DE102015200944A1

DE102015200944A1 - Method for calculating an orientation with a sensor system and sensor system

Info

Publication number: DE102015200944A1
Application number: DE102015200944.0A
Authority: DE
Inventors: Timo Giesselmann; Gerhard Lammel; Tobias Rankl; Rainer Dorsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-21
Also published as: WO2016116360A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem, welches einen mikromechanischen Drehratensensor und eine Berechnungseinheit aufweist, wobei eine Drehrate mit dem Drehratensensor gemessen wird und zur Berechnung der Orientierung die Drehrate in der Berechnungseinheit über die Zeit integriert wird, wobei ein mikromechanischer Oszillator des Drehratensensors mit einer Eigenfrequenz oszilliert und ein Eigenfrequenzsignal erzeugt, wobei aus dem Eigenfrequenzsignal ein Taktsignal für das Integrieren in der Berechnungseinheit abgeleitet wird.Proposed is a method for calculating an orientation with a sensor system comprising a micromechanical rotation rate sensor and a calculation unit, wherein a rotation rate is measured with the rotation rate sensor and the rate of rotation is integrated in the calculation unit over time to calculate the orientation, wherein a micromechanical oscillator of the Rate of rotation sensor oscillates with a natural frequency and generates a natural frequency signal, wherein from the natural frequency signal, a clock signal for integrating is derived in the calculation unit.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie von einem Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention is based on a method for calculating an orientation with a sensor system according to the preamble of claim 1 and on a sensor system according to the preamble of claim 9.

Im Stand der Technik werden derartige Verfahren beispielsweise bei inertialen Navigationssystemen verwendet, mit welchen sich die Orientierung von im Raum frei beweglichen Objekten und/oder Personen ermitteln lässt. Ein Teil der Orientierungsbestimmung besteht darin, Winkel gegenüber vorgegebenen Raumachsen zu berechnen. Hierzu wird eine Drehrate – also eine Winkelgeschwindigkeit – z. B. mit einem mikromechanischen Drehratensensor gemessen und diese Drehrate wird dann über die Zeit integriert, um den Winkel zu erhalten. Die zeitliche Integration der Drehrate erfordert eine Zeitreferenz, welche typischerweise als Taktsignal zur Verfügung gestellt wird. Um eine möglichst genaue Zeitreferenz zu erhalten, werden Taktsignale bei den aus dem Stand der Technik bekannten Sensorsystemen von einem Quarzoszillator abgeleitet.In the prior art, such methods are used, for example, in inertial navigation systems, with which the orientation of objects and / or persons freely movable in space can be determined. Part of the orientation determination is to calculate angles with respect to given spatial axes. For this purpose, a rotation rate - ie an angular velocity - z. B. measured with a micromechanical rotation rate sensor and this rotation rate is then integrated over time to obtain the angle. The temporal integration of the rotation rate requires a time reference, which is typically provided as a clock signal. In order to obtain the most accurate time reference, clock signals are derived in the known from the prior art sensor systems of a quartz oscillator.

Bei derartigen Verfahren besteht der Nachteil, dass sich durch den zusätzlich erforderlichen Quarzoszillator ein aufwändiger Aufbau ergibt, wodurch sich die Kosten des Sensorsystems erhöhen.In such methods, there is the disadvantage that due to the additionally required quartz oscillator results in a complex structure, thereby increasing the cost of the sensor system.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Berechnung der Orientierung bzw. ein kostengünstiges Sensorsystem zu ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to enable a cost-effective calculation of the orientation or a cost-effective sensor system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem und das erfindungsgemäße Sensorsystem mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es nicht erforderlich ist, einen Quarzoszillator zur Erzeugung eines Taktsignals vorzusehen. Vielmehr wird mit einem in dem Drehratensensor ohnehin vorgesehenen mikromechanischen Oszillator, welcher mit einer Eigenfrequenz oszilliert, ein Eigenfrequenzsignal erzeugt. Aus dem Eigenfrequenzsignal des mikromechanischen Oszillators wird ein Taktsignal für das Integrieren in der Berechnungseinheit abgeleitet. Durch den Verzicht auf einen Quarzoszillator wird eine kostengünstige Berechnung der Orientierung bzw. eine kostengünstige Implementierung des Sensorsystems ermöglicht.The inventive method for calculating an orientation with a sensor system and the sensor system according to the invention with the features of the independent claims have the advantage over the prior art that it is not necessary to provide a quartz oscillator for generating a clock signal. Rather, a natural frequency signal is generated with a micromechanical oscillator which is provided anyway in the rotation rate sensor and which oscillates at a natural frequency. From the natural frequency signal of the micromechanical oscillator, a clock signal for integrating in the calculation unit is derived. By dispensing with a quartz oscillator, a cost-effective calculation of the orientation or a cost-effective implementation of the sensor system is made possible.

Die Orientierung kann beispielsweise als Winkel gegenüber einer vorgegebenen Achse im Raum berechnet werden.The orientation can be calculated, for example, as an angle with respect to a given axis in space.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims, as well as the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Ableitung des Taktsignals das Eigenfrequenzsignal einem Frequenzmultiplizierer zugeführt wird, wobei der Frequenzmultiplizierer die Eigenfrequenz des mikromechanischen Oszillators mit einem Abgleichfaktor multipliziert. Mit Hilfe des Frequenzmultiplizierers können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, indem die Frequenz des Taktsignals durch Multiplikation mit einem einstellbaren Abgleichfaktor auf eine vorgegebene Sollfrequenz eingestellt wird. Der Abgleichfaktor kann einen ganzzahligen Wert oder einen gebrochenzahligen Wert annehmen, so dass es mit dem Frequenzmultiplizierer möglich ist, ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz zu erzeugen, welche ein ganz- oder gebrochenzahliges Vielfaches der Eigenfrequenz ist oder welche ein Quotient der Eigenfrequenz ist. Besonders bevorzugt ist der Frequenzmultiplizierer als digitaler Frequenzmultiplizierer ausgebildet, so dass dieser in einer digitalen elektronischen Schaltung realisiert werden kann.According to a preferred embodiment, it is provided that for the derivation of the clock signal, the natural frequency signal is supplied to a frequency multiplier, wherein the frequency multiplier multiplies the natural frequency of the micromechanical oscillator with a tuning factor. With the aid of the frequency multiplier manufacturing tolerances can be compensated by the frequency of the clock signal is set by multiplication with an adjustable adjustment factor to a predetermined target frequency. The adjustment factor may take an integer value or a fractional value, so that it is possible with the frequency multiplier to generate a clock signal having a clock frequency which is an integer or fractional multiple of the natural frequency or which is a quotient of the natural frequency. Particularly preferably, the frequency multiplier is designed as a digital frequency multiplier, so that it can be implemented in a digital electronic circuit.

In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei welcher der Abgleichfaktor ermittelt wird, wobei die Eigenfrequenz des mikromechanischen Oszillators gemessen wird und die gemessene Eigenfrequenz mit einer vorgegebenen Sollfrequenz verglichen wird. Die Messung der Eigenfrequenz und der Vergleich der gemessenen Eigenfrequenz mit der vorgegebenen Sollfrequenz kann im Rahmen der Herstellung des Sensorsystems und/oder im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs durchgeführt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Sollfrequenz durch einen Quarzoszillator erzeugt wird. Bevorzugt wird der Abgleichfaktor in einem Abgleichregister des Sensorsystems hinterlegt.In this context, an embodiment is advantageous in which the adjustment factor is determined, wherein the natural frequency of the micromechanical oscillator is measured and the measured natural frequency is compared with a predetermined desired frequency. The measurement of the natural frequency and the comparison of the measured natural frequency with the predetermined nominal frequency can be carried out during the production of the sensor system and / or as part of a calibration process. It is advantageous if the nominal frequency is generated by a quartz oscillator. The adjustment factor is preferably stored in a calibration register of the sensor system.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Berechnungseinheit ein Korrekturfaktor zugeführt wird, um einen Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers zu kompensieren. Eine derartige Ausführungsform ist vorteilhaft, um eine Abweichung der Taktfrequenz des mittels des Frequenzmultiplizierers abgeleiteten Taktsignals von der vorgegebenen Sollfrequenz zu kompensieren, welche durch die endliche Auflösung des Abgleichfaktors – also den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers – bedingt ist. Durch die Kompensation des Quantisierungsfehlers mit dem Korrekturfaktor kann die Genauigkeit des Frequenzmultiplizierers verkleinert werden, d. h. der Quantisierungsfehler vergrößert werden, ohne dass die Genauigkeit der Winkelorientierung verschlechtert wird.A further preferred embodiment provides that a correction factor is supplied to the calculation unit in order to compensate for a quantization error of the frequency multiplier. Such an embodiment is advantageous for compensating for a deviation of the clock frequency of the clock signal derived by means of the frequency multiplier from the predetermined setpoint frequency, which is due to the finite resolution of the adjustment factor-that is to say the quantization error of the frequency multiplier. By compensating the quantization error with the correction factor, the accuracy of the frequency multiplier can be reduced, ie the quantization error be increased without the accuracy of the angular orientation is deteriorated.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, wobei der Korrekturfaktor dem Verhältnis der Taktfrequenz des Taktsignals zu der Sollfrequenz entspricht. Der Quotient aus der tatsächlichen Frequenz des Taktsignals und der Sollfrequenz gibt den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers an.An embodiment is preferred, wherein the correction factor corresponds to the ratio of the clock frequency of the clock signal to the nominal frequency. The quotient of the actual frequency of the clock signal and the nominal frequency indicates the quantization error of the frequency multiplier.

In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei welcher die Taktfrequenz des Taktsignals zur Ermittlung des Korrekturfaktors gemessen wird. Die Messung kann beispielsweise im Rahmen der Herstellung des Sensorsystems und/oder im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs durchgeführt werden. Alternativ ist es möglich, die Eigenfrequenz des Eigenfrequenzsignals zu messen und die Taktfrequenz anhand des eingestellten Abgleichfaktors zu berechnen.In this context, an embodiment is advantageous in which the clock frequency of the clock signal for determining the correction factor is measured. The measurement can be carried out, for example, during the production of the sensor system and / or as part of a calibration process. Alternatively, it is possible to measure the natural frequency of the natural frequency signal and to calculate the clock frequency based on the adjusted adjustment factor.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Korrekturfaktor in einem Korrekturregister des Sensorsystems gespeichert wird, so dass der Korrekturfaktor zur Berechnung der Orientierung durch die Berechnungseinheit abgerufen werden kann. Das Korrekturregister ist besonders bevorzugt als nichtflüchtiges Korrekturregister ausgebildet, so dass der ermittelte Korrekturfaktor auch dann erhalten bleibt, wenn die Stromversorgung des Sensorsystems abgeschaltet wird.A further preferred embodiment provides that the correction factor is stored in a correction register of the sensor system, so that the correction factor for calculating the orientation can be retrieved by the calculation unit. The correction register is particularly preferably designed as a non-volatile correction register, so that the determined correction factor is maintained even when the power supply of the sensor system is turned off.

Vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform, bei welcher der Berechnungseinheit zur Berechnung der Orientierung mit einem Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigungswerte und/oder mit einem Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeldwerte zugeführt werden. Die Beschleunigungswerte und/oder Magnetfeldwerte können bei der Berechnung der Orientierung, insbesondere der Berechnung eines Winkels, berücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Berechnung der Orientierung ein Kalman-Filter verwendet wird, welchem bevorzugt als Eingangsgrößen die mit dem Drehratensensor ermittelte Drehrate, ein Beschleunigungswert und ein Magnetfeldwert zugeführt werden.Also advantageous is an embodiment in which the calculation unit for the calculation of the orientation is supplied with acceleration values detected with an acceleration sensor and / or magnetic field values detected with a magnetic field sensor. The acceleration values and / or magnetic field values can be taken into account in the calculation of the orientation, in particular the calculation of an angle. It is particularly advantageous if a Kalman filter is used to calculate the orientation, to which the rotation rate, an acceleration value and a magnetic field value determined by the rotation rate sensor are preferably supplied as input variables.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass das Sensorsystem einen Frequenzmultiplizierer aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass die Eigenfrequenz des mikromechanischen Oszillators mit einem vorgegebenen Abgleichfaktor multiplizierbar ist und dass das Sensorsystem ein Korrekturregister aufweist, in welchem ein Korrekturfaktor gespeichert ist, welcher der Berechnungseinheit zuführbar ist, um einen Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers zu korrigieren. Eine derartige Weiterbildung des Sensorsystems bringt den Vorteil mit sich, dass die Genauigkeit der Zeitbasis für die Berechnung der Orientierung erhöht ist.According to a preferred embodiment of the sensor system according to the invention it is provided that the sensor system comprises a frequency multiplier, which is designed such that the natural frequency of the micromechanical oscillator can be multiplied by a predetermined adjustment factor and that the sensor system has a correction register in which a correction factor is stored, which the calculation unit is supplied to correct a quantization error of the frequency multiplier. Such a development of the sensor system has the advantage that the accuracy of the time base for the calculation of the orientation is increased.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 FIG. 12 is a block diagram of a sensor system according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.

2 zeigt verschiedene gemessene und vorgegebene Frequenzen zur Veranschaulichung der Abläufe während eines Kalibrierungsvorgangs. 2 shows various measured and predetermined frequencies to illustrate the operations during a calibration process.

3 zeigt zwei Beispiele von berechneten zeitlichen Verläufen der Orientierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. 3 shows two examples of calculated time courses of the orientation according to the inventive method.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.

In 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 dargestellt, welches in einem inertialen Navigationssystem Verwendung finden kann, um die Orientierung eines Objekts und/oder einer Person im Raum zu ermitteln. Das Sensorsystem 1 weist einen ersten mikromechanischen Drehratensensor 2 auf, über welchen eine Drehrate ω – also eine Winkelgeschwindigkeit um eine vorgegebene erste Achse – gemessen wird. Der erste Drehratensensor 2 weist zumindest einen mikromechanischen Oszillator auf, welcher zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz angeregt wird. Der mikromechanische Oszillator kann beispielsweise als seismische Masse ausgebildet sein, welche beweglich aufgehängt ist. Zusätzlich zu dem ersten Drehratensensor 2 sind in dem Sensorsystem 1 zwei weitere Drehratensensoren vorgesehen, welche Drehraten um zwei zu der ersten Achse senkrecht angeordnete Achsen messen. Die zwei weiteren Drehratensensoren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nicht dargestellt.In 1 is a block diagram of an embodiment of a sensor system according to the invention 1 which can be used in an inertial navigation system to determine the orientation of an object and / or a person in space. The sensor system 1 has a first micromechanical rotation rate sensor 2 on, over which a rate of rotation ω - ie an angular velocity about a predetermined first axis - is measured. The first rotation rate sensor 2 has at least one micromechanical oscillator, which is excited to a vibration with a natural frequency. The micromechanical oscillator can be designed, for example, as a seismic mass which is suspended in a movable manner. In addition to the first rotation rate sensor 2 are in the sensor system 1 two further rotation rate sensors are provided which measure rotation rates about two axes perpendicular to the first axis. The two other rotation rate sensors are for reasons of clarity in the 1 not shown.

Zur Berechnung der Orientierung des Sensorsystems 1 im Raum, werden aus den gemessenen Drehraten ω der drei Drehratensensoren 2 Winkel φ' gegenüber den drei zueinander senkrecht angeordneten Achsen berechnet. Die Berechnung der Winkel φ' erfolgt in einer Berechnungseinheit 6 des Sensorsystems 1, welche in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem ersten Drehratensensor 2 und bevorzugt mit den beiden weiteren Drehratensensoren angeordnet ist. Zusätzlich können in dem gemeinsamen Gehäuse ein oder mehrere Beschleunigungssensoren zur Messung von Beschleunigungsdaten und/oder ein oder mehrere Magnetfeldsensoren zur Messung von Magnetfelddaten angeordnet sein.To calculate the orientation of the sensor system 1 in space, are the measured rotation rates ω of the three rotation rate sensors 2 Angle φ 'compared to the three mutually perpendicular axes calculated. The calculation of the angles φ 'takes place in a calculation unit 6 of the sensor system 1 , which in a common housing with the first rotation rate sensor 2 and preferably with the two other rotation rate sensors is arranged. In addition, one or more acceleration sensors for measuring acceleration data and / or one or more magnetic field sensors for measuring magnetic field data can be arranged in the common housing.

