DE102018007972A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Gierratensensors eines Fahrassistenzsystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Gierratensensors (14) eines Fahrerassistenzsystems (16) eines Kraftfahrzeugs (10), welches wenigstens eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit (12) umfasst,mit den Schritten:- Bestimmen von jeweiligen Bewegungsvektoren durch den jeweiligen Vergleich einer Position des Kraftfahrzeugs (10) zu einem ersten Zeitpunkt mit der Position zu einem zweiten Zeitpunkt mittels der Positionsbestimmungseinheit (12);- Bilden von Satelliten-Drehwinkeln durch Differenzbildung von jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren (18);- Summieren der Satelliten-Drehwinkel mehrere aufeinanderfolgender, durch die Bewegungsvektoren (18) vorgegeben Streckenabschnitten einer Kalibrationsstrecke (20);- Summieren der durch den Gierratensensor (14) bestimmten Gierwinkel abzüglich eines aktuellen Gierraten-Versatzes des Gierratensensor (14) entlang der Kalibrationsstrecke (20); und- Aktualisieren des Gierraten-Versatzes anhand einer Abweichung des summierten Satelliten-Drehwinkel von dem summierten Gierwinkel, mittels einer Filterfunktion.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Gierratensensors eines Fahrassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs, welches wenigstens eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit umfasst.
• Die DE 102 47 992 A1 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung des Offsetwerts eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten und fahrdynamische Größen ermittelnden Sensors, bei dem durch einen Gierratensensor die Gierrate des Kraftfahrzeugs ermittelt wird. Durch Auswertung der durch einen im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger empfangenen GPS-Signale wird die Richtung der Geschwindigkeit, insbesondere der Drehung des Kraftfahrzeugs um die Hochachse ermittelt. Ausgehend von der durch den Gierratensensor ermittelten Gierrate und der ermittelnden Drehung anhand der GPS-Daten wird der Offsetwert des Sensors ermittelt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Offsetabgleich eines Gierratensensors besonders vorteilhaft durchzuführen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Gierratensensors eines Fahrassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Kalibrierung eines Gierratensensors eines Fahrassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs, welches wenigstens eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit umfasst. Das Kraftfahrzeug ist beispielweise ein Personenkraftwagen. Bei dem Fahrassistenzsystem kann es sich insbesondere um eine Fahrdynamikregelung beziehungsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm, kurz ESP, handeln.
• Das Verfahren umfasst dabei mehrere Schritte. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bestimmen von jeweiligen Bewegungsvektoren durch den jeweiligen Vergleich einer Position des Kraftfahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt mit der Position zu einem zweiten Zeitpunkt mittels der Positionsbestimmungseinheit. In einem zweiten Schritt erfolgt das Bilden von Satelliten-Drehwinkeln durch Differenzbildung von jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren. In einem dritten Schritt erfolgt das Summieren der Satelliten-Drehwinkel mehrerer aufeinanderfolgender, durch die Bewegungsvektoren vorgegebenen Streckenabschnitten einer Kalibrationsstrecke. In einem vierten Schritt werden die durch den Gierratensensor bestimmten Gierwinkel abzüglich eines aktuellen Gierraten-Versatzes des Gierratensensors entlang der Kalibrationsstrecke summiert. Als Versatz der Gierrate beziehungsweise Gierraten-Versatz ist ein Versatz beziehungsweise eine Abweichung, insbesondere Regelabweichung, der bestimmbaren von der tatsächlichen Gierrate zu verstehen, welche im Folgenden auch als Gierraten-Offset bezeichnet wird. In einem fünften und letzten Schritt des Verfahrens erfolgt das Aktualisieren des Gierraten-Offset anhand einer Abweichung des summierten Satelliten-Drehwinkels von dem summierten Gierwinkeln, mittels einer Filterfunktion.
• Mit anderen Worten erfolgt der Abgleich des Gierraten-Offsets anhand von Positionsdaten der Positionsbestimmungseinheit, insbesondere beispielsweise GPS-Daten eines Satellitennavigationsbestimmungssystems. Zum Abgleich der Gierrate soll somit einerseits die Drehung des Kraftfahrzeugs aus den aufsummierten Gierwinkeln des Gierratensensors und andererseits aus den Bewegungsvektoren anhand der GPS-Signale ermittelt werden. Der Gierratensensor kann beispielsweise eine Giergeschwindigkeit erfassen, woraus sich durch Multiplikation mit einer Zeit Δt, ein Gierwinkel bestimmen lässt. Der Winkel des jeweiligen Bewegungsvektors wird aus zwei aufeinanderfolgenden Positionsdatenpunkten, insbesondere GPS-Daten, gebildet. Der Bewegungswinkel beziehungsweise Satelliten-Drehwinkel (GPS-a) kann dann anhand folgender Formel berechnet werden: $$GPS-\propto ={\text{tan}}^{-1}\frac{\left(GP{S}_{Longitude}-GP{S}_{LongitudeAlt}\right)\ast \text{cos}\left(\left(GP{S}_{Latitude}+GP{S}_{LatitudeAlt}\right)\ast \mathrm{0,5}\right)}{GP{S}_{Latitude}-GP{S}_{LatitudeAlt}}$$

  
• Die Differenz aus zwei aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren ergibt einzelne Drehwinkel, insbesondere die Satelliten-Drehwinkeln. Die Satelliten-Drehwinkeln können insbesondere im Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinheit vorliegen und werden über die Kalibrationsstrecke erfasst beziehungsweise aufsummiert. Parallel dazu werden die Gierwinkel abzüglich des aktuellen Gierraten-Offsets des Gierratensensors über die Kalibrationsstrecke aufsummiert. Die Abweichung der beiden „Drehwinkel“ zueinander, also der Drehwinkel aus den Positionsbestimmungseinheitsdaten sowie der Drehwinkel aus dem Gierratensensor wird zur Korrektur des Offsets verwendet. Dies erfolgt mit einer Filterfunktion.
• Kurz zusammengefasst handelt es sich erfindungsgemäß um eine ermittelte Fahrzeugbewegungsrichtung mit einem Bewegungswinkel, der aus zwei aufeinanderfolgenden GPS-Punkten bestimmt wird. Die dadurch bestimmten Bewegungswinkel werden mit dem vom Gierratensensor erfassten Winkeln abgeglichen und anschließend gefiltert, womit ein Offsetabgleich besonders vorteilhaft durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ein besonders schneller Offsetabgleich aufgrund der Nutzung der insbesondere als GPS-Einheit ausgebildeten Positionsbestimmungseinheit als Referenzwert. Daraus ergeben sich vorteilhaft besonders kurze Filterzeiten, ebenso ist ein Vorteil des Verfahrens, dass keine Verfälschung eines Offsetwerts aufgrund der Querneigung einer Straße auftritt. Dabei eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Kalibrierung eines Gierratensensors eines Fahrassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs, welches insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet ist, sondern kann auch für den Offsetabgleich beispielsweise in einem Flugzeug verwendet werden. Darüber hinaus kann das Verfahren analog bei Vorhandensein geeigneter Sensoren zur Bestimmung des Offsets einer Nickrate verwendet werden.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Offsetabgleich eines Fahrassistenzsystems, insbesondere des ESPs, idealerweise bei einer über eine längere Zeit betrachtet Geradeausfahrt durchgeführt wird. Dies führt zu einer sehr starken Filterung des Offsetabgleichs. Die heutzutage oft verwendeten Sensoren mit Piezotechnik haben jedoch unterschiedliche Offsetverläufe über unterschiedliche Temperaturen. Dadurch können temporär Abweichungen entstehen, insofern das Kraftfahrzeug nicht öfters anhält und dabei einen Stillstandsabgleich durchführt. Durch die Verwendung der GPS-Signale des Fahrzeugs, wobei die vorhandene Positionsbestimmungseinheit beispielsweise Teil eines Navigationssystems oder eines Hermesmoduls sein kann, kann quasi ein Referenzsignal genutzt werden, indem man die Rotation des Kraftfahrzeugs anhand der GPS-Signale mit der Gierrate vergleicht.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Filterfunktion ein PT1-Glied auf, mittels welchem die Aktualisierung durchgeführt wird. Durch das PT1-Glied kann die Filterung besonders vorteilhaft durchgeführt werden.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird mittels einer weiteren Filterung über einen Mittelwert einer bestimmten Anzahl von Gierraten-Versätzen ein modifizierter Gierraten-Versatz als aktualisierter Gierraten-Versatz abgeleitet. Das heißt es wird zusätzlich beispielsweise eine weitere Filterung über beispielsweise acht Werte der Satelliten-Drehwinkel und/oder der Gierwinkel, mittels einer sogenannten Mittelwertbildung durchgeführt und daraus die modifizierte Gierrate abgeleitet.