DE112009000920B4

DE112009000920B4 - Gierratensensor-Kalibrierungssystem in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE112009000920B4
Application number: DE112009000920.4T
Authority: DE
Inventors: Chaminda Basnayake
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: WO2009129076A2; WO2009129076A3; DE112009000920T5; CN102007417B; US8195357B2; CN102007417A; US20090265054A1

Abstract

Gierratensensor-Kalibrierungssystem in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug vier Räder umfasst, wobei das System umfasst:einen Gierratensensor, der ein Gierratensignal liefert, das eine Gierung des Fahrzeugs angibt;einen Handradwinkelsensor, der ein Drehsignal der Drehung des Lenkrades des Fahrzeugs liefert;mehrere Raddrehzahlsensoren zum Liefern von Raddrehzahlsignalen der Drehzahl der Räder des Fahrzeugs; undeinen Gierratensensor-Kalibrierungscontroller zum Kalibrieren des Gierratensensors unter Verwendung eines Abweichungsaktualisierungsmodells, wobei der Controller auf das Gierratensignal, das Drehsignal und die Raddrehzahlsignale anspricht, wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung von separaten Berechnungen für jedes des Gierratensignals, desDrehsignals und der Raddrehzahlsignale feststellt, ob das Fahrzeug relativ gerade fährt, wobei der Controller den Gierratensensor kalibriert, wenn das Fahrzeug relativ gerade fährt,wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung einer Standardabweichung des Gierratensignals und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug relativ gerade fährt:std(YawRatei−N:i)<∇YawSTDwobei N eine Gierraten-Fensterlänge ist, std(YawRatei-N:i) die Standardabweichung des Gierratensignals ist und∇YawSTDein Gierraten-Standardabweichungs-Schwellenwert ist,wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung des Drehsignals und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug gerade fährt:std(SteeringWheelAngi−P:i)<∇SteerAngSTDwobei P eine Lenkradwinkel-Fensterlänge ist,std(SteeringWheelAngi-P:i) die Standardabweichung des Drehsignals ist und∇SteerAngSTDein Lenkradwinkel-Standardabweichungs-Schwellenwert ist,wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung der Raddrehzahlsignale und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug gerade fährt:|WheelSpeedL−WheelSpeedR|<∇dWheelSpeedwobei∇dWheelSpeedein differentieller Raddrehzahlschwellenwert ist,WheelSpeedLdie Drehzahl eines nicht angetriebenen linken Rades ist undWheelSpeedRdie Drehzahl eines nicht angetriebenen rechten Rades ist,wobei der Controller den Gierratensensor kalibriert, wenn die Gleichungen für die Standardabweichung des Gierratensignals, die Standardabweichung des Drehsignals und die Drehzahlen der nicht angetriebenen Räder erfüllt sind.Gierratensensor-Kalibrierungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen GPS-Empfänger umfasst, der GPS-Signale zum Kalibrierungscontroller liefert, die die Position des Fahrzeugs angeben, wobei der Kalibrierungscontroller die GPS-Signale verwendet, um den Gierratensensor zu kalibrieren, wenn die GPS-Signale verfügbar sind, und das Abweichungsaktualisierungsmodell verwendet, um den Gierratensensor zu kalibrieren, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System zum Kalibrieren eines Fahrtrichtungssensors wie z. B. eines Gierratensensors, und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Entfernen von Sensorabweichungsfehlern von einem Gierratensensor, um den Gierratensensor zu verwenden, um eine genaue Fahrzeugfahrtrichtung bereitzustellen, wenn GPS-Signale nicht zur Verfügung stehen, wobei das System und das Verfahren ein Abweichungsaktualisierungsmodell verwenden, um den Sensor unter Verwendung der Gierrate, eines Lenkradwinkels und einer differentiellen Raddrehzahl zu kalibrieren, um Zeitfenster zu identifizieren, in denen das Fahrzeug relativ gerade fährt.
Erörterung des Standes der Technik
GPS-Signale oder Signale eines anderen globalen Satellitennavigationssystems (GNSS-Signale) können eine genaue Positionsbestimmung und Navigation bereitstellen. GPS-Empfänger leiden jedoch unter mit der Himmelssicht in Beziehung stehenden Begrenzungen, beispielsweise in Straßenschluchten und Gebieten mit dichter Baumbedeckung. Ferner können GPS-Signale unter Mehrwegfehlern oder Kreuzkorrelationsfehlern in solchen Gebieten leiden. Aufgrund der existierenden sehr empfindlichen und schnellen Neuerfassungs-GPS-Technologie werden genaue GPS-Signale verfügbar, wenn die Himmelssicht für kurze Dauern wie z. B. 10-20 Sekunden vorübergehend verbessert wird, selbst in weniger als optimalen Umgebungen. Daher kommt die Kontinuität der GPS-Technologie auf die Aufrechterhaltung der Positionsbestimmungsgenauigkeit über GPS-Ausfälle zwischen verfügbaren GPS-Zeitfenstern an.
Trägheitssensoren mit Kraftfahrzeugqualität wie z. B. Gierratensensoren und Beschleunigungsmesser weisen sehr variable Abweichungs- und Skaleneigenschaften auf, die eine Sensordrift verursachen, die sie typischerweise für die Navigations- und Fahrrichtungsbestimmungsfunktionen ohne zweckmäßige Fehlerkorrekturtechniken ungeeignet macht. Bestimmte Gierratensensoren mit Kraftfahrzeugqualität ermöglichen beispielsweise Variationen von bis zu 2 Grad/s für die Gierratensensorabweichung. Wenn eine solche Variabilität nicht korrigiert wird und über einen Zeitraum von zwei Minuten zugelassen wird, könnte ein Gierratensensor, der mit einer Abweichung von 0 Grad/s bei null Sekunden beginnt, eine Abweichung von 2 Grad/s nach 120 Sekunden erreichen. Wenn eine lineare Zunahme der Abweichung der Einfachheit halber angenommen werden würde, würde eine Fahrtrichtungsänderung, die durch Integrieren von Gierratensensorsignalen abgeleitet wird, die nicht kalibriert sind, eine Fahrtrichtungsänderung von 120° nur als Ergebnis der Veränderung der Abweichung angeben.
Trägheitssensoren können in Kombination mit GPS-Empfängern verwendet werden, um eine angemessen genaue Fahrzeugfahrtrichtung und Position, wenn eine Abstandsmessung, wie z. B. Fahrzeugraddrehzahlen, verfügbar ist, vorzusehen, selbst wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind. Trägheitssensoren mit Kraftfahrzeugqualität sehen jedoch typischerweise nicht dasselbe Genauigkeitsniveau wie GPS-Signale vor. Integrierte GPS/Trägheitssensor-Systeme können unter Verwendung von GPS-Signalen die Trägheitssensoren kalibrieren und die Fahrzeugfahrtrichtungs- und Positionsgenauigkeit aufrechterhalten, wenn die GPS-Signale verfügbar sind, und die kalibrierten Trägheitssensoren verwenden, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind, um eine Fahrtrichtungs- und eine Positionslösung aufrechtzuerhalten, bis die GPS-Signale wieder verfügbar werden.
Bekannte Gierratensensor-Kalibrierungsalgorithmen nähern typischerweise die Abweichungs- und Skalenkalibrierung als zweistufigen Prozess an und erfordern, dass spezielle Fahrzeugmanöver für die Kalibrierung durchgeführt werden. Die Sensorabweichungskalibrierung kann beispielsweise erfordern, dass das Fahrzeug für eine bekannte Zeitdauer in einer geraden Linie gefahren wird oder stationär ist, so dass der akkumulierte Fahrtrichtungsfehler als Ergebnis des Sensorabweichungsfehlers direkt abgeschätzt werden kann. Für die Skalenkalibrierung kann es erforderlich sein, dass das Fahrzeug durch eine gesteuerte Wende gefahren wird.
Die US-Patentanmeldung mit der Publikationsnummer US 2009 / 0 005 985 A1 und dem Titel „GPS-Based In-Vehicle Sensor Calibration Algorithm", eingereicht am 29. Juni 2007, die auf den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein System und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Fahrtrichtungssensors unter Verwendung von GPS-Signalen. Das System empfängt Raddrehzahl- oder Raddrehsignale, einen Fahrzeugkilometerzähler-Messwert, GPS-Signale und Gierratensignale und verwendet die GPS-Signale, um den Fahrtrichtungssensor zu kalibrieren, während die GPS-Signale verfügbar sind.
Wie vorstehend erörtert, kalibriert die Druckschrift US 2009 / 0 005 985 A1 den Fahrtrichtungssensor unter Verwendung von GPS-Signalen, wenn sie verfügbar sind, so dass, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind, der Fahrtrichtungssensor für eine gewisse Zeitdauer ziemlich genau ist. Wenn jedoch die GPS-Signale für eine verlängerte Zeitdauer nicht verfügbar sind, dann kann es erwünscht sein, den Fahrtrichtungssensor zu kalibrieren, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind, um die Genauigkeit des Fahrtrichtungssensors aufrechtzuerhalten.
Fahrtrichtungssensor-Kalibrierungssysteme sind aus den Druckschriften JP 2006 162 327 A und „Practical Position and Yaw Rate Estimation with GPS and Differential Wheelspeeds" von C. R. Carlson, J. C. Gerdes und J. D. Powell, erschienen in Proc. of 6th Int. Symposium on Advanced Vehicle Control, 2002, Seiten 1 bis 8, bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Gierratensensor-Kalibrierungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 in einem Fahrzeug vorgeschlagen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und dem beigefügten Unteranspruch in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs mit einem System zum Vorsehen einer Gierratensensor-Kalibrierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ist ein Ablaufplandiagramm, das einen Prozess zum Kalibrieren eines Gierratensensors unter Verwendung eines Abweichungsaktualisierungsmodells gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs 10 mit einem Gierratensensor-Kalibrierungscontroller 12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 10 umfasst auch Vorderräder 14 und 16 und Hinterräder 18 und 20. Die Räder 14, 16, 18 und 20 umfassen jeweils einen Raddrehzahlsensor 22, 24, 26 bzw. 28, die Raddrehzahl- und/oder Raddrehsignale zum Controller 12 liefern. Ein GPS-Empfänger 32 liefert GPS-Signale zum Controller 12 und ein Gierratensensor 34 liefert Fahrzeug-Gierratensensorsignale zum Controller 12. Ein Handradwinkelsensor 36 liefert auch ein Lenkradwinkelsignal der Drehung eines Lenkrades 38 zum Controller 12.
Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung eines Algorithmus mit ständiger Fahrtrichtungsaktualisierung (CHUPT) vor, der ein Abweichungsaktualisierungsmodell im Controller 12 zum Kalibrieren des Gierratensensors 34 verwendet, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind. Obwohl das Abweichungsaktualisierungsmodell den Gierratensensor 34 kalibriert, kann in anderen Ausführungsformen irgendein geeigneter Fahrtrichtungs- oder Trägheitssensor, der eine Fahrzeugfahrtrichtung bereitstellt, durch den CHUPT-Algorithmus kalibriert werden. Der CHUPT-Algorithmus berechnet ein Gierungsabweichungssignal YawBias_i, das verwendet wird, um den Abweichungsfehler des Gierratensensors 34 zu verringern, so dass er einen genauen Fahrtrichtungsmesswert bereitstellt.
In dieser Ausführungsform ist das Abweichungsaktualisierungsmodell definiert als: $Y a w B i a s_{i} = (1 - β_{C H U P T}) Y a w B i a s_{i - l} + β_{C H U P T} Y a w R a t e_{i, C H U P T}$
wobei β_CHUPT ein Abweichungsverstärkungsfaktor ist.
Damit das Abweichungsaktualisierungsmodell genau ist, muss das Fahrzeug 10 relativ gerade fahren. Der CHUPT-Algorithmus verwendet eine Fahrzeuggierrate, einen Lenkradwinkel und differentielle Raddrehzahlen, um Zeitfenster zu identifizieren, in denen eine Fahrzeugfahrtrichtung relativ konstant ist, d. h. das Fahrzeug gerade fährt. Das Ausmaß dessen, wie gerade die Fahrzeugfahrt sein muss und wie lang das Zeitfenster sein kann, wird durch vier vorbestimmte Parameter gesteuert, nämlich einen Gierungsstandardabweichungs-Schwellenwert $\nabla_{Y a w S T D},$
einen Lenkradwinkel-Standardabweichungs-Schwellenwert $\nabla_{SteerAngSTD},$
einen differentiellen Raddrehzahl-Schwellenwert $\nabla_{d W h e e l S p e e d}$
und Zeitfensterlängen.
Die nachstehenden Gleichungen (2) und (3) identifizieren, wie der Algorithmus feststellt, ob die Standardabweichung des Gierratensignals YawRate geringer ist als der Gierungsstandardabweichungs-Schwellenwert $\nabla_{Y a w S T D},$
bzw. ob die Standardabweichung des Lenkradwinkelsignals SteeringWheelAng während des Zeitfensters P geringer ist als der Lenkradwinkel-Standardabweichungs-Schwellenwert $\nabla_{SteerAngSTD} .$
$s t d (Y a w R a t e_{i - N : i}) < \nabla_{Y a w S T D}$
wobei N eine Gierraten-Fensterlänge ist. $s t d (S t e e r i n g W h e e l A n g_{i - P : i}) < \nabla_{SteerAngSTD}$
wobei P ein Lenkradwinkel-Fenster ist.
Die Bedingungen der Gleichungen (2) und (3) können in Szenarios, in denen das Fahrzeug 10 entlang einer Kurve fährt und der Lenkradwinkel konstant gehalten wird, immer noch erfüllt sein. Das Gierratensignal kann unter diesen Umständen auch auf eine konstante Fahrzeugfahrtrichtung hindeuten. In einem solchen Szenario gibt das Gierratensignal eine tatsächliche Fahrtrichtungsrate an, die nicht als Änderung der Abweichung betrachtet werden sollte. Um solche Fehlidentifikationen zu vermeiden, kann eine differentielle Raddrehzahlüberprüfung durchgeführt werden. Diese Überprüfung, die durch die nachstehende Gleichung (4) gezeigt wird, überprüft, dass die Differenz zwischen den Zählungen oder Drehzahlen der linken und rechten nicht angetriebenen Räder nur das Messrauschen angibt und keine signifikanten Differenzen während eines gegebenen Zeitfensters beobachtet werden. $| W h e e l S p e e d_{L} - W h e e l S p e e d_{R} | < \nabla_{d W h e e l S p e e d}$
wobei WheelSpeed_L die Raddrehzahl eines linken nicht angetriebenen Rades ist und WheelSpeed_R die Raddrehzahl eines rechten nicht angetriebenen Rades ist.
Wenn die Lenkradwinkel-Standardabweichung und Gierraten-Standardabweichung sich nicht über vorbestimmte Schwellenwerte hinaus ändern und die relative Drehzahl zwischen den nicht angetriebenen Rädern auch innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts ungefähr gleich ist, dann wird angenommen, dass das Fahrzeug 10 nicht wendet. Der CHUPT-Algorithmus aktualisiert die aktuelle Gierratenabweichung YawBias_i unter Verwendung des Gierratensignals und von Gleichung (1), wenn die in Gleichungen (2) - (4) gegebenen Bedingungen erfüllt sind.
2 ist ein Ablaufplandiagramm 40, das die Schritte der vorliegenden Erfindung zum Korrigieren der Gierungsabweichung des Gierratensensors 34 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Kasten 42 stellt der Algorithmus unter Verwendung der Gierraten-Schwellenwertberechnung von Gleichung (2) fest, ob das Fahrzeug 10 gerade fährt. Im Kasten 44 stellt der Algorithmus unter Verwendung der Lenkradwinkel-Schwellenwertberechnung von Gleichung (3) fest, ob das Fahrzeug 10 gerade fährt. Im Kasten 46 stellt der Algorithmus unter Verwendung der Raddrehzahl-Schwellenwertberechnung von Gleichung (4) fest, ob das Fahrzeug 10 gerade fährt. Wenn alle diese Berechnungen feststellen, dass das Fahrzeug 10 relativ gerade fährt, dann aktualisiert oder kalibriert der Algorithmus den Gierratensensor 34 unter Verwendung des Abweichungsaktualisierungsmodells von Gleichung (1).

Claims

Gierratensensor-Kalibrierungssystem in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug vier Räder umfasst, wobei das System umfasst: einen Gierratensensor, der ein Gierratensignal liefert, das eine Gierung des Fahrzeugs angibt; einen Handradwinkelsensor, der ein Drehsignal der Drehung des Lenkrades des Fahrzeugs liefert; mehrere Raddrehzahlsensoren zum Liefern von Raddrehzahlsignalen der Drehzahl der Räder des Fahrzeugs; und einen Gierratensensor-Kalibrierungscontroller zum Kalibrieren des Gierratensensors unter Verwendung eines Abweichungsaktualisierungsmodells, wobei der Controller auf das Gierratensignal, das Drehsignal und die Raddrehzahlsignale anspricht, wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung von separaten Berechnungen für jedes des Gierratensignals, des Drehsignals und der Raddrehzahlsignale feststellt, ob das Fahrzeug relativ gerade fährt, wobei der Controller den Gierratensensor kalibriert, wenn das Fahrzeug relativ gerade fährt, wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung einer Standardabweichung des Gierratensignals und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug relativ gerade fährt: $s t d (Y a w R a t e_{i - N : i}) < \nabla_{Y a w S T D}$
wobei N eine Gierraten-Fensterlänge ist, std(YawRate_i-N:i) die Standardabweichung des Gierratensignals ist und $\nabla_{Y a w S T D}$
ein Gierraten-Standardabweichungs-Schwellenwert ist, wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung des Drehsignals und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug gerade fährt: $s t d (S t e e r i n g W h e e l A n g_{i - P : i}) < \nabla_{SteerAngSTD}$
wobei P eine Lenkradwinkel-Fensterlänge ist, std(SteeringWheelAng_i-P:i) die Standardabweichung des Drehsignals ist und $\nabla_{SteerAngSTD}$
ein Lenkradwinkel-Standardabweichungs-Schwellenwert ist, wobei der Kalibrierungscontroller unter Verwendung der Raddrehzahlsignale und der folgenden Gleichung feststellt, ob das Fahrzeug gerade fährt: $| W h e e l S p e e d_{L} - W h e e l S p e e d_{R} | < \nabla_{d W h e e l S p e e d}$
wobei $\nabla_{d W h e e l S p e e d}$
ein differentieller Raddrehzahlschwellenwert ist, WheelSpeed_L die Drehzahl eines nicht angetriebenen linken Rades ist und WheelSpeed_R die Drehzahl eines nicht angetriebenen rechten Rades ist, wobei der Controller den Gierratensensor kalibriert, wenn die Gleichungen für die Standardabweichung des Gierratensignals, die Standardabweichung des Drehsignals und die Drehzahlen der nicht angetriebenen Räder erfüllt sind. Gierratensensor-Kalibrierungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen GPS-Empfänger umfasst, der GPS-Signale zum Kalibrierungscontroller liefert, die die Position des Fahrzeugs angeben, wobei der Kalibrierungscontroller die GPS-Signale verwendet, um den Gierratensensor zu kalibrieren, wenn die GPS-Signale verfügbar sind, und das Abweichungsaktualisierungsmodell verwendet, um den Gierratensensor zu kalibrieren, wenn die GPS-Signale nicht verfügbar sind.