WO2020078687A1 - Verfahren zur offsetkalibrierung eines drehratensensorsignals eines drehratensensors, system, computerprogramm - Google Patents

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WO2020078687A1
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filtered
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Juergen GUT
Hanna Becker
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04L43/02—Capturing of monitoring data
    • H04L43/028—Capturing of monitoring data by filtering

Definitions

  • the invention relates to a method for offset calibration of a
  • Rotation rate sensor signal of a rotation rate sensor The invention further relates to a system for calibrating an offset of a
  • Rotation rate sensor signal of a rotation rate sensor and a
  • Rotation rate sensors in particular having microelectromechanical systems, are used in a wide variety of areas. They are used, for example, in the area of electronic consumer goods as part of smartphones or so-called “wearables". They can be used to determine the orientation of the device in space.
  • the rotation rate sensor signal is usually integrated. When the rotation rate sensor is motionless, the rotation rate sensor signal should be zero.
  • such rotation rate sensors have production-related offsets in their signals. When the rotation rate sensor signal is integrated, this leads to systematic errors, in particular to drifts, which has a negative effect on the orientation estimate. Orientation errors of 180 ° can quickly occur within a few minutes. To avoid such a drift, a correction of the rotation rate offset is necessary. Since the offsets change during the
  • US 8548766 B2 describes a sensor platform with at least one gyroscope, an acceleration sensor and a magnetometer. With the help of measured values from the acceleration sensor and magnetometer, a compensation for the gyroscope is determined.
  • US 20110301900 A1 describes a lookup table in which temperature values and associated zero rotation rate offsets are present.
  • rotation rate sensors in different areas of application for example rotation rate sensors in a mobile phone that typically regularly immobile on a table or the like. is stored, and a rotation rate sensor in a wearable, which is still exposed to considerable noise due to slight movements of the wearer even in its rest position.
  • Yaw rate sensor is adjusted.
  • a rotation rate sensor that is (almost) completely motionless in the idle state different filter parameters are determined and used than for a sensor that is still exposed to slight movements and fluctuations even in the idle state.
  • the filter can also be advantageously adapted to the current conditions of the idle state for a single sensor. Accordingly, it is possible that the filter time is adapted to the quiescent state conditions and can thus be optimized.
  • a shorter time can be used to determine the offset, as a result of which a more precise correction and adaptation to changing temperature conditions can be achieved.
  • the determination of the filter parameter can, on the other hand, increase the time for the offset determination in order to better compensate for increased noise and also to achieve an appropriate offset correction here.
  • the offset determined according to the invention can subsequently be used for the offset correction or calibration of the rotation rate sensor signal.
  • the offset of the rotation rate sensor signal can be according to a
  • Rotation rate sensor signal can be understood.
  • the rotation rate sensor signal includes in particular a large number of rotation rate sensor measured values which are transmitted at a rate (sample rate)
  • the rotation rate sensor can have one or more measuring axes, in particular one, two or three axes.
  • the yaw rate sensor signal and the yaw rate sensor measured values can correspondingly comprise values for all measurement axes of the sensor.
  • the estimated fluctuation value preferably corresponding to an estimated variance, it is advantageously possible according to one embodiment of the present invention to reliably determine that the
  • Rotation rate sensor is in the idle state, i.e. not or hardly moved.
  • the estimated fluctuation value is preferably an estimated maximum variance or fluctuation of the rotation rate sensor measured values.
  • the estimated mean and / or the estimated fluctuation value (or the estimated variance) with the aid of a
  • Smoothing filter can be determined or estimated.
  • the estimated mean and / or the estimated variance are not exactly the mean and / or the variance of the measured values
  • the determination in the first step reveals that the rotation rate sensor is in the idle state when the estimated mean value is less than a first threshold value and / or the estimated variance is less than a second threshold value, it is possible according to one embodiment of the present invention that a particularly beneficial
  • the estimated mean value and the estimated variance (or maximum fluctuation) are preferably formed for a specific number of (last) rotation rate measured values with the aid of a smoothing filter. It is particularly preferably conceivable that if the estimated mean value is less than a first threshold value, thrl, and the estimated variance is less than a second threshold value, thr2, the idle state is determined. The following steps of the method are preferably carried out only when the rotation rate sensor is at rest. Because the measured at rest
  • Rotation rate sensor measured values only include those rotation rate sensor measured values that have been measured since the rotation rate sensor has been in the idle state, the ones measured in the idle state
  • Determination of the filtered yaw rate sensor measured value in particular when determining the filtered yaw rate sensor measured values, it is possible according to one embodiment of the present invention that only those measured values are taken into account in the offset correction and in particular in the determination of the filter parameter that are measured in the idle state of the yaw rate sensor were.
