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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors für ein Fahrzeug, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen Positionssensor, eine Hinterachslenkung, ein Fahrzeug und ein Computerprogramm.
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Derartige Positionssensoren sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise zur Messung eines Lenkwinkels einer Hinterachslenkung eines Fahrzeugs verwendet.
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Die
DE102018130228 B3 offenbart einen Aktuator für ein Fahrzeug, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei die Schubstange eine Verdrehsicherung mit einem Führungselement aufweist, das in einer am Gehäuse angeordneten ein- oder mehrteiligen Gleitschiene in axialer Richtung geführt ist, wobei zwischen der Gleitschiene und dem Gehäuse ein Elastomerring angeordnet ist. Der Aktuator ist dazu vorgesehen, durch das axiale Verlagern der Schubstange gegenüber dem Gehäuse eine Einstellung eines Lenkwinkels von mit dem Aktuator wirkverbundenen Fahrzeugrädern an einer Hinterachse des Fahrzeugs auszuführen. Die
DE102018130228 B3 beschreibt hierfür eine Sensorvorrichtung, umfassend zumindest ein Sensorelement und ein Messobjekt, wobei das Messobjekt am Führungselement angeordnet und mit dem zumindest einen Sensorelement, welches zumindest mittelbar am Gehäuse befestigt ist, wirksam verbunden ist. Das zumindest eine Sensorelement kann dabei gehäusefest angeordnet sein, wobei das Messobjekt als Sensorgegenstück im Führungselement integriert ist und mit dem zumindest einen Sensorelement zusammenwirkt.
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Es existieren Linearpositionssensoren, die den vollen Hub mit einer begrenzten Genauigkeit abdecken. Für viele Anwendungen ist jedoch eine erhöhte Genauigkeit nötig.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein vorteilhaftes Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors bereitzustellen, das eine verbesserte Messung mit dem kalibrierten und/oder linearisierten Positionssensor ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe, einen derartigen vorteilhaften Positionssensor zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors für ein Fahrzeug, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst: -- ein erster Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors wird mithilfe einer höheren Dichte an Gitterpunkten kalibriert und/oder linearisiert als ein zweiter Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors.
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Es sind Positionssensoren bekannt, die eine Messung über einen vergleichsweise großen Messbereich ermöglichen. Die Messgenauigkeit ist dabei jedoch häufig vergleichsweise gering, was für unterschiedliche Anwendungen zu unzureichenden Ergebnissen führt. Mithilfe einer erfindungsgemäßen Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensor kann dieser Nachteil überwunden werden. Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann eine kosteneffiziente Sensoranordnung erreicht werden, die auch hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügt und in einem ersten Teilbereich ihres Messbereichs eine verbesserte Genauigkeit aufweist. Für diverse Anwendungen ist eine erhöhte Messgenauigkeit nicht über den kompletten Hub bzw. den kompletten Messbereich des Positionssensors nötig, sondern lediglich über einen solchen Teilbereich.
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Der Positionssensor ist zur Detektion einer Position eines Messobjekts, insbesondere eines Targets, eingerichtet. Das Messobjekt ist dabei relativ zum Positionssensor beweglich angeordnet. Somit kann beispielsweise ein Lenkwinkel einer Hinterachslenkung mithilfe der Sensoranordnung ermittelt werden.
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Vorzugsweise wird zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors das Messobjekt bzw. das Target über den Messbereich des Positionssensors verfahren und ein Messsignal mithilfe des Positionssensors aufgenommen. Das aufgenommene Messsignal, insbesondere eine Messkurve, weist dabei in der Praxis typischerweise Abweichungen von einem erwarteten, insbesondere idealen, linearen Zusammenhang auf, sodass bei einem unkalibrierten Sensor insbesondere keine perfekte lineare Abhängigkeit zwischen der Position des Messobjekts und dem unkalibrierten Messignal besteht. Mithilfe des aufgenommenen unkalibrierten Messsignals ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Linearisierung und/oder Kalibrierung des Positionssensors, insbesondere computerimplementiert, durchzuführen. Hierfür wird eine Anzahl an Gitterpunkten verwendet, mit deren Hilfe eine Angleichung des unkalibrierten Messsignals an den erwarteten, insbesondere linearen, Zusammenhang vorgenommen wird. Die Gitterpunkte können somit auch als Kalibrierungspunkte verstanden werden, an denen eine Linearisierung und/oder Kalibrierung des Messsignals des Positionssensors vorgenommen wird. Die Anzahl der Gitterpunkte ist dabei in der Praxis typischerweise begrenzt, insbesondere durch die verwendeten Computermittel und/oder eine verwendete ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Erfindungsgemäß ist es nun besonders vorteilhaft möglich, dass die Anordnung der Gitterpunkte bei der Kalibrierung und/oder Linearisierung derart gewählt wird, dass die Dichte an Gitterpunkten im ersten Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors größer ist als im zweiten Teilbereich. Vorzugsweise ist dabei der Abstand zwischen benachbarten Gitterpunkten im ersten Teilbereich geringer als im zweiten Teilbereich. Hierdurch wird eine besonders hochwertige Kalibrierung bzw. Linearisierung im ersten Teilbereich erzielt. Es ist somit erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Kalibrierung an die Anforderungen an den Positionssensors in seiner Anwendung anzupassen. In der Anwendung ist es häufig nötig oder gewünscht, dass der Sensor über einen ersten Teilbereich seines gesamten Messbereichs, beispielsweise über einen Teilbereich des gesamten Hubs einer Hinterachslenkung, eine besonders hohe Güte und/oder besonders geringe Fehler aufweist. Dies kann durch die erfindungsgemäße Kalibrierung und/oder Linearisierung des Sensors besonders vorteilhaft erreicht werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Positionssensor ein Linearsensor ist. Der Linearsensor ist zur Erfassung eines beweglichen Targets ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Positionssensor als Wirbelstromsensor ausgebildet ist. Der als Wirbelstromsensor ausgebildete Positionssensor umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Spulen (Coils). Im Betrieb wird ein Wechselstrom durch die Spule oder die Spulen (Coils) geleitet, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Das so erzeugte magnetische Feld wirkt auf das Messobjekt bzw. das Target und induziert einen Wirbelstrom im Messobjekt bzw. Target. Dieser erzeugte Wirbelstrom erzeugt wiederum ein Magnetfeld, das mithilfe der Spule oder der Spulen und/oder mithilfe zusätzlicher Detektionsspulen des Wirbelstromsensors detektierbar ist. Alternativ zu einem Wirbelstromsensor sind auch andere physikalische Messprinzipen denkbar.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der erste Teilbereich ein zentraler Bereich des Messbereichs des Positionssensors ist, insbesondere derart, dass der zweite Teilbereich beidseitig um den ersten Teilbereich angeordnet ist. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise für eine Hinterachslenkung, ist eine erhöhte Messgenauigkeit in einem derartigen zentralen ersten Teilbereich wünschenswert. Es ist alternativ beispielsweise denkbar, dass der erste Teilbereich ein Randbereich des Messbereichs des Positionssensors ist. Die Lage des ersten Teilbereichs innerhalb des Messbereichs ist vorzugsweise an die Anwendung der Positionssensors angepasst und/oder in Abhängigkeit der Anforderungen an den Positionssensor gewählt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Positionssensor auf einer Leiterplatte, insbesondere einem PCB (printed circuit board), angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der erste Teilbereich ein zusammenhängender Teilbereich des gesamten Messbereichs des Positionssensors ist. Es ist alternativ jedoch möglich, dass der erste Teilbereich zwei oder mehr unzusammenhängende Unterbereiche umfasst. Es ist beispielsweise möglich, dass zwischen zwei benachbarten Unterbereichen des ersten Teilbereichs jeweils ein Unterbereich des zweiten Teilbereichs, also insbesondere ein Unterbereich mit einer geringen Dichte an Gitterpunkten bei der Kalibrierung und/oder Linearisierung, angeordnet ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Positionssensor für ein Fahrzeug, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors mithilfe einer höheren Dichte an Gitterpunkten kalibriert und/oder linearisiert ist als ein zweiter Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors.
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Es ist denkbar, dass der Positionssensor mit elektrischen Schaltungsmitteln, insbesondere einer Steuer- und Auswerteeinheit, in Kommunikationsverbindung steht, wobei die elektrischen Schaltungsmittel zur Durchführung eines Verfahrens zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind. Es ist insbesondere denkbar, dass die elektrischen Schaltungsmittel, insbesondere die Steuer- und Auswerteeinheit, derart konfiguriert sind, dass ein erster Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors mithilfe einer höheren Dichte an Gitterpunkten kalibriert und/oder linearisiert wird als ein zweiter Teilbereich des Messbereichs des Positionssensors. Die elektrischen Schaltungsmittel können gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als Computermittel ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die in der Anwendung des Positionssensors, insbesondere nach der Kalibrierung und/oder Linearisierung des Positionssensors, mithilfe des Positionssensors erfassten Messignale zur weiteren Auswertung, beispielsweise einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Hinterachslenkung, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei die Hinterachslenkung einen Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, bevorzugt wobei mithilfe des Positionssensors ein Lenkwinkel der Hinterachslenkung ermittelbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist es denkbar, dass die Hinterachslenkung einen Aktuator aufweist, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses oder zumindest relativ zu einem Gehäuse longitudinal verlagerbar ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, gehäusefest angeordnet ist, wobei der Positionssensor direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist, wobei der Positionssensor gehäusefest angeordnet ist. In beiden Fällen kann mithilfe des Positionssensors die relative axiale Position der Schubstange gegenüber dem Gehäuse ermittelt werden. Hierdurch ist der Lenkwinkel ermittelbar. Der Lenkwinkel bezieht sich dabei insbesondere auf die Lenkwinkelstellung der Räder der Hinterachse des Fahrzeugs.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend einen Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder eine Hinterachslenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei mithilfe des Positionssensors eine Position eines Messobjekts gemessen wird.
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Es ist vorzugsweise denkbar, dass das Messsignal des Positionssensors zur weiteren Verwendung und/oder Analyse einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt wird. Es ist denkbar, dass die weitere Verwendung und/oder Analyse des Messsignals computerimplementiert erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Fehler der Positionsmessung des Messobjekts mithilfe des Positionssensors im ersten Teilbereich geringer ist als ein Fehler der Positionsmessung des Messobjekts mithilfe des Positionssensors im zweiten Teilbereich. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere möglich, dass ein Fehler bei der Positionsmessung des Messobjekt im ersten Teilbereich unterhalb eines Schwellenwerts liegt. Es ist hingegen möglich, dass ein Fehler bei der Positionsmessung des Messobjekt im zweiten Teilbereich zumindest teilweise oberhalb des Schwellenwerts liegt. Die Verringerung des Fehlers im ersten Teilbereich wird insbesondere durch die erhöhte Dichte an Gitterpunkten bei der Kalibrierung und/oder Linearisierung des Positionssensormesssignals in diesem ersten Teilbereich erreicht.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und/oder ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Die im Zusammenhang mit einem der erfindungsgemäßen Gegenstände der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile können jeweils auch für die weiteren erfindungsgemäßen Gegenstände Anwendung finden. Unter anderem können für den erfindungsgemäßen Positionssensor, die erfindungsgemäße Hinterachslenkung, das erfindungsgemäße Fahrzeug, das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsmessung und das erfindungsgemäße Computerprogramm dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zur Kalibrierung und/oder Linearisierung eines Positionssensors beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines unkalibrierten Messsignals eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Messsignals eines Positionssensors nach einer Kalibrierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Positionssensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Positionssensor 1 ist beispielsweise als Wirbelstromsensor ausgebildet. Es kommen alternativ jedoch auch andere Sensortypen infrage. Ein Messobjekt 11 ist relativ zum Positionssensor 1 beweglich angeordnet. Das Messobjekt 11 kann bezüglich des Positionssensors 1 eine Relativbewegung entlang der Bewegungsachse 100 durchführen. Im Falle eines als Wirbelstromsensor ausgebildeten Positionssensors 1, weist das Messobjekt 11 ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialen auf. Mithilfe des Positionssensors 1 ist eine Position des Messobjekt 11 relativ zum Positionssensor 1 detektierbar. Derart ist ein Linearsensor ausgebildet, der insbesondere als Teil einer Hinterachslenkung eines Fahrzeugs zur Bestimmung eines Lenkwinkels ausgebildet sein kann.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines unkalibrierten Messsignals 110 eines Positionssensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere ist der Fehler E des unkalibrierten Messsignals gegen die mechanische Position P des Messobjekts 11 aufgetragen. Ein erster Teilbereich 21 des Messbereichs des Positionssensors 1 ist zentral zwischen zweiten Teilbereichen 22, 22` angeordnet. In diesem ersten Teilbereich 21 ist für die Anwendung des Positionssensors 1 eine besonders hohe Messgenauigkeit bzw. ein besonders geringer Fehler gewünscht. Hierfür wird bei der Kalibration und/oder Linearisierung des Positionssensors 1 eine erhöhte Dichte an Gitterpunkten 90 verwendet, an denen eine Kalibrierung des Sensors bzw. eine Angleichung des Messsignals 110 an einen erwarteten linearen Zusammenhang mit der Position P des Messobjekts 11 durchgeführt. Durch die erhöhte Dichte an Gitterpunkten 90 im ersten Teilbereich 21 wird die Genauigkeit des Positionssensors 1 in diesem ersten Teilbereich 21 erhöht.
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In 3 ist eine schematische Darstellung des unkalibrierten Messsignals 110 des Positionssensors 1 im Vergleich zu einem kalibrierten und linearisierten Messignal 111 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Durch die erhöhte Anzahl an Gitterpunkten 90 pro Weg des Messobjekts 11 im ersten Teilbereich 21, die zur Kalibration des Positionssensors 1 verwendet werden, ist der Fehler E des Positionssensors 1 im ersten Teilbereich 21 geringer als im zweiten Teilbereich 22, 22`. Insbesondere ist die Dichte an Gitterpunkten 90 im ersten Teilbereich 21 bei der Kalibration derart gewählt, dass der Fehler E des kalibrierten und linearisierten Messignals 111 im ersten Teilbereich 21 sowohl in positive als auch negative Richtung (also beidseitig der Null) unterhalb des Schwellenwertes 80, 81 liegt. Im zweiten Teilbereich 22, 22` liegt der Fehler des kalibrierten Messignals 111 hingegen teilweise oberhalb des Schwellenwerts 80, 81, da in diesem zweiten Teilbereich 22, 22' für die spezielle Anwendung des Positionssensors 1 eine geringere Genauigkeit ausreichend ist. In der Praxis ist die Gesamtzahl der verwendeten Kalibrierungspunkte bzw. Gitterpunkte 90 häufig begrenzt, beispielswiese durch die verwendete ASIC. Mithilfe der vorliegenden Erfindung ist es dennoch möglich, die Anordnung bzw. Positionierung der Gesamtzahl der vorhandenen Gitterpunkte 90 über den gesamten Messbereich des Positionssensors derart zu wählen, dass eine erhöhte Genauigkeit bzw. ein verringerter Fehler in einem ersten Teilbereich 21 des kalibrierten Messsignals 111 erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionssensor
- 11
- Messobjekt
- 21
- erster Teilbereich
- 22, 22'
- zweiter Teilbereich
- 80, 81
- Schwellenwert
- 90
- Gitterpunkte
- 100
- Bewegungsachse
- 110
- unkalibriertes Messsignal
- 111
- kalibriertes und/oder linearisiertes Messsignal
- E
- Fehler
- P
- Position des Messobjekts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018130228 B3 [0003]
