DE102014211180A1

DE102014211180A1 - Verfahren und System zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten

Info

Publication number: DE102014211180A1
Application number: DE102014211180.3A
Authority: DE
Inventors: Nico Steinhardt
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015189204A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten, wobei Messwerte von einem Sensorsystem (101, 103, 104, 201, 203, 204) erfasst werden, wobei die Messwerte physikalische Größen beschreiben, wobei die Messwerte mit Fehlerwerten behaftet sind, welche Abweichungen der Messwerte von den beschriebenen physikalischen Größen beschreiben, wobei die Fehlerwerte mittels eines Vergleichs erkannt und/oder kompensiert werden und wobei einen Grenzwert überschreitende Messwerte nicht herangezogen werden, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen und/oder kompensieren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes System sowie eine Verwendung des Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, ein System zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten gemäß Oberbegriff von Anspruch 14 sowie eine Verwendung des Systems.
Alle Messdaten sind prinzipiell fehlerbehaftet und in vielen Fällen ist zudem eine durchgängige Verfügbarkeit der Messdaten nicht gegeben. Neben der Abhängigkeit der Messdaten von sensorinhärenten Eigenschaften sind die Messdaten darüber hinaus oftmals auch von Umgebungsbedingungen abhängig. Sensorfehler bzw. Messfehler lassen sich dabei in quasistationäre, über mehrere Messungen konstante Anteile, wie z.B. einen sog. Offset, und statistische, von Messung zu Messung zufällige Anteile, wie z.B. Rauschen, unterteilen. Während die zufälligen Anteile prinzipiell nicht deterministisch korrigierbar sind, lassen sich quasistationäre Fehler im Allgemeinen bei gegebener Beobachtbarkeit korrigieren. Nicht korrigierbare signifikante Fehler lassen sich bei gegebener Erkennbarkeit üblicherweise zumindest vermeiden.
Im Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang bereits Sensorfusionsverfahren bekannt, welche üblicherweise auch dazu geeignet sind, Messdaten von unterschiedlichen Sensoren bzw. Sensorsystemen zu korrigieren bzw. zu filtern. Insbesondere im Automotive-Bereich sind dabei besondere Anforderungen zu berücksichtigen, da eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren eine gemeinsame Umfeldsituation bzw. einen Kraftfahrzeugzustand mittels unterschiedlicher Messprinzipien erfasst und diese Umfeldsituation bzw. diesen Kraftfahrzeugzustand mittels einer Vielzahl unterschiedlicher Messdaten beschreibt. Für eine im Automotive-Bereich anwendbare Sensorfusion ist somit eine möglichst große Robustheit gegen zufällige Störungen sowie eine Erkennung und Kompensation von systematischen Fehlern gefordert. Ebenso sind zeitliche Einflüsse auf die Messdaten zu korrigieren und temporäre Ausfälle oder die Nichtverfügbarkeit von Sensoren zu überbrücken.
Die DE 10 2012 216 215 A1 beschreibt ein Sensorsystem, welches mehrere Sensorelemente und eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie die Sensorsignale der Sensorelemente zumindest teilweise gemeinsam auswertet. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet, dass den Messdaten physikalischer Größen jeweils eine Zeitinformation zugeordnet wird, welche eine Information über den Zeitpunkt der jeweiligen Messung direkt oder indirekt umfasst, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung diese Zeitinformation zumindest bei der Erzeugung eines Fusionsdatensatzes in einem Fusionsfilter berücksichtigt. Für die Erzeugung des Fusionsdatensatzes werden Messdaten herangezogen, die entweder eine übereinstimmende Zeitinformation aufweisen oder aber – sofern keine Messdaten mit übereinstimmenden Zeitinformationen vorliegen – es wird ein entsprechender Messwert mit der benötigten Zeitinformation mittels Interpolation erstellt. Weiterhin geht das Fusionsfilter davon aus, dass sich Fehlerwerte der Messdaten über eine definierte Zeitspanne nur vernachlässigbar ändern.
Die DE 10 2012 219 478 A1 offenbart ein Sensorsystem zur eigenständigen Bewertung der Integrität seiner Daten. Das Sensorsystem wird bevorzugt in Kraftfahrzeugen verwendet und umfasst mehrere Sensorelemente, die derart ausgebildet sind, dass sie zumindest teilweise unterschiedliche primäre Messgrößen erfassen bzw. zumindest teilweise unterschiedliche Messprinzipien nutzen. Das Sensorsystem umfasst weiterhin eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche die Sensorsignale zumindest teilweise gemeinsam auswertet und gleichzeitig die Informationsqualität der Sensorsignale bewertet. Die Signalverarbeitungseinrichtung stellt außerdem eine Information über die Widerspruchsfreiheit zumindest eines Datums einer physikalischen Größe bereit, wobei das Datum der physikalischen Größe auf Basis der Sensorsignale von Sensorelementen berechnet wird, welche die physikalische Größe entweder direkt erfassen oder aus deren Sensorsignalen die physikalische Größe berechenbar ist. Die Information über die Widerspruchsfreiheit des Datums wird nun auf Basis von direkt oder indirekt redundant vorliegenden Sensorinformationen berechnet.
Aus der DE 10 2010 063 984 A1 ist ein mehrere Sensorelemente umfassendes Sensorsystem bekannt. Die Sensorelemente sind so ausgebildet, dass sie zumindest teilweise unterschiedliche primäre Messgrößen erfassen und zumindest teilweise unterschiedliche Messprinzipien nutzen. Aus der primären Messgröße der Sensorelemente werden dann zumindest teilweise weitere Messgrößen abgeleitet. Weiterhin umfasst das Sensorsystem eine Signalverarbeitungseinrichtung, eine Schnittstelleneinrichtung sowie mehrere Funktionseinrichtungen. Die Sensorelemente sowie sämtliche Funktionseinrichtungen sind dabei mit der Signalverarbeitungseinrichtung verbunden. Die primären Messgrößen liefern also redundante Informationen, die in der Signalverarbeitungseinrichtung miteinander verglichen werden bzw. sich gegenseitig stützen können. Aus dem Vergleich der auf verschiedenem Weg berechneten Observablen können Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Observablen gezogen werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung qualifiziert die Genauigkeit der Observablen und stellt die Observablen zusammen mit einer Genauigkeitsangabe über eine Schnittstelleneinrichtung verschiedenen Funktionseinrichtungen zur Verfügung.
Die im Stand der Technik bekannten, gattungsgemäßen Verfahren und Sensorsysteme sind jedoch insofern nachteilbehaftet, als dass sie langsam anwachsende Fehler bestimmter Sensorsysteme, wie z.B. globaler Navigationssatellitensysteme, nicht oder nur unter vergleichsweise großem Aufwand mittels rechenaufwändiger Algorithmen, wie etwa dem sog. Multiple Model Adaptive Estimation (MMAE)–Algorithmus, als solche erkennen. Das Nicht-Erkennen dieser langsam anwachsenden Fehler führt jedoch zwangsläufig zu entsprechenden Abweichungen bzw. Störungen in den Funktionen, welche die Sensordaten nutzen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erkennung bzw. Kompensation von Fehlerwerten vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten, wobei Messwerte von einem Sensorsystem erfasst werden, wobei die Messwerte physikalische Größen beschreiben, wobei die Messwerte mit Fehlerwerten behaftet sind, welche Abweichungen der Messwerte von den beschriebenen physikalischen Größen beschreiben, wobei die Fehlerwerte mittels eines Vergleichs erkannt und/oder kompensiert werden und wobei einen Grenzwert überschreitende Messwerte nicht herangezogen werden, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen und/oder kompensieren.
Die Erfindung bietet daher den Vorteil, dass – insbesondere bei einem Sensordatenfusionssystem bzw. bei einer Sensordatenfusion – gemäß dem Stand der Technik nur schwer oder überhaupt nicht detektierbare Fehlerarten einerseits erkannt werden und andererseits nicht herangezogen werden, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen bzw. zu kompensieren. Bei den genannten Fehlerarten handelt es sich zum Einen um sog. „schleichende Fehler“, wobei zwei unterschiedliche Arten von schleichenden Fehlern unterschieden werden müssen:

1. Schleichenden Fehler, die über ein Systemmodell berechenbar und kompensierbar sind, z.B. Offsetfehler, Skalenfaktorfehler (insbesondere eines Trägheitsnavigationssystems) und Reifenhalbmesserfehler. Diese Fehler haben (wenn sie beobachtbar sind) nahezu keinen Einfluss auf einen Fusionsdatensatz, sondern sind vielmehr nur ein Hinweis darauf, dass die entsprechenden Messwerte weder zur Erkennung noch zur Korrektur andere Messwerte geeignet sind.
2. Schleichenden Fehler, die nicht kompensierbar sind und damit direkt einen vergleichsweise erheblichen negativen Einfluss auf einen Fusionsdatensatz haben, z.B. Ionosphäreneinflüsse bei sog. Pseudorangemessungen eines Satellitennavigationssystems.

Bei der zweiten der genannten Fehlerarten handelt es sich um sog. „gleichzeitige Fehler“. Gleichzeitige Fehler sind bei der Verwendung z.B. eines Satellitennavigationssystems und eines Odometrienavigationssystems in einem Kraftfahrzeug nahezu unvermeidbar, da stets mehrere gleichzeitige Fehler durch Mehrwegeausbreitung von Satellitennavigationssignalen oder Störungen der Odometrie durch unebenen Untergrund regelmäßig zu erwarten sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass mehrere solche Fehler gleichzeitig so auftreten und dass ihre Auswirkungen dabei konsistent zueinander sind, ist vergleichsweise gering, so dass dieser Fall in der realen Nutzung vernachlässigbar ist. Damit ist diese Fehlerart durch eine herkömmliche Plausibilisierung detektierbar. Da die Plausibilisierung solche fehlerbehafteten Messungen verwirft, werden diese nicht mehr für die an sich bekannte Integritätsbewertung verwendet. Lediglich der Fall von Fehldetektionen durch zu wenige überprüfbare redundante Messungen wird durch die Plausibilisierung nicht abgedeckt, was jedoch nicht im Widerspruch mit der dem Integritätsmaß zugrunde liegenden Annahme eines einzelnen Fehlers pro Messepoche steht.
Der Grenzwert kann z.B. den Spezifikationen bzw. einem Datenblatt des Sensorsystems entnommen werden.
Die Messwerte beschreiben die physikalischen Größen, indem sie Werte der physikalischen Größen darstellen.
Fehlerbehafteten Messwerte, welche die Fehlerschranke überschreiten, werden bevorzugt verworfen.
Indem die solcherart erkannten Fehlerwerte bzw. mit den Grenzwert überschreitenden Fehlerwerten behaftete Messwerte nicht zur Erkennung bzw. Korrektur anderer Messwerte herangezogen werden, wird vorteilhaft verhindert, dass Fehlerkennungen und Fehlkorrekturen an im Wesentlichen fehlerfreien Messwerten erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Vergleich ein Vergleich mit Messwerten mindestens eines weiteren Sensorsystems ist, wobei die Messwerte und die Messwerte des mindestens einen weiteren Sensorsystems direkt oder indirekt identische physikalische Größen beschreiben und wobei durch den Vergleich erkannte Fehlerwerte mittels Inkrementen kontinuierlich kompensiert werden. Damit ermöglicht die Erfindung die Verwendung von sog. AIME (Autonomous Integrity Monitoring by Extrapolation) und RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring)-Algorithmen zur Fehlererkennung und Fehlerkompensation.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Schwäche von RAIM und AIME ist die Nichtdetektierbarkeit von schleichenden Fehlern. In der gängigen Praxis werden diese Algorithmen daher nur eingeschränkt verwendet, stattdessen werden bezüglich Rechenzeit und Speicherbedarf aufwendige Verfahren wie beispielsweise der MMAE-Algorithmus eingesetzt. Ein Nachteil dieser Methoden ist dabei jedoch, dass nur modellierte Fehler zuverlässig erkannt werden. Ein typischer Fall von schleichenden Fehlern ist beispielsweise die durch Änderungen in der Ionosphäre verursachte, zeitlich veränderliche Störung in einer Pseudorange-Messung. Diese findet hinreichend langsam statt, so dass die Schätzposition des Fusionsfilters entsprechend falsch korrigiert wird, die Größe der Abweichung von einer Messepoche zur nächsten jedoch nicht ausreicht, um mit einem sog. Snapshot-Verfahren einen Fehler zu detektieren. Im Fall des Fusionsfilters sind für die verwendeten Sensoren in folgenden Fällen schleichende Fehler zu erwarten:

• Trägheitsnavigationssystem: Durch Defekte oder äußere Einflüsse, wie bspw. die Umgebungstemperatur, bedingte Drift von Offset oder Skalenfaktorfehler.
• Satellitennavigationssystem: Pseudorange-Messungen durch Ionosphäreneinfluss und Mehrwegeempfang, Deltarange-Messungen sind dagegen durch die zeitliche Differentiation der Messwerte nicht betroffen.
• Odometrienavigationssystem: Langsam veränderliche Fehler der gemessenen Geschwindigkeit durch Veränderungen des Rollradius, beispielsweise durch schleichenden Druckverlust oder Veränderung der Reifentemperatur.

Die potentiell von schleichenden Fehlern betroffenen Größen eines Trägheitsnavigationssystem und eines Odometrienavigationssystems sind in der Regel bereits als Fehlermodell im Fusionsfilter implementiert, und in jeder Messepoche werden bevorzugt die Rohmessungen um die bekannten, kontinuierlich weitergeschätzten Fehler korrigiert. Somit führt das langsame Anwachsen dieser Fehler nicht zu signifikanten Fehlern der fusionierten Daten, solange das Fusionsfilter diese hinreichend schnell durch redundante Messungen korrigiert. Problematische, da erheblich über die Filterdynamik hinausgehende Störungen der betroffenen Messdaten sind dagegen mit definierter Detektionswahrscheinlichkeit und -schwelle sowohl durch die eine Plausibilisierung vermeidbar als auch durch den in sog. NIS-Test erkennbar. Weiterhin ist durch die Überprüfung der summierten Absolutwerte der Fehlerkorrekturen mit definierten Maximalwerten eine Detektion von Messwerten außerhalb ihres spezifizierten Fehlerbereichs realisierbar.
Schleichende Fehler einzelner Pseudorange-Messungen, die nicht als Fehler im Fusionsfilter modelliert sind, führen unabhängig vom Fusionsfilter zu Widersprüchen im von der o.g. Plausibilisierung durchgeführten geometrischen Vergleich von Pseudoranges untereinander, und sind daher mit definierter Detektionsschwelle erkennbar.
Die indirekt beschriebenen physikalische Größen werden dabei bevorzugt aus den sie beschreibenden Messwerten und aus bekannten physikalischen bzw. mathematischen Zusammenhängen berechnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass für den Vergleich der Messwerte nur Messwerte mit identischem Zeitstempel herangezogen werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass – zumindest bei fehlerfreier Messung – alle dem Vergleich unterworfenen Werte übereinstimmen, da sie dieselbe physikalische Größe zum selben Zeitpunkt beschreiben. Dies vereinfacht das Erkennen von fehlerhaften Werten, da die Ursache einer Nicht-Übereinstimmung in diesem Fall zwangsläufig ein fehlerhafter Wert sein muss.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die dem Vergleich unterworfenen Werte mittels Interpolation erzeugt werden, falls keine mit einem identischen Zeitstempel erfassten Werte vorliegen. Da die Messdaten aufgrund unterschiedlicher Signalausgabeverzögerungen und im Allgemeinen aufgrund fehlender Synchronisation der Sensorsysteme untereinander üblicherweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden oder zumindest zu unterschiedlichen Zeitpunkten von den Sensorsystemen ausgegeben werden, können mittels der Interpolation die benötigten Werte berechnet werden. Bevorzugt werden dabei Messdaten bzw. Werte des Sensorsystems mit der geringsten Signalausgabeverzögerung mittels Interpolation erzeugt, d.h. also, dass diese Messdaten bzw. Werte in Abhängigkeit der Erfassungszeitpunkte der Messdaten bzw. Werte der anderen Sensorsysteme erzeugt werden. Zweckmäßigerweise werden für die Erzeugung eines Werts mittels Interpolation die beiden dem zu erzeugenden Wert zeitlich am nahesten liegenden und diesen einschließenden Werte des Sensorsystems mit der geringsten Signalausgabeverzögerung herangezogen. Der mittels Interpolation erzeugte Wert wird dann wie beschrieben dem Vergleich unterworfen. Das Sensorsystem mit der geringsten Signalausgabeverzögerung ist dabei ganz besonders bevorzugt das Basissensorsystem.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass Änderungen der Werte für die Interpolation als proportional zur Zeit angenommen werden. Somit erfolgt also eine lineare Interpolation. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Interpolation vergleichsweise einfach und entsprechend mit nur geringem Rechenaufwand ausführbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Vergleich ein Vergleich von Messwerten ein und desselben Sensorsystems untereinander unter Berücksichtigung eines sensorspezifischen stochastischen Modells ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass vorhandene Redundanzen unter Einbeziehung des sensorspezifischen stochastischen Modells weitestgehend optimal ausgenutzt werden können. Das sensorspezifische stochastische Modell dient dazu, die Messwerte aus der Vergangenheit mit den aktuellen Messwerten zu vergleichen. Sofern hier z.B. eine unerwartet große Abweichung erkannt wird bzw. ein Grenzwert überschritten wird, kann der entsprechende Messwert als fehlerhaft erkannt werden bzw. nicht zur Erkennung und Korrektur von Fehlerwerten anderer Messwerte herangezogen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass für den Vergleich unter Berücksichtigung des sensorspezifischen stochastischen Modells nur Messwerte herangezogen werden, die unterschiedliche Zeitstempel aufweisen. Somit können die aktuellen Messwerte vergleichsweise einfach gegen einen Grenzwert verglichen werden, der aus den Messwerten der Vergangenheit gebildet wurde. Ein derartiges Vorgehen ist auch als sog. Snapshot-Verfahren bekannt. Beim Snapshot-Verfahren handelt es sich im Wesentlichen um den bekannten NIS-Test, jedoch ohne die Berücksichtigung von Kovarianzen. Somit ist das Snapshot-Verfahren vergleichsweise weniger rechenzeitaufwändig und begünstigt eine echtzeitfähige Erkennung von Fehlerwerten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass davon ausgegangen wird, dass nach Ausführung des Vergleichs der Messwerte ein und desselben Sensorsystems untereinander pro Erfassungszyklus maximal noch ein einziger Messwert den Grenzwert überschreitet. Dies begünstigt die Verwendung der bereits genannten AIME- und RAIM-Algorithmen noch weiter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Sensorsystem und das mindestens eine weitere Sensorsystem ein Trägheitsnavigationssystem, ein globales Satellitennavigationssystem und/oder ein Odometrienavigationssystem sind. Damit ist die vorliegende Erfindung insbesondere zu Navigationszwecken und für Navigationssysteme, bevorzugt in Kraftfahrzeugen, geeignet. Die Sensorsysteme bestimmen somit also die Position, insbesondere die Position eines Kraftfahrzeugs, aus den Ausgabedaten. Bei dem globalen Satellitennavigationssystem kann es sich beispielsweise um ein sog. GPS-Navigationssystem handeln. Das Odometrienavigationssystem bestimmt zunächst die Geschwindigkeit z.B. über den bekannten Abrollumfang der Kraftfahrzeugreifen und ermöglicht somit eine Positionsbestimmung unter Berücksichtigung des Lenkwinkels im Rahmen einer Koppelnavigation. Besonders zweckmäßig ist es, dass das Satellitennavigationssystem mindestens zwei Satellitensignalempfänger umfasst. Dadurch verbessert sie die Qualität der erfassten Satellitensignale und somit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Satellitennavigationssystems.
Außerdem ist es insbesondere bevorzugt, dass das Trägheitsnavigationssystem das Sensorbasissystem ist. Das Trägheitsnavigationssystem als Sensorbasissystem bietet den Vorteil, dass es die vergleichsweise höchste Verfügbarkeit aufweist, da es eine vergleichsweise hohe Ausgaberate der erfassten Eingangsdaten aufweist und zudem weitgehend unabhängig von äußeren Störeinflüssen arbeitet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Grenzwert des Trägheitsnavigationssystems ein Grenzwert für Nullpunktfehler und/oder Skalenfaktorfehler ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Grenzwert des Satellitennavigationssystems ein Grenzwert für Frequenzfehler einer Oszillationsfrequenz eines Empfängeruhroszillators ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Grenzwert des Odometrienavigationssystems ein Grenzwert für Radiusfehler eines Abrollradius von Fahrzeugrädern ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die durch den Vergleich erkannten Fehlerwerte mittels eines Error-State-Space-Filters, insbesondere mittels eines Error-State-Space-Kalman-Filters, erkannt und/oder kompensiert werden. Das Error-State-Space-Filter stellt dabei ein Fusionsfilter zur Fusion der Ausgabedaten bzw. Navigationsinformationen dar, insbesondere zur Fusion von normalverteilten Ausgabedaten bzw. Navigationsinformationen. Gleichzeitig schätzt bzw. bestimmt das Error-State-Space-Filter bevorzugt die Fehlerwerte zumindest des Sensorbasissystems. Mittels des mindestens einen Korrektursystems können dann die Fehlerwerte und ggf. auch unbekannte Größen des Trägheitsnavigationssystems geschätzt bzw. bestimmt werden. Eine Besonderheit des Error-State-Space-Filters ist es also, dass anstelle der Sensorsignale bzw. der Eingangsdaten lediglich Fehlerwerte inkrementell geschätzt bzw. bestimmt werden und anschließend korrigiert werden. Die Fehlerwerte haben nämlich eine signifikant niedrigere zeitliche Dynamik als die Ausgabedaten selbst, wodurch eine weitgehende Entkopplung der Dynamik des Error-State-Space-Filters von den Eigenschaften des Sensorbasissystems bzw. des mindestens einen Korrektursystems erreicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte Navigationsinformationen darstellen. Dies ermöglicht die Verwendung der Erfindung zu Navigationszwecken, insbesondere für zukünftige Anwendungen in Kraftfahrzeugen, welche eine höchstgenaue Lokalisationsfähigkeit benötigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden. Ein gemeinsamer Fusionsdatensatz ist gegenüber den einzelnen Messwerten in der Regel zuverlässiger und präziser und insbesondere erlaubt er mittels einer Fehlerschätzung eine vergleichsweise zuverlässige Bewertung der Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit der fusionierten Messwerte bzw. physikalischen Größen.
Ein Fusionsfilter, welches den Fusionsdatensatz erzeugt, korrigiert dabei diejenigen Fehlerwerte bzw. Fehlerwerte, die dem stochastischen Modell des Filters im Rahmen vorgegebener Toleranzen entsprechen. Messwerte, deren Fehlerwerte hingegen außerhalb des Modells liegen, werden bevorzugt verworfen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten, umfassend ein Sensorbasissystem, mindestens ein weiteres Sensorsystem und ein Fusionsfilter, wobei das Sensorbasissystem und das mindestens eine weitere Sensorsystem dazu ausgebildet sind, Messwerte zu erfassen, wobei die Messwerte physikalische Größen beschreiben, wobei die Messwerte mit Fehlerwerten behaftet sind, welche Abweichungen der Messwerte von den beschriebenen physikalischen Größen beschreiben, wobei das System dazu ausgebildet ist, Fehlerwerte mittels eines Vergleichs zu erkennen und/oder zu kompensieren und wobei das Fusionsfilter dazu ausgebildet ist, einen Grenzwert überschreitende Messwerte nicht dazu heranzuziehen, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen und/oder kompensieren. Das erfindungsgemäße System umfasst somit alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Vorrichtungen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das System dazu ausgebildet ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem Kraftfahrzeug.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 beispielhaft eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches zur Positionsbestimmung ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug und
2 beispielhaft eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches ebenfalls zur Positionsbestimmung ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems, das zur Anordnung und Verwendung in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Das dargestellte System ist beispielsgemäß zur verbesserten Erkennung bzw. Kompensation von Fehlerwerten ausgebildet und eignet sich zur Positionsbestimmung des Kraftfahrzeugs. Dabei sind alle vom System umfassten Elemente bzw. Bestandteile bzw. Sensorsysteme als Funktionsblöcke veranschaulicht und deren Zusammenwirken untereinander dargestellt.
Das Navigationssystem umfasst Trägheitsnavigationssystem 101, das so ausgebildet ist, dass es zumindest die Beschleunigungen entlang einer ersten, einer zweiten und einer dritten Achse sowie wenigstens die Drehraten um die erste, um die zweite und um die dritte Achse erfassen kann. Die erste Achse entspricht dabei beispielsgemäß der Längsachse des Kraftfahrzeugs, die zweite Achse entspricht der Querachse des Kraftfahrzeugs und die dritte Achse entspricht der Hochachse des Kraftfahrzeugs. Diese drei Achsen bilden ein kartesisches Koordinatensystem, das sog. Kraftfahrzeugkoordinatensystem.
Trägheitsnavigationssystem 101 bildet beispielsgemäß das sog. Sensorbasissystem, dessen Messwerte mittels der im Folgenden beschriebenen weiteren Sensorsysteme, der sog. Korrektursysteme, korrigiert werden. Die Korrektursysteme sind dabei Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystems 104.
Das erfindungsgemäße System weist weiterhin eine sog. Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 auf, in welcher ein sog. Strapdown-Algorithmus durchgeführt wird, mittels dessen die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101 u.a. in Positionsdaten umgerechnet werden. Dazu werden die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101, welche naturgemäß Beschleunigungen beschreiben, zweimal über die Zeit integriert. Mittels einer Einfachintegration über die Zeit werden weiterhin die Ausrichtung und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs bestimmt. Außerdem kompensiert Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 eine auf Trägheitsnavigationssystem 101 wirkende Corioliskraft.
Die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 umfassen folglich die folgenden physikalischen Größen: die Geschwindigkeit, die Beschleunigung sowie die Drehrate des Kraftfahrzeugs, beispielsgemäß bezüglich der genannten drei Achsen des Kraftfahrzeugkoordinatensystems und beispielsgemäß zusätzlich jeweils bezogen auf ein Weltkoordinatensystem, das zur Beschreibung der Ausrichtung bzw. von dynamischen Größen des Kraftfahrzeugs auf der Welt geeignet ist. Beispielsgemäß handelt es sich bei dem genannten Weltkoordinatensystem um ein GPS-Koordinatensystem. Außerdem umfassen die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 die Position bezüglich des Kraftfahrzeugkoordinatensystems und die Ausrichtung hinsichtlich des Weltkoordinatensystems. Zusätzlich weisen die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 die Varianzen als Information über die Datenqualität der oben genannten Navigationsinformationen auf. Diese Varianzen werden beispielgemäß nicht in Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 berechnet, sondern nur von dieser verwendet und weitergeleitet. Die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 berechneten o.g. Navigationsinformationen werden über Ausgabemodul 112 ausgegeben und anderen Kraftfahrzeugsystemen zur Verfügung gestellt.
Das erfindungsgemäße System umfasst außerdem Odometrienavigationssystem 103 in Form von Raddrehzahlsensoren für jedes Rad des Kraftahrzeugs. Beispielgemäß handelt es sich um ein vierrädriges Kraftfahrzeug mit vier Raddrehzahlsensoren, die jeweils die Drehzahl des ihnen zugeordneten Rads sowie dessen Drehrichtung erfassen. Weiterhin umfasst Odometrienavigationssystem 103 ein Lenkwinkelsensorelement, das den Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs erfasst.
Darüber hinaus weist das beispielhaft dargestellte System Satellitennavigationssystem 104 auf, welches so ausgebildet ist, dass es die Entfernung jeweils zwischen einem zugeordneten Satelliten und dem Kraftahrzeug sowie die Geschwindigkeit jeweils zwischen dem zugeordneten Satelliten und dem Kraftfahrzeug bestimmt.
Das System umfasst außerdem Fusionsfilter 105. Fusionsfilter 105 stellt im Zuge der gemeinsamen Auswertung der Messwerte von Odometrienavigationssystem 103, von Satellitennavigationssystems 104 und von Trägheitsnavigationssystem 101 einen Fusionsdatensatz 106 bereit. Fusionsdatensatz 106 weist die erfassten Messwerte der unterschiedlichen Sensorsysteme auf, wobei Fusionsdatensatz 106 beispielsgemäß zusätzlich Fehlerwerte und den Fehlerwerten zugeordnete Varianzen, welche die Datenqualität beschreiben, umfasst.
Die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101 werden während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in einem hierfür vorgesehenen elektronischen Datenspeicher 113 von Fusionsfilter 105 für einen vorgegebenen Zeitraum gespeichert. Trägheitsnavigationssystems 101 stellt dabei das sog. Sensorbasissystem dar, während Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystem 104 die sog. Korrektursysteme darstellen, deren Messwerte zur Korrektur der Messwerte des Sensorbasissystems herangezogen werden. Somit ist sichergestellt, dass stets Messwerte, die zumindest scheinbar zu einem identischen Zeitpunkt erfasst wurden, dem Vergleich unterworfen werden können.
Von Fusionsfilter 105 bereitgestellter Fusionsdatensatz 106 umfasst beispielsgemäß die mittels der plausibilisierten Ausgabedaten der Korrektursysteme bestimmten quantitativen Fehler des Sensorbasissystems.
Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 korrigiert nun mittels Fusionsdatensatz 106 die Messwerte des Sensorbasissystems.
Fusionsdatensatz 106 wird von Fusionsfilter 105 aus den Messwerte von Odometrienavigationssystem 103, Satellitennavigationssystems 104 und Trägheitsnavigationssystem 101 berechnet.
Fusionsfilter 105 ist beispielsgemäß als Error-State-Space-Kalman Filter ausgebildet ist, also als Kalman-Filter, das insbesondere eine Linearisierung der Messwerte ausführt und in welchem die quantitativen Fehlerwerte der Messwerte berechnet bzw. geschätzt werden und welches sequentiell arbeitet und dabei die in dem jeweiligen Funktionsschritt der Sequenz verfügbaren Ausgabedaten korrigiert.
Fusionsfilter 105 ist so ausgebildet, dass es stets asynchron die aktuellsten von Trägheitsnavigationssystem 101, Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystem 104 verfügbaren Messwerte erfasst. Beispielsgemäß werden die Messwerte dabei über Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 und Ausrichtungsmodelleinheit 109 geführt.
Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 ist so ausgebildet, dass sie aus den Messwerte von Odometrienavigationssystem 103 zumindest die Geschwindigkeit entlang einer ersten Achse, die Geschwindigkeit entlang einer zweiten Achse sowie die Drehrate um eine dritte Achse berechnet und diese Fusionsfilter 105 bereitstellt.
Das beispielsgemäße System umfasst außerdem Reifenparameterschätzungseinheit 110, welche so ausgebildet ist, dass sie zumindest den Halbmesser, beispielgemäß den dynamischen Halbmesser, aller Räder berechnet und zusätzlich die Schräglaufsteifigkeit und die Schlupfsteifigkeit aller Räder berechnet und diese Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 als zusätzliche Eingangsgrößen bereitstellt. Reifenparameterschätzungseinheit 110 ist weiterhin so ausgebildet, dass sie ein im Wesentlichen lineares Reifenmodell zur Berechnung der Reifengrößen verwendet.
Die beispielgemäßen Eingangsgrößen von Reifenparameterschätzungseinheit 110 sind dabei die Raddrehzahlen und den Lenkwinkel beschreibende Eingangsdaten, zumindest teilweise die Ausgangswerte von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 sowie die von Fusionsfilter 105 bestimmten Varianzen.
Das beispielsgemäße System umfasst außerdem GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111, welche so ausgebildet ist, dass sie beispielsgemäß als Eingangsdaten die Ausgabedaten von Satellitennavigationssystem 104 sowie zumindest teilweise Ausgabedaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 erhält und in ihren Berechnungen berücksichtigt.
GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 prüft die Ausgabedaten gegen ein an Satellitennavigationssystem 104 angepasstes stochastisches Modell. Sofern die Messwerte im Rahmen einer dem Rauschen Rechnung tragenden Toleranz dem Modell entsprechen, werden sie plausibilisiert.
Dabei ist GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 zusätzlich mit Fusionsfilter 105 auf Datenebene verbunden und übermittelt die plausibilisierten Messwerte an Fusionsfilter 105.
GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 ist beispielhaft so ausgebildet, dass sie ein Verfahren zum Auswählen eines Satelliten u.a. mittels der folgenden Verfahrensschritte durchführt:

– Messen von Positionsdaten des Kraftfahrzeugs gegenüber dem Satelliten basierend auf den Sensorsignalen von Satellitennavigationssystems 104,
– Bestimmen von zu den basierend auf den Sensorsignalen von Satellitennavigationssystems 104 bestimmten Positionsdaten redundanten Referenzpositionsdaten des Kraftfahrzeugs,
– Auswählen des Satelliten, wenn eine Gegenüberstellung der Positionsdaten und der Referenzpositionsdaten einer vorbestimmten Bedingung genügt,
– wobei zur Gegenüberstellung der Positionsdaten und der Referenzpositionsdaten eine Differenz zwischen den Positionsdaten und den Referenzpositionsdaten gebildet wird,
– wobei die vorbestimmte Bedingung eine maximal zulässige Abweichung der Positionsdaten von den Referenzpositionsdaten ist,
– wobei die maximal zulässige Abweichung von einer Standardabweichung abhängig ist, die basierend auf einer Summe aus einer Referenzvarianz für die Referenzpositionsdaten und einer Messvarianz für die Positionsdaten berechnet wird und
– wobei die maximal zulässige Abweichung einem Vielfachen der Standardabweichung derart entspricht, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die Positionsdaten in ein von der Standardabweichung abhängiges Streuintervall fallen, einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.

Das beispielsgemäße System weist außerdem Stillstandserkennungseinheit 108 auf, welche so ausgebildet ist, dass sie einen Stillstand des Kraftfahrzeugs erkennen kann und im Falle eines erkannten Stillstands des Kraftfahrzeugs zumindest Fusionsfilter 105 Informationen aus einem Stillstandsmodell bereitstellt. Die Informationen aus einem Stillstandsmodell beschreiben dabei, dass die Drehraten um alle drei Achsen den Wert Null aufweisen und die Geschwindigkeiten entlang aller drei Achsen den Wert Null aufweisen. Stillstandserkennungseinheit 108 ist dabei beispielgemäß so ausgebildet, dass sie als Eingangsdaten die Messwerte der Raddrehzahlsensoren von Odometrienavigationssystem 103 sowie die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101 nutzt.
Das beispielsgemäße System verwendet beispielgemäß eine erste Gruppe von Messwerte, die sich auf ein Kraftfahrzeugkoordinatensystem beziehen und zusätzlich eine zweite Gruppe von Messwerte, die sich auf ein Weltkoordinatensystem beziehen, wobei das Weltkoordinatensystem zur Beschreibung der Ausrichtung und von dynamischen Größen des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Mittels Ausrichtungsmodelleinheit 109 wird ein Ausrichtungswinkel zwischen dem Kraftfahrzeugkoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem bestimmt.
Der von Ausrichtungsmodelleinheit 109 bestimmte Ausrichtungswinkel zwischen dem Kraftfahrzeugkoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem wird dabei bestimmt auf Basis folgender physikalischer Größen:

– der vektoriellen Geschwindigkeit bezüglich des Weltkoordinatensystems,
– der vektoriellen Geschwindigkeit bezüglich des Kraftfahrzeugkoordinatensystems,
– des Lenkwinkels und
– der jeweiligen quantitativen Fehler der die genannten Größen beschreibenden Ausgabedaten.

Ausrichtungsmodelleinheit 109 greift dabei auf sämtliche der Ausgabedaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 zurück.
Ausrichtungsmodelleinheit 109 ist beispielgemäß so ausgebildet, dass sie zusätzlich zu dem Ausrichtungswinkel noch eine Information über die Datenqualität des Ausrichtungswinkels in Form einer Varianz berechnet und Fusionsfilter 105 bereitstellt.
Fusionsfilter 105 verwendet den Ausrichtungswinkel und die Varianz des Ausrichtungswinkels bei seinen Berechnungen, deren Ergebnisse er über Fusionsdatensatz 106 an Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 weiterleitet.
Fusionsfilter 105 erfasst also die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101, dem Sensorbasissystem, sowie von Odometrienavigationssystem 103 und von Satellitennavigationssystem 104, den Korrektursystemen.
Da ein Erkennen von Sensorfehlern, die ein Verlassen der Spezifikation bedeuten, mit den üblicherweise angebrachten Inkrementen nicht möglich ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren angewandt. Dies bedeutet, das Messwerte, für die ein Grenzwert bekannt ist, zur Detektion von Fehlern der Sensorsysteme verwendet werden. Hierfür ist die absolute Größe, in der die von Fusionsfilter 105 ausgegebenen Korrekturen aufsummiert werden, gegen eine Grenzwert zu überprüfen. Insbesondere schleichende Fehler, deren Dynamik unterhalb der Dynamik von Fusionsfilter 105 liegt und die somit ergebnisseitig von Fusionsfilter 105 ausgeglichen werden, sind hiermit detektierbar.
Insbesondere Fehler von Trägheitsnavigationssystem 101 sind somit durch einen Vergleich mit bekannten, im Datenblatt spezifizierten Absolutfehlern mit den maximalen, laut Spezifikation von Trägheitsnavigationssystem 101 zulässigen Werten für Nullpunkt- und Skalenfaktorfehler detektierbar.
Fehler von Satellitennavigationssystem 104 sind durch die Überprüfung des summierten Empfängeruhrfehlers detektierbar. Die Drift des Empfängeruhrfehlers ermöglicht insbesondere die Überprüfung des Frequenzfehlers des Empfängeruhr-Oszillators auf Einhaltung der Spezifikation.
Über die summierten Korrekturen der Radrollradien sind durch einen Vergleich mit den Sollwerten sowohl Fehler und Defekte der Reifen und Sensorsystme als auch Sondersituationen wie beispielsweise die Montage eines Notrades detektierbar.
2 zeigt beispielhaft eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches Verfahren zur verbesserten Erkennung bzw. Kompensation von Fehlerwerten ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt). Das System umfasst beispielsgemäß Trägheitsnavigationssystem 201, Satellitennavigationssystem 204 und Odometrienavigationssystem 203 als unterschiedliche Sensorsysteme. Trägheitsnavigationssystem 201, Satellitennavigationssystem 204 und Odometrienavigationssystem 203 geben Messwerte, die direkt bzw. indirekt physikalische Größen, nämlich eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Ausrichtung, eine Gierrate bzw. eine Gierbeschleunigung beschreiben, an Fusionsfilter 205 aus. Die Ausgabe der Messwerte erfolgt dabei über einen Fahrzeugdatenbus, beispielsgemäß über einen sog. CAN-Bus. Beispielsgemäß gibt Satellitennavigationssystem 204 seine Messwerte in Rohdatenform an aus.
Als zentrales Element bei einer Positionsbestimmung des Kraftfahrzeugs wird Trägheitsnavigationssystem 201, bei dem es sich um eine sog. MEMS-IMU (Micro-Electro-Mechanical-System-Inertial Measurement Unit) handelt in Kombination mit Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 verwendet, da dieses als fehlerfrei angenommen wird, d.h., es wird angenommen, dass die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 201 stets ihrem stochastischen Modell entsprechen, dass sie lediglich Rauscheinflüsse aufweisen und somit frei von äußeren bzw. zufälligen Fehlern bzw. Störungen sind. Das Rauschen sowie verbleibende, nicht modellierte Fehler von Trägheitsnavigationssystem 201, wie z.B. Nichtlinearität, werden dabei über den Messbereich als mittelwertfrei, stationär und normalverteilt (sog. Gaußsches Weißes Rauschen) angenommen.
Trägheitsnavigationssystem 201 umfasst drei zueinander jeweils orthogonal erfassende Drehratensensoren und drei zueinander jeweils orthogonal erfassende Beschleunigungssensoren.
Satellitennavigationssystem 204 umfasst einen GPS-Empfänger, welcher über die Satellitensignallaufzeit zunächst Entfernungsmessungen zu den empfangbaren GPS-Satelliten vornimmt und außerdem aus der Änderung der Satellitensignallaufzeit sowie zusätzlich aus der Änderung der Anzahl der Wellenlängen der Satellitensignale eine vom Kraftfahrzeug zurückgelegte Wegstrecke bestimmt. Odometrienavigationssystem 203 umfasst jeweils einen Raddrehzahlsensor an jedem Rad des Kraftfahrzeugs sowie einen Lenwinkelsensor. Die Raddrehzahlsensoren bestimmen jeweils die Raddrehgschwindigkeit des ihnen zugeordneten Rads und der Lenkwinkelsensor bestimmt den eingeschlagenen Lenkwinkel.
Trägheitsnavigationssystem 201 gibt seine Messwerte an Vorverarbeitungseinheit 206 von Trägheitsnavigationssystem 201 aus. Vorverarbeitungseinheit 206 korrigiert nun die Messwerte bzw. die darin beschriebenen physikalischen Größen mittels Korrekturen, die Vorverarbeitungseinheit 206 von Fusionsfilter 205 erhält. Die solcherart korrigierten Messwerte bzw. die darin beschriebenen physikalischen Größen werden weitergeführt an Strapdown-Algorithmus-Einheit 207.
Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 nimmt anhand der korrigierten Messwerte bzw. der physikalischen Größen von Vorverarbeitungseinheit 206 nun eine Positionsbestimmung vor. Diese Positionsbestimmung ist dabei eine sog. Koppelnavigation auf Basis von Trägheitsnavigationssystem 201. Dazu werden die von Vorverarbeitungseinheit 206 ausgegebenen korrigierten Messwerte bzw. der physikalischen Größen fortlaufend über die Zeit aufintegriert bzw. aufaddiert. Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 kompensiert weiterhin eine auf Trägheitsnavigationssystem 201 wirkende Corioliskraft, welche sich auf die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 201 auswirken kann. Zur Positionsbestimmung führt Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 eine zweifache Integration der von Trägheitsnavigationssystem 201 erfassten Eingangsdaten, welche Beschleunigungen beschreiben, über die Zeit durch. Dies ermöglicht eine Fortschreibung einer zuvor bekannten Position sowie eine Fortschreibung einer zuvor bekannten Ausrichtung des Kraftfahrzeugs. Zur Bestimmung einer Geschwindigkeit bzw. einer Drehrate des Kraftfahrzeugs führt Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 eine einfache Integration der von Trägheitsnavigationssystem 201 erfassten Eingangsdaten über die Zeit durch. Weiterhin korrigiert Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 auch die bestimmte Position mittels entsprechender Korrekturwerte von Fusionsfilter 205. Fusionsfilter 205 führt in diesem Beispiel die Korrektur also nur mittelbar über Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 aus. Die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bestimmten und korrigierten Messwerte bzw. der physikalischen Größen, also die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Ausrichtung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs werden nun an Ausgabemodul 212 und an Fusionsfilter 205 geführt.
Der von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 ausgeführte sog. Strapdown-Algorithmus ist dabei rechnerisch nur wenig komplex und lässt sich daher als echtzeitfähiges Sensorbasissystem realisieren. Er stellt einen Verfahrensablauf zur Integration der Eingangsdaten von Trägheitsnavigationssystem 201 zu Geschwindigkeit, Ausrichtung und Position dar und beinhaltet keine Filterung, so dass sich eine annähernd konstante Latenzzeit und Gruppenlaufzeit ergibt.
Der Begriff Sensorbasissystem beschreibt dabei dasjenige Sensorsystem, dessen Messwerte bzw. physikalische Größen mittels der Messwerte bzw. der physikalischen Größen der anderen Sensorsysteme, der sog. Korrektursysteme, korrigiert werden. Beispielsgemäß handelt es sich, wie bereits ausgeführt, bei den Korrektursystemen um Odometrienavigationssystem 203 und um Satellitennavigationssystem 204.
Trägheitsnavigationssystem 201, Vorverarbeitungseinheit 206 von Trägheitsnavigationssystem 201 und Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bilden beispielsgemäß zusammen das sog. Sensorbasissystem, zu welchem zusätzlich anteilig auch Fusionsfilter 205 gezählt wird.
Ausgabemodul 212 gibt die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bestimmten und korrigierten Messwerte bzw. physikalischen Größen an beliebige weitere Systeme des Kraftfahrzeugs weiter.
Die von Satellitennavigationssystem 204 erfassten Messwerte werden beispielsgemäß in Form von Sensorsignalen über eine sog. UART-Datenverbindung zunächst an Vorverarbeitungseinheit 208 von Satellitennavigationssystem 204 weitergeführt. Vorverarbeitungseinheit 208 bestimmt nun aus den von Satellitennavigationssystem 204 ausgegebenen Messwerten, welche GPS-Rohdaten darstellen und auch eine Beschreibung der Umlaufbahn des jeweils die GPS-Signale sendenden GPS-Satelliten umfassen, eine Position und eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs im GPS-Koordinatensystem. Außerdem bestimmt Satellitennavigationssystem 204 eine relative Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu den GPS-Satelliten, von denen GPS-Signale empfangen werden. Weiterhin korrigiert Vorverarbeitungseinheit 208 einen in den Messwerten bzw. den physikalischen Größen enthaltenen Zeitfehler einer Empfängeruhr von Satellitennavigationssystem 204, welcher durch eine Drift der Empfängeruhr entsteht, sowie mittels eines Korrekturmodells die durch atmosphärische Einwirkungen auf die von den GPS-Satelliten gesendeten GPS-Signale verursachten Veränderungen in der Signallaufzeit und dem Signalweg. Die Korrektur des Zeitfehlers sowie der atmosphärischen Einwirkungen erfolgen mittels von Fusionsfilter 205 über den CAN-Bus erhalten Korrekturwerten.
Satellitennavigationssystem 204 ist weiterhin Plausibilisierungsmodul 209 zugeordnet, welches die von Vorverarbeitungseinheit 208 ausgegebenen physikalischen Größen, also die Position und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, plausibilisiert. Die von Plausibilisierungsmodul 209 plausibilisierten Messwerte bzw. physikalischen Größen werden dann an Fusionsfilter 205 ausgegeben.
Das System umfasst weiterhin Vorverarbeitungseinheit 210 von Odometrienavigationssystem 203, welche über den CAN-Bus die von Odometrienavigationssystem 203 erfassten Messwerte erhält. Die erfassten Messwerte sind in diesem Fall die Ausgabedaten der einzelnen Raddrehzahlsensoren sowie die Eingangsdaten des Lenkwinkelsensors. Vorverarbeitungseinheit 210 bestimmt nun aus den von Odometrienavigationssystem 203 ausgegebenen Messwerten gemäß einem sog. Koppelnavigationsverfahren die Position und die Ausrichtung des Kraftfahrzeugs im Kraftfahrzeugkoordinatensystem. Weiterhin werden die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs bestimmt, ebenfalls im Kraftfahrzeugkoordinatensystem. Außerdem korrigiert Vorverarbeitungseinheit 210 die von Odometrienavigationssystem 203 erhaltenen Messwerte mittels von Fusionsfilter 205 erhaltenen Korrekturwerten.
Odometrienavigationssystem 203 ist weiterhin Plausibilisierungsmodul 211 zugeordnet, welches die von Vorverarbeitungseinheit 210 ausgegebenen Messwerte, also die Position, die Ausrichtung, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs, plausibilisiert. Da die Fehlerwerte der Messwerte von Odometrienavigationssystem 203 häufig zufällige, umweltbedingte Störungen sind, die nicht Weißem Rauschen entsprechen, z.B. bei vergleichsweise großem Radschlupf, werden die mittels Trägheitsnavigationssystem 201 und mittels Satellitennavigationssystem 204 bestimmten Messwerte genutzt, um die Messwerte von Odometrienavigationssystem 203 zu plausibilisieren. Zunächst werden auch hier aber die Messwerte bzw. die physikalischen Größen gegen ein ihnen zugeordnetes, sensorindividuelles Modell abgeglichen, welches Messunsicherheiten wie Rauscheinflüsse berücksichtigt. Sofern die Messwerte bzw. die physikalischen Größen dem Modell innerhalb der gegebenen Grenzwerte bzw. Toleranzbereiche entsprechen, erfolgt hier eine erste Plausibilisierung und die solcherart plausibilisierten Messwerte bzw. physikalischen Größen werden weiterverarbeitet. Die plausibilisierten Messwerte bzw. physikalischen Größen werden dann an Fusionsfilter 205 weitergeführt. Sofern eine Plausibilisierung dieser Messwerte bzw. physikalischen Größen nicht erfolgen kann, werden die entsprechenden Messwerte bzw. physikalischen Größen verworfen und nicht weiter verarbeitet.
Fusionsfilter 205 ist beispielsgemäß als Error-State-Space-Kalman-Filter ausgebildet. Die Hauptaufgabe von Fusionsfilter 205 ist es beispielsgemäß, die Messwerte bzw. die physikalischen Größen des Sensorbasissystems, also von Trägheitsnavigationssystem 201, mittels der Messwerte bzw. der physikalischen Größen von Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204, welche die Korrektursysteme darstellen, zu korrigieren, bzw. entsprechende Korrekturwerte an Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 auszugeben. Da Trägheitsnavigationssystem 201 beispielsgemäß als frei von zufälligen Fehlern und äußeren Störungen angenommen wird, unterliegen die Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 201 ausschließlich Weißem Rauschen.
Da es sich bei Fusionsfilter 205 um einen sog. Error-State-Space-Kalman-Filter handelt, werden ausschließlich die quantitativen Fehlerwerte der Messwerte bzw. der physikalischen Größen bestimmt und entsprechende Korrekturen ausgeführt. Dies vereinfacht und beschleunigt die von Fusionsfilter 205 vorgenommene Fusion der Messwerte bzw. der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 zu einem gemeinsamen Fusionsdatensatz. Somit wird eine echtzeitfähige Positionsbestimmung und Korrektur der Positionsbestimmung ermöglicht.
Das in 2 dargestellte System stellt einen sog. virtuellen Sensor dar, wobei Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 jedoch nicht Bestandteile des virtuellen Sensors sind. Ein virtueller Sensor ist ein System, welches unabhängig von der Art der eingebundenen Sensorsysteme – hier also Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 – stets die gleichen Ausgangsdaten bzw. Ausgaben erzeugt. Anhand der Ausgangsdaten bzw. Ausgaben ist nicht ersichtlich, welche Sensorsysteme in das System eingebunden sind.
Das beispielhaft beschriebene System erhält also Korrekturmessungen von Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204. Fusionsfilter 205 ist beispielsgemäß erweitert um eine zweistufige Signalplausibilisierung zur Erkennung von Fehlerwerten in den Messwerten der Korrekturmessungen. Diese detektiert einerseits Abweichungen zu Trägheitsnavigationssystem 201 und zum Strapdown-Algorithmus und andererseits Abweichungen von einzelnen Messwerten, z.B. untereinander widersprüchliche Pseudorange-Messwerte, innerhalb eines Datensatzes untereinander. Fusionsfilter 205 ist weiterhin um eine Integritätsbewertung nach dem bekannten „Normalized-Innovation-Squared“-Test und um Berechnung eines Protection Levels nach dem bekannten RAIM- bzw. AIME-Algorithmus als Snapshot-Verfahren erweitert. Um die damit für gewöhnlich einhergehenden Nachteile auszugleichen, nämlich die Unfähigkeit zur Detektion schleichender Fehler und Unmöglichkeit, mehrere gleichzeitig auftretende Fehler zu handhaben, werden mittels der erfindungsgemäßen Plausibilisierung aller Messwerte verworfen, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, so dass schließlich davon ausgegangen werden kann, dass höchstens noch ein einzelner fehlerhafter Messwert pro Messepoche vorliegt. Weiterhin werden die Absolutwerte der aufsummierten Fehlerkorrekturen gegen einen definierten Grenzwert geprüft und ggf. bei Überschreiten des Grenzwerts die zugehörigen Messwerte verworfen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012216215 A1 [0004]
DE 102012219478 A1 [0005]
DE 102010063984 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten, wobei Messwerte von einem Sensorsystem (101, 103, 104, 201, 203, 204) erfasst werden, wobei die Messwerte physikalische Größen beschreiben, wobei die Messwerte mit Fehlerwerten behaftet sind, welche Abweichungen der Messwerte von den beschriebenen physikalischen Größen beschreiben und wobei die Fehlerwerte mittels eines Vergleichs erkannt und/oder kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass einen Grenzwert überschreitende Messwerte nicht herangezogen werden, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen und/oder kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich ein Vergleich mit Messwerten mindestens eines weiteren Sensorsystems (103, 104, 203, 204) ist, wobei die Messwerte und die Messwerte des mindestens einen weiteren Sensorsystems (103, 104, 203, 204) direkt oder indirekt identische physikalische Größen beschreiben und wobei durch den Vergleich erkannte Fehlerwerte mittels Inkrementen kontinuierlich kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vergleich der Messwerte nur Messwerte mit identischem Zeitstempel herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich ein Vergleich von Messwerten ein und desselben Sensorsystems (101, 103, 104, 201, 203, 204) untereinander unter Berücksichtigung eines sensorspezifischen stochastischen Modells ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vergleich unter Berücksichtigung des sensorspezifischen stochastischen Modells nur Messwerte herangezogen werden, die unterschiedliche Zeitstempel aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass davon ausgegangen wird, dass nach Ausführung des Vergleichs der Messwerte ein und desselben Sensorsystems untereinander pro Erfassungszyklus maximal noch ein einziger Messwert den Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (101, 201) und das mindestens eine weitere Sensorsystem (103, 104, 203, 204) ein Trägheitsnavigationssystem (101, 201), ein globales Satellitennavigationssystem (104, 204) und/oder ein Odometrienavigationssystem (103, 203) sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Trägheitsnavigationssystems (101, 201) ein Grenzwert für Nullpunktfehler und/oder Skalenfaktorfehler ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Satellitennavigationssystems (104, 204) ein Grenzwert für Frequenzfehler einer Oszillationsfrequenz eines Empfängeruhroszillators ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Odometrienavigationssystems (103, 203) ein Grenzwert für Radiusfehler eines Abrollradius von Fahrzeugrädern ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Vergleich erkannten Fehlerwerte mittels eines Error-State-Space-Filters (105, 205), insbesondere mittels eines Error-State-Space-Kalman-Filters (105, 205), erkannt und/oder kompensiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte Navigationsinformationen darstellen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden.
System zur verbesserten Erkennung und/oder Kompensation von Fehlerwerten, umfassend ein Sensorbasissystem (101, 201), mindestens ein weiteres Sensorsystem (103, 104, 203, 204) und ein Fusionsfilter (105, 205), wobei das Sensorbasissystem (101, 201) und das mindestens eine weitere Sensorsystem (103, 104, 203, 204) dazu ausgebildet sind, Messwerte zu erfassen, wobei die Messwerte physikalische Größen beschreiben, wobei die Messwerte mit Fehlerwerten behaftet sind, welche Abweichungen der Messwerte von den beschriebenen physikalischen Größen beschreiben und wobei das System dazu ausgebildet ist, Fehlerwerte mittels eines Vergleichs zu erkennen und/oder zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionsfilter (105, 205) dazu ausgebildet ist, einen Grenzwert überschreitende Messwerte nicht dazu heranzuziehen, um Fehlerwerte anderer Messwerte zu erkennen und/oder kompensieren.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Verwendung des Systems nach mindestens einem der Ansprüche 14 und 15 in einem Kraftfahrzeug.