  • the filter parameter is determined in a second step as a function of a first intermediate parameter and a second intermediate parameter, the first intermediate parameter being proportional to the reciprocal of a number of those measured in the idle state
  • Rotation rate sensor measured values the fluctuation preferably being the estimated variance
  • the first intermediate parameter, al can be determined according to one embodiment as follows:
  • #Z is the number of measured at rest
  • the second intermediate parameter, a2 can particularly preferably be determined in such a way that the range from 0 to the second threshold value, thr2, that is to say in particular from 0 to the maximum variance or fluctuation, in a plurality of intervals or subregions is divided. For example, an interval for each typical
  • Noise level that occurs in various wearable calibration situations can be provided.
  • a fixed value for the second intermediate parameter is assigned to each interval.
  • the second intermediate parameter thus receives the value which is assigned to the interval in which the determined (maximum) fluctuation or variance falls in the idle state.
  • the filter parameter corresponds to the maximum of the first and second intermediate parameters, a particularly advantageous determination of the
  • the filtered yaw rate sensor measured value is also dependent on a previous filtered one
  • Rotation rate sensor measured value and a current one
  • Rotation rate sensor measured value is determined, in particular using exponential smoothing, it is possible according to one embodiment of the present invention, a particularly advantageous
  • x [n] is the filtered yaw rate sensor reading, where a is the filter parameter, where x [n-1] is the previous filtered
  • Rotation rate sensor measured value where n numbers the rotation rate sensor measured values or the filtered rotation rate sensor measured values.
  • the previous one filtered rotation rate sensor value is preferably determined in a previous iteration of the third step or the second and third step or the first, second and third step in an analogous manner (for determining the filtered rotation rate sensor value).
  • exponential smoothing can take place in the third step with one parameter, the filter parameter a.
  • other filter methods can also be used for the third step.
  • Rotation rate sensor measured values is reduced, so that output rate-reduced filtered rotation rate sensor measured values are generated, it is possible according to an embodiment of the present invention that the
  • Output rate of the offset can be reduced and in particular independently of the measurement rate or sample rate of the
  • Gyro sensor reading or using the output rate-reduced filtered gyro sensor reading, and also using a
  • Embodiment of the present invention possible that a further smoothing takes place in the offset calibration.
  • slight fluctuations in the estimated value that is to say in the filtered yaw rate sensor measured value or in the output rate-reduced filtered yaw rate sensor measured value
  • the offset preferably corresponds to the value obtained after the smoothing filter.
  • smoothing filters for example exponential smoothing.
  • the third step preferably the second and third step, particularly preferably the first, second and third step, further preferably the first, second, third and fourth step and further preferably the first, second, third, fourth and fifth steps are repeated several times, in particular in such a way that a plurality of filtered
  • Yaw rate sensor measured values are generated in the third steps. This enables a continuous adjustment of the offset calibration.
  • Another object of the present invention is a system for
  • Offset calibration of a rotation rate sensor signal of a rotation rate sensor the system being designed in such a way that it is determined that the
  • Rotation rate sensor is in an idle state
  • Rotation rate sensor measured values of the rotation rate sensor is determined, the system being designed in such a way that a filtered rotation rate sensor measured value is determined using the filter parameter
  • Another object of the present invention is
  • Computer program comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer and / or a system according to an embodiment of the present invention, cause the computer and / or the system to perform a method according to one of the following methods
  • Computer program can use the features, configurations and advantages that have been described in connection with the method according to the invention for the offset calibration of a rotation rate sensor signal of a rotation rate sensor or in connection with an embodiment of the method according to the invention.
  • inventive method for offset calibration of a The yaw rate sensor signal of a yaw rate sensor can use the features, configurations and advantages which are in connection with the system according to the invention, the invention
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a system for offset calibration of a rotation rate sensor signal of a rotation rate sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of part of a system for offset calibration according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a system 100 for offset calibration of a rotation rate sensor signal 11
  • Rotation rate sensor 1 according to an embodiment of the present invention shown.
