DE102018213865B4

DE102018213865B4 - Verfahren zur Bestimmung von Drehraten, Sensorsystem

Info

Publication number: DE102018213865B4
Application number: DE102018213865.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Neul; Andreas LASSL; Peter Degenfeld-Schonburg; Nils Felix Kuhlmann; Niels Bode; Matthias Kuehnel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2038-08-18
Also published as: DE102018213865A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Drehraten mithilfe eines Sensorsystems, umfassend eine Sensoreinrichtung (100), wobei die Sensoreinrichtung (100) eine Drehratensensoreinrichtung umfasst:-- wobei die Drehratensensoreinrichtung eine mechanische Schwingerstruktur (110), umfassend mindestens einen Antriebsschwinger und mindestens einen Detektionsschwinger, umfasst, wobei die mechanische Schwingerstruktur (110) eine oder mehrere Antriebsmoden, eine oder mehrere Detektionsmoden und eine oder mehrere Störmoden aufweist,-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Antriebseinrichtung (120), die den Antriebsschwinger antreibt, umfasst und-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Detektionseinrichtung (140), die Bewegungen des Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine zweite Detektionseinrichtung (150), die Bewegungen des Detektionsschwingers detektiert, umfasst, wobei mithilfe der ersten Detektionseinrichtung erste Messsignale erzeugt werden, wobei mithilfe der zweiten Detektionseinrichtung zweite Messsignale erzeugt werden,wobei das Sensorsystem ferner eine Modellrecheneinrichtung (200) umfasst, die ein dynamisches Modell der Drehratensensoreinrichtung im Modalraum zumindest eines Teils der Antriebsmoden, Detektionsmoden und Störmoden während eines Betriebs der Drehratensensoreinrichtung berechnet, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) ein Differentialgleichungssystem (210) benutzt, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) eine zeitliche Ableitung eines Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems (210) ausgibt, wobei der Zustandsvektor die modalen Auslenkungen und Geschwindigkeiten der in dem Differentialgleichungssystem (210) modellierten Antriebs-, Detektions- und Störmoden umfasst,wobei das Sensorsystem ferner eine Einrichtung (600) aufweist, wobei die Einrichtung (600) - mithilfe der von der Modellrecheneinrichtung (200) ausgegebenen zeitlichen Ableitung des Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems (210) - eine zeitliche numerische Integration des Zustandsvektors ausführt und/oder zu einer Aktualisierung eines geschätzten Zustandsvektors ausgebildet ist,wobei das Sensorsystem eine weitere Einrichtung (300) umfasst, wobei die weitere Einrichtung (300) - mithilfe des von der Einrichtung (600) ausgegebenen geschätzten Zustandsvektors - berechnete Bewegungen der Antriebsmoden (340), berechnete Bewegungen der Detektionsmoden (350) und berechnete Bewegungen der Störmoden (380) bestimmt und - mithilfe einer Kombinationseinrichtung (390) - Auswirkungen auf die mindestens erste und zweite Detektionseinrichtung derart bestimmt, dass berechnete erste und zweite Messsignale bestimmt werden,wobei Abweichungen zwischen den ersten Messsignalen und den berechneten ersten Messsignalen sowie zwischen den zweiten Messsignalen und den berechneten zweiten Messsignalen bestimmt werden,wobei das Sensorsystem ferner eine Filterverstärkermatrix (500) aufweist, wobei eine Multiplikation der Filterverstärkermatrix (500) mit den bestimmten Abweichungen zur Aktualisierung des geschätzten Zustandsvektors der Einrichtung (600) zugeführt wird,wobei das Sensorsystem eine Synchrondemodulationseinrichtung (800) umfasst, wobei die Synchrondemodulationseinrichtung (800) - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden - Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Drehraten mithilfe eines Sensorsystems, umfassend eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung eine Drehratensensoreinrichtung umfasst, sowie ein Sensorsystem zur Bestimmung von Drehraten.
Derartige Sensoren kommen beispielsweise beim hochautomatisierten Fahren oder auch bei der Indoor-Navigation von Verbrauchergeräten zum Einsatz. Die Anforderungen an solche mechanische bzw. elektromechanische Sensoren, insbesondere Drehratensensoren für IMUs (Inertial Measurement Units), steigen dabei kontinuierlich an. Aus Kostengründen werden die IMUs aus MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) aufgebaut.
Die verwendeten Drehratensensoren nutzen mechanische Strukturen, um auf Grundlage des Corioliseffekts Drehraten zu messen. Die mechanischen Strukturen werden dazu so entworfen, dass sie bestimmte Vibrationsmoden (Eigenmoden) besitzen. Mindestens eine davon wird als Antriebsmode verwendet, um die Struktur in eine resonante Schwingung zu versetzen, während andere Moden, als Detektionsmoden verwendet werden, um in den verschiedenen Messachsen mit Hilfe des Corioliseffekts die Drehgeschwindigkeiten zu messen.
Es ist unvermeidlich, dass diese mechanischen Strukturen neben den nützlichen Moden (Antriebs- und Detektionsmoden) auch beliebig viele, möglicherweise störende Moden, aufweisen, die unter bestimmten Voraussetzungen angeregt werden können und die Offset-Driften oder sogar Offset-Sprünge verursachen können. Um verbesserte Sensorsysteme zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Einflüsse solcher Störmoden auf den Betrieb und die Messungen der Sensoren zu vermindern.
XIA, Dunzhu et al.: A Digitalized Gyroscope System Based on a Modified Adaptive Control Method. In: Sensors, 16, 2016, 3, 321, offenbart die Möglichkeit eines adaptiven Regelalgorithmus für MEMS-Gyroskope. Durch einen Vergleich der Arbeitsbedingungen des Gyroskops mit einem Referenzmodell kann das adaptive Regelverfahren eine Online-Schätzung der Schlüsselparameter und eine geeignete Regelstrategie für das System liefern. Die DE 102 30 528 A1 betrifft ein System der Beseitigung der Abweichung für ein Schwinggyroskop.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Sensorsystem bereitzustellen, die es ermöglichen, die nachteiligen Einflüsse störender Moden zu verringern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Drehraten mithilfe eines Sensorsystems gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein dynamisches Modell der Sensorfunktion, insbesondere beinhaltend eine oder mehrere Störmoden, verwendbar ist. Es ist erfindungsgemäß möglich, das dynamische Modell in Echtzeit parallel zu der realen Sensorfunktion zu berechnen. Die Kenntnis der internen Zustände des Sensormodells erlaubt dabei, die Effekte der Störmoden und die der Nutzmoden zu separieren und so die Sensorausgangssignale, also die bestimmten Drehgeschwindigkeitssignale, zu verbessern. Erfindungsgemäß können somit die nachteiligen Einflüsse von Störmoden auf die Messsignale vermindert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass die Filterverstärkermatrix mithilfe mindestens einer der folgenden Filtertechniken bestimmt wird:

Kalmanfilter, Wienerfilter, Partikelfilter, Bayes Filter, Beobachter, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, besonders geeignete Filtertechniken zu verwenden, die ein detailliertes dynamisches Modell der Sensorfunktion enthalten können. Derart kann eine besonders vorteilhafte Separation der Effekte der Störmoden, Antriebsmoden und Detektionsmoden erzielt werden.

Dadurch, dass die Drehratensensorreinrichtung mindestens eine zweite Antriebseinrichtung umfasst, die den Detektionsschwinger antreibt, wobei das Sensorsystem ferner eine Rückkoppeleinrichtung für eine Übertragungsfunktion zur Messung der Coriolisbeschleunigung umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine Phase Locked Loop zur Erzeugung und Beibehaltung einer konstanten Schwingungsamplitude des mindestens einen Antriebsschwingers umfasst, wobei das Sensorsystem insbesondere eine automatische Verstärkungskontrolle umfasst, ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte „closed loop“-Detektion möglich. Die Rückkoppeleinrichtung sorgt dabei bevorzugt für eine gewünschte Übertragungsfunktion zur Messung der Coriolisbeschleunigung.
Dadurch, dass die Synchrondemodulationseinrichtung - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden, insbesondere als zu demodulierendes Signal, und zusätzlich mithilfe eines Ausgangssignals des Phase Locked Loop, insbesondere als Demodulationsträger, - die Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Drehgeschwindigkeitssignale aus einer Demodulation auf Basis der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden und der Ausgangssignale des Phase Locked Loop bestimmt werden.
Dadurch, dass die Synchrondemodulationseinrichtung - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden, insbesondere als zu demodulierendes Signal, und ferner mithilfe der berechneten Bewegungen der Antriebmode, insbesondere als Demodulationsträger, - die Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Drehgeschwindigkeitssignale aus einer Demodulation auf Basis der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden und der berechneten Bewegungen der Antriebmode bestimmt werden.
Dadurch, dass das Sensorsystem ferner einen Tiefpassfilter aufweist, wobei die von der Synchrondemodulationseinrichtung bestimmten Drehgeschwindigkeitssignale mithilfe des Tiefpassfilters gefiltert werden, sodass gefilterte Drehgeschwindigkeitssignale erhalten werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, besonders rauscharme gefilterte Drehgeschwindigkeitssignale zu erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Drehratensensoreinrichtung als mikroelektromechanisches System ausgebildet ist oder ein mikroelektromechanisches System umfasst.
Dadurch, dass das Verfahren ferner zur Bestimmung von Beschleunigungen vorgesehen ist, wobei die Sensoreinrichtung ferner eine Beschleunigungssensoreinrichtung umfasst:

