DE102022126972B3 - Vorrichtung für die Charakterisierung eines inertialen Sensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines inertialen Sensors, aufweisend einen Vibrationserzeuger (11), einen Referenzbeschleunigungsmesser (13), einen Referenzpositionsmesser (15), eine Fusionsrecheneinheit (17) zum Ausführen einer Sensorfusion der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers (13) und des Referenzpositionsmessers (15), und eine Halterung mit ersten drei Aufnahmen (19) zum sequentiellen Aufnehmen eines zu testenden Beschleunigungssensors (21) mit drei zueinander orthogonalen Sensorachsen, wobei die ersten drei Aufnahmen (19) Aufnahmeachsen aufweisen, entlang derer der Beschleunigungssensor (21) in der jeweiligen Aufnahme (19) ausgerichtet ist, wobei die Aufnahmeachsen zueinander orthogonal sind und wobei in jeder der ersten drei Aufnahmen (19) der Beschleunigungssensor (21) so ausgerichtet ist, dass jeweils zwei der Sensorachsen des Beschleunigungssensors (21) voneinander verschiedene und von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung aufweisen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors.
• Die folgenden Informationen ergeben sich aus fachmännischen Überlegungen, anstatt sich notwendigerweise aus einem bestimmten Dokument aus dem Stand der Technik zu ergeben:
• Inertiale Messeinheiten (sogenannte IMUs, engl. für „inertial measurement units“) dienen dazu, aktuelle kinematische Größen in einem Referenzkoordinatensystem zu erfassen. Größtenteils mechanisch ausgeführt nutzen sie bekannte Effekte, wie den Zusammenhang zwischen Kraft und beschleunigter Masse, die Lagewinkelstabilität von rotierenden Massen (Kreiselstabilität) und Ähnliches, um weiterverarbeitbare Sensorsignale von vorherrschenden kinematischen Größen zu ermitteln. Auf optischen bzw. relativistischen Effekten basierende inertiale Messeinheiten, beispielsweise zur Bestimmung von Lagewinkeldrehraten mittels Laserkreisel, sind sehr teuer und werden entsprechend selten angewendet; diese sind nur in Nischenanwendungen wie militärischen Flugkörpern zu finden. Der Fokus im Folgenden wird daher auf mechanische Messeinheiten gelegt, wenn auch nicht ausgeschlossen wird, dass die folgenden Ausführungen auch für optische Systeme gelten können.
• Ein häufig essenzieller Bestandteil einer inertialen Messeinheit sind Kreiselinstrumente. Solche Kreiselinstrumente dienen dazu, die Orientierung eines Referenzkoordinatensystems in Form von Lagewinkeln insbesondere gegenüber der Erde ermitteln zu können. Der dabei ausgenutzte Effekt ist zumeist die Stabilität einer rotierenden Masse gegenüber Lagewinkel-Änderungen. Wird beispielsweise eine kardanisch aufgehängte schnell rotierende Masse in einem Gehäuse an einen bewegten Körper angeordnet, wird bei einer Rotationsbewegung des Körpers und damit des Gehäuses das Gehäuse sozusagen um die rotierende Masse herum rotiert, während die jeweilige Achse der rotierenden Masse ihre Ausrichtung beibehält. Aus dieser relativen Orientierungsänderung zwischen rotierender Masse und Gehäuse kann somit eine Orientierungsänderung in Form von differenziellen Winkeln ermittelt werden. Wird durch zeitliche Integration einer gemessenen Drehrate ein Lagewinkel ermittelt, so integrieren sich naturgemäß Messfehler in der gemessenen Drehrate zu größeren Fehlern in den Lagewinkeln auf. Zur Vermeidung dieser Fehlerintegration werden typischerweise Kreiselinstrumente nicht alleine verwendet, sondern mit anderen Sensorarten gekoppelt. Dennoch geht der Messfehler in der gemessenen Drehrate in den abschließend ermittelten Lagewinkel ein.
• Ein weiterer häufig essenzieller Bestandteil einer inertialen Messeinheit sind Beschleunigungssensoren. Durch doppelte Integration über die Zeit der gemessenen Beschleunigungen ergibt sich eine Positionsdifferenz gegenüber der Position zu Beginn der Beschleunigungsmessungen. Dementsprechend führen auch kleine Fehler in der gemessenen Beschleunigung insbesondere über lange Zeiten wegen der Eigenschaften eines doppelten zeitlichen Integrals zu großen Positionsfehlern, zumindest wenn die Position lediglich auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs der Beschleunigungen geschätzt wird.
• Wie für andere Sensoren auch ist es Zweck von inertialen Sensoren, eine natürlich auftretende Größe zu erfassen und einen verarbeitbaren Signalwert daraus zu generieren. Naturgemäß weist jeder physische Sensor gewisse Ungenauigkeiten auf, die von Umgebungsbedingungen beeinflusst werden können und insbesondere über verschiedene Bereiche von Messgrößen und/oder Frequenzen der Messgrößen variieren.
• Mit dem Ziel, Sensorfehler von IMU Sensoren wie Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren oder Lagewinkelsensoren zu reduzieren, werden typischerweise solche Sensoren zur Charakterisierung im Sinne einer Systemidentifikation getestet, um mittels der Charakterisierung und dem damit erreichten Wissen über Übertragungsfehler der Beschleunigungen im späteren Betrieb zu eliminieren, d. h. um die jeweiligen Sensoren zu kalibrieren.
• Der Standard „IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Linear Single-Axis, Nongyroscopic Accelerometers. Standard IEEE 1293:2018. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Oct. 23, 2018“ schlägt beispielsweise im Bezug auf Beschleunigungssensoren zu diesem Zwecke vor, nichtlineare Parameter des Beschleunigungssensors höherer Ordnung dadurch zu schätzen, dass der Sensorausgang über verschiedene Vibrationsbedingungen gemittelt wird und ein Gleichungssystem aufgestellt wird, welches auf den analytisch gemittelten Sensormodellen für die jeweiligen Fälle basiert. Hierfür besteht jedoch auch die Notwendigkeit einer großen Zahl von Testaufbauten. In diesem Standard ergibt sich eine minimale Zahl von vierzehn verschiedenen Testaufbauten, wenn alle Modellparameter geschätzt werden sollen. Sollen jedoch mehrere Sensoren kalibriert werden, führt dies zu einem sehr hohen Aufwand.
• Im Stand der Technik sind weitere Methoden und Vorrichtungen zum Analysieren eines Sensors bekannt.
• Die EP 1 630 562 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Dynamikmatrixempfindlichkeit eines Inertialsensors, wobei die Vorrichtung aufweist: Eine bewegungserzeugende Maschine zum Induzieren einer translatorischen Bewegung oder einer Drehbewegung; eine Beschleunigungsmesseinheit, eine Winkelgeschwindigkeitsmesseinheit oder eine Winkelbeschleunigungsmesseinheit, bei der es sich um eine Einheit handelt, die zumindest provisorisch an der bewegungserzeugenden Maschine befestigt ist und einer Kalibrierung unterliegt; sowie eine Ausgabeeinrichtung zum Abrufen eines Ausgangs von der Einheit, die der Kalibrierung unterliegt; und ein oder mehrere Lichtreflektoren;
• Die US 2007/0295087 A1 betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Querempfindlichkeit eines Sensors zum Erfassen von Beschleunigungen, umfassend: Aufbringen einer Schwingbeschleunigung auf mindestens einen Sensor, der über eine Vorrichtung an einem einachsigen Schwingungsgenerator zum Erzeugen einer translatorischen Bewegung befestigt ist und der die Beschleunigung mit dem Schwingungsgenerator erfasst; und Berechnen der Querempfindlichkeit, eines der Elemente einer Empfindlichkeitsmatrix des Sensors, aus einem Ausgangswert des Sensors, der durch die Anwendung der Vibrationsbeschleunigung erhalten wird, und aus einem Messwert der Eingangsbeschleunigung zu dem Sensor, der durch Messen der Eingangsbeschleunigung mit einem von dem Sensor unabhängigen Messgerät während der Anwendung erhalten wird. Die Anwendung wird in einem Zustand ausgeführt, in dem eine Koordinatenachse eines Koordinatensystems eines Raumes, der die Eingangsbeschleunigung zu dem Sensor definiert, durch Einstellen der Vorrichtung auf eine Richtung der Schwingung ausgerichtet ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors bereitzustellen.
• Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors, aufweisend:
• - einen Vibrationserzeuger zum Aufbringen von Referenzbeschleunigungen in einer Hauptvibrationsrichtung,
• - einen Referenzbeschleunigungsmesser zum Erfassen der Referenzbeschleunigungen am Vibrationserzeuger mittels Messungen der tatsächlich vorliegenden Referenzbeschleunigungen,
• - einen Referenzpositionsmesser zum Erfassen der durch die Referenzbeschleunigungen verursachten Positionsänderungen des Vibrationserzeugers,
• - eine Fusionsrecheneinheit zum Ausführen einer Sensorfusion bezüglich der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers und des Referenzpositionsmessers, und
• - eine Halterung mit ersten drei Aufnahmen zum sequentiellen Aufnehmen eines zu testenden Beschleunigungssensors mit drei zueinander orthogonalen Sensorachsen, wobei die ersten drei Aufnahmen Aufnahmeachsen aufweisen, entlang derer der Beschleunigungssensor in der jeweiligen Aufnahme ausgerichtet ist, wobei die Aufnahmeachsen zueinander orthogonal sind und wobei in jeder der ersten drei Aufnahmen der Beschleunigungssensor so ausgerichtet ist, dass jeweils zwei andere (das heißt jeweils ein anderes Paar in einer jeweiligen der ersten drei Aufnahmen) der Sensorachsen des Beschleunigungssensors erstens voneinander verschiedene und zweitens von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung aufweisen.
• Die inertialen Sensoren sind insbesondere Beschleunigungssensoren und/oder Kreiselinstrumente, wobei die Kreiselinstrumente insbesondere Drehratenssensoren sowie Lagewinkelsensoren sein können.
• Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Vibrationserzeuger, auch genannt Rüttler oder „shaker“, mit der Fähigkeit, den jeweils getesteten Sensor durch Vibrationen und/oder Schockprofile anzuregen. Der Vibrationserzeuger ist bevorzugt ein Vibrationstisch. Besonders bevorzugt wird ein horizontaler Slip-Tisch verwendet, wenn Beschleunigungssensoren und Kreiselinstrumente getestet werden. Werden jedoch nur Kreiselinstrumente, insbesondere Drehratensensoren, getestet, ist ein vertikal-Shaker auch verwendbar. Der Vibrationserzeuger ist insbesondere steuerbar, sodass er ein vorgegebenes Profil von Anregungen über einen definierten zeitlichen Verlauf von Beschleunigungen erzeugen kann. Die Halterung ist bevorzugt auf der Oberseite des Vibrationserzeugers angeordnet und stellt die Schnittstelle zwischen dem Vibrationserzeuger und dem oder den zu testenden Sensoren dar. Die Halterung dient außerdem dazu, den in einer jeweiligen Aufnahme aufgenommenen Sensor gegenüber dem Vibrationserzeuger in einer gewünschten Orientierung fixieren zu können. Die Orientierungen des inertialen Sensors unter Test sind insbesondere dabei so vorgesehen, dass sie drei jeweils aufeinander senkrecht stehende Achsen eines kartesischen Koordinatensystems abdecken, das körperfest zum in der Halterung aufgenommenen inertialen Sensor ist, d. h. dass die Orientierung des Sensors gegenüber dem Vibrationserzeuger in diese drei verschiedenen Ausrichtungen lediglich durch Umstecken über die Aufnahmen einstellbar ist, um in diesen drei Achsen des Beschleunigungssensors für jede Aufnahme eigene Beschleunigungen aufzuprägen und eine entsprechende Sensorantwort anzuregen. Somit sind getestete Beschleunigungssensoren, insbesondere translatorische Beschleunigungssensoren mit drei Achsen, in all ihren Sensorachsen durch die aufgeprägten Beschleunigungen des Vibrationserzeugers anregbar. Jedoch ist die Halterung nicht darauf beschränkt, nur dreiachsige Beschleunigungssensoren zu prüfen, es kann auch ein einachsiger Beschleunigungssensor untersucht werden. Selbst für den einachsigen Beschleunigungssensor kann es gewünscht sein, diesen in drei körperfesten Achsen anzuregen und seine Sensorantwort zu erfassen, selbst wenn nur in einer der Achsen die bestimmungsgemäße Sensorantwort zu erwarten ist. Durch die Ausrichtungen der Halterungen mit den asymmetrischen Winkeln zweier Sensorachsen gegenüber der Hauptvibrationsrichtung ist der Vibrationserzeuger so eingerichtet, dass er für jeweils eine Sensorachse dynamische Beschleunigungen (Vibrationen) mit einem hohen Beschleunigungsniveau, dynamische Beschleunigungen (Vibrationen) mit einem niedrigen Beschleunigungsniveau, und statisch aufgrund des Schwerkrafteinflusses in jeder der ersten drei Aufnahmen erzeugt, und dies lediglich mit drei verschiedenen Konfigurationen durch nacheinander zu belegende Steckplätze. Durch das sequentielle Umstecken des Beschleunigungssensors in alle der ersten drei Aufnahmen (nacheinander) wird jede einzelne Sensorachse des Beschleunigungssensors eben dadurch zumindest einmal mit dynamischen Beschleunigungen (Vibrationen) mit einem hohen Beschleunigungsniveau, mit dynamischen Beschleunigungen (Vibrationen) mit einem niedrigen Beschleunigungsniveau, und statisch (mit konstanter Beschleunigung) aufgrund des Schwerkrafteinflusses beaufschlagt. Weitere Tests nach dem Umstecken in die ersten drei Aufnahmen (des Beschleunigungssensors) sind nicht nötig. In anderen Worten bedeutet dies, dass beim sequentiellen Umstecken eines Beschleunigungssensors in eine jeweilige der ersten drei Aufnahmen jeweils zwei andere der Sensorachsen des Beschleunigungssensors als in den der ersten drei Aufnahmen, in denen der Beschleunigungssensor zuvor eingesteckt war, voneinander verschiedene und von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung aufweisen. In wiederum anderen Worten bedeutet dies, dass in jeder der ersten drei Aufnahmen ein einzigartiges Paar zweier Sensorachsen es erfährt, voneinander verschiedene und von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung zu haben. Voneinander verschiedene Winkel heißt insbesondere auch betragsmäßig verschiedene Winkel.
• Im Gegensatz zu einem Regelungsbeschleunigungsmesser dient der Referenzbeschleunigungsmesser nicht dazu, eine Regelung zur Ausführung von vorgegebenen zeitlichen Verläufen von Beschleunigungen auszuführen, sondern vielmehr um eine Referenzmessung zu erhalten, um die tatsächlich an der Halterung bzw. dem Sensor auftretenden Beschleunigungen, verursacht durch den Vibrationserzeuger, möglichst genau zu erfassen. Der eine oder mehrere Referenzbeschleunigungsmesser werden bevorzugt ebenfalls an der Halterung angeordnet. Werden mehrere Referenzbeschleunigungsmesser, insbesondere redundant, verwendet, kann dies die Genauigkeit beim Erfassen der tatsächlich auftretenden Beschleunigungen verbessern. Je nach Situation eignen sich Dreiachs-Referenzbeschleunigungsmesser oder Einachs-Referenzbeschleunigungsmesser besser. Der oder die Referenzbeschleunigungsmesser sind hierbei entsprechend mit einer Schaltung verbunden, die das Auslesen der Sensorsignale ermöglicht bzw. erleichtert. In dieser Schaltung können entsprechende Sensorfusionsalgorithmen bzw. Filterungen ablaufen. Das Ausgangssignal einer solchen Schaltung ist bevorzugt ein digitales Signal.
• Bevorzugt sind mehr als ein Referenzbeschleunigungsmesser vorgesehen, welche weiterhin bevorzugt in verschiedene Orientierungen ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt werden genau drei Referenzbeschleunigungsmesser verwendet, um in drei orthogonalen Richtungen Beschleunigungsmessungen zu erhalten. Durch entsprechende Koordinatensystemtransformationen, falls nötig, sowie Schätzer kann ein besseres Messbild der vorherrschenden Beschleunigungen erfasst werden.
• Für den oder die Referenzbeschleunigungsmesser sind in der Halterung bevorzugt eigene Aufnahmen vorgesehen. Die Aufnahmen sollten entsprechend steif ausgeführt werden und eine bekannte Orientierung bezüglich des Referenzkoordinatensystems der Halterung aufweisen. Bevorzugt werden hierfür Schraubenverbindungen anstelle von Clipverbindungen verwendet. Die Orientierung der Aufnahmen sind dabei bevorzugt so zu wählen, dass die Referenzbeschleunigungsmesser zu einander geneigt sind, d. h., dass möglichst keine der Referenzbeschleunigungsmesser oder Referenzpositionsmesser zueinander dieselbe Orientierung aufweisen, sodass die Beobachtergruppe des Systems erhöht wird. Beispielsweise können vier Referenzbeschleunigungsmesser und Referenzpositionsmesser mit jeweils einer einzigen Messrichtung (das heißt einer einzigen Sensorachse) in einer 45° Konuskonfiguration angeordnet werden, oder alternativ dazu zwei dreiachsige Referenzbeschleunigungsmesser oder ein dreiachsiger Referenzbeschleunigungsmesser und ein dreiachsiger Referenzpositionsmesser jeweils 45° zueinander. Die Aufnahmen für die Referenzbeschleunigungsmesser werden bevorzugt um die Halterung herum verteilt, um gegenüber allen zu testenden Sensoren eine ausreichend gute Messung zu erhalten. Bevorzugt ist die Ausrichtung der Referenzbeschleunigungsmesser entlang der erwarteten bzw. gewünschten Beschleunigungen des Vibrationserzeugers ausgerichtet.
• Der jeweilige Referenzpositionsmesser dient zum Unterstützen der Ermittlung der tatsächlich vorherrschenden Beschleunigung durch Ermitteln einer absoluten oder relativen Position der Halterung jeweils in der Richtung der aktuell auftretenden Beschleunigungen der Vibrationen. Bevorzugt werden hierfür ein oder mehrere Referenzpositionsmesser verwendet, die die absolute oder relative zeitabhängige Position der Halterung in der Vibrationsrichtung erfassen. Bevorzugt werden diese an der Halterung angeordnet, können jedoch auch am Vibrationserzeuger angeordnet werden, wenn davon ausgegangen werden kann, dass die Halterung ausreichend steif gegenüber dem Vibrationserzeuger ist. Die Referenzpositionsmesser weisen bevorzugt eine ausreichend kurze Samplezeit und damit hohe Samplefrequenz auf, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Der oder die Referenzpositionsmesser sind hierbei entsprechend mit einer weiteren Schaltung verbunden, die das Auslesen der Sensorsignale ermöglicht bzw. erleichtert. In dieser Schaltung können entsprechende Sensorfusionsalgorithmen bzw. Filterungen ablaufen. Das Ausgangssignal einer solchen Schaltung ist bevorzugt ein digitales Signal. Die Referenzpositionsmesser ermitteln hierzu bevorzugt entsprechende zeitliche Verläufe der Positionen, um durch zweifache Ableitung dieser die tatsächlich auftretende Beschleunigung an der Halterung und damit am zu testenden Sensor zu ermitteln.
• Die Fusionsrecheneinheit dient zum Ausführen eines Algorithmus zur Sensorfusion bezüglich der Daten aller gleichzeitig am Vibrationserzeuger zu testender Sensoren, insbesondere zur Sensorfusion der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers und des Referenzpositionsmessers. Die Fusionsrecheneinheit kann online oder offline den Algorithmus zur Sensorfusion ausführen. Hierüber werden insbesondere sämtliche Positionsmessungen und Beschleunigungsmessungen auf ein gemeinsames vergleichbares Signal (insbesondere Beschleunigungen) bezüglich eines gemeinsamen kartesischen Koordinatensystems transformiert. Prinzipiell kann eine beliebige Zahl von überwachenden Sensoren für die Sensorfusion genutzt werden. Im Falle einer solchen Sensorfusion werden von der Recheneinheit auf Basis des Ergebnis der Sensorfusion die Referenzwerte der Beschleunigungen genutzt, um die Sensorcharakterisierung im jeweiligen getesteten Sensor vorzunehmen.
• Insbesondere die Sensorfusion der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers und des Referenzpositionsmessers erlauben die Ermittlung hochgenauer Referenzwerte der tatsächlich auf die Halterung ausgeübten Beschleunigungen. Dies begünstigt wiederum die Anwendung einer Regressionsanalyse, welche durch die hochgenauen Eingangsdaten der Referenzwerte der tatsächlich auf die Halterung ausgeübten Beschleunigungen in dieser Form erst ermöglicht wird. Durch die Kombination der hochgenauen Schätzung der Eingangsdaten (die tatsächlich auftretenden Beschleunigungen) mittels der Fusionsrecheneinheit mit den drei Aufnahmen mit unterschiedlichen aber genau bekannten Orientierungen in der Halterung für die Beschleunigungssensoren sind Regressionsanalysen besser durchführbar, um eine Charakterisierung des oder der zu testenden Sensoren durchzuführen, während im herkömmlichen Verfahren zur Charakterisierung und Kalibrierung von zu testenden inertialen Sensoren eine deutlich höhere Zahl als drei verschiedene Orientierungen benötigt werden für eine ausreichend genaue Charakterisierung.
• Die Sensorfusion umfasst insbesondere einen Eingangsgrößen-Schätzer-Filter, um die Referenzwerte der tatsächlich auf die Halterung ausgeübten Beschleunigungen möglichst genau zu schätzen. Im Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Sensorfusion durch die Fusionsrecheneinheit gegeben: Zum Algorithmus der Sensorfusion: Es sei das folgende dynamische System gegeben: $${\text{x}}_{k+1}={\text{A}}_k{\text{x}}_k+{\text{N}}_k{\text{u}}_k+{\text{B}}_k{\text{w}}_k$$

  

  $${\text{y}}_k={\text{C}}_k{\text{x}}_k+{\text{M}}_k{\text{u}}_k+{\text{v}}_k$$

  

  $$E\left\{\left[\begin{array}{l}{\text{x}}_0\\ {\text{w}}_k\\ {\text{v}}_k\\ I\end{array}\right]{\left[\begin{array}{l}{\text{x}}_0\\ {\text{w}}_k\\ v_k\end{array}\right]}^T\right\}=\left[\begin{array}{ccc}{\text{P}}_0& 0& 0\\ 0& {\text{Q}}_k& 0\\ 0& 0& {\text{R}}_k\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$$

  
• Hierbei ist x_k der Zustandsvektor des Systems mit einer initialen Kovarianz P₀, ferner ist u_k der deterministische unbekannte Vektor des Eingangs des Systems, ferner ist y_k die Beobachtung oder auch der Ausgang des Systems, w_k und v_k sind weiße Systemstörungen und Beobachtungsrauschen mit den Kovarianzmatrizen Q_k und R_k, M_k ist eine Konfigurationsmatrix mit vollem Spaltenrang r, und A_k, B_k, N_k und C_k sind Matrizen mit geeigneten Dimensionen. Der folgende Algorithmus X fasst für das obige System die adaptive Schätzung des Eingangs des Systems (insbesondere die tatsächlich auftretenden Beschleunigungen) zusammen: Algorithmus X:

  
• Außerdem sei der jeweilige Sensorausgang einer jeweiligen Sensorachse des Beschleunigungssensors i und eines Referenzpositionsmessers j, wobei i = 1, ..., m_a und j = 1, ..., m_p: $$E_{ai}={\text{W}}_i{\text{a}}_R+w_{ai}+v_{ai}$$

  

  $$E_{pj}=p_x+w_{pj}+v_{pj}$$

  

  worin W_i die unitären Richtungs-Zeilenvektoren sind, die die Richtung einer jeweiligen Sensorachse des Beschleunigungssensors in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem der Halterung angibt, ferner geben w_i und w_j Prozessrauschen an, beispielsweise verursacht durch Stabilitätsfehler; ferner sind v_i und v_j additive Messfehler, a_R = [a_x, a_y, a_z]^T ist der Beschleunigungsvektor im Bezug auf das Referenzkoordinatensystem der Halterung, und p_x ist der relative Positionsvektor des Referenzkoordinatensystems der Halterung in der Richtung der Vibration, welcher angenommen wird als entlang der x-Achse ausgerichtet, ohne Verlust der Allgemeinheit.
• In diesem Fall kann die Schätzung der Referenzbeschleunigung bezüglich des Referenzkoordinatensystems der Halterung erhalten werden durch die folgenden Beziehungen, die auf den oben beschriebenen Algorithmus X angewendet werden: $$\begin{array}{l}{\text{A}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& \cdots & 0& 0& \cdots & 0\\ \delta t& 1& 0& \cdots & 0& 0& \cdots & 0\\ 0& 0& e_{a|1}& \cdots & 0& 0& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 0& 0& \cdots & e_{a|m_a}& 0& \cdots & 0\\ 0& 0& 0& \cdots & 0& e_{a|1}& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& & ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& \cdots & e_{p|m_p}\end{array}\right]{\text{ N}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{ccc}\delta t& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ ⋮& ⋮& ⋮\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\\ {\text{B}}_k\leftarrow {\text{I}}_{2+m_a+m_p\times 2+m_a+m_p}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{C}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{cccccccc}0& 0& 1& \cdots & 0& 0& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 0& 0& \cdots & 1& 0& \cdots & 0\\ 0& 1& 0& \cdots & 0& 1& \cdots & 0\\ ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ 0& 1& 0& \cdots & 0& 0& \cdots & 1\end{array}\right];{\text{ M}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{l}{\text{W}}_1\\ ⋮\\ {\text{W}}_{m_a}\\ 0\\ ⋮\\ 0\end{array}\right];\\ {\text{y}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{l}{E}_{a1}\\ ⋮\\ E_{a{m}_a}\\ E_{p1}\\ ⋮\\ E_{p{m}_p}\end{array}\right]\\ {\text{a}}_R\leftarrow {\widehat{\text{u}}}_k\end{array}$$

  
• Hierbei ist δt die Sampling-Zeit, und e_a|i und e_p|j sind Koeffizienten, um das Prozessrauschen zu filtern. Die einfachste Annahme wäre, diese Koeffizienten als gleich Eins und deren Rauschen als Null zu setzen. Die Zustände 3 bis 2 + m_a + m_p können dann entfernt werden, wenn sie als unnötig erachtet werden.
• Wenn der Skalenfehler und Bias der Sensoren geschätzt werden sollen, seien die Sensorausgänge einer jeweiligen Sensorachse des Beschleunigungssensors i und eines jeweiligen Referenzpositionsmessers j die folgenden, mit i = 1, ..., m_a und j = 1, ..., m_p: $$\begin{array}{l}{E}_{ai}=s_{ai}{\text{W}}_i{\text{a}}_R+b_{ai}+v_{ai}\\ E_{pj}=s_{pj}{p}_x+b_{pj}+v_{pj}\end{array}$$

  

  worin s_ai und s_pj die Skalenfehler und b_ai und b_pj die Bias Fehler sind. Wird Gleichung (B) linearisiert um den Punkt des zuvor geschätzten Skalenfehlers, Bias und der Eingänge des Systems, und werden diese vorigen Werte am Vektor der Sensorausgänge kompensiert, kann mithilfe von obigem Algorithmus X und den folgenden Beziehungen die jeweilige Beschleunigung im Referenzkoordinatensystem der Halterung erhalten werden: $$A_k\leftarrow \left[\begin{array}{cccccccccc}1& 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ \delta t& 1& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ 0& 0& S_{as|1}& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots \\ ⋮& ⋮& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & S_{as|m_a}& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & 0& S_{ab|m_a}& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& S_{ps|1}& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& S_{pb|1}& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots \\ ⋮& ⋮& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ S_{ps|m_p}& 0& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& S_{p{b}_{|mp}}& & & & & & & & \\ & & & & & & & & & \\ & & & & & & & & & \end{array}\right]$$

  

  (In der obigen Matrix auf A_k ist eine jeweilige Zeile in die nächste Zeile aus Platzgründen fortgeschrieben und somit sind jeweils Paare aus zwei gedruckten Zeilen als eine einzige mathematische Zeile zu verstehen) $$N_k\leftarrow \left[\begin{array}{ccc}\delta t& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ ⋮& ⋮& ⋮\\ 0& 0& 0\end{array}\right];{\text{ B}}_k\leftarrow {\text{I}}_{2\left(1+m_a+m_p\right)\times 2\left(1+m_a+m_p\right)}$$

  

  $${\text{C}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{cccccccccc}0& 0& {\text{W}}_1{\widehat{\text{u}}}_{k-1}& 1& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \cdots & ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots \\ ⋮& ⋮& & & & & & & & \\ 0& 0& 0& 0& \cdots & {\text{W}}_{m_a}{\widehat{\text{u}}}_{k-1}& 1& 0& 0& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ 0& x_2{}_{\left(1+m_a\right)+\mathrm{1,}k-1}& 0& 0& \cdots & 0& 0& x_{\mathrm{2,}k-1}& 1& \cdots \\ 0& 0& & & & & & & & \\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots & ⋮& ⋮& ⋮& ⋮& \ddots \\ ⋮& ⋮& & & & & & & & \\ 0& x_{2\left(1+m_a+m_p\right)-\mathrm{1,}k-1}& 0& 0& \cdots & 0& 0& 0& 0& \cdots \\ x_{\mathrm{2,}k-1}& 1& & & & & & & & \end{array}\right]$$

  

  (In der obigen Matrix auf C_k ist eine jeweilige Zeile in die nächste Zeile aus Platzgründen fortgeschrieben und somit sind jeweils Paare aus zwei gedruckten Zeilen als eine einzige mathematische Zeile zu verstehen) $$\begin{array}{l}{\text{M}}_k\leftarrow \left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{3,}k-1}{\text{W}}_1\\ ⋮\\ x_{2\left(1+m_a\right)-\mathrm{1,}k-1}{\text{W}}_{m_a}\\ 0\\ ⋮\\ 0\end{array}\right];y_{\text{k}}\leftarrow \left[\begin{array}{c}{E}_{a1}+x_{\mathrm{3,}k-1}{\text{W}}_{\text{1}}{\widehat{\text{u}}}_{k-1}\\ ⋮\\ E_{a{m}_a}+x_{2\left(1+m_a\right)-\mathrm{1,}k-1}{\text{W}}_{m_a}{\widehat{\text{u}}}_{k-1}\\ E_{p1}+x_{2\left(1+m_a\right)+\mathrm{1,}k-1}{x}_{\mathrm{2,}k-1}\\ ⋮\\ E_{p{m}_p}+x_{2\left(+m_a+m_p\right)-\mathrm{1,}k-\mathrm{1,}}{x}_{\mathrm{2,}k-1}\end{array}\right]\\ {\text{a}}_R\leftarrow {\widehat{\text{u}}}_k\end{array}$$

  

  worin gilt: x_k = [x_1,k, ..., x_{2(1+ma+mp),k]} ^T, und S_as|i, S_ab|i, S_ps|j und S_pb|j sind Stabilitäts-Koeffizienten für den Skalenfehler und Bias.
• Vor dem Hintergrund der konvergenten Charakteristik des Algorithmus X wird bevorzugt für jeden Datensatz zuerst Algorithmus X mit der Beziehung (C) ausgeführt um den Skalenfehler und Bias zu schätzen, um dann mit diesen Werten Algorithmus X erneut auszuführen jedoch mit der Beziehung (A), wobei die Sensorausgänge um den Skalenfehler und Bias korrigiert werden, bevor sie dem Algorithmus X übergeben werden. Selbige Vorgehensweise eignet sich auch, um den Ausrichtungsfehler des Sensors zu schätzen, falls notwendig. Damit ist die bevorzugte Ausführung der Sensorfusion abgeschlossen.
• Bevorzugt ist ein vom Referenzbeschleunigungsmesser getrennter, eigenständiger Regelungsbeschleunigungsmesser vorgesehen, der zum Regeln eines gewünschten auf den inertialen Sensor aufzubringenden zeitlichen Beschleunigungsverlaufs dient. Der jeweilige Regelungsbeschleunigungsmesser dient dazu, dass der Vibrationserzeuger eine Rückmeldung über die tatsächlich ausgeübten Beschleunigungen erhält und somit regelungstechnisch die vorgegebenen zeitlichen Verläufe der aufzubringenden Beschleunigungen einhalten kann. Bevorzugt wird der jeweilige Regelungsbeschleunigungsmesser an der Halterung so nahe wie möglich an dem jeweiligen zu testenden inertialen Sensor angeordnet. Vorteilhaft können so Resonanzen bei der dynamischen Anregung eines inertialen Sensors unter Test ausgeregelt werden. Die Halterung weist für den oder die Regelungsbeschleunigungsmesser bevorzugt eigene Aufnahmen auf. Für die geregelte Ansteuerung des Vibrationserzeugers können ein piezoelektrischer Regelungsbeschleunigungsmesser oder insbesondere auch zwei piezoelektrische Regelungsbeschleunigungsmesser mit dann gemittelten Ausgängen verwendet werden.
• Bevorzugt wird ein zur Halterung körperfestes Koordinatensystem definiert. Gegenüber diesem Koordinatensystem der Halterung bietet es sich an, Position und Orientierung aller zu testende Sensoren anzugeben. An der Halterung sind bevorzugt mindestens drei Aufnahme-Möglichkeiten für einen zu testende Beschleunigungssensor angeordnet, um den jeweiligen Beschleunigungssensor in drei verschiedenen Orientierungen testen zu können. Weitere Aufnahmen für weitere Orientierungen sind optional möglich.
• Vorteilhafte Wirkungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind, dass die gewonnenen Testdaten leicht durch Regressionsanalyse verarbeitet werden können, um die Referenzbeschleunigungen und die Sensorantworten zueinander in Verbindung zu setzen und entsprechend zu analysieren, sowie dass die erfindungsgemäße Vorrichtung es erlaubt, standardmäßig und damit leicht erhältliche Ausrüstungskomponenten zum Erzeugen der Vibrationen zu verwenden; ferner, dass nur eine Vibration für eine jeweilige Achse aufzubringen ist, um eine Charakterisierung einer nichtlinearen Dynamik eines Beschleunigungssensors beispielsweise mit Termen höherer Ordnung vorzunehmen (dies entspricht den Achsen x,y,z eines kartesischen Koordinatensystems bei einem translatorischen Beschleunigungssensor); die Referenzbeschleunigungen am Vibrationserzeuger werden bevorzugt durch eine Kombination verschiedener Beschleunigungsmessungen und Positionsmessungen bis hin zu einem ausreichenden Grad an Genauigkeit erfasst; die Aufnahmen mit dem jeweiligen Sensor können außerdem kontrolliert mit einer gewünschten Temperatur beaufschlagt werden, um gleichzeitig durch das Aufprägen von Vibrationen und einer gewünschten Temperatur eine entsprechende Anregung auf den jeweiligen Sensor beaufschlagen zu können, um seine Sensitivität zu ermitteln; es kann außerdem eine beliebige Anzahl von Sensoren gleichzeitig getestet und charakterisiert werden - die Anzahl ist lediglich durch die geometrischen Restriktionen sowie die Leistungsfähigkeit der anregenden Elemente im Vibrationserzeuger begrenzt; während nach dem Standard „IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Linear Single-Axis, Nongyroscopic Accelerometers. Standard IEEE 1293:2018. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Oct. 23, 2018“ viele verschiedene Testdurchgänge notwendig sind, kann mithilfe der Aufnahmen ein inertialer Sensor wie ein Beschleunigungssensor nacheinander in die drei Aufnahmen, die für ihn vorgesehen sind, eingesteckt werden, und durch die spezielle Ausrichtung der Aufnahmen kann mit einer entsprechenden Regressionsanalyse erreicht werden, sämtliche Parameter einer vorgegebenen mathematischen Modellstruktur zur Charakterisierung des inertialen Sensors auf einmal zu erhalten. Vorteilhaft ist der inertiale Sensor automatisch durch die vorgesehene Orientierung in jeder der Aufnahmen von Anfang an korrekt ausgerichtet, sodass komplexe manuelle Einstellungen der Orientierung entfallen. Die Aufnahmen weisen weiterhin den Vorteil auf, dass durch die asymmetrische Ausrichtung von immer zwei der Sensorachsen durch unterschiedliche Winkel zur Hauptvibrationsrichtung in jeder der Orientierungen jeweils eine Sensorachse ein Vibrationsprofil mit hohen Amplituden, eine weitere Sensorachse eine Vibration mit niedrigeren Amplituden erfährt, und eine dritte Sensorachse lediglich durch einen Schwerkraftanteil (als konstante Beschleunigung) beaufschlagt wird. Durch das Umstecken des inertialen Sensors nacheinander in seine drei Aufnahmen erfährt jede Sensorachse jedes dieser oben genannten drei Beschleunigungsprofile. Die Vorteile der Aufnahmen mit ihren vorgegebenen Ausrichtungen in Kombination mit der erhöhten Genauigkeit der Kenntnis der Referenzbeschleunigungen mithilfe der Fusionsrecheneinheit erlauben es, insbesondere einen Beschleunigungssensor nur drei Tests zu unterziehen, indem der Beschleunigungssensor nacheinander in die ersten drei Aufnahmen gesteckt wird. Damit vereinfacht sich der Testaufwand erheblich.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Vibrationserzeuger ein horizontal vibrierender Slip-Tisch, wobei die zwei Sensorachsen des Beschleunigungssensors mit den zwei zueinander unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Hauptvibrationsrichtung je Aufnahme zusammen und mit der Hauptvibrationsrichtung in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen, wobei jeweils die dritte Sensorachse entlang des Schwerkraftvektors ausgerichtet ist.
• Vorteilhaft wird für den Vibrationserzeuger ein horizontal vibrierender Slip-Tisch verwendet wird, wenn ein Beschleunigungssensor und ein Kreiselinstrument gleichzeitig in den Aufnahmen der Halterung verwendet wird, oder ein Beschleunigungssensor alleine. Ferner kann ein horizontal vibrierender Slip-Tisch oder ein Vertikal-Shaker verwendet werden, wenn nur ein oder mehrere Kreiselinstrumente gleichzeitig in den Aufnahmen der Halterung verwendet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Halterung zweite drei Aufnahmen für ein zu testendes Kreiselinstrument, wobei die zweiten drei Aufnahmen für das Kreiselinstrument untereinander solche unterschiedlichen Orientierungen aufweisen, dass eine Sensorachse des Kreiselinstruments senkrecht zu der Hauptvibrationsrichtung orientiert ist.
• Bei Kreiselinstrumenten ergibt sich im Vergleich zu den oben genannten Beschleunigungssensoren eine leicht unterschiedliche Situation, da diese nicht dazu geschaffen wurden, Beschleunigungen und damit Vibrationen zu erfassen. Tatsächlich sind die Kreiselinstrumente jedoch aufgrund ihres physischen Aufbaus ebenfalls sensitiv auf Vibrationen, sei es ein konventionelles Kreiselinstrument, oder eines in Form eines „Micro-Electro-Mechanical Systems“ (MEMS) Sensors, oder eines Faser-optischen Gyroskops (FOG).
• In der Halterung sind nach dieser Ausführungsform Aufnahmemöglichkeiten für Kreiselinstrumente angeordnet. Diese Aufnahmemöglichkeiten bieten dieselbe Funktionalität wie die ersten drei Aufnahmen für die Beschleunigungssensoren. Der Unterschied ist jedoch, dass die zweiten drei Aufnahmen für die Kreiselinstrumente so in der Halterung angeordnet sind, dass die Sensorachsen der Kreiselinstrumente parallel zu den Vibrationsrichtungen für jede der drei möglichen Konfigurationen (mittels Einstecken in die jeweilige der zweiten Aufnahmen) ist. Auch in diesem Fall sollten die nominalen Orientierungen jeder der zweiten Aufnahmen der Halterung in Bezug zu Referenzkoordinaten in der Halterung so gut wie möglich bekannt sein.
• Beschleunigungssensoren werden bevorzugt so ausgerichtet durch ihre Aufnahmen, dass ihre jeweiligen Achsen nicht senkrecht zu der Hauptvibrationsrichtung sind, wohingegen die Kreiselinstrumente so ausgerichtet werden, dass ihre Achsen rechtwinklig zu den Vibrationssachsen liegen;
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Halterung mehrere erste drei Aufnahmen und/oder mehrere zweite drei Aufnahmen zum gleichzeitigen Testen mehrerer Beschleunigungssensoren und/oder zum gleichzeitigen Testen mehrerer Kreiselinstrumente auf.
• Wenn eine Vielzahl von Sensoren gleichzeitig an dem Vibrationserzeuger getestet werden, können entsprechend mehrere Aufnahmemöglichkeiten an der Halterung vorgesehen werden, sodass insbesondere nicht mehr als drei Tests für alle Sensoren gleichzeitig notwendig sind. Dabei sollte die nominale Orientierung jeder Aufnahmemöglichkeit in der Halterung im Bezug zum Referenzkoordinatensystem der Halterung ausreichend gut bekannt sein.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin auf: - eine Recheneinheit, die dazu ausgeführt, auf Basis des Ergebnis der Sensorfusion sowie auf Basis der Sensorantworten des jeweiligen getesteten Sensors eine Sensorcharakterisierung durch Ausführung einer Regressionsanalyse vorzunehmen und auf Basis der Sensorcharakterisierung den jeweiligen getesteten Sensor zu kalibrieren.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin auf: - eine Temperatursteuerungseinheit zum Einstellen einer vorgegebenen Temperatur an der Halterung und für den jeweiligen in der Halterung aufgenommenen inertialen Sensor.
• Wird die Temperatur verändert und eine Recheneinheit zur Anwendung einer Regressionsanalyse verwendet, wird die entsprechende Temperatur im zeitlichen Bezug zu den Referenzbeschleunigungen mit protokolliert und für die Charakterisierung des jeweilig getesteten Sensors verwendet. Die Temperaturdaten sind dann Teil der Eingangsdaten der Regressionsanalyse.
• Die Temperatursteuerungseinheit weist eine Basisstruktur auf, die bevorzugt konstruktiv und materiell so ausgestaltet ist, dass sie die Kräfte durch die Beschleunigungen zwischen den Massen schadensfrei aufnehmen kann. Insbesondere ist bei der Konstruktion darauf zu achten, dass die Resonanzfrequenzen der Halterungen und der Basisstruktur so berücksichtigt werden, dass keine unerwünschten Resonanzen bei den Vibrationstests auftreten. Eine ausreichende Steifigkeit dieser Bauelemente ist daher wichtig. Die Temperatursteuerungseinheit weist bevorzugt ebenfalls einen Regler auf, der zum Empfangen von Signalen über einen Ist-Zustand mit einem entsprechenden Temperatursensor verbunden ist. Zu diesem Zweck kann ein einzelner Temperatursensor verwendet werden, der einen gewissen Abstand von einem Heizelement oder Kühlelement aufweist, bevorzugt jedoch nahe an dem zu testenden Sensor angeordnet ist. Es können auch mehrere Temperatursensoren verwendet werden, die über die Halterung verteilt angeordnet sind, beispielsweise um durch Mittelung der Sensorsignale eine gleichmäßigere Temperaturverteilung dadurch zu erreichen, dass die entsprechenden Zonen mit abweichender Temperatur von der Solltemperatur speziell beeinflusst werden. Bevorzugt ist sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung insbesondere der Halterung möglich, unabhängig jedoch von der konkreten technischen Ausführung eine Erwärmung als auch eine Kühlung der jeweils zu testenden Sensoren. Hierzu weist die Temperatursteuerungseinheit bevorzugt ein Wärmetauschermodul auf, welches bevorzugt als Schnittstelle zwischen der Halterung und dem Vibrationserzeuger dient, wobei dann der Vibrationserzeuger bevorzugt als Kühlkörper dient. In diesem Fall muss er entsprechend mechanisch robust ausgestaltet sein. Bevorzugt wird hierfür ein thermoelektrisches Modul verwendet, insbesondere ein Peltierelement. Vorteilhaft wird weiter eine thermische Isolierung so vorgesehen, dass sie die Kontaktpunkte zwischen Halterung und Vibrationserzeuger entsprechend isoliert, um thermische Störungen möglichst zu minimieren.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Vibrationserzeuger mit der Halterung thermisch über ein Wärmeleitungselement leitend verbunden, sodass der Vibrationserzeuger als Kühlkörper dient.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Halterung und der Vibrationserzeuger mit steifen Verbindungselementen miteinander verbunden und an den Verbindungselementen sind thermische Isolierungen angeordnet zum thermischen Isolieren des Vibrationserzeugers und der Halterung voneinander.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist von den zwei Sensorachsen des Beschleunigungssensors mit den zwei zueinander unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Hauptvibrationsrichtung eine der Sensorachsen einen Winkel zur Hauptvibrationsrichtung von fünfundzwanzig Grad und die andere der Sensorachsen einen Winkel zur Hauptvibrationsrichtung von fünfundsechzig Grad auf.
• Der Winkel einer der zwei Sensorachsen gegenüber der Hauptvibrationsrichtung ist ein beliebiger Winkel ungleich 0° und ungleich 90°, bevorzugt wird jedoch ein Winkel von Alpha gleich 25° verwendet. In diesem Fall wird jede Achse mit 90 % bzw. 40 % der maximal aufbringbaren Referenzbeschleunigung getestet, sowie mit dem Gravitationsvektor alleine, sodass ein breites Band von Operationspunkten sowie Kreuzkopplungseffekte getestet werden. Somit wird die Regressionsmatrix einer Regressionsanalyse, ausgeführt auf der Recheneinheit, zur Charakterisierung des Sensors unter Test besser strukturiert.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Fusionsrecheneinheit ein Kalmanfilter. Das Kalmanfilter erlaubt eine Fusion der Eingangsdaten auch genannt („Input Signal Fusion“), um eine echte Schätzung der tatsächlich vorherrschenden Referenzbeschleunigungen zu erhalten, wie sie mit beispielsweise einer reinen Mittelung der doppelt integrierten Beschleunigungen zu gemessenen Positionen (oder alternativ doppelt abgeleitete Positionen im Vergleich mit den gemessenen Beschleunigungen) nicht möglich sind. Insbesondere kann mithilfe des Kalmanfilters auch ein Bias herausgerechnet werden.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Es zeigen:
• 1: Eine Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2: Ausrichtungen der ersten drei Aufnahmen gegenüber der Hauptvibrationsrichtung und gegeneinander gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 3: Einen Vibrationserzeuger mit Halterung zum Testen eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 4: Einen Vibrationserzeuger mit Halterung zum Testen von mehreren Beschleunigungssensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 5: Einen Vibrationserzeuger mit Halterung zum Testen eines Kreiselinstruments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 6: Einen Vibrationserzeuger mit Halterung zum Testen von mehreren Kreiselinstrumenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 7: Die Verwendung eines Referenzpositionsmessers an einem Vibrationserzeuger gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 8: Die Verwendung eines Referenzpositionsmessers an einem Vibrationserzeuger gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
• 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors. Das obere Teilbild ‚T‘ zeigt die Tischfläche mit Halterung des Vibrationserzeugers 11 von oben. Das untere Teilbild ‚F‘ dagegen ist eine Frontalansicht, in der der Vibrationserzeuger 11 horizontal dargestellt ist mit der Halterung darüber. Der Vibrationserzeuger 11 dient zum Aufbringen von Referenzbeschleunigungen in einer Hauptvibrationsrichtung. Die Halterung weist erste drei Aufnahmen 19 zum sequentiellen Aufnehmen eines zu testenden Beschleunigungssensors mit drei zueinander orthogonalen Sensorachsen auf. Die Ausrichtung der ersten drei Aufnahmen 19 ist genauer in 2 erläutert. Ferner weist die Halterung zweite drei Aufnahmen 20 für ein zu testendes Kreiselinstrument auf, wobei die zweiten drei Aufnahmen 20 für das Kreiselinstrument untereinander solche unterschiedlichen Orientierungen aufweisen, dass eine Sensorachse des Kreiselinstruments senkrecht zu der Hauptvibrationsrichtung orientiert ist. Eine Recheneinheit 23 dient dazu, auf Basis des Ergebnis der durch Sensorfusion (die u.a. mit Hilfe der zueinander schräg orientierten Referenzbeschleunigungsmesser 13 ausgeführt wird) ermittelten Referenzbeschleunigungen sowie auf Basis der erfassten Sensorantworten des jeweiligen getesteten inertialen Sensors (nach 1 Beschleunigungssensoren und Kreiselinstrumente) eine Sensorcharakterisierung durch Ausführung einer Regressionsanalyse vorzunehmen und auf Basis der Sensorcharakterisierung den jeweiligen getesteten Sensor zu kalibrieren. Eine Temperatursteuerungseinheit 25 (wie in 3 angedeutet) dient zum Einstellen einer vorgegebenen Temperatur an der Halterung und für den jeweiligen in der Halterung aufgenommenen inertialen Sensor. Der Vibrationserzeuger 11 ist mit der Halterung thermisch über ein Wärmeleitungselement 27 leitend verbunden, sodass der Vibrationserzeuger 11 als Kühlkörper eingesetzt werden kann. Die Halterung und der Vibrationserzeuger 11 sind mit steifen Verbindungselementen miteinander verbunden und an den Verbindungselementen sind thermische Isolierungen 29 angeordnet zum thermischen Isolieren des Vibrationserzeugers 11 und der Halterung voneinander.
• 2 zeigt Orientierungen eines Beschleunigungssensors in jeder der ersten drei Aufnahmen 19 (siehe 1). Die drei Teilbilder mit lokalen Koordinatensystemen korrelieren mit den drei der ersten drei Aufnahmen 19. Der Vibrationserzeuger 11 ist hierbei ein horizontal vibrierender Slip-Tisch mit der Hauptvibrationsrichtung v. Die Sicht der 2 ist von oben auf die Oberfläche des Vibrationserzeugers 11, daher die Sicht in Richtung des Schwerkraftvektors g. Hierbei bezeichnen die Achsen IA die Eingangsachse, PA die Pendelachse, OA die Ausgangsachse. Die Aufnahmeachsen der ersten drei Aufnahmen 19 geben Richtungen an, in die der Beschleunigungssensor jeweils eingeführt wird und verbleibt. Diese Aufnahmeachsen sind zueinander orthogonal, d. h. der Beschleunigungssensor wird jeweils zu allen vorhergehenden Aufnahmen um neunzig Grad versetzt eingesteckt. In jeder der ersten drei Aufnahmen 19 wird der Beschleunigungssensor so ausgerichtet, dass jeweils zwei der Sensorachsen des Beschleunigungssensors 21 erstens voneinander verschiedene und zweitens von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung v aufweisen. Hierbei liegen jeweils zwei Sensorachsen des Beschleunigungssensors mit den zwei zueinander unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Hauptvibrationsrichtung v je Aufnahme 19 zusammen und mit der Hauptvibrationsrichtung v in einer gemeinsamen horizontalen Ebene, wobei jeweils die dritte Sensorachse entlang des Schwerkraftvektors ausgerichtet ist. In der ersten der ersten drei Aufnahmen 19 sind dies IA und PA, wobei IA zur Hauptvibrationsrichtung v einen Winkel von fünfundzwanzig Grad einschließt. In der zweiten der ersten drei Aufnahmen 19 sind dies OA und IA, wobei OA zu v einen Winkel von fünfundzwanzig Grad einschließt. In der dritten der ersten drei Aufnahmen 19 sind dies PA und OA, wobei PA zu v einen Winkel von fünfundzwanzig Grad einschließt. Der jeweilige Winkel von fünfundzwanzig Grad wird in der 2 durch den Winkel Alpha markiert.
• 3 zeigt eine Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung, die zum Testen genau eines Beschleunigungssensors 21 vorgesehen ist, und die zwei zueinander schräg ausgerichtete Halterungen für (in der 3 eingesteckt gezeichnete) Referenzbeschleunigungsmesser 13 aufweist, eine Halterung für einen Regelungsbeschleunigungsmesser R und einen Temperatursensor T einer Temperatursteuerungseinheit 25 aufweist. Für die Nomenklatur der Sensorachsen IA, PA, OA, siehe 2. Teilbild ‚T‘ zeigt eine Ansicht von oben, Teilbild ‚S‘ eine Seitenansicht. In der 3 sind nebeneinander gezeichnet die Konfigurationen des Vibrationserzeugers 11, über die der zu testende Beschleunigungssensor 21 über die ersten drei Aufnahmen gesteckt wird. Der Übergang zwischen diesen Vorgängen ist mit drei parallelen Pfeilspitzen angedeutet.
• 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung. Hierbei sind in der Halterung mehrere erste drei Aufnahmen zum gleichzeitigen Testen von vier Beschleunigungssensoren 21 vorgesehen. Wiederum bezeichnet Teilbild ‚T‘ eine Ansicht von oben, Teilbild ‚S‘ eine Seitenansicht, wobei die drei Konfigurationen mit umgesteckten Beschleunigungssensoren 21 gezeigt sind und durch Pfeile in der 4 angedeutet sind.
• 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung. Teilbild ‚T‘ zeigt eine Ansicht von oben, Teilbild ‚S‘ eine Seitenansicht. Die Halterung weist Steckplätze für Referenzbeschleunigungsmesser 13 auf, einen weiteren für einen Temperatursensor T. Es sind zweite drei Aufnahmen 20 für die Aufnahme eines Kreiselinstruments vorgesehen, in die das Kreiselinstrument nacheinander eingesteckt wird, symbolisiert durch die drei nebeneinanderliegenden Konfigurationen in 5. Die Hauptvibrationsrichtung v ist bewusst nicht skizziert, da diese für den Fall eines getesteten Kreiselinstruments auch vertikal aufgebracht werden kann, da der Schwerkraftvektor keinen Einfluss auf die Charakterisierung des Kreiselinstruments nimmt.
• 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung. Teilbild ‚T‘ zeigt eine Ansicht von oben, Teilbild ‚S‘ eine Seitenansicht. Die Halterung weist Steckplätze für Referenzbeschleunigungsmesser 13 auf, einen weiteren für einen Temperatursensor T. Es sind mehrere zweite drei Aufnahmen 20 für die Aufnahme von vier Kreiselinstrumenten vorgesehen. Die Kreiselinstrumente in ihren Aufnahmen 20 sind dabei zur besseren Verständlichkeit der Konfigurationen mit umgesteckten Kreiselinstrumenten über die Aufnahme 20 mit den Ziffern 1 bis 4 nummeriert. Für weitere Details siehe 5, wobei jedoch im Gegensatz zur 5 in der 6 eine alternative Anordnung von mindestens vier Referenzbeschleunigungsmessern 13 gezeigt ist.
• Die Beispiele der 5 und 6 schließen selbstverständlich nicht aus, dass in einer Halterung sowohl Aufnahmen für Beschleunigungssensoren als auch für Kreiselinstrumente vorgesehen sind.
• 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung in einer Ansicht ‚T‘ von oben. Zusätzlich zu den Referenzbeschleunigungsmessern 13 (der Einfachheit halber nicht dargestellt, siehe vielmehr 1 bis 6) ist ein Referenzpositionsmesser 15 als optischer Encoder dargestellt. Referenzbeschleunigungsmesser 13 und Referenzpositionsmesser 15 liefern ihre jeweiligen Daten an eine Fusionsrecheneinheit 17, die ein Kalmanfilter umfasst, um eine Sensorfusion bezüglich der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers 13 und des Referenzpositionsmessers 15 auszuführen. Die Fusionsrecheneinheit 17 ist dabei in die Recheneinheit 23 integriert. Der optische Encoder weist einen Encoderlesekopf auf, der den Vibrationstisch des Vibrationserzeugers 11 nicht berührt.
• 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vibrationserzeugers 11 mit Halterung in einer Ansicht ‚T‘ von oben. Zusätzlich zu den Referenzbeschleunigungsmessern 13 (der Einfachheit halber nicht dargestellt, siehe vielmehr 1 bis 6) ist ein Referenzpositionsmesser 15 als Interferometer dargestellt. Referenzbeschleunigungsmesser 13 und Referenzpositionsmesser 15 liefern ihre jeweiligen Daten an eine Fusionsrecheneinheit 17, die ein Kalmanfilter umfasst, um eine Sensorfusion bezüglich der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers 13 und des Referenzpositionsmessers 15 auszuführen. Die Fusionsrecheneinheit 17 ist dabei in die Recheneinheit 23 integriert.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
• Bezugszeichenliste

1-4

nummerierter inertialer Sensor unter Test

R

Regelungsbeschleunigungsmesser

T

Temperatursensor

v

Hauptvibrationsrichtung

11

Vibrationserzeuger

13

Referenzbeschleunigungsmesser

15

Referenzpositionsmesser

17

Fusionsrecheneinheit

19

erste drei Aufnahmen

20

zweite drei Aufnahmen

21

Beschleunigungssensor unter Test

23

Recheneinheit

25

Temperatursteuerungseinheit

27

Wärmeleitungselement

29

Isolierungen

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Durchführung von Tests für die Charakterisierung und Kalibrierung zumindest eines inertialen Sensors, aufweisend: - einen Vibrationserzeuger (11) zum Aufbringen von Referenzbeschleunigungen in einer Hauptvibrationsrichtung, - einen Referenzbeschleunigungsmesser (13) zum Erfassen der Referenzbeschleunigungen am Vibrationserzeuger (11) mittels Messungen der tatsächlich vorliegenden Referenzbeschleunigungen, - einen Referenzpositionsmesser (15) zum Erfassen der durch die Referenzbeschleunigungen verursachten Positionsänderungen des Vibrationserzeugers (11), - eine Fusionsrecheneinheit (17) zum Ausführen einer Sensorfusion bezüglich der Daten des Referenzbeschleunigungsmessers (13) und des Referenzpositionsmessers (15), und - eine Halterung mit ersten drei Aufnahmen (19) zum sequentiellen Aufnehmen eines zu testenden Beschleunigungssensors (21) mit drei zueinander orthogonalen Sensorachsen, wobei die ersten drei Aufnahmen (19) Aufnahmeachsen aufweisen, entlang derer der Beschleunigungssensor (21) in der jeweiligen Aufnahme (19) ausgerichtet ist, wobei die Aufnahmeachsen zueinander orthogonal sind und wobei in jeder der ersten drei Aufnahmen (19) der Beschleunigungssensor (21) so ausgerichtet ist, dass jeweils zwei der Sensorachsen des Beschleunigungssensors (21) erstens voneinander verschiedene und zweitens von null und neunzig Grad verschiedene Winkel gegenüber der Hauptvibrationsrichtung aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Vibrationserzeuger (11) ein horizontal vibrierender Slip-Tisch ist, wobei die zwei Sensorachsen des Beschleunigungssensors (21) mit den zwei zueinander unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Hauptvibrationsrichtung je Aufnahme (19) zusammen und mit der Hauptvibrationsrichtung in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen, wobei jeweils die dritte Sensorachse entlang des Schwerkraftvektors ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung zweite drei Aufnahmen (20) für ein zu testendes Kreiselinstrument umfasst, wobei die zweiten drei Aufnahmen (20) für das Kreiselinstrument untereinander solche unterschiedlichen Orientierungen aufweisen, dass eine Sensorachse des Kreiselinstruments senkrecht zu der Hauptvibrationsrichtung orientiert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 und 3, wobei die Halterung mehrere erste drei Aufnahmen (19) und/oder mehrere zweite drei Aufnahmen (20) zum gleichzeitigen Testen mehrerer Beschleunigungssensoren (21) und/oder zum gleichzeitigen Testen mehrerer Kreiselinstrumente aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - eine Recheneinheit (23), die dazu ausgeführt ist, auf Basis des Ergebnisses der Sensorfusion sowie auf Basis der Sensorantworten des jeweiligen getesteten Sensors eine Sensorcharakterisierung durch Ausführung einer Regressionsanalyse vorzunehmen und auf Basis der Sensorcharakterisierung den jeweiligen getesteten Sensor zu kalibrieren.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - eine Temperatursteuerungseinheit (25) zum Einstellen einer vorgegebenen Temperatur an der Halterung und für den jeweiligen in der Halterung aufgenommenen inertialen Sensor.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Vibrationserzeuger (11) mit der Halterung thermisch über ein Wärmeleitungselement (27) leitend verbunden ist, sodass der Vibrationserzeuger (11) als Kühlkörper dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Halterung und der Vibrationserzeuger (11) mit steifen Verbindungselementen miteinander verbunden sind und an den Verbindungselementen thermische Isolierungen (29) angeordnet sind zum thermischen Isolieren des Vibrationserzeugers (11) und der Halterung voneinander.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von den zwei Sensorachsen des Beschleunigungssensors (21) mit den zwei zueinander unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Hauptvibrationsrichtung eine der Sensorachsen einen Winkel zur Hauptvibrationsrichtung von fünfundzwanzig Grad und die andere der Sensorachsen einen Winkel zur Hauptvibrationsrichtung von fünfundsechzig Grad aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fusionsrecheneinheit (17) ein Kalmanfilter umfasst.

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