  • a rotation rate sensor 1 supplies a rotation rate sensor signal 11, which comprises a sequence of rotation rate sensor measured values 10. This is made available to a monitor device 14 or a checking device 14.
  • the monitor device 14 uses the rotational speed sensor measured values 10 obtained to determine whether the Rotation rate sensor 1 is in an idle state 15 or in a non-idle state 16 or a movable state 16. For this purpose, the monitor device 14 estimates an estimated mean value of
  • the first and / or second threshold thrl, thr2 can be set and can be the
  • Filter parameter device 17 determines a filter parameter a as a function of rotation rate sensor measured values xl of rotation rate sensor 1 measured in idle state 15.
  • the rotation rate sensor measured values x1 measured in the idle state 15 only include those
  • Rotation rate sensor measured values 10 which have been measured since the rotation rate sensor 1 is in the idle state 15 or in these
  • Filter parameter device 17 is explained in FIG. 2. With the aid of the filter parameter a obtained, a filtered yaw rate sensor measured value x [n] is subsequently determined in an adaptive filter device 18. A possible exemplary embodiment of the determination of the filtered
  • Filter device 18 is explained in FIG. 2. After the filtered
  • Rotation rate sensor measured value x [n] was determined, this becomes one
  • Decimator device 20 reduces an output rate, in particular a sample rate, of the filtered yaw rate sensor measured values, x [n], x [n-1], so that filtered output rates are reduced Rotation rate sensor measured values 21 are provided. Subsequently, using a smoothing filter 30, the output rate-reduced filtered rotation rate sensor measured values 21 are smoothed. This determines the offset 40 with which the rotation rate sensor signal 11 can be corrected or calibrated.
  • the smoothing filter 30 may include exponential smoothing, for example. Alternatively, others come
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of part of a system 100 for offset calibration in accordance with an embodiment of the present invention.
  • an embodiment of the present invention shows a schematic block diagram of part of a system 100 for offset calibration in accordance with an embodiment of the present invention.
  • Idle state 15 measured rotation rate sensor measured values xl since the first sample in idle state 15 or the number of samples used for calibration.
  • the filter parameter device 17 determines the second intermediate parameter a1 such that the range from 0 to the second threshold value thr2 (in particular the range from 0 to the maximum variance of the
  • Rotational rate sensor measured values 10) is divided into several intervals or sub-areas. For example, an interval for each typical
  • Noise level that occurs in various wearable calibration situations can be provided.
  • a fixed value for the second intermediate parameter al is assigned to each interval.
  • the second intermediate parameter a1 thus receives the value which is assigned to the interval into which the ascertained (maximum) fluctuation or variance of the rotation rate sensor measured values x1 measured in the idle state 15 (or the multiple axes of the rotation rate sensor signal) falls. So the second is based
  • x [n] is the filtered rotation rate sensor measured value, a the filter parameter, x [n— 1] the previous filtered rotation rate sensor measured value (as the previous sample) and x [n] the current rotation rate sensor measured value, n describes the number of the rotation rate sensor measured value or the filtered rotation rate sensor measured value.
  • Rotation rate sensor measured value x [n - 1] is preferred in a previous iteration in an analogous manner to that described above
  • Rotation rate sensor signal 11 of a rotation rate sensor 1 are carried out, wherein
  • Rotation rate sensor measured values xl of the rotation rate sensor 1 is determined
  • Filter parameter a determines a filtered rotation rate sensor measured value x [n] becomes
  • an offset 40 is determined using the filtered rotation rate sensor measured value x [n]. It is advantageously possible that the offset 40 is used in the following
  • Offset corrector or calibration of the rotation rate sensor signal 11 is used.

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Abstract

Verfahren zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals (11) eines Drehratensensors (1), wobei - in einem ersten Schritt ermittelt wird, dass sich der Drehratensensor (1) in einem Ruhezustand (15) befindet, - in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, ein Filterparameter (α) in Abhängigkeit von im Ruhezustand (15) gemessenen Drehratensensormesswerten (x1) des Drehratensensors (1) bestimmt wird, - in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, mithilfe des Filterparameters (α) ein gefilterter Drehratensensormesswert (͞x[n]) bestimmt wird, wobei mithilfe des gefilterten Drehratensensormesswerts (͞x[n]) ein Offset (40) bestimmt wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines
Drehratensensors, System, Computerprogramm
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Offsetkalibrierung eines
Drehratensensorsignals eines Drehratensensors. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Kalibration eines Offsets eines
Drehratensensorsignals eines Drehratensensors, und ein
Computerprogramm umfassend Befehle.
