DE102010028827B4

DE102010028827B4 - Verfahren zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors

Info

Publication number: DE102010028827B4
Application number: DE102010028827.6A
Authority: DE
Inventors: Julian Bartholomeyczik; Sergej Scheiermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: US20110277532A1; KR20110124716A; DE102010028827A1; CN102288788B; CN102288788A

Abstract

Verfahren zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors (30), wobei in einem ersten Verfahrensschritt (10) Beschleunigungswerte (1X, 1Y, 1Z) in Abhängigkeit von drei Raumrichtungen (X, Y, Z) ermittelt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (11) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) ein Vergleichswert (2X, 2Y, 2Z) aus den Beschleunigungswerten (1X, 1Y, 1Z) erzeugt wird und wobei in einem dritten Verfahrensschritt (12) jeder der Vergleichswerte (2X, 2Y, 2Z) mit einem ersten Schwellwert (20) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (13) ein Summenwert (21) in Abhängigkeit wenigstens eines Beschleunigungswerts (1X, 1Y, 1Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) errechnet wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt (14) der Summenwert (21) mit einem zweiten Schwellwert (22) verglichen wird und wobei in einem sechsten Verfahrensschritt (15) ein Abgleich des Beschleunigungssensors (30) durchgeführt wird, wenn sowohl im dritten Verfahrensschritt (12) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) der Vergleichswert (2X, 2Y, 2Z) kleiner als der Schwellwert (20) ist, als auch im fünften Verfahrensschritt (14) der Summenwert (21) größer als der zweite Schwellwert (22) ist, wobei im zweiten Verfahrensschritt (11) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) sowohl ein Maximalwert (4X, 4Y, 4Z), als auch ein Minimalwert (5X, 5Y, 5Z) in den jeweiligen Beschleunigungswerten (1X, 1Y, 1Z) bestimmt werden, wobei für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) der Vergleichswert (2X, 2Y, 2Z) jeweils als Differenz aus dem jeweiligen Minimalwert (5X, 5Y, 5Z) und dem jeweiligen Maximalwert (4X, 4Y, 4Z) der entsprechenden Raumrichtung (X, Y, Z) bestimmt wird, wobei im vierten Verfahrensschritt (13) der Summenwert (21) als Betragssumme aus jeweils einem Beschleunigungswert (1X, 1Y, 1Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) errechnet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2007 002 835 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehratensensorik bekannt, bei welchem die Kalibrierung mittels einer Neigungsinformation von einer Beschleunigungssensorik vorgenommen wird. Die Beschleunigungssensorik sendet ferner ein die Kalibrierung initiierendes Nullsignal an die Drehratensensorik, sobald eine Ruhelage detektiert wird, so dass die Kalibrierung der Drehratensensorik jeweils nur in den Ruhelagen durchgeführt wird.
Dieses Verfahren ist jedoch nicht zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren in portablen Geräten durch Vermessung der Erdbeschleunigung in einem Ruhezustand bzw. eines „1g“-Zustandes des portablen Gerätes geeignet, da hier neben der Detektion des Ruhezustands (Detektion der Abwesenheit von Beschleunigungen, welchen der Erdbeschleunigung überlagert sind), auch eine Abgrenzung des Ruhezustands vom „freien Fall“ erfolgen muss, weil im „freien Fall“ lediglich mit einem Beschleunigungssensor keine Vermessung der Schwerebeschleunigung möglich ist.
Ferner geht aus der Druckschrift US 2009 / 0 259 424 A1 ein Verfahren zur Bestimmung, ob ein freier Fall vorliegt, hervor, bei welchem die Gesamtbeschleunigung durch Multiplikation und Wurzelziehen berechnet wird und anschließend geprüft wird, ob die Gesamtbeschleunigung in der Nähe von „1g“ liegt. Aus der Druckschrift US 2007 / 0 205 982 A1 ist ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Dynamik bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auf eine vergleichsweise einfache, energiesparende und effiziente Art und Weise das Vorliegen eines Ruhezustands detektierbar ist und somit ein Abgleich des Beschleunigungssensors nur beim Vorliegen eines derartigen Ruhezustands durchgeführt wird. Ein Ruhezustand (vorliegend auch als „1g“-Zustand bezeichnet) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Zustand, in welchem im Wesentlichen lediglich die Erdanziehungskraft („1g“-Beschleunigung, wobei „g“ für die Erdbeschleunigung steht) als Beschleunigungskraft einwirkt und kein „freier Fall“ vorliegt. Beispielsweise liegt das portable Gerät, in welchem der zu kalibrierende Beschleunigungssensor angeordnet ist, unbeweglich auf einer Ablagefläche, wie beispielsweise einer Tischplatte. Dies hat den Vorteil, dass der Abgleich des Beschleunigungssensors ausschließlich im Ruhezustand und insbesondere nicht während des Vorliegens anderer dominierender Beschleunigungskräfte durchgeführt wird, da nur in diesem Fall eine präzise Vermessung der Erdbeschleunigung möglich ist. Der Beschleunigungssensor wird dabei insbesondere anhand der Vermessung der bekannten Erdbeschleunigung abgeglichen bzw. kalibriert. In vorteilhafter Weise wird somit sowohl ein Abgleich eines bereits vorkalibrierten Beschleunigungssensors, als auch ein Abgleich eines noch unkalibrierten Beschleunigungssensors ermöglicht. Dies ermöglicht beispielsweise eine (Nach- und/oder Neu-) Kalibrierung des Beschleunigungssensors während der Verwendung eines Gerätes, in welches der