DE102022203430A1 - Method for self-calibration of a sensor system and sensor system - Google Patents

Method for self-calibration of a sensor system and sensor system Download PDF

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Bernhard Hagl
Tobias Hiller
Lukas Blocher
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Abstract

Es wird ein Sensorsystem und ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems vorgeschlagen, wobei das Sensorsystem mindestens einen, als mehrachsiger Inertialsensor ausgebildeten Sensor aufweist und dazu konfiguriert ist, eine Kompensationsmatrix derart auf Sensordaten anzuwenden, dass eine Querachsenempfindlichkeit des mindestens einen Sensors kompensiert wird, wobei bei dem Verfahren zur Selbstkalibrierung in einem Messschritt mindestens ein aktueller Wert eines Systemparameters des Sensorsystems bestimmt wird; in einem Ausleseschritt mindestens ein Referenzwert des Systemparameters aus einem Speicherelement des Sensorsystems ausgelesen wird; in einem Berechnungsschritt in Abhängigkeit von dem Referenzwert und dem aktuellen Wert des Systemparameters eine Änderung der Querachsenempfindlichkeit des mindestens einen Sensors berechnet wird; und in einem Anpassungsschritt die Kompensationsmatrix an die Änderung der Querachsenempfindlichkeit angepasst wird.A sensor system and a method for self-calibration of a sensor system are proposed, wherein the sensor system has at least one sensor designed as a multi-axis inertial sensor and is configured to apply a compensation matrix to sensor data in such a way that a transverse axis sensitivity of the at least one sensor is compensated, wherein Method for self-calibration in one measuring step at least one current value of a system parameter of the sensor system is determined; in a readout step, at least one reference value of the system parameter is read out from a storage element of the sensor system; in a calculation step, a change in the transverse axis sensitivity of the at least one sensor is calculated as a function of the reference value and the current value of the system parameter; and in an adaptation step the compensation matrix is adapted to the change in the transverse axis sensitivity.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a method according to the preamble of claim 1.

MEMS-Inertialsensorsysteme (MEMS, mikroelektromechanisches System) bestehen typischerweise aus Anordnungen von zwei oder mehr Sensoren zur Bestimmung der am Sensor anliegenden Drehrate und Beschleunigung. Üblicherweise weist jeder Sensor dabei drei Messkanäle auf, mit denen sich die Beschleunigungen und Drehraten jeweils entlang von drei räumlichen Achsen bestimmen lassen, so dass alle physikalischen Bewegungen im dreidimensionalen Raum erfasst werden können. Die Achsen des jeweiligen Achsensystems sind dabei meist zumindest näherungsweise orthogonal zueinander und die Achsensysteme unterschiedlicher Sensoren sind jeweils parallel zueinander ausgerichtet. Eine Abweichung von einer solchen idealen Konfiguration äußert sich als eine Querachsenempfindlichkeit (cross-axis sensitivity), durch die beispielsweise ein physikalischer Stimulus, der ausschließlich ein Signal bezüglich einer einzigen Sensor-Achse hervorrufen sollte, auch zu einem gewissen Messanteil entlang einer oder mehrerer der anderen Achsen führt.MEMS inertial sensor systems (MEMS, microelectromechanical system) typically consist of arrangements of two or more sensors to determine the rotation rate and acceleration applied to the sensor. Typically, each sensor has three measurement channels with which the accelerations and rotation rates can be determined along three spatial axes, so that all physical movements in three-dimensional space can be recorded. The axes of the respective axis system are usually at least approximately orthogonal to one another and the axis systems of different sensors are each aligned parallel to one another. A deviation from such an ideal configuration manifests itself as cross-axis sensitivity, through which, for example, a physical stimulus that should only produce a signal regarding a single sensor axis also results in a certain measurement component along one or more of the others Axes guides.

Derartige Querachsenempfindlichkeiten in MEMS-Inertialsensoren für den Consumer-Bereich können 2 bis 3 % erreichen und stellen für viele traditionelle Anwendungsgebiete kein wesentliches Problem dar. Für bestimmte Anwendungen, wie beispielweise inertiale Indoor-Navigation oder Augmented Reality würden Querachsenempfindlichkeiten von dieser Größenordnung allerdings einen erheblichen Genauigkeitsverlust mit sich bringen (siehe beispielsweise die Analyse in [1]). Daraus ergibt sich die technische Aufgabe, Querachsenempfindlichkeitseffekte möglichst weit zu reduzieren. Aus dem Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, die Querachsenempfindlichkeit per Design zu optimieren. Im MEMS-Bereich wird dies häufig über die Anordnung und geometrische Gestaltung der mikromechanischen Federn und Massen des Sensors erreicht. Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere bei hochgenauen Inertialsensoren eingesetzt wird, besteht in einer Signalkorrektur zur Verbesserung von Querachsenempfindlichkeiten, bei der für den Sensor eine individuelle Korrektur bestimmt wird, die anschließend im Sensorbetrieb auf das Messsignal angewendet wird (siehe beispielsweise [2] und [3]).Such cross-axis sensitivities in MEMS inertial sensors for the consumer sector can reach 2 to 3% and do not represent a significant problem for many traditional areas of application. However, for certain applications, such as inertial indoor navigation or augmented reality, cross-axis sensitivities of this magnitude would result in a significant loss of accuracy with it (see for example the analysis in [1]). This results in the technical task of reducing transverse axis sensitivity effects as much as possible. In this context, a variety of options are known from the prior art for optimizing the transverse axis sensitivity by design. In the MEMS area, this is often achieved through the arrangement and geometric design of the micromechanical springs and masses of the sensor. Another possibility, which is used in particular with high-precision inertial sensors, is a signal correction to improve transverse axis sensitivities, in which an individual correction is determined for the sensor, which is then applied to the measurement signal during sensor operation (see, for example, [2] and [3 ]).

Ein gängiges Vorgehen besteht dabei darin, über ein kontrolliertes Anlegen physikalischer Stimuli und Auswertung der Sensorsignale Querachsenempfindlichkeitsmatrizen der Dimension 3x3 (bei drei räumlichen Achsen) für den Beschleunigungssensor und den Drehratensensor aufzustellen. Die Diagonalelemente die Querachsenempfindlichkeitsmatrizen stellen dabei die eigentlichen Empfindlichkeiten der Achsen dar (sind also ≈1), während die Querempfindlichkeiten zwischen zwei Achsen durch die Nichtdiagonalelemente gegeben sind. Letztere sind deutlich kleiner als die Diagonalelemente und können beispielsweise etwa 0.01 betragen, was also 1 % Querachsenempfindlichkeit entspricht. Sind die beiden gemessenen Querachsenempfindlichkeitsmatrizen verfügbar, kann am Beschleunigungs- und Drehratensensorausgang je eine 3x3 Kompensationsmatrix implementiert werden, die die Querachseneffekte kompensiert. Das einfachste Vorgehen zur Bestimmung der beiden Kompensationsmatrizen ist eine einfache Invertierung der gemessenen Querachsenempfindlichkeitsmatrizen, wie sie beispielsweise in [4] oder in Abschnitt II.D in [3] beschrieben wird.A common procedure is to set up transverse axis sensitivity matrices of dimension 3x3 (with three spatial axes) for the acceleration sensor and the yaw rate sensor by controlled application of physical stimuli and evaluation of the sensor signals. The diagonal elements, the transverse axis sensitivity matrices, represent the actual sensitivities of the axes (i.e. are ≈1), while the transverse sensitivities between two axes are given by the non-diagonal elements. The latter are significantly smaller than the diagonal elements and can be around 0.01, for example, which corresponds to 1% transverse axis sensitivity. If the two measured transverse axis sensitivity matrices are available, a 3x3 compensation matrix can be implemented at the acceleration and rotation rate sensor outputs, which compensates for the transverse axis effects. The simplest procedure for determining the two compensation matrices is a simple inversion of the measured transverse axis sensitivity matrices, as described, for example, in [4] or in Section II.D in [3].

Die Bestimmung der Querachsenempfindlichkeit und die Festlegung der Kompensationsmatrizen erfolgt üblicherweise in Form einer Kalibrierung als Teil des Herstellungsprozesses. Im Anschluss werden die fertigen und kalibrierten Sensoren weiterverarbeitet und beispielsweise zusammen mit anderen Sensoren und weiteren Komponenten auf eine Leiterplatte aufgebracht. Da die Sensoren in der Fertigung, Handhabung, Lagerung, beim Transport und beim Lötprozess erheblichen Belastungen ausgesetzt sind und dadurch Veränderungen unterliegen, nimmt jedoch die Qualität der Querachsenkompensation gegenüber dem neu kalibrierten Zustand ab, so dass die Genauigkeit des Sensors im Laufe der Zeit vermindert wird.

  • [1] L. Blocher, W. Mayer, M. Arena, D. Radovic, T. Hiller, J. Gerlach, O. Bringmann, „Purely inertial navigation with a low-cost MEMS sensor array,“ in IEEE Int. Symposium on Inertial Sensors and Systems 2021. IEEE, 2021.
  • [2] L. Poletti, D. S. Sanchis, R. Siryani, „A direct approach for highquality MEMS based IMU/INS production,“ in 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2020, pp. 1-19 .
  • [3] J. Rohac, M. Sipos, J. Simanek, „Calibration of low-cost triaxial inertial sensors,“ IEEE I. & M. Mag., vol. 18, no. 6, pp. 32-38 , 2015.
  • [4] T. Hiller, L. Blocher, M. Vujadinovic, Z. Pentek, A. Buhmann H. Roth, „Analysis and Compensation of Cross-Axis Sensitivity in Low-Cost MEMS Inertial Sensors,“ in IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems 2021. IEEE, 2021.
The determination of the transverse axis sensitivity and the definition of the compensation matrices usually takes place in the form of a calibration as part of the manufacturing process. The finished and calibrated sensors are then further processed and, for example, applied to a circuit board together with other sensors and other components. However, since the sensors are exposed to considerable stress during production, handling, storage, transport and during the soldering process and are therefore subject to changes, the quality of the transverse axis compensation decreases compared to the newly calibrated state, so that the accuracy of the sensor is reduced over time .
  • [1] L. Blocher, W. Mayer, M. Arena, D. Radovic, T. Hiller, J. Gerlach, O. Bringmann, “Purely inertial navigation with a low-cost MEMS sensor array,” in IEEE Int. Symposium on Inertial Sensors and Systems 2021. IEEE, 2021.
  • [2] L. Poletti, DS Sanchis, R. Siryani, “A direct approach for high quality MEMS based IMU/INS production,” in 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2020, pp. 1-19 .
  • [3] J. Rohac, M. Sipos, J. Simanek, “Calibration of low-cost triaxial inertial sensors,” IEEE I. & M. Mag., vol. 18, no. 6, pp. 32-38 , 2015.
  • [4] T. Hiller, L. Blocher, M. Vujadinovic, Z. Pentek, A. Buhmann H. Roth, “Analysis and Compensation of Cross-Axis Sensitivity in Low-Cost MEMS Inertial Sensors,” in IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems 2021. IEEE, 2021.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Signalkorrektur zur Kompensation der Querachsenempfindlichkeiten neu kalibrieren lässt, um die Veränderung gegenüber dem ursprünglichen Verhalten in der Fertigung auszugleichen.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method with which the signal correction for compensating for the transverse axis sensitivities can be recalibrated in order to compensate for the change compared to the original behavior in production.

Das Verfahren gemäß Anspruch 1 erlaubt es, weitgehend unabhängig vom konkret vorliegenden Sensordesign, mit Hilfe von sensor-internen Größen eine nachträgliche, sensorindividuelle Kalibrierung durchzuführen. Auf diese Weise lässt sich insbesondere die Gültigkeit der ursprünglichen Kalibrierung aus der Fertigung wiederherstellen und auf das aufgelötete Produkt übertragen. Zudem kann das Verfahren über die Lebenszeit des Sensorsystems hinweg wiederholt angewendet werden, um weitere Drifteffekte, wie sie beispielsweise durch Alterungsprozesse oder Umgebungseinflüsse (Feuchtigkeit, Temperatur etc.) auszugleichen.The method according to claim 1 allows, largely independently of the actual sensor design, to carry out a subsequent, sensor-specific calibration using sensor-internal variables. In this way, the validity of the original calibration from production can be restored and transferred to the soldered product. In addition, the method can be used repeatedly over the lifetime of the sensor system in order to compensate for further drift effects, such as those caused by aging processes or environmental influences (humidity, temperature, etc.).

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Umstand ausgenutzt, dass sich unter den eingangs genannten äußeren Einflüssen bei der Fertigung, Weiterverarbeitung etc. unterschiedliche Systemparameter des Sensorsystems in der Regel nicht völlig unabhängig voneinander verändern, sondern verschiedene direkte und indirekte Beziehungen zueinander aufweisen. Insbesondere lässt sich für die Berechnung der Änderung der Querachsenempfindlichkeit ein statistischer Zusammenhang zwischen der Querachsenempfindlichkeit und einem oder mehreren Systemparametern (bzw. deren Änderung gegenüber einem Referenzzustand) verwenden. Aktuelle Werte der Zustandsgröße oder Zustandsgrößen sind dabei im Sensor selbst bestimmbar, insbesondere ohne Benutzung von äußeren Vorrichtungen, beispielsweise indem die entsprechende Größe durch im Sensorsystem angeordnete Sensoren gemessen oder aus einem Sensorsignal gewonnen wird. Durch einen Vergleich des aktuellen Werts und des Referenzwerts lässt sich die Änderung des Systemparameters bestimmten und auf die damit korrelierte Verschiebung der Querachsenempfindlichkeit schließen. Verschiedene Parameter, die hierfür besonders geeignet sind, werden weiter unten beschrieben. Beispielsweise zeigt ein Vergleich der Kenngrößen eines Drehratensensors vor und nach dem Auflöten, dass die Änderung der Querachsenempfindlichkeit und die Änderung der Quadratur des z-Kanals eine positive Kovarianz aufweisen. Dieser statistische Zusammenhang lässt sich im einfachsten Fall durch eine lineare Beziehung annähern, die wiederum als Berechnungsvorschrift für die Änderung der Querachsenempfindlichkeit dient. Im Folgenden wird der Begriff Querachsenempfindlichkeit der Kürze halber für eine entsprechende Kenngröße, beispielsweise ein Nichtdiagonalelement der Querachsenempfindlichkeitsmatrix oder die Gesamtheit aller Nichtdiagonalelemente verwendet. Das Sensorsystem kann neben dem mindestens einen Sensor weitere Sensoren, insbesondere weitere mehrachsige Inertialsensoren aufweisen, die jeweils eine eigene Querachsenempfindlichkeit aufweisen und für die sich das Verfahren entsprechend verallgemeinert.The method according to the invention takes advantage of the fact that, under the external influences mentioned at the beginning during production, further processing, etc., different system parameters of the sensor system generally do not change completely independently of one another, but rather have various direct and indirect relationships to one another. In particular, a statistical relationship between the transverse axis sensitivity and one or more system parameters (or their change compared to a reference state) can be used to calculate the change in the transverse axis sensitivity. Current values of the state variable or state variables can be determined in the sensor itself, in particular without using external devices, for example by measuring the corresponding variable using sensors arranged in the sensor system or obtaining it from a sensor signal. By comparing the current value and the reference value, the change in the system parameter can be determined and the associated shift in the transverse axis sensitivity can be determined. Various parameters that are particularly suitable for this are described below. For example, a comparison of the characteristics of a rotation rate sensor before and after soldering shows that the change in the transverse axis sensitivity and the change in the quadrature of the z-channel have a positive covariance. In the simplest case, this statistical relationship can be approximated by a linear relationship, which in turn serves as a calculation rule for the change in the transverse axis sensitivity. In the following, for the sake of brevity, the term transverse axis sensitivity is used for a corresponding parameter, for example a non-diagonal element of the transverse axis sensitivity matrix or the entirety of all non-diagonal elements. In addition to the at least one sensor, the sensor system can have further sensors, in particular further multi-axis inertial sensors, each of which has its own transverse axis sensitivity and for which the method is generalized accordingly.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous refinements and further developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Messchritt aktuelle Werte einer Mehrzahl von Systemparametern bestimmt werden, im Ausleseschritt Referenzwerte der Mehrzahl von Systemparametern aus einem Speicherelement des Sensorsystems ausgelesen werden und im Berechnungsschritt die Änderung der Querachsenempfindlichkeit in Abhängigkeit von den Referenzwerten und den aktuellen Werten der Mehrzahl von Systemparametern berechnet wird. Auf diese Weise lässt lassen sich komplexere Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Systemparametern und der Querachsenempfindlichkeit erfassen, bzw. die Genauigkeit und/oder Robustheit der Berechnung verbessern. Die bezüglich eines Systemparameters beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung verallgemeinern sich unmittelbar auf eine Mehrzahl von Systemparametern.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that in the measuring step current values of a plurality of system parameters are determined, in the readout step reference values of the plurality of system parameters are read out from a storage element of the sensor system and in the calculation step the change in the transverse axis sensitivity as a function of the reference values and the current values of the majority of system parameters is calculated. In this way, more complex relationships between the various system parameters and the transverse axis sensitivity can be recorded, or the accuracy and/or robustness of the calculation can be improved. The implementation options of the invention described with regard to a system parameter generalize directly to a plurality of system parameters.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Systemparameter oder die Mehrzahl von Systemparametern eine oder mehrere der folgenden Größen umfasst: eine Amplitude eines Quadratursignals, eine (native, d.h. ungetrimmte) Nichtorthogonalität der Sensorachsen, eine (native) Fehlausrichtung zwischen Sensorachsen des mindestens einen Sensors und Sensorachsen eines weiteren Sensors, eine Phasenlage eines Sensorsignals, eine Antriebsfrequenz, ein Frequenzunterschied zwischen einer Antriebsmode und einer Detektionsmode, eine Rohempfindlichkeit, eine mechanische Spannung, eine mittels eines Built-In Test Equipment (BITE) erfasste Größe, insbesondere eine kontrolliert herbeigeführte Änderung eines Quadratursignals. Falls es sich bei dem mindestens einen Sensor um einen Beschleunigungssensor handelt, kann mittels des BITE auch durch Anlegen einer Spannung eine seismische Masse des Beschleunigungssensors ausgelenkt werden und das Antwortverhalten des Sensors gemessen werden. Das Quadratursignal ist der (insbesondere durch Demodulation gewonnene) Anteil des Detektionssignals eines Drehratensensors, der um 90° gegenüber dem, durch die Drehrate erzeugten Nutzsignal phasenverschoben ist. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise das Quadratursignal eines bestimmten (einer Sensorachse entsprechenden) Detektionskanals oder eine Kombination mehrerer Quadratursignale verschiedener Kanäle verwendet werden. Die Fehlausrichtung zwischen den Sensorachsen zweier Sensoren (siehe beispielsweise Abschnitt „accel-to-gyro triad alignment“ in [4]) kann insbesondere durch die Elemente der Transformationsmatrix quantifiziert werden, die die Achsen eines Sensors auf die des anderen Sensors abbildet. Bei dem Sensorsignal kann es sich beispielsweise um das Drehratensignal oder das Beschleunigungssignal eines bestimmten Sensorkanals oder um eine Kombination solcher Signale handeln. Mechanische Spannungen können insbesondere durch dedizierte Spannungssensoren im Sensor messen werden. Durch ein BITE kann eine kontrollierte Zustandsänderung des Sensors hervorgerufen werden, beispielsweise, indem durch Anlegen oder Änderung einer Elektrodenspannung eine künstliche Quadratur im Sensor erzeugt wird.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the system parameter or the plurality of system parameters comprises one or more of the following variables: an amplitude of a quadrature signal, a (native, ie untrimmed) non-orthogonality of the sensor axes, a (native) misalignment between sensor axes of the at least one sensor and sensor axes of a further sensor, a phase position of a sensor signal, a drive frequency, a frequency difference between a drive mode and a detection mode, a raw sensitivity, a mechanical tension, a quantity detected by means of a built-in test equipment (BITE), in particular a controlled quantity induced change in a quadrature signal. If the at least one sensor is an acceleration sensor, the BITE can also be used to deflect a seismic mass of the acceleration sensor by applying a voltage and measure the response behavior of the sensor. The quadrature signal is the portion (in particular obtained through demodulation) of the detection signal of a yaw rate sensor that is 90° relative to that generated by the yaw rate th useful signal is out of phase. For the method according to the invention, for example, the quadrature signal of a specific detection channel (corresponding to a sensor axis) or a combination of several quadrature signals from different channels can be used. The misalignment between the sensor axes of two sensors (see, for example, section “accel-to-gyro triad alignment” in [4]) can be quantified in particular by the elements of the transformation matrix that maps the axes of one sensor to those of the other sensor. The sensor signal can be, for example, the rotation rate signal or the acceleration signal of a specific sensor channel or a combination of such signals. Mechanical stresses can be measured in particular by dedicated voltage sensors in the sensor. A BITE can cause a controlled change in the state of the sensor, for example by creating an artificial quadrature in the sensor by applying or changing an electrode voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Änderung der Querachsenempfindlichkeit mittels eines statistischen Modells für den Zusammenhang zwischen dem Systemparameter und der Querachsenempfindlichkeit berechnet wird, wobei das statistische Modell insbesondere mittels Ausgleichsrechnung oder maschinellen Lernens gebildet ist. Insbesondere kann anhand einer Mehrzahl von Sensoren ein Datensatz ermittelt werden, indem der Systemparameter und die Querachsenempfindlichkeit jedes Sensors jeweils an verschiedenen Punkten des Herstellungsprozesses (beispielsweise vor und nach dem Auflöten der Sensoren) ermittelt wird oder der Sensor einer kontrollierten Zustandsänderung (beispielsweise durch Erzeugung einer mechanischen Spannung) unterworfen wird. Aus dem Datensatz kann dann durch Analyse oder durch Trainieren eines Machine-Learning-Modells ein statistischer Zusammenhang gewonnen werden, der im Berechnungsschritt für die Bestimmung der Änderung gegenüber dem Referenzzustand genutzt wird.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the change in the transverse axis sensitivity is calculated using a statistical model for the relationship between the system parameter and the transverse axis sensitivity, the statistical model being formed in particular by means of compensatory calculation or machine learning. In particular, a data set can be determined using a plurality of sensors by determining the system parameter and the transverse axis sensitivity of each sensor at different points in the manufacturing process (for example before and after soldering on the sensors) or by determining the sensor of a controlled change in state (for example by generating a mechanical voltage). A statistical relationship can then be obtained from the data set through analysis or by training a machine learning model, which is used in the calculation step to determine the change compared to the reference state.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Referenzwert des Systemparameters in einem Bereitstellungsschritt bestimmt und im Speicherelement des Sensorsystems gespeichert wird, wobei der Bereitstellungsschritt insbesondere bei einer End-of-Line-Kalibrierung im Anschluss an die Fertigung des Sensorsystems durchgeführt wird.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the reference value of the system parameter is determined in a provision step and stored in the storage element of the sensor system, the provision step being carried out in particular during an end-of-line calibration following the production of the sensor system.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Bereitstellungsschritt durch eine kontrollierte Veränderung des Systemparameters und eine Messung der Querachsenempfindlichkeit mindestens zwei Datenpunkte ermittelt werden und das statistische Modell in Abhängigkeit von den Datenpunkten gebildet wird. Statt eines, über eine statistische Gesamtheit von Sensoren gemittelten Verhaltens, kann auf diese Weise ein sensor-individuelles Änderungsverhalten bestimmt werden. Im einfachsten Fall können dabei zwei Datenpunkte gemessen und daraus ein linearer Zusammenhang zwischen dem Systemparameter und der Querachsenempfindlichkeit gewonnen werden. Ebenso können mehr als zwei Datenpunkte gemessen und durch Ausgleichsrechnung eine lineare oder nichtlineare Funktion an die Datenpunkte angepasst werden. Die kontrollierte Veränderung des Systemparameters kann beispielsweise durch Anlegen einer mechanischen oder thermischen Belastung an den Sensor erfolgen. Eine Optimierung der Berechnungsvorschrift kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass während der Fertigung zwei oder mehr verschiedene Belastungen (z.B. zwei identische Messungen oder zwei Messungen bei verschiedenen Temperaturen) angelegt werden und die Änderung sensor-interner Parameter mitsamt der Änderung der Querachsenempfindlichkeiten verwendet werden. Somit kann eine sensorindividuelle Berechnungsvorschrift für die nach Löten stattfindende Selbstkalibration erstellt werden. Im einfachsten Fall wird z.B. die Steigung einer linearen Berechnungsvorschrift sensor-individuell einprogrammiert.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that in the provision step at least two data points are determined by a controlled change in the system parameter and a measurement of the transverse axis sensitivity and the statistical model is formed depending on the data points. Instead of a behavior averaged over a statistical totality of sensors, a sensor-specific change behavior can be determined in this way. In the simplest case, two data points can be measured and a linear relationship between the system parameter and the transverse axis sensitivity can be obtained. Likewise, more than two data points can be measured and a linear or non-linear function can be adapted to the data points using compensation calculations. The controlled change in the system parameter can be carried out, for example, by applying a mechanical or thermal load to the sensor. The calculation rule can be optimized, for example, by applying two or more different loads during production (e.g. two identical measurements or two measurements at different temperatures) and using the change in sensor-internal parameters together with the change in the transverse axis sensitivities. This means that a sensor-specific calculation rule can be created for the self-calibration that takes place after soldering. In the simplest case, for example, the slope of a linear calculation rule is programmed individually for each sensor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Sensorsystem mindestens einen weiteren, als mehrachsiger Inertialsensor ausgebildeten Sensor aufweist, wobei das Sensorsystem dazu konfiguriert ist, die Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen Sensors anzuwenden und eine weitere Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen weiteren Sensors anzuwenden, wobei die Kompensationsmatrix und die weitere Kompensationsmatrix im Anpassungsschritt an die im Berechnungsschritt berechnete Änderung der Querachsenempfindlichkeit angepasst werden. Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor ein Drehratensensor, ein Beschleunigungssensor, ein mehrachsiger Magnetfeldsensor oder ein Drehbeschleunigungssensor ist und/oder der mindestens eine weitere Sensor ist ein Drehratensensor, ein Beschleunigungssensor, ein mehrachsiger Magnetfeldsensor oder ein Drehbeschleunigungssensor. Der mindestens eine Sensor wird im Folgenden der Kürze halber auch als erster Sensor und der mindestens eine weitere Sensor als zweiter Sensor bezeichnet. Die Kompensationsmatrizen werden entsprechend als erste und zweite Kompensationsmatrix bezeichnet.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the sensor system has at least one further sensor designed as a multi-axis inertial sensor, the sensor system being configured to apply the compensation matrix to sensor data of the at least one sensor and a further compensation matrix to sensor data of the at least one further Apply the sensor, whereby the compensation matrix and the further compensation matrix are adapted in the adaptation step to the change in the transverse axis sensitivity calculated in the calculation step. Preferably, the at least one sensor is a rotation rate sensor, an acceleration sensor, a multi-axis magnetic field sensor or a rotational acceleration sensor and/or the at least one further sensor is a rotation rate sensor, an acceleration sensor, a multi-axis magnetic field sensor or a rotational acceleration sensor. For the sake of brevity, the at least one sensor is also referred to below as the first sensor and the at least one further sensor as the second sensor. The compensation matrices are referred to accordingly as the first and second compensation matrix.

Im Herstellungsprozess erfolgt die Bestimmung der Querachsenempfindlichkeitsmatrizen für die ursprüngliche Kalibrierung üblicherweise durch das kontrollierte Anlegen physikalischer Stimuli entlang eines Achsensystems, das im Wesentlichen durch die Messanordnung vorgegeben ist und im Folgenden zur Unterscheidung von den intrinsischen Achsen der Sensoren als Stimulus-Achsensystem bezeichnet wird. Im einfachsten Fall können die inversen Querachsenempfindlichkeitsmatrizen als Kompensationsmatrizen verwendet werden, was effektiv dazu führt, dass die Sensorachsen beider Sensoren parallel zu den Stimulus-Achsen ausgerichtet werden, wodurch sowohl die Nicht-Orthogonalität der Sensorachsen, als auch die Verdrehung der Sensorachsen gegenüber dem Stimulus-Achsensystem korrigiert werden. Wenn die Sensoren jedoch beispielsweise leicht schief in der Messanlage angeordnet sind, werden die Sensorachsen durch diesen Kompensationsmechanismus unnötig verschoben und „auf den Stimulus getrimmt“. Die nachfolgend beschriebene verbesserte Bestimmung von Kompensationsmatrizen erlaubt es dagegen, dass die natürliche Ausrichtung des Achsensystems des ersten Sensors beibehalten wird und das Achsensystem des zweiten Sensors an das erste angepasst wird. Dadurch wird eine unnötige Verdrehung im Sensor vermieden und die Signale nicht mehr als nötig durch die Kompensationsmatrix gemischt. Dazu wird in Abhängigkeit von der ersten Querachsenempfindlichkeitsmatrix eine erste Kompensationsmatrix gebildet, wobei die erste Querachsenempfindlichkeitsmatrix in ein Produkt einer Rotationsmatrix und einer Dreiecksmatrix zerlegbar ist und die erste Kompensationsmatrix einer Inversen der Dreiecksmatrix entspricht; die zweite Kompensationsmatrix wird in Abhängigkeit von der zweiten Querachsenempfindlichkeitsmatrix gebildet, wobei die zweite Kompensationsmatrix einem Produkt der Rotationsmatrix und einer Inversen der zweiten Querachsenempfindlichkeitsmatrix entspricht. Im Anpassungsschritt werden dann die genannten Bildungsvorschriften dazu genutzt die beiden Kompensationsmatrizen an die geänderten Querachsenempfindlichkeitsmatrixelemente anzupassen.In the manufacturing process, the determination of the transverse axis sensitivity matrices for the original calibration is usually carried out by the controlled application of physical stimuli along an axis system that is essentially predetermined by the measuring arrangement and is hereinafter referred to as a stimulus axis system to distinguish it from the intrinsic axes of the sensors. In the simplest case, the inverse cross-axis sensitivity matrices can be used as compensation matrices, which effectively results in the sensor axes of both sensors being aligned parallel to the stimulus axes, thereby eliminating both the non-orthogonality of the sensor axes and the rotation of the sensor axes relative to the stimulus. Axis system can be corrected. However, if the sensors are arranged slightly crooked in the measuring system, for example, the sensor axes are unnecessarily shifted by this compensation mechanism and “trimmed to the stimulus”. The improved determination of compensation matrices described below, however, allows the natural alignment of the axis system of the first sensor to be maintained and the axis system of the second sensor to be adapted to the first. This avoids unnecessary twisting in the sensor and the signals are not mixed through the compensation matrix any more than necessary. For this purpose, a first compensation matrix is formed depending on the first transverse axis sensitivity matrix, wherein the first transverse axis sensitivity matrix can be decomposed into a product of a rotation matrix and a triangular matrix and the first compensation matrix corresponds to an inverse of the triangular matrix; the second compensation matrix is formed as a function of the second transverse axis sensitivity matrix, the second compensation matrix corresponding to a product of the rotation matrix and an inverse of the second transverse axis sensitivity matrix. In the adaptation step, the formation regulations mentioned are then used to adapt the two compensation matrices to the changed transverse axis sensitivity matrix elements.

Die zugrundeliegende mathematische Struktur soll im Folgenden kurz anhand eines konkreten Beispiels illustriert werden, bei dem der erste Sensor ein dreiachsiger Beschleunigungssensor und der zweite Sensor ein dreiachsiger Drehratensensor sind. Als Modell wird der folgende Zusammenhang zwischen den Signalamplituden und den externen Stimuli angenommen: [ Ω x ,sen Ω y ,sen Ω z ,sen ] = [ s xx a s xy a s xz a s yx a s yy a s yz a s zx a s zy a s zz a ] s cas a ( [ Ω x ,sti Ω y ,sti Ω z ,sti ] + [ b x b y b z ] ) .

Figure DE102022203430A1_0001
The underlying mathematical structure will be briefly illustrated below using a concrete example in which the first sensor is a three-axis acceleration sensor and the second sensor is a three-axis rotation rate sensor. The following relationship between the signal amplitudes and the external stimuli is assumed as a model: [ Ω x ,sen Ω y ,sen Ω e.g ,sen ] = [ s xx a s xy a s xz a s yx a s yy a s Y Z a s zx a s zy a s currently a ] s cas a ( [ Ω x ,sti Ω y ,sti Ω e.g ,sti ] + [ b x b y b e.g ] ) .
Figure DE102022203430A1_0001

Die linke Seite entspricht den gemessenen Ausgangswerten Ωsen des Beschleunigungssensors entlang der drei räumlichen Achsen, während auf der rechte Seite die zugehörigen externen Stimuli Ωsti durch die Querachsenempfindlichkeitsmatrix s cas a

Figure DE102022203430A1_0002
(a für „accelerometer“, cas für „cross-axis sensitivity“) multipliziert werden. Zusätzlich wird auf der rechten Seite ein Offset b berücksichtigt, der ebenfalls von der Querachsenempfindlichkeitsmatrix multipliziert wird. Die Querachsenempfindlichkeitsmatrix des Beschleunigungssensors lässt sich nun in drei Anteile bzw. Subkomponenten zerlegen: s cas a = M scf M non M mis ,
Figure DE102022203430A1_0003
The left side corresponds to the measured output values Ω sen of the accelerometer along the three spatial axes, while on the right side the associated external stimuli Ω sti through the cross-axis sensitivity matrix s cas a
Figure DE102022203430A1_0002
(a for “accelerometer”, cas for “cross-axis sensitivity”) can be multiplied. In addition, an offset b is taken into account on the right-hand side, which is also multiplied by the transverse axis sensitivity matrix. The transverse axis sensitivity matrix of the acceleration sensor can now be broken down into three parts or subcomponents: s cas a = M scf M non M mis ,
Figure DE102022203430A1_0003

Die Matrix Mscf (scf für „scale-factor“) ist eine reine Diagonalmatrix, deren Einträge die Empfindlichkeiten bezüglich der drei Achsen angeben und die Matrix Mnon („non-orthogonality“) ist eine untere Dreiecksmatrix, deren Diagonalelemente alle Eins sind und deren Nichtdiagonalelemente die Nicht-Orthogonalität der Sensorachsen angeben. Das Produkt Mscf · Mnon entspricht der Dreiecksmatrix, deren Inverse die Kompensationsmatrix für den ersten Sensor (hier den Beschleunigungssensor) bildet. Bei der Matrix Mmis („misalignment“) handelt es schließlich um eine Rotationsmatrix, die die Verdrehung der Sensorachsen gegenüber den Stimulus-Achsen wiedergibt und die zur Kompensation des zweiten Sensors eingesetzt wird. Die verbesserte Bestimmung der Kompensationsmatrizen beruht auf dem Grundgedanken, den Sensor nicht wie bei der einfachen Invertierung der Empfindlichkeitsmatrizen auf den Stimulus auszurichten, sondern:

  1. (i) Den Nicht-Orthogonalitäts- und Empfindlichkeitsfehler des Beschleunigungssensors zu korrigieren, nicht aber seine Verdrehung. Anders ausgedrückt behält das Achsensystem prinzipiell seine ursprüngliche Ausrichtung bei.
  2. (ii) Der Drehratensensor wird ebenfalls bezüglich seiner Nicht-Orthogonalität und Empfindlichkeit korrigiert und so verdreht, dass die entsprechenden Sensorachsen eine identische Ausrichtung mit dem, mittels (i) kompensierten Beschleunigungssensor aufweisen.
The matrix M scf (scf for “scale-factor”) is a pure diagonal matrix whose entries indicate the sensitivities with respect to the three axes and the matrix M non (“non-orthogonality”) is a lower triangular matrix whose diagonal elements are all one and whose off-diagonal elements indicate the non-orthogonality of the sensor axes. The product M scf · M non corresponds to the triangular matrix, the inverse of which forms the compensation matrix for the first sensor (here the acceleration sensor). The matrix M mis (“misalignment”) is ultimately a rotation matrix that reflects the rotation of the sensor axes relative to the stimulus axes and is used to compensate for the second sensor. The improved determination of the compensation matrices is based on the basic idea of not aligning the sensor with the stimulus, as is the case with the simple inversion of the sensitivity matrices, but rather:
  1. (i) To correct the non-orthogonality and sensitivity error of the accelerometer, but not its twist. In other words, the axis system basically retains its original orientation.
  2. (ii) The rotation rate sensor is also corrected for its non-orthogonality and sensitivity and rotated so that the corresponding sensor axes have an identical alignment with the acceleration sensor compensated by means of (i).

Da für die Korrektur (i) die Verdrehung Mmis aus der Querachsenempfindlichkeitsmatrix s cas a

Figure DE102022203430A1_0004
entfernt werden soll, lässt sich die Kompensationsmatrix K cmp a
Figure DE102022203430A1_0005
für (i) beispielsweise als K cmp a = ( M scf M non ) 1 = ( s cas a M mis 1 ) 1 = M mis ( s cas a ) 1
Figure DE102022203430A1_0006
berechnen, d.h. entweder als die Inverse der Diagonalmatrix Mscf · Mnon oder als das Produkt der Rotationsmatrix Mmis und der Inversen der ersten Querachsenempfindlichkeitsmatrix s cas a .
Figure DE102022203430A1_0007
Die Kompensationsmatrix für den Drehratensensor (d.h. den zweiten Sensor), mit der die Korrektur (ii) erzeugt wird, ergibt sich dann unter Benutzung der Rotationsmatrix Mmis als K cmp g = ( s cas g M mis 1 ) 1 = M mis ( s cas g ) 1
Figure DE102022203430A1_0008
Since for the correction (i) the twist M mis from the transverse axis sensitivity matrix s cas a
Figure DE102022203430A1_0004
should be removed, the compensation matrix can be used K cmp a
Figure DE102022203430A1_0005
for (i) for example as K cmp a = ( M scf M non ) 1 = ( s cas a M mis 1 ) 1 = M mis ( s cas a ) 1
Figure DE102022203430A1_0006
calculate, ie either as the inverse of the diagonal matrix M scf · M non or as the product of the rotation matrix M mis and the inverse of the first transverse axis sensitivity matrix s cas a .
Figure DE102022203430A1_0007
The Compensation matrix for the rotation rate sensor (ie the second sensor), with which the correction (ii) is generated, is then obtained using the rotation matrix M mis as K cmp G = ( s cas G M mis 1 ) 1 = M mis ( s cas G ) 1
Figure DE102022203430A1_0008

Die Kompensationsmatrix K cmp g

Figure DE102022203430A1_0009
und die Querachsempfindlichkeit s cas g
Figure DE102022203430A1_0010
des Drehratensensors sind dabei mit dem Index g gekennzeichnet („gyroscope“).The compensation matrix K cmp G
Figure DE102022203430A1_0009
and the transverse axis sensitivity s cas G
Figure DE102022203430A1_0010
of the rotation rate sensor are marked with the index g (“gyroscope”).

Falls das Sensorsystem weitere Achsensysteme aufweist, z.B. durch einen weiteren Beschleunigungssensor mit einem anderen Messbereich, einen Magnetfeldsensor, einen weiteren Drehratensensor etc., kann die Korrektur (ii) auch auf diese angewendet werden. Das obenstehende Beispiel dient lediglich zur Veranschaulichung, beispielsweise kann prinzipiell (i) auch am Drehratensensor und (ii) am Beschleunigungssensor erfolgen. Außerdem ist es möglich, das Prinzip auf Achsensysteme anzuwenden, die nicht im selben Sensorpackage verbaut sind, sondern nur auf derselben Leiterplatte oder im selben Gehäuse.If the sensor system has further axis systems, e.g. by another acceleration sensor with a different measuring range, a magnetic field sensor, another rotation rate sensor, etc., correction (ii) can also be applied to these. The example above is merely illustrative; for example, in principle (i) can also be done on the yaw rate sensor and (ii) on the acceleration sensor. It is also possible to apply the principle to axis systems that are not installed in the same sensor package, but only on the same circuit board or in the same housing.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Selbstkalibrierung des Sensorsystems kann in einem Verfahren zur Kompensation einer Querachsenempfindlichkeit eines Sensorsystems angewendet werden, wobei nach der Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrend zur Selbstkalibrierung in einem Kompensationsschritt die angepasste Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen Sensors oder des mindestens einen weiteren Sensors angewendet wird.The method according to the invention for self-calibration of the sensor system can be used in a method for compensating for a transverse axis sensitivity of a sensor system, wherein after carrying out an embodiment of the method for self-calibration according to the invention in a compensation step, the adapted compensation matrix is applied to sensor data of the at least one sensor or the at least one further sensor becomes.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sensorsystem nach Anspruch 10. Die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten übertragen sich analog auf das erfindungsgemäße Sensorsystem und umgekehrt.A further object of the invention is a sensor system according to claim 10. The advantages and design options explained in relation to the method according to the invention are transferred analogously to the sensor system according to the invention and vice versa.

Die Erfindung betrifft jegliche Einsatzform von MEMS-Inertialsensorik (Beschleunigung und Drehrate) wie z.B. im Bereich Automotive (Automobile, Motorräder, Fahrräder/EBikes, Lastfahrzeuge, Off-road Fahrzeuge etc.) und im Bereich Consumerelektronik (Smartphones, Kopfhörer, Tablets, Augmented Reality Headsets und Brillen, Drohnen, Spielekonsolen, Kameras, Uhren, Fitnessgeräte, Implantate, Spielzeug, Wearables, etc.).The invention relates to any form of use of MEMS inertial sensors (acceleration and rotation rate), such as in the automotive sector (automobiles, motorcycles, bicycles/e-bikes, trucks, off-road vehicles, etc.) and in the consumer electronics sector (smartphones, headphones, tablets, augmented reality Headsets and glasses, drones, game consoles, cameras, watches, fitness equipment, implants, toys, wearables, etc.).

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sondern kann vielmehr in einer Vielzahl von Anwendungen für die auf Inertialsensoren basierende Navigation, Orientierung und Stabilisierung von Objekten eingesetzt werden. Eine Recheneinheit im Sensor kann verwendet werden, um den Betrieb des Inertialsensors zu steuern (z.B. Energiesparmodus, Messbereiche), zur Überprüfung der Plausibilität von Sensorsignalen und deren Toleranzen (z.B. zur internen Sensorüberwachung), zur Signalverarbeitung (z.B. Berechnung der Position oder Orientierung, Filterung der Daten) und zur Auswahl von Kommunikationsprotokollen. Verschiedene auch selbstlernende Klbasierte Algorithmen können in der Computereinheit für die Auswertung und Signalverarbeitung der der Daten von den Inertialsensoren, den Temperatursensoren und auch von externen Daten (z.B. GPS-Daten, Kilometerzähler Daten) verwendet werden. Denkbar sind auch die folgenden Anwendungen: Zweirad- wie Motorrad-, Fahrrad-, Motorroller-Anwendungen (z.B. ESP/AirBag, Neigungserkennung, Auswuchten); Dreiräder (z.B. TucTuc); Avionik-Anwendungen (z.B. Flugstabilisierung und -steuerung); Industrieroboteranwendungen (z.B. Positionskontrolle von Baggerschaufeln, Bohrern, Bildstabilisierung, Flugsteuerung, Ausrichten von Satellitenantennen, Feinmotorik für das Greifen mit Robotern); Anwendungen für Haus und Garten (z.B. Navigation von Rasenmähern, Positionsüberwachung von Türen); medizinische Anwendungen (z.B. Sturzerkennung, Bewegungs- und Haltungserkennung); Sport und Freizeitaktivitäten (z.B. Bewegungserkennung, Haltungserkennung, Golfschläger, Tennis Tennisschläger, Ski); zahlreiche CE-Anwendungen (z.B. Smartphones, Tablets, Wearables, Hearables, Drohnen, Spielzeuge). Die Erfindung kann außerdem im Zusammenhang mit Smartphones und Tablets für die folgenden Anwendungen verwendet werden: Bildschirmorientierung; signifikante Bewegung; Geräteorientierung; Aktivitäts-, Gesten- und Kontexterkennung; Bildstabilisierung; SLAM in Innenräumen (gleichzeitige Lokalisierung und Karten Kartenerstellung); Erkennung von Stößen und freiem Fall; Bewegungssteuerung. Im Zusammenhang mit Wearables, Hearables, AR und VR kann die Erfindung für folgende Anwendungen genutzt werden: Anzeige Informationen; Schrittzählung; Aktivitäts-, Gesten- und Kontexterkennung; Kalorienzählen; In-Ear-Erkennung; Schlafüberwachung; Altenpflege; Indoor-Navigation; Positionsbestimmung; Low-Power-Sensing, Echtzeit-Bewegungserkennung, Verfolgung von Kopfbewegungen; präzise Sensordatenfusion. Im Zusammenhang mit Drohnen, Spielen und Spielzeug kann die Erfindung für die folgenden Anwendungen verwendet werden: Orientierung; Gimbal; Höhenstabilisierung; Flugsteuerung; Bewegungsverfolgung, Bewegungssteuerung, Gleichgewicht; Aktivitäts- und Gestenerkennung. Im Zusammenhang mit Robotern kann die Erfindung für die folgenden Einsatzbereiche verwendet werden: Navigation; Grenzerfassung; dynamische Pfadplanung; SLAM in Innenräumen; Überwachung der Luftqualität; Erkennung von Verstopfungen. Im Zusammenhang mit Smart Home Anwendungen kann die Erfindung für die folgenden Anwendungen verwendet werden: Einbruchskontrolle; Luft Überwachung der Luftqualität, Erkennung von Schimmel, Klimakontrolle, Boden Bodenerkennung; Navigation in Innenräumen. Die Erfindung kann auch im industriellen Kontext für die folgenden Anwendungen eingesetzt werden: Wasserstandserkennung; Verfolgung von Anlagen; Navigation und Steuerung; Bewegungs- und Positionsverfolgung; Energiemanagement; vorausschauende Wartung. Darüber hinaus sind zahlreiche Modifikationen, Variationen, Gestaltungen, Anordnungen und Ausführungsformen möglich, die alle in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.The invention is not limited to the embodiments described above but rather can be used in a variety of applications for navigation, orientation and stabilization of objects based on inertial sensors. A computing unit in the sensor can be used to control the operation of the inertial sensor (e.g. energy saving mode, measuring ranges), to check the plausibility of sensor signals and their tolerances (e.g. for internal sensor monitoring), for signal processing (e.g. calculation of the position or orientation, filtering of the data) and for selecting communication protocols. Various self-learning AI-based algorithms can be used in the computer unit for the evaluation and signal processing of the data from the inertial sensors, the temperature sensors and also external data (e.g. GPS data, odometer data). The following applications are also conceivable: two-wheeler such as motorcycle, bicycle and scooter applications (e.g. ESP/AirBag, tilt detection, balancing); tricycles (e.g. TucTuc); avionics applications (e.g. flight stabilization and control); Industrial robot applications (e.g. position control of excavator buckets, drills, image stabilization, flight control, alignment of satellite antennas, fine motor skills for robotic gripping); Applications for home and garden (e.g. navigation of lawn mowers, position monitoring of doors); medical applications (e.g. fall detection, motion and posture detection); Sports and leisure activities (e.g. motion detection, posture detection, golf clubs, tennis tennis rackets, skis); numerous CE applications (e.g. smartphones, tablets, wearables, hearables, drones, toys). The invention can also be used in connection with smartphones and tablets for the following applications: screen orientation; significant movement; device orientation; activity, gesture and context recognition; image stabilization; Indoor SLAM (simultaneous localization and map creation); Impact and free fall detection; Motion control. In connection with wearables, hearables, AR and VR, the invention can be used for the following applications: display information; step counting; activity, gesture and context recognition; Count calories; in-ear detection; sleep monitoring; geriatric care; indoor navigation; positioning; Low-power sensing, real-time motion detection, head movement tracking; precise sensor data fusion. In the context of drones, games and toys, the invention can be used for the following applications: orientation; gimbal; altitude stabilization; flight controls; motion tracking, motion control, balance; Activity and gesture recognition. In connection with robots, the invention can be used for the following areas of application: navigation; border detection; dynamic path planning; Indoor SLAM; air quality monitoring; Detection of blockages. In connection with Smart home applications, the invention can be used for the following applications: burglary control; Air air quality monitoring, mold detection, climate control, soil soil detection; Indoor navigation. The invention can also be used in an industrial context for the following applications: water level detection; asset tracking; navigation and control; movement and position tracking; energy management; predictive maintenance. In addition, numerous modifications, variations, designs, arrangements and embodiments are possible, all of which fall within the scope of the invention.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the present invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

  • 1 zeigt zwei Achsensysteme eines Inertialsensorsystems mit leichter Querachsenempfindlichkeit. 1 shows two axis systems of an inertial sensor system with slight transverse axis sensitivity.
  • 2 illustriert in einer schematischen zweidimensionalen Darstellung eine Verdrehung der beiden MEMS-Dies, des Sensor-Packages, sowie eine Nicht-Orthogonalität der Achsen innerhalb eines Die. 2 illustrates in a schematic two-dimensional representation a rotation of the two MEMS dies, the sensor package, as well as a non-orthogonality of the axes within a die.
  • 3 illustriert das erfindungsgemäße Verfahren. 3 illustrates the method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 sind zwei Achsensysteme 21, 22 eines Inertialsensorsystems 1 mit leichter Querachsenempfindlichkeit dargestellt. Das Sensorsystem 1 umfasst einen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor wobei die beiden Sensoren dabei jeweils drei Messkanäle aufweisen, mit denen sich die Beschleunigungen und Drehraten jeweils entlang dreier räumlicher Achsen bestimmen lassen. Das Achsensystem 22 des Beschleunigungssensors und das Achsensystem 21 des Drehratensensors sind idealerweise orthogonal und parallel zueinander ausgerichtet. Die dargestellte Nicht-Orthogonalität des Achsensystems 22 stellt eine Abweichung von einer solchen idealen Konfiguration dar und äußert sich als eine Querachsenempfindlichkeit (cross-axis sensitivity), durch die beispielsweise eine Beschleunigung, die ausschließlich ein Signal bezüglich der X-Achse hervorrufen sollte, auch zu einem gewissen Messanteil entlang der Y- und/oder der Z-Achse führt.In 1 Two axis systems 21, 22 of an inertial sensor system 1 are shown with slight transverse axis sensitivity. The sensor system 1 includes an acceleration sensor and a rotation rate sensor, the two sensors each having three measurement channels with which the accelerations and rotation rates can be determined along three spatial axes. The axis system 22 of the acceleration sensor and the axis system 21 of the rotation rate sensor are ideally aligned orthogonally and parallel to one another. The illustrated non-orthogonality of the axis system 22 represents a deviation from such an ideal configuration and manifests itself as cross-axis sensitivity, through which, for example, an acceleration that should only cause a signal with respect to the X-axis also occurs a certain measurement component leads along the Y and/or Z axis.

2 zeigt anhand einer schematischen, zweidimensionalen Darstellung eine Verdrehung der beiden MEMS-Dies, des Sensor-Packages, sowie die Nicht-Orthogonalität der Achsen innerhalb eines Die. Die Querachsenempfindlichkeit eines Sensors kann verschiedene physikalische Ursprünge haben, wobei sich die Querachsenempfindlichkeitsmatrix Scas (cas für „cross-axis sensitivity“) mathematisch in die folgenden Komponenten zerlegen lässt: s cas = M scf M non M mis ,

Figure DE102022203430A1_0011
wobei die Matrix Mscf (scf für „scale-factor“) die Empfindlichkeiten bezüglich der drei Achsen angibt, Mnon („non-orthogonality“) die Nicht-Orthogonalität der Sensorachsen und die Matrix Mmis („misalignment“) die Verdrehung der Sensorachsen gegenüber den Stimulus-Achsen. Dabei ist jedoch im Normalfall keine Zuordnung zwischen den Subkomponenten und einzelnen physikalischen Effekten möglich, da sich die Effekte gegenseitig überlagern. 2 zeigt schematisch wie beispielsweise der Beschleunigungs-MEMS-Die 18 und Drehraten-MEMS-Die 17 leicht verschoben zueinander sein können. Das gesamte Sensorsystem 1 kann ebenfalls zum (als perfekt angenommenen) äußeren Stimulus 2 verdreht sein, der entlang der Achsen 3, 4 wirkt. Innerhalb eines Die 17, 18 kann außerdem eine Nicht-Orthogonalität der Achsen auftreten (angedeutet durch die Achsen in 17 und 18), z.B. indem elektrisch ein Signal von einem Kanal in den anderen überkoppelt oder der physikalische Messeffekt selbst eine Querachsenempfindlichkeit hat. 2 uses a schematic, two-dimensional representation to show a rotation of the two MEMS dies, the sensor package, and the non-orthogonality of the axes within a die. The cross-axis sensitivity of a sensor can have various physical origins, whereby the cross-axis sensitivity matrix S cas (cas for “cross-axis sensitivity”) can be mathematically decomposed into the following components: s cas = M scf M non M mis ,
Figure DE102022203430A1_0011
where the matrix M scf (scf for "scale-factor") indicates the sensitivities regarding the three axes, M non ("non-orthogonality") the non-orthogonality of the sensor axes and the matrix M mis ("misalignment") the rotation of the Sensor axes versus stimulus axes. However, normally no association between the subcomponents and individual physical effects is possible because the effects overlap each other. 2 shows schematically how, for example, the acceleration MEMS die 18 and rotation rate MEMS die 17 can be slightly shifted from one another. The entire sensor system 1 can also be rotated to the external stimulus 2 (assumed to be perfect), which acts along the axes 3, 4. Within a die 17, 18, a non-orthogonality of the axes can also occur (indicated by the axes in 17 and 18), for example by electrically coupling a signal from one channel to the other or by the physical measurement effect itself having a cross-axis sensitivity.

3 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 10. Der Block 4 entspricht dabei der initialen Kalibrierung im Fertigungsprozess des Sensors und der Block 5 der Anwendung der erfindungsgemäßen Selbstkalibrierung im fertigen Sensorsystem 1. Zunächst wird im Schritt 6 die Querachsenempfindlichkeit gemessen. Je nachdem, ob es sich um einen Beschleunigungs- oder Drehratensensor handelt, kann der Sensor zu diesem Zweck beispielsweise Beschleunigungen oder Drehungen entlang dreier orthogonaler Stimulus-Achsen ausgesetzt werden und die Elemente der Querachsenempfindlichkeitsmatrix durch Auswertung der durch die Bewegungen hervorgerufenen Sensorsignale gewonnen werden. Aus der Querachsenempfindlichkeitsmatrix wird die Kompensationsmatrix abgeleitet und im Schritt 7 in einem Speicherelement des Sensors abgespeichert. Im Schritt 8 können ein oder mehrere Systemparameter gemessen werden und im Schritt 9 zusammen mit davon abgeleitete Größen als Referenzwerte abgespeichert werden. Wie durch den Pfeil 26 angedeutet, können die Schritte 6, 7, 8, 9 unter veränderten Bedingungen wiederholt werden, beispielsweise indem ein weiterer Systemparameter wie etwa eine mechanische oder thermische Belastung verändert wird. Als optionalen zusätzlichen Schritt 23 kann eine sensorindividuelle Berechnungsvorschrift gebildet und abgespeichert werden. 3 illustrates an embodiment of the method 10 according to the invention. Block 4 corresponds to the initial calibration in the manufacturing process of the sensor and block 5 corresponds to the application of the self-calibration according to the invention in the finished sensor system 1. First, the transverse axis sensitivity is measured in step 6. Depending on whether it is an acceleration or rotation rate sensor, the sensor can for this purpose be exposed to accelerations or rotations along three orthogonal stimulus axes and the elements of the transverse axis sensitivity matrix can be obtained by evaluating the sensor signals caused by the movements. The compensation matrix is derived from the transverse axis sensitivity matrix and stored in a memory element of the sensor in step 7. In step 8, one or more system parameters can be measured and in step 9, together with variables derived from them, stored as reference values. As indicated by the arrow 26, steps 6, 7, 8, 9 can be repeated under changed conditions, for example by changing another system parameter such as a mechanical or thermal load. As an optional additional step 23, a sensor-specific calculation rule can be created and saved.

Im Anschluss erfolgen weitere, im Schritt 11 zusammengefasste Fertigungsschritte wie das Aufbringen auf einen Blistergurt („Tape & Reel“), Transport und Auflöten in das Endprodukt und Konditionierung. Dabei verändert sich die Querachsenempfindlichkeit, so dass im Endprodukt 24 die Kompensation der Querachsenempfindlichkeit nicht mehr optimal durchgeführt werden kann.This is followed by further manufacturing steps summarized in step 11, such as application to a blister belt (“tape & reel”), transport and soldering into the end product and conditioning. The transverse axis sensitivity changes, so that the compensation of the transverse axis sensitivity can no longer be carried out optimally in the end product 24.

Um wieder eine effektive Kompensation zu gewährleisten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Messschritt 12 ein aktueller Wert des Systemparameters bestimmt und im Ausleseschritt 13 der im Schritt 9 bestimmte Referenzwert aus dem Speicher ausgelesen. Im Berechnungsschritt 14 wird in Abhängigkeit von dem Referenzwert und dem aktuellen Wert des Systemparameters eine Änderung der Querachsenempfindlichkeit berechnet und im Anpassungsschritt 15 die Kompensationsmatrix an die Änderung der Querachsenempfindlichkeit angepasst. Auf diese Weise entsteht als Ergebnis 25 des Verfahrens 10 das neu kalibrierte Sensorsystem 1 mit entsprechend verbesserter Querachsenempfindlichkeitskompensation.In order to ensure effective compensation again, in the method according to the invention, a current value of the system parameter is determined in measuring step 12 and the reference value determined in step 9 is read out of the memory in readout step 13. In calculation step 14, a change in the transverse axis sensitivity is calculated depending on the reference value and the current value of the system parameter, and in adaptation step 15 the compensation matrix is adapted to the change in the transverse axis sensitivity. In this way, the result 25 of the method 10 is the newly calibrated sensor system 1 with correspondingly improved transverse axis sensitivity compensation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • L. Poletti, D. S. Sanchis, R. Siryani, „A direct approach for highquality MEMS based IMU/INS production,“ in 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2020, pp. 1-19 [0005]L. Poletti, D. S. Sanchis, R. Siryani, “A direct approach for high quality MEMS based IMU/INS production,” in 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2020, pp. 1-19 [0005]
  • J. Rohac, M. Sipos, J. Simanek, „Calibration of low-cost triaxial inertial sensors,“ IEEE I. & M. Mag., vol. 18, no. 6, pp. 32-38 [0005]J. Rohac, M. Sipos, J. Simanek, “Calibration of low-cost triaxial inertial sensors,” IEEE I. & M. Mag., vol. 18, no. 6, pp. 32-38 [0005]

Claims (10)

Verfahren (10) zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems (1), wobei das Sensorsystem (1) mindestens einen, als mehrachsiger Inertialsensor ausgebildeten Sensor aufweist und dazu konfiguriert ist, eine Kompensationsmatrix derart auf Sensordaten anzuwenden, dass eine Querachsenempfindlichkeit des mindestens einen Sensors kompensiert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: -- in einem Messschritt (12) wird mindestens ein aktueller Wert eines Systemparameters des Sensorsystems (1) bestimmt; -- in einem Ausleseschritt (13) wird mindestens ein Referenzwert des Systemparameters aus einem Speicherelement des Sensorsystems (1) ausgelesen; -- in einem Berechnungsschritt (14) wird in Abhängigkeit von dem Referenzwert und dem aktuellen Wert des Systemparameters eine Änderung der Querachsenempfindlichkeit des mindestens einen Sensors berechnet; -- in einem Anpassungsschritt (15) wird die Kompensationsmatrix an die Änderung der Querachsenempfindlichkeit angepasst.Method (10) for self-calibration of a sensor system (1), wherein the sensor system (1) has at least one sensor designed as a multi-axis inertial sensor and is configured to apply a compensation matrix to sensor data in such a way that a transverse axis sensitivity of the at least one sensor is compensated, wherein the method has the following steps: -- in a measuring step (12), at least one current value of a system parameter of the sensor system (1) is determined; -- in a readout step (13), at least one reference value of the system parameter is read out from a storage element of the sensor system (1); -- in a calculation step (14), a change in the transverse axis sensitivity of the at least one sensor is calculated as a function of the reference value and the current value of the system parameter; -- in an adaptation step (15), the compensation matrix is adapted to the change in the transverse axis sensitivity. Verfahren (10) nach Anspruch 1, wobei im Messchritt (12) aktuelle Werte einer Mehrzahl von Systemparametern bestimmt werden, im Ausleseschritt (13) Referenzwerte der Mehrzahl von Systemparametern aus einem Speicherelement des Sensorsystems ausgelesen werden und im Berechnungsschritt (14) die Änderung der Querachsenempfindlichkeit in Abhängigkeit von den Referenzwerten und den aktuellen Werten der Mehrzahl von Systemparametern berechnet wird.Procedure (10) according to Claim 1 , wherein in the measuring step (12) current values of a plurality of system parameters are determined, in the readout step (13) reference values of the plurality of system parameters are read out from a memory element of the sensor system and in the calculation step (14) the change in the transverse axis sensitivity depending on the reference values and the current values of the majority of system parameters is calculated. Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Systemparameter oder die Mehrzahl von Systemparametern eine oder mehrere der folgenden Größen umfasst: -- eine Amplitude eines Quadratursignals, -- eine Nichtorthogonalität der Sensorachsen (21, 22), -- eine Fehlausrichtung zwischen Sensorachsen (21) des mindestens einen Sensors und Sensorachsen (22) eines weiteren Sensors, -- eine Phasenlage eines Sensorsignals, -- eine Antriebsfrequenz, -- ein Frequenzunterschied zwischen einer Antriebsmode und einer Detektionsmode, -- eine Rohempfindlichkeit, -- eine mechanische Spannung, -- eine mittels eines Built-In Test Equipment, BITE, erfasste Größe, insbesondere eine kontrolliert herbeigeführte Änderung eines Quadratursignals.Procedure (10) according to Claim 1 or 2 , wherein the system parameter or the plurality of system parameters comprises one or more of the following variables: -- an amplitude of a quadrature signal, -- a non-orthogonality of the sensor axes (21, 22), -- a misalignment between sensor axes (21) of the at least one sensor and Sensor axes (22) of a further sensor, -- a phase position of a sensor signal, -- a drive frequency, -- a frequency difference between a drive mode and a detection mode, -- a raw sensitivity, -- a mechanical tension, -- one by means of a built-in Test Equipment, BITE, recorded quantity, in particular a controlled change in a quadrature signal. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Änderung der Querachsenempfindlichkeit mittels eines statistischen Modells für den Zusammenhang zwischen dem Systemparameter und der Querachsenempfindlichkeit berechnet wird, wobei das statistische Modell insbesondere mittels Ausgleichsrechnung oder maschinellen Lernens gebildet ist.Method (10) according to one of the preceding claims, wherein the change in the transverse axis sensitivity is calculated by means of a statistical model for the relationship between the system parameter and the transverse axis sensitivity, the statistical model being formed in particular by means of compensation calculation or machine learning. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzwert des Systemparameters in einem Bereitstellungsschritt bestimmt und im Speicherelement des Sensorsystems (1) gespeichert wird, wobei der Bereitstellungsschritt insbesondere bei einer End-of-Line-Kalibrierung im Anschluss an die Fertigung des Sensorsystems (1) durchgeführt wird.Method (10) according to one of the preceding claims, wherein the reference value of the system parameter is determined in a provision step and stored in the storage element of the sensor system (1), the provision step in particular during an end-of-line calibration following the production of the sensor system (1) is carried out. Verfahren (10) nach dem Ansprüchen 4 und 5, wobei im Bereitstellungsschritt durch eine kontrollierte Veränderung des Systemparameters (1) und eine Messung der Querachsenempfindlichkeit mindestens zwei Datenpunkte ermittelt werden und das statistische Modell in Abhängigkeit von den Datenpunkten gebildet wird.Method (10) according to the Claims 4 and 5 , wherein in the provision step at least two data points are determined by a controlled change in the system parameter (1) and a measurement of the transverse axis sensitivity and the statistical model is formed depending on the data points. Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (1) mindestens einen weiteren, als mehrachsiger Inertialsensor ausgebildeten Sensor aufweist, wobei das Sensorsystem (1) dazu konfiguriert ist, die Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen Sensors anzuwenden und eine weitere Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen weiteren Sensors anzuwenden, wobei die Kompensationsmatrix und die weitere Kompensationsmatrix im Anpassungsschritt (15) an die im Berechnungsschritt (14) berechnete Änderung der Querachsenempfindlichkeit angepasst werden.Method (10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor system (1) has at least one further sensor designed as a multi-axis inertial sensor, the sensor system (1) being configured to apply the compensation matrix to sensor data from the at least one sensor and a further compensation matrix to apply to sensor data of the at least one further sensor, the compensation matrix and the further compensation matrix being adapted in the adaptation step (15) to the change in the transverse axis sensitivity calculated in the calculation step (14). Verfahren (10) nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Sensor ein Drehratensensor, ein Beschleunigungssensor, ein mehrachsiger Magnetfeldsensor oder ein Drehbeschleunigungssensor ist und/oder der mindestens eine weitere Sensor ein Drehratensensor, ein Beschleunigungssensor, ein mehrachsiger Magnetfeldsensor oder ein Drehbeschleunigungssensor ist.Procedure (10) according to Claim 7 , wherein the at least one sensor is a rotation rate sensor, an acceleration sensor, a multi-axis magnetic field sensor or a rotational acceleration sensor and / or the at least one further sensor is a rotation rate sensor, an acceleration sensor, a multi-axis magnetic field sensor or a rotational acceleration sensor. Verfahren zur Kompensation einer Querachsenempfindlichkeit eines Sensorsystems (1), wobei ein Verfahren (10) zur Selbstkalibrierung des Sensorsystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird und in einem Kompensationsschritt die angepasste Kompensationsmatrix auf Sensordaten des mindestens einen Sensors oder des mindestens einen weiteren Sensors angewendet wird.Method for compensating for a transverse axis sensitivity of a sensor system (1), wherein a method (10) for self-calibration of the sensor system (1) is carried out according to one of the preceding claims and in a compensation step the adapted compensation matrix is based on sensor data of the at least one sensor or the at least one further sensor is applied. Sensorsystem (1) aufweisend mindestens einen, als mehrachsiger Inertialsensor ausgebildeten Sensor, wobei das Sensorsystem (1) dazu konfiguriert ist ein Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Sensor system (1) having at least one sensor designed as a multi-axis inertial sensor, the sensor system (1) being compatible with this Figured is to carry out a method (10) according to one of the preceding claims.
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