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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangssignals, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium, eine Messanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignals sowie eine Verwendung einer Messanordnung. Die Erfindung ist insbesondere geeignet beim autonomen Fahren zur Anwendung zu kommen.
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Ein autonomes Fahrzeug ist ein Fahrzeug, das ohne Fahrer auskommt. Das Fahrzeug fährt dabei autonom, indem es beispielsweise den Straßenverlauf, andere Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse selbständig erkennt und die entsprechenden Steuerbefehle im Fahrzeug berechnet sowie diese an die Aktuatoren im Fahrzeug weiterleitet, wodurch der Fahrverlauf des Fahrzeugs korrekt beeinflusst wird. Der Fahrer ist bei einem vollautonomen Fahrzeug nicht am Fahrgeschehen beteiligt.
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Unter anderem benötigt ein Fahrzeug für einen autonomen Betrieb diverse Sensoren, an die hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Hierbei ist es insbesondere gewünscht, einen Störfall eines Sensors erkennen und ggf. berücksichtigen zu können, der beispielsweise aufgrund einer Überlastung des Sensors eingetreten ist. In diesem Zusammenhang schlägt
DE 10 2010 028 080 A1 vor, zwei Beschleunigungssensoren mit voneinander verschiedenen Messbereichen vorzusehen, wobei in einem erkannten Störfall das Sensorsignal des Sensors mit geringerem Messbereich durch das Sensorsignal des Sensors mit größeren Messbereich ersetzt wird. Mit anderen Worten erfolgt hier ein Umschalten zwischen zwei Sensoren.
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In fast allen Messsystemen bzw. Sensoren gibt es neben der Begrenzung des Messsignals (Amplitude, Frequenz) eine Übersteuerungsmöglichkeit ohne das Element zu zerstören. Dies ist typischerweise über mechanische Elemente realisiert und wird nicht Überwacht (z. B. sog. mechanisches Clipping bei MEMS Sensoren). Die dem betreffenden Messsystem bzw. Sensor nachfolgende Mess- und Auswertevorrichtung kann das nicht erkennen und gibt das resultierende Signal als Ausgabewert weiter. Die Überlastung hat oft den Effekt, dass nach der Überlastung, das Messelement eine Erholzeit benötigt, um in den normalen Betriebszustand zurück zu kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangssignals, umfassend folgende Schritte:
- a) Messen einer Eigenschaft mit einem ersten Sensor,
- b) Messen derselben Eigenschaft mit einem zweiten Sensor, der einen größeren Messbereich hat als der erste Sensor,
- c) Generieren des Ausgangssignals aus einem Sensorsignal des ersten Sensors,
wobei während des Generierens in Schritt c) ein Beeinflussen des Sensorsignals erfolgt, wenn unter Verwendung des zweiten Sensors erkannt wurde, dass der Messbereich des ersten Sensors in Schritt a) überschritten wurde.
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Die hier vorgeschlagene Lösung trägt insbesondere zu einer (allgemeineren) Lösung des Problems, der sog. Maskierung von „falschen“ Sensorsignalen durch Übersteuerung der Messelemente bei. Dazu wird ein weiterer Sensor verwendet, der über einen größeren Messbereich (Amplitude, Frequenz) verfügt und der insbesondere zur Erkennung der Übersteuerung genutzt werden kann. Nach der Erkennung, die vorzugsweise schneller ist als die Signalerzeugung des eigentlichen Sensors, kann Situationsabhängig in der Sensorausgangssignal eingegriffen werden. Bei dem Ausgangssignal handelt es sich insbesondere um ein solches einer Messanordnung bzw. eines Messsystems.
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In Schritt a) wird eine Eigenschaft mit einem ersten Sensor gemessen. Bei der Eigenschaft handelt es sich beispielsweise um eine physikalische oder chemische Eigenschaft (physikalisch z. B. Wärmemenge, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallfeldgrößen, Helligkeit, Beschleunigung oder chemisch z. B. pH-Wert, lonenstärke, elektrochemisches Potential) und/oder eine stoffliche Beschaffenheit der Sensor-Umgebung. Der Sensor kann die Eigenschaft qualitativ und/oder als Messgröße quantitativ erfassen.
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In Schritt b) erfolgt ein Messen derselben Eigenschaft mit einem zweiten Sensor, der einen größeren Messbereich hat als der erste Sensor. Außer dem unterschiedlichen Messbereich, können die Sensoren grundsätzlich identisch ausgestaltet sein. In der Regel erfolgt das Messen mit dem zweiten Sensor zu derselben Zeit und/oder an im wesentlichen derselben Position wie das Messen mit dem ersten Sensor. „Im Wesentlichen“ bringt hierbei zum Ausdruck, dass die Messpositionen der beiden Sensoren auch einen geringen Abstand zueinander aufweisen können, wobei der Abstand insbesondere kleiner ist als eine Sensorlänge und/oder Sensorbreite.
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Der Messbereich eines Sensors wird insbesondere durch (s)eine Maximalamplitude und/oder (s)eine Maximalfrequenz bestimmt. Unter einer Maximalamplitude ist hier in der Regel eine maximal zulässige Amplitude des Sensors und unter einer Maximalfrequenz entsprechend regelmäßig eine maximal zulässige Frequenz des Sensors zu verstehen.
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Der erste Sensor und/oder der zweite Sensor kann bzw. können jeweils als sog. MEMS-Sensor ausgebildet sein. MEMS steht hierbei für Mikro-Elektromechanische Systeme. MEMS-Sensoren sind insbesondere sehr kleine (integrierte) Bauelemente, die in der Regel Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen. Sie können mechanische und elektrische Informationen verarbeiten. Diese Mechatronik-Chips werden meist aus Silizium hergestellt. Die Strukturen können kleiner als ein Mikrometer sein. Dank der Miniaturisierung lassen sie sich wie Halbleiter billig und in Massen fertigen.
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In Schritt c) erfolgt ein Generieren des Ausgangssignals aus einem Sensorsignal des ersten Sensors. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Ausgangssignal hier stets bzw. immer aus dem Sensorsignal des ersten Sensors, d. h. aus einem ggf. durch eine Messbereichsüberschreitung gestörten Sensorsignal generiert wird.
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Bei der hier vorgestellten Lösung erfolgt während des Generierens des Ausgangssignals in Schritt c) ein Beeinflussen des Sensorsignals, wenn unter Verwendung des zweiten Sensors erkannt wurde, dass der Messbereich des ersten Sensors in Schritt a) überschritten wurde. „Während des Generierens des Ausgangssignals in Schritt c)“ bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass während das Ausgangssignal aus dem Sensorsignal des ersten Sensors generiert wird, dieses Sensorsignal (des ersten Sensors) beeinflusst wird. Zum Erkennen kann eine Auswerteinrichtung dienen, die Signale von dem zweiten Sensor empfangen und/oder Signale bzw. Befehle an eine Beeinflussungseinrichtung senden kann. Die Beeinflussungseinrichtung kann in der Art eines Signalfilters zur Korrektur von Überlastsignalen gebildet sein. Das Beeinflussen des Sensorsignals umfasst insbesondere ein Verändern, Dämpfen und/oder Filtern. Ein Überschreiten des Messbereichs kann sich beispielsweise so darstellen, dass der erste Sensor ein Signal mit einer Amplitude bzw. Frequenz ausgibt, die (betragsmäßig) oberhalb einer Maximalamplitude bzw. Maximalfrequenz des ersten Sensors liegt. Wenn ein Überschreiten des Messbereichs vorliege, kann das Sensorsignal auch als Überlastsignal bezeichnet werden.
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Bevorzugt erfolgt die Erkennung (mittels der Auswerteinheit), ob der Messbereich des ersten Sensors in Schritt a) überschritten wurde, schneller als die Erzeugung des Ausgangssignals. Besonders bevorzugt erfolgt die Erkennung sogar schneller als die Erzeugung des Sensorsignals des ersten Sensors.
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Weiterhin bevorzugt erfolgt in Schritt c) kein Beeinflussen des Sensorsignals, wenn erkannt wurde, dass der Messbereich des ersten Sensors in Schritt a) nicht überschritten wurde. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass im normalen Betrieb (ohne Messbereichsüberschreitung) das Signal des ersten Sensors ohne Veränderung (ohne Filterung) durchgelassen wird.
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Ein Beeinflussen des Sensorsignals kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass in das (Sensor-)Ausgangssignal eingegriffen wird. Bevorzugt wird situationsabhängig in das (Sensor-)Ausgangssignal eingegriffen. Somit ist ein situationsabhängiges Beeinflussen des Sensorsignals besonders vorteilhaft. Drei beispielhafte Situationen sind in den nachfolgenden Absätzen angegeben. Dabei wird in Abhängigkeit der erkannten Situation beispielhaft eine Filterkonfiguration geändert bzw. angepasst, was in vorteilhafter Weise ein situationsabhängiges Beeinflussen realisiert.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass während des Generierens in Schritt c) ein Filtern des Sensorsignals mit einer ersten Filterkonfiguration erfolgt, wenn erkannt wurde, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors für eine definierte Zeitspanne oder kürzer als die definierte Zeitspanne überschritten wurde. Hierbei überschreitet die Signalamplitude in der Regel jedoch nicht einen (definierten) Schwellenwert. Die definierte Zeitspanne ist vorzugsweise proportional zu der Maximalfrequenz des ersten Sensors bzw. dem Frequenzbereich des ersten Sensors. Diese (erste) Situation kann eine Kurzzeitstörung, insbesondere ohne mechanisches Klippen der Sensorelemente und/oder einen kurzen Einschwingvorgang der Signalkonverter (AD-Konverter) darstellen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass während des Generierens in Schritt c) ein Filtern des Sensorsignals mit einer zweiten Filterkonfiguration erfolgt, wenn erkannt wurde, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors länger als eine definierte Zeitspanne überschritten wurde. Auch hierbei überschreitet die Signalamplitude in der Regel jedoch nicht den (definierten) Schwellenwert. Diese (zweite) Situation kann eine längere Störung darstellen, die oft durch einen Begrenzungseffekt in ein unsymmetrisches Ausgangssignal münden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass während des Generierens in Schritt c) ein Filtern des Sensorsignals mit einer zweiten Filterkonfiguration erfolgt, wenn erkannt wurde, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors länger als eine definierte Zeitspanne und ein Schwellenwert überschritten wurden. Bei dem Schwellenwert handelt es sich vorzugsweise um einen definierten bzw. vorbestimmten und/oder konstanten Schwellenwert. Diese (dritte) Situation kann eine starke Störung darstellen, die ein mechanisches Klippen von Sensor-Elementen (insbesondere von MEMS-Elementen) und/oder ein Ausschwingverhalten des Systems verursachen kann.
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Vorzugsweise weist die zweite Filterkonfiguration einen höhere Filter-Stärke bzw. Filter-Intensität auf als die erste Filterkonfiguration. Weiterhin bevorzugt weist die dritte Filterkonfiguration einen höhere Filter-Stärke bzw. Filter-Intensität auf als die zweite Filterkonfiguration.
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Insbesondere um einem sog. Offset zu begegnen, erfolgt in Schritt c) vorzugsweise auch ein Einwirken auf das Sensorsignal mittels eines Beobachterglieds. Das Beobachterglied kann beispielsweise in der Beeinflussungseinrichtung bzw. in dem Filter integriert sein. Das Beobachterglied ist insbesondere dazu eingerichtet Auswirkungen im Sensorsignal über einen längeren Zeitraum, insbesondere über mindestens die fünffache Dauer der definierten Zeitspanne zu überprüfen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Beobachterglied mit einem Tiefpassfilter gebildet, der insbesondere (nur) Frequenzen passieren lässt, die deutlicher, insbesondere mindestens fünffach kleiner sind als die Maximalfrequenz des ersten Sensors. Dies ist besonders vorteilhaft bei Systemen, die für das automatisierte Fahren eingesetzt werden, denn dort wird oft das zweifach integrierte Signal eines (MEMS-)Sensors benötigt und hier wirkt sich der Offsetwert proportional zur zweiten Potenz aus.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens vorgeschlagen. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das hier vorgeschlagene Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Messanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignals vorgeschlagen, umfassend:
- - einen ersten Sensor, eingerichtet zum Messen einer Eigenschaft,
- - einen zweiten Sensor, eingerichtet und angeordnet zum Messen derselben Eigenschaft und aufweisend einen größeren Messbereich als der erste Sensor,
- - eine Auswerteinrichtung, eingerichtet unter Verwendung des zweiten Sensors zu erkennen, ob der Messbereich des ersten Sensors überschritten wurde,
- - eine Beeinflussungseinrichtung, eingerichtet während eines Generierens des Ausgangssignals aus einem Sensorsignal des ersten Sensors das Sensorsignal zu beeinflussen.
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Bei der Messanordnung kann es sich um ein Messsystem handeln. Bevorzugt ist die Messanordnung eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.
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Bevorzugt interagiert die Auswerteinrichtung derart mit der Beeinflussungseinrichtung, dass eine Stärke bzw. Intensität der Beeinflussung durch die Beeinflussungseinrichtung (unmittelbar) von einer mittels der Auswerteinrichtung bestimmten Stärke bzw. Intensität und/oder Zeitspanne des Überschreitens des Messbereichs des ersten Sensors abhängt. Bevorzugt wird die Beeinflussungseinrichtung mit einer ersten Filterkonfiguration betrieben, wenn die Auswerteinrichtung erkannt hat, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors für eine definierte Zeitspanne oder kürzer als die definierte Zeitspanne überschritten wurde. Weiterhin bevorzugt wird die Beeinflussungseinrichtung mit einer zweiten Filterkonfiguration betrieben, wenn die Auswerteinrichtung erkannt hat, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors länger als eine definierte Zeitspanne überschritten wurde. Darüber hinaus kann die Beeinflussungseinrichtung mit einer dritten Filterkonfiguration betrieben werden, wenn die Auswerteinrichtung erkannt hat, dass eine maximale Signalamplitude des ersten Sensors länger als eine definierte Zeitspanne und ein (definierter) Schwellenwert überschritten wurden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Beeinflussungseinrichtung ein Filter umfasst. Bevorzugt ist das Filter verstellbar. Besonders bevorzugt ist das Filter in drei (sich in ihrer Filter-Stärke bzw. Intensität steigernden) Filterkonfigurationen verstellbar. Weiterhin bevorzugt handelt es sich bei dem Filter beispielsweise um ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) oder ein Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter). Besonders bevorzugt umfasst das Filter ein Tiefpassfilter.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung einer hier vorgeschlagenen Messanordnung in einem autonomen Fahrzeug vorgeschlagen. Bei dem autonomen Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein autonom operierendes Automobil. Besonders bevorzugt ist eine Verwendung einer hier vorgeschlagenen Messanordnung in einem und/oder zur Bereitstellung des Ausgangssignals für einen Bewegungs- und Positionssensor eines autonomen Fahrzeugs.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogram, dem Speichermedium, der Messanordnung und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt schematisch:
- 1: eine Messanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, und
- 2: beispielhafte Verläufe von Signalamplituden.
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1 zeigt schematisch eine Messanordnung 1 zum Erzeugen eines Ausgangssignals 6. Die Messanordnung 1 umfasst einen ersten Sensor 2, einen zweiten Sensor 3, der einen größeren Messbereich als der erste Sensor 2 aufweist, eine Auswerteinrichtung 4 und eine Beeinflussungseinrichtung 5. Die Beeinflussungseinrichtung 5 umfasst hier beispielhaft ein Filter 15, mit dem ein Sensorsignal 14 des ersten Sensors 2 beeinflusst, hier gefiltert, werden kann.
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2 zeigt schematisch beispielhafte Verläufe von Signalamplituden. Hierbei ist in dem Diagramm nach 2 die Amplitude 7 über die Frequenz 8 aufgetragen. Es sind eine Maximalamplitude 10 des ersten Sensors 2 und eine Maximalfrequenz 11 des ersten Sensors 2 sowie eine Maximalamplitude 12 des zweiten Sensors 3 und eine Maximalfrequenz 13 des zweiten Sensors 3 eingetragen.
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Zur Erläuterung einer beispielhaften Ausgestaltung der hier vorgeschlagenen Lösung nachfolgend auf beide 1 und 2 Bezug genommen.
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Es werden zwei Sensoren 2, 3 eingesetzt, die unterschiedliche Messbereiche für ihre Signalamplitude und den Frequenzbereich des Messsignals haben. Das Signal mit dem größeren Messbereich, also Sensor 3, wird zur Situationsanalyse genutzt. Es werden im Wesentlichen die folgenden Merkmale bzw. Situationen erkannt:
- • Eine Kurzzeitstörung insbesondere ohne mechanisches Klippen der Sensorelemente und/oder ein kurzer Einschwingvorgang der Signalkonverter (AD-Konverter), wenn die Signalamplitude oberhalb der Maximalamplitude 10 des ersten Sensors 2 aber kleiner als ein (definierter) Schwellenwert 9 ist.
- • Eine längere Störung, die oft durch einen Begrenzungseffekt in ein unsymmetrisches Ausgangssignal 6 mündet, wenn die Signalamplitude länger als eine definierte Zeitspanne (Dauer) oberhalb der Maximalamplitude 10 des ersten Sensors 2 aber unterhalb des Schwellenwerts 9 ist.
- • Eine starke Störung, die ein mechanisches Klippen von Sensor-Elementen (insbesondere von MEMS-Elementen) und/oder ein Ausschwingverhalten des Systems verursachen kann, wenn die Signalamplitude oberhalb des Schwellenwerts 9 ist.
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Hierbei kann die definierte Zeitspanne proportional zu der Maximalfrequenz 11 des ersten Sensors 2 bzw. dem Frequenzbereich des Sensors 2 sein.
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Durch die Identifizierung der unterschiedlichen Störungsfälle kann jetzt individuell für jeden Fall eine Abhilfemaßnahme genutzt werden. Das Einbringen der Maßnahme kann vereinfacht durch ein verstellbares Filter 15 dargestellt werden. Hierzu können Filter mit endlichen Impulsantwort (FIR-Filter) oder Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) zur Anwendung kommen. Darüber hinaus können hier mehr Möglichkeiten vorgesehen sein als nur mit FIR- oder IIR-Filtern. Vorzugsweise sind für das verstellbare Filter 15 (entsprechend der zuvor dargestellten drei Situationen) drei verschiedene Filterkonfigurationen vorgesehen. Zudem kann im normalen Betrieb (ohne Störung) hier das Signal des ersten Sensors 2 ohne Veränderung (ohne Filterung) durchgelassen werden.
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Insbesondere da das Thema Offset kritisch sein kann, wird vorgeschlagen, dass ein solches Filter 15 auch die Möglichkeit haben kann, hier über einen Beobachter einzuwirken und zu korrigieren. Die Effekte sind üblicherweise langfristiger Natur und können dadurch insbesondere auch sanft wieder zurück geführt werden. Dazu ist der Beobachter vorteilhaft, denn er überprüft die Auswirkungen über einen längeren Zeitraum, z. B. mittels Tiefpassfilter und tiefer Grenzfrequenz, die regelmäßig (nur) Frequenzen passieren lassen, die deutlicher kleiner sind als die Maximalfrequenz 11 des ersten Sensors 2. Dies ist besonders vorteilhaft bei Systemen, die für das automatisierte Fahren eingesetzt werden, denn dort wird oft das zweifach integrierte Signal eines (MEMS-)Sensors benötigt und hier wirkt sich der Offsetwert proportional zur dritten Potenz aus.
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Die hier vorgeschlagene Lösung ermöglicht insbesondere einen oder mehrere der nachstehenden Vorteile:
- • Die hier vorgeschlagene Lösung verbessert die Qualität von Sensoren mit geringerem Messbereich als die am Einbauort auftretenden Signale. D.h. der Effekte durch Sensorüberlastungen wird bestmöglich ausgeschaltet.
- • Durch die Sensorüberlastung entstehen in der Weiterverarbeitung typisch Offsetfehler, die aber keinen Bezug zu den typischen Offsetfehlermechanismen haben. Dadurch wird auch die Effektivität von Offsetkorrekturmethoden verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028080 A1 [0003]
