DE102022204010A1 - System and method for determining a temperature compensation offset value in a gyroscope of a device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (100) zum Bestimmen eines temperaturkompensierten Versatzwerts in einem Gyroskop (102) geschaffen. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Steuereinheit (110) und ein Erfassungsmodul (104), um eine Temperatur des Gyroskops (102) zu detektieren. Die Steuereinheit (110) umfasst ein Kalibrierungsmodul (104), das dazu konfiguriert ist, Daten vom Erfassungsmodul und Gyroskop (102) zu erfassen und zu verarbeiten. Das Kalibrierungsmodul (106) ist ferner dazu konfiguriert, einen Gyroskopversatzwert unter Verwendung eines in der Varianz begrenzten Mittelungsverfahrens aus den erfassten Gyroskopsensordaten zu berechnen. Die Vorrichtung (100) umfasst ferner ein TCO-Schätzmodul (108), das dazu konfiguriert ist, einen Temperaturkompensationsversatzfaktor (TCO-Faktor) unter Verwendung eines ersten Kalman-Filters zu schätzen. Ferner umfasst die Vorrichtung (100) eine Vorbelastungsschätzeinrichtung (112), die dazu konfiguriert ist, einen temperaturkompensierten Gyroskopversatzwert durch Kombinieren eines geschätzten vorhergesagten TCO-Versatz- und Gyroskopversatzwerts unter Verwendung eines zweiten Kalman-Filters zu berechnen.An apparatus (100) for determining a temperature compensated offset value in a gyroscope (102) is provided. The device (100) includes a control unit (110) and a detection module (104) to detect a temperature of the gyroscope (102). The control unit (110) includes a calibration module (104) configured to acquire and process data from the acquisition module and gyroscope (102). The calibration module (106) is further configured to calculate a gyro offset value using a variance-limited averaging method from the captured gyro sensor data. The device (100) further includes a TCO estimation module (108) configured to estimate a temperature compensation (TCO) offset factor using a first Kalman filter. The apparatus (100) further comprises a bias estimator (112) configured to calculate a temperature compensated gyro offset value by combining an estimated predicted TCO offset and gyro offset value using a second Kalman filter.
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen eines Kompensationsversatzwerts in einem Gyroskop einer Vorrichtung und eine Steuereinheit dafür.The present invention relates to a system and a method for determining a compensation offset value in a gyroscope of an apparatus and a control unit therefor.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Ein Gyroskopsensor wird als Hauptsensor verwendet, um die Orientierung zu bestimmen. Derzeit verwenden die meisten Vorrichtungen ein Gyroskop mit hoher Präzision mit höheren Kosten, um die höhere Orientierungspräzision zu erreichen. Das Gyroskopsignal weist einen Versatzfehler aufgrund seiner Unzulänglichkeiten auf. Die Vorrichtungsorientierung wird auf der Basis des Algorithmus berechnet, der die Integration des Gyroskopsignals verwendet. Da das Signal den Versatzfehler aufweist, weist die berechnete Orientierung auch eine Abweichung auf. Da der Algorithmus die Integration verwendet, nimmt dieser Fehler weiterhin zu. Um diese Abweichung zu vermeiden, wird eine gelegentliche Gyroskopkalibrierung durchgeführt. Ein typischer Gyroskopkalibrierungsmechanismus erfordert einen stationären Vorrichtungszustand ohne irgendeine Vibration. Typischerweise kann dies durch Ausschalten aller typischen Vibrationsquellen wie Motoren von Vorrichtungen erreicht werden. Trotzdem ergibt dies keine bessere Benutzererfahrung, da er zwischendurch während seines normalen Betriebs stoppt.A gyroscope sensor is used as the main sensor to determine orientation. At present, most of the devices use a high-precision gyroscope with a higher cost to achieve the higher orientation precision. The gyroscope signal has an offset error due to its imperfections. The device orientation is calculated based on the algorithm using the integration of the gyroscope signal. Because the signal has the offset error, the calculated orientation also has an offset. As the algorithm uses integration, this error continues to increase. To avoid this deviation, an occasional gyroscope calibration is performed. A typical gyroscope calibration mechanism requires a steady state device without any vibration. Typically this can be achieved by turning off all typical sources of vibration such as motors of devices. Still, this doesn't give a better user experience as it stops in between during its normal operation.
Derzeitige Produkte verwenden Sensoren mit Industriequalität für Staubsaugerroboter aufgrund ihrer besseren Leistungsfähigkeit. Diese Idee hilft, die Leistungsfähigkeit des Orientierungsergebnisses durch Kompensieren der Vorbelastungsdrift aufgrund einer Temperaturänderung zu verbessern, wodurch die Sensoren mit Industriequalität durch Sensoren auf der Basis von MEMS (mikroelektromechanisches System) ersetzt werden können. Dies verringert die Kosten des Produkts signifikant. Diese Erfindung schafft eine Software-Lösung eines Mechanismus zur Temperaturkompensation bei der Verwendung mit minimaler Kalibrierungspause während seines normalen Betriebs. Das vorgeschlagene Verfahren führt die meisten Kalibrierungen während der Aufladung von Vorrichtungen durch und verwendet dieses Lernen während normaler Betriebe. Dies ergibt eine bessere Benutzererfahrung, da die Häufigkeit der Kalibrierung geringer ist.Current products use industrial grade sensors for vacuum cleaner robots due to their better performance. This idea helps to improve the performance of the orientation result by compensating for the preload drift due to a temperature change, which allows the industrial grade sensors to be replaced by MEMS (microelectromechanical system) based sensors. This significantly reduces the cost of the product. This invention provides a software solution of a temperature compensation mechanism in use with minimal calibration pause during its normal operation. The proposed method performs most of the calibrations while devices are charging and uses this learning during normal operations. This gives a better user experience because the frequency of calibration is lower.
Der Stand der Technik,
Figurenlistecharacter list
Verschiedene Arten der Erfindung werden in der Beschreibung im Einzelnen offenbart und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt:
-
1 stellt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, die mit einem Gyroskop verbunden ist, zum Bestimmen eines Temperaturkompensationsversatzwerts eines Gyroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar; -
2 stellt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Bestimmen eines Temperaturkompensationsversatzwerts im Gyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und -
3 stellt einen Graphen für Gyroskopversatzwerte dar, die eine Hysteresebeziehung aufzeigen, wenn Temperaturwerte variieren.
-
1 12 illustrates a block diagram of an apparatus, coupled to a gyroscope, for determining a temperature compensation offset value of a gyroscope, according to an embodiment of the invention; -
2 Figure 12 illustrates a flow chart of a method for determining a temperature compensation offset value in the gyroscope in accordance with the present invention; and -
3 Figure 12 presents a graph of gyroscope offset values showing a hysteresis relationship as temperature values vary.
Ausführliche Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments
Die Steuereinheit 110 umfasst ferner ein Kalibrierungsmodul 106, ein TCO-Schätzmodul 108 und eine Vorbelastungsschätzeinrichtung 112.The
Das Kalibrierungsmodul 106 ist dazu konfiguriert, Daten vom Erfassungsmodul 104 und Gyroskop 102 zu erfassen und zu verarbeiten. Das Kalibrierungsmodul 106 ist ferner dazu konfiguriert, einen Gyroskopversatzwert unter Verwendung eines in der Varianz begrenzten Mittelungsverfahrens aus den erfassten Gyroskopsensordaten zu berechnen. Das Kalibrierungsmodul 106 wird bei der Detektion eines stationären Zustandes der Vorrichtung 100 ausgelöst. Hier ist der stationäre Zustand der Zustand, wenn sich die Vorrichtung 100 nicht in Bewegung befindet. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Zustand der Vorrichtung 100 durch Überwachen der 3-Achsen-Gyroskopnorm identifiziert werden, wie durch Gleichung 3 beschrieben, wenn die Gyroskopnorm unterhalb eines vordefinierten Schwellenwerts (z. B. 1 dps) für eine kontinuierliche vordefinierte Zeitdauer (beispielsweise 0,5 Sekunden) liegt.
- gthre = Gyronormschwellenwert für keine Bewegung
- TTh = Minimale Zeitgrenze ohne Bewegung
- g thre = gyronorm threshold for no movement
- T Th = Minimum time limit without motion
Ferner ist das Kalibrierungsmodul 106 dazu konfiguriert, die Vorbelastung durch Mitteln der Gyroabtastwerte zu berechnen, die eine Varianz von weniger als einem Schwellenwert aufweisen (in Gleichung 1 gezeigt). In einer Ausführungsform ist das Kalibrierungsmodul dazu konfiguriert, ein Vertrauensniveau durch Überwachen der Zeitdauer des stationären Zustandes der Vorrichtung 100 zu berechnen, wie in Gleichung 2 beschrieben.
Hier gilt
- Wvar = Varianz von Gyroskopsensordatenabtastwerten von 0,5 Sekunden
- Vthre = Schwellenwert für die Varianzbegrenzung
- N = 0,5 * fs * tb
- fs = Abtastintervall
- tb = Vorbelastungsdauer in Sekunden
- p1, p2 = Koeffizient des Vorbelastungsvertrauens, abgeleitet durch Simulationsexperiment
- W var = variance of 0.5 second gyroscope sensor data samples
- V thre = variance limit threshold
- N = 0.5 * fs * tb
- f s = sampling interval
- t b = preload duration in seconds
- p 1 , p 2 = coefficient of preload confidence derived by simulation experiment
Das TCO-Schätzmodul 108 ist dazu konfiguriert, den Temperaturkompensationsversatzfaktor (TCO-Faktor) unter Verwendung eines ersten Kalman-Filters zu schätzen. Das TCO-Schätzmodul 108 wird bei der Detektion einer Temperaturänderung und eines hohen Vorbelastungsvertrauens der Vorrichtung 100 ausgelöst.The
In einer Ausführungsform ist das TCO-Schätzmodul 108 ferner dazu konfiguriert, eine Tabelle von Gyroskopversatzwerten für verschiedene Temperaturwerte zu unterhalten. Wenn eine Temperaturänderung besteht und dies nicht in der Tabelle aufgelistet ist, aktualisiert das TCO-Schätzmodul 108 in dieser Ausführungsform die Tabelle und schätzt den neuen TCO-Faktor. Basismodelle hinter dem Kalman-Filter sind durch die Gleichung 4 definiert. Die Modellgleichung ist wie folgt
Hier
- b = Vorbelastung
- tco = von der Temperatur abhängiger Koeffizient
- ΔT = Temperaturänderung
- I = Einheitsmatrix
- b = preload
- tco = temperature dependent coefficient
- ΔT = temperature change
- I = identity matrix
In einer Ausführungsform ist die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und der Gyroskopvorbelastung stückweise linear und dies wird auf der Basis des Simulationsexperiments unter Verwendung von 180 Sensorabtastwerten erreicht. Während der Initialisierung läuft das TCO-Schätzmodul 108 für alle Punkte in der Versatz-Temperatur-Tabelle. Außerdem läuft das TCO-Schätzmodul 108 für irgendeine neue Eintragshinzufügung zur die Tabelle erneut. Dies kann auch durch Speichern und Abrufen der Temperaturtabelle über den Leistungszyklus optimiert werden.In one embodiment, the relationship between temperature and gyro bias is piecewise linear and this is achieved based on the simulation experiment using 180 sensor samples. During initialization, the
Die Vorbelastungsschätzeinrichtung (112) ist dazu konfiguriert, einen temperaturkompensierten Gyroskopversatzwert durch Kombinieren eines geschätzten vorhergesagten TCO-Versatz- und Gyroskopversatzwerts unter Verwendung eines zweiten Kalman-Filters zu berechnen.The bias estimator (112) is configured to calculate a temperature compensated gyro offset value by combining an estimated predicted TCO offset and gyro offset value using a second Kalman filter.
Im Allgemeinen sind Kalman-Filterverfahren auf dem Fachgebiet gut bekannt. Das Prinzip der Arbeit und Implementierung des Kalman-Filterverfahrens gemäß dieser Offenbarung besteht darin, dass während des iterativen Kalman-Filterverfahrens der gemessene Wert des Parameters erneut in jeder Iteration empfangen wird. Im Betrieb des Kalman-Filters werden eine anfängliche Kovarianzmatrix und der anfängliche Zustand der Vorrichtung 100 von Offline-Messexperimenten empfangen, die im Laboraufbau während der Herstellung des Erfassungsmoduls 104 ausgeführt werden. Unter Verwendung von Temperaturänderungswerten und der gemessenen Vorbelastung schätzt das Kalman-Filter den TCO des Gyroskops 102. Das anzupassende Grundmodell im Kalman-Filter verwendet zwei unterschiedliche Sätze von Schritten, der erste ist ein Vorhersageschritt und der zweite ist ein Korrekturschritt. In einer beispielhaften Ausführungsform werden Gleichungssätze für sowohl den Vorhersageschritt als auch den Korrekturschritt in jedem k-ten Zustand angewendet. Der Vorhersageschritt wird durchgeführt, wenn eine Änderung der Temperatur beobachtet wird. Für die Vorhersage, wenn die Temperaturänderung empfangen wird, projiziert das Kalman-Filter den Zustand vorwärts gemäß der nachstehenden Gleichung:
Ebenso projiziert in dieser Ausführungsform das Kalman-Filter in diesem Vorhersageschritt die Fehlerkovarianz der Zeit voraus gemäß der nachstehenden Gleichung:
Der Korrekturschritt des Kalman-Filters ist ein Messaktualisierungsschritt, in diesem Schritt berechnet das Kalman-Filter die Kalman-Verstärkung, wie nachstehend erläutert:
Ferner schätzt das Kalman-Filter unter Verwendung der Kalman-Verstärkung die Messung und aktualisiert sie demensprechend gemäß der nachstehenden Gleichung:
Ferner berechnet im Korrekturschritt das Kalman-Filter die Fehlerkovarianz gemäß der Gleichung:
Hier gilt
- x = die vorherige Schätzung, die sozusagen die grobe Schätzung vor der Messaktualisierungskorrektur bedeutet
- Pk = die vorherige Fehlerkovarianz
- Xk = die Schätzung von x zur Zeit k
- Kk = Kalman-Verstärkung
- x = the previous estimate, which means, so to speak, the rough estimate before the measurement update correction
- P k = the previous error covariance
- X k = the estimate of x at time k
- K k = Kalman gain
Wenn eine Temperaturänderung besteht, wird die Gyrovorbelastung auf der Basis des TCO vom TCO-Schätzmodul 108 geschätzt. Eine geringere Vertrauensvorbelastung von der Versatzschätzeinrichtung wird hier auch verwendet, um eine bessere Gyrovorbelastung zu schätzen.If there is a temperature change, the
Das für die Kalman-Filtervorhersage- und Kalman-Filterkorrekturschritte verwendete Grundmodell kann als folgende Gleichung detailliert dargestellt werden:
Hier gilt
- b = Vorbelastung
- tco = von der Temperatur abhängiger Koeffizient
- ΔT = Temperaturänderung
- I = Einheitsmatrix
- b = preload
- tco = temperature dependent coefficient
- ΔT = temperature change
- I = identity matrix
Das erste und das zweite Kalman-Filter sind dazu konfiguriert, einen anfänglichen Wert des Zustandes und die Kovarianzmatrix davon durch Durchführen einer Sensorcharakterisierung auszuwählen. Das Kalman-Filter verwendet vorherige Werte in Messaktualisierungsgleichungen (Korrekturschritt).The first and second Kalman filters are configured to select an initial value of the state and the covariance matrix thereof by performing sensor characterization. The Kalman filter uses previous values in measurement update equations (correction step).
In einer Ausführungsform folgen Versatzwerte für das Gyroskop 102 einer stückweise linearen Beziehung mit der Temperatur. Im Allgemeinen ist eine stückweise lineare Schätzung eine Technik zum Erzeugen einer Funktion, die eine nicht-lineare Zielfunkton durch Hinzufügen von zusätzlichen binären Variablen, kontinuierlichen Variablen und Einschränkungen anpasst, um das ursprüngliche Problem umzuformulieren. Ferner zeigen in dieser Ausführungsform die Gyroskopversatzwerte eine Hysteresebeziehung auf, wenn Temperaturwerte zunehmen (d. h. Anstiege) und abnehmen (d. h. Absenkung) (wie in
Im Betrieb zeigt die Vorbelastung des Gyroskops 102 eine Hysteresebeziehung mit Bezug auf die Gyroskoptemperaturvariation auf. In dieser Ausführungsform unterhält die Steuereinheit 110 zwei separate Tabellen für die Gyroskopvorbelastung, die jedem überwachten Temperaturwert entspricht. Hier werden Temperaturwerte durch das Erfassungsmodul 104 bereitgestellt. Diese zwei Tabellen werden jeweils für die Aufwärtsrichtung und Abwärtsrichtung der Variation der Temperaturwerte unterhalten. Im Kalibrator wird die Richtung der Temperaturbewegung überwacht und jeweilige Tabellenwerte werden im ersten Kalman-Filter und zweiten Kalman-Filter aktualisiert/verwendet.In operation, the preload of the
Es sollte selbstverständlich sein, dass die in der obigen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen nur erläuternd sind und den Schutzbereich dieser Erfindung nicht begrenzen. Viele solche Ausführungsformen und andere Modifikationen und Änderungen in der in der Beschreibung erläuterten Ausführungsform werden in Betracht gezogen. Der Schutzbereich der Erfindung ist nur durch den Schutzbereich der Ansprüche begrenzt.It should be understood that the embodiments set forth in the above specification are illustrative only and do not limit the scope of this invention. Many such embodiments and other modifications and changes in the embodiment described in the specification are contemplated. The scope of the invention is only limited by the scope of the claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 9581466 B2 [0004]US 9581466 B2 [0004]
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CN115655318A (en) * | 2022-12-26 | 2023-01-31 | 西安航天精密机电研究所 | Method for detecting two-floating gyroscope based on float hysteresis curve |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9581466B2 (en) | 2011-11-11 | 2017-02-28 | Qualcomm Incorporated | Sensor auto-calibration |
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- 2022-04-26 DE DE102022204010.4A patent/DE102022204010A1/en active Pending
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Representative=s name: BEE, JOACHIM, DIPL.-ING., DE |