WO2019101526A1 - Verfahren zum automatischen kalibrieren und verfahren zum verwenden eines beschleunigungssensors - Google Patents

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WO2019101526A1
WO2019101526A1 PCT/EP2018/080501 EP2018080501W WO2019101526A1 WO 2019101526 A1 WO2019101526 A1 WO 2019101526A1 EP 2018080501 W EP2018080501 W EP 2018080501W WO 2019101526 A1 WO2019101526 A1 WO 2019101526A1
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WO
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acceleration
vehicle
acceleration sensor
component
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/080501
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Larcher
Stefan Roemer
Charly Zaepfel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Definitions

  • the present invention relates to a method for automatically calibrating an acceleration sensor on a vehicle and to a method for using an acceleration sensor on a vehicle.
  • Acceleration sensors are used on vehicles to certain operating situations, such as accidents or the like, and / or
  • Accelerometer is aligned with respect to the vehicle.
  • the inventive method for automatically calibrating an acceleration sensor with the features of claim 1 has the advantage that without any intervention by an operator and virtually during operation, a calibration of an acceleration sensor on a vehicle with high accuracy is possible. this will
  • the acceleration sensor on the vehicle can be mounted arbitrarily, in particular within the permissible degrees of freedom and / or depending on the dimension of the sensor reference system, because the automatic method characterizes the orientation of the acceleration sensor on the vehicle by determining the longitudinal acceleration without human intervention and the lateral acceleration and thus a representation of the longitudinal direction and the transverse extension direction of the vehicle in the reference frame of the acceleration sensor supplies.
  • the sensor can also be introduced into the vehicle at any time. For a sufficiently accurate function is sufficient in itself a stable attachment to the vehicle, which allows a deterministic transmission of longitudinal and lateral acceleration to the sensor. For example, this is also possible in the cigarette lighter socket.
  • the number of components of the detected tuples must be at least equal to the number of degrees of freedom of the sensor orientation, it is two-dimensional tuples - ie pairs - conceivable with correspondingly reduced degrees of freedom.
  • Vehicle acceleration also briefly as a longitudinal component or
  • Cross component of the vehicle acceleration called.
  • a respective value of the longitudinal component and / or the transverse component may also be referred to as intensity, strength or magnitude.
  • the component of the longitudinal acceleration of the vehicle or its values, strengths or intensities and their direction based on a first major component of the underlying multivariate distribution of the plurality of tuples or triples of acceleration measurements of the acceleration sensor and in particular based on a first eigenvector of the covariance matrix belonging to the multivariate distribution.
  • the component of the lateral acceleration of the vehicle or its values, strengths or intensities and their direction based on a second major component of the underlying multivariate distribution of the plurality of tuples or triples of
  • C E (A T A) -E (a) T E (a) '(I) is formed.
  • C denotes the covariance matrix
  • A the three-column matrix from the
  • Acceleration sensor E the operator of the averaging and T the operator of the transposition.
  • the gravity acceleration component of the vehicle in the direction of gravity and its direction may be determined in a particularly simple manner on the basis of the expected value of the underlying multivariate distribution of the plurality of tuples or triples of
  • Acceleration measured values of the acceleration sensor can be derived.
  • a low-pass filter is also suitable.
  • the component of the lateral acceleration of the vehicle and its direction may be determined on the basis of the component of the longitudinal acceleration of the vehicle and the component of the gravitational acceleration of the vehicle using its vector product.
  • the inventive method is particularly simple if a respective main component, a respective eigenvector and in particular a respective first eigenvector of one of the respective multivariate distribution of
  • Acceleration measured values underlying covariance matrix is determined by a decomposition of the covariance matrix according to the relationship (II)
  • the columns of the MxM matrix V are given by the eigenvectors of the matrix A T A and H denotes the Hermitian operator.
  • the matrix S is formed by the square roots of the corresponding eigenvalues.
  • Covariance matrix can be determined by a Van Mises iteration.
  • a method is also provided for using an acceleration sensor on a vehicle, in particular as a retrofit kit.
  • an acceleration sensor is attached to a vehicle, in particular as a retrofittable component.
  • Embodiment of the inventive method for automatically calibrating an acceleration sensor of a vehicle to a vehicle Embodiment of the inventive method for automatically calibrating an acceleration sensor of a vehicle to a vehicle.
  • Acceleration sensor on the vehicle to be able to account, for example, due to thermo-mechanical deformations, because of manual misalignment or due to aging, it is advantageous if according to another preferred embodiment of the inventive use of an acceleration sensor on a vehicle, the method for
  • Acceleration measured values of the acceleration sensor in the reference frame of the acceleration sensor has a fixed scope and is evaluated under continuous updating according to a FIFO scheme.
  • the metrics are constantly running into valued memory with the oldest values removed from memory.
  • a procedure with a recursive approximation is also conceivable.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a with a
  • An acceleration sensor provided vehicle, which explains the definition of the mutual orientation of the vehicle and the acceleration sensor.
  • FIG. 1 illustrates schematically the definition of the decomposition of
  • Figure 3 illustrates schematically the definition of the decomposition of the linear linear
  • a method of automatically calibrating an acceleration sensor of a vehicle on a vehicle is a method of automatically calibrating an acceleration sensor of a vehicle on a vehicle.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a with a
  • Acceleration sensor 10 provided vehicle 1, which is the definition of the mutual orientation of vehicle 1 and acceleration sensor 10th explained.
  • the representation of Figure 1 is actually purely schematic and does not take into account any size relationships.
  • An acceleration sensor 10 is mounted on the vehicle 1, which has a reference frame 1 ', for example in the form of a tripod with axes 11, 12 and g, which represent the longitudinal direction, the transverse direction and the direction of gravity. If no special measures are taken during assembly, the sensor 10 has a reference system 10 '- for example a tripod with axes x, y, z - which is generally not aligned with the axes 11, 12 and g of the reference frame 1' is, but it is twisted.
  • a reference system 10 '- for example a tripod with axes x, y, z - which is generally not aligned with the axes 11, 12 and g of the reference frame 1' is, but it is twisted.
  • Main component analysis to determine the orientation of the reference system 10 'of the acceleration sensor 10 in relation to the reference system 1' of the vehicle 1 without the intervention of an operator.
  • FIG. 2 schematically illustrates the definition of the vectorial decomposition of the acceleration a into the linear component a l and into the component a g in FIG
  • Figure 3 illustrates schematically the definition of the decomposition of the linear linear
  • FIGS. 4 and 5 show embodiments of the method S, T according to the invention for automatically calibrating an acceleration sensor 10 of a vehicle 1 on a vehicle 1.
  • a first step S1 an acceleration sensor 10 is first provided and attached to a vehicle 1.
  • Acceleration sensor 10 on a vehicle 1 explains:
  • a start phase represented by the step T0 all preparations for calibration are made, in particular a
  • corresponding acceleration sensor 10 is provided on a vehicle 1, mounted and put into operation.
  • step T3 it is checked whether the ring buffer is filled. If this is not the case - decision "No" in step T3 - the process returns to step T1 to record further acceleration measured values.
  • step T3 If it is determined in step T3 that the ring memory is filled - decision "Yes" in step T3 - then it proceeds to step T4, in which it is checked whether the vehicle 1 is operated in a low-speed range.
  • Acceleration signal can be used to detect whether the vehicle is driving or at rest.
  • the variance increases when the vehicle is not at rest, namely due to the vibrations on the vehicle.
  • step T3 corresponding speed values of the vehicle 1 can be detected from a parallel recording with the step T5. Also conceivable here is the application of a priori knowledge. At low speed, the longitudinal acceleration is greatest. Thus, the first two main components can be assigned. Other methods, such as a yaw rate sensor, are conceivable to ensure that the lateral acceleration at the time of calibration is less than the longitudinal acceleration.
  • step T4 If it is determined in step T4, however, that the vehicle 1 in
  • step T6 Moves to step T6 and the principal component analysis, which corresponding components for the longitudinal acceleration a n , for the
  • Such sensors 10 may have a plurality of independent measuring axes x, y, z. Events like accidents or maneuvers can be over one
  • Signal processing can be identified on a microcontroller.
  • the installation and setup of the sensor 10 are not determined due to the retrofit character. Therefore, the relationship between the sensor axes x, y, z or the sensor reference system 10 'and the reference system T of an underlying vehicle 1 is not known in advance and may occur
  • Using such a sensor 10 to identify forces occurring in a traveling vehicle 1 requires appropriate association between a sensor reference system 10 'and a vehicle reference system 1'.
  • This calibration must be repeated each time the orientation of the sensor 10 changes with respect to the vehicle reference system T.
  • the present invention proposes a method, the measurements of a retrofit kit of a three-axis accelerometer or sensor on longitudinal or longitudinal acceleration direction, lateral or
  • Transverse acceleration direction and gravitational or gravitational direction of a moving vehicle 1 and its reference frame T automatically assign. Projecting acceleration measurements into a reference system 1 'aligned with a vehicle 1 makes it possible to classify maneuvers. Compared to previous approaches is according to the invention no
  • the invention therefore provides a kind of real-time or online calibration
  • the present invention can have the following components:
  • an acceleration sensor 10 which is set up, the acceleration along three independent spatial axes x, y, z, the one
  • controller or a general controller for example, a
  • Microcontroller - which is adapted to process the sensor data measured by the acceleration sensor 10, and
  • the algorithm of the underlying calibration process S, T can preferably be implemented as software and thus on the Microcontroller be executable. Alternatively, an ASIC implementation is possible. Mixed forms are conceivable.
  • the measurements of the accelerometer or acceleration sensor 10 are taken as a time series of multi-dimensional data points, e.g.
  • Each data point - understood as the vectorial value of an acceleration ⁇ - can be represented as a linear combination of three - in particular orthogonal - spatial directions which are aligned with or on the vehicle reference system 1 '.
  • the acceleration a can also be understood, for example, as a linear acceleration a 1 and a component of gravity a g disassembled in the reference system 1 'on the vehicle 1.
  • n a noise component n is assumed and allowed, which can be derived from a multivariate Gaussian distribution.
  • the three-dimensional acceleration vector a may also be converted with respect to the xyz sensor 10 relative to a base aligned with or on the vehicle reference system 1 '.
  • FIG. 1 further explains these vector illustrations.
  • the acceleration vector a may be derived by means of a principal component analysis (PCA) of the multivariate distribution of the accelerometer values a x , a y , a z .
  • PCA principal component analysis
  • This procedure is also referred to as center of gravity transformation or singular value decomposition.
  • the singular value decomposition is an analytical procedure for the flux center transformations. Other methods are conceivable, for example the Van Mises iteration.
  • the operator E denotes the averaging over the respective matrix or over the matrix product.
  • ® ( a ) itself forms an estimate of the gravitational vector, that is to say the component a g of the acceleration a in the direction of gravity.
  • this component g can also be determined by three channels which provide low-pass filtering of the time series signals. After subtracting the gravity term ä g , the linear remains
  • Acceleration component a l a - a g , as shown in Figure 2.
  • the remaining vector of the linear acceleration a l must be decomposed into the lateral component a l2 and the longitudinal components a n .
  • Vehicle reference system 1 'requires a prior knowledge of the expected
  • An embodiment of the invention utilizes the velocity dependence of the centripetal acceleration and thus the lateral acceleration according to the relationship (5) where r is the current radius of curvature of the vehicle trajectory and v is the local vehicle speed at the sensor 10.
  • the longitudinal acceleration a n of the vehicle 1 will have the greatest variance a priori and thus becomes the first main component.
  • Other a priori knowledge can also be used.
  • Covariance matrix C can be determined.
  • the third orthogonal component namely the direction of the lateral acceleration a l2 in the acceleration vector a, can be calculated via the vector product or external product. If no speedometer (eg, tachometer or GPS) is available, low-speed events can be detected by examining the noise of the accelerometer. The RMS value changes suddenly when the vehicle starts to drive or stops. Other preliminary information can also be incorporated. It is important that the
  • Pre-information ensures the expected ranking of the main components in the vector of longitudinal acceleration a n , to assign them. If to
  • the radius of curvature r is very large, the lateral acceleration ä l2 amount is also smaller than the longitudinal acceleration a n .
  • Singular Value Decomposition Singular Value Decomposition
  • Van Mises iteration Van Mises iteration
  • A UV H ( 7 ), where the columns of the MxM matrix V are given by the eigenvectors of the matrix A T A and H denotes the Hermitian operator.
  • N denotes the number of measured tuples and in particular the
  • the matrix U has the dimension N x N.
  • the matrix V has the dimension M x M.
  • the columns of V are the eigenvectors of A T A.
  • the size (AE (a)) 1 (AE (a)) is the covariance matrix of A.
  • the matrix U contains the eigenvectors of the covariance matrix if one subtracts the mean from A before the singular value decomposition. Therefore, after subtracting the average from the columns of the matrix A, the SVD provides the major components of the multivariate distribution provided by the measurements of the acceleration sensor.
  • the matrix ⁇ contains the square roots of the corresponding eigenvalues.
  • Main component can be implemented via an iteration, for example with the Van Mises iteration. This method can be done by following
  • the automatic calibration can be refined by continuously updating the longitudinal direction each time a low speed is detected. To be able to distinguish a forward movement from a backward movement without directional information, can
  • the matrix V can also be used as a rotation matrix for the unknown
  • Adjustment angle with respect to the vehicle reference system T be construed. This is of course only an estimate, since the mounting position of the sensor is inherently unknown.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (S) zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors (10) eines Fahrzeugs (1) an einem Fahrzeug (1) sowie ein Verfahren zum Verwenden eines Beschleunigungssensors (10) an einem Fahrzeug (1). Das Kalibrierungsverfahren ist ausgebildet mit den Schritten: Erfassen (S2) einer Mehrzahl von Tripeln(ä = (a x,a y,a z ))von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) im Bezugssystem (10') des Beschleunigungssensors (10), Bestimmen (S3) der Komponenten der Längsbeschleunigung (äl|) und der Querbeschleunigung (ä|2 ) der Fahrzeugbeschleunigung (ä ) im Bezugssystem (1) des Fahrzeugs (1) durch Hauptkomponentenanalyse der als multivariate Verteilung aufgefassten Mehrzahl von Tripeln(ä = (a x,a y,a z ))von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) und Bereitstellen (S4) und/oder Ausgeben (S5) der Komponenten der Längsbeschleunigung (äl|) und der Querbeschleunigung(ä I2 )der Fahrzeugbeschleunigung(ä) und/oder von deren Richtungsvektoren zur Charakterisierung der Orientierung des Beschleunigungssensors (10) am Fahrzeug (1).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum automatischen Kalibrieren und Verfahren zum Verwenden eines
Beschleuniqunqssensors
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors an einem Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Verwenden eines Beschleunigungssensors an einem Fahrzeug.
Beschleunigungssensoren werden an Fahrzeugen eingesetzt, um bestimmte Betriebssituationen, zum Beispiel Unfälle oder dergleichen, und/oder
Fahrmanöver erkennen und beurteilen zu können. Voraussetzung für eine sinnvolle Bewertung von durch Beschleunigungssensoren erfassten
Beschleunigungsdaten ist die Kenntnis darüber, wie der montierte
Beschleunigungssensor in Bezug auf das Fahrzeug ausgerichtet ist.
Flerkömmlicherweise wird bei der Erstmontage und insbesondere beim
Nachrüsten von Beschleunigungssensoren auf eine entsprechende
Orientierung des Beschleunigungssensors am Fahrzeug geachtet. Dies setzt beim Montieren eine Vielzahl von Flandgriffen und einen entsprechenden Aufwand voraus.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ohne Zutun durch einen Bediener und quasi während des Betriebs eine Kalibrierung eines Beschleunigungssensors an einem Fahrzeug mit hoher Genauigkeit möglich ist. Dies wird
erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors eines Fahrzeugs an einem Fahrzeug geschaffen wird, welches ausgebildet ist mit den Schritten:
(i) Erfassen einer Mehrzahl von Tupeln und insbesondere von Tripeln als Zeitreihe von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors in einem Bezugssystem des Beschleunigungssensors,
(ii) Bestimmen der Komponenten der Längsbeschleunigung und der
Querbeschleunigung der Fahrzeugbeschleunigung und insbesondere ihrer jeweiligen Werte im Bezugssystem des Beschleunigungssensors durch
Hauptkomponentenanalyse der als multivariate Verteilung aufgefassten
Mehrzahl von Tupeln oder Tripeln von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors und
(iii) Bereitstellen und insbesondere Ausgeben der Komponenten der
Längsbeschleunigung und der Querbeschleunigung der
Fahrzeugbeschleunigung bzw. ihrer jeweiligen Werte und/oder von deren Richtungsvektoren zur Charakterisierung der Orientierung des
Beschleunigungssensors am Fahrzeug.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen kann der Beschleunigungssensor am Fahrzeug - insbesondere innerhalb der zulässigen Freiheitsgrade und/oder abhängig von der Dimension des Sensorbezugssystems - beliebig montiert sein oder werden, weil das automatische Verfahren ohne menschliches Zutun eine Charakterisierung der Orientierung des Beschleunigungssensors am Fahrzeug durch Bestimmung der Längsbeschleunigung und der Querbeschleunigung und somit eine Darstellung der Längsrichtung und der Quererstreckungsrichtung des Fahrzeugs im Bezugssystem des Beschleunigungssensors liefert.
Der Sensor kann ferner zu einer beliebigen Zeit ins Fahrzeug eingebracht werden. Für eine hinreichend genaue Funktion genügt eine in sich stabile Befestigung am Fahrzeug, die eine deterministische Übertragung von Längs- und Querbeschleunigung zum Sensor ermöglicht. Zum Beispiel ist dies auch in der Zigarettenanzünderbuchse möglich.
Die Anzahl der Komponenten der erfassten Tupel muss mindestens der Anzahl der Freiheitsgraden der Sensororientierung entsprechen, es sind zweidimensionale Tupel - also Paare - denkbar bei entsprechend reduzierten Freiheitsgraden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Komponente der Längsbeschleunigung und Komponente der Querbeschleunigung der
Fahrzeugbeschleunigung auch kurz als Längskomponente bzw.
Querkomponente der Fahrzeugbeschleunigung bezeichnet. Ein jeweiliger Wert der Längskomponente und/oder der Querkomponente kann auch als Intensität, Stärke oder Magnitude bezeichnet werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Komponente der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs bzw. deren Werte, Stärken oder Intensitäten und deren Richtung auf der Grundlage einer ersten Hauptkomponente der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tupeln oder Tripeln von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors und insbesondere auf der Grundlage eines ersten Eigenvektors der zu der multivariaten Verteilung gehörigen Kovarianzmatrix bestimmt.
Alternativ oder zusätzlich werden bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Komponente der Querbeschleunigung des Fahrzeugs bzw. deren Werte, Stärken oder Intensitäten und deren Richtung auf der Grundlage einer zweiten Hauptkomponente der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tupeln oder Tripeln von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors und insbesondere auf der Grundlage eines zweiten Eigenvektors der zu der multivariaten
Verteilung gehörigen Kovarianzmatrix bestimmt.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass die zu der multivariaten Verteilung der Zeitreihe der Beschleunigungswerte gehörige Kovarianzmatrix C gemäß der Vorschrift (I)
C = E(ATA) - E(a)TE(a) ' (I) gebildet wird. Dabei bezeichnen C die Kovarianzmatrix, A die dreispaltige Matrix aus der
Zeitreihe der Beschleunigungswerte und also einer Anzahl N von Tupeln oder Tripeln ä = (ax,ay,az) von Beschleunigungsmesswerten ax, ay, az des
Beschleunigungssensors, E den Operator der Mittelwertbildung und T den Operator der Transposition.
Die Komponente der Schwerebeschleunigung des Fahrzeugs in Richtung der Schwerkraft und deren Richtung können in besonders einfacher Art und Weise auf der Grundlage des Erwartungswerts der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tupeln oder Tripeln von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors abgeleitet werden.
Alternativ bietet sich dazu auch der Einsatz eines Tiefpassfilters an.
Bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Komponente der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und deren Richtung auf der Grundlage der Komponente der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs und der Komponente der Schwerebeschleunigung des Fahrzeugs unter Verwendung von deren Vektorprodukt bestimmt werden.
Es bieten sich grundsätzlich sämtliche Verfahren an, die bei der Ableitung von Flauptwerten oder Flauptkomponenten, von jeweiligen Eigenvektoren und Eigenwerten im Hinblick auf multivariate Verteilungen bekannt sind.
Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform dann, wenn eine jeweilige Hauptkomponente, ein jeweiliger Eigenvektor und insbesondere ein jeweiliger erster Eigenvektor einer der jeweiligen multivariaten Verteilung von
Beschleunigungsmesswerten zu Grunde liegenden Kovarianzmatrix bestimmt wird über eine Zerlegung der Kovarianzmatrix gemäß der Beziehung (II)
A = U£VH . (II)
Dabei sind die Spalten der MxM-Matrix Vdurch die Eigenvektoren der Matrix ATA gegeben und H bezeichnet den Hermiteschen Operator. Die Matrix S wird gebildet von den Quadratwurzeln der entsprechenden Eigenwerte. Es stellt sich ein besonders hohes Maß an Vereinfachung ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine jeweilige Hauptkomponente, ein jeweiliger Eigenvektor und insbesondere ein erster Eigenvektor einer der jeweiligen multivariaten
Verteilung von Beschleunigungsmesswerten zu Grunde liegenden
Kovarianzmatrix bestimmt werden durch eine Van-Mises-Iteration.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Verwenden eines Beschleunigungssensors an einem Fahrzeug, insbesondere als Nachrüstkit, geschaffen.
Bei diesem Verfahren wird ein Beschleunigungssensor an einem Fahrzeug angebracht, insbesondere als nachrüstbare Komponente.
Bei der Verwendung des Beschleunigungssensors schließt sich eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors eines Fahrzeugs an einem Fahrzeug an.
Um zeitlichen Schwankungen der Ausrichtung und Orientierung des
Beschleunigungssensors am Fahrzeug Rechnung tragen zu können, zum Beispiel auf Grund thermomechanischer Verformungen, wegen manueller Dejustage oder wegen Alterung, ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verwendens eines Beschleunigungssensors an einem Fahrzeug das Verfahren zum
automatischen Kalibrieren des Beschleunigungssensors wiederholt ausgeführt wird.
Insbesondere kann daran gedacht werden, das automatische Kalibrieren ständig auszuführen, indem zum Beispiel die Mehrzahl von Tripeln von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors im Bezugssystem des Beschleunigungssensors einen festen Umfang aufweist und unter ständiger Aktualisierung nach einem FIFO-Schema bewertet wird. Bei einem derartigen Bewertungsschema laufen zum Beispiel die Messwerte ständig aktuell in einen bewerteten Speicher ein, wobei die ältesten Werte aus dem Speicher wieder entfernt werden. Zur Reduktion des Speicherbedarfs ist auch ein Vorgehen mit einer rekursiven Approximation denkbar. Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein mit einem
Beschleunigungssensor versehenes Fahrzeug, welche die Definition der gegenseitigen Orientierung von Fahrzeug und Beschleunigungssensor erläutert.
Figur 2 erläutert schematisch die Definition der Zerlegung der
Beschleunigung in die lineare Komponente und in die
Komponente in Richtung der Schwerkraft.
Figur 3 erläutert schematisch die Definition der Zerlegung der linearen
Beschleunigung in eine longitudinale Komponente und in eine transversale Komponente.
Figuren 4 und özeigen Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors eines Fahrzeugs an einem Fahrzeug.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5
Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Flintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der
bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein mit einem
Beschleunigungssensor 10 versehenes Fahrzeug 1 , welche die Definition der gegenseitigen Orientierung von Fahrzeug 1 und Beschleunigungssensor 10 erläutert. Die Darstellung der Figur 1 ist tatsächlich rein schematisch und berücksichtigt etwaige Größenverhältnisse nicht.
Am Fahrzeug 1 , welches ein Bezugssystem 1‘ - zum Beispiel in Form eines Dreibeins mit Achsen 11 , 12 und g, welche die longitudinale Richtung, die transversale Richtung und die Richtung der Schwerkraft repräsentieren - aufweist, ist ein Beschleunigungssensor 10 angebracht. Werden bei der Montage keine besonderen Maßnahmen ergriffen, so weist der Sensor 10 ein Bezugssystem 10‘ auf - zum Beispiel ein Dreibein mit Achsen x, y, z - welches im Allgemeinen nicht zu den Achsen 11 , 12 und g des Bezugssystems 1‘ entsprechend ausgerichtet ist, sondern dazu verdreht vorliegt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, aus einer automatischen
Beschleunigungsmessung in Form einer Zeitreihe mit
Flauptkomponentenanalyse die Orientierung des Bezugssystems 10‘ des Beschleunigungssensors 10 in Relation zum Bezugssystem 1‘ des Fahrzeugs 1 ohne Zutun einer Bedienungsperson zu ermitteln.
Figur 2 erläutert schematisch die Definition der vektoriellen Zerlegung der Beschleunigung ä in die lineare Komponente al und in die Komponente ag in
Richtung der Schwerkraft, und zwar insbesondere auf der Grundlage einer Darstellung der gemessenen Beschleunigung ä im Bezugssystem 10‘ des
Beschleunigungssensors 10 mit Komponenten in der x-, y-und z-Richtung gemäß a = {ax, ay, az) .
Figur 3 erläutert schematisch die Definition der Zerlegung der linearen
Beschleunigung äl in eine longitudinale Komponente oder Längskomponente än und in eine laterale oder seitliche Komponente oder Querkomponente al2 , und zwar auf der Grundlage der durch das Bezugszeichen 20 bezeichneten Verteilung der Beschleunigungsmesswerte.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens S, T zum automatischen Kalibrieren eines Beschleunigungssensors 10 eines Fahrzeugs 1 an einem Fahrzeug 1.
Zunächst wird das in Figur 5 dargestellte vereinfachte Kalibrierungsverfahren S erläutert: ln einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Beschleunigungssensor 10 bereitgestellt und an einem Fahrzeug 1 angebracht.
In einem nachfolgenden Schritt S2 werden dann mittels des
Beschleunigungssensors 10 Messdaten zur Beschleunigung erfasst, und zwar insbesondere als Zeitreihe von Messwerttripeln ä = ( ax, ay, az ) .
Es erfolgt dann im nachfolgenden Schritt S3 das Bestimmen der Komponenten der Längsbeschleunigung än und der Querbeschleunigung äl2 , und zwar im
Bezugssystem 10‘ des Beschleunigungssensors 10. Aus deren
Richtungsvektoren ist die Orientierung des Beschleunigungssensors 10 und seines Bezugssystems 10‘ in Bezug auf das Bezugssystem 1‘ des Fahrzeugs 1 ablesbar.
In den nachfolgenden Schritten S4 und S5 werden die Komponenten der Längsbeschleunigung än und der Querbeschleunigung äl2 bereitgestellt bzw. ausgegeben und dienen der Charakterisierung der Orientierung des
Beschleunigungssensors 10 am Fahrzeug 1.
Im Zusammenhang mit Figur 4 wird eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens T zum automatischen Kalibrieren eines
Beschleunigungssensors 10 an einem Fahrzeug 1 erläutert:
In einer durch den Schritt T0 repräsentierten Startphase werden sämtliche Vorbereitungen zum Kalibrieren getroffen, insbesondere wird ein
entsprechender Beschleunigungssensor 10 an einem Fahrzeug 1 bereitgestellt, montiert und in Betrieb genommen.
In einem Schritt T 1 werden Beschleunigungswerte als Messwerttripel a = (ax, ay, az) erfasst.
Diese werden in einem nachfolgenden Schritt T2 in einem Ringspeicher abgelegt. Zusätzlich oder alternativ ist ein Vorgehen mit einer rekursiven Schätzung der Kovarianzmatrix und des Mittelwerts denkbar, um den
Speicheraufwand zu reduzieren. Das bedeutet, dass die Schätzung auf der Grundlage einer alten Schätzung und eines neuen Messwerts aktualisiert wird. lm Schritt T3 wird geprüft, ob der Ringspeicher gefüllt ist. Ist dies nicht der Fall - Entscheidung„Nein“ im Schritt T3 - so erfolgt der Rücksprung zum Schritt T1 zum Aufnehmen weiterer Beschleunigungsmesswerte.
Wird im Schritt T3 festgestellt, dass der Ringspeicher gefüllt ist - Entscheidung „Ja“ im Schritt T3 - so wird zum Schritt T4 übergegangen, in welchem geprüft wird, ob das Fahrzeug 1 in einem Niedriggeschwindigkeitsbereich betrieben wird.
In einem besonders einfachen Fall, bei welchem kein zusätzlicher Sensor vorgesehen ist oder wird, kann die eindimensionale Varianz des
Beschleunigungssignals verwendet werden um zu erkennen, ob das Fahrzeug fährt oder sich in Ruhe befindet. Die Varianz steigt an, wenn sich das Fahrzeug nicht in Ruhe befindet, nämlich auf Grund der Vibrationen am Fahrzeug.
Zur Durchführung der Prozesse im Schritt T3 können aus einer parallel laufenden Erfassung mit dem Schritt T5 entsprechende Geschwindigkeitswerte des Fahrzeugs 1 erfasst werden. Denkbar ist hier auch die Anwendung von a- priori-Wissen. Bei niedriger Geschwindigkeit ist die Längsbeschleunigung am größten. Somit können die ersten beiden Hauptkomponenten zugeordnet werden. Andere Verfahren, wie zum Beispiel einen Gierratensensor sind denkbar, um sicherzustellen, dass die Querbeschleunigung zum Zeitpunkt der Kalibrierung kleiner ist als die Längsbeschleunigung.
Ist dies nicht der Fall - Entscheidung„Nein“ im Schritt T4 - so erfolgt ein
Rücksprung zum Schritt T 1 mit einem Erfassen weiterer Beschleunigungswerte.
Wird im Schritt T4 dagegen festgestellt, dass das Fahrzeug 1 im
Niedriggeschwindigkeitsbereich betrieben wird - Entscheidung„Ja“ im Schritt T4
- so wird zum Schritt T6 und der Hauptkomponentenanalyse übergegangen, welche entsprechende Komponenten für die Längsbeschleunigung än , für die
Querbeschleunigung äl2 und für die Beschleunigungskomponente ag in
Richtung der Schwerkraft liefert.
Die Komponenten än , al2 und ag werden dann im nachfolgenden Schritt T 7 aktualisiert und im Schritt T8 einer Bewertung zur Ableitung eines
Bezugssystems 1‘ des Fahrzeugs 1 in Relation zum Bezugssystem 10‘ des Sensors 10 zugeführt. Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Technischer Hintergrund
Durch die Anbringung von MEMS-basierten Nachrüstbeschleunigungssensoren 10 an Fahrzeugen 1 können Fahrereignisse erkannt werden.
Solche Sensoren 10 können mehrere unabhängige Messachsen x, y, z aufweisen. Ereignisse wie Unfälle oder Manöver können über eine
Signalverarbeitung auf einem Mikrocontroller identifiziert werden. Die Montage und Einrichtung des Sensors 10 sind auf Grund des Nachrüstcharakters nicht festgelegt. Daher ist die Beziehung zwischen den Sensorachsen x, y, z oder dem Sensorbezugssystem 10‘ und dem Bezugssystem T eines zu Grunde liegenden Fahrzeugs 1 im Voraus nicht bekannt und kann sich bei
verschiedenen Anwendungsfällen unterscheiden.
Unter Verwendung eines solchen Sensors 10 Kräfte zu identifizieren, die in einem fahrenden Fahrzeug 1 auftreten, erfordert eine geeignete Zuordnung zwischen einem Sensorbezugssystem 10‘ und einem Fahrzeugbezugssystem 1‘.
Derzeit wird dies durch eine Benutzerinteraktion - wie z.B. über definierte Fahrmanöver - erreicht, wodurch Referenzsignale erzeugt werden, die zur Kalibrierung ausgewertet werden können.
Diese Kalibrierung muss, sobald sich die Ausrichtung des Sensors 10 in Bezug auf das Fahrzeugbezugssystem T ändert, jedes Mal wiederholt werden.
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren vor, die Messungen von einem Nachrüstsatz eines Dreiachsenbeschleunigungsmessers oder -sensors auf Longitudinal- oder Längsbeschleunigungsrichtung, Lateral- oder
Querbeschleunigungsrichtung und Gravitations- oder Schwerkraftrichtung eines sich bewegenden Fahrzeugs 1 und dessen Bezugssystem T automatisch zuzuordnen. Das Projizieren von Beschleunigungsmesswerten in ein Bezugssystem 1‘, das an einem Fahrzeug 1 ausgerichtet ist, macht eine Klassifizierung von Manövern möglich. Im Vergleich zu früheren Ansätzen ist erfindungsgemäß keine
Benutzerinteraktion erforderlich.
Die Erfindung stellt daher eine Art Echtzeit- oder Onlinekalibrierung zur
Orientierungsbestimmung insbesondere bei Nachrüstsensoren 10 in Bezug auf ein Fahrzeugbezugssystem 1‘ eines Fahrzeug 1 vor.
Vorteile der vorliegenden Erfindung
Die Erfindung bietet als Vorteile unter anderem
(1 ) einen reduzierten Montageaufwand für das Nachrüstgerät,
(2) eine gesteigerte Robustheit bei Installationsänderungen, auch während der Verwendung, und
(3) eine geringere thermische Anfälligkeit.
Detaillierte Beschreibung
Von einem Systemstandpunkt aus kann die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt folgende Komponenten aufweisen:
1. einen Beschleunigungssensor 10, der eingerichtet ist, die Beschleunigung entlang dreier unabhängiger Raumachsen x, y, z, die einen
dreidimensionalen Raum aufspannen, zu messen,
2. einen Controller oder eine allgemeine Steuerung - beispielsweise ein
Mikrocontroller - der eingerichtet ist, die vom Beschleunigungssensor 10 gemessenen Sensordaten zu verarbeiten, und
3. eine Benutzeroberfläche oder Benutzerschnittstelle.
Der Algorithmus des zu Grunde liegenden Kalibrierungsprozesses S, T kann vorzugsweise als Software implementiert werden und somit auf dem Mikrocontroller ausführbar sein. Alternativ ist eine ASIC-Realisierung möglich. Mischformen sind denkbar.
Die Messungen des Beschleunigungsmessers oder Beschleunigungssensors 10 werden als Zeitreihe mehrdimensionaler Datenpunkte aufgefasst, z.B.
gemäß den senkrechten x-, y- und z-Achsen des Bezugssystems 10‘ des Beschleunigungssensors 10.
Jeder Datenpunkt - aufgefasst als vektorieller Wert einer Beschleunigung ä- kann dabei dargestellt werden als Linearkombination zu drei - insbesondere orthogonalen - Raumrichtungen, die mit dem oder am Fahrzeugbezugssystem 1‘ ausgerichtet sind. Die Darstellung kann für jeden Datenpunkt ä gemäß der Beziehung (1 ) a = (ax, ay, az ) (1 ) erfolgen, also in Bezug auf die drei Raumrichtungen x, y, z im Bezugssystem 10‘ am Sensor 10.
Die Beschleunigung ä kann z.B. auch in eine lineare Beschleunigung äl und in eine Schwerkraftkomponente ag zerlegt im Bezugssystem 1‘ am Fahrzeug 1 aufgefasst werden.
Darüber hinaus wird eine Rauschkomponente n angenommen und zugelassen, die aus einer multivariaten Gaußverteilung abgeleitet werden kann. Diese Zerlegung ist durch die Beziehung (2) a = ag + aI + n (2) gegeben. Der dreidimensionale Beschleunigungsvektor ä kann in Bezug auf den xyz-Sensor 10 auch relativ zu einer Basis umgewandelt werden, die mit dem oder an dem Fahrzeugbezugssystem 1‘ ausgerichtet ist.
Die lineare Beschleunigung äl kann dabei in eine longitudinale Komponente oder Längskomponente än und in eine laterale oder seitliche Komponente oder Querkomponente al2 zerlegt werden. Zusammen mit der Komponente äg in Schwerkraftrichtung wird gemäß der Beziehung (3) a = an + al2 + ag = {an,al2,ag) (3) eine Orthonomnalbasis definiert.
Figur 1 erläutert diese Vektordarstellungen weiter.
Der Vektor g und der dazugehörige Basisvektor in der g-Richtung oder der Richtung der Schwerkraft zeigen senkrecht in die Zeichenebene von Figur 1.
Ohne zusätzliche Informationen hinsichtlich der relativen Orientierung zwischen dem Sensor 10 und dem Fahrzeug 1 kann der Beschleunigungsvektor ä mittels einer Flauptkomponentenanalyse (engl principal component analysis (PCA)) der multivariaten Verteilung der Beschleunigungsmesserwerte ax,ay,az abgeleitet werden. Dieses Vorgehen wird auch als Flauptachsentransformation oder Singulärwertzerlegung bezeichnet. Die Singulärwertzerlegung ist ein analytisches Verfahren für die Flauptachsentransformationen. Andere Verfahren sind denkbar, zum Beispiel die Van-Mises-Iteration.
Wenn A die Nx3-Matrix der N Messwertetripel ä = (ax,ay, az) aus der
Messzeitreihe des Beschleunigungssensors 10 bezeichnet, kann die
Kovarianzmatrix C über den Ausdruck (4)
C = E(ATA)— E(a)TE(a) (4) ermittelt werden.
Die Operator E bezeichnet die Mittelwertbildung über der jeweiligen Matrix bzw. über das Matrixprodukt.
Der Term ®(a) selbst bildet eine Schätzung des Schwerkraftvektors, also der Komponente ag der Beschleunigung ä in Schwerkraftrichtung.
Diese Komponente äg kann alternativ auch durch drei Kanäle bestimmt werden, welche eine Tiefpassfilterung der Zeitreihensignale liefern. Nach Subtraktion des Schwerkraftterms äg verbleibt die lineare
Beschleunigungskomponente al = a - ag , wie dies in Figur 2 dargestellt ist.
Der verbleibende Vektor der linearen Beschleunigung äl muss in die laterale Komponente al2 und die longitudinale Komponenten än zerlegt werden. Die
Zuordnung zu den jeweiligen Achsen 11 und I2 des rechtwinkligen
Fahrzeugbezugssystems 1‘ erfordert ein Vorwissen über die erwartete
Rangfolge oder Größenbeziehung.
Eine Ausführungsform der Erfindung nutzt die Geschwindigkeitsabhängigkeit der zentripetalen Beschleunigung und somit der Querbeschleunigung gemäß der Beziehung (5)
Figure imgf000016_0001
wobei r den aktuellen Krümmungsradius der Fahrzeugtrajektorie und v die lokale Fahrzeuggeschwindigkeit am Sensor 10 bezeichnen.
Wenn das Fahrzeug 1 startet oder stoppt, ist die Varianz der linearen
Beschleunigung äl hoch.
Wegen der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Querbeschleunigung äl2 wird die Längsbeschleunigung än des Fahrzeugs 1 a priori die größte Varianz aufweisen und wird somit die erste Hauptkomponente. Es kann auch anderes a-priori-Wissen eingesetzt werden.
Dementsprechend kann die Längsrichtung und folglich die Richtung des Vektors än durch die Richtung des ersten Eigenvektors der obigen
Kovarianzmatrix C bestimmt werden.
Nachdem die Richtungen der Vektoren än und ag so ermittelt sind, kann die dritte orthogonale Komponente, nämlich die Richtung der Querbeschleunigung al2 im Beschleunigungsvektor ä über das Vektorprodukt oder äußere Produkt berechnet werden. Wenn keine Geschwindigkeitsanzeige (z.B. Tachometer oder GPS) verfügbar ist, können Ereignisse mit niedriger Geschwindigkeit durch Untersuchen des Rauschens des Beschleunigungsmessers erkannt werden. Der RMS-Wert ändert sich plötzlich, wenn das Fahrzeug zu fahren beginnt oder stoppt. Auch andere Vorabinformationen können einfließen. Es ist wichtig, dass die
Vorabinformation die erwartete Rangfolge der Hauptkomponenten im Vektor der Längsbeschleunigung än sicherstellt, um sie zuzuordnen. Wenn zum
Beispiel der Krümmungsradius r sehr groß ist, ist die Querbeschleunigung äl2 betragsmäßig auch kleiner als die Längsbeschleunigung än .
Es gibt verschiedene Ansätze, um die Hauptkomponenten einer multivariaten Verteilung zu bestimmen, z.B. die Singulärwertzerlegung (SVD : engl für Singular-Value-Decomposition) und die Van-Mises-Iteration.
Sinqulärwertzerlequnq (Singular-Value-Decomposition : SVD)
Für die SVD einer NxM-Matrix A wird eine Zerlegung gemäß dem Ausdruck (7)
A = U VH (7) definiert, wobei die Spalten der MxM-Matrix Vdurch die Eigenvektoren der Matrix ATA gegeben sind und H den Hermiteschen Operator bezeichnet. Dabei bezeichnet N die Anzahl der Messwerttupel und insbesondere der
Messwerttripel. Die Dimension der Tupel wird mit M bezeichnet und es gilt M = 3 für Messwerttripel. Die Matrix U hat die Dimension N x N. Die Matrix Vhat die Dimension M x M.
Die Beziehung (7) beschreibt die Singulärwertzerlegung der Matrix A.
Die Spalten von Vsind die Eigenvektoren von ATA.
Die Größe (A-E(a))1 (A-E(a)) ist die Kovarianzmatrix von A.
Das bedeutet, die Matrix U beinhaltet die Eigenvektoren der Kovarianzmatrix wenn man von A vor der Singulärwertzerlegung den Mittelwert abzieht. Daher liefert nach dem Subtrahieren des Mittelwerts aus den Spalten der Matrix A die SVD die Hauptkomponenten der multivariaten Verteilung, die durch die Messungen des Beschleunigungssensors geliefert wird.
Dieses Vorgehen und das Ergebnis sind in Figur 3 erläutert.
Die Matrix ^enthält die Quadratwurzeln der entsprechenden Eigenwerte.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Mittelwertbildung mit der ersten Hauptkomponente beendet wird, wenn vorab keine Subtraktion erfolgt. Die Reihenfolge aller anderen Hauptkomponenten werden um 1 reduziert und Schwankungen in der Gravitationsrichtung gehen verloren.
Van-Mises-Iteration
Wenn nur die Richtung der größten Varianz oder Abweichung von Interesse ist, kann der Rechenaufwand stark reduziert werden. Die Bestimmung der
Hauptkomponente kann über eine Iteration implementiert werden, zum Beispiel mit der Van-Mises-Iteration. Diese Methode kann durch folgende
Rekursionsrelation (8)
Figure imgf000018_0001
beschrieben werden, wobei C die Kovarianzmatrix und Vk den geschätzten Eigenvektor der k-ten Iteration bezeichnen. Der Algorithmus beginnt mit einer ersten Schätzung für den Eigenvektor v (k = 0) und die Folge konvergiert gegen einen Eigenvektor, der mit dem dominanten Eigenwert verknüpft ist.
Ein möglicher Autokalibrationsvorgang ist im Ablaufdiagramm von Figur 5 dargestellt.
Die automatische Kalibrierung kann verfeinert werden, indem die Längsrichtung jedes Mal, wenn eine geringe Geschwindigkeit erkannt wird, kontinuierlich aktualisiert wird. Um ohne Richtungsinformation eine Vorwärtsbewegung von einer Rückwärtsbewegung unterscheiden zu können, können
Wahrscheinlichkeiten ausgewertet werden. Normalerweise bewegt sich ein Fahrzeug eher vorwärts als rückwärts. Die Mehrheitsauswahl ist hier eine einfache Realisierung.
Zur Verbesserung der Robustheit auf Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen können weiter Vorabinformationen und Vorwissen eingeführt werden. Sobald die Wahrscheinlichkeit der Vorwärtsbewegung größer ist als die der
Rückwärtsbewegung, genügt die Mehrheitsauswahl der Richtungen.
Physikalisch gelten noch folgende Beziehungen (9) bis (11 ):
Figure imgf000019_0001
Die Transformation zwischen Messwerttupeln ( ax,ay,az ) oder (x,y,z) und (an,al2,ag ) gelingt durch orthogonale Projektion. Gemäß Definition der SVD ist die Matrix V unitär. D.h. es gilt die Beziehung (12)
(ax, ay, az} = (an, ai2, agy . (12)
Die Matrix V kann auch als Rotationsmatrix für die unbekannten
Dejustagewinkel bezüglich des Fahrzeugbezugssystems T aufgefasst werden. Dabei handelt es sich natürlich nur um eine Schätzung, da die Einbaulage des Sensors prinzipbedingt unbekannt ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (S) zum automatischen Kalibrieren eines
Beschleunigungssensors (10) eines Fahrzeugs (1 ) an einem Fahrzeug (1 ), mit den Schritten:
- Erfassen (S2) einer Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) als Zeitreihe von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) in einem Bezugssystem (10‘) des Beschleunigungssensors (10),
- Bestimmen (S3) der Komponenten der Längsbeschleunigung (än ) und der Querbeschleunigung (ai2 ) der Fahrzeugbeschleunigung (ä ) im
Bezugssystem (10‘) des Beschleunigungssensors (10) durch
Hauptkomponentenanalyse der als multivariate Verteilung aufgefassten Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) und
- Bereitstellen (S4) und/oder Ausgeben (S5) der Komponenten der
Längsbeschleunigung
Figure imgf000020_0001
und der Querbeschleunigung
Figure imgf000020_0002
der
Fahrzeugbeschleunigung (ä ) und/oder von deren Richtungsvektoren zur Charakterisierung der Orientierung des Beschleunigungssensors (10) am Fahrzeug (1 ).
2. Verfahren (S) nach Anspruch 1 ,
bei welchem die Komponente der Längsbeschleunigung (än ) des
Fahrzeugs (1 ) und deren Richtung bestimmt werden auf der Grundlage einer ersten Hauptkomponente der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) und auf der Grundlage eines ersten Eigenvektors der zu der multivariaten
Verteilung gehörigen Kovarianzmatrix (C).
3. Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Komponente der Querbeschleunigung (äl2 ) des
Fahrzeugs (1 ) und deren Richtung bestimmt werden auf der Grundlage einer zweiten Hauptkomponente der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) und auf der Grundlage eines zweiten Eigenvektors der zu der multivariaten
Verteilung gehörigen Kovarianzmatrix (C).
4. Verfahren (S) nach Anspruch 2 oder 3,
bei welchem die zu der multivariaten Verteilung gehörige Kovarianzmatrix (C) gebildet wird gemäß der Vorschrift (I)
Figure imgf000021_0001
wobei C die Kovarianzmatrix, A die dreispaltige Matrix aus einer Anzahl N von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von Beschleunigungsmesswerten des
Beschleunigungssensors (10), E den Operator der Mittelwertbildung und 1 den Operator der Transposition bezeichnen.
5. Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Komponente der Schwerebeschleunigung ( g ) des
Fahrzeugs (1 ) in Richtung der Schwerkraft und deren Richtung bestimmt werden auf der Grundlage des Erwartungswerts der zu Grunde liegenden multivariaten Verteilung der Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10).
6. Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Komponente der Querbeschleunigung (äl2 ) des
Fahrzeugs (1 ) und deren Richtung bestimmt werden auf der Grundlage der Komponente der Längsbeschleunigung
Figure imgf000021_0002
des Fahrzeugs (1 ) und der Komponente der Schwerebeschleunigung (äg ) des Fahrzeugs (1 ) unter Verwendung von deren Vektorprodukt.
7. Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem eine jeweilige Hauptkomponente, ein jeweiliger Eigenvektor und ein erster Eigenvektor einer der jeweiligen multivariaten Verteilung von Beschleunigungsmesswerten zu Grunde liegenden Kovarianzmatrix (C) bestimmt wird durch eine Zerlegung gemäß der Beziehung (II)
A = 172V" (II) wobei die Spalten der MxM-Matrix t/durch die Eigenvektoren der Matrix ATA gegeben sind, H den Hermiteschen Operator bezeichnet und die Matrix S die Quadratwurzeln der entsprechenden Eigenwerte enthält.
8. Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem eine jeweilige Hauptkomponente, ein jeweiliger Eigenvektor und ein erster Eigenvektor einer der jeweiligen multivariaten Verteilung von Beschleunigungsmesswerten zu Grunde liegenden Kovarianzmatrix (C) bestimmt wird durch eine Van-Mises-Iteration.
9. Verfahren zum Verwenden eines Beschleunigungssensors (10) an einem Fahrzeug (1 ), bei welchem:
- ein Beschleunigungssensor (10) an einem Fahrzeug (1 ) angebracht wird und
- ein Verfahren (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum
automatischen Kalibrieren des Beschleunigungssensors (10) ausgeführt wird.
10. Verfahren zum Verwenden eines Beschleunigungssensors (10) an einem Fahrzeug (1 ),
- bei welchem das Verfahren (S) zum automatischen Kalibrieren des
Beschleunigungssensors (10) wiederholt ausgeführt wird,
- wobei die Mehrzahl von Tripeln (ä = ( ax,ay,az ) ) von
Beschleunigungsmesswerten des Beschleunigungssensors (10) im Bezugssystem (10‘) des Beschleunigungssensors (10) einen festen Umfang aufweist und unter ständiger Aktualisierung nach einem FIFO- Schema bewertet wird.
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