Drehratensensoren, insbesondere aufweisend mikroelektromechanische Systeme, werden in verschiedensten Bereichen eingesetzt. Sie kommen beispielsweise im Bereich der elektronischen Konsumgüter als Teil von Smartphones oder so genannten„Wearables“ zum Einsatz. Mit ihnen kann dabei die Orientierung des Geräts im Raum bestimmt werden. Hierfür wird üblicherweise das Drehratensensorsignal integriert. Im bewegungslosen Zustand des Drehratensensors sollte Drehratensensorsignal null sein. Typischerweise besitzen derartige Drehratensensoren allerdings fertigungsbedingte Offsets in ihren Signalen. Dies führt bei der Integration des Drehratensensorsignals zu systematischen Fehlern, insbesondere zu Drifts, was sich negativ auf die Orientierungsschätzung auswirkt. Es kann dabei schnell zu Orientierungsfehlern von 180° innerhalb von wenigen Minuten kommen. Zur Vermeidung eines solchen Drifts, ist eine Korrektur des Drehratenoffsets erforderlich. Da sich der Offsets während des
Betriebs des Sensors und über dessen Lebenszeit ändern kann, beispielsweise durch Temperatureinflüsse, führt eine fabrikseitige
Vorkalibration bei der Herstellung des Sensors im Allgemeinen nicht zur gewünschten Vermeidung der Offsets. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Kalibration eines
Drehratenoffsets bekannt.
Die US 8548766 B2 beschreibt beispielsweise eine Sensorplattform mit mindestens einem Gyroskop, einem Beschleunigungssensor und einem Magnetometer. Mithilfe von Messwerten des Beschleunigungssensors und Magnetometers wird dabei eine Kompensation für das Gyroskop bestimmt. Die US 20110301900 Al beschreibt eine Nachschlagetabelle in der Temperaturwerte und zugehörige Nulldrehratenoffsets vorhanden sind.
Nachteilig bei bekannten Verfahren ist allerdings, dass sie teilweise nur schwierig und kostspielig zu realisieren sind und beispielsweise das Vorhandensein mehrerer verschiedenartiger Sensortypen auf einem Chipsystem voraussetzen. Andererseits ist es bei vielen bekannten
Systemen nur schwierig oder gar nicht möglich, eine effiziente
Offsetkorrektur für Drehratensensoren in verschiedenen Einsatzgebieten zu ermöglichen, beispielsweise Drehratensensoren in einem Mobiltelefon, dass typischerweise regelmäßig unbeweglich auf einem Tisch o.ä. abgelegt wird, und einem Drehratensensor in einem Wearable, der selbst in seiner Ruheposition noch erheblichem Rauschen durch leichte Bewegungen des Trägers ausgesetzt ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines Drehratensensors bereitzustellen, das eine schnelle und zuverlässige Offsetkorrektur für verschiedene Einsatzgebiete eines Drehratensensors ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Offsetkalibrierung eines
Drehratensensorsignals eines Drehratensensors gemäß dem
Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Filterparameter an die Ruhezustandsbedingungen des
Drehratensensors angepasst wird. Somit kann beispielsweise für einen im Ruhezustand (beinahe) gänzlich bewegungslosen Drehratensensor ein anderer Filterparameter ermittelt und verwendet werden als für einen Sensor, der selbst im Ruhezustand noch leichten Bewegungen und Schwankungen ausgesetzt ist. Auch für einen einzigen Sensor kann der Filter vorteilhaft an die momentanen Gegebenheiten des Ruhezustands angepasst werden. Entsprechend ist es möglich, dass die Filterzeit an die Ruhezustandsbedingungen angepasst wird und somit optimiert werden kann. Somit kann beispielsweise für einen (gänzlich) bewegungslosen Sensor mit geringem Rauschen eine verkürzte Zeit zur Offsetermittlung verwendet werden, wodurch eine präzisere Korrektur und Anpassung an sich verändernde Temperaturbedingen erreicht werden kann. Für einen Sensor, der selbst im Ruhezustand noch erheblichen Bewegungen ausgesetzt ist, kann mithilfe der Ermittlung des Filterparameters hingegen die Zeit zur Offsetermittlung erhöht werden, um erhöhtes Rauschen besser auszugleichen und auch hier zu einer angemessenen Offsetkorrektur zu gelangen.
Insbesondere kann der erfindungsgemäß bestimmte Offset im Folgenden zur Offsetkorrektur bzw. -kalibrierung des Drehratensensorsignals verwendet werden.
Der Offset des Drehratensensorsignals kann gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch als Versatz des
Drehratensensorsignals verstanden werden.
Das Drehratensensorsignal umfasst insbesondere eine Vielzahl von Drehratensensormesswerten, die mit einer Rate (Samplerate)
nacheinander vom Drehratensensor ermittelt bzw. erzeugt und ausgegeben werden.
Der Drehratensensor kann eine oder mehrere Messachsen aufweisen, insbesondere eine, zwei oder drei Achsen. Das Drehratensensorsignal und die Drehratensensormesswerte können entsprechend jeweils Werte für alle Messachsen des Sensors umfassen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass im ersten Schritt mithilfe eines geschätzten Mittelwerts von Drehratensensormesswerten und/oder mithilfe eines geschätzten
Schwankungswerts von Drehratensensormesswerten ermittelt wird, dass sich der Drehratensensor im Ruhezustand befindet, wobei der geschätzte Schwankungswert bevorzugt einer geschätzten Varianz entspricht, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, auf zuverlässige Weise zu ermitteln, dass sich der
Drehratensensor im Ruhezustand befindet, also nicht oder kaum bewegt wird. Der geschätzte Schwankungswert ist bevorzugt eine geschätzte maximale Varianz oder Schwankung der Drehratensensormesswerte. Insbesondere ist es denkbar, dass der geschätzte Mittelwert und/oder der geschätzte Schwankungswert (bzw. die geschätzte Varianz) mithilfe eines
Glättungsfilters ermittelt bzw. geschätzt werden. In diesem Fall ist es denkbar, dass der geschätzte Mittelwert und/oder die geschätzte Varianz nicht exakt dem Mittelwert und/oder der Varianz der Messwerte
entsprechen.
Dadurch, dass die Ermittlung im ersten Schritt ergibt, dass sich der Drehratensensor im Ruhezustand befindet, wenn der geschätzte Mittelwert kleiner als ein erster Schwellwert ist und/oder die geschätzte Varianz kleiner als ein zweiter Schwellwert ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine besonders vorteilhafte
Ruhezustandsermittlung implementierbar ist. Hierbei wird bevorzugt für eine bestimmte Anzahl von (letzten) Drehratenmesswerten der geschätzte Mittelwert und die geschätzte Varianz (oder maximale Schwankung) mithilfe eines Glättungsfilters gebildet. Besonders bevorzugt ist es denkbar, dass, wenn der geschätzte Mittelwert kleiner als ein erster Schwellwert, thrl, und die geschätzte Varianz kleiner als ein zweiter Schwellwert, thr2, ist, der Ruhezustand festgestellt wird. Bevorzugt werden die folgenden Schritte des Verfahrens nur im Ruhezustand des Drehratensensors durchgeführt. Dadurch, dass die im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerte lediglich solche Drehratensensormesswerte umfassen, die gemessen wurden, seitdem sich der Drehratensensor im Ruhezustand befindet, wobei die im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerte bevorzugt im dritten Schritt bei der
Bestimmung des gefilterten Drehratensensormesswerts, insbesondere bei der Bestimmung der gefilterten Drehratensensormesswerte, verwendet werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass nur solche Messwerte bei der Offsetkorrektur und insbesondere bei der Ermittlung des Filterparameters, berücksichtigt werden, die im Ruhezustand des Drehratensensors gemessen wurden.
Dadurch, dass der Filterparameter im zweiten Schritt in Abhängigkeit eines ersten Zwischenparameters und eines zweiten Zwischenparameters bestimmt wird, wobei der erste Zwischenparameter proportional zum Kehrwert einer Anzahl von im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerten ist, wobei der zweite Zwischenparameter von einer Schwankung von im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerten abhängt, wobei die Schwankung bevorzugt die geschätzte Varianz ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine besonders vorteilhafte Anpassung des Filterparameters (und somit des Korrekturverfahrens im Ganzen) an die Gegebenheiten und äußeren Einflüsse auf den Drehratensensor im Ruhezustand vorzunehmen.
Insbesondere kann der erste Zwischenparameter, al, gemäß einer Ausführungsform wie folgt ermittelt werden:
Figure imgf000006_0001
wobei #Z die Anzahl der im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerte bzw. die Anzahl der zur Kalibrierung verwendeten Samples ist. Der zweite Zwischenparameter, a2, kann besonders bevorzugt derart ermittelt werden, dass der Bereich von 0 bis zum zweiten Schwellwert, thr2, also insbesondere von 0 bis zur maximalen Varianz oder Schwankung, in mehrere Intervalle bzw. Teilbereiche unterteilt wird. Beispielsweise kann ein Intervall für jedes typische
Rauschlevel, das in verschiedenen Wearable- Kalibrationssituationen auftritt, bereitgestellt sein. Jedem Intervall wird ein fester Wert für den zweiten Zwischenparameter zugeordnet. Der zweite Zwischenparameter erhält somit den Wert, der dem Intervall zugeordnet ist, in das die ermittelte (maximale) Schwankung bzw. Varianz im Ruhezustand fällt.
Dadurch, dass der Filterparameter dem Maximum des ersten und zweiten Zwischenparameters entspricht, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine besonders vorteilhafte Ermittlung des
Filterparameters erfolgen, wobei sowohl die Schwankung als auch die Anzahl der im Ruhezustand gemessenen Drehratensensormesswerte berücksichtigt werden können. Somit lässt sich beispielsweise sowohl für einen Drehratensensor, der im Ruhezustand nur ein geringes Rauschen aufweist, eine besonders schnelle und präzise Offsetkalibrierung durchführen, als auch für einen Drehratensensor, der ein erhöhtes
Rauschen aufweist, eine vergleichsweise etwas langsamere aber dennoch präzise Offsetkalibrierung.
Dadurch, dass im dritten Schritt der gefilterte Drehratensensormesswert ferner in Abhängigkeit eines vorherigen gefilterten
Drehratensensormesswerts und eines momentanen
Drehratensensormesswerts ermittelt wird, insbesondere mithilfe einer exponentiellen Glättung, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine besonders vorteilhafte
Offsetkalibration zu erreichen.
Insbesondere ist es denkbar, im dritten Schritt folgenden Zusammenhang zu verwenden:
x[n\ = (1— a)x[n— 1] + ax[n ],
wobei x[n] der gefilterte Drehratensensormesswert ist, wobei a der Filterparameter ist, wobei x[n— 1] der vorherige gefilterte
Drehratensensormesswert ist, wobei x[n] der momentane
Drehratensensormesswert ist, wobei n die Drehratensensormesswerte bzw. die gefilterten Drehratensensormesswerte nummeriert. Der vorherige gefilterte Drehratensensormesswert wird dabei bevorzugt bei einer vorherigen Iteration des dritten Schritts bzw. des zweiten und dritten Schritts bzw. des ersten, zweiten und dritten Schritts in analoger Weise (zur Bestimmung des gefilterten Drehratensensormesswerts) bestimmt.
Entsprechend kann im dritten Schritt eine exponentielle Glättung mit einem Parameter, dem Filterparameter a erfolgen. Es kommen prinzipiell auch andere Filterverfahren für den dritten Schritt infrage.
Dadurch, dass nach dem dritten Schritt, mithilfe einer Dezimatoreinrichtung eine Ausgaberate, insbesondere eine Samplerate, der gefilterten
Drehratensensormesswerte reduziert wird, sodass ausgaberatereduzierte gefilterte Drehratensensormesswerte erzeugt werden, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die
Ausgaberate des Offsets verringert werden kann und insbesondere unabhängig von der Messrate bzw, Samplerate der
Drehratensensormesswerte ist.
Dadurch, dass in einem fünften Schritt, nach dem dritten Schritt und insbesondere nach dem vierten Schritt, mithilfe des gefilterten
Drehratensensormesswerts oder mithilfe des ausgaberatereduzierten gefilterten Drehratensensormesswerts, und ferner mithilfe eines
Glättungsfilters der Offset bestimmt wird, ist es gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine weitere Glättung bei der Offsetkalibrierung stattfindet. Beispielsweise können dadurch geringfügige Schwankungen des Schätzwerts (also des gefilterten Drehratensensormesswerts oder des ausgaberatereduzierten gefilterten Drehratensensormesswerts) verringert werden. In diesem Fall entspricht der Offset bevorzugt dem nach dem Glättungsfilter erhaltenen Wert. Als Glättungsfilter kommen verschiedenste Methoden infrage, beispielsweise eine exponentielle Glättung. Bei der Glättung im fünften Schritt kommen typischerweise mehrere gefilterte Drehratensensormesswerte bzw.
ausgaberatereduzierte gefilterte Drehratensensormesswerte (aus mehreren Iterationen des dritten und/oder vierten Schritts) zum Einsatz. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der dritte Schritt, bevorzugt der zweite und dritte Schritt, besonders bevorzugt der erste, zweite und dritte Schritt, ferner bevorzugt der erste, zweite, dritte und vierte Schritt und weiter ferner bevorzugt der erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Schritt mehrfach wiederholt werden, insbesondere derart, dass eine Mehrzahl gefilterter
Drehratensensormesswerte in den dritten Schritten erzeugt wird. Somit ist eine kontinuierliche Anpassung der Offsetkalibration möglich.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zur
Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines Drehratensensors, wobei das System derart ausgebildet ist, dass ermittelt wird, dass sich der
Drehratensensor in einem Ruhezustand befindet,
wobei das System derart ausgebildet ist, dass ein Filterparameter in
Abhängigkeit von im Ruhezustand gemessenen
Drehratensensormesswerten des Drehratensensors bestimmt wird, wobei das System derart ausgebildet ist, dass mithilfe des Filterparameters ein gefilterter Drehratensensormesswert bestimmt wird,
wobei das System derart ausgebildet ist, dass mithilfe des gefilterten
Drehratensensormesswerts ein Offset bestimmt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer und/oder ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, den Computer und/oder das System veranlassen, ein Verfahren nach einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Für das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße
Computerprogramm können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines Drehratensensors oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines Drehratensensors können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System, dem erfindungsgemäßen
Computerprogramm oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Systems oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computersystems beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Teils eines Systems zur Offsetkalibrierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 100 zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals 11 eines
Drehratensensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Drehratensensor 1 liefert ein Drehratensensorsignal 11, welches eine Abfolge von Drehratensensormesswerten 10 umfasst. Dieses wird einer Monitoreinrichtung 14 bzw. eine Überprüfungseinrichtung 14 zur Verfügung gestellt. Die Monitoreinrichtung 14 stellt anhand der erhaltenen Drehratensensormesswerte 10 fest, ob sich der Drehratensensor 1 in einem Ruhezustand 15 befindet oder in einem Nicht- Ruhezustand 16 bzw. einem beweglichen Zustand 16. Hierfür schätzt die Monitoreinrichtung 14 einen geschätzten Mittelwert der
Drehratensensormesswerte 10 und einen geschätzten Schwankungswert, insbesondere eine geschätzte Varianz, der Drehratensensormesswerte 10 bevorzugt mithilfe eines Glättungsfilters. Ist der geschätzte Mittelwert kleiner als ein erster Schwellwert, thrl, und die geschätzte Varianz kleiner als ein zweiter Schwellwert, thr2, stellt die Monitoreinrichtung 14 fest, dass sich der Drehratensensor 1 im Ruhezustand befindet. Der erste und/oder zweite Schwellwert thrl, thr2 sind festlegbar und können den
Anforderungen entsprechend gewählt werden. Ergibt die Ermittlung, dass sich der Drehratensensor 1 im Nicht- Ruhezustand 16 befindet, werden keine weiteren Kalibrationsschritte durchgeführt. Ergibt die Ermittlung hingegen, dass sich der Drehratensensor 1 im Ruhezustand 15 befindet, wird die Kalibration fortgeführt. Hierbei wird mithilfe einer
Filterparametereinrichtung 17 ein Filterparameter a in Abhängigkeit von im Ruhezustand 15 gemessenen Drehratensensormesswerten xl des Drehratensensors 1 bestimmt. Die im Ruhezustand 15 gemessenen Drehratensensormesswerte xl umfassen dabei lediglich solche
Drehratensensormesswerte 10, die gemessen wurden, seitdem sich der Drehratensensor 1 im Ruhezustand 15 befindet bzw. in diesen
übergegangen ist. Eine mögliche beispielhafte Ausführungsform der Bestimmung des Filterparameters a bzw. eine Ausgestaltung der
Filterparametereinrichtung 17 ist in Figur 2 erläutert. Mithilfe des erhaltenen Filterparameters a wird folgend in einer adaptiven Filtereinrichtung 18 ein gefilterter Drehratensensormesswert x[n] bestimmt. Eine mