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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Multisensorsystem. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Bestimmung einer Position oder Orientierung mit einem solchen Multisensorsystem.
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Stand der Technik
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Aktuell sind zahlreiche Verfahren und Systeme zur Feststellung einer Position oder Orientierung bekannt. Insbesondere können dabei Daten von mehreren Signalquellen berücksichtigt werden. Die einzelnen Abtastwerte bzw. Daten werden hierbei in der Regel in einer zentralen Recheneinheit fusioniert und zu einem einzigen Ausgabe-Abtastwert oder Ausgabe-Datenelement verarbeitet.
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Die Druckschrift
CN 101319902 beschreibt eine kombinierte Ortungs- und Orientierungsvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst neben mikroelektromechanischen Sensoren auch einen Empfänger eines Global Positioning Systems sowie einen elektronischen Kompass.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Multisensorsystem und ein System zur Bestimmung einer Position und Orientierung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Multisensorsystem mit einer ersten Anzahl von Signalquellen und einer zweiten Anzahl von Signalverarbeitungseinrichtungen. Die Signalquellen sind jeweils dazu ausgelegt, ein zu einer erfassten Größe korrespondierendes (diskretisiertes) Signal bereitzustellen. Die Signalverarbeitungseinrichtungen sind jeweils dazu ausgelegt, Signale von mindestens einer Signalquelle und/oder mindestens einer anderen Signalverarbeitungseinrichtung zu empfangen. Die Signalverarbeitungseinrichtungen sind ferner dazu ausgelegt, die empfangenen Signale zu verarbeiten, insbesondere zu fusionieren. Weiterhin sind die Signalverarbeitungseinrichtungen dazu ausgelegt, die verarbeiteten Signale einer weiteren Signalverarbeitungseinrichtung oder einer Endverarbeitungseinrichtung bereitzustellen.
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Ferner ist vorgesehen:
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Ein System zur Bestimmung einer Position oder Orientierung mit einem erfindungsgemäßen Multisensorsystem.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Multisensorsystemen die Signale einzelner Signalquellen mit einer unterschiedlichen Taktrate oder Abtastfrequenz bereitgestellt werden können. Die Taktrate einer Signalquelle kann gleichförmig, zeitlich veränderlich, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur, oder auch diskontinuierlich sein. Werden die Signale aller Signalquellen in einer zentralen Recheneinheit verarbeitet, so muss diese Recheneinheit auf die maximal auftretende Taktrate der Signalquellen angepasst sein. Darüber hinaus kann es notwendig sein, eine Wandlung einer Abtastrate eines Signals aus einer Signalquelle mit einer zeitlich veränderlichen Abtastrate vorzunehmen, um das Signal mit anderen Signalen zusammen weiterverarbeiten zu können. Hierzu ist in der Regel eine Recheneinheit mit hoher Leistung und entsprechend auch einem hohen Energieumsatz erforderlich.
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Es ist nun eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Signalverarbeitung und Signalfusion in einem Multisensorsystem bereitzustellen, welche alle anfallenden Signale der einzelnen Signalquellen bei möglichst geringer Latenz und hoher Robustheit ermöglicht und dabei eine möglichst geringe Leistungsaufnahme erfordert. Hierzu ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Fusion von Signalen sowie die gesamte Berechnung zu partitionieren/verteilen. Dabei erfolgt die partielle Berechnung und Signalfusion vorzugsweise inkrementell und in mehreren separaten Recheneinheiten. Eventuell können Rückkopplungsschleifen vorgesehen werden, um durch Rückkopplung von Signalen stabile Regelkreise implementieren zu können.
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Die einzelnen Signalquellen des Multisensorsystems können grundsätzlich beliebige Daten bereitstellen. Beispielsweise kann es sich bei den von den Signalquellen bereitgestellten Daten oder Signalen um einen Wert handeln, welcher zu einer entsprechenden physikalischen Größe korrespondiert. Darüber hinaus sind jedoch beispielsweise auch Daten möglich, welche über eine Funkschnittstelle oder ähnliches empfangen worden sind. So können beispielsweise hochgenaue Zeitinformationen empfangen werden und aus diesen Zeitinformationen eine räumliche Position abgeleitet werden, wie dies beispielsweise bei einem globalen Satellitennavigationssystem möglich ist. Grundsätzlich kann beispielsweise auch eine Signalverarbeitungseinrichtung als Signalquelle angesehen werden.
