DE102022203430A1 - Method for self-calibration of a sensor system and sensor system - Google Patents
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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 - [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.
- [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 - [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:
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
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:
- (i) Den Nicht-Orthogonalitäts- und Empfindlichkeitsfehler des Beschleunigungssensors zu korrigieren, nicht aber seine Verdrehung. Anders ausgedrückt behält das Achsensystem prinzipiell seine ursprüngliche Ausrichtung bei.
- (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.
- (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.
- (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
Die Kompensationsmatrix
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
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
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
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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- 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]
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |