunigung Übernehmen der geschätzten Werte für Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte – im Falle keiner vorhandenen Störbeschleunigung sind die Messwerte für ein Kalibrieren geeignet und die geschätzten Werte für Sensitivität und Offset werden als Kalibrierdaten übernommen;
hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass Verfahrensschritt c. die Unterschritte aufweist
- c1. Schätzen von Sensitivität und/oder Offset und deren Varianz;
- c2. Bestimmen einer Innovation als Differenz zwischen einem Messwert der Messgleichung und einem geschätzten Wert der Messgleichung;
- c3. Testen der Innovation auf eine Normalverteilung;
- c4. Erkennen der Störbeschleunigung im Fall eines Abweichens von der Normalverteilung.
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Bei der Aufteilung der Vorgehensweise in Verfahrensschritte ist zu beachten, dass die einzelnen Schritte aufeinander abgestimmt sind und je nach Ausgestaltung unterschiedliche Wechselwirkungen entfalten können. So ist eine Störbeschleunigung jegliche von einem stationären Zustand, also Ruhe oder konstante Geschwindigkeit, abweichende Beschleunigung. Also praktisch jegliche von der Erdbeschleunigung abweichende Beschleunigung. Das ist häufig diejenige Beschleunigung, die der Sensor im jeweiligen Anwendungsfall messen soll, die in einem solchen Fall in einer entsprechenden vorteilhaften Ausgestaltung in Verfahrensschritt d. ausgegeben wird. Bei der Kalibrierung ist eine solche Beschleunigung jedoch eine Störung. Einerseits ist eine Ruhephase des Sensors über das Nichtvorhandensein einer Störbeschleunigung definiert, was in einer unten beschriebenen Ausgestaltung für eine Beobachtbarkeit in Schritt a. relevant ist, andererseits wird eine Störbeschleunigung in Schritt c., insbesondere Schritt c4., erkannt beziehungsweise ihr Nichtvorhandensein bestätigt. Unterschritte von Verfahrensschritt c. kennzeichnen in ihrer Kombination das erfindungsgemäße Verfahren, können jedoch in Bezug auf das gesamte Verfahren unter einem oder mehreren anderen Verfahrensschritten angewendet werden, so dass ihre Kombination gemäß der Erfindung trotzdem zusammenwirkend ausgeführt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Schätzer zum Schätzen von Sensitivität und/oder Offset und deren Varianz verwendet. Vorzugsweise wird ein Kalman-Filter zum Schätzen von Sensitivität und/oder Offset und deren Varianz verwendet. Vorteilhaft sind hier der Extended Kalman Filter (EKF), sich als iterativer Filter insbesondere für Echtzeitanwendungen empfiehlt, und der Unscented Kalman Filter (UKF), der sich bei Anwendung stark nichtlinearer Funktionen empfiehlt.
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Vorteilhaft beschreibt die Messgleichung, dass der Betrag der Beschleunigung 1 g entspricht. Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt c2. der Betrag eines Beschleunigungsvektors gleich 1 g geschätzt und als Beschleunigung wird ein Messwert 1 g angenommen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Verfahrensschritt c2 eine normalisierte Innovation verwendet, wobei in Verfahrensschritt c3 die normalisierte Innovation auf eine Chi-Quadrat Verteilung an Stelle der Normalverteilung getestet wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vor Verfahrensschritt b. den Verfahrensschritt a. Gewährleisten der Beobachtbarkeit der Sensitivität und des Offsets des Sensors mit dem Unterschritt a1. Erkennen einer Ruhesituation auf. Vorzugsweise weist Verfahrensschritt a. weiterhin den Unterschritt a2. Erkennen, ob neue Informationen vorliegen, auf. Mit diesem Verfahrensschritt kann eine Situation erkannt werden, in der ein Sensor über einen längeren Zeitraum nur zwischen zwei Lagen wechselt. Diese beiden Lagen liefern keine neuen Informationen, da deren Gravitationsvektoren in schon berücksichtigte Richtungen weisen. Die Kalibrierung des Sensors kann driften, ohne dass eine Scheinsicherheit erkannt wird. Das Erkennen der neuen Messwerte als nicht neue Information kann erfindungsgemäß zu einem Verwerfen der neuen Messwerte für die Statistik führen, um eine Scheinsicherheit zu vermeiden. Vorteilhaft kann auch hier ein statistischer Test angewendet werden, um die Beobachtbarkeit zu gewährleisten. Ein Beobachter schätzt den Zustand des Messgeräts anhand einer Messung, aus den Messdaten werden Sensitivität und Offset bestimmt.
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Die Erkennung von neuen Informationen kann mit zwei Herangehensweisen durchgeführt werden. Die erste Methode basiert auf der Untersuchung der Messdaten oder der geschätzten Beschleunigung in einem kartesischen Koordinatensystem. Es wird eine Null-Hypothese aufgestellt, dass zwei Zustände aus der gleichen Verteilungsfunktion mit Normalverteilung stammen. Mit Hilfe eines z-Tests und einer geeigneten Testvariable kann die Null-Hypothese bestätigt oder widerlegt werden. Die zweite Methode basiert auf der Umwandlung der Messdaten in Polarkoordinaten. Dies ermöglicht eine intuitive Betrachtung des neuen Messwerts. Diese Methode ist ungünstig falls vorhandene Nullpunktfehler den Radius in Polarkoordinaten klein werden lässt, da dann eventuell nicht neue Daten als neu erkannt werden können. Dieser Ansatz bietet aber Vorteile in Verbindung mit einem Kalman-Filter der die Gravitationsbeschleunigung schätzt.
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Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einer Recheneinheit und einem Speicher, wobei die Recheneinheit ausgestaltet ist, eine Kalibrierung des Beschleunigungssensors im Betrieb durchzuführen, hat den Vorteil, dass die Recheneinheit ausgestaltet ist, die Kalibrierung des Beschleunigungssensors mit Hilfe eines Schätzers und einer Prüfung einer Verteilungsfunktion durchzuführen. Durch die Anwendung statistischer Verfahren brauchen keine anwendungsspezifischen Filter verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Speicher der Sensoranordnung Werte eines Nullpunktfehlers und/oder einer Sensitivität des Beschleunigungssensors abgelegt. Diese Werte können als Startwerte für eine Kalibrierung im Betrieb dienen. Vorteilhaft sind die Werte des Nullpunktfehlers und/oder der Sensitivität bei der Fertigung der Sensoranordnung im Speicher abgelegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoranordnung ein ASIC auf. Dies ermöglicht eine kompakte Sensoranordnung mit Sensor und integrierter Auswerteeinheit.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoranordnung ein externes Rechenwerk auf. In diesem Fall kann ein für andere Zwecke bereits vorhandenes Rechenwerk die Kalibrierung des Sensors im Betrieb mit übernehmen.
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Vorzugsweise erfolgt die Kalibrierung in Echtzeit.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer ersten Ausführungsform mit externem Rechenwerk zeigt;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer zweiten Ausführungsform mit integriertem Rechenwerk zeigt;
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3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform zeigt; und
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4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
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1 zeigt eine Sensoranordnung 20 gemäß der Erfindung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor 21 und einer externen Auswerteeinheit 22 mit einer Recheneinheit 23 und einem Speicher 24. Die Recheneinheit 23 weist einen Schätzer 25 auf, der vorteilhaft als Softwarelösung implementiert ist. Die Recheneinheit 23 kann eine Kalibrierung des Beschleunigungssensors 21 mit Hilfe des Schätzers 25 und einer Prüfung einer Verteilungsfunktion in Echtzeit durchzuführen. Der Beschleunigungssensor 21 ist dreidimensional in seinem kartesischen Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z in den Messrichtungen des Sensors dargestellt. Auf ihn wirkt in einem Ruhezustand die Gravitation in Richtung des Pfeils 26 mit dem Betrag 1 g der Erdbeschleunigung.
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2 zeigt eine Sensoranordnung 30 gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform als eigenständiges integriertes Modul 31 mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor 32 und einer Auswerteeinheit 33 in Form eines ASIC 37 mit einer Recheneinheit 34 und einem Speicher 35. Die Recheneinheit 34 ist ausgestaltet eine Kalibrierung des Beschleunigungssensors 32 mit Hilfe eines Schätzers 36 und einer Prüfung einer Verteilungsfunktion in Echtzeit durchzuführen. Bei der Fertigung der Sensoranordnung ermittelte Werte eines Nullpunktfehlers und einer Sensitivität des Beschleunigungssensors sind im Speicher 35 abgelegt.
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3 zeigt in Flussdiagramm 40 ein Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors im Betrieb mit den Verfahrensschritten
- b. Kalibrieren des Sensors mit Hilfe von Kalibrierwerten für Sensitivität und Offset;
- c. Prüfen des Selbstabgleichs auf eine Störbeschleunigung mit Hilfe einer Messgleichung und geschätzter Werte für Sensitivität und Offset; mit den Unterschritten
- c1. Schätzen von Sensitivität und/oder Offset und deren Varianz – hier wird ein Kalman-Filter benutzt und als Schätzer zum Schätzen von Sensitivität und Offset und deren Varianz verwendet;
- c2. Bestimmen einer Innovation als Differenz zwischen einem Messwert der Messgleichung und einem geschätzten Wert der Messgleichung – hier beschreibt die Messgleichung, dass der Betrag der Beschleunigung einem g entspricht;
- c3. Testen der Innovation auf eine Normalverteilung;
- c4. Erkennen der Störbeschleunigung im Fall eines Abweichens von der Normalverteilung; weiter mit Verfahrensschritt
- d. im Falle des Erkennens einer Störbeschleunigung mit Pfeil 41 Wiederholen des Abgleichs;
- e. im Falle des Nicht-Erkennens einer Störbeschleunigung Übernehmen der geschätzten Werte für Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte. Das Verfahren wird mit Pfeil 42 während des Betriebs wiederholt. Bei dem nächsten Durchlauf werden in Schritt b. die gerade in Schritt e. übernommenen Werte für Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte verwendet. Die Kalibrierung wird auf diese Weise erfindungsgemäß verbessert beziehungsweise im Falle einer Temperaturdrift oder einer Alterungsdrift des Sensors aktualisiert.
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Zu der Aufteilung der Vorgehensweise in Verfahrensschritte ist anzumerken, dass die einzelnen Schritte aufeinander abgestimmt sind und je nach Ausgestaltung unterschiedliche Wechselwirkungen entfalten können. Unterschritte von Verfahrensschritt c. kennzeichnen in ihrer Kombination das erfindungsgemäße Verfahren, können jedoch in Bezug auf das gesamte Verfahren unter einem oder mehreren anderen Verfahrensschritten angewendet werden, so dass ihre Kombination gemäß der Erfindung trotzdem zusammenwirkend ausgeführt wird. So kann entsprechend der Frage, ob während oder nach dem Kalibrieren eine Störbeschleunigung aufgetreten ist, Schritt c. während oder nach Schritt b. ausgeführt werden, also Unterschritte von Verfahrensschritt c. können vor Abschluss von Verfahrensschritt b. abgeschlossen werden.
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Im kartesischen Koordinatensystem des Beschleunigungssensors 21 aus 1 liegt die Bescheunigung a der Ruhezustände aller Lagen des Sensors im Raum auf einer Kugeloberfläche mit Radius 1 g. Geht man zu der vom Sensor gelieferten Ausgangsspannung U über, so wird die Kugel elliptisch verformt entsprechend der unterschiedlichen Sensitivitäten der Messrichtungen, beschrieben in der Sensitivitätsmatrix S. Die Nullpunktfehler führen zu einem Offset O, der sich als Verschiebung des Ellipsoids vom Ursprung des Koordinatensystems darstellen lässt. Im als linear angenommenen System gilt für die Ausgangsspannung U = S·a + O und also für die auf eine Testmasse wirkende Bescheunigung a = S–1(U – O). Vereinfachend wird S als Diagonalmatrix angenommen. Für einen Ruhezustand, auch quasistationärer Zustand genannt, gilt |a| = 1 g, also |S–1(U – O)| = 1 g bzw. |S–1(U – O)|2 = 1 g2.
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Ein solcher Ruhezustand ohne Störbeschleunigung wird einerseits in Verfahrensschritt a. erkannt und andererseits in Verfahrensschritt c. überprüft.
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Die Überprüfung des angenommenen Ruhezustands in Verfahrensschritt c. geschieht in diesem Beispiel durch eine Implementierung als Filter mittels einer so genannten Pseudomessung. Dazu wird die Norm der Beschleunigung geschätzt und als ”Messwert” 1 g angenommen. Der Sprachgebrauch, dass als Beschleunigung ein Messwert 1 g angenommen wird bezieht sich auf die Messgleichung, und darauf dass ein ”Messwert” in der Messgleichung nicht tatsächlich durch eine Messung ermittelt worden sein muss. Dies ist keine Messung im eigentlichen Sinne, da der Wert 1 g nicht durch einen Sensor bestimmt wird. Nun wird eine Innovation, das ist eine Differenz zwischen einem gemessenen Messwert und einem geschätzten Messwert, überwacht. In diesem Beispiel wird als Innovation ein Residuum (y – y') gewählt, wobei y der eigentliche Messwert und y' der geschätzte Messwert ist. y und y' können je nach gewählter Messgleichung Skalare oder Vektoren sein. Das Residuum wird hier auf seine Standardabweichung normiert, diese muss nun einer Zufallsvariable mit Normalverteilung entsprechen. Auf die Zufallsvariable kann nun ein Test auf Normalverteilung, bestimmt durch Mittelwert und Varianz, angewendet werden. Falls das Residuum zu groß ist, wird eine Störbeschleunigung angenommen und die Messung muss in Bezug auf eine Kalibrierung verworfen werden.
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Eine Modellierung erfolgt hier mit einem Parameter-Modell, das auf Störungen in Form von Rauschtermen bei Sensitivität und Offset abstellt. Eine Erweiterung auf ein kinematisches Modell berücksichtigt zusätzlich einen Rauschterm bei der Beschleunigung, wird aber hier nicht behandelt. Im Parameter-Modell wird eine Zustandsänderung zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen mit k als laufendem Index beschrieben für Sensitivität und Offset Sk+1 = Sk + vS,k und Ok+1 = Ok + vO,k mit den Rauschtermen bei Sensitivität vS,k und Offset vO,k. Mit den Rauschtermen kann eine zeitliche Änderung zum Beispiel auf Grund von Temperatur oder Alterung mit einem Random-Walk Modell beschrieben werden. Erfindungsgemäß ist das Residuum e der Pseudomessung nun eg,k = 1 g – |Sk –1(uk + vk – Ok)| bzw. im metrischen System eg,k = 9,81 – |Sk –1(uk + vk – Ok)| mit dem Messrauschen v des Sensors.
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4 zeigt in Flussdiagramm 43 ein Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors im Betrieb in einer anderen Ausführungsform als 1, wobei gleiche Verfahrensschritte gleiche Bezugszeichen erhalten haben und geänderte Verfahrensschritte gestrichene Bezugszeichen erhalten haben. Die Verfahrensschritte sind
- a. Gewährleisten der Beobachtbarkeit der Sensitivität und des Offsets des Sensors mit den Unterschritten
- a1. Erkennen einer Ruhesituation – falls keine Ruhesituation vorliegt, kann kein Kalibrieren vorgenommen werden und das Verfahren wird gemäß Pfeil 44 wiederholt;
- a2. Erkennen, ob neue Informationen vorliegen – falls keine neuen Informationen vorliegt, kann kein Kalibrieren vorgenommen werden und das Verfahren wird gemäß Pfeil 45 wiederholt;
- b. Kalibrieren des Sensors mit Hilfe von Kalibrierwerten für Sensitivität und Offset;
- c. Prüfen des Selbstabgleichs auf eine Störbeschleunigung mit Hilfe einer Messgleichung und geschätzter Werte für Sensitivität und Offset; mit den Unterschritten
- c1. Schätzen von Sensitivität und/oder Offset und deren Varianz;
- c2'. Bestimmen einer Innovation als Differenz zwischen einem Messwert der Messgleichung und einem geschätzten Wert der Messgleichung – auch hier wird der Betrag eines Beschleunigungsvektors gleich 1 g geschätzt und als Beschleunigung ein Messwert 1 g angenommen. Weiterhin wird in dieser Ausführungsform eine normalisierte Innovation verwendet. Das Residuum (y – y') wird auf seine Varianz Var(y – y') normalisiert. Die Innovation ist dann NIS = (y – y')TVar–1(y – y')(y – y') mit dem transponierten Residuum (y – y')T. Es folgt Verfahrensschritt
- c3'. Testen der Innovation auf eine Chi-Quadrat Verteilung – dies ist abgestimmt auf die Verwendung einer normalisierten Innovation in Verfahrensschritt c2;
- c4'. Erkennen der Störbeschleunigung im Fall eines Abweichens von der Chi-Quadrat Verteilung; weiter mit Verfahrensschritt
- d. im Falle des Erkennens einer Störbeschleunigung mit Pfeil 41 Wiederholen des Abgleichs;
- e. im Falle des Nicht-Erkennens einer Störbeschleunigung Übernehmen der geschätzten Werte für Sensitivität und Offset als Kalibrierwerte. Das Verfahren wird mit Pfeil 42' während des Betriebs wiederholt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Loetters et al.: Procedure for in-use calibration of triaxial accelerometers in medical applications, Sensors and Actuators A 68 (1998), 221–228 [0002]
- Loetters et al. [0002]
- Loetters et al. [0002]