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Die einzelnen Signalquellen des Multisensorsystems können ihre Signale hierbei jeweils mit unterschiedlichen Abtastraten oder Taktfrequenzen bereitstellen. Entsprechend muss auch die Weiterverarbeitung der jeweiligen Signale an diese Abtastrate bzw. Taktfrequenz angepasst sein.
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Gegebenenfalls kann es auch erforderlich sein, Signale von mehreren Signalquellen zunächst gemeinsam zu verarbeiten oder zu fusionieren und daraufhin dieses Resultat als Zwischenergebnis für eine Weiterverarbeitung zu verwenden. Gegebenenfalls kann für dieses Zwischenergebnis auch eine Abtastrate oder Taktfrequenz erforderlich sein, welche sich von der Abtastrate bzw. Taktfrequenz der ursprünglichen Sensorsignale unterscheidet.
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Die Fusion bzw. die einzelnen Verarbeitungsschritte der Sensorsignale können von mehreren Signalverarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden. Somit kann die Verarbeitung der Signale von den Signalquellen sowie die Fusion von Signalen in mehrere kleinere Einheiten segmentiert werden. Jede dieser kleineren Einheiten kann dabei individuell auf die entsprechenden Eingangssignale, insbesondere auf die entsprechende Taktrate bzw. Abtastfrequenz angepasst sein. Da hierbei jeweils nur sehr wenige Verarbeitungsoperationen erforderlich sind, können diese Operationen besonders effizient, insbesondere mit geringer Latenz und geringem Energieverbrauch ausgeführt werden.
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Auf diese Weise kann die Fusion und Verarbeitung der Signale von den einzelnen Signalquellen in mehrere kleinere Einheiten segmentiert werden. Insbesondere ist beispielsweise auch eine kaskadenartige Anordnung von Signalverarbeitungseinrichtungen möglich. In diesem Fall können beispielsweise zunächst eine oder mehrere Signalverarbeitungseinrichtungen Signale von den Signalquellen verarbeiten und die Resultate dieser Signalverarbeitungseinrichtungen können an eine oder mehrere weitere Signalverarbeitungseinrichtungen weitergegeben werden, um dort eine weitere Verarbeitung oder Fusion der Signale auszuführen. Somit können an einer Endverarbeitungseinrichtung bereits vorverarbeitete bzw. fusionierte Signale bereitgestellt werden, so dass auch in der Endverarbeitungseinrichtung nur noch relativ wenige Operationen ausgeführt werden müssen. Entsprechend kann auch die Endverarbeitungseinrichtung die erforderlichen Aufgaben besonders effizient, mit geringer Latenz und niedriger Leistungsaufnahme ausführen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitung der empfangenen Signale in den Signalverarbeitungseinrichtungen eine Fusion der empfangenen Signale. Entsprechend können die fusionierte Signale einer weiteren Signalverarbeitungseinrichtung oder der in Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Ausgang einer Signalverarbeitungseinrichtung mit einem Eingang einer im Signalfluss zuvor angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung gekoppelt sein. Diese Weise ist beispielsweise eine Rückkopplung im Signalfluss zwischen mehreren hintereinander angeordneten Signalverarbeitungseinrichtungen möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform verarbeiten die einzelnen Signalverarbeitungseinrichtungen bevorzugt jeweils Signale mit einer gleichen oder zumindest annähernd gleichen Taktrate. Somit kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit der einzelnen Signalverarbeitungseinrichtungen möglichst optimal an die jeweilige Taktraten angepasst werden. Liefern die Signalquellen der ersten Anzahl von Signalquellen Signale mit unterschiedlichen Taktraten bzw. Abtastfrequenzen, so können diese Signale durch entsprechend angepasste unterschiedliche Signalverarbeitungseinrichtungen verarbeitet werden. Dabei können insbesondere Signale von Signalquellen mit gleichen Taktraten an einer gemeinsamen Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und beispielsweise fusioniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Signalverarbeitungseinrichtungen dazu ausgelegt, die fusionierten empfangenen Daten mit einer Taktrate bereitzustellen, die einer Eingangstaktrate der jeweils nächsten Instanz, also beispielsweise der weiteren Signalverarbeitungseinrichtung oder der Endverarbeitungseinrichtung entspricht. Insbesondere können die von der Signalverarbeitungseinrichtung ausgegebenen Daten mit einer Taktrate bereitgestellt werden, die einer minimal nötigen Eingangs Taktrate der jeweils nächsten Instanz entspricht. Auf diese Weise stehen die Zwischenergebnisse der Signalverarbeitungseinrichtungen jeweils mit einer bestmöglichen Taktrate bzw. Abtastfrequenz zur Verfügung. Durch die Reduktion der Abtastrate auf die minimal notwendige Abtastrate der nächsten Signalverarbeitungseinrichtung kann sichergestellt werden, dass die Daten mit der erforderlichen Qualität bereitgestellt werden, ohne dass hierbei eine unnötig hohe Abtastrate verwendet wird, welche gegebenenfalls einen erhöhten Energieverbrauch verursachen würde. Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, dass eine nachgelagerte Signalverarbeitungseinrichtung eine vorgeschaltete Signalquelle und/oder eine vorgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung zumindest temporär deaktivieren kann. Auch hierdurch kann gegebenenfalls der Energieverbrauch weiter reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jede Signalquellen der ersten Anzahl von Signalquellen entweder mit einer Signalverarbeitungseinrichtung oder direkt mit der Endverarbeitungseinrichtung verbunden. Auf diese Weise können die Signale der einzelnen Signalquellen jeweils entsprechend ihren Eigenschaften bestmöglich verarbeitet und gegebenenfalls fusioniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Signalverarbeitungseinrichtung auch jeweils mindestens eine Signalquelle umfassen. Somit bilden eine Signalverarbeitungseinrichtung und eine Signalquelle eine gemeinsame Einheit. Auf diese Weise ist es möglich, die von der jeweiligen Signalquelle bereitgestellten Signale unmittelbar durch die entsprechende Signalverarbeitungseinrichtung zu verarbeiten. Eine Übertragung der unverarbeiteten Signale von der Signalquelle kann somit entfallen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Signalverarbeitungseinrichtung oder eine Kombination aus Signalverarbeitungseinrichtung und Signalquelle als System-on-Chip implementiert sein. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und effiziente Implementierung.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Anzahl von Signalquellen beispielsweise einen Empfänger für ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS, Englisch: Global Navigation Satellite System), wie zum Beispiel GPS, Galileo oder ähnliches, einen Mobilfunkempfänger, einen Empfänger für ein lokales Funknetz, beispielsweise WLAN, Bluetooth, NFC, einen Magnetfeldsensor, einen Drucksensor, einen Drehratensensor, einen Beschleunigungssensor und/oder ein Gyroskop umfassen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere geeignete Signalquellen möglich. Insbesondere sind Signalquellen mit unterschiedlicher Genauigkeit oder Zuverlässigkeit möglich. Auch Signalquellen, die eine unterschiedlich aufwändige Verarbeitung, Aufbereitung oder Fusion von Sensordaten erfordern, können durch das erfindungsgemäße Multisensorsystem effizient verarbeitet werden.
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Insbesondere können die Signalquellen auch Sensoren auf Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) umfassen. Derartige MEMS können effizient mit entsprechenden Signalverarbeitungseinrichtungen als kompaktes gemeinsames System realisiert werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere lässt sich die Signalverarbeitung auch auf mehr als eine dreistufige Einrichtung zur Signalverarbeitung erweitern. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung, Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Multisensorsystems gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Multisensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 3: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Multisensorsystems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Multisensorsystems 10 gemäß einer Ausführungsform. Das Multisensorsystem 10 in diesem Beispiel umfasst vier Sensoren 1-i sowie zwei Verarbeitungseinrichtungen 2-j. Darüber hinaus kann das Multisensorsystem 10 eine Endverarbeitungseinrichtung 3 umfassen. Die hier dargestellte Anzahl von vier Signalquellen 1-i und zwei Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j, sowie auch die Konfigurationen in den nachfolgenden Beispielen, stellen keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar und dienen lediglich als Beispiele zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Grundprinzips.
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Bei den Signalquellen 1-i kann es sich grundsätzlich um beliebige geeignete Signalquellen handeln, welche ein gewünschtes bzw. gefordertes Signal bereitstellen können. Beispielsweise kann es sich bei den Signalen von den Signalquellen 1-i um Signale handeln, welche dazu geeignet sind, eine Lage oder Position bzw. eine Bewegung bzw. Bewegungsrichtung zu ermitteln. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere Anwendungsgebiete möglich.
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Beispielsweise können die Signalquellen 1-i Sensoren, wie zum Beispiel einen Drucksensor, einen Magnetfeldsensor, einen Drehratensensor, einen Beschleunigungssensor, ein Gyroskop oder ähnliches umfassen. Insbesondere können derartige Sensoren beispielsweise als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) realisiert werden. Jedoch sind auch beliebige andere geeignete Sensoren als Signalquellen möglich.
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Darüber hinaus können die Signalquellen 1-i auch beliebige weitere geeignete Signalquellen umfassen. Beispielsweise können die Signalquellen 1-i einen Empfänger für ein globales Satellitennavigationssystem, wie beispielsweise GPS, Galileo oder ähnliches umfassen. Ferner sind auch beispielsweise Empfänger für ein Mobilfunkkommunikationssystem möglich. Insbesondere können beispielsweise derartige Empfänger eines Mobilfunkkommunikationssystems auch Informationen von einer verbundenen Basisstation empfangen, um hieraus zum Beispiel Informationen über eine Position zu ermitteln. Ferner sind beispielsweise auch Empfänger für ein lokales Funknetz, wie zum Beispiel WLAN, Bluetooth, NFC (Near Field Communication) oder ähnliches möglich. Insbesondere können derartige Empfänger beispielsweise aus den empfangenen Daten ebenfalls Positions- oder Bewegungsinformationen ableiten. Derartige Informationen können zum Beispiel in den Systemdaten einer kabellosen Kommunikation enthalten sein. Aber auch eine Positions- oder Bewegungsermittelung auf Basis von Triangulation oder ähnlichem ist grundsätzlich möglich.
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Wie bereits durch die vorausgegangenen Ausführungen ersichtlich ist, können die Daten der einzelnen Signalquellen 1-i von sehr unterschiedlicher Gestalt sein. Insbesondere können die Daten der einzelnen Signalquellen 1-i auch eine unterschiedliche Komplexität aufweisen, eine unterschiedliche Genauigkeit haben, oder aber auch mit einer unterschiedlichen Taktrate zur Verfügung gestellt werden. Ferner ist je nach Art der Signalquelle 1-i auch eine unterschiedliche Weiterverarbeitung der entsprechenden Signale erforderlich.
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Je nach Signalquelle 1-i oder je nach Eigenschaften der bereitgestellten Signale ist daher eine unterschiedliche Weiterverarbeitung und gegebenenfalls Fusion von einzelnen Signalen erforderlich. Hierzu sind in dem Multisensorsystem 10 mehrere Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j vorgesehen. Die einzelnen Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j können beispielsweise direkt Signale von einer oder mehreren Signalquellen 1-i empfangen und verarbeiten. Zusätzlich oder alternativ können einige der Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j auch Signale von anderen Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j empfangen und verarbeiten.
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Die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Operation, welche von den jeweiligen Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j ausgeführt werden, können dabei jeweils individuell auf die von den entsprechenden Signalverarbeitungseinrichtungen empfangenen Signale angepasst sein. Insbesondere kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit auf die Taktrate angepasst sein, mit der die einzelnen Signalquellen 1-i ihre Signale bereitstellen. Beispielsweise kann eine Signalverarbeitungseinrichtung 2-j Signale von mehreren Signalquellen 1-i empfangen und diese entsprechend der Taktrate, mit der die Signale bereitgestellt werden, fusionieren. Weiterhin kann das Resultat der Verarbeitung einer Signalverarbeitungseinrichtung 2-j mit einer Taktrate bereitgestellt werden, welche einer Taktrate entspricht, die von einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinrichtung 2-j am Eingang erwartet wird.
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Das Multisensorsystem 10 kann darüber hinaus eine Endverarbeitungseinrichtung 3 umfassen, welche Ausgabewerte von an die Endverarbeitungseinrichtung 3 angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtungen 2-2 und gegebenenfalls auch direkt Signale von an die Endverarbeitungseinrichtung 3 angeschlossenen Signalquellen 1-4 empfängt und diese zu einem gewünschten Ergebnis verarbeitet. Dieses Ergebnis kann beispielsweise eine ermittelte Position bzw. Lage oder Bewegungsrichtung umfassen. Es versteht sich jedoch, dass auch beliebige andere geeignete Verarbeitungsergebnisse möglich sind.
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Wie in 1 zu erkennen ist, kann der Ausgang eine Signalverarbeitungseinrichtung 2-1 mit einem Eingang einer weiteren Signalverarbeitungseinrichtung 2-2 verbunden sein. Selbstverständlich ist das Multisensorsystem 10 hierbei nicht auf eine Anordnung mit einer oder, wie in 1 dargestellt, zwei in Serie angeordneten Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j beschränkt. Vielmehr ist auch eine Anordnung mit mehr als zwei hintereinander geschalteten Signalverarbeitungseinrichtungen 2-j möglich. So können beispielsweise zwischen einzelnen Signalquellen 1-i und einer Endverarbeitungseinrichtung 3 auch drei, vier, fünf oder gegebenenfalls auch mehr Signalverarbeitungseinrichtung 2-j vorgesehen sein.
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Ferner ist es auch möglich, beispielsweise einen Ausgang einer Signalverarbeitungseinrichtung 2-j mit einem Eingang einer im Signalfluss zuvor angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung 2-j zu koppeln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Rückkopplung im Signalfluss realisiert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Multisensorsystems 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Zur besseren Veranschaulichung handelt es sich bei diesem Multisensorsystem 10 um ein System zur Bestimmung einer Position oder Orientierung. Wie zuvor bereits ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf derartige Anwendungen beschränkt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst eine erste Signalverarbeitungseinrichtung 2-1, welche die Signale von einem Beschleunigungssensor 1-1, einem Temperatursensor 1-2 sowie einem Gyroskop 1-3 empfängt, verarbeitet und fusioniert. Beispielsweise kann die erste Signalverarbeitungseinrichtung 2-1 mit dem Beschleunigungssensor 1-1, dem Temperatursensor 1-2 und dem Gyroskop 1-3 als gemeinsame Einheit implementiert werden. Beispielsweise können alle Komponenten auf einem gemeinsamen Chip als System-on-Chip realisiert werden. Das Ergebnis dieser Fusion der Signale von dem Beschleunigungssensor 1-1, dem Temperatursensor 1-2 und dem Gyroskop 1-3 kann daraufhin mittels einer zweiten Signalverarbeitungseinrichtung 2-2 mit Signalen eines Magnetfeldsensors 1-4 und einem Drucksensor 1-5 kombiniert werden. Das Resultat dieser Fusion kann daraufhin der Endverarbeitungseinrichtung 3 bereitgestellt werden, welche darüber hinaus noch weitere Signale, beispielsweise von einem GNSS-Empfänger 1-6 und/oder einem Empfänger 1-7 eines Funksystems erhält.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubildes eines Multisensorsystems 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Der Aufbau des in 3 beschriebenen Multisensorsystems 10 korrespondiert mit dem zuvor beschriebenen Multisensorsystem 10 aus 2. Das Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die Signale des GNSS-Empfängers 1-6 nicht direkt an der Endverarbeitungseinrichtung 3 bereitgestellt werden, sondern ebenfalls mittels der zweiten Signalverarbeitungseinrichtung 2-2 zunächst vorverarbeitet werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Segmentierung der Verarbeitung von Sensorsignalen in einem Multisensorsystem. Hierzu können beispielsweise die Berechnung bzw. Signalfusion von Signalquellen, wie beispielsweise Sensoren oder ähnlichem in mehrere kleine Schritte partitioniert werden. Für jede Teil-Berechnung und Teil-Signal-Fusion kann somit jeweils eine geeignete individuelle Signalverarbeitungseinrichtung verwendet werden. Vorzugsweise wird die erste Verarbeitung der Signale bei einer entsprechenden Signalquelle angesiedelt. Insbesondere kann somit von einer Signalquellen bzw. einer Signalverarbeitungseinrichtung zur nächsten Instanz, also einer weiteren Signalverarbeitungseinrichtung oder einer Endverarbeitungseinrichtung jeweils nur ein Minimum an Informationen übertragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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