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kalibrationsstrecke eine Länge zwischen 300 m und 800 m auf und/oder zwischen dem Erfassen der Position zum ersten Zeitpunkt und dem Erfassen der Position zum zweiten Zeitpunkt wird eine Zeit von 0,1 bis 2 s abgewartet und/oder unter begrenzter Wartezeit bei einer relativen Geradeausfahrt begonnen und/oder beendet wird. Insbesondere erfolgt die Aktualisierung durch die Positionsbestimmungseinheit jede Sekunde.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs eine Aktualisierung des Gierraten-Versatzes durchgeführt. Mit anderen Worten erfolgt beim Stillstand des Kraftfahrzeugs weiterhin ein Offsetabgleich, um beispielsweise beim Starten des Kraftfahrzeugs schnell einen ersten Wert bereithalten zu können. Dabei erfolgen Stillstandsabgleiche ebenso während der Fahrt, wenn beispielsweise der Stillstand anhand eines oder mehrerer Raddrehzahlfühler als sicher erkannt gelten kann.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigt die einzige Fig. ein Kraftfahrzeug mit einem Gierratensensor und einer Positionsbestimmungseinheit entlang einer Kalibrationsstrecke.
• Die einzige Fig. zeigt ein Kraftfahrzeug 10, welches wenigstens eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit 12 und ein einen Gierratensensor 14 aufweisendes Fahrassistenzsystem 16 umfasst. Das Kraftfahrzeug10 weist eine räumliche Orientierung relativ zu den Himmelsrichtungen auf, welche durch eine Kompassrose 22 dargestellt sind.
• Im Folgenden soll ein Verfahren vorgestellt werden, mittels welchem der Gierratensensor 14 des Fahrassistenzsystems 16 des Kraftfahrzeugs 10, insbesondere bezüglich seines Gierraten-Versatzes, dem sogenannten Gierraten-Offset, kalibriert werden kann. Dabei umfasst das Verfahren mehrere Schritte. In einem ersten Schritt werden Bewegungsvektoren 18 bestimmt, wobei der jeweilige Bewegungsvektor 18 durch den jeweiligen Vergleich einer Position x₀ des Kraftfahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt to mit der Position x₁ zu einem zweiten Zeitpunkt t₁ mittels der Positionsbestimmungseinheit bestimmt wird. In einem zweiten Schritt werden Satelliten-Drehwinkel durch Differenzbildung von jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren 18 gebildet. In dem darauffolgenden Schritt werden die Satelliten-Drehwinkel mehrerer aufeinanderfolgender, durch die Bewegungsvektoren 18 vorgegebener Streckenabschnitte, beispielsweise S₁ bis S_n einer Kalibrationsstrecke 20, summiert. In einem weiteren Schritt, welcher insbesondere parallel durchgeführt werden kann, werden durch den Gierratensensor 14 bestimmte Gierwinkel ψ₀ bis beispielsweise ψ₅ abzüglich eines aktuellen Gierraten-Offsets des Gierratensensors 14 entlang der Kalibrationsstrecke 20 summiert. Anschließend erfolgt das Aktualisieren des Gierraten-Offsets anhand einer Abweichung des summierten Satelliten-Drehwinkel von dem summierten Gierwinkel, mittels einer Filterfunktion. Dabei ist die Filterfunktion vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Filter mittels eines PT1-Glieds durchgeführt werden kann.
• Der Winkel des jeweiligen Bewegungsvektors 18, also der Satelliten-Drehwinkel (GPS-a), wird aus den genannten zwei, insbesondere zeitlich aufeinanderfolgend bestimmten Punkten durch die Positionsbestimmungseinheit 12 bestimmt, wobei die Berechnung durch die Formel: $$GPS-\propto ={\text{tan}}^{-1}\frac{\left(GP{S}_{Longitude}-GP{S}_{LongitudeAlt}\right)\ast \text{cos}\left(\left(GP{S}_{Latitude}+GP{S}_{LatitudeAlt}\right)\ast \mathrm{0,5}\right)}{GP{S}_{Latitude}-GP{S}_{LatitudeAlt}}$$

  

  vorgegeben ist. Diese Funktion liefert Werte zwischen -90° < GPS-α < +90°. Fährt das Kraftfahrzeug 10 nun genau von Ost nach West, vergleiche hierzu die Kompassrose 22, welche den Raum in der Ebene in vier Quadranten Q1 bis Q 4 aufteilt, würde eine Division durch 0 in der Formel auftreten. Diese kann abgefangen werden und je nach Richtung der Wert -90° beziehungsweise 90° eingetragen werden. Für die Bestimmung der Bewegungsvektoren 18 erfolgt das Erfassen der Positionen vorzugsweise in einem Zeitintervall zwischen 0,1 bis 2 s, insbesondere jede Sekunde. Die Differenz aus zwei aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren 18 ergibt einzelne Drehwinkel GPS-α_n in dem durch die Kompassrose 22 bestimmten Koordinatensystem, welches als Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinheit 12 aufgefasst werden kann. Durch die Arkustangensfunktion (arctan) ergeben sich je nach Fahrrichtung des Kraftfahrzeugs 10 Werte zwischen -90° bis +90°. Dies kann durch die vier Quadranten Q1 bis Q4 folgendermaßen aufgeteilt werden: Die Wertebereiche der Quadranten sind dabei für den Quadrant 1 0° bis < 90°, für den Quadranten 2 0° bis > -90°, für den Quadranten 4 > -90° bis 0° und für den Quadranten 3 < 90° bis 0°. Solange kein Wechsel von Quadrant 1 nach Quadrant 2 oder von Quadrant 3 nach Quadrant 4 beziehungsweise umgekehrt erfolgt, kann zur Berechnung der Winkeländerung einfach die Differenz der Bewegungsvektoren 18 gebildet werden. Bei einem Übergang von Quadrant 1 (fast 90°) nach Quadrant 2 (fast -90°) ergibt die Differenz einen Wert nahe -180°. Um die tatsächliche Winkeländerung des Kraftfahrzeugs 10 zu bestimmen, muss somit 180° addiert werden. Analog gilt dies für die andere Drehrichtung mit der Subtraktion von 180°. Da man nur die Winkeländerung benötigt, muss in den Quadranten 2 und 3 der Wert nicht auf den Bereich 90° bis 180° beziehungsweise -90° bis -180° korrigiert werden.
• Es ergeben sich aber positive Werte bei Rechtsdrehung des Kraftfahrzeugs 10, während demgegenüber die Gierrate im Kraftfahrzeug 10 linksdrehend ist. Dies muss bei der Berechnung der Winkelabweichung am Ende der Kalibrationsstrecke 20 berücksichtigt werden.
• Die Kalibrationsstrecke 20 wird anhand der Genauigkeit der Positionsbestimmungseinheit 12, also insbesondere eines GPS-Signals, welches auf circa ± 10 m genau sein kann, abgeleitet. Es ergibt sich experimentell eine Mindeststrecke der Kalibrationsstrecke 20 von 300 m bei niedrigen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs 10, die bis auf 650 m bei höheren Geschwindigkeiten erhöht werden kann, um immer ausreichend viele Datenpunkte für die Bestimmung des Offsetabgleichs beziehungsweise der Kalibrierung nutzen zu können.
• Ferner wird die Erfassung gestartet, wenn eine relative Geradeausfahrt vorliegt. Während der Erfassung sollte eine Mindestgeschwindigkeit nicht unterschritten und eine Querbeschleunigungsgrenze nicht überschritten werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn zum Ende der Kalibrationsstrecke 20 wiederum eine relativ gute Geradeausfahrt vorliegt. Dazu wird bei Bedarf die Kalibrationsstrecke um bis zu 200 m erhöht, wodurch sich vorteilhafterweise eine Kalibrationsstrecke 20 zwischen 300 m und 850 m ergibt.
• Falls im Anschluss beziehungsweise bei Beendigung der Durchfahrt der Kalibrationsstrecke 20 das Kraftfahrzeug 10 immer noch eine Kurvenfahrt tätigt beziehungsweise in eine Kurve fährt, wird die Erfassung abgeschlossen und für die Abweichung eines Polygonzugs der GPS-Daten beziehungsweise der Positionsbestimmungseinheit-Daten zum nahezu analogen Erfassen des Drehwinkels beziehungsweise des Gierwinkels des Gierratensensors 14, der halbe Winkel aus der Änderung der letzten beiden Bewegungsvektoren 18 näherungsweise zum Satelliten-Drehwinkel addiert. Vorzugsweise erfolgt beim Stillstand des Kraftfahrzeugs 10 ebenso eine Aktualisierung des Gierraten-Offsets.
• Die Positionsbestimmungseinheitsdaten beziehungsweise die GPS-Daten sollten, damit das Verfahren besonders vorteilhaft durchgeführt werden kann, mindestens eine Auflösung von 0,1 Bogensekunden haben und in Abhängigkeit der Positionsbestimmungseinheit 12, wenn diese beispielsweise als Satellitennavigationssystem ausgebildet ist, darf eine Optimierung der Position anhand von Kartendaten, einer eventuellen Spurschätzung und der Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt werden. Haben die Daten nur eine Auflösung in Winkelsekunden muss entsprechend die Kalibrationsstrecke 20 erhöht werden.
• Durch das Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise die Kalibration eines Gierwinkel-Offsets des Gierratensensors 14 eines Fahrassistenzsystems 16 des Kraftfahrzeugs 10 möglich.
• Bezugszeichenliste

