EP4677310A1 - Verfahren, computerprogramm und vorrichtung zum betreiben eines messgebers für eine dreh- oder linearbewegung - Google Patents

Verfahren, computerprogramm und vorrichtung zum betreiben eines messgebers für eine dreh- oder linearbewegung

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Publication number
EP4677310A1
EP4677310A1 EP24703341.8A EP24703341A EP4677310A1 EP 4677310 A1 EP4677310 A1 EP 4677310A1 EP 24703341 A EP24703341 A EP 24703341A EP 4677310 A1 EP4677310 A1 EP 4677310A1
Authority
EP
European Patent Office
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value
current position
confidence value
determined
difference
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703341.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hardy Naumann
Daniel Schütz
Stephan Herold
Kevin Wettin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4677310A1 publication Critical patent/EP4677310A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/24495—Error correction using previous values

Definitions

  • the present invention relates to a method, a computer program with instructions and a device for operating a measuring sensor for a rotary or linear movement, in particular a measuring sensor which has a number of detection sections.
  • the invention further relates to a machine in which a method according to the invention or a device according to the invention is used.
  • Absolute encoders designed as so-called multi-turn encoders are convenient to use. These have, for example, an angle measuring device for 0° to 360° and a counting device for the rotations performed. However, to achieve multi-turn capability, these are usually equipped with batteries or additional electronics, which results in disadvantages in the package or additional maintenance effort.
  • Very small angle encoders that can also be integrated into very small installation spaces are available in the form of single-turn absolute encoders. It is possible to simulate multi-turn capability.
  • Indian patent application 265/MUM/2002 describes a method for converting an n-bit single-turn absolute encoder into a programmable m*n-bit multi-turn absolute encoder.
  • the method stores the number of complete revolutions of the axis of the single-turn absolute encoder.
  • angle encoders with detection sectors especially angle encoders with linear output voltage, it can be observed that the transition from one detection sector to another is occasionally not clearly recognizable due to parasitic low-pass behavior. Therefore, the detection threshold cannot be set to the value of the maximum angle change per step or just above it, but to the value of half the sector size of the detection sector, ie to 45° for detection sectors with a sector size of 90°.
  • a method for operating a rotary or linear motion encoder comprises the steps:
  • a computer program comprises instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform the following steps for operating a rotary or linear motion encoder having a number of detection sections:
  • the term computer is to be understood broadly. In particular, it also includes control units, embedded systems and other processor-based data processing devices.
  • the computer program can, for example, be made available for electronic retrieval or stored on a computer-readable storage medium.
  • a device for operating a rotary or linear motion encoder having a number of detection sections comprises:
  • a computing unit for determining a confidence value from the recorded measurement value and a previously recorded measurement value and for determining a current position value based on at least the recorded measurement value, the previously recorded measurement value and the confidence value;
  • the solution according to the invention uses a filter that is based on a confidence interval for the measured variables recorded and, depending on the confidence value, instead of directly adopting the measured variable, returns to the measured variable recorded in the previous step and thus provides an estimated value. In this way, an increase in robustness is achieved with a manageable amount of computation.
  • the confidence value is determined on the basis of the difference between the measured variable detected and the previously detected measured variable.
  • the use of the difference has the advantage that in this way the confidence value depends on the change in the measured variable, not on the absolute value of the measured variable.
  • the confidence value is determined by means of a function which provides a high confidence value for a difference between 0 and a lower limit and for a difference between an upper limit and a section size of the detection section, and which provides a lower confidence value for a difference between the lower limit and the upper limit.
  • the function only provides a high confidence value, e.g. a value of 1 for full confidence, when the change is small. All values between the two limits are less trustworthy.
  • a current position change is determined from a previous position change and the difference.
  • the current position change can be determined as the weighted sum of the previous position change, weighted by the complement of the confidence value, and the difference, weighted by the confidence value.
  • the current position change is thus an estimated value that reflects the confidence in the sensor values.
  • the current position value can then be determined in a simple manner as the sum of a previous position value and the current position change.
  • the current position value and the current position change are corrected based on a moving average. If the confidence value is high again, for example at 1, the sensor value is iterated. To do this, the newly calculated position value and the value of the position change are corrected based on a moving average.
  • This step is advantageous because the integrating position calculation leads to an error for measured values with a reduced confidence value, e.g. a confidence value less than 1. After a few steps, the value of the position and the confidence value are then adjusted again.
  • a method according to the invention or a device according to the invention is particularly advantageously used in a machine, in particular in a means of transport or an industrial machine.
  • the means of transport can be, for example, a motor vehicle, e.g. a passenger car or a commercial vehicle.
  • the solution according to the invention can be used in all situations in which angle or length detection is required, e.g. in actuating devices for flaps, valves, doors, etc.
  • the industrial machine can be, for example, a robot or another automation system in which angle or length detection is required.
  • FIG. 1 shows schematically a method for operating a measuring sensor
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a device for operating a measuring sensor
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a device for operating a measuring sensor
  • Fig. 4 schematically represents, as an example of a machine, a means of transport in which a solution according to the invention is implemented;
  • Fig. 5 shows schematically an angle sensor with an analog output signal
  • Fig. 6 shows an example of an algorithm for implementing an inventive
  • Fig. 7 shows exemplary functions for determining a confidence value
  • Fig. 8 shows results of a signal evaluation by the algorithm from Fig. 6.
  • Fig. 1 shows a schematic of a method for operating a measuring sensor with a number of detection sections.
  • a measured variable of a detection section is recorded 10.
  • a confidence value is determined 11 from the recorded measured variable and a previously recorded measured variable, e.g. on the basis of the difference between the recorded measured variable and the previously recorded measured variable.
  • a function is preferably used which provides a high confidence value for a difference between 0 and a lower limit and for a difference between an upper limit and a section size of the detection section, and which provides a lower confidence value for a difference between the lower limit and the upper limit.
  • a current position value is then determined 12.
  • a current position change can be determined from a previous position change and the difference between the recorded measurement value and the previously recorded measurement value.
  • the current position change can be determined as the weighted sum of the previous position change, weighted by the complement of the confidence value, and the difference, weighted by the confidence value.
  • the current position value can then be determined as the sum of a previous position value and the current position change.
  • the determined current position value is then output 13.
  • the current position value and the current position change can be corrected beforehand on the basis of a moving average.
  • Fig. 2 shows a simplified schematic representation of a first embodiment of a device 20 for operating a measuring sensor 1 for a rotary or linear movement, which has a number of detection sections.
  • the device 20 has an input 21, via which a signal processing unit 22 detects a measured variable Mj of a detection section.
  • a computing unit 23 is set up to determine a confidence value Ci from the detected measured variable Mj and a previously detected measured variable MM, e.g. on the basis of the difference between the detected measured variable Mj and the previously detected measured variable M .
  • a function is preferably used which provides a high confidence value Ci for a difference between 0 and a lower limit and for a difference between an upper limit and a section size of the detection section, and which provides a lower confidence value Ci for a difference between the lower limit and the upper limit.
  • the computing unit 23 is also set up to determine a current position value based on at least the recorded measurement value Mi, the previous recorded measurement value MM and the confidence value Ci. For this purpose, a current position change can be determined from a previous position change and the difference between the recorded measurement value Mi and the previous recorded measurement value MM.
  • the current position change can be determined as the weighted sum of the previous position change, weighted by the complement of the confidence value Ci, and the difference, weighted by the confidence value Ci.
  • the current position value Wi can then be determined as the sum of a previous position value and the current position change.
  • An output unit 24 is configured to output the determined current position value Wi via an output 27 of the device 20.
  • the current position value and the current position change can be corrected beforehand by the computing unit 23 on the basis of a moving average.
  • the signal processing unit 22, the computing unit 23 and the output unit 24 can be controlled by a control unit 25. Settings of the signal processing unit 22, the computing unit 23, the output unit 24 or the control unit 25 can be changed via the user interface 28 if necessary.
  • the data generated in the device 20 can be stored in a memory 26 if necessary, for example for later evaluation or for use by the components of the device 20.
  • the signal processing unit 22, the computing unit 23, the output unit 24 and the control unit 25 can be implemented as dedicated hardware, for example as integrated circuits. Of course, they can also be partially or completely combined or implemented as software that runs on a suitable processor, for example on a GPU or a CPU.
  • the input 21 and the output 27 can be implemented as separate interfaces or as a combined bidirectional interface.
  • Fig. 3 shows a simplified schematic representation of a second embodiment of a device for operating a rotary or linear motion encoder, which has a number of detection sections.
  • the device 30 has a processor 32 and a memory 31.
  • the device 30 is a computer or a control unit. Instructions are stored in the memory 31 which, when executed by the processor 32, cause the device 30 to carry out the steps according to one of the described methods.
  • the instructions stored in the memory 31 thus embody a program which can be executed by the processor 32 and which implements the method according to the invention.
  • the device 30 has an input 33 for receiving information, for example information on operating actions of a user of the machine. Data generated by the processor 32 are provided via an output 34. In addition, they can be stored in the memory 31.
  • the input 33 and the output 34 can be combined to form a bidirectional interface.
  • the processor 32 may include one or more processing units, such as microprocessors, digital signal processors, or combinations thereof.
  • the memories 26, 31 of the described embodiments can have both volatile and non-volatile memory areas and can comprise a wide variety of storage devices and storage media, for example hard disks, optical storage media or semiconductor memories.
  • Fig. 4 schematically shows, as an example of a machine 40, a means of transport in which a solution according to the invention is implemented.
  • the means of transport is a motor vehicle.
  • the motor vehicle has an actuating device 41 for valves.
  • the actuating device 41 is provided with a measuring sensor 1.
  • the motor vehicle has a device 20 according to the invention.
  • an infotainment system 42 with a display device 43 a number of assistance systems 44, an environmental sensor system 45 for recording environmental information, such as cameras, radar sensors, lidar sensors or ultrasonic sensors, and a data transmission unit 46.
  • the assistance systems 44 can access the measured values of the measuring sensor 1 if necessary.
  • a connection to a backend can be established, e.g. for transmitting settings or for retrieving updated software for the components of the motor vehicle.
  • a memory 47 is provided for storing data. The data exchange between the various components of the motor vehicle takes place via a network 48.
  • Fig. 5 shows a schematic of an angle sensor, i.e. a measuring sensor 1 for a rotary movement, with an analog output signal.
  • the angle sensor has, for example, four detection sections S1-S4, i.e. four sectors with an angular range of 90° each.
  • the detection sections S1-S4 each provide a linear analog output signal, in this example a voltage between 0 mV and 5000 mV.
  • Fig. 6 shows an example of an algorithm for implementing a method according to the invention.
  • a measurement angle is determined using the angle sensor from Fig. 5.
  • the pseudocode shown therefore refers to a sector size of the angle sensor of 90°. Whenever 90° or 45° is used as an operator in the pseudocode, the sector size or half the sector size is generally used there.
  • the raw value (voltageRaw) of the voltage is read in the first block 110 and a raw angle (angleValueRaw(i)) is calculated from it.
  • angleValueRaw(i) the difference between the raw angle and the previously determined raw angle is calculated.
  • the difference is divided into absolute value (abs_delta_alpha(i)) and sign (sign_delta_alpha(i)).
  • a confidence value is calculated from the absolute value of the difference. (conf_val(i)). The function used for this can be selected.
  • it is checked whether the difference is greater than half the sector size. If this is the case, the angular step is considered a safe sector transition and the difference is initially reduced by the sector size in block 130. In any case, the difference between the magnitude and sign is then restored in block 140.
  • the angular step (stepAngle(i)) is estimated as the evaluated sum of the previous angular step, evaluated by the complement of the confidence value, and the current difference, evaluated by the confidence value.
  • the current value for the angle is then the sum of the last value of the angle and the angular step. This value lies within the total possible angular range between a minimum angle and a maximum angle.
  • the next query in block 160 checks whether the confidence value is equal to 1. If not, the calculation ends. If so, the newly calculated angle and the angle step are corrected based on a moving average in block 170. This step is advantageous because the integrating angle calculation leads to an error for measured values with a confidence value of less than 1. Before the moving average is calculated, the current detection section (segSens) is first determined. After a few steps, the value of the angle and the angle step are adjusted again. The algorithm finally ends with block 180.
  • Fig. 7 shows example functions for determining a confidence value.
  • the confidence value Ci is shown as a function of the amount of the difference Dj between the recorded measurement and the previously recorded measurement. In this example, this is the difference (abs_delta_alpha(i)) between the raw angle and the previously determined raw angle.
  • the functions return the value '1', i.e. full confidence, if the difference is small (0°...Gi or G2...90 0 ). All values in between are less trustworthy.
  • the range G2...9O 0 corresponds to a sector transition.
  • the course of the solid line between the limit values G1, G2 can be described, for example, by a fourth power. Such a function delivers very robust results. Alternatively, a linear course can be used, as shown by the dashed line.
  • Fig. 8 shows the results of a signal evaluation using the algorithm from Fig. 6.
  • Fig. 8a shows the time course of the raw value (voltageRaw) of the voltage.
  • Fig. 8b shows the associated course of the raw angle (angleValueRaw), the amount (abs_delta_alpha) of the difference between the raw angle and the previously determined raw angle, and the angle step (stepAngle).
  • Fig. 8c shows the course of the current detection section (segSens), calculated once without filtering and once with filtering, as well as the course of the confidence value (conf_val).
  • Fig. 8d) finally shows the time course of the Angle (angleValueSens), once calculated without filtering and once calculated with filtering.
  • the direct transfer of the measured values in the area of a sector transition can lead to a large jump in the angle.
  • the inventive filtering of the values significantly reduces this jump.
  • the filtering only has a significant effect in a small time window in which the confidence value deviates from ,T. The two curves then quickly adjust again.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, insbesondere eines Messgebers, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Maschine, in der ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird. In einem ersten Schritt wird eine Messgröße eines Detektionsabschnitts erfasst (10). Aus der erfassten Messgröße und einer vorherigen erfassten Messgröße wird ein Konfidenzwert bestimmt (11). Auf Basis zumindest der erfassten Messgröße, der vorherigen erfassten Messgröße und des Konfidenzwertes wird dann ein aktueller Positionswert ermittelt (12). Anschließend wird der ermittelte aktuelle Positionswert ausgegeben (13).

Description

Beschreibung
Verfahren, Computerprogramm und Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, insbesondere eines Messgebers, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Maschine, in der ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird.
In der Robotik sowie allgemein in der Automatisierungstechnik ist das Messen der Position von rotatorischen oder translatorischen Achsen bzw. Servoachsen, die allgemein auch als Gelenk interpretiert werden, von großer Bedeutung. Eine Herausforderung insbesondere bei mobilen Robotern besteht wegen der stark begrenzten Bauräume in der Integration von Winkelgebern oder Linearmesssystemen in die mechanische Struktur. Werden translatorische Bewegungen mittels Spindelantrieb realisiert, ergibt sich unter der Prämisse, dass der Spindelantrieb nur ein minimales mechanisches Spiel besitzt, hier beispielsweise die Möglichkeit, mit als Absolutwertgeber ausgeführten Winkelgebern auch den Linearweg zu erfassen.
Komfortabel in der Anwendung sind Absoluwertgeber, die als sogenannte Multiturngeber ausgeführt sind. Diese haben z.B. eine Winkelmesseinrichtung für 0° bis 360° sowie eine Zähleinrichtung für die durchgeführten Rotationen. Allerdings sind diese zur Erreichung der Multiturnfähigkeit in der Regel mit Batterien oder zusätzlicher Elektronik ausgestattet, sodass sich Nachteile im Package oder zusätzlicher Wartungsaufwand ergeben.
Winkelgeber sehr kleiner Bauart, die auch in sehr kleine Bauräume integriert werden können, sind in Form von Singleturn-Absoluwertgebern verfügbar. Dabei besteht die Möglichkeit, die Multiturnfähigkeit nachzubilden.
In diesem Zusammenhang beschreibt die indische Patentanmeldung 265/MUM/2002 ein Verfahren zur Umwandlung eines n-Bit Singleturn-Absolutwertgebers in einen programmierbaren m*n-Bit Multiturn-Absolutwertgeber. Bei dem Verfahren wird die Anzahl vollständiger Umdrehungen der Achse des Singleturn-Absolutwertgebers gespeichert. Bei Winkelgebern mit Detektionssektoren, insbesondere bei Winkelgebern mit linearer Ausgangsspannung, kann beobachtet werden, dass durch parasitäres Tiefpassverhalten der Übergang von einem Detektionssektor in einen anderen Detektionssektor vereinzelt nicht klar erkennbar ist. Daher kann die Erkennungsschwelle nicht auf den Wert der maximalen Winkeländerung pro Schritt gelegt werden bzw. kurz darüber, sondern auf den Wert der halben Sektorgröße des Detektionssektors, d.h. auf 45° bei Detektionssektoren mit einer Sektorgröße von 90°.
Eine vergleichbare Problematik kann auch bei Linearmesssystemen auftreten, deren Messung auf einer Mischung aus inkrementellen und absoluten Anteilen besteht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Lösungen zum Betreiben eines Messgebers für eine Drehoder Linearbewegung bereitzustellen, die eine verbesserte Erkennung von Übergängen zwischen Detektionsabschnitten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Computerprogramm mit Instruktionen gemäß Anspruch 8, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch eine Maschine gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, wobei der Messgeber eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist, die Schritte:
- Erfassen einer Messgröße eines Detektionsabschnitts;
- Bestimmen eines Konfidenzwertes aus der erfassten Messgröße und einer vorherigen erfassten Messgröße;
- Ermitteln eines aktuellen Positionswertes auf Basis zumindest der erfassten Messgröße, der vorherigen erfassten Messgröße und des Konfidenzwertes; und
- Ausgeben des ermittelten aktuellen Positionswertes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist, veranlassen:
- Erfassen einer Messgröße eines Detektionsabschnitts; - Bestimmen eines Konfidenzwertes aus der erfassten Messgröße und einer vorherigen erfassten Messgröße;
- Ermitteln eines aktuellen Positionswertes auf Basis zumindest der erfassten Messgröße, der vorherigen erfassten Messgröße und des Konfidenzwertes; und
- Ausgeben des ermittelten aktuellen Positionswertes.
Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch Steuergeräte, eingebettete Systeme und andere prozessorbasierte Datenverarbeitungsvorrichtungen.
Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist, auf:
- einer Signalverarbeitungseinheit zum Erfassen einer Messgröße eines Detektionsabschnitts;
- einer Recheneinheit zum Bestimmen eines Konfidenzwertes aus der erfassten Messgröße und einer vorherigen erfassten Messgröße und zum Ermitteln eines aktuellen Positionswertes auf Basis zumindest der erfassten Messgröße, der vorherigen erfassten Messgröße und des Konfidenzwertes; und
- einer Ausgabeeinheit zum Ausgeben des ermittelten aktuellen Positionswertes.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Filter verwendet, das auf einem Vertrauensbereich für die erfassten Messgrößen beruht und bei in Abhängigkeit vom Vertrauenswert anstatt der direkten Übernahme der Messgröße auf die erfasste Messgröße des vorherigen Schrittes zurückgeht und damit einen Schätzwert liefert. Auf diese Weise wird mit einem überschaubaren Rechenaufwand ein Gewinn an Robustheit erreicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Konfidenzwert auf Basis der Differenz der erfassten Messgröße und der vorherigen erfassten Messgröße bestimmt. Die Nutzung der Differenz hat den Vorteil, dass auf diese Weise der Konfidenzwert abhängig ist von der Änderung der Messgröße, nicht vom absoluten Wert der Messgröße.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Konfidenzwert mittels einer Funktion bestimmt, die einen hohen Konfidenzwert liefert für eine Differenz zwischen 0 und einem unteren Grenzwert und für eine Differenz zwischen einem oberen Grenzwert und einer Abschnittsgröße des Detektionsabschnitts, und die einen niedrigeren Konfidenzwert liefert für eine Differenz zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Funktion nur dann einen hohen Konfidenzwert liefert, z.B. einen Wert von 1 für volles Vertrauen, wenn die Änderung klein ist. Alle Werte zwischen den beiden Grenzwerten sind weniger vertrauenswürdig.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird beim Ermitteln des aktuellen Positionswertes aus einer vorherigen Positionsänderung und der Differenz eine aktuelle Positionsänderung ermittelt. Beispielsweise kann die aktuelle Positionsänderung ermittelt werden als bewertete Summe der vorherigen Positionsänderung, bewertet um das Komplement des Konfidenzwertes, und der Differenz, bewertet um den Konfidenzwert. Die aktuelle Positionsänderung ist somit ein Schätzwert, der das Vertrauen in die Sensorwerte widerspiegelt. Der aktuelle Positionswert kann dann auf einfache Weise bestimmt werden als Summe eines vorherigen Positionswertes und der aktuellen Positionsänderung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden im Falle eines hohen Konfidenzwertes auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung der aktuelle Positionswert sowie die aktuelle Positionsänderung korrigiert. Wenn der Vertrauenswert wieder hoch ist, beispielsweise bei 1 liegt, wird auf den Sensorwert iteriert. Dazu wird auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung der neu berechnete Positionswert sowie der Wert der Positionsänderung korrigiert. Dieser Schritt ist vorteilhaft, da bei den Messwerten mit einem reduzierten Vertrauenswert, z.B. einem Vertrauenswert kleiner 1, die integrierende Positionsberechnung zu einem Fehler führt. Nach einigen Schritten ist dann der Wert der Position und der Vertrauenswert wieder angepasst.
Besonders vorteilhaft wird ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Maschine eingesetzt, insbesondere in einem Fortbewegungsmittel oder einer Industriemaschine. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug handeln, z.B. einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Lösung dabei in allen Situationen anwendbar, in denen eine Winkeloder Längenerfassung erforderlich ist, z.B. bei Stelleinrichtungen für Klappen, Ventile, Türen, etc. Bei der Industriemaschine kann es sich beispielsweise um einen Roboter oder ein anderes Automatisierungssystem handeln, bei dem eine Winkel- oder Längenerfassung benötigt wird.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich. Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Messgebers;
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers;
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers;
Fig. 4 stellt schematisch als Beispiel für eine Maschine ein Fortbewegungsmittel dar, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist;
Fig. 5 zeigt schematisch einen Winkelgeber mit einem analogen Ausgangssignal;
Fig. 6 zeigt exemplarisch einen Algorithmus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Fig. 7 zeigt beispielhafte Funktionen für die Bestimmung eines Konfidenzwertes; und
Fig. 8 zeigt Ergebnisse einer Signalauswertung durch den Algorithmus aus Fig. 6.
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Messgebers mit einer Anzahl Detektionsabschnitte. In einem ersten Schritt wird eine Messgröße eines Detektionsabschnitts erfasst 10. Aus der erfassten Messgröße und einer vorherigen erfassten Messgröße wird ein Konfidenzwert bestimmt 11, z.B. auf Grundlage der Differenz der erfassten Messgröße und der vorherigen erfassten Messgröße. Für das Bestimmen 11 des Konfidenzwertes wird vorzugsweise eine Funktion genutzt, die einen hohen Konfidenzwert liefert für eine Differenz zwischen 0 und einem unteren Grenzwert und für eine Differenz zwischen einem oberen Grenzwert und einer Abschnittsgröße des Detektionsabschnitts, und die einen niedrigeren Konfidenzwert liefert für eine Differenz zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert. Auf Basis zumindest der erfassten Messgröße, der vorherigen erfassten Messgröße und des Konfidenzwertes wird dann ein aktueller Positionswert ermittelt 12. Dazu kann aus einer vorherigen Positionsänderung und der Differenz der erfassten Messgröße und der vorherigen erfassten Messgröße eine aktuelle Positionsänderung ermittelt werden.
Beispielsweise kann die aktuelle Positionsänderung ermittelt werden als bewertete Summe der vorherigen Positionsänderung, bewertet um das Komplement des Konfidenzwertes, und der Differenz, bewertet um den Konfidenzwert. Der aktuelle Positionswert kann dann ermittelt werden als Summe eines vorherigen Positionswertes und der aktuellen Positionsänderung. Anschließend wird der ermittelte aktuelle Positionswert ausgegeben 13. Im Falle eines hohen Konfidenzwertes können der aktuelle Positionswert sowie die aktuelle Positionsänderung zuvor noch auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung korrigiert werden.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zum Betreiben eines Messgebers 1 für eine Dreh- oder Linearbewegung, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist. Die Vorrichtung 20 hat einen Eingang 21 , über den eine Signalverarbeitungseinheit 22 eine Messgröße Mj eines Detektionsabschnitts erfasst. Eine Recheneinheit 23 ist eingerichtet, aus der erfassten Messgröße Mj und einer vorherigen erfassten Messgröße MM einen Konfidenzwert Ci zu bestimmen z.B. auf Grundlage der Differenz der erfassten Messgröße Mj und der vorherigen erfassten Messgröße M . Für das Bestimmen des Konfidenzwertes Ci wird vorzugsweise eine Funktion genutzt, die einen hohen Konfidenzwert Ci liefert für eine Differenz zwischen 0 und einem unteren Grenzwert und für eine Differenz zwischen einem oberen Grenzwert und einer Abschnittsgröße des Detektionsabschnitts, und die einen niedrigeren Konfidenzwert Ci liefert für eine Differenz zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert. Die Recheneinheit 23 ist zudem eingerichtet, auf Basis zumindest der erfassten Messgröße Mi, der vorherigen erfassten Messgröße MM und des Konfidenzwertes Ci einen aktuellen Positionswert zu ermitteln. Dazu kann aus einer vorherigen Positionsänderung und der Differenz der erfassten Messgröße Mi und der vorherigen erfassten Messgröße MM eine aktuelle Positionsänderung ermittelt werden. Beispielsweise kann die aktuelle Positionsänderung ermittelt werden als bewertete Summe der vorherigen Positionsänderung, bewertet um das Komplement des Konfidenzwertes Ci, und der Differenz, bewertet um den Konfidenzwert Ci. Der aktuelle Positionswert Wi kann dann ermittelt werden als Summe eines vorherigen Positionswertes und der aktuellen Positionsänderung.
Eine Ausgabeeinheit 24 ist eingerichtet, den ermittelten aktuellen Positionswert Wi über einen Ausgang 27 der Vorrichtung 20 auszugeben. Im Falle eines hohen Konfidenzwertes können der aktuelle Positionswert sowie die aktuelle Positionsänderung zuvor noch von der Recheneinheit 23 auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung korrigiert werden. Die Signalverarbeitungseinheit 22, die Recheneinheit 23 und die Ausgabeeinheit 24 können von einer Kontrolleinheit 25 gesteuert werden. Über die Benutzerschnittstelle 28 können gegebenenfalls Einstellungen der Signalverarbeitungseinheit 22, der Recheneinheit 23, der Ausgabeeinheit 24 oder der Kontrolleinheit 25 geändert werden. Die in der Vorrichtung 20 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 26 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 20. Die Signalverarbeitungseinheit 22, die Recheneinheit 23, die Ausgabeeinheit 24 sowie die Kontrolleinheit 25 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU oder einer CPU. Der Eingang 21 und der Ausgang 27 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte bidirektionale Schnittstelle implementiert sein.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Messgebers für eine Dreh- oder Linearbewegung, der eine Anzahl Detektionsabschnitte aufweist. Die Vorrichtung 30 weist einen Prozessor 32 und einen Speicher 31 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 30 um einen Computer oder ein Steuergerät. Im Speicher 31 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 30 bei Ausführung durch den Prozessor 32 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 31 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 32 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 30 hat einen Eingang 33 zum Empfangen von Informationen, beispielsweise von Informationen zu Bedienhandlungen eines Nutzers der Maschine. Vom Prozessor 32 generierte Daten werden über einen Ausgang 34 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 31 abgelegt werden. Der Eingang 33 und der Ausgang 34 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
Der Prozessor 32 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
Die Speicher 26, 31 der beschriebenen Ausführungsformen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher. Fig. 4 stellt schematisch als Beispiel für eine Maschine 40 ein Fortbewegungsmittel dar, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist. Bei dem Fortbewegungsmittel handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist in diesem Beispiel eine Stelleinrichtung 41 für Ventile auf. Die Stelleinrichtung 41 ist mit einem Messgeber 1 versehen. Für den Betrieb des Messgebers 1 weist das Kraftfahrzeug eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 auf. Weitere Komponenten des Kraftfahrzeugs sind ein Infotainment-System 42 mit einer Anzeigevorrichtung 43, eine Anzahl von Assistenzsystemen 44, eine Umgebungssensorik 45 zum Erfassen von Umgebungsinformationen, wie Kameras, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Ultraschallsensoren, sowie eine Datenübertragungseinheit 46. Die Assistenzsysteme 44 können bei Bedarf auf die Messwerte des Messgebers 1 zurückgreifen. Mittels der Datenübertragungseinheit 46 kann beispielsweise eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, z.B. zum Übermitteln von Einstellungen oder zum Abrufen aktualisierter Software für die Komponenten des Kraftfahrzeugs. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 47 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 48.
Nachfolgend sollen anhand von Fig. 5 bis Fig. 9 weitere Details der erfindungsgemäßen Lösung aufgezeigt werden.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Winkelgeber, d.h. einen Messgeber 1 für eine Drehbewegung, mit einem analogen Ausgangssignal. Der Winkelgeber weist beispielhaft vier Detektionsabschnitte S1-S4 auf, d.h. vier Sektoren mit einem Winkelbereich von je 90°. Es sind allerdings auch andere Konfigurationen möglich, z.B. Konfigurationen mit Halbkreisabschnitten oder einem Vollkreis. Die Detektionsabschnitte S1-S4 liefern jeweils ein lineares analoges Ausgangssignal, in diesem Beispiel eine Spannung zwischen 0 mV und 5000 mV.
Fig. 6 zeigt exemplarisch einen Algorithmus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Beispiel wird unter Verwendung des Winkelgebers aus Fig. 5 ein Messwinkel bestimmt. Der dargestellte Pseudocode bezieht sich daher auf eine Sektorgröße des Winkelgebers von 90°. Immer wenn im Pseudocode 90° oder 45° als Operator benutzt werden, ist dort im allgemeinen Fall die Sektorgröße bzw. die halbe Sektorgröße anzusetzen. Nach dem Start im Block 100 wird im ersten Block 110 der Rohwert (voltageRaw) der Spannung gelesen und daraus ein Rohwinkel (angleValueRaw(i)) berechnet. Zudem wird die Differenz (delta_alpha(i)) zwischen dem Rohwinkel und dem vorherigen bestimmten Rohwinkel berechnet. Die Differenz wird in Betrag (abs_delta_alpha(i)) und Vorzeichen (sign_delta_al pha(i)) aufgeteilt. Aus dem Betrag der Differenz wird ein Konfidenzwert (conf_val(i)) bestimmt. Die dafür genutzte Funktion ist wählbar. In einem anschließenden Vergleichsblock 120 wird geprüft, ob die Differenz größer ist als halbe Sektorgröße. Wenn dies der Fall ist, wird der Winkelschritt als sicherer Sektorübergang gewertet und die Differenz im Block 130 zunächst um die Sektorgröße reduziert. In jedem Fall wird danach im Block 140 die Differenz aus Betrag und Vorzeichen restauriert. Im folgenden Block 150 wird der Winkelschritt (stepAngle(i)) geschätzt als bewertete Summe des vorherigen Winkelschritts, bewertet um das Komplement des Vertrauenswertes, und der aktuellen Differenz, bewertet um den Vertrauenswert. Der aktuelle Wert für den Winkel (angleValueSens(i)) ist dann die Summe aus dem letzten Wert des Winkels und dem Winkelschritt. Dieser Wert liegt dabei innerhalb des insgesamt möglichen Winkelbereichs zwischen einem minimalen Winkel und einem maximalen Winkel. Die nächste Abfrage im Block 160 prüft, ob der Vertrauenswert gleich 1 ist. Wenn nein, endet die Berechnung. Wenn ja, werden auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung im Block 170 der neu berechnete Winkel sowie der Winkelschritt korrigiert. Dieser Schritt ist vorteilhaft, da bei den Messwerten mit Vertrauenswert kleiner 1 die integrierende Winkelberechnung zu einem Fehler führt. Vor der gleitenden Mittelwertbildung wird dabei zunächst der aktuelle Detektionsabschnitt (segSens) bestimmt. Nach einigen Schritten ist dann der Wert des Winkels und des Winkelschritts wieder angepasst. Der Algorithmus endet schließlich mit dem Block 180.
Fig. 7 zeigt beispielhafte Funktionen für die Bestimmung eines Konfi denzwertes. Dargestellt ist der Konfidenzwert Ci als Funktion des Betrags der Differenz Dj zwischen der erfassten Messgröße und der vorherigen erfassten Messgröße. In diesem Beispiel handelt es sich dabei um die Differenz (abs_delta_alpha(i)) zwischen dem Rohwinkel und dem vorherigen bestimmten Rohwinkel. Grundsätzlich liefern die Funktionen den Wert ,1‘, also volles Vertrauen, wenn die Differenz klein ist (0°...Gi oder G2...900). Alle Werte dazwischen sind weniger vertrauenswürdig. Der Bereich G2...9O0 entspricht einem Sektorübergang. Der Verlauf der durchgezogenen Linie zwischen den Grenzwerten G1, G2 kann z.B. durch eine vierte Potenz beschrieben werden. Eine solche Funktion liefert sehr robuste Ergebnisse. Alternativ kann auch ein linearer Verlauf verwendet werden, wie er durch die gestrichelte Linie wiedergegeben ist.
Fig. 8 zeigt Ergebnisse einer Signalauswertung durch den Algorithmus aus Fig. 6. Dabei zeigt Fig. 8a) den zeitlichen Verlauf des Rohwerts (voltageRaw) der Spannung. Fig. 8b) zeigt den zugehörigen Verlauf des Rohwinkels (angleValueRaw), des Betrags (abs_delta_alpha) der Differenz zwischen dem Rohwinkel und dem vorherigen bestimmten Rohwinkel sowie den Winkelschritt (stepAngle). Fig. 8c) zeigt den Verlauf des aktuellen Detektionsabschnitts (segSens), einmal berechnet ohne Filterung und einmal berechnet mit Filterung, sowie den Verlauf des Konfidenzwertes (conf_val). Fig. 8d) zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf des Winkels (angleValueSens), einmal berechnet ohne Filterung und einmal berechnet mit Filterung. Wie man gut erkennen kann, kann die direkte Übernahme der Messwerte im Bereich eines Sektorübergangs zu einem großen Sprung des Winkels führen. Durch die erfindungsgemäße Filterung der Werte wird dieser Sprung deutlich reduziert. Dabei hat die Filterung nur in einem kleinen zeitlichen Fenster, in dem der Konfidenzwert von ,T abweicht, deutliche Auswirkungen. Die beiden Verläufe gleichen sich anschließend rasch wieder an.
Bezugszeichenliste
1 Messgeber
10 Erfassen einer Messgröße
11 Bestimmen eines Konfidenzwertes
12 Ermitteln eines aktuellen Positionswertes
13 Ausgeben des ermittelten aktuellen Positionswertes
20 Vorrichtung
21 Eingang
22 Signalverarbeitungseinheit
23 Recheneinheit
24 Ausgabeeinheit
25 Kontrolleinheit
26 Speicher
27 Ausgang
28 Benutzerschnittstelle
30 Vorrichtung
31 Speicher
32 Prozessor
33 Eingang
34 Ausgang
40 Maschine
41 Stelleinrichtung
42 Infotainment-System
43 Anzeigevorrichtung
44 Assistenzsystem
45 Umgebungssensorik
46 Datenübertragungseinheit
47 Speicher
48 Netzwerk
100 - 180 Programmschritte
Ci Konfidenzwert
Di Differenz
Gi Unterer Grenzwert G2 Oberer Grenzwert
Mj Messgröße
Sj Detektionsabschnitt
SG Abschnittsgröße
Wi Positionswert
WSi Positionsänderung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Messgebers (1) für eine Dreh- oder Linearbewegung, wobei der Messgeber eine Anzahl Detektionsabschnitte (Sj) aufweist, mit den Schritten:
- Erfassen (10) einer Messgröße (Mj) eines Detektionsabschnitts (Sj);
- Bestimmen (11) eines Konfi denzwertes (Cj) aus der erfassten Messgröße (Mj) und einer vorherigen erfassten Messgröße (Mn);
- Ermitteln (12) eines aktuellen Positionswertes (W) auf Basis zumindest der erfassten Messgröße (Mj), der vorherigen erfassten Messgröße (MM) und des Konfidenzwertes (Ci); und
- Ausgeben (13) des ermittelten aktuellen Positionswertes (Wj).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei der Konfidenzwert (Ci) auf Basis der Differenz (Di) der erfassten Messgröße (Mi) und der vorherigen erfassten Messgröße (M ) bestimmt wird (11).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Konfidenzwert (Ci) mittels einer Funktion (F) bestimmt wird (11), die einen hohen Konfidenzwert liefert für eine Differenz (Di) zwischen 0 und einem unteren Grenzwert (Gi) und für eine Differenz (Di) zwischen einem oberen Grenzwert (G2) und einer Abschnittsgröße (SG) des Detektionsabschnitts (Si), und die einen niedrigeren Konfidenzwert liefert für eine Differenz (Di) zwischen dem unteren Grenzwert (G1) und dem oberen Grenzwert (G2).
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei beim Ermitteln (12) des aktuellen Positionswertes (W) aus einer vorherigen Positionsänderung (WS ) und der Differenz (Di) eine aktuelle Positionsänderung (WSi) ermittelt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die aktuelle Positionsänderung (WSi) ermittelt wird als bewertete Summe der vorherigen Positionsänderung (WS ), bewertet um das Komplement des Konfidenzwertes (Ci), und der Differenz (Di), bewertet um den Konfidenzwert (Ci).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der aktuelle Positionswert (Wj) ermittelt wird (12) als Summe eines vorherigen Positionswertes (WM) und der aktuellen Positionsänderung (WSi).
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei im Falle eines hohen Konfidenzwertes (Cj) auf Basis einer gleitenden Mittelwertbildung der aktuelle Positionswert (Wj) sowie die aktuelle Positionsänderung (WSj) korrigiert werden.
8. Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Betreiben eines Messgebers (1) für eine Dreh- oder Linearbewegung veranlassen.
9. Vorrichtung (20) zum Betreiben eines Messgebers (1) für eine Dreh- oder Linearbewegung, wobei der Messgeber eine Anzahl Detektionsabschnitte (Sj) aufweist, mit:
- einer Signalverarbeitungseinheit (22) zum Erfassen (10) einer Messgröße (Mj) eines Detektionsabschnitts (Sj);
- einer Recheneinheit (23) zum Bestimmen (11) eines Konfidenzwertes (Ci) aus der erfassten Messgröße (Mj) und einer vorherigen erfassten Messgröße (MM) und zum Ermitteln (12) eines aktuellen Positionswertes (Wj) auf Basis zumindest der erfassten Messgröße (Mj), der vorherigen erfassten Messgröße (M ) und des Konfidenzwertes (Ci); und
- einer Ausgabeeinheit (24) zum Ausgeben (13) des ermittelten aktuellen Positionswertes (W).
10. Maschine (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (40) eine Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 9 aufweist oder eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Betreiben eines Messgebers (1) für eine Dreh- oder Linearbewegung auszuführen.
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