In der Berechnungseinheit 6 wird die mit dem ersten Drehratensensor 2 gemessene Drehrate ω über eine Integrationszeit integriert, um einen ersten Winkel φ' zu erhalten. Die Integration der Drehrate ω über die Zeit erfordert eine Zeitreferenz, welche in dem Sensorsystem 1 als Taktsignal 13 zur Verfügung gestellt wird. Um das Taktsignal 13 abzuleiten, wird von dem Drehratensensor 2 ein Eigenfrequenzsignal 11 erzeugt, welches die Eigenfrequenz 21 des mikromechanischen Oszillators des Drehratensensors 2 aufweist. Das Eigenfrequenzsignal 11 wird einem digitalen Frequenzmultiplizierer 4 zugeführt. Der Frequenzmultiplizierer 4 multipliziert die Eigenfrequenz 21 des Eigenfrequenzsignals 11 mit einem Abgleichfaktor 10, welcher als Quotient n/m zweier ganzzahliger Werte n, m angegeben wird. Der Abgleichfaktor 10 ist in Form der ganzzahligen Werte n, m in einem Abgleichregister 3 des Sensorsystems 1 hinterlegt. Falls n/m > 1, so ist die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 größer als die Eigenfrequenz 21 des mikromechanischen Oszillators. Falls n/m < 1, so ist die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 kleiner als die Eigenfrequenz 21.In the calculation unit 6 becomes the one with the first rotation rate sensor 2 measured rate of rotation ω integrated over an integration time to obtain a first angle φ '. The integration of the rate of rotation ω over time requires a time reference, which in the sensor system 1 as a clock signal 13 is made available. To the clock signal 13 is derived from the rotation rate sensor 2 a natural frequency signal 11 generated, which is the natural frequency 21 the micromechanical oscillator of the rotation rate sensor 2 having. The natural frequency signal 11 becomes a digital frequency multiplier 4 fed. The frequency multiplier 4 multiplies the natural frequency 21 of the natural frequency signal 11 with a matching factor 10 , which is given as the quotient n / m of two integer values n, m. The adjustment factor 10 is in the form of integer values n, m in a match register 3 of the sensor system 1 deposited. If n / m> 1, then the clock frequency 23 of the clock signal 13 greater than the natural frequency 21 of the micromechanical oscillator. If n / m <1, then the clock frequency 23 of the clock signal 13 smaller than the natural frequency 21 ,

Mit dem Frequenzmultiplizierer 4 kann die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 auf eine vorgegebene Sollfrequenz abgeglichen werden. Da der Abgleichfaktor 10 eine endliche Auflösung aufweist, weist die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 jedoch in der Regel eine Abweichung 24 von der Sollfrequenz auf, welche den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 darstellt. Zur Korrektur des Quantisierungsfehlers wird in einem Korrekturregister 5 des Sensorsystems 1 ein Korrekturfaktor fcorr hinterlegt, welcher der Berechnungseinheit 6 zugeführt wird und welcher beim Integrieren der Drehrate ω berücksichtigt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert werden soll. Der Korrekturfaktor fcorr entspricht dem Verhältnis der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 zu der Sollfrequenz 22.With the frequency multiplier 4 can the clock frequency 23 of the clock signal 13 be adjusted to a predetermined target frequency. Because the adjustment factor 10 has a finite resolution, has the clock frequency 23 of the clock signal 13 but usually a deviation 24 from the target frequency, which is the quantization error of the frequency multiplier 4 represents. To correct the quantization error is in a correction register 5 of the sensor system 1 a correction factor fcorr, which is the calculation unit 6 is supplied and which is taken into account when integrating the rotation rate ω, as will be explained in more detail below. The correction factor fcorr corresponds to the ratio of the clock frequency 23 of the clock signal 13 to the target frequency 22 ,

Zusätzlich werden der Berechnungseinheit 6 zur Berechnung der Orientierung mit einem Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigungswerte 15 und mit einem Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeldwerte 16 zugeführt.In addition, the calculation unit 6 Acceleration values acquired to calculate the orientation with an acceleration sensor 15 and magnetic field values detected with a magnetic field sensor 16 fed.

Anhand der Darstellung in 2 sollen nachfolgend die Vorgänge zum Abgleich der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 erläutert werden. Der Abgleich erfolgt bei dem Sensorsystem 1 im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs, welcher beispielsweise unmittelbar nach der Herstellung des Sensorsystems 1 oder nach Bedarf vor dem Einbau des Sensorsystems 1 in ein inertiales Navigationssystem durchgeführt wird.Based on the illustration in 2 Below are the operations for adjusting the clock frequency 23 of the clock signal 13 be explained. The adjustment takes place in the sensor system 1 as part of a calibration process, for example, immediately after the manufacture of the sensor system 1 or as needed before installing the sensor system 1 is performed in an inertial navigation system.

In der 2 ist die Frequenz fT, welche durch den Frequenzmultiplizierer 4 erzeugt wird, über der Frequenz fE des Eigenfrequenzsignals 11 aufgetragen, welches von dem mikromechanischen Oszillator erhalten wird. Mit dem Bezugszeichen 19 ist der Frequenzbereich gekennzeichnet, in welchem der gemessene Wert der Eigenfrequenz 21 des Eigenfrequenzsignals 11 aufgrund der Fertigungstoleranz vermutet wird. In diesem Frequenzbereich 19 ist es durch Wahl eines geeigneten Abgleichfaktors 10 möglich, die Taktfrequenz 23 auf die Sollfrequenz 22 abzugleichen. Die zu den jeweiligen Frequenz fE des Eigenfrequenzsignals korrespondierenden Abgleichfaktoren 10 sind in der 2 beispielhaft mit den Bezugszeichen 41 bis 47 bezeichnet. Diese stehen symbolhaft für ein bestimmtes Verhältnis der Werte n und m. Die aus der Wahl des Abgleichfaktors 10 resultierende Taktfrequenz fT folgt aufgrund des Quantisierungsfehlers des Frequenzmultiplizierers 4 einer Zickzacklinie.In the 2 is the frequency fT generated by the frequency multiplier 4 is generated, over the frequency fE of the natural frequency signal 11 applied, which is obtained from the micromechanical oscillator. With the reference number 19 the frequency range is characterized in which the measured value of the natural frequency 21 of the natural frequency signal 11 due to the manufacturing tolerance is suspected. In this frequency range 19 it is by choosing a suitable adjustment factor 10 possible, the clock frequency 23 to the target frequency 22 match. The matching factors corresponding to the respective frequency fE of the natural frequency signal 10 are in the 2 by way of example with the reference numerals 41 to 47 designated. These symbolize a certain ratio of the values n and m. The from the choice of the adjustment factor 10 resulting clock frequency fT follows due to the quantization error of the frequency multiplier 4 a zigzag line.

Während des Kalibrierungsvorgangs wird die Eigenfrequenz 21 des mikromechanischen Oszillators gemessen. Um die Taktfrequenz 23 auf eine vorgegebene Sollfrequenz 22 abzugleichen, wird der korrespondierende Abgleichwert 10 ausgewählt. Es wird der Abgleichfaktor 10 ausgewählt, bei welchem die Frequenzdifferenz 24 zwischen der aus der Anwendung des Abgleichfaktors 10 resultierenden Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 und der Sollfrequenz 22 am geringsten ist. Im vorliegenden Beispiel wird als Abgleichfaktor 10 der Wert 44 gewählt, welcher symbolhaft für ein bestimmtes Verhältnis der Werte n und m, beispielsweise 15/16 steht und dieses codiert. Der Abgleichfaktor 10 wird in dem Abgleichregister 3 gespeichert.During the calibration process, the natural frequency 21 of the micromechanical oscillator. To the clock frequency 23 to a predetermined target frequency 22 match, becomes the corresponding adjustment value 10 selected. It will be the adjustment factor 10 selected in which the frequency difference 24 between the application of the adjustment factor 10 resulting clock frequency 23 of the clock signal 13 and the target frequency 22 is lowest. In the present example is used as the adjustment factor 10 the value 44 which symbolizes a certain ratio of the values n and m, for example 15 / 16 stands and codes this. The adjustment factor 10 will be in the match register 3 saved.