10

Kraftfahrzeug

12

Positionsbestimmungseinheit

14

Gierratensensor

16

Fahrassistenzsystem

18

Bewegungsvektor

20

Kalibrationsstrecke

22

Kompassrose

ψ_n

nter-Gierwinkel

GPS-α_n

nter-Satelliten-Drehwinkel

S_n

nter-Streckenabschnitt

Q1

erster Quadrant

Q2

zweiter Quadrant

Q3

dritter Quadrant

Q4

vierter Quadrant

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10247992 A1 [0002]

Claims (5)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Gierratensensors (14) eines Fahrerassistenzsystems (16) eines Kraftfahrzeugs (10), welches wenigstens eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit (12) umfasst, mit den Schritten: - Bestimmen von jeweiligen Bewegungsvektoren durch den jeweiligen Vergleich einer Position des Kraftfahrzeugs (10) zu einem ersten Zeitpunkt mit der Position zu einem zweiten Zeitpunkt mittels der Positionsbestimmungseinheit (12); - Bilden von Satelliten-Drehwinkeln durch Differenzbildung von jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bewegungsvektoren (18); - Summieren der Satelliten-Drehwinkel mehrere aufeinanderfolgender, durch die Bewegungsvektoren (18) vorgegeben Streckenabschnitten einer Kalibrationsstrecke (20); - Summieren der durch den Gierratensensor (14) bestimmten Gierwinkel abzüglich eines aktuellen Gierraten-Versatzes des Gierratensensor (14) entlang der Kalibrationsstrecke (20); und - Aktualisieren des Gierraten-Versatzes anhand einer Abweichung des summierten Satelliten-Drehwinkel von dem summierten Gierwinkel, mittels einer Filterfunktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfunktion ein PT1-Glied aufweist, mittels welchem die Aktualisierung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer weiteren Filterung über einen Mittelwert einer bestimmten Anzahl von Gierraten-Versätzen ein modifizierter Gierraten-Versatz als aktualisierter Gierraten-Versatz abgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrationsstrecke (20) zwischen 300 m und 850 m lang ist und/oder zwischen dem Erfassen der Position zum ersten Zeitpunkt und dem Erfassen der Position zum zweiten Zeitpunkt ein Zeit von 0,1 bis 2 s abgewartet wird und/oder unter begrenzter Wartezeit bei einer relativen Geradeausfahrt begonnen und/oder beendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs (10) eine Aktualisieren des Gierraten-Versatzes durchgeführt wird.

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