DE102020132003A1

DE102020132003A1 - Zeitliche Steuerung eines Ereignisses abhängig von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts

Info

Publication number: DE102020132003A1
Application number: DE102020132003.5A
Authority: DE
Inventors: Chenji Tu; Alf Neustadt; Matthias Karl Helmer
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Nach einem Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses, das von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts (4) abhängt, wird ein Sensorsignal (11 a, 11b), das die Winkelposition betrifft, von einem Winkelsensor (7) erhalten. Eine Reihe von Eingangszeiten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen (13a, 13b) des Sensorsignals (11a, 11b) entspricht, wird ermittelt. Eine mittlere Eingangszeit eines gegenwärtigen Signalmerkmals und mindestens eines vorhergehenden Signalmerkmals wird berechnet, und eine Eingangszeit eines nachfolgenden Signalmerkmals wird abhängig von der mittleren Eingangszeit geschätzt. Abhängig von der geschätzten Eingangszeit wird das Ereignis zeitlich gesteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses abhängig von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts, wobei mindestens ein Sensorsignal bezüglich der Winkelposition von einem Winkelsensor erhalten wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems, wobei ein drehbarer Spiegel des aktiven optischen Sensorsystems gedreht wird, und auf ein System, das ein drehbares Objekt und einen Winkelsensor beinhaltet, der mechanisch mit dem drehbaren Objekt gekoppelt und dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Sensorsignal abhängig von einer Winkelposition des drehbaren Objekts zu erzeugen.
Die Winkelposition einer Motorwelle oder eines mit der Motorwelle verbundenen drehbaren Objekts kann durch einen Winkelsensor, zum Beispiel einen Drehgeber, bestimmt werden. Abhängig von der Technologie, die für die Erfassung verwendet wird, können bei einer gegebenen physikalischen Größe des Sensors unterschiedliche Genauigkeiten erreicht werden. Generell gilt, dass eine kleinere Größe des Winkelsensors die Genauigkeit des Winkelsensors stärker begrenzt. Daher kann in Fällen, in denen der Bauraum begrenzt ist, insbesondere bei Automobilanwendungen, die Genauigkeit der Winkelerfassung geringer als gewünscht ausfallen kann.
Prinzipiell könnte man eine Sensortechnologie wählen, die eine höhere Genauigkeit zulässt. So weisen beispielsweise optische Drehgeber in der Regel eine wesentlich höhere Genauigkeit auf als beispielsweise magnetische Drehgeber. Die höhere Genauigkeit solcher Sensortechnologien kann jedoch mit anderen Nachteilen verbunden sein. Beispielsweise können optische Drehgeber bezüglich ihrer Betriebstemperatur eingeschränkt oder anfällig für Fehler aufgrund von Partikelverschmutzung sein.
Ein Beispiel, bei dem die Winkelposition eines drehbaren Objekts für die zeitliche Steuerung eines Ereignisses wesentlich ist, ist der Betrieb eines Lidar-Systems in Ausführungsform eines Laserscanners. Solche Systeme beinhalten Ablenkeinheiten, beispielsweise drehbar gelagerte Spiegel, und Lichtquellen zur Emission von Licht, das von der Ablenkeinheit in die Umgebung entlang verschiedener, durch die genaue Winkelposition der Ablenkeinheit gegebener Richtungen abgelenkt wird.
Das Dokument EP 3 173 815 A1 beschreibt ein Antriebssystem für einen Spiegel einer Ablenkeinheit für ein Lidar-System, das einen Drehgeber zur Bestimmung einer Winkelposition des Spiegels beinhaltet. Der Drehgeber kann als magnetischer oder optischer Drehgeber mit den jeweils oben beschriebenen Nachteilen ausgeführt sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses in Abhängigkeit von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts bereitzustellen, das eine genauere zeitliche Steuerung des Ereignisses ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen und bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept basiert auf der Idee, die korrekte Winkelposition zur zeitlichen Bestimmung des Ereignisses vorherzusagen, indem die entsprechende Eingangszeit eines Signalmerkmals eines Winkelsensors basierend auf einer mittleren Eingangszeit vorheriger Signalmerkmale vorhergesagt wird.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses, das von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts abhängt ist, bereitgestellt. Wenigstens ein Sensorsignal, das die Winkelposition des drehbaren Objekts betrifft, wird von einem Winkelsensor erhalten. Eine Reihe von Eingangszeiten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen des mindestens einen Sensorsignals entsprechen, wird, insbesondere mittels einer Recheneinheit, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal bestimmt. Dabei beinhalten die aufeinanderfolgenden Signalmerkmale ein gegenwärtiges Signalmerkmal und mindestens ein vorausgehendes Signalmerkmal, das dem gegenwärtigen Signalmerkmal vorausgeht. Mittels der Recheneinheit wird insbesondere eine mittlere Eingangszeit des gegenwärtigen Signalmerkmals und des mindestens einen vorausgehenden Signalmerkmals berechnet. Eine Eingangszeit eines nachfolgenden Signalmerkmals, von dem erwartet wird, dass es auf das gegenwärtige Signalmerkmal folgt, wird abhängig von der mittleren Eingangszeit, insbesondere mittels der Recheneinheit, geschätzt. Abhängig von der geschätzten Eingangszeit des nachfolgenden Signalmerkmals wird das Ereignis zeitlich gesteuert.
Die zeitliche Steuerung des Ereignisses kann beispielsweise das Bestimmen eines Zeitpunkts beinhalten, zu dem das Ereignis ausgelöst oder verursacht werden soll. Beispielsweise kann das Ereignis der Aktivierung einer Komponente, beispielsweise einer elektrischen Komponente, zum Beispiel einer Lichtquelle, entsprechen, die bei Auslösung gemäß der zeitlichen Steuerung Licht emittieren kann.
Das drehbare Objekt ist beispielsweise um eine Drehachse drehbar gelagert, die beispielsweise durch eine Welle oder dergleichen gegeben sein kann. Die Winkelposition des drehbaren Objekts entspricht einem Drehwinkel, insbesondere einem absoluten Drehwinkel, in Bezug auf die Drehachse. Dabei kann der Drehwinkel beispielsweise im Bereich von [0°, R*360°[ definiert sein, wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Selbstverständlich sind aber auch andere Winkelbereiche möglich.
Der Winkelsensor ist insbesondere mechanisch mit dem Objekt gekoppelt. Beispielsweise kann der Winkelsensor direkt den Drehwinkel der Welle messen, an der das Objekt montiert ist, oder einer anderen Welle, beispielsweise einer Motorwelle, die das Objekt antreibt und die mechanisch, beispielsweise über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Objekt gekoppelt ist. Auf diese Weise entspricht die Winkelposition des drehbaren Objekts der von dem Winkelsensor gemessenen Winkelposition, insbesondere innerhalb des vordefinierten Gesamtwinkelbereichs. Der Winkelsensor kann auch als Multiturn-Absolutwertgeber ausgeführt sein, der einen Index der Umdrehungen oder Gesamtwinkelbereiche speichert. Beispielsweise kann der Gesamtdrehwinkelbereich einer vollen Umdrehung von 360° der entsprechenden Welle entsprechen. Dann kann nach jedem Durchlauf der 360° ein Indexsignal oder Tick des Indexsignals erzeugt und beispielsweise ein entsprechender Index gespeichert werden, sodass die absolute Position auch beim Ausschalten und erneuten Aktivieren des Winkelsensors wiederhergestellt werden kann.
Das mindestens eine Sensorsignal kann beispielsweise ein Sensorsignal beinhalten, das direkt den Drehwinkel darstellt. Alternativ kann das mindestens eine Sensorsignal eines oder mehrere Sensorsignale beinhalten, die jeweils Funktionen darstellen, die von dem Drehwinkel abhängig sind. Beispielsweise kann das mindestens eine Sensorsignal ein erstes Sensorsignal beinhalten, das den Kosinus des Drehwinkels darstellt und ein zweites Sensorsignal, das den Sinus des Drehwinkels darstellt.
Bei dem mindestens einen Sensorsignal kann es sich beispielsweise um ein digitales Signal handeln. Mit anderen Worten, das wenigstens eine Sensorsignal kann eine Reihe von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen mit Werten beinhalten oder daraus bestehen, die zwischen logisch 0 und logisch 1 wechseln. Beispielsweise können alle Zeitintervalle mit logisch 0 die gleiche Länge haben und alle Zeitintervalle mit logisch 1 die gleiche Länge haben. Beispielsweise können alle Zeitintervalle die gleiche Länge haben.
Die Signalmerkmale können beispielsweise Flanken des mindestens einen Sensorsignals entsprechen. Beispielsweise kann jede steigende Flanke oder jede fallende Flanke des mindestens einen Sensorsignals einem Signalmerkmal entsprechen. In einigen Ausführungsformen entsprechen alle Flanken Signalmerkmalen, nämlich alle steigenden Flanken und alle fallenden Flanken. In anderen Ausführungsformen können nur fallende Flanken oder nur steigende Flanken Signalmerkmalen entsprechen. Es sind aber auch Kombinationen oder andere Konventionen möglich. Die Signalmerkmale können auch als Ticks, Signal-Ticks oder Sensor-Ticks bezeichnet werden.
Zur Ermittlung der Reihe von Eingangszeiten kann die Recheneinheit für jedes der Signalmerkmale, insbesondere für jede der Flanken des mindestens einen Sensorsignals, eine entsprechende Eingangszeit speichern. Die Eingangszeiten können beispielsweise mittels eines Takts der Recheneinheit definiert sein. Die Reihe der Eingangszeiten wird jedoch nicht notwendigerweise direkt basierend auf dem mindestens einen Sensorsignal bestimmt. Beispielsweise kann die Recheneinheit eine vorläufige Reihe von Eingangszeiten direkt basierend auf dem mindestens einen Sensorsignal bestimmen und die Reihe der Eingangszeiten abhängig von der vorläufigen Reihe erzeugen, beispielsweise durch Korrektur oder Verbesserung der vorläufigen Reihe.
Zur Berechnung der mittleren Eingangszeit kann die Recheneinheit einen Mittelwert der jeweiligen Eingangszeiten des gegenwärtigen Signalmerkmals und jedes des mindestens einen vorangegangenen Signalmerkmals berechnen.
Das gegenwärtige Signalmerkmal kann beispielsweise dem letzten verfügbaren Signalmerkmal zum Zeitpunkt der Berechnung der mittleren Ankunftszeit entsprechen. Insbesondere ist die Gesamtzahl der mindestens einen vorhergehenden Signalmerkmale gleich n-1, wobei n eine vordefinierte ganze Zahl größer oder gleich 2 ist. Mit anderen Worten, die mittlere Eingangszeit wird als mittlere Eingangszeit entsprechend n Signalmerkmalen berechnet. Dabei kann die mittlere Eingangszeit beispielsweise als gleitender Mittelwert berechnet werden. Mit anderen Worten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmale können aktualisiert werden, wenn ein neues Signalmerkmal verfügbar ist. Dann wird das nachfolgende Signalmerkmal zum neuen gegenwärtigen Signalmerkmal und so weiter. Auf diese Weise kann die Recheneinheit kontinuierlich oder wiederholt die mittlere Eingangszeit als gleitenden Mittelwert über eine konstante Anzahl von n Signalmerkmalen berechnen. Bei jeder Berechnung kann die Eingangszeit des jeweils nachfolgenden Merkmals abhängig von der jeweiligen mittleren Eingangszeit geschätzt werden. Dann kann das Ereignis wiederholt oder eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ereignissen abhängig von der Vielzahl der geschätzten Eingangszeiten zeitlich gesteuert werden.
Mit dem verbesserten Konzept wird das Ereignis abhängig von der geschätzten Eingangszeit des nachfolgenden Signalmerkmals zeitlich gesteuert, anstatt die tatsächlich ermittelte Eingangszeit des nachfolgenden Signalmerkmals zu verwenden. Da die geschätzte Eingangszeit des nachfolgenden Signalmerkmals basierend auf der mittleren Eingangszeit berechnet wird, können Effekte aufgrund von zufälligem Rauschen oder zufälligem Jitter in dem wenigstens einen Sensorsignal zumindest teilweise kompensiert werden.
Insbesondere würden sich die Eingangszeiten der aufeinanderfolgenden Signalmerkmale ohne ein solches zufälliges Rauschen oder Jitter genau um eine vordefinierte nominale Merkmalszeitdifferenz unterscheiden. Einflüsse der Umgebung können jedoch nie ganz ausgeschlossen werden. Deshalb treten zwangsläufig zufällige Abweichungen der einzelnen Eingangszeiten auf. Der zufällige Jitter oder das zufällige Rauschen ist aufgrund seines Ursprungs nicht teilespezifisch und daher für einen gegebenen Winkelsensor nicht immer gleich. Eine reguläre Kalibrierung ist daher nicht zielführend, um den zufälligen Jitter zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass bei einer nominellen Merkmalsabstandszeit von 10 bis 15 µs die Verschiebung der Eingangszeiten durch den zufälligen Jitter bei einem magnetischen Drehgeber in der Größenordnung von einer oder mehreren Mikrosekunden liegen kann. Mit Hilfe des verbesserten Konzepts kann dieser Effekt stark reduziert werden. Dabei kann die Zahl n angepasst werden, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Insbesondere ist der Effekt des zufälligen Jitter umso geringer, je höher n ist.
Gemäß mehreren Implementierungen des Verfahrens zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses gemäß dem verbesserten Konzept wird, insbesondere mittels der Recheneinheit, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal eine vorläufige Reihe von Eingangszeiten ermittelt, die den aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen des mindestens einen Sensorsignals entsprechen. Die Ermittlung der Reihe von Eingangszeiten erfolgt, insbesondere mittels der Recheneinheit, in Abhängigkeit von der vorläufigen Reihe von Eingangszeiten und in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Satz von Kalibrierungsdaten für den Winkelsensor.
Der Satz von Kalibrierungsdaten entspricht insbesondere einem Satz von individuellen Kalibrierungsdaten und ist teilespezifisch für den Winkelsensor. Mit anderen Worten hat jeder Winkelsensor einen eigenen Satz von Kalibrierungsdaten, der während einer Kalibrierungsphase vor dem Verfahren gemäß dem verbesserten Konzept oder als Teil des Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept, beispielsweise vor einer operativen Phase des Winkelsensors, ermittelt wurde.
Insbesondere kann der Satz von Kalibrierungsdaten einen Verschiebungswert, beispielsweise eine zeitliche Verschiebung oder eine Winkelverschiebung für jedes der Signalmerkmale oder jeden der entsprechenden Winkel in dem vordefinierten Gesamtbereich von Drehwinkeln beinhalten.
Neben dem erwähnten zufälligen Rauschen oder zufälligen Jitter kann das mindestens eine Sensorsignal auch mit nicht-zufälligem Jitter oder systematischen Fehlern behaftet sein, die für jeden Winkelsensor unterschiedlich, aber im Wesentlichen konstant sind. Daher kann bei der Kalibrierung für jeden Tick oder jedes Signalmerkmal ein entsprechender Korrekturwert oder Verschiebungswert ermittelt werden.
In solchen Ausführungsformen können sowohl der zufällige Jitter als auch der nichtzufällige Jitter zumindest teilweise kompensiert werden, was zu einer weiter verbesserten Genauigkeit der zeitlichen Steuerung führt. Die Fehlerreduzierung wird insbesondere in zwei Schritten durchgeführt. Erstens werden die Kalibrierungsdaten verwendet, um die von dem mindestens einen Sensorsignal erhaltenen Eingangszeiten direkt zu korrigieren, und zweitens werden die korrigierten Eingangszeiten wie beschrieben gemittelt, um den zufälligen Jitter zu kompensieren. Auf diese Weise wird erreicht, dass nicht nur der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen genauer ist, sondern auch der Absolutwert der zeitlichen Steuerung verbessert wird.
Gemäß mehreren Implementierungen entspricht jedes der Signalmerkmale des wenigstens einen Sensorsignals einer Winkelposition einer drehbaren Welle des Winkelsensors, wobei die drehbare Welle mit dem drehbaren Objekt verbunden ist und die Winkelpositionen der drehbaren Welle als diskrete Winkelwerte innerhalb eines vordefinierten endlichen Bereichs definiert sind.
Der endliche Bereich entspricht dem Gesamtbereich der Winkelpositionen und kann beispielsweise dem Bereich von [0°, R*360°] entsprechen, vorzugsweise mit R=1.
Wie oben beschrieben, kann die drehbare Welle direkt oder indirekt mit dem drehbaren Objekt verbunden sein. In jedem Fall besteht ein definierter Zusammenhang zwischen der Winkelposition des drehbaren Objekts und der Winkelposition der drehbaren Welle, die direkt vom Winkelsensor gemessen wird.
Gemäß mehreren Implementierungen beinhalten die Kalibrierungsdaten einen Winkelkorrekturwert für jeden der Winkelwerte. Gemäß mehreren Implementierungen wird für jeden der Winkelkorrekturwerte, insbesondere mittels der Recheneinheit, ein entsprechender zeitlicher Korrekturwert ermittelt, der einer Verschiebung der jeweiligen Eingangszeit entspricht.
Die Folge von Eingangszeiten wird insbesondere mittels der Recheneinheit erzeugt, indem die Eingangszeiten der vorläufigen Folge von Eingangszeiten basierend auf den zeitlichen Korrekturwerten korrigiert werden.
Dabei kann der zeitliche Korrekturwert beispielsweise in Bezug auf den Takt oder das Taktsignal der Recheneinheit, beispielsweise eines feldprogrammierbaren Gate-Array, FPGA, der Recheneinheit, definiert sein.
Gemäß mehreren Implementierungen wird die geschätzte Eingangszeit des nachfolgenden Signalmerkmals abhängig von einer vordefinierten nominalen Merkmalszeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen geschätzt.
Beispielsweise kann die geschätzte Eingangszeit als [t₀ + (n+1)*T_M] berechnet werden, wobei T_M der mittleren Eingangszeit entspricht und t₀ einer Eingangszeit eines initialen Merkmals des mindestens einen vorhergehenden Signalmerkmals entspricht. Die geschätzte Eingangszeit kann auch durch [t₀ + n*T_M + δ] gegeben sein, wobei δ die nominale Merkmalszeitdifferenz darstellt. Die geschätzte Eingangszeit kann auch gegeben sein durch [t₀ + T_M*(n-1 )/2 + δ*(n+1 )/2]. Abhängig von der tatsächlichen Wahl, wie die geschätzte Eingangszeit berechnet wird, kann die Auswirkung der Korrektur mehr oder niedriger ausgeprägt sein.
Gemäß mehreren Implementierungen beinhaltet die zeitliche Steuerung des Ereignisses das Auslösen des Ereignisses zur geschätzten Eingangszeit.
Beispielsweise kann es das Auslösen des Ereignisses beinhalten, dass eine Lichtquelle Licht emittiert. Mit anderen Worten, das Ereignis entspricht oder beinhaltet die Emission von Licht.
Gemäß einem weiteren Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems, beispielsweise eines Lidar-Systems, bereitgestellt. Dabei wird ein drehbarer Spiegel des aktiven optischen Sensorsystems gedreht, insbesondere durch einen Motorantrieb des aktiven optischen Sensorsystems, und insbesondere mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit. Ein Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses gemäß dem verbesserten Konzept wird insbesondere mittels einer Recheneinheit des optischen Sensorsystems durchgeführt. Dabei entspricht der drehbare Spiegel dem drehbaren Objekt, das in Bezug auf das Verfahren zur zeitlichen Steuerung des Ereignisses gemäß dem verbesserten Konzept beschrieben ist. Das Ereignis entspricht dem Aussenden von Licht mittels einer Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle, des aktiven optischen Sensorsystems.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein System, insbesondere ein aktives optisches Sensorsystem, bereitgestellt. Das System beinhaltet ein drehbares, das heißt ein drehbar gelagertes Objekt, und einen Winkelsensor, der mechanisch mit dem Objekt gekoppelt und dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Sensorsignal abhängig von einer Winkelposition des Objekts zu erzeugen. Das System beinhaltet dazu eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, eine Reihe von Eingangszeiten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen des mindestens einen Sensorsignals entsprechen, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal zu bestimmen und insbesondere zu speichern. Die aufeinanderfolgenden Signalmerkmale beinhalten ein gegenwärtiges Signalmerkmal und mindestens ein vorausgehendes Signalmerkmal, das dem gegenwärtigen Signalmerkmal vorausgeht. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, eine mittlere Eingangszeit des gegenwärtigen Signalmerkmals und des mindestens einen vorangehenden Signalmerkmals zu berechnen. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, eine Eingangszeit eines nachfolgenden Signalmerkmals, das voraussichtlich auf das gegenwärtige Signalmerkmal folgen wird, abhängig von der mittleren Eingangszeit und dem Ereignis abhängig von der geschätzten Eingangszeit zu schätzen.
Durch die mechanische Kopplung des Winkelsensors mit dem Objekt ist eine drehbare Welle des Motorantriebs direkt oder indirekt mit dem drehbaren Objekt verbunden. Der Winkelsensor ist angeordnet und dazu eingerichtet, den Drehwinkel der drehbaren Welle zu bestimmen, um das mindestens eine Sensorsignal zu erzeugen.
Gemäß mehreren Implementierungen ist der Winkelsensor als Absolutwertdrehgeber, insbesondere als Multiturn-Absolutwertdrehgeber, ausgebildet.
Gemäß mehreren Implementierungen ist der Winkelsensor als magnetischer Drehgeber Drehgeber ausgeführt. Das heißt, der Winkelsensor beinhaltet ein magnetisches Coderad oder ein anderes magnetisches Codeelement und einen Magnetfeldsensor, beispielsweise einen Hall-Sensor, um das magnetische Codeelement zu lesen.
Magnetische Drehgeber haben den Vorteil, dass sie mit relativ wenig Bauraum gebaut werden können, was vor allem im Zusammenhang mit Automobilanwendungen von Vorteil ist. Weiterhin können magnetische Drehgeber in einem großen Bereich von Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, insbesondere auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen. Außerdem werden magnetische Drehgeber nicht stark durch Verschmutzung beeinträchtigt. Andererseits haben magnetische Drehgeber in der Regel eine geringere native Genauigkeit, beispielsweise im Vergleich zu optischen Drehgebern. Daher ist das verbesserte Konzept besonders für magnetische Drehgeber geeignet. Es ist jedoch offensichtlich, dass auch andere Arten von Drehgebern von dem verbesserten Konzept profitieren.
Gemäß mehreren Implementierungen ist das System als ein aktives optisches Sensorsystem ausgebildet, das eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor beinhaltet. Das Objekt ist als Spiegel ausgebildet und so angeordnet, dass Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, in eine Umgebung des aktiven optischen Sensorsystems umgelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich ist der Spiegel angeordnet, um aus der Umgebung in das aktive optische Sensorsystem eintretendes Licht zu dem Lichtdetektor umzulenken. Insbesondere ist das System als Lidar-System, beispielsweise als Laserscanner, ausgebildet.
Gemäß mehreren Implementierungen beinhaltet das System eine Welle, die mit dem Objekt verbunden ist, und das System beinhaltet einen Motorantrieb, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Welle zu drehen, um das Objekt zu drehen.
Gemäß mehreren Implementierungen beinhaltet die Recheneinheit ein FPGA.
Gemäß mehreren Implementierungen beinhaltet das System eine Speichereinheit, die einen vorbestimmten Satz von Kalibrierungsdaten für den Winkelsensor speichert. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, eine vorläufige Reihe von Eingangszeiten entsprechend den aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen des mindestens einen Sensorsignals abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal zu bestimmen und die Reihe von Eingangszeiten abhängig von der vorläufigen Reihe von Eingangszeiten und dem Satz von Kalibrierungsdaten zu bestimmen.
Weitere Ausführungsformen des Systems gemäß dem verbesserten Konzept ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Implementierungen der Verfahren gemäß dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere kann ein System gemäß dem verbesserten Konzept so programmiert oder dazu eingerichtet sein, dass es ein Verfahren gemäß dem verbesserten Konzept ausführt oder es führt ein solches Verfahren aus.
Gemäß einem weiteren mittelbaren Aspekt des verbesserten Konzepts wird auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Anweisungen beinhaltet. Wenn die Anweisungen von einem System gemäß dem verbesserten Konzept ausgeführt werden, veranlassen sie das System, ein Verfahren gemäß dem verbesserten Konzept auszuführen.
Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise einem Computerprogramm entsprechen, das die Anweisungen beinhaltet, oder einem computerlesbaren Speichermedium, das das Computerprogramm mit den Anweisungen speichert.
Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ersichtlich. Die oben in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die unten in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein dargestellten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von dem verbesserten Konzept umfasst sein. Es werden also auch Ausführungsformen des verbesserten Konzepts erfasst und offenbart, die nicht explizit in den Figuren gezeigt oder erläutert werden, sondern sich aus den erläuterten Ausführungsformen ergeben und durch abgetrennte Merkmalskombinationen erzeugt werden können. Ausführungsformen und Merkmalskombinationen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen, können von dem verbesserten Konzept umfasst sein. Darüber hinaus können auch Ausführungsformen und Merkmalskombinationen, die über die in den Beziehungen der Ansprüche dargestellten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen, von dem verbesserten Konzept umfasst sein.
In den Figuren zeigen

1 schematisch ein Kraftfahrzeug, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems gemäß dem verbesserten Konzept beinhaltet;
2 ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems gemäß dem verbesserten Konzept;
3 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines aktiven optischen Sensorsystems gemäß dem verbesserten Konzept; und
4 ein beispielhaftes Signaldiagramm.

1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 2, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Lidarsystems 1 beinhaltet, das als beispielhafte Implementierung eines Systems gemäß dem verbesserten Konzept ausgebildet ist.
Das Lidarsystem 1 beinhaltet eine Lichtquelle 8, beispielsweise eine oder mehrere Infrarot-Laserdioden, und einen Lichtdetektor 9 (siehe 2). Die Lichtquelle 8 ist dazu eingerichtet, Licht in die Umgebung des Lidarsystems 1 zu emittieren, wo es teilweise von einem Objekt 3 reflektiert werden kann. Der Lichtdetektor 9 kann die reflektierten Anteile des Lichts erfassen und abhängig von den erfassten Anteilen eines oder mehrere Detektorsignale erzeugen. Das Lidarsystem 1 oder eine Steuereinheit (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 2 kann dann abhängig von den Detektorsignalen eine dreidimensionale Punktwolke der Umgebung des Fahrzeugs 2 erzeugen, um das Fahrzeug 2 zumindest teilweise automatisch zu führen und/oder um einen Fahrer des Fahrzeugs 2 zu unterstützen.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Lidar-Systems 1 aus 1. Das Lidarsystem 1 beinhaltet die Lichtquelle 8 und den Lichtdetektor 9 sowie eine Ablenkeinheit, die einen Spiegel 4 umfasst, der zum Beispiel mit einer Welle 5 verbunden ist, so dass der Spiegel 4 um eine zu der Welle 5 parallele Rotationsachse rotieren kann. Das Lidarsystem 1 beinhaltet weiterhin einen Motorantrieb 6, der direkt oder indirekt mit der Welle 5 verbunden ist, um die Drehung des Spiegels 4 zu bewirken. Ein Drehgeber 7, insbesondere ein magnetischer Drehgeber, ist direkt oder indirekt mit der Welle 5 verbunden. Beispielsweise kann eine Motorwelle (nicht dargestellt) des Motorantriebs 6 direkt oder indirekt mit der Welle 5 verbunden sein, oder die Welle 5 kann mit der Motorwelle des Motorantriebs 6 korrespondieren. Der Drehgeber 7 ist angeordnet und eingerichtet, einen Drehwinkel der Motorwelle und damit direkt oder indirekt den Drehwinkel der Welle 5 zu ermitteln, der wiederum einer Winkelposition des Spiegels 4 entspricht.
Das Lidarsystem 1 beinhaltet ferner eine Recheneinheit 10, die als Steuereinheit für den Motorantrieb 6, den Drehgeber 7, den Lichtdetektor 9 und die Lichtquelle 8 fungieren kann.
Die Funktion des Lidarsystems 1 wird anhand einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems gemäß dem verbesserten Konzept näher erläutert, insbesondere unter Bezugnahme auf 3 und 4.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines solchen Verfahrens. Darin entsprechen die Verfahrensschritte C1 bis C3 einer Kalibrierungsphase. Die Verfahrensschritte C1 und C2 können beispielsweise offline, das heißt vor dem Betrieb des Lidarsystems 1 in einem normalen Modus, durchgeführt werden. Der Verfahrensschritt C3 kann während des Einschaltens des Lidarsystems 1 oder, anders ausgedrückt, unmittelbar nach dem Einschalten des Lidarsystems 1 durchgeführt werden, bevor es in den normalen Betriebsmodus übergeht. Die Verfahrensschritte S1 bis S7 werden beispielsweise online durchgeführt, also nach dem Einschalten, wenn das Lidarsystem 1 im normalen Modus arbeitet.
4 zeigt eine schematische Darstellung von Ausgangssignalen des Drehgebers 7. Im Beispiel von 4 gibt der Drehgeber 7 ein erstes Winkelsignal 11a und ein zweites Winkelsignal 11 b aus, wobei beide Winkelsignale 11a, 11b durch Rechteckimpulssignale mit einem Tastverhältnis von 0,5 gegeben sind. Die Winkelsignale 11a, 11b sind um eine Phase von 90° gegeneinander verschoben. Jede steigende und fallende Flanke 14a des ersten Winkelsignals 11a sowie jede Flanke 14b des zweiten Winkelsignals 11b stellen einen Sensor-Tick beziehungsweise ein Signalmerkmal dar. In anderen Ausführungsformen kann der Drehgeber 7 auch nur ein Winkelsignal ausgeben.
Die Recheneinheit 10 kann beispielsweise einen Flankendetektor beinhalten, der dazu eingerichtet ist, eine einer jeweiligen Flanke 14a, 14b der Winkelsignale 11a, 11b entsprechende vorläufige Eingangszeit zu ermitteln und die entsprechenden vorläufigen Eingangszeiten in einer Speichereinheit (nicht dargestellt) der Recheneinheit 10 zu speichern. In alternativen Ausführungsformen können die Rechteckimpulse 13a, 13b, die eine steigende Flanke und eine nachfolgende fallende Flanke beinhalten, als Sensor-Ticks oder Merkmale betrachtet werden.
Eine jeweilige Periode des ersten und des zweiten Winkelsignals 11a, 11 b ist durch 4*δ gegeben und folglich ist eine nominelle Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen gleich δ.
Im vorliegenden Beispiel gibt der Drehgeber 7 zusätzlich ein Indexsignal 12 aus, das einmal alle 360° der Motorwelle einen positiven Impuls aufweist und ansonsten gleich logisch 0 ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass 4 eine ideale Situation zeigt, in der es kein zufälliges Rauschen in den Winkelsignalen 11a, 11b gibt und folglich die gegenwärtigen Signalmerkmale gleichmäßig um die nominale Zeitdifferenz δ beabstandet sind. Im Allgemeinen wird es jedoch Abweichungen aufgrund von zufälligen Rauscheffekten geben.
Im Schritt C1 des Verfahrens wird eine Kalibrierung des einzelnen Drehgebers 7 durchgeführt. Beispielsweise kann der Drehgeber 7 eine vordefinierte Anzahl M von Ticks für eine Umdrehung der Motorwelle um 360° erzeugen. M kann beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Tausend liegen, beispielsweise zwischen 5000 und 6000. Dann werden in Schritt C1 M Korrekturwerte, die den M Winkelwerten des Drehgebers 7 entsprechen, ermittelt, um einen nicht-zufälligen Jitter oder nicht-zufälligen Fehler des einzelnen Drehgebers 7 zu berücksichtigen. Mit anderen Worten sollte der Drehgeber 7 prinzipiell für jedes durch 360°/M gegebene Winkelinkrement einen Tick erzeugen. Aufgrund des nicht-zufälligen Jitter kann dieser Wert jedoch für jeden der Ticks unterschiedlich ausfallen. Die M Korrekturwerte stellen einen Satz von Kalibrierungsdaten für den Drehgeber 7 dar. In Schritt C2 werden die Kalibrierungsdaten in einer Speichereinheit des Lidarsystems 1, beispielsweise des Motorantriebs 6 oder der Recheneinheit 10, gespeichert. Die Speichereinheit kann beispielsweise als Flash-Festwertspeicher FROM ausgeführt sein. Die Schritte C1 und C2 können beispielsweise nur einmal für den einzelnen Drehgeber 7 durchgeführt werden.
Beim Einschalten des Lidarsystems 1 beziehungsweise des Drehgebers 7 lädt die Recheneinheit 10 die Kalibrierungsdaten aus der Speichereinheit in einen internen Speicher der Recheneinheit 10, beispielsweise eines FPGAs der Recheneinheit 10, und wandelt die Korrekturwerte aus der Winkeldomäne in die Zeitdomäne um, insbesondere durch Ermittlung einer jeweiligen Anzahl von Taktzyklen des FPGAs abhängig von einer konstant vorgegebenen beziehungsweise gemessenen Motordrehzahl.
Nach dem Einschalten dreht der Motorantrieb 6 in Schritt S1 die Motorwelle, und für jedes Winkelupdate wird einer der M Winkel der Motorwelle vom Drehgeber 7 an die Recheneinheit 10, insbesondere an den FPGA, übermittelt. In Schritt S2 protokolliert die Recheneinheit 10, insbesondere das FPGA, die vorläufigen Eingangszeiten der Signalmerkmale 14a, 14b der Winkelsignale 11a, 11b basierend auf dem Takt der Recheneinheit 10. Im Beispiel von 4 sind n=8 vorläufige Eingangszeiten gespeichert.
In Schritt S3 kann die Recheneinheit 10, insbesondere das FPGA, den entsprechenden Korrekturwert in der Zeitdomäne, wie in Bezug auf Schritt C3 beschrieben ist, auslesen und die gesperrten Eingangszeiten in Schritt S4 um die jeweiligen Korrekturwerte verschieben. Dadurch wird der Effekt von nicht-zufälligem Jitter auf die zeitliche Steuerung der Signalmerkmale 14a, 14b kompensiert.
In Schritt S5 werden die verschobenen Eingangszeiten in einem Schieberegister mit n Elementen gespeichert, das eine gegenwärtige Eingangszeit t₇ und eine Anzahl von n-1 vorherigen Eingangszeiten t₀ bis t₇ enthält, beispielsweise für n = 8. Beispielsweise kann ein First-in-First-out-Puffer, FIFO-Puffer oder ein anderer Registertyp für die Speicherung der n Eingangszeiten verwendet werden.
In Schritt S6 berechnet die Recheneinheit 10, beispielsweise der FPGA, einen Mittelwert TM der im Schieberegister gespeicherten Eingangszeiten t₀ - t₇. Basierend auf der mittleren Ankunftszeit T_M wird eine Eingangszeit t₈ eines erwarteten nachfolgenden Signalmerkmals geschätzt. Beispielsweise kann die geschätzte Eingangszeit t₈ gegeben sein durch t₈ = [t₀ + T_M*(n-1 )/2 + δ*(n-1 )/2].
In Schritt S7 vergleicht die Recheneinheit 10, insbesondere der FPGA, ihren Takt mit der geschätzten Eingangszeit t₈ und veranlasst die Lichtquelle 8, das Licht zu emittieren, wenn die Zeit gemäß dem Takt gleich der geschätzten Eingangszeit t₈ ist. Auf diese Weise wird der Einfluss von zufälligem Jitter oder zufälligem Rauschen auf die Eingangszeiten der Signalmerkmale 14a, 14b kompensiert.
Wie insbesondere mit Bezug auf die Figuren beschrieben, ermöglicht das verbesserte Konzept die zeitliche Steuerung eines Ereignisses, das von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts abhängig ist, mit verbesserter Genauigkeit, indem der Effekt von zufälligem Rauschen oder Jitter und, in einigen Ausführungsformen, der Effekt von nicht-zufälligem Jitter kompensiert wird.
Aufgrund des verbesserten Konzepts ist es insbesondere möglich, magnetische Coderäder beziehungsweise magnetische Drehgeber im automobilen Kontext oder in anderen Anwendungen mit einer verbesserten Genauigkeit einzusetzen. Die Nachteile von optischen Drehgebern können somit vermieden werden. Insbesondere erlaubt das verbesserte Konzept den Einsatz des Drehgebers bei niedrigen Temperaturen und auch in staubigen Umgebungen unter Beibehaltung einer hohen zeitlichen Steuerungsgenauigkeit. Aufgrund des verbesserten Konzepts können sowohl nichtsystematische Fehler, nämlich zufälliges Rauschen, als auch, in einigen Ausführungsformen, systematische Fehler kompensiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3173815 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses abhängig von einer Winkelposition eines drehbaren Objekts (4), wobei von einem Winkelsensor (7) wenigstens ein die Winkelposition betreffendes Sensorsignal (11a, 11b) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Reihe von Eingangszeiten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen (13a, 13b) des mindestens einen Sensorsignals (11a, 11b) entsprechen, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal (11a, 11b) ermittelt wird, wobei die aufeinanderfolgenden Signalmerkmale (13a, 13b) ein gegenwärtiges Signalmerkmal und mindestens ein vorausgehendes Signalmerkmal beinhalten, das dem gegenwärtigen Signalmerkmal vorausgeht; - eine mittlere Eingangszeit des gegenwärtigen Signalmerkmals und des mindestens einen vorangehenden Signalmerkmals berechnet wird; - eine Eingangszeit eines nachfolgenden Signalmerkmals, von dem erwartet wird, dass es auf das gegenwärtige Signalmerkmal folgt, abhängig von der mittleren Eingangszeit geschätzt wird; und - das Ereignis abhängig von der geschätzten Eingangszeit zeitlich gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - eine vorläufige Reihe von Eingangszeiten, die den aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen (13a, 13b) des mindestens einen Sensorsignals (11a, 11b) entsprechen, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal (11a, 11b) bestimmt wird; und - die Reihe von Eingangszeiten abhängig von der vorläufigen Reihe von Eingangszeiten und einem vorbestimmten Satz von Kalibrierungsdaten für den Winkelsensor (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - jedes der Signalmerkmale (13a, 13b) des wenigstens einen Sensorsignals (11a, 11b) einer Winkelposition einer drehbaren Welle des Winkelsensors (7) entspricht, wobei die drehbare Welle mit dem drehbaren Objekt (4) verbunden ist und die Winkelpositionen der drehbaren Welle als diskrete Winkelwerte innerhalb eines vordefinierten endlichen Bereichs definiert sind; - die Kalibrierungsdaten einen Winkelkorrekturwert für jeden der Winkelwerte beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - für jeden der Winkelkorrekturwerte ein entsprechender zeitlicher Korrekturwert ermittelt wird, der einer Verschiebung der jeweiligen Eingangszeit entspricht; und - die Reihe der Ankunftszeiten durch Korrektur der Ankunftszeiten der vorläufigen Reihe von Eingangszeiten basierend auf den zeitlichen Korrekturwerten erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geschätzte Eingangszeit abhängig von einer vordefinierten nominellen Zeitdifferenz geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Steuerung des Ereignisses das Auslösen des Ereignisses zu der geschätzten Eingangszeit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es das Auslösen des Ereignisses beinhaltet, eine Lichtquelle (8) zu veranlassen, Licht zu emittieren.
Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems (1), wobei ein drehbarer Spiegel des aktiven optischen Sensorsystems (1) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Verfahren zur zeitlichen Steuerung eines Ereignisses nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird, wobei der drehbare Spiegel dem drehbaren Objekt (4) entspricht; und - das Ereignis ein Aussenden von Licht mittels einer Lichtquelle (8) des aktiven optischen Sensorsystems (1) beinhaltet.
System, das ein drehbares Objekt (4) und einen Winkelsensor (7) beinhaltet, der mechanisch mit dem drehbaren Objekt (4) gekoppelt und dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Sensorsignal (11a, 11b) abhängig von einer Winkelposition des drehbaren Objekts (4) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Recheneinheit (10) aufweist, die dazu eingerichtet ist, - eine Reihe von Eingangszeiten, die aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen (13a, 13b) des mindestens einen Sensorsignals (11a, 11b) entsprechen, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal (11a, 11b) zu bestimmen, wobei die aufeinanderfolgenden Signalmerkmale (13a, 13b) ein gegenwärtiges Signalmerkmal und mindestens ein vorausgehendes Signalmerkmal beinhalten, das dem gegenwärtigen Signalmerkmal vorausgeht; - eine mittlere Eingangszeit des gegenwärtigen Signalmerkmals und des mindestens einen vorangehenden Signalmerkmals zu berechnen; - eine Eingangszeit eines nachfolgenden Signalmerkmals, von dem erwartet wird, dass es auf das gegenwärtige Signalmerkmal folgt, abhängig von der mittleren Eingangszeit zu schätzen; und - das Ereignis abhängig von der geschätzten Eingangszeit zeitlich zu steuern.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (8) als Absolutwertdrehgeber ausgestaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (8) als magnetischer Drehgeber ausgestaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - das System (1) als ein aktives optisches Sensorsystem (1) ausgestaltet ist, das eine Lichtquelle (8) und einen Lichtdetektor (9) enthält; - das drehbare Objekt (4) als Spiegel ausgestaltet ist und angeordnet ist, von der Lichtquelle (8) ausgesandtes Licht in eine Umgebung des aktiven optischen Sensorsystems (1) umzulenken und/oder aus der Umgebung in das aktive optische Sensorsystem (1) eintretendes Licht zu dem Lichtdetektor (9) umzulenken.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) eine Welle aufweist, die mit dem drehbaren Objekt (4) verbunden ist, und einen Motorantrieb (6), der dazu eingerichtet ist, die Welle zu drehen, um das drehbare Objekt (4) zu drehen.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) ein feldprogrammierbares Gate-Array enthält.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass - das System (1) eine Speichereinheit aufweist, die einen vorbestimmten Satz von Kalibrierungsdaten speichert; und - die Recheneinheit dazu eingerichtet ist, - eine vorläufige Reihe von Eingangszeiten, die den aufeinanderfolgenden Signalmerkmalen (13a, 13b) des mindestens einen Sensorsignals (11a, 11b) entsprechen, abhängig von dem mindestens einen Sensorsignal (11a, 11b) zu bestimmen; und - die Reihe von Eingangszeiten abhängig von der vorläufigen Reihe von Eingangszeiten und dem Satz von Kalibrierungsdaten zu bestimmen.