Um den Korrekturfaktor fcorr zu ermitteln, wird der Quotient der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 und der Sollfrequenz 22 gebildet. Der Korrekturfaktor fcorr wird in einem nicht-flüchtigen Korrekturregister 5 des Sensorsystems 1 hinterlegt. Zur Ermittlung des Korrekturfaktors fcorr kann die Taktfrequenz 23 gemessen werden. Alternativ ist es möglich, die Taktfrequenz 23 anhand der gemessenen Eigenfrequenz 21 und dem ausgewählten Abgleichfaktor 10 zu berechnen.To determine the correction factor fcorr, the quotient of the clock frequency 23 of the clock signal 13 and the target frequency 22 educated. The correction factor fcorr is stored in a non-volatile correction register 5 of the sensor system 1 deposited. To determine the correction factor fcorr, the clock frequency 23 be measured. Alternatively, it is possible to change the clock frequency 23 based on the measured natural frequency 21 and the selected adjustment factor 10 to calculate.

Anhand der Darstellung in 3 soll nachfolgend die Berechnung der Orientierung des Sensorsystems 1 erläutert werden. Die 3 zeigt den berechneten Winkel φ über einer ersten Zeitachse t, wobei der Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 nicht korrigiert ist und den berechneten Winkel φ' über einer zweiten Zeitachse t', wobei der Quantisierungsfehler korrigiert ist.Based on the illustration in 3 Below is the calculation of the orientation of the sensor system 1 be explained. The 3 shows the calculated angle φ over a first time axis t, wherein the quantization error of the frequency multiplier 4 is not corrected and the calculated angle φ 'over a second time axis t', wherein the quantization error is corrected.

Wird der Korrekturfaktor fcorr in der Berechnungseinheit 6 nicht berücksichtigt, so ist der berechnete Winkel φ mit der durch den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 hervorgerufenen Ungenauigkeit belastet. Die mit dem ersten Drehratensensor 2 gemessene Drehrate ω wird über eine Integrationszeit integriert, um einen ersten Winkel φ zu erhalten. Dieser Zusammenhang ist in der nachfolgenden Gleichung dargestellt:

If the correction factor fcorr in the calculation unit 6 not taken into account, the calculated angle φ is equal to that calculated by the quantization error of the frequency multiplier 4 burdened inaccuracy caused. The one with the first rotation rate sensor 2 measured rate of rotation ω is integrated over an integration time to obtain a first angle φ. This relationship is shown in the following equation:

Wird der Korrekturfaktor in der Berechnungseinheit 6 hinzugezogen, um den Winkel φ' zu berechnen, wird der Quantisierungsfehler kompensiert und die Genauigkeit des Winkel φ' verbessert. Hierzu werden in der Berechnungseinheit 6 die diskreten Zeitpunkte mit dem Korrekturfaktor fcorr multipliziert, was in den nachfolgenden Gleichungen exemplarisch für die Zeitpunkte t₀ und t₁ dargestellt ist. t ' / 0 = t₀·fcorr t ' / 1 = t₁·fcorr Will the correction factor be in the calculation unit 6 to calculate the angle φ ', the quantization error is compensated and the accuracy of the angle φ' is improved. For this purpose, in the calculation unit 6 the discrete times multiplied by the correction factor fcorr, which is shown in the following equations as an example for the times t ₀ and t ₁ . t '/ 0 = t ₀ · fcorr t '/ 1 = t ₁ · fcorr

Für den Winkel φ' ergibt sich folgende Gleichung:

For the angle φ 'the following equation results:

Die vorstehend dargestellte Berechnung kann in Abweichung von dem Ausführungsbeispiel für alle drei Raumrichtungen durchgeführt werden, für die Drehraten in dem Sensorsystem 1 ermittelt werden. Ferner können bei der Berechnung der Winkel zusätzlich Beschleunigungsdaten 15 und/oder Magnetfelddaten 16 hinzugezogen werden. Insofern kann in der Berechnungseinheit 6 eine Fusion der Daten mehrerer Sensoren durchgeführt werden.The above-described calculation, in deviation from the exemplary embodiment, can be carried out for all three spatial directions, for the rotation rates in the sensor system 1 be determined. Furthermore, acceleration data can be additionally used in the calculation of the angles 15 and / or magnetic field data 16 be involved. In this respect, in the calculation unit 6 a fusion of the data of several sensors are performed.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zu Berechnung eines Raumwinkels φ' mit einem Sensorsystem 1, welches einen mikromechanischen Drehratensensor 2 und eine Berechnungseinheit 6 aufweist, wobei eine Drehrate ω mit dem Drehratensensor 2 gemessen wird und zur Berechnung des Raumwinkels φ' die Drehrate ω in der Berechnungseinheit über die Zeit integriert wird, oszilliert ein mikromechanischer Oszillator des Drehratensensors 2 mit einer Eigenfrequenz 21 und erzeugt ein Eigenfrequenzsignal 11, wobei aus dem Eigenfrequenzsignal 11 ein Taktsignal 13 für das Integrieren in der Berechnungseinheit 6 abgeleitet wird. Hierdurch wird eine kostengünstige Berechnung des Raumwinkels φ' und ein kostengünstiges Sensorsystem 1 ermöglicht.In the method described above for calculating a solid angle φ 'with a sensor system 1 , which is a micromechanical rotation rate sensor 2 and a calculation unit 6 wherein a rotation rate ω with the rotation rate sensor 2 is measured and for the calculation of the solid angle φ 'the rotation rate ω is integrated in the calculation unit over time, oscillates a micromechanical oscillator of the rotation rate sensor 2 with a natural frequency 21 and generates a natural frequency signal 11 , wherein from the natural frequency signal 11 a clock signal 13 for integrating in the calculation unit 6 is derived. This results in a cost-effective calculation of the solid angle φ 'and a cost-effective sensor system 1 allows.

Claims

Method for calculating an orientation with a sensor system ( 1 ), which has a micromechanical rotation rate sensor ( 2 ) and a calculation unit ( 6 ), wherein a rotation rate (ω) with the rotation rate sensor ( 2 ) and, for calculating the orientation, the rate of rotation (ω) in the calculation unit ( 6 ) is integrated over time, characterized in that a micromechanical oscillator of the rotation rate sensor ( 2 ) with a natural frequency ( 21 ) oscillates and a natural frequency signal ( 11 ), wherein from the natural frequency signal ( 11 ) a clock signal ( 13 ) for integrating in the calculation unit ( 6 ) is derived.

Method according to Claim 1, characterized in that for deriving the clock signal ( 13 ) the natural frequency signal ( 11 ) a frequency multiplier ( 4 ), wherein the frequency multiplier ( 4 ) the natural frequency ( 21 ) of the micromechanical oscillator with a matching factor ( 10 multiplied).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adjustment factor ( 10 ), the natural frequency ( 21 ) of the micromechanical oscillator is measured and the measured natural frequency ( 21 ) with a predetermined nominal frequency ( 22 ) is compared.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit ( 6 ) a correction factor (fcorr) is supplied in order to obtain a quantization error of the frequency multiplier ( 4 ) to compensate.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the correction factor (fcorr) the ratio of the clock frequency ( 23 ) of the clock signal ( 13 ) to the nominal frequency ( 22 ) corresponds.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the clock frequency ( 23 ) of the clock signal ( 13 ) is measured to determine the correction factor (fcorr).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the correction factor (fcorr) is stored in a correction register ( 5 ) of the sensor system ( 1 ) is stored.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit ( 6 ) for the calculation of Orientation with an acceleration sensor detected acceleration values ( 15 ) and / or magnetic field values recorded with a magnetic field sensor ( 16 ).

Sensor system with a micromechanical rotation rate sensor ( 2 ) for measuring a rate of rotation (ω) and with a calculation unit ( 6 ) for calculating an orientation by integration of the measured rate of rotation (ω) over time, characterized in that the rotation rate sensor ( 2 ) one with a natural frequency ( 21 ) oscillating, micromechanical oscillator, with which a natural frequency signal ( 11 ) is generated, wherein from the natural frequency signal ( 11 ) a clock signal ( 13 ) for integrating in the calculation unit ( 6 ) is derivable.

Sensor system according to claim 9, characterized in that the sensor system ( 1 ) a frequency multiplier ( 4 ), which is designed such that the natural frequency ( 21 ) of the micromechanical oscillator with a predetermined adjustment factor ( 10 ) and wherein the sensor system ( 1 ) a correction register ( 5 ), in which a correction factor (fcorr) is stored, which the calculation unit ( 6 ) is fed to a quantization error of the frequency multiplier ( 4 ) to correct.