-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung eine weitere mechanische Schwingerstruktur, umfassend mindestens einen weiteren Antriebsschwinger und mindestens einen weiteren Detektionsschwinger, umfasst, wobei die weitere mechanische Schwingerstruktur eine oder mehrere weitere Antriebsmoden, eine oder mehrere weitere Detektionsmoden und eine oder mehrere weitere Störmoden aufweist,
-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Antriebseinrichtung, die den weiteren Antriebsschwinger antreibt, umfasst, und
-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Detektionseinrichtung, die Bewegungen des weiteren Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine weitere zweite Detektionseinrichtung, die Bewegungen des weiteren Detektionsschwingers detektiert, umfasst,

Dadurch, dass die Beschleunigungssensorreinrichtung mindestens eine weitere zweite Antriebseinrichtung, die den weiteren Detektionsschwinger antreibt, umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine weitere Rückkoppeleinrichtung für eine Übertragungsfunktion zur Messung der Beschleunigungen umfasst, wobei die Phase Locked Loop ferner zur Erzeugung und Beibehaltung einer konstanten Schwingungsamplitude des mindestens einen weiteren Antriebsschwingers ausgebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, den Beschleunigungssensor gemäß einem „closed loop“-Verfahren zu betreiben.
Dadurch, dass das Sensorsystem eine Signalanpassung oder Verstärkung umfasst, wobei die Beschleunigungssignale ferner mithilfe der Signalanpassung oder Verstärkung erhalten werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die berechneten weiteren Bewegungen der weiteren Detektionsmoden angepasst bzw. verstärkt werden, um die Beschleunigungssignale zu erhalten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsystem zur Bestimmung von Drehraten, umfassend eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung eine Drehratensensoreinrichtung umfasst: -- wobei die Drehratensensoreinrichtung eine mechanische Schwingerstruktur, umfassend mindestens einen Antriebsschwinger und mindestens einen Detektionsschwinger, umfasst, wobei die mechanische Schwingerstruktur eine oder mehrere Antriebsmoden, eine oder mehrere Detektionsmoden und eine oder mehrere Störmoden aufweist,

-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Antriebseinrichtung, die zum Antrieb des Antriebsschwingers ausgebildet ist, umfasst, und
-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Detektionseinrichtung, die zur Detektion von Bewegungen des Antriebsschwingers ausgebildet ist, und mindestens eine zweite Detektionseinrichtung, die zur Detektion von Bewegungen des Detektionsschwingers ausgebildet ist, umfasst,

- mithilfe der von der Modellrecheneinrichtung ausgegebenen zeitlichen Ableitung des Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems - zu einer zeitlich numerischen Integration des Zustandsvektors und/oder zu einer Aktualisierung eines geschätzten Zustandsvektors ausgebildet ist,

