DE102017213806A1 - Calibration of vehicle sensors - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren (31) beschrieben. Bei dem Verfahren werden Messwerte (zt, Wt) auf Basis von Sensordaten der Fahrzeugsensoren (31) erfasst. Es wird ein Optimalfilter auf die Messwerte (zt, Wt) angewandt. Weiterhin wird im Rahmen des Filterprozesses ein aktualisierter Kalibrationswert (ct) einer Kalibrationsgröße (c) als aktualisierter Wert (xt) der Zustandsgröße (x) des Optimalfilters ermittelt. Es wird auch eine Kalibrationseinrichtung (20) beschrieben. Überdies wird ein Schienenfahrzeug (30) beschrieben. A method for self-calibration of vehicle sensors (31) is described. In the method, measured values (z t , W t ) are recorded on the basis of sensor data of the vehicle sensors (31). An optimal filter is applied to the measured values (z t , W t ). Furthermore, as part of the filtering process, an updated calibration value (c t ) of a calibration variable (c) is determined as the updated value (x t ) of the state variable (x) of the optimum filter. A calibration device (20) will also be described. Moreover, a rail vehicle (30) will be described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kalibrationseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.The invention relates to a method for self-calibration of vehicle sensors. Furthermore, the invention relates to a calibration device. Moreover, the invention relates to a rail vehicle.
Schienenfahrzeuge benötigen exakte Sensordaten und odometrische Daten, um sicher betrieben werden zu können. Schienenfahrzeuge müssen sich auf eine Vielzahl von bordseitigen Sensoren verlassen, wie zum Beispiel Drehgeber, Doppler-Radar, GPS und Balise-Detektoren, um ihre Position und Geschwindigkeit zu ermitteln. Allerdings sind die odometrischen Daten nur dann korrekt, wenn die verwendete Sensorik präzise kalibriert wurde. Häufig treten bei einer solchen Kalibration Fehler auf. Solche Fehler können direkt auf Fehler bei dem Kalibrationsvorgang beruhen oder durch einen Driftvorgang verursacht werden, der nach der Kalibration einsetzt. Auf diese Weise werden die Messwerte ungenau und unzuverlässig.Rail vehicles need exact sensor data and odometric data in order to operate safely. Rail vehicles rely on a variety of on-board sensors, such as encoders, Doppler radar, GPS and Balise detectors, to determine their position and speed. However, the odometrical data are correct only if the sensors used have been precisely calibrated. Often errors occur during such a calibration. Such errors can be directly due to errors in the calibration process or caused by a drifting process that begins after the calibration. In this way, the readings become inaccurate and unreliable.
Herkömmlich wird eine Kalibration vor der Benutzung des Schienenfahrzeugs oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt. Allerdings kann es zwischenzeitlich zu erheblichen Abweichungen der Messwerte von korrekten Werten kommen, so dass die Genauigkeit und Verlässlichkeit der odometrischen Daten nicht immer gewährleistet ist.Conventionally, a calibration is performed before the use of the rail vehicle or at regular time intervals. However, in the meantime, there may be significant deviations of the measured values from correct values, so that the accuracy and reliability of the odometric data is not always guaranteed.
Es besteht also die Aufgabe, ein verbessertes Kalibrationsverfahren zu entwickeln, mit dem Abweichungen von Messwerten, beispielsweise von odometrischen Messwerten, auch über größere Zeiträume hinweg vermieden oder zumindest reduziert werden können.There is therefore the task of developing an improved calibration method with which deviations from measured values, for example from odometric measured values, can be avoided or at least reduced over longer periods of time.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren gemäß Patentanspruch 1, eine Kalibrationseinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst.This object is achieved by a method for self-calibration of vehicle sensors according to claim 1, a calibration device according to claim 12 and a rail vehicle according to claim 13.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren werden Messwerte auf Basis von Sensordaten der Fahrzeugsensoren erfasst. Dann wird ein Optimalfilter auf die Messwerte angewendet. Als Optimalfilter soll ein Filter verstanden werden, welcher einen Schätzwert erzeugt, wobei eine Unsicherheit des Schätzwerts, welcher auf Basis unsicherer Messwerte ermittelt wird, minimiert wird.In the method according to the invention for self-calibration of vehicle sensors, measured values are recorded on the basis of sensor data of the vehicle sensors. Then an optimal filter is applied to the measured values. The optimal filter is to be understood as a filter which generates an estimated value, wherein an uncertainty of the estimated value, which is determined on the basis of uncertain measured values, is minimized.
Als Optimalfilter kann zum Beispiel ein linearisierter Optimalfilter, wie zum Beispiel ein linearisierter Kalman-Filter eingesetzt werden. Ein solcher linearisierter Optimalfilter weist ein um einen bisherigen Wert einer Zustandsgröße linearisiertes Zustandsübergangsmodell und/oder Beobachtungsmodell auf.As optimal filter, for example, a linearized optimal filter, such as a linearized Kalman filter can be used. Such a linearized optimal filter has a state transition model and / or observation model linearized by a previous value of a state variable.
Alternativ können aber auch nichtlineare Filter, wie zum Beispiel Unscented Kalman-Filter oder auch auf stochastischen sequentiellen Monte-Carlo-Methoden basierende so genannte Particle-Filter verwendet werden.Alternatively, however, non-linear filters, such as Unscented Kalman filters or so-called particle filters based on stochastic sequential Monte Carlo methods, may also be used.
Bei dem Filtervorgang werden aktualisierte Kalibrationswerte einer Kalibrationsgröße als aktualisierte Werte der Zustandsgröße des Optimalfilters ermittelt. Vorteilhaft werden Sensoren automatisch rekalibriert, da dieser Vorgang bei dem Filtervorgang, welcher der Auswertung und Überwachung von Sensordaten dient, automatisch mit durchgeführt wird.In the filtering process, updated calibration values of a calibration quantity are obtained as updated values of the state quantity of the optimal filter. Advantageously, sensors are recalibrated automatically, since this process is automatically carried out during the filtering process, which is used for the evaluation and monitoring of sensor data.
Die erfindungsgemäße Kalibrationseinrichtung weist eine Datenempfangseinheit zum Erfassen von Messwerten auf Basis von Sensordaten der Fahrzeugsensoren auf. Teil der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung ist auch eine Filtereinheit zum Anwenden eines Optimalfilters auf die Messwerte. Die Filtereinheit dient auch zum Ermitteln eines aktualisierten Kalibrationswerts einer Kalibrationsgröße als aktualisierter Wert einer Zustandsgröße des Optimalfilters. Die erfindungsgemäße Kalibrationseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren eines Schienenfahrzeugs.The calibration device according to the invention has a data receiving unit for acquiring measured values on the basis of sensor data of the vehicle sensors. Part of the calibration device according to the invention is also a filter unit for applying an optimum filter to the measured values. The filter unit also serves to determine an updated calibration value of a calibration quantity as an updated value of a state variable of the optimal filter. The calibration device according to the invention shares the advantages of the method according to the invention for self-calibration of vehicle sensors of a rail vehicle.
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Kalibrationseinrichtung auf. Die erfindungsgemäße Zeitschätzeinrichtung teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung.The rail vehicle according to the invention comprises the calibration device according to the invention. The time estimating device according to the invention shares the advantages of the calibration device according to the invention.
Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Filtereinheit. Grundsätzlich kann diese Komponente aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.Some components of the calibration device according to the invention can be formed predominantly in the form of software components. This concerns in particular parts of the filter unit. In principle, however, this component can also be partly realized, in particular when it comes to particularly fast calculations, in the form of software-supported hardware, for example FPGAs or the like. Likewise, the required interfaces, for example, if it is only about a transfer of data from other software components, be designed as software interfaces. However, they can also be configured as hardware-based interfaces, which are controlled by suitable software.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.A largely software-based implementation has the advantage that already existing in a rail vehicle computer systems can be retrofitted in a simple way by a software update to work on the inventive way. In this respect, the problem is also solved by a corresponding computer program product with a computer program, which can be loaded directly into a memory device of such a computer system, with program sections in order to carry out all steps of the method according to the invention when the computer program is executed in the computer system.
Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.Such a computer program product may contain, in addition to the computer program, additional components, e.g. a documentation and / or additional components, also hardware components, such as e.g. Hardware keys (dongles, etc.) for using the software include.
Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.For transport to the storage device of the computer system and / or for storage on the computer system, a computer-readable medium, for example a memory stick, a hard disk or another portable or permanently installed data carrier can be used, on which the computer program readable and executable program units of a computer unit are stored. The computer unit may e.g. for this purpose have one or more cooperating microprocessors or the like.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.The dependent claims and the following description each contain particularly advantageous embodiments and further developments of the invention. In this case, in particular the claims of a claim category can also be developed analogously to the dependent claims of another claim category and their description parts. In addition, in the context of the invention, the various features of different embodiments and claims can also be combined to form new embodiments.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren umfasst die Zustandsgröße eine vektorielle Größe. Eine solche Zustandsgröße umfasst als Komponenten sowohl eine Kalibrationsgröße als auch weiterzuverarbeitende Informationen über den technischen und/oder dynamischen Zustand eines Fahrzeugs.In one embodiment of the method according to the invention for the self-calibration of vehicle sensors, the state variable comprises a vector variable. Such a state variable comprises as components both a calibration quantity and further information to be processed about the technical and / or dynamic state of a vehicle.
Beispielsweise können die Messdaten bzw. Sensordaten von Odometriesensoren erzeugt werden und als Messwerte Odometriedaten ermittelt werden. Soll die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs als Zustandsgröße ermittelt werden, so können die Messwerte der Zustandsgröße eine Drehfrequenz eines Drehgebers eines Tachometers umfassen. Alternativ können auch andere Geschwindigkeitsmessverfahren mit anderen Messgrößen, wie zum Beispiel Zeitintervallen zwischen dem Durchqueren zweier Messpunkte oder ähnliches, verwendet werden. Die zu schätzende Zustandsgröße umfasst im Fall der Geschwindigkeitsmessung als Vektorkomponenten die Geschwindigkeit und die Kalibrationsgröße, welche im Fall eines Drehgebers als Geschwindigkeitsmesseinheit den Radumfang angibt. Vorteilhaft werden bei dem Filterprozess nicht nur Geschwindigkeitsmesswerte auf Fehler überprüft, sondern gleichzeitig auch Kalibrationsmesswerte ermittelt bzw. aktualisiert.For example, the measurement data or sensor data can be generated by odometry sensors and odometry data can be determined as measured values. If the speed of a vehicle is to be determined as a state variable, the measured values of the state variable may include a rotational frequency of a rotary encoder of a tachometer. Alternatively, other speed measurement methods may be used with other metrics, such as time intervals between traversing two measurement points or the like. The state variable to be estimated comprises, in the case of speed measurement as vector components, the speed and the calibration variable which, in the case of a rotary encoder, indicates the wheel circumference as a speed measuring unit. Advantageously, not only velocity measurement values are checked for errors in the filter process, but also calibration measurement values are determined or updated at the same time.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren umfasst der Optimalfilter einen erweiterten Kalmanfilter. Ein Kalmanfilter beschreibt modellhaft die Entwicklung eines wahren Zustands aus einem vorhergehenden Zustand:
Dabei beschreibt die Matrix Hk das eigentliche Beobachtungsmodell, welches die Beziehung zwischen dem wahren Zustand und dem beobachteten Zustand darstellt, und vk repräsentiert einen Rauschterm.Here, the matrix H k describes the actual observation model representing the relationship between the true state and the observed state, and v k represents a noise term.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren wird zur Ermittlung des linearisierten Zustandsübergangsmodells und Beobachtungsmodells auf Basis der bisherigen Werte der Zustandsgröße eine Jakobi-Matrix berechnet.In a variant of the method according to the invention for self-calibration of vehicle sensors, a Jakobi matrix is calculated on the basis of the previous values of the state variable to determine the linearized state transition model and observation model.
Sind das Beobachtungsmodell und das Zustandsübergangsmodell zunächst nicht linear, so kann bei Anwendung eines erweiterten Kalman-Filterverfahrens zunächst eine Linearisierung der beiden Matrizen Fk und Hk unter Anwendung einer Jakobi-Matrix durchgeführt werden. Bei zeitkontinuierlicher Betrachtung ergibt sich die linearisierte Matrix F (anstatt Fk) zu
Das nichtlineare Beobachtungsmodell h(
Wird ein Zustand x durch die zurückgelegte Distanz d, die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs und den Kalibrationsfaktor c repräsentiert, d.h.
Bei dem aufgeführten Beispiel ist das Zustandsübergangsmodell F linear, so dass dieses nicht linearisiert werden muss. In diesem Fall ist die Matrix
Aus der linearisierten Beobachtungsmatrix H sowie dem Voraussagewert
Hierbei signalisiert das hochgestellte T wie gewöhnlich eine transponierte Matrix.As usual, the superscript T signals a transposed matrix.
Die Hilfsgröße Innovation (mit „y“ symbolisiert) ergibt sich zu:
Die Größe y beschreibt, wie genau der vorhergesagte Mittelwert
Der Vorhersagewert x ergibt sich dann auf Basis der Innovation y, der Kalman-Matrix K und dem Durchschnittswert
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren betreffen die Messwerte einen Abnutzungsvorgang eines Funktionselements des Schienenfahrzeugs und die Zustandsgröße umfasst einen Abnutzungszustand des Funktionselements.In one embodiment of the method according to the invention for self-calibration of vehicle sensors, the measured values relate to a wear process of a functional element of the rail vehicle and the state variable includes a wear state of the functional element.
Beispielsweise kann diese Variante auf einen Öffnungsvorgang einer Fahrzeugtür angewendet werden, wobei die Zustandsgröße einen Abnutzungszustand von Funktionselementen der Tür betrifft. Die Kalibrationswerte dienen in dieser Ausgestaltung der Information, ob ein Funktionselement verschlissen ist und ausgetauscht werden muss oder nicht. Vorteilhaft kann eine automatisierte Funktionsüberwachung durchgeführt werden. Die Wartungsintervalle können sich an dem tatsächlichen Verschleiß der Fahrzeugtür orientieren, wodurch unnötiger Wartungsaufwand und Personalaufwand vermieden werden kann und trotzdem die Funktionsfähigkeit der Fahrzeugtür gewährleistet werden kann.For example, this variant can be applied to an opening operation of a vehicle door, wherein the state variable relates to a wear state of functional elements of the door. The calibration values serve in this embodiment of the information whether a functional element is worn and needs to be replaced or not. Advantageously, an automated function monitoring can be performed. The maintenance intervals can be based on the actual wear of the vehicle door, whereby unnecessary maintenance and personnel costs can be avoided and still the functionality of the vehicle door can be guaranteed.
Alternativ kann als Abnutzungsvorgang auch eine Abnutzung eines Rads eines Schienenfahrzeugs überwacht werden. Wird ein Raddurchmesser ermittelt, welcher unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt, so muss das Rad ausgetauscht werden. Vorteilhaft kann Personal für aufwändige Kontrollsichtungen technischer Bauelemente eines Schienenfahrzeugs eingespart werden.Alternatively, a wear of a wheel of a rail vehicle can be monitored as a wear process. If a wheel diameter is determined which is below a predetermined threshold, then the wheel must be replaced. Advantageously, personnel can be saved for complex inspection views of technical components of a rail vehicle.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren eines Schienenfahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, -
2 ein Blockdiagramm, welches eine Kalibrationseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, -
3 ein Blockdiagramm, welche ein Schienenfahrzeug mit einer Kalibrationseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
-
1 a flowchart illustrating a method for self-calibration of vehicle sensors of a rail vehicle according to a first embodiment of the invention, -
2 a block diagram illustrating a calibration device according to an embodiment of the invention, -
3 a block diagram illustrating a rail vehicle with a calibration device according to an embodiment of the invention.
In
In
In
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.It is finally pointed out again that the above-described methods and devices are merely preferred embodiments of the invention and that the invention can be varied by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention, as far as it is specified by the claims. For the sake of completeness, it is also pointed out that the use of indefinite articles does not exclude "a" or "one", that the characteristics in question can also be present multiple times. Similarly, the term "unit" does not exclude that it consists of several components, which may also be spatially distributed.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |