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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Inertialsensors.
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Bei aktuellen MEMS-Gyroskopen wird oftmals auf eine Mode-Matched-Konfiguration zurückgegriffen, wenn an das Gyroskop hohe Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit gestellt werden. Dabei ist typischerweise ein geschlossener Regelkreis für ein Quadratur-Signal und ein Force-Feedback-Signal erforderlich, um eine Abweichung der Sensormasse zu vermeiden. Dies führt dazu, dass eine Stabilität eines Rauschens der Winkelrate stabiler ist als bei einem Aufbau ohne geschlossenem Regelkreis. Der geschlossene Regelkreis kann jedoch dazu führen, dass eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen auftritt, z.B. einer Veränderung der Tuning-Spannung, welche genutzt wird, um eine Detektionsfrequenz an eine Treiberfrequenz anzupassen.
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Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, dass eine geringe Bias-Instabilität eines moden-angepassten Gyroskops dadurch erreicht werden kann, dass ein Frequenztuning eines detektierten Signals über ein Quadratur-Testsignal ermittelt wird. Das zugehörige Verfahren führte jedoch zu einer signifikanten Erhöhung eines Rauschlevels.
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Ferner ist es aus der
US 2015/285658 A1 bekannt, dass eine Kompensierung eines Quadratur-Signals eines Gyroskops ausgeführt wird. Dabei ist es auch bekannt, dass ein Sens- und ein Drive-Modus eines Vibrating-Beam-Gyroskops periodisch umgekehrt werden. Damit wird jedoch auch die Polarität des Bias und der Quadratur umgekehrt und die Magnitude der beiden Signale wird dabei über eine Vielzahl von Schaltzyklen eliminiert. Ein solches Verfahren führt dabei jedoch oftmals zu ungleichmäßigen und unterbrochenen Auslesesignalen und ist daher oftmals nicht für eine Stabilitätssteuerung oder Navigation eines Fahrzeugs geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Inertialsensors umfasst eine Versorgungseinheit, eine Messeinheit und eine Korrektureinheit. Die Versorgungseinheit ist dazu eingerichtet, zumindest eine Betriebsspannung für den Inertialsensor bereitzustellen. Die Messeinheit ist dazu eingerichtet, eine Spannungsdrift der zumindest einen Betriebsspannung zu erfassen. Die Korrektureinheit ist dazu eingerichtet, ein von dem Inertialsensor ausgegebenes Messsignal oder die Betriebsspannung basierend auf der von der Messeinheit erfassten Spannungsdrift zu korrigieren, um ein korrigiertes Messsignal zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Inertialsensors umfasst ein Bereitstellen zumindest einer Betriebsspannung für den Inertialsensor, ein Erfassen einer Spannungsdrift der zumindest einen Betriebsspannung, und ein Korrigieren des von dem Inertialsensor ausgegebenen Messsignals oder der Betriebsspannung basierend auf der erfassten Spannungsdrift, um ein korrigiertes Messsignal zu erzeugen.
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Der Inertialsensor ist bevorzugt ein MEMS-Sensor, insbesondere ein MEMS-Gyroskop oder ein MEMS-Beschleunigungssensor. Insbesondere ist der Inertialsensor ein modenangepasstes Gyroskop mit drei-Achsen.
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Die Versorgungseinheit ist dazu eingerichtet, zumindest eine Betriebsspannung für den Inertialsensor bereitzustellen, wobei die Betriebsspannung eine Spannung ist, die für einen Betrieb des Inertialsensors benötigt wird und die Betriebsspannung typischerweise über einen Ausgangspin der Vorrichtung bereitgestellt wird. Werden von der Versorgungseinheit mehrere Betriebsspannungen für den Inertialsensor bereitgestellt, so werden diese über jeweils einen zugehörigen Ausgangspin bereitgestellt.
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Die Vorrichtung ist bevorzugt eine integrierte Schaltung, beispielsweise ein ASIC. Der Inertialsensor ist dabei bevorzugt in die integrierte Schaltung eingebettet und ist eine separate bauliche Einheit.
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Die Messeinheit ist dazu eingerichtet, die Spannungsdrift der zumindest einen Betriebsspannung zu erfassen, also die auf die zumindest eine Betriebsspannung aufgeprägte Spannungsdrift zu erfassen. Die Spannungsdrift ist insbesondere ein Flickerrauschen, ein Random-Telegraph-Noise (auch RTN, RTS oder Burst Boise), eine Temperaturdrift der Spannung (Spannungsänderung über eine Temperatur) oder eine Kombination aus diesen Parametern. Dabei umfasst die Messeinheit bevorzugt einen Filter, welcher dazu geeignet ist, die Spannungsdrift von der Betriebsspannung zu separieren und als eigenständiges Signal bereitzustellen. Die Spannungsdrift wird entweder direkt oder mittels eines die Spannungsdrift repräsentierenden Signals der Korrektureinheit bereitgestellt.
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Die Korrektureinheit ist bevorzugt eine digitale Einheit, welche dazu eingerichtet ist, einen Korrekturalgorithmus auszuführen. Alternativ ist die Korrektureinheit eine analoge Signalverarbeitungseinheit. Die Korrektureinheit ist dazu eingerichtet, das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal zu empfangen und zu korrigieren. Das Messsignal wird dabei von der Korrektureinheit typischerweise über einen Eingangspin erfasst, an welchem das Messsignal von dem Inertialsensor bereitgestellt wird. Das Messsignal ist ein Signal, welches von dem Inertialsensor bereitgestellt wird und ein von dem Inertialsensor gemessenes Signal wiedergibt. Das ausgegebene Messsignal wird basierend auf der erfassten Spannungsdrift korrigiert. Dies führt dazu, dass ein Einfluss der Spannungsdrift, welche von der Vorrichtung über die Betriebsspannung an den Inertialsensor übertragen wird, aus dem empfangenen Messsignal entfernt werden kann, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen. Dem liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass eine Spannungsdrift einen erheblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit eines Inertialsensors hat, wobei eine solche Spannungsdrift bei nahezu jeder Erzeugung einer Betriebsspannung auftritt. So ist eine Spannungsdrift insbesondere ein ungewolltes Signal, welches durch Schaltvorgänge von Transistoren in einer Spannungsregelung verursacht wird. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird somit vermieden, dass eine Spannungsdrift die Stabilität eines ausgegebenen Messsignals des Inertialsensors verringert.
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Die Spannungsdrift wird entweder mittelbar oder unmittelbar von der Messeinheit erfasst. Dabei wird die Spannungsdrift entweder direkt messtechnisch erfasst oder wird alternativ oder zusätzlich basierend auf Eingangswerten ermittelt, welche die Spannungsdrift beeinflussen. So kann beispielsweise basierend auf einer Schaltfrequenz einer Einheit zum Erzeugen der Betriebsspannung auf eine zugehörige Spannungsdrift geschlossen werden, um dies zu ermitteln und zu erfassen. Die Spannungsdrift wird bevorzugt in Echtzeit erfasst und der Korrektureinheit bereitgestellt. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die Messeinheit, die Versorgungseinheit und die Korrektureinheit in einer gemeinsamen integrierten Schaltung angeordnet sind, um kurze Signallaufzeiten zu ermöglichen.
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Alternativ oder zusätzlich wird die Betriebsspannung selbst basierend auf der erfassten Spannungsdrift korrigiert. Auch dies führt zu einem korrigierten Messsignal, da der Einfluss der Spannungsdrift, welche zuvor erfasst wurde, nach einer Eliminierung aus der Betriebsspannung keinen Einfluss auf das Messsignal haben kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist alle Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das von dem Inertialsensor bereitgestellte Messsignal, insbesondere das korrigierte Messsignal, immer dann zu einer genaueren Erfassung von Werten durch den Inertialsensor führt, wenn dieses hinsichtlich der Spannungsdrift korrigiert wurde. Dabei liegt der vorliegenden Erfindung u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass eine in den Inertialsensor eingebrachte Spannungsdrift auch nach der Ausgabe des Messsignals in diesem Messsignal wiedergespiegelt wird und korrigiert werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist die Versorgungseinheit dazu eingerichtet, eine Auswahl aus einer Tuningspannung, einer Quadraturspannung, einer Feedbackspannung und einer Antriebsspannung als Betriebsspannung bereitzustellen. Die Messeinheit ist dabei dazu eingerichtet, für jede der bereitgestellten Betriebsspannungen jeweils eine Spannungsdrift zu erfassen und die Korrektureinheit ist dazu eingerichtet, das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal und/oder die Betriebsspannungen basierend auf der von der Messeinheit erfassten zumindest einen Spannungsdrift der Betriebsspannung zu korrigieren, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen. Die Messeinheit ist somit dazu eingerichtet, für jede der bereitgestellten Betriebsspannungen jeweils eine auf diese Betriebsspannung aufgeprägte Spannungsdrift zu erfassen. Die Antriebsspannung ist eine Spannung, welche dazu genutzt wird, um eine Sensormasse des Inertialsensors in Schwingung zu versetzen. Die Quadraturspannung ist eine Spannung, welche dazu geeignet ist, einen Quadraturfehler des Inertialsensors zu korrigieren. Die Feedbackspannung ist eine Force-Feedback-Spannung, welche dazu geeignet ist, eine Antwort des Inertialsensors auf eine externe Winkeländerung zu kompensieren. Die Tuningspannung ist eine Spannung, welche dazu geeignet ist, eine Schwingfrequenz einer Sensormasse des Inertialsensors anzupassen. Dabei wird von der Versorgungseinheit insbesondere für jede der bereitgestellten Betriebsspannungen jeweils eine Spannungsdrift erfasst. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Versorgungseinheit weitere Betriebsspannungen bereitstellt, für die keine Spannungsdrift erfasst wird. Bevorzugt wird die Spannungsdrift jedoch für alle Betriebsspannungen erfasst, die von der Versorgungseinheit für den Inertialsensor bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wird jede der bereitgestellten Betriebsspannungen basierend auf der erfassten Spannungsdrift korrigiert. Das bedeutet, dass die in den Inertialsensor eingebrachte Spannungsdrift minimiert wird, was dazu führt, dass auch das von dem Inertialsensor bereitgestellte Messsignal hinsichtlich der Spannungsdrift korrigiert ist und ein korrigiertes Messsignal ist.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Tuningspannung und zumindest eine weitere Spannung als Betriebsspannungen bereitzustellen, die Messeinheit dazu eingerichtet ist, aus den Betriebsspannungen nur für die Tuningspannung die Spannungsdrift zu erfassen, und die Korrektureinheit dazu eingerichtet ist, das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal und/oder die Betriebsspannungen basierend auf der von der Messeinheit erfassten Spannungsdrift der Tuningspannung zu korrigieren, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen. Das bedeutet mit anderen Worten, dass ausschließlich die Tuningspannung von der Messeinheit betrachtet wird, um eine Spannungsdrift in der Tuningspannung zu erfassen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die weiteren Spannungen, welche von der Versorgungseinheit für den Inertialsensor bereitgestellt werden, nicht messtechnisch erfasst werden, um eine Spannungsdrift zu erfassen. Der Einfluss der Spannungsdrift, welche in der Tuningspannung vorliegt, hat einen besonders großen Einfluss auf die Messgenauigkeit des Inertialsensors und hat somit besonders großen Einfluss auf das von dem Inertialsensor bereitgestellte Messsignal. Dadurch, dass die Spannungsdrift in der Tuningspannung erfasst wird und das Messsignal entsprechend korrigiert wird, kann eine Messgenauigkeit des Inertialsensors erheblich erhöht werden, wobei gleichzeitig ein Aufwand zum Erfassen der Spannungsdrift minimiert wird, da lediglich für eine einzige Betriebsspannung die Spannungsdrift zu ermitteln ist. Es kann somit eine besonders kostengünstige und kompakte Vorrichtung geschaffen werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, dem Inertialsensor ein vordefiniertes Testsignal als Betriebsspannung bereitzustellen, wobei die Messeinheit dazu eingerichtet ist, die Spannungsdrift dann zu erfassen, wenn das Testsignal als Betriebsspannung bereitgestellt wird. Das Testsignal wird dabei bevorzugt in einem Testintervall als Betriebsspannung bereitgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannungsdrift präzise zu erfassen, da klar unterschieden werden kann, welche Signalanteile zu dem Testsignal und welche Signalanteile zu der Spannungsdrift gehören. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Testsignal von derselben Einheit erzeugt wird, welche auch die Betriebsspannungen erzeugt, da somit auch dieselben Einflüsse, welche die Spannungsdrift erzeugen, in das Testsignal eingehen. Das Testsignal kann unterschiedliche Signalformen aufweisen, wobei die Spannungsdrift abhängig von der Signalform ist. So kann das Testsignal beispielsweise im zeitlichen Verlauf zwischen einer hohen und einer niedrigen Spannung wechseln, wobei eine Spannungsdrift typischerweise bei der hohen Spannung zunimmt. Dadurch, dass die Spannungsdrift besonders präzise erfasst werden kann, ist es auch möglich, das Messsignal besonders präzise zu korrigieren.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Korrektureinheit dazu eingerichtet ist, das Messsignal ferner basierend auf einem Korrekturwert zu korrigieren, wobei der Korrekturwert einen Wert ist, welcher in Reaktion darauf ermittelt wird, dass der Inertialsensor nicht bewegt wird, wobei der Korrekturwert derart gewählt wird, dass das Messsignal oder das korrigierte Messsignal einem vorgegebenen Wert entspricht, wenn der Inertialsensor nicht bewegt wird. So wird das Messsignal beispielsweise auf einen Nullwert geregelt, wenn der Inertialsensor nicht bewegt wird. Die dafür notwendige Einstellung, um das Messsignal auf den Nullwert zu regeln, wird als Korrekturwert bezeichnet. Der Korrekturwert ist somit insbesondere ein Wert, welcher auf die Betriebsspannung oder welcher auf das Messsignal angewendet wird, um dieses anzupassen, und somit in das korrigierte Messsignal einfließt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Korrektureinheit dazu eingerichtet ist, das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal und die Spannungsdrift zu addieren oder zu subtrahieren, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen.
Bevorzugt wird dabei die erfasste Spannungsdrift vor dem Addieren oder Subtrahieren skaliert, um eine Dämpfung der Spannungsdrift durch den Inertialsensor zu kompensieren. Auf diese Weise kann das korrigierte Messsignal besonders einfach in Echtzeit erzeugt werden. Das Addieren umfasst dabei auch ein Subtrahieren, welches ein Addieren mit negativem Vorzeichen ist. Eine solche Korrektur kann entweder mittels einer digital gesteuerten Signalverarbeitung erfolgen oder kann in einfacher Weise durch einen Addierer, insbesondere in Verbindung mit einem Invertierer, bereitgestellt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Korrektureinheit dazu eingerichtet ist, einen adaptiven Filter auf das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal anzuwenden, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen, wobei der adaptive Filter basierend auf der erfassten Spannungsdrift ausgewählt oder angepasst wird. Auf diese Weise ist es möglich, auch solche Anteile der Spannungsdrift aus dem Messsignal zu entfernen, die in ihrer Signalform verändert werden, wenn diese den Inertialsensor durchlaufen. Bei dem Korrigieren des Messsignals kann das ausgegebene Messsignal auch in ein digitales Signal gewandelt werden, um entsprechende Filteralgorithmen auf das Signal anzuwenden. Dazu umfasst die Korrektureinheit bevorzugt einen Analog-Digital-Wandler, um das von dem Inertialsensor ausgegebene Messsignal in ein digitales Signal umzusetzen. Das korrigierte Messsignal kann dabei entweder als digitales Ausgangssignal bereitgestellt oder als analoges Ausgangssignal bereitgestellt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Korrektureinheit dazu eingerichtet ist, Korrekturdaten zu empfangen, um das Messsignal, basierend auf der erfassten Spannungsdrift und den empfangenen Korrekturdaten zu korrigieren. Korrekturdaten sind insbesondere solche Daten, welche einen Zustand des Inertialsensors beschreiben. So sind die Korrekturdaten beispielsweise Temperaturdaten des Inertialsensors. Die Korrektureinheit ist somit dazu eingerichtet, dass Messsignal basierend auf den empfangenen Korrekturdaten zu korrigieren, insbesondere das Messsignal basierend auf Temperaturdaten zu korrigieren. Es ist somit möglich, dass das Messsignal auch auf anderen Parametern und nicht nur basierend auf der Spannungsdrift korrigiert wird.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Inertialsensor ein MEMS-Sensor, insbesondere ein gyroskopischer Sensor oder ein Beschleunigungssensor ist. Gerade bei solchen Bauelementen im mikromechanischen Bereich ist der Einfluss von Spannungsdriften auf das Messsignal besonders groß und es kann somit eine besonders starke Verbesserung des Messsignals erreicht werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Inertialsensors, und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Inertialsensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Abbildung einer Vorrichtung 1 zum Betreiben eines Inertialsensors 20. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei eine Versorgungseinheit 2, eine Messeinheit 3 und eine Korrektureinheit 4. Dabei ist die Vorrichtung 1 eine integrierte Schaltung. Der Inertialsensor 20 ist in derselben integrierten Schaltung integriert oder ein eigenständiges Bauelement.
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Der Inertialsensor 20 ist ein MEMS-Sensor. Der MEMS-Sensor ist dabei in dieser Ausführungsform ein gyroskopischer Sensor. So ist der Inertialsensor 20 insbesondere ein MEMS-Gyroskop mit Force-Feedback-Steuerung, wobei das MEMS-Gyroskop insbesondere ein Tuning-Fork-Gyroskop ist.
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Von dem Inertialsensor 20 werden unterschiedliche Betriebsspannungen benötigt, um den Inertialsensor 20 zu betreiben. So wird von dem Inertialsensor 20 eine Tuningspannung UT , eine Quadraturspannung UQ , eine Feedbackspannung UFB und eine Antriebsspannung UA als Betriebsspannungen U benötigt. Diese Betriebsspannungen U werden dem Inertialsensor 20 von der Vorrichtung 1 bereitgestellt. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung 1 dazu eine Spannungssteuerung, welche die für den Inertialsensor 20 benötigten Betriebsspannungen U generiert und selbst von einer externen Versorgungsspannung versorgt wird.
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Von der Versorgungseinheit 2 werden somit die Tuningspannung UT , die Quadraturspann UQ , die Feedbackspannung UFB und die Antriebsspannung UA bereitgestellt. Dabei wird die Tuningspannung UT über einen ersten Ausgang 5 der Vorrichtung 1 für den Inertialsensor 20 bereitgestellt. Die Quadraturspannung UQ wird über einen zweiten Ausgang 6 der Vorrichtung 1 für den Inertialsensor 20 bereitgestellt. Die Feedbackspannung UFB wird über einen dritten Ausgang 7 der Vorrichtung 1 dem Inertialsensor 20 bereitgestellt. Die Antriebsspannung UA wird über einen vierten Ausgang 8 der Vorrichtung 1 dem Inertialsensor 20 bereitgestellt.
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Die Tuningspannung UT wird von dem Inertialsensor 20 genutzt, um eine Resonanzfrequenz des Inertialsensors 20 anzupassen. Die Quadraturspannung UQ ist eine Spannung, durch welche eine mechanische Unausgewogenheit des Inertialsensors 20 korrigiert wird. Die Feedbackspannung UFB ist eine Spannung, die eine Systemantwort des Inertialsensors 20 auf eine externe Winkelbewegung kompensiert. Die Antriebsspannung UA ist eine Spannung, durch welche eine Schwungmasse des Inertialsensors 20 in Vibration versetzt wird.
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Als Ausgangssignal wird von dem Inertialsensor 20 ein Messsignal 16 bereitgestellt. Das Messsignal 16 ist typischerweise ein differenzielles Signal Cn&Cp mit einer positiven Signalkomponente Cp und einer negativen Signalkomponente Cn. Typischerweise werden von dem Inertialsensor 20 mehrere Ausgangssignale bereitgestellt, wobei das hier beschriebene Ausgangssignal 16 einer bestimmten Achse des Inertialsensors 20 zugehörig ist. In entsprechender Weise sind auch die Betriebsspannungen U einer bestimmten Achse zugehörig. Die Messsignale, welche von dem Inertialsensor 20 ausgegeben werden, können alle in entsprechender Weise basierend auf den zugehörigen Betriebsspannungen korrigiert werden.
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Es ist in 1 ferner dargestellt, dass Beschleunigungen und Rotationen in unterschiedlichen Ebenen, so beispielsweise einer X-, Y- und einer Z-Ebene, Einfluss auf den Inertialsensor 20 nehmen können. Diese Einflüsse sind durch die Pfeile 17, 18 und 19 dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst die Messeinheit 3, wobei die Messeinheit 3 dazu eingerichtet ist, eine Spannungsdrift der zumindest einen Betriebsspannung U zu erfassen. So ist die Messeinheit 3 beispielsweise dazu eingerichtet, eine Spannungsdrift zu erfassen, welches auf die Tuningspannung UT aufgeprägt ist. Optional wird die Spannungsdrift von der Messeinheit 3 auch für die Quadraturspannung UQ , die Feedbackspannung UFB und die Antriebsspannung UA an den zugehörigen Ausgängen der Vorrichtung 1 gemessen. Die Spannungsdrift ist insbesondere ein Flickerrauschen, ein Random-Telegraph-Noise (auch RTN, RTS oder Burst Boise) oder eine Spannungsänderung über eine Temperatur.
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Die von der Messeinheit 3 gemessene Spannungsdrift der Tuningspannung UT wird von der Messeinheit 3 an die Korrektureinheit 4 übertragen. Dabei wird entweder das Rauschen als solches von der Tuningspannung UT separiert oder ein die Spannungsdrift repräsentierender Wert wird von der Messeinheit 3 an die Korrektureinheit 4 übertragen. Dafür steht zwischen der Messeinheit 3 und der Korrektureinheit 4 ein erster Übertragungskanal 9 zur Verfügung. Optional wird von der Messeinheit 3 auch eine Spannungsdrift der Quadraturspannung UQ , eine Spannungsdrift in der Feedbackspannung UFB und eine Spannungsdrift der Antriebsspannung UA erfasst und von der Messeinheit 3 an die Korrektureinheit 4 übertragen. Dabei wird auch die diesen Betriebsspannungen UQ , UFB und UA zugehörige Spannungsdrift in entsprechender Weise zu der Spannungsdrift der Tuningspannung UT an die Korrektureinheit 4 übertragen, beispielsweise über jeweils einen zugehörigen Übertragungskanal, wie z.B. einen zweiten Übertragungskanal 10, einen dritten Übertragungskanal 11 und einen vierten Übertragungskanal 12.
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Die Korrektureinheit 4 ist dazu eingerichtet, das von dem Inertialsensor 20 ausgegebene Messsignal 16 basierend auf der von der Messeinheit 3 erfassten Spannungsdrift der Tuningspannung UT zu korrigieren, um ein korrigiertes Messsignal 13 zu erzeugen. Dazu umfasst die Korrektureinheit beispielsweise einen Addierer, durch welchen das von dem Inertialsensor 20 ausgegebene Messsignal 16 und die Spannungsdrift der Tuningspannung UT addiert werden, um das korrigierte Messsignal 13 zu erzeugen. Dies kann beispielsweise mittels eines Addierers oder mittels einer digitalen Signalverarbeitung erfolgen. Bevorzugt wird dabei die erfasste Spannungsdrift vor dem Addieren auf das Messsignal 16 zunächst skaliert, also bevorzugt um einen vorgegebenen Multiplikator verstärkt oder abgeschwächt.
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In alternativen Ausführungsformen ist die Korrektureinheit 4 dazu eingerichtet, einen adaptiven Filter auf das von dem Inertialsensor 20 ausgegebene Messsignal 16 anzuwenden, um das korrigierte Messsignal 13 zu erzeugen. Der adaptive Filter wird dabei basierend auf der erfassten Spannungsdrift ausgewählt oder angepasst. So wird beispielsweise ein bestimmter adaptiver Filter ausgewählt oder ein Filterparameter eines adaptiven Filters basierend auf der erfassten Spannungsdrift angepasst. So wird der Filterparameter beispielsweise basierend auf einer Signalform der erfassten Spannungsdrift ausgewählt. Dabei sind beispielsweise unterschiedliche adaptive Filter oder unterschiedliche Parameter jeweils bestimmten Signalformen einer Spannungsdrift zugeordnet und der entsprechende adaptive Filter oder der entsprechende Filterparameter wird entsprechend ausgewählt oder angepasst. So wird beispielsweise die Spannungsdrift der Tuningspannung UT von der Messeinheit 3 erfasst und basierend auf einer Stärke dieser Spannungsdrift der Tuningspannung UT ein entsprechender Filterparameter für den adaptiven Filter ausgewählt. Das Messsignal 16 wird von dem entsprechend angepassten adaptiven Filter gefiltert und stellt das korrigierte Messsignal 13 zur Verfügung.
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Die Korrektureinheit 4 ist ferner dazu eingerichtet, Korrekturdaten zu empfangen, um das Messsignal 16 basierend auf der erfassten Spannungsdrift und den empfangenen Korrekturdaten zu korrigieren. Das bedeutet also, dass die Korrektureinheit 4 das Messsignal 16 auch basierend auf weiteren Parametern korrigieren kann, um das korrigierte Messsignal 13 zu erzeugen. So wird der Korrektureinheit 4 beispielsweise eine Temperatur des Inertialsensors 20 bereitgestellt und das Messsignal wird basierend auf der Temperatur korrigiert.
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Um die Spannungsdrift zu erfassen, ist die Vorrichtung 1 beispielsweise dazu eingerichtet, dem Inertialsensor 20 ein vordefiniertes Testsignal als Betriebsspannung bereitzustellen, wobei die Messeinheit 3 dazu eingerichtet ist, die Spannungsdrift dann zu erfassen, wenn das Testsignal als Betriebsspannung bereitgestellt wird. So wird von der Vorrichtung 1, insbesondere von der Versorgungseinheit 2, eine vorgegebene Signalform als Tuningspannung UT , als Quadraturspannung UQ , als Feedbackspannung UFB und als Antriebsspannung UA als Betriebsspannungen U bereitgestellt. Da diese Betriebsspannungen U vorgegebenen Signalformen entsprechen, wobei die unterschiedlichen Signalformen der einzelnen Betriebsspannungen unterschiedlich sein können, können diese als Testsignal bezeichnet werden. Das Testsignal ist dabei bevorzugt so gewählt, dass eine besonders hohe Spannungsdrift auftritt oder unterschiedliche Arten der Spannungsdrift auftreten. Insbesondere wird eine Amplitude der Spannungsdrift in dem Testsignal von der Messeinheit 3 und/oder der Korrektureinheit 4 erfasst und eine Amplitude der Spannungsdrift in dem Messsignal 16 erfasst. Basierend auf diesen Amplituden kann ein Skalierungsfaktor ermittelt werden, basierend auf dem die bei einem regulären Betrieb des Inertialsensors 20 von der Messeinheit 3 erfasste Spannungsdrift skaliert wird, bevor diese von dem Messsignal 16 subtrahiert wird, um das Messsignal zu korrigieren.
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Da das Testsignal als auch die bei einer Verwendung des Inertialsensors 20 genutzten Betriebsspannung U von der Versorgungseinheit 2 erzeugt werden, weist das Testsignal eine Spannungsdrift auf, welches den Charakteristiken der Spannungsdrift in den Betriebsspannungen U bei einer Nutzung des Inertialsensors 20 entspricht. Es können somit besonders gut Signalcharakteristiken der Spannungsdrift erfasst werden und auch nach einer Testphase, in der das Testsignal anliegt, korrigiert werden.
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Die Korrektureinheit 4 ist dazu eingerichtet, das Messsignal ferner basierend auf einem Korrekturwert 4 zu korrigieren, wobei der Korrekturwert ein Wert ist, welcher in Reaktion darauf ermittelt wird, dass der Inertialsensor nicht bewegt wird. Dabei kann insbesondere basierend auf einer Ausgabe des Inertialsensors 20, also basierend auf dem ausgegebenen Messsignal 16, ermittelt werden, ob der Inertialsensor 20 bewegt wird. In Reaktion darauf, dass erkannt wird, dass der Inertialsensor 20 nicht bewegt wird, wird der Korrekturwert ermittelt, wobei der Korrekturwert derart gewählt wird, dass das Messsignal 16 oder das korrigierte Messsignal 13 einem vorgegebenen Wert entspricht. So wird das Messsignal 16 oder das korrigierte Messsignal 13 beispielsweise auf einen Nullwert gesetzt, indem der Korrekturwert entsprechend gesetzt wird. Der Korrekturwert kann dabei ein beliebiger Wert sein, welcher einen Einfluss auf das ausgegebene Messsignal 16 nimmt. So ist der Korrekturwert beispielsweise ein Stellwert, welcher einen Spannungswert der Betriebsspannungen U beeinflusst. Alternativ ist der Korrekturwert ein Wert für einen Filterparameter der Korrektureinheit 4.
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Es ist vorteilhaft, wenn alle von der Versorgungseinheit 2 bereitgestellten Betriebsspannungen U, also die Tuningspannung UT , die Quadraturspannung UQ , die Feedbackspannung UFB und die Antriebsspannung UA , von der Messeinheit 3 erfasst werden, um eine jeweils zugehörige Spannungsdrift zu erfassen. Wird die Spannungsdrift für jede dieser Betriebsspannungen U der Korrektureinheit 4 bereitgestellt, so kann basierend auf den unterschiedlichen Spannungsdriften der einzelnen Betriebsspannungen U ein Filteralgorithmus der Korrektureinheit 4 optimiert werden. So können beispielsweise Filterparameter der Korrektureinheit 4 derart gesetzt werden, dass das korrigierte Messsignal 13 unabhängig von der Spannungsdrift ist. Alternativ wird ausschließlich die Spannungsdrift für die Tuningspannung UT erfasst und der Korrektureinheit 4 für eine Korrektur des Messsignals 16 bereitgestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in weiteren Ausführungsformen auch eine andere Kombination vorteilhaft ist, beispielsweise, wenn für genau eine der Betriebsspannungen U die Spannungsdrift erfasst wird und der Korrektureinheit 4 für eine Korrektur des Messsignals 16 bereitgestellt wird. So wird die Spannungsdrift beispielsweise nur für die Quadraturspann UQ , nur für die Feedbackspannung UFB oder nur für die Antriebsspannung UA erfasst und der Korrektureinheit 4 bereitgestellt.
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Das Funktionsprinzip der Korrektureinheit 4 wurde vorangehend basierend auf der Tuningspannung UT beschrieben. Das Messsignal kann basierend auf der Spannungsdrift der Quadraturspannung UQ der Feedbackspannung UFB und der Antriebsspannung UA in entsprechender Weise korrigiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in 1 lediglich ein Messsignal 16 und ein korrigiertes Messsignal 13 dargestellt ist, wobei es für dieses Messsignal 16 notwendig ist, dass die Betriebsspannungen U dem Inertialsensor 20 bereitgestellt werden. Typischerweise werden von einem Inertialsensor 20 jedoch mehrere Messsignale ausgegeben, wobei für jedes dieser Messsignale zugehörige Betriebsspannungen U von der Vorrichtung 1 bereitgestellt werden. Daher ist die Vorrichtung 1 typischerweise dazu eingerichtet, dem Inertialsensor 20 drei Tuningspannungen UT , drei Quadraturspannungen UQ , drei Feedbackspannungen UFB und die eine Antriebsspannung UA bereitzustellen. Von dem Inertialsensor 20 werden drei Messsignale 16 ausgegeben und der Korrektureinheit 4 bereitgestellt. Die unterschiedlichen Betriebsspannungen U werden dem jeweiligen Messsignal 16 zugeordnet, um eine Korrektur des jeweiligen Messsignals 16 durch die Korrektureinheit 4 zu ermöglichen. In entsprechender Weise werden von der Vorrichtung 1 drei korrigierte Messsignale 13, 14, 15 ausgegeben. In der voranstehenden Beschreibung wird beschrieben, wie das Messsignal 13 generiert wird. Die weiteren korrigierten Messsignale 14, 15 werden in entsprechender Weise erzeugt und bereitgestellt.
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Es wird somit eine Vorrichtung 1 geschaffen, die insbesondere unabhängig von einem Design des Inertialsensors 20 betrieben werden kann. Dies ergibt sich daraus, dass die Kompensierung durch die Korrektureinheit 4 außerhalb des Inertialsensors 20 erfolgt. Dadurch, dass die Spannungsdrift in tatsächlicher Weise erfasst wird, ist es möglich, eine Ausgabe des Inertialsensors 20 in Echtzeit zu korrigieren.
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Die Messeinheit 3 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Spannungsdrift zu messen, indem dieses die Betriebsspannungen mittels eines Analog- zu-DigitalWandlers umsetzt. Das von dem Inertialsensor 20 ausgegebene Messsignal 16 kann basierend darauf korrigiert werden, indem ein Algorithmus von der Korrektureinheit 4 ausgeführt wird, welcher in die Vorrichtung 1 implementiert ist. Um einen Bias-Drift zu vermeiden, ist es zudem vorteilhaft, der Korrektureinheit 4 Korrekturdaten bereitzustellen, welche beispielsweise eine Temperatur des Inertialsensors 20 beschreiben. Basierend auf einer Temperaturmessung kann insbesondere ein Bias-Drift kompensiert werden. Dies kann zusätzlich zu der Korrektur des Messsignals 16 basierend auf der Spannungsdrift erfolgen.
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Der in der Korrektureinheit 4 implementierte Algorithmus kann in der einfachsten Form die gemessene Spannungsdrift skalieren und von dem Messsignal 16 abziehen, um das korrigierte Messsignal 13 zu erzeugen. In aufwendigeren Ausführungsformen, beispielsweise mit einem adaptiven Filter, wie z.B. ein Least-Mean-Square LMS-Filter oder einem rekursiven Mean-Square RMS-Filter, können adaptive Filter zur Korrektur des Messsignals 16 eingesetzt werden. Die Korrektureinheit 4, welche als kompensierender Filter agiert, kann bevorzugt Korrekturdaten empfangen, welche u.a. von Navigationssteuerungen eines GPS-Systems, einer Kamera, einen LIDAR-System, einem Radar-System oder ähnlichen bereitgestellt werden.
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Ferner kann von der Vorrichtung 1 eine Zeit eines Stillstands festgestellt werden, beispielsweise durch die zugehörigen Beschleunigungssensoren des Inertialsensors 20, und das Messsignal 16 für diese Ruhestellung erfasst werden. Der Korrekturwert kann entsprechend gesetzt werden, um den durch das Messsignal beschriebenen Wert auf Null zu setzen. Es wird somit eine Art Sensorkalibrierung ermöglicht. Ferner ist es vorteilhaft, wenn Testsignale in die Detektionsschleife eingespielt werden. Solche Testsignale ermöglichen eine Erfassung von Systeminformationen in Echtzeit, wobei diese von der Spannungsdrift dominiert werden, welches von der Versorgungseinheit 2 erzeugt wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Skalierungsfaktor ermittelt wird, der ein Verhältnis der Spannungsdrift auf einer Eingangsseite zu einer Stärke der Spannungsdrift auf einer Ausgangsseite des Inertialsensors 20 bestimmt. Insbesondere ein solcher Skalierungsfaktor kann effizient mittels des Testsignals ermittelt werden. Ein künstliches Cross-Coupling kann generiert werden, um ungewollte aber unvermeidbare natürliche Kreuzkopplungen des Inertialsensors 20 nur zu verringern, bis ein Nullwert erreicht wird.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren 100, welches von der Vorrichtung 1 ausgeführt wird. In einem ersten Schritt 101 des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen der Betriebsspannung U für den Inertialsensor 20. In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Erfassen einer Spannungsdrift der zumindest einen Betriebsspannung U. In einem dritten Verfahrensschritt 103 erfolgt ein Korrigieren des von dem Inertialsensor ausgegebenen Messsignals oder der Betriebsspannung basierend auf der erfassten Spannungsdrift, um das korrigierte Messsignal zu erzeugen.
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Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 und 2 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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