Beschleunigungssensor integriert ist. Dies ist insbesondere bei mit Beschleunigungssensoren ausgestatteten „Consumer-Products“, wie Mobiltelefonen, Digitalkameras, Laptops, Notebooks, PDA's (Personal Digital Assistant), GPS-Handgeräten, Spielekonsolen, Eingabegeräte für Spielekonsolen/Computer (Maus, Joystick, Gamecontroller) und dergleichen, besonders vorteilhaft, da durch das erfindungsgemäße Verfahren eine aufwändige und kostenintensive (Vor-)Kalibrierung des Beschleunigungssensors während der Herstellung bzw. unmittelbar nach der Herstellung des Gerätes einsparbar ist. Ferner ist der Beschleunigungssensor insbesondere ein dreikanaliger Beschleunigungssensor, d.h. entlang den drei Raumrichtungen X, Y, Z sensitiv. Alternativ umfasst der Beschleunigungssensor drei einzelne einkanalige Beschleunigungssensoreinheiten, welche derart ausgerichtet sind, dass Beschleunigungen entlang jeder der drei Raumrichtungen von einem der Beschleunigungssensoreinheiten detektiert werden. Der Beschleunigungssensor umfasst vorzugsweise einen mikromechanischen Beschleunigungssensor. Der mikromechanische Beschleunigungssensor umfasst vorzugsweise eine gegenüber einem Substrat beweglich aufgehängte seismische Masse, deren Auslenkung gegenüber dem Substrat infolge von durch äußere Beschleunigungskräfte hervorgerufenen Trägheitskräften kapazitiv (beispielsweise mittels einer Fingerelektroden- und/oder Kondensatorplattenanordnung) vermessen wird. Der Abgleich des Beschleunigungssensors dient insbesondere dazu, für jede der drei Raumrichtungen herstellungsbedingte Offsets und Sensorsensitivitäten festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem ersten Teilschritt des sechsten Verfahrensschritts für jede der drei Raumrichtungen jeweils ein Mittelwert in Abhängigkeit der jeweiligen Beschleunigungswerten bestimmt wird, wobei die Mittelwerte vorzugsweise mittels einer Methode der kleinsten Quadrate (least squares-method) ermittelt werden, und dass in einem zweiten Teilschritt des sechsten Verfahrensschritts der Abgleich des Beschleunigungssensors auf Grundlage der Mittelwerte durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Vorkalibrierung (bzw. ein Grobabgleich) des Beschleunigungssensors durchgeführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nachfolgende insbesondere iterative Verfahrensschritte zur Nachkalibrierung (bzw. zum Feinabgleich) des Beschleunigungssensor konvergieren und somit die Genauigkeit des Abgleichs deutlich erhöht wird. Ferner wird der Rechenaufwand, d.h. die Anzahl der benötigten Iterationsschritte, und somit auch der Zeitaufwand für diese nachfolgenden Verfahrensschritte verringert. Auf der Grundlage der ermittelten Mittelwerte werden vorzugsweise für jede Raumrichtung aktuelle Offsetwerte und Sensorsensitivitäten ermittelt und somit eine Vorkalibrierung der Beschleunigungswerte durchgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem dritten Teilschritt des sechsten Verfahrensschrittes ein Abgleich des Beschleunigungssensors mittels eines iteratives Näherungsverfahrens durchgeführt wird, wobei das iterative Näherungsverfahren vorzugsweise in Abhängigkeit der Beschleunigungswerte und/oder in Abhängigkeit von weiteren Beschleunigungswerten durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Genauigkeit des Abgleichs durch das iterative Näherungsverfahren sukzessive erhöht. Das iterative Näherungsverfahren umfasst dabei vorzugsweise einen Kalman-Filter, ein Newtonsches Näherungsverfahren und/oder eine Methode der kleinsten Quadrate. Die Offsetwerte und die Sensorsensitivitäten werden dabei mittels des iterativen Näherungsverfahrens sukzessive für jede Raumrichtung an die tatsächlichen Offsetwerte und Sensorsensitivitäten des Beschleunigungssensors angenähert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem vierten Teilschritt des sechsten Verfahrensschrittes ein Kontrollverfahren durchgeführt wird, in welchem eine Quadratsumme in Abhängigkeit wenigstens eines weiteren Beschleunigungswertes für jede der drei Raumrichtungen berechnet wird und in welchem die Quadratsumme mit einem dritten Schwellwert verglichen wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Qualität des Abgleichs bestimmt, so dass in Abhängigkeit des Vergleichs zwischen der Quadratsumme und dem dritten Schwellwert entschieden wird, ob ein weiterer Iterationsschritt zur Verbesserung des Abgleichs notwendig ist oder ob das Abgleichverfahren an dieser Stelle beendet werden kann (wenn die Abgleichqualität ausreichend gut ist).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der dritte und vierte Teilschritt solange sequentiell wiederholt werden, bis im vierten Teilschritt die Quadratsumme kleiner als der dritte Schwellwert ist, und/oder dass im vierten Teilschritt die Quadratsumme mit einem vierten Schwellwert verglichen wird, wobei das Verfahren mit dem ersten Verfahrensschritt vorzugsweise neu gestartet wird, wenn die Quadratsumme größer als der vierte Schwellwert ist. In vorteilhafter Weise wird durch den Vergleich der Quadratsumme mit dem vierten Schwellwert eine Möglichkeit gegeben das erfindungsgemäße Verfahren komplett neu zu starten (Dies bedeutet, dass alle bis hierhin ermittelten Offsetwerte und Sensorsensitivitäten verworfen werden), wenn eine zu schlechte Qualität des Abgleichs detektiert wird. In vorteilhafter Weise wird somit auch die Vorkalibrierung bzw. der Grobabgleich erneut durchgeführt.
Es ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt für jede der drei Raumrichtungen sowohl ein Maximalwert, als auch ein Minimalwert in den jeweiligen Beschleunigungswerten bestimmt werden, wobei für jede der drei Raumrichtungen der Vergleichswert jeweils als Differenz aus dem jeweiligen Minimalwert und dem jeweiligen Maximalwert der entsprechenden Raumrichtung bestimmt wird. Der Vergleichswert lässt sich auf diese Weise besonders einfach ermitteln und ist dabei ein zuverlässiger Maßstab zur Bestimmung der Dynamik entlang der jeweiligen Raumrichtung. Eine solche Funktionalität ist insbesondere vergleichsweise leicht, bauraumkompakt und energieeffizient in Hardware und/oder Software implementierbar. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Beschleunigungswerte für jede Raumrichtung, d.h. insbesondere eine X-, Y- und Z-Raumrichtung in einem eigenen FIFO-Speicher (First In - First Out - Speicher) abgespeichert werden, d.h. eine Mehrzahl von X-Bewegungswerten werden in einem X-FIFO-Speicher, eine Mehrzahl von Y- Bewegungswerten werden in einem Y-FIFO-Speicher und eine Mehrzahl von Z-Bewegungswerten in einem Z-FIFO-Speicher abgespeichert. In jedem FIFO-Speicher wird anschließend ein Maximal-, sowie ein Minimalwert bestimmt und daraufhin für jede der drei Raumrichtungen X, Y und Z der jeweilige Differenzwert zwischen diesem Maximal- und Minimalwert bestimmt, so dass ein X-Vergleichswert, ein Y-Vergleichswert und ein Z-Vergleichswert entsteht. Diese drei Vergleichswerte werden anschließend einzeln mit einem gemeinsamen ersten Schwellwert oder alternativ mit jeweils einem eigenen ersten Schwellwert für jede Raumrichtung verglichen. Wenn der erste Schwellwert von jedem Vergleichswert bzw. jeder erste Schwellwert vom jeweiligen Vergleichswert unterschritten wird, ist sichergestellt, dass der Beschleunigungssensor keinen derart großen äußeren Beschleunigungskräften ausgesetzt ist, dass die Messung der Erdbeschleunigung hierdurch unmöglich wird. Infolgedessen wird der Abgleich des Beschleunigungssensors durchgeführt, sofern im fünften Verfahrensschritt sichergestellt wird, dass kein „freier Fall“ vorliegt.
Es ist vorgesehen, dass im vierten Verfahrensschritt der Summenwert als Summe aus jeweils einem Beschleunigungswert für jede der drei Raumrichtungen errechnet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im vierten Verfahrensschritt für jede der drei Raumrichtungen ein Durchschnittsbeschleunigungswert aus den jeweiligen Beschleunigungswerten gebildet wird, wobei der Summenwert als Summe aus den jeweiligen Durchschnittsbeschleunigungswerten für jede der drei Raumrichtungen errechnet wird. Der Summenwert wird im vierten Verfahrensschritt als Betragssumme in Abhängigkeit wenigstens eines Beschleunigungswertes für jede Raumrichtung errechnet. Im Zustand des freien Falls wirken nur reduzierte Beschleunigungskräfte, so dass allein mittels des dritten Verfahrensschritts der Ruhezustand vom „freien Fall“ nicht zu unterscheiden ist. Anhand des fünften Verfahrensschrittes ist nun in vorteilhafter Weise der Ruhezustand vom Zustand des „freien Falls“ unterscheidbar, da im Falle des freien Falls die Betragssumme der jeweiligen Beschleunigungswerte niedriger als im Ruhezustand ist, so dass durch eine geeignete Wahl des zweiten Schwellwertes eine Unterscheidung ermöglicht wird. Durch die Bildung des Summenwertes in Abhängigkeit von Durchschnittsbeschleunigungswerten wird nun in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit bei der Abgrenzung des Ruhezustands vom „freien Fall“ auf einfache Weise erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt ermittelte Beschleunigungswerte und/oder weitere Beschleunigungswerte für jede Raumrichtung mit zuvor ermittelten Beschleunigungswerten verglichen werden, wobei vorzugsweise die neu ermittelten Beschleunigungswerte und/oder weitere Beschleunigungswerte, sowie die bereits zuvor ermittelten Beschleunigungswerte jeweils gerundet werden und die neu ermittelten Beschleunigungswerte und/oder weiteren Beschleunigungswerte insbesondere dann verworfen werden, wenn die gerundeten neu ermittelten Beschleunigungswerte und/oder weiteren Beschleunigungswerte im Wesentlichen den gerundeten zuvor ermittelten Beschleunigungswerten entsprechen und/oder wenn eine bestimmte Anzahl von gerundeten zuvor ermittelten Beschleunigungswerten vorhanden ist, welche den gerundeten neu ermittelten Beschleunigungswerten und/oder weiteren Beschleunigungswerten entsprechen. In vorteilhafter Weise wird somit bestimmt, ob die neu ermittelten Beschleunigungswerte sich in einem „Cluster“ befinden, das schon durch bereits zuvor ermittelte Beschleunigungswerte belegt ist. Mit anderen Worten: Es wird geprüft, ob es schon ähnliche Beschleunigungswerte unter den zuvor ermittelten Beschleunigungswerten gibt. Auf diese Weise wird verhindert, dass nur gleiche bzw. ähnliche Beschleunigungswerte zum wiederholten Abgleich des Beschleunigungssensors verwendet werden, da ein solcher Abgleich nicht zur gewünschten Abgleichqualität führen würde. Vorzugsweise werden die neu ermittelten Beschleunigungswerte auf eine bestimmte Genauigkeit gerundet, beispielsweise durch ein Teilen der Beschleunigungswerte durch 2er Potenzen, und mit den gleichermaßen gerundeten bereits zuvor ermittelten Beschleunigungswerten verglichen. Die genannte Rundung auf der Grundlage von 2er Potenzen lässt sich insbesondere vergleichsweise einfach in Hardware implementieren. Die neu ermittelten Beschleunigungswerte werden anschließend nur dann weiterverwendet, wenn sie in einem nicht belegten „Cluster“ liegen und/oder sich in dem entsprechenden „Cluster“ nur eine bestimmte Anzahl bereits zuvor ermittelter Beschleunigungswerte liegen. Analog werden neu ermittelte weitere Beschleunigungswerte ebenfalls gerundet und mit bereits zuvor ermittelten und gerundeten Beschleunigungswerten und/oder weiteren Beschleunigungswerten verglichen. Auf diese Weise wird ebenfalls verhindert, dass nur gleiche bzw. ähnliche weitere Beschleunigungswerte zum wiederholten Abgleich des Beschleunigungssensors verwendet werden, da ein solcher Abgleich ebenfalls nicht zur gewünschten Abgleichqualität führen würde.
Ein weiterer nicht zur Erfindung gehöriger Gegenstand ist ein elektronisches Gerät mit einem Beschleunigungssensor und einer Auswerteeinheit, wobei der Beschleunigungssensor zur Ermittelung von Beschleunigungswerten entlang drei Raumrichtungen konfiguriert ist, wobei die Auswerteeinheit zur Erzeugung jeweils eines Vergleichswertes für jede der drei Raumrichtungen aus den Beschleunigungswerten und zum Vergleich jeder der Vergleichswerte mit einem ersten Schwellwert konfiguriert ist, wobei die Auswerteeinheit ferner zur Erzeugung eines Summenwerts in Abhängigkeit wenigstens eines Beschleunigungswerts für jede der drei Raumrichtungen und zum Vergleich des Summenwerts mit einem zweiten Schwellwert konfiguriert ist, wobei die Auswerteeinheit zum Abgleichen des Beschleunigungssensors, wenn für jede der drei Raumrichtungen der Vergleichswert kleiner als der Schwellwert ist, sowie wenn der Summenwert größer als der zweite Schwellwert ist, konfiguriert ist. In vorteilhafter Weise wird somit der Abgleich des Beschleunigungssensors nur dann durchgeführt, wenn sich das elektronische Gerät im Ruhezustand befindet. Das elektronische Gerät ist ferner insbesondere dazu konfiguriert, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das elektronische Gerät umfasst insbesondere ein Mobiltelefon, Digitalkamera, Laptop, Notebook, PDA (Personal Digital Assistant), GPS-Handgerät, Spielekonsole, Eingabegerät für Spielekonsolen/Computer (Maus, Joystick, Gamecontroller) und/oder dergleichen. Die Auswerteeinheit umfasst insbesondere eine vorzugsweise in einen ASIC und/oder Mikrocontroller implementierte Sensorlogik, welche vorzugsweise wenigstens drei FIFO-Speicher aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen

1 eine schematische Ansicht eines Systems zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
3 eine schematische Ansicht eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine schematische Ansicht eines elektronischen Gerätes 31 mit einem Beschleunigungssensor 30 dargestellt, in welchem ein Verfahren zum Abgleich des Beschleunigungssensors 30 gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Das elektronische Gerät 31 umfasst insbesondere ein mobiles portables Gerät, wie beispielsweise ein Mobiltelefon. Das elektronische Gerät 31 weist den wenigstens einen Beschleunigungssensor 30, sowie eine Auswerteeinheit 32 auf. Der Beschleunigungssensor 30 umfasst einen mikromechanischen 3-kanaligen Beschleunigungssensor, welcher gegenüber allen drei Raumrichtungen X, Y, Z sensitiv ist, d.h. Beschleunigungen entlang jeder der drei Raumrichtungen X, Y, Z misst. Die entlang jeder der drei Raumrichtungen X, Y, Z gemessenen Beschleunigungen werden in Form von Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z und sortiert nach der jeweiligen Raumrichtung X, Y, Z an die Auswerteeinheit 32 übermittelt. Die Auswerteeinheit 32 detektiert anhand dieser Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z, ob sich das elektronische Geräte 31 in einem Ruhezustand befindet und startet - im Falle, dass ein Ruhezustand vorliegt - einen Abgleich des Beschleunigungssensors 30. Dabei wird der Beschleunigungssensor 30 anhand der bekannten Erdbeschleunigung, d.h. des sogenannten g-Vektors abgeglichen. Sollte das Gerät 30 starken Bewegungen ausgesetzt ist, überlagert sich jedoch die Erdbeschleunigung mit äußeren Beschleunigungen, welche durch die starken Bewegungen hervorgerufen werden, so dass ein genauer Abgleich durch die Messung der Erdbeschleunigung nicht möglich ist. Ein Ruhezustand (auch als „1g“-Zustand bezeichnet) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Zustand, in welchem im Wesentlichen lediglich die Erdanziehungskraft („1g“-Beschleunigung, wobei „g“ für die Erdbeschleunigung steht) als Beschleunigungskraft auf das System 1 einwirkt und ferner kein freier Fall vorliegt. Das Abgleichverfahren ist insbesondere mittels Software und/oder mittels zusätzlicher in Hardware implementierter Logik realisiert. Die Auswerteeinheit 32 umfasst dementsprechend vorzugsweise einen ASIC (bestehend beispielsweise aus einem Digitalteil und einem Analogteil), einen Mikrocontroller und/oder einen Computerchip. Die genaue Funktionsweise des Abgleichverfahrens wird im Folgenden insbesondere anhand der 2 und/oder 3 detailliert beschrieben.
In 2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, wobei dieses Verfahren insbesondere auf einem anhand der 1 illustrierten elektronischen Gerät 31 durchgeführt wird. In einem ersten Verfahrensschritt 10 werden von dem, insbesondere nicht abgeglichenen oder lediglich grob vorabgeglichenen Beschleunigungssensor 30 Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_X in Abhängigkeit von Beschleunigungen entlang jeder der drei Raumrichtungen X, Y, Z ermittelt und an die Auswerteeinheit 32 übertragen. In einem „Clustering“-Schritt 10' des ersten Verfahrensschrittes 11 werden diese neu ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z ferner dahingehend untersucht, ob sie sich in einem „Cluster“ befinden, das schon durch bereits zuvor ermittelte Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z belegt ist. Das heißt, es wird bestimmt, ob es schon ähnliche Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z unter den bereits zuvor aufgenommenen Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z gibt. Die neu ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z werden dazu gerundet, indem sie durch 2er Potenzen geteilt werden, und anschließend mit den bereits zuvor ermittelten und auf gleiche Weise gerundeten Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z verglichen. Die neu ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z werden nur dann weiter verwendet, wenn sie in einem nicht belegten Cluster liegen und/oder sich in dem entsprechenden Cluster bislang nur eine vorbestimmte Anzahl von ähnlichen Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z befindet. Ein solcher „Clustering“-Schritt wird im Übrigen insbesondere auch für alle nachfolgend neu aufgenommenen weiteren Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z durchgeführt. Anschließend wird ein „Ruhezustandserkennungs“-Schritt in Form eines zweiten, dritten, vierten und fünften Verfahrensschrittes 11, 12, 13, 14 durchgeführt, wobei der zweite und dritte Verfahrensschritt 12, 13 zur Dynamik-Erkennung und der vierte und fünfte Verfahrensschritt 14, 15 zur Erkennung eines „freien Falls dienen (Details siehe insbesondere in 3 und der entsprechenden Figurenbeschreibung). Im zweiten Verfahrensschritt 11 wird für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z ein Vergleichswert 2_X, 2_Y, 2_Z aus den Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z ermittelt, wobei jeder der Vergleichswerte 2_X, 2_Y, 2_Z im dritten Verfahrensschritt 12 jeweils mit einem ersten Schwellwert 20 verglichen wird. Ein Unterschreiten des ersten Schwellwertes 20 durch den jeweiligen Vergleichswert 2_X, 2_Y, 2_Z ist ein Maß dafür, dass entlang der entsprechenden Raumrichtung X, Y, Z keine oder nur eine zu vernachlässigende Dynamik vorliegt. Im vierten Verfahrensschritt 13 wird ferner ein Summenwert 21 gebildet, wobei die Summanden des Summenwerts 21 in Abhängigkeit wenigstens eines Beschleunigungswerts 1_X, 1_Y, 1_Z für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z gebildet werden. Der Summenwert 21 ist daher vorzugsweise proportional der Vektorsumme aus den jeweiligen Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z. Im fünften Verfahrensschritt 14 wird der Summenwert 21 anschließend mit einem zweiten Schwellwert 22 verglichen, um den Ruhezustand vom Zustand des „freien Falls“ zu unterscheiden. Der zweite Schwellwert 22 ist bevorzugt größer als 0,2g, besonders bevorzugt größer als 0,5g und ganz besonders bevorzugt größer als 0,6g, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Sofern im dritten Verfahrensschritt 12 für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z der Vergleichswert 2_X, 2_Y, 2_Z kleiner als der Schwellwert 20 ist und gleichzeitig im fünften Verfahrensschritt 14 der Summenwert 21 größer als der zweite Schwellwert 22 ist, wird in einem nachfolgenden sechsten Verfahrensschritt 15 ein Abgleich des Beschleunigungssensors 30 durchgeführt. Der sechste Verfahrensschritt 15 umfasst dabei einen ersten Teilschritt 40, wobei vorzugsweise mittels der Methode der kleinsten Quadrate für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z ein Mittelwert 3_X, 3_Y, 3_Z aus den Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z berechnet wird. In einem zweiten Teilschritt 41 des sechstens Verfahrensschrittes 15 wird auf Grundlage der Mittelwerte 3_X, 3_Y, 3_Z daraufhin eine Vorkalibrierung bzw. ein Grobabgleich des Beschleunigungssensors 30 durchgeführt, wobei hier der Sensor-Offset, sowie die Sensor-Sensitivität für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z bestimmt werden. In einem zweiten Teilschritt 42 des sechsten Verfahrensschrittes 15 wird daraufhin ein iteratives Näherungsverfahren zur Nachkalibrierung bzw. zum Feinabgleich des Beschleunigungssensors 30 durchgeführt. Das iterative Näherungsverfahren umfasst vorzugsweise einen Kalman-Filter und wird auf der Grundlage der bereits ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z und/oder bevorzugt auf der Grundlage weiterer Beschleunigungswerten 1'_X, 1'_Y, 1'_Z durchgeführt. Die weitere Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z werden in einem Zwischenschritt 43 des sechsten Verfahrensschrittes 15 ermittelt, wobei die weiteren Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z analog zu den oben genannten Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z vorzugsweise ebenfalls jeweils zuvor den „Clustering“-Schritt, sowie den „Ruhezustandserkennungs“-Schritt erfolgreich durchlaufen müssen. Auf der Grundlage dieser weiteren Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z wird nun in einem vierten Teilschritt 44 des sechsten Verfahrensschrittes 15 ein Kontrollverfahren durchgeführt, in welchem in einem ersten Unterschritt 44' eine Quadratsumme 23 in Abhängigkeit wenigstens eines weiteren Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z gebildet wird und diese Quadratsumme 23 in einem zweiten Unterschritt 44'' mit einem dritten Schwellwert 24 verglichen wird. Zum näheren Verständnis: In diesem Kontrollverfahren wird insbesondere kontrolliert, ob im Ruhezustand des Beschleunigungssensors 30 die Vektorsumme aus jeweils einem weiteren Beschleunigungswert 1'_X, 1'_Y, 1'_Z für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z in der Nähe des 1g-Vektors liegt. Überschreitet die Quadratsumme 23 den dritten Schwellwert 24, so ist die Abgleichqualität noch nicht ausreichend und der dritte Teilschritt 42 wird zur Verbesserung der Abgleichqualität erneut durchgeführt. Optional ist vorgesehen, dass im Kontrollverfahren die Quadratsumme 23 auch noch mit einem vierten Schwellwert 25 verglichen wird, welcher größer als der dritte Schwellwert 24 ist. Beim Überschreiten auch des vierten Schwellwertes 25 durch die Quadratsumme 23 wird angenommen, dass der bereits durchgeführte Sensorabgleich zu schlecht ist, so dass das erfindungsgemä-ße Verfahren komplett neu gestartet wird (es besteht ansonsten die Gefahr, dass das iterative Näherungsverfahren nicht konvergiert). Die bereits ermittelten Sensor-Offsets und Sensor-Sensitivitäten werden dabei verworfen. Wenn der vierte Schwellwert 24 von der Quadratsumme 23 unterschritten wird, geht das Verfahren in einem siebten Verfahrensschritt 16 in eine Warteschleife. Nach Ablauf einer bestimmten vorgegeben Zeit, welche vorzugsweise in Abhängigkeit der Differenz zwischen Quadratsumme 23 und viertem Schwellwert 24 automatisch eingestellt wird, wird der Zwischenschritt 43, sowie das Kontrollverfahren wiederholt, um eine permanente Überwachung der Abgleichqualität des Beschleunigungssensors 30 während der Verwendung zu gewährleisten. Die Quadratsumme 23 errechnet sich beispielsweise aus (1_X)² + (1_Y)² + (1_Z)² berechnet. Alternativ ist denkbar, zur Bestimmung der Abgleichqualität die Summe von (1-sqrt[(1_X)² + (1_Y)² + (1_Z)²])² zu verwenden.
In 3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Abgleich eines Beschleunigungssensors 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 2 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht. Im ersten Verfahrensschritt 10 werden die Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z erzeugt, welche ein Maß für Beschleunigungen des Beschleunigungssensors 30 entlang der drei Raumrichtungen X, Y, Z sind. In einem ersten „Clustering-Schritt“ 10' werden diese neu ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z gerundet und in einem zweiten „Clustering“-Schritt 10" werden die gerundeten neu ermittelten Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, dahingehend untersucht, ob sie sich in einem „Cluster“ befinden, das schon durch bereits zuvor ermittelte gerundete Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z belegt ist. Anschließend werden die Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z sortiert nach der jeweiligen Raumrichtung X, Y, Z in einem von drei FIFO-Speichern 33_X, 33_Y, 33_Z der Auswerteeinheit 3 abgespeichert. In jedem der FIFO-Speicher 33_X, 33_Y, 33_Z werden im zweiten Verfahrensschritt 11 daraufhin sowohl der Maximalwert 4_X, 4_Y, 4_Z, als auch der Minimalwert 5_X, 5_Y, 5_Z für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z ermittelt und anschließend für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z der Vergleichswert 2_X, 2_Y, 2_Z bestimmt, welcher sich aus der mathematischen Differenz zwischen dem jeweiligen Maximalwert 4_X, 4_Y, 4_Z und dem jeweiligen Minimalwert 5_X, 5_Y, 5_Z der entsprechenden Raumrichtung X, Y, Z errechnet. In einem nachfolgenden dritten Verfahrensschritt 12 werden die drei Vergleichswerte 2_X, 2_Y, 2_Z jeweils mit dem ersten Schwellwert 20 verglichen (Hier ist denkbar, dass schon wenn alle drei Vergleichswerte 2_X, 2_Y, 2_Z jeweils unterhalb des ersten Schwellwertes 20 liegen, unmittelbar der sechste Verfahrensschritt 15 gestartet wird, ohne dass zuvor noch der vierte und fünfte Verfahrensschritt 13, 14 durchgeführt werden). In einem nachfolgenden Hilfsschritt 50 wird anhand eines logischen AND-Gatters überprüft, ob alle drei Vergleichswerte 2_X, 2_Y, 2_Z jeweils unterhalb des ersten Schwellwertes 20 liegen. Parallel hierzu wird zunächst für jeden FIFO-Speicher 33_X, 33_Y, 33_Z ein Durchschnittsbeschleunigungswert 6_X, 6_Y, 6_Z aus den jeweiligen Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z für jede der drei Raumrichtungen X, Y, Z berechnet und anschließend in einem vierten Verfahrensschritt 13 der Summenwert 21 aus den drei Durchschnittsbeschleunigungswerten 6_X, 6_Y, 6_Z errechnet $(| 6_{X} | + | 6_{Y} | + | 6_{Z} |) .$
Alternativ ist auch denkbar, dass der Summenwert 21 direkt aus jeweils einem einzigen Beschleunigungswert 1_X, 1_Y, 1_Z pro Raumrichtung X, Y, Z, d.h. ohne Durchschnittswertbildung errechnet wird $(| 1 *_{X} | + | 1 *_{Y} | + | 1 *_{Z} |),$
hier wird beispielsweise immer der letzte Beschleunigungswert 1_X, 1_Y, 1_Z im jeweiligen FIFO-Speicher 33_X, 33_Y, 33_Z verwendet). Im fünften Verfahrensschritt 14 wird nun überprüft, ob der zweite Schwellwert 22 durch den Summenwert 21 überschritten wird. In einem nachfolgenden weiteren Hilfsschritt 51 wird mittels eines weiteren logischen AND-Gatters überprüft, ob sowohl der zweite Schwellwert 22 durch den Summenwert 21 überschritten wird, als auch alle drei Vergleichswerte 2_X, 2_Y, 2_Z jeweils unterhalb des ersten Schwellwertes 20 liegen. Nur wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, werden die Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z in ein Datencluster 52 geschrieben und in einem sechsten Verfahrensschritt 15 ein Abgleich des Beschleunigungssensors 30 durchgeführt (sofern genügend Beschleunigungswerte 1_X, 1_Y, 1_Z vorliegen). Durch die beiden mathematischen Bedingungen wird sichergestellt, dass einerseits der Ruhezustand vom freien Fall unterschieden wird (fünfter Verfahrensschritt 14) und andererseits die maximal erlaubte Dynamik des Beschleunigungssensors 30 im Ruhezustand für die einzelnen Raumrichtungen X, Y, Z begrenzt wird (dritter Verfahrensschritt 12). In einem weiteren ersten „Clustering-Schritt“ 10' werden gerundete neu ermittelte weitere Beschleunigungswerte 1'_X, 1'_Y, 1'_Z dann mit diesen aktuell in das Daten-Cluster 52 geschriebenen Beschleunigungswerten 1_X, 1_Y, 1_Z verglichen und dahingehend untersucht, ob sie sich in ein und demselben „Cluster“ befinden.

Claims

Verfahren zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors (30), wobei in einem ersten Verfahrensschritt (10) Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) in Abhängigkeit von drei Raumrichtungen (X, Y, Z) ermittelt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (11) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) ein Vergleichswert (2_X, 2_Y, 2_Z) aus den Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) erzeugt wird und wobei in einem dritten Verfahrensschritt (12) jeder der Vergleichswerte (2_X, 2_Y, 2_Z) mit einem ersten Schwellwert (20) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (13) ein Summenwert (21) in Abhängigkeit wenigstens eines Beschleunigungswerts (1_X, 1_Y, 1_Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) errechnet wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt (14) der Summenwert (21) mit einem zweiten Schwellwert (22) verglichen wird und wobei in einem sechsten Verfahrensschritt (15) ein Abgleich des Beschleunigungssensors (30) durchgeführt wird, wenn sowohl im dritten Verfahrensschritt (12) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) der Vergleichswert (2_X, 2_Y, 2_Z) kleiner als der Schwellwert (20) ist, als auch im fünften Verfahrensschritt (14) der Summenwert (21) größer als der zweite Schwellwert (22) ist, wobei im zweiten Verfahrensschritt (11) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) sowohl ein Maximalwert (4_X, 4_Y, 4_Z), als auch ein Minimalwert (5_X, 5_Y, 5_Z) in den jeweiligen Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) bestimmt werden, wobei für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) der Vergleichswert (2_X, 2_Y, 2_Z) jeweils als Differenz aus dem jeweiligen Minimalwert (5_X, 5_Y, 5_Z) und dem jeweiligen Maximalwert (4_X, 4_Y, 4_Z) der entsprechenden Raumrichtung (X, Y, Z) bestimmt wird, wobei im vierten Verfahrensschritt (13) der Summenwert (21) als Betragssumme aus jeweils einem Beschleunigungswert (1_X, 1_Y, 1_Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Teilschritt (40) des sechsten Verfahrensschritts (15) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) jeweils ein Mittelwert (3_X, 3_Y, 3_Z) in Abhängigkeit der jeweiligen Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) bestimmt wird, wobei die Mittelwerte (3_X, 3_Y, 3_Z) mittels einer Methode der kleinsten Quadrate (least squares-method) ermittelt werden, und dass in einem zweiten Teilschritt (41) des ' sechsten Verfahrensschritts (15) der Abgleich des Beschleunigungssensors (30) auf Grundlage der Mittelwerte (3_X, 3_Y, 3_Z) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Teilschritt (42) des sechsten Verfahrensschrittes (15) ein Abgleich des Beschleunigungssensors (30) mittels eines iterativen Näherungsverfahrens durchgeführt wird, wobei das iterative Näherungsverfahren in Abhängigkeit der Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder in Abhängigkeit von weiteren Beschleunigungswerten (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Teilschritt (42) das iterative Näherungsverfahren in Form eines Kalman-Filters, eines Newtonschen Näherungsverfahrens und/oder einer Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Teilschritt (44) des sechsten Verfahrensschrittes (15) ein Kontrollverfahren durchgeführt wird, in welchem eine Quadratsumme (23) in Abhängigkeit wenigstens eines weiteren Beschleunigungswertes (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) berechnet wird und in welchem die Quadratsumme (23) mit einem dritten Schwellwert (24) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte und vierte Teilschritt (44) solange sequentiell wiederholt werden, bis im vierten Teilschritt (44) die Quadratsumme (23) kleiner als der dritte Schwellwert (24) ist, und/oder dass im vierten Teilschritt (44) die Quadratsumme (23) mit einem vierten Schwellwert (25) verglichen wird, wobei das Verfahren mit dem ersten Verfahrensschritt (10) neu gestartet wird, wenn die Quadratsumme (23) größer als der vierte Schwellwert (25) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Verfahrensschritt (13) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) ein Durchschnittsbeschleunigungswert (6_X, 6_Y, 6_Z) aus den jeweiligen Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) gebildet wird, wobei der ' Summenwert (21) als Summe aus den jeweiligen Durchschnittsbeschleunigungswerten (6_X, 6_Y, 6_Z) für jede der drei Raumrichtungen (X, Y, Z) errechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt (10) ermittelte Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder weitere Beschleunigungswerte (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) für jede Raumrichtung (X, Y, Z) mit zuvor ermittelten Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) verglichen werden, wobei die neu ermittelten Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder weiteren Beschleunigungswerte (1'_X, 1'_Y, 1'_Z), sowie die bereits zuvor ermittelten Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) jeweils gerundet werden und die neu ermittelten Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder weitere Beschleunigungswerte (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) dann verworfen werden, wenn die gerundeten neu ermittelten Beschleunigungswerte (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder weiteren Beschleunigungswerte (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) im Wesentlichen den gerundeten zuvor ermittelten Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) entsprechen und/oder wenn eine bestimmte Anzahl von gerundeten zuvor ermittelten Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) vorhanden ist, welche den gerundeten neu ermittelten Beschleunigungswerten (1_X, 1_Y, 1_Z) und/oder weiteren Beschleunigungswerten (1'_X, 1'_Y, 1'_Z) entsprechen.