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die mechanische Sensoreinrichtung 100 beinhaltet dabei eine mechanische Schwingerstruktur 110, die einen oder mehrere Antriebsschwinger (mit entsprechenden Antriebsmoden) und einen oder mehrere dazu gekoppelten Detektionsschwinger (mit entsprechenden Detektionsmoden) aufweist. Neben den Antriebsmoden und Detektionsmoden sind ferner Störmoden vorhanden. Die Anzahl der Antriebsschwinger und Detektionsschwinger skaliert insbesondere mit der Anzahl an Detektionsachsen des Sensors. Entsprechend umfasst die Sensoreinrichtung 100 eine oder mehrere erste Antriebseinrichtungen 120 für die Antriebsschwinger und eine oder mehrere zweite Antriebseinrichtungen 130 für die Detektionsschwinger. Entsprechend kommt eine „closed loop“-Detektion zum Einsatz. Ebenso beinhaltet die Sensoreinrichtung 100 eine oder mehrere erste Detektionseinrichtungen 140 (bzw. Messeinrichtungen) zur Detektion der Bewegungen der Antriebsschwinger und eine oder mehrere zweite Detektionseinrichtungen 150 zur Detektion der Bewegungen der Detektionsschwinger. Bei den ersten und/oder zweiten Antriebseinrichtungen 120, 130 kann es sich um elektrostatische Kamm- oder Plattenstrukturen handeln oder auch um piezoelektrische, elektromagnetische, elektrodynamische, magnetostriktive Strukturen. Infrage kommen auch Strukturen, die auf Basis anderer physikalische Effekte, Kräfte ausüben können. Bei den ersten und/oder zweiten Detektionseinrichtungen 140, 150 kann es sich zusätzlich zu den genannten physikalischen Effekten (elektrostatische Kamm- oder Plattenstrukturen handeln oder auch um piezoelektrische, elektromagnetische, elektrodynamische, magnetostriktive Strukturen) auch um piezoresistive oder optische Verfahren/Strukturen handeln, also auch um Effekte, die direkt keine Kräfte ausüben können, aber zur Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Zeitbestimmung herangezogen werden können.
Ein oder mehrere erste Signalwandler bzw. Vorverstärker 160 liefern erste Messsignale, also erste elektrische Signale, zu den Bewegungen der Antriebsschwinger und ein oder mehrere zweite Signalwandler bzw. Vorverstärker 170 liefern zweite Messsignale zu den Bewegungen der Detektionsschwinger. Eine Rückkoppeleinrichtung 190 sorgt im Fall einer „closed loop“-Detektion für die gewünschte Übertragungsfunktion zur Messung der Coriolisbeschleunigungen und eine Phase Locked Loop 180 und eine automatische Verstärkungskontrolle 185 sorgen für eine konstante Schwingamplitude der Antriebsschwinger.
Parallel zur realen Sensoreinrichtung 100 wird ein dynamisches Modell des Sensors in einer Modellrecheneinrichtung 200 gerechnet. Diese umfasst ein gekoppeltes Differentialgleichungssystem 210 im Modalraum der Antriebsmoden, der Detektionsmoden und der relevanten Störmoden der mechanischen Schwingerstruktur 110. Eine oder mehrere Gleichungen 220 beschreiben dabei die Kraftwirkungen auf die Antriebsmoden, eine oder mehrere Gleichungen 230 beschreiben die Kraftwirkungen auf die Detektionsmoden und eine oder mehrere Gleichungen 240 beschreiben die Kraftwirkungen auf die Störmoden. Am Ausgang des dynamischen Modells des Sensors bzw. der Modellrecheneinrichtung 200 steht die zeitliche Ableitung des Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems 210 zur Verfügung für die zeitliche numerische Integration des Zustandsvektors und für eine Aktualisierung der Zustandsschätzung (bzw. Aktualisierung eines geschätzten Zustandsvektors).
Beides wird in der Einrichtung 600 durchgeführt. Der Zustandsvektor besteht aus den modalen Auslenkungen und den modalen Geschwindigkeiten aller in dem Differentialgleichungssystem 210 modellierten bzw. berücksichtigten Antriebs-, Detektions- und Störmoden. Am Ausgang der Einrichtung 600 steht der durch den Filteralgorithmus geschätzte Zustandsvektor des gekoppelten Differentialgleichungssystems 210 zur Verfügung.
In der weiteren Einrichtung 300 werden die (Messungen der) berechneten Bewegungen der Antriebsmoden 340, Detektionsmoden 350 und Störmoden 380 beschrieben und durch eine Kombinationseinrichtung 390 (beispielsweise eine Linearkombination) ihre Auswirkungen auf die Messeinrichtungen bzw. Detektionseinrichtungen 140, 150 des realen Sensors bestimmt, was zu berechneten ersten und zweiten Messsignalen führt. Diese werden in einer Abweichungsermittlung 400 jeweils von den Messungen der Bewegung des realen Sensors (also den ersten und zweiten Messsignalen) abgezogen. Somit werden die Abweichungen des gerechneten Sensormodells vom Verhalten des realen Sensors bestimmt. Diese Abweichungen werden mit der Filterverstärkungsmatrix 500 multipliziert und in der Einrichtung 600 als Aktualisierung der Zustandsschätzung verwendet, indem sie zum in der Modellrecheneinrichtung 200 und der Einrichtung 600 gerechneten Verhalten des Sensors hinzuaddiert werden.
Die Filterverstärkungsmatrix 500 kann mit verschieden Filteralgorithmen bestimmt werden, z.B. Kalmanfilter, Wienerfilter, Partikelfilter, Bayes Filter, Beobachter, etc. Je nach verwendetem Verfahren ist diese Filterverstärkungsmatrix 500 dabei zeitlich konstant oder wird in Echtzeit adaptiv an die Messsituation angepasst.
In der Synchrondemodulationseinrichtung 800 erfolgt die Synchrondemodulation der Sensorsignale. Der Demodulationsträger kommt aus dem Phase Locked Loop 180 und die zu demodulierende Information aus den berechneten Bewegungen der Detektionsmoden aus der weiteren Einrichtung 300. Auf diese Weise wird eine vorteilhafte Separation der Bewegungen der Detektionsmoden von den Störmoden und den Antriebsmoden durch den beschriebenen Filteralgorithmus erreicht. In der Vorfunktion 700 (vor der Zuführung zur Synchrondemodulationseinrichtung 800) können dazu die Signale der Detektionsmoden (bzw. die berechneten Bewegungen der Detektionsmoden) direkt verwendet werden oder auch durch Kombinationen aus mehreren Moden.
Die Signale am Ausgang der Synchrondemodulationseinrichtung 800 werden bevorzugt durch den Tiefpassfilter 900 von unerwünschten höher-frequenten Anteilen befreit. So werden das eine oder auch die mehreren gemessenen gefilterten Drehgeschwindigkeitssignale 1000 zur Verfügung gestellt.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur in 1 gezeigten ersten Ausführungsform wird hier der Demodulationsträger nicht aus der Phase Locked Loop 180 gewonnen, sondern aus den berechneten Bewegungen der Antriebsmoden aus der weiteren Einrichtung 300. Entsprechend bestimmt die Synchrondemodulationseinrichtung 800 - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden als zu demodulierendes Signal und ferner mithilfe der berechneten Bewegungen der Antriebmode als Demodulationsträger - die Drehgeschwindigkeitssignale.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zusätzlich zu den Drehgeschwindigkeitsmessstrukturen werden hierbei ferner eine oder mehrere Beschleunigungssensorstrukturen (also mindestens ein oder mehrere weitere Antriebsschwinger und mindestens ein oder mehrere weitere Detektionsschwinger, mit entsprechenden weiteren Antriebsmoden, weiteren Detektionsmoden und weiteren Störmoden) in der weiteren Schwingerstruktur 110' verwendet. Die eine oder mehrere Beschleunigungssensorstrukturen umfassen eine oder mehrere weitere erste und/oder weitere zweite Antriebseinrichtungen 125 und weitere erste und/oder weitere zweite Detektionseinrichtungen 145 und weitere erste und/oder zweite Signalwandler bzw. Verstärker 165. Diese werden ebenfalls in der Modellrecheneinrichtung 200 und der weiteren Einrichtung 300 parallel zu den realen Beschleunigungssensorstrukturen in den weiteren Modellen bzw. Gleichungen 225 und als berechnete weitere Bewegungen der weiteren Antriebsmoden, weiteren Detektionsmoden 350 und weiteren Störmoden 345 gerechnet. Die weitere Rückkoppeleinrichtung 195 stellt optional die gewünschte Übertragungsfunktion der Beschleunigungsmessungen ein. Die Modelle der Beschleunigungsmessstrukturen sind auch Teil des Differentialgleichungssystems 210 und des Zustandsvektors. Dieser erweitert sich um die Auslenkungen und Geschwindigkeiten der Beschleunigungssensorstrukturen. Die kreuzweise Beeinflussung von Beschleunigungen und Drehgeschwindigkeiten werden in der Kombinationseinrichtung 390 berücksichtigt. Auf diese Weise können die verschiedenen Effekte getrennt werden, da sie im Zustandsvektor des Filteralgorithmus separiert vorliegen. Die Signalanpassung oder Verstärkung 1100 passt die Beschleunigungen an bzw. verstärkt diese und die so erhaltenen Beschleunigungssignale 1200 werden als Ausgangssignal bzw. gemessene Beschleunigung(en) zur Verfügung gestellt.
Drehgeschwindigkeits- und Beschleunigungsmessstrukturen können dabei auf einem Sensorchip, aber auch auf mehreren Sensorchips vorliegen.
In 4 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur in 3 gezeigten dritten Ausführungsform wird hierbei jedoch der durch den Filteralgorithmus bestimmte Demodulationsträger verwendet. Entsprechend wird der Demodulationsträger nicht aus der Phase Locked Loop 180 gewonnen, sondern bevorzugt aus den berechneten Bewegungen der Antriebsmoden aus der weiteren Einrichtung 300.
Zusammenfassend werden in den 1, 2, 3 und 4 jeweils Ausführungsformen eines Verfahrens zur Bestimmung von Drehraten mithilfe eines Sensorsystems, umfassend eine Sensoreinrichtung 100, schematisch dargestellt, wobei die Sensoreinrichtung 100 eine Drehratensensoreinrichtung umfasst:

-- wobei die Drehratensensoreinrichtung eine mechanische Schwingerstruktur 110, umfassend mindestens einen Antriebsschwinger und mindestens einen Detektionsschwinger, umfasst, wobei die mechanische Schwingerstruktur 110 eine oder mehrere Antriebsmoden, eine oder mehrere Detektionsmoden und eine oder mehrere Störmoden aufweist,
-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Antriebseinrichtung 120, die den Antriebsschwinger antreibt, umfasst und
-- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Detektionseinrichtung 140, die Bewegungen des Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine zweite Detektionseinrichtung 150, die Bewegungen des Detektionsschwingers detektiert, umfasst,

200

210

200

210

600

200

210

300

600

340

350

380

390

500

600

800

Ferner werden in den 3 und 4 Ausführungsformen zur Bestimmung von Beschleunigungen gezeigt, wobei die Sensoreinrichtung 100 ferner eine Beschleunigungssensoreinrichtung umfasst:

-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung eine weitere mechanische Schwingerstruktur 110', umfassend mindestens einen weiteren Antriebsschwinger und mindestens einen weiteren Detektionsschwinger, umfasst, wobei die weitere mechanische Schwingerstruktur 110' eine oder mehrere weitere Antriebsmoden, eine oder mehrere weitere Detektionsmoden und eine oder mehrere weitere Störmoden aufweist,
-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Antriebseinrichtung 125, die den weiteren Antriebsschwinger antreibt, umfasst, und
-- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Detektionseinrichtung 145, die Bewegungen des weiteren Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine weitere zweite Detektionseinrichtung 145, die Bewegungen des weiteren Detektionsschwingers detektiert, umfasst,

145

200

210

300

600

345

390

145

600

500

1200

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Drehraten mithilfe eines Sensorsystems, umfassend eine Sensoreinrichtung (100), wobei die Sensoreinrichtung (100) eine Drehratensensoreinrichtung umfasst: -- wobei die Drehratensensoreinrichtung eine mechanische Schwingerstruktur (110), umfassend mindestens einen Antriebsschwinger und mindestens einen Detektionsschwinger, umfasst, wobei die mechanische Schwingerstruktur (110) eine oder mehrere Antriebsmoden, eine oder mehrere Detektionsmoden und eine oder mehrere Störmoden aufweist, -- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Antriebseinrichtung (120), die den Antriebsschwinger antreibt, umfasst und -- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Detektionseinrichtung (140), die Bewegungen des Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine zweite Detektionseinrichtung (150), die Bewegungen des Detektionsschwingers detektiert, umfasst, wobei mithilfe der ersten Detektionseinrichtung erste Messsignale erzeugt werden, wobei mithilfe der zweiten Detektionseinrichtung zweite Messsignale erzeugt werden, wobei das Sensorsystem ferner eine Modellrecheneinrichtung (200) umfasst, die ein dynamisches Modell der Drehratensensoreinrichtung im Modalraum zumindest eines Teils der Antriebsmoden, Detektionsmoden und Störmoden während eines Betriebs der Drehratensensoreinrichtung berechnet, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) ein Differentialgleichungssystem (210) benutzt, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) eine zeitliche Ableitung eines Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems (210) ausgibt, wobei der Zustandsvektor die modalen Auslenkungen und Geschwindigkeiten der in dem Differentialgleichungssystem (210) modellierten Antriebs-, Detektions- und Störmoden umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine Einrichtung (600) aufweist, wobei die Einrichtung (600) - mithilfe der von der Modellrecheneinrichtung (200) ausgegebenen zeitlichen Ableitung des Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems (210) - eine zeitliche numerische Integration des Zustandsvektors ausführt und/oder zu einer Aktualisierung eines geschätzten Zustandsvektors ausgebildet ist, wobei das Sensorsystem eine weitere Einrichtung (300) umfasst, wobei die weitere Einrichtung (300) - mithilfe des von der Einrichtung (600) ausgegebenen geschätzten Zustandsvektors - berechnete Bewegungen der Antriebsmoden (340), berechnete Bewegungen der Detektionsmoden (350) und berechnete Bewegungen der Störmoden (380) bestimmt und - mithilfe einer Kombinationseinrichtung (390) - Auswirkungen auf die mindestens erste und zweite Detektionseinrichtung derart bestimmt, dass berechnete erste und zweite Messsignale bestimmt werden, wobei Abweichungen zwischen den ersten Messsignalen und den berechneten ersten Messsignalen sowie zwischen den zweiten Messsignalen und den berechneten zweiten Messsignalen bestimmt werden, wobei das Sensorsystem ferner eine Filterverstärkermatrix (500) aufweist, wobei eine Multiplikation der Filterverstärkermatrix (500) mit den bestimmten Abweichungen zur Aktualisierung des geschätzten Zustandsvektors der Einrichtung (600) zugeführt wird, wobei das Sensorsystem eine Synchrondemodulationseinrichtung (800) umfasst, wobei die Synchrondemodulationseinrichtung (800) - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden - Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterverstärkermatrix (500) mithilfe mindestens einer der folgenden Filtertechniken bestimmt wird: Kalmanfilter, Wienerfilter, Partikelfilter, Bayes Filter, Beobachter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem ferner einen oder mehrere erste Signalwandler oder Vorverstärker (160) umfasst, wobei die ersten Messsignale zusätzlich mithilfe der ersten Signalwandler oder Vorverstärker (160) erzeugt werden, wobei das Sensorsystem ferner einen oder mehrere zweite Signalwandler oder Vorverstärker (170) umfasst, wobei die zweiten Messsignale zusätzlich mithilfe der zweiten Signalwandler oder Vorverstärker (170) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehratensensorreinrichtung mindestens eine zweite Antriebseinrichtung (130) umfasst, die den Detektionsschwinger antreibt, wobei das Sensorsystem ferner eine Rückkoppeleinrichtung (190) für eine Übertragungsfunktion zur Messung der Coriolisbeschleunigung umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine Phase Locked Loop (180) zur Erzeugung und Beibehaltung einer konstanten Schwingungsamplitude des mindestens einen Antriebsschwingers umfasst, wobei das Sensorsystem insbesondere eine automatische Verstärkungskontrolle (185) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Synchrondemodulationseinrichtung (800) - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden, insbesondere als zu demodulierendes Signal, und zusätzlich mithilfe eines Ausgangssignals des Phase Locked Loop (180), insbesondere als Demodulationsträger, - die Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchrondemodulationseinrichtung (800) - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden, insbesondere als zu demodulierendes Signal, und ferner mithilfe der berechneten Bewegungen der Antriebmode, insbesondere als Demodulationsträger, - die Drehgeschwindigkeitssignale bestimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem ferner einen Tiefpassfilter (900) aufweist, wobei die von der Synchrondemodulationseinrichtung (800) bestimmten Drehgeschwindigkeitssignale mithilfe des Tiefpassfilters (900) gefiltert werden, sodass gefilterte Drehgeschwindigkeitssignale (1000) erhalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ferner zur Bestimmung von Beschleunigungen, wobei die Sensoreinrichtung (100) ferner eine Beschleunigungssensoreinrichtung umfasst: -- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung eine weitere mechanische Schwingerstruktur (110'), umfassend mindestens einen weiteren Antriebsschwinger und mindestens einen weiteren Detektionsschwinger, umfasst, wobei die weitere mechanische Schwingerstruktur (110') eine oder mehrere weitere Antriebsmoden, eine oder mehrere weitere Detektionsmoden und eine oder mehrere weitere Störmoden aufweist, -- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Antriebseinrichtung (125), die den weiteren Antriebsschwinger antreibt, umfasst, und -- wobei die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens eine weitere erste Detektionseinrichtung (145), die Bewegungen des weiteren Antriebsschwingers detektiert, und mindestens eine weitere zweite Detektionseinrichtung (145), die Bewegungen des weiteren Detektionsschwingers detektiert, umfasst, wobei mithilfe der weiteren ersten Detektionseinrichtung (145) weitere erste Messsignale erzeugt werden, wobei mithilfe der weiteren zweiten Detektionseinrichtung (145) weitere zweite Messsignale erzeugt werden, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) ferner ein dynamisches Modell der Beschleunigungssensoreinrichtung im Modalraum zumindest eines Teils der weiteren Antriebsmoden, weiteren Detektionsmoden und weiteren Störmoden während eines Betriebs der Beschleunigungssensoreinrichtung berechnet, wobei der Zustandsvektor ferner die modalen Auslenkungen und Geschwindigkeiten der in dem Differentialgleichungssystem (210) modellierten weiteren Antriebs-, weiteren Detektions- und weiteren Störmoden umfasst, wobei die weitere Einrichtung (300) ferner - mithilfe des von der Einrichtung (600) ausgegebenen geschätzten Zustandsvektors - berechnete weitere Bewegungen der weiteren Antriebs-, weiteren Detektions- und weiteren Störmoden (345) bestimmt und - mithilfe einer Kombinationseinrichtung (390) - Auswirkungen auf die mindestens weitere erste und weitere zweite Detektionseinrichtung (145) derart bestimmt, dass berechnete weitere erste und weitere zweite Messsignale bestimmt werden, wobei weitere Abweichungen zwischen den weiteren ersten Messsignalen und den berechneten weiteren ersten Messsignalen sowie zwischen den weiteren zweiten Messsignalen und den berechneten weiteren zweiten Messsignalen bestimmt werden, wobei - zur Aktualisierung des geschätzten Zustandsvektors in der Einrichtung (600) - die weiteren Abweichungen zusätzlich in die Multiplikation der Filterverstärkermatrix (500) mit den Abweichungen aufgenommen werden, wobei mithilfe der berechneten weiteren Bewegungen der weiteren Detektionsmoden Beschleunigungssignale (1200) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Beschleunigungssensorreinrichtung mindestens eine weitere zweite Antriebseinrichtung (125), die den weiteren Detektionsschwinger antreibt, umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine weitere Rückkoppeleinrichtung (195) für eine Übertragungsfunktion zur Messung der Beschleunigungen umfasst, wobei die Phase Locked Loop (180) ferner zur Erzeugung und Beibehaltung einer konstanten Schwingungsamplitude des mindestens einen weiteren Antriebsschwingers ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem eine Signalanpassung oder Verstärkung (1100) umfasst, wobei die Beschleunigungssignale (1200) ferner mithilfe der Signalanpassung oder Verstärkung (1100) erhalten werden.
Sensorsystem zur Bestimmung von Drehraten, umfassend eine Sensoreinrichtung (100), wobei die Sensoreinrichtung (100) eine Drehratensensoreinrichtung umfasst: -- wobei die Drehratensensoreinrichtung eine mechanische Schwingerstruktur (110), umfassend mindestens einen Antriebsschwinger und mindestens einen Detektionsschwinger, umfasst, wobei die mechanische Schwingerstruktur (110) eine oder mehrere Antriebsmoden, eine oder mehrere Detektionsmoden und eine oder mehrere Störmoden aufweist, -- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Antriebseinrichtung (120), die zum Antrieb des Antriebsschwingers ausgebildet ist, umfasst, und -- wobei die Drehratensensoreinrichtung mindestens eine erste Detektionseinrichtung, die zur Detektion von Bewegungen des Antriebsschwingers ausgebildet ist, und mindestens eine zweite Detektionseinrichtung, die zur Detektion von Bewegungen des Detektionsschwingers ausgebildet ist, umfasst, wobei mithilfe der ersten Detektionseinrichtung erste Messsignale erzeugbar sind, wobei mithilfe der zweiten Detektionseinrichtung zweite Messsignale erzeugbar sind, wobei das Sensorsystem ferner eine Modellrecheneinrichtung (200) umfasst, die zur Berechnung eines dynamischen Modells der Drehratensensoreinrichtung im Modalraum zumindest eines Teils der Antriebsmoden, Detektionsmoden und Störmoden während eines Betriebs der Drehratensensoreinrichtung ausgebildet ist, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) zur Benutzung eines Differentialgleichungssystem (210) ausgebildet ist, wobei die Modellrecheneinrichtung (200) zur Ausgabe einer zeitlichen Ableitung eines Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems ausgebildet ist, wobei das Sensorsystem ferner eine Einrichtung (600) aufweist, wobei die Einrichtung (600) - mithilfe der von der Modellrecheneinrichtung (200) ausgegebenen zeitlichen Ableitung des Zustandsvektors des Differentialgleichungssystems - zu einer zeitlich numerischen Integration des Zustandsvektors und/oder zu einer Aktualisierung eines geschätzten Zustandsvektors ausgebildet ist, wobei der Zustandsvektor die modalen Auslenkungen und Geschwindigkeiten der in dem Differentialgleichungssystem modellierten Antriebs-, Detektions- und Störmoden umfasst, wobei das Sensorsystem eine weitere Einrichtung (300) umfasst, wobei die weitere Einrichtung (300) - mithilfe des von der Einrichtung (600) ausgegebenen geschätzten Zustandsvektors - zur Berechnung von berechneten Bewegungen der Antriebsmoden (340), berechneten Bewegungen der Detektionsmoden (350) und berechneten Bewegungen der Störmoden (380) und zur Bestimmung - mithilfe einer Kombinationseinrichtung (390) - der Auswirkungen auf die mindestens erste und zweite Detektionseinrichtung derart ausgebildet ist, dass berechnete erste und zweite Messsignale bestimmt werden, wobei das Sensorsystem derart ausgebildet ist, dass Abweichungen zwischen den ersten Messsignalen und den berechneten ersten Messsignalen sowie zwischen den zweiten Messsignalen und den berechneten zweiten Messsignalen bestimmt werden, wobei das Sensorsystem ferner eine Filterverstärkermatrix (500) aufweist, wobei eine Multiplikation der Filterverstärkermatrix (500) mit den bestimmten Abweichungen zur Aktualisierung des geschätzten Zustandsvektors der Einrichtung (600) zuführbar ist, wobei das Sensorsystem eine Synchrondemodulationseinrichtung (800) umfasst, wobei die Synchrondemodulationseinrichtung (800) derart ausgebildet ist, dass - mithilfe der berechneten Bewegungen der Detektionsmoden - Drehgeschwindigkeitssignale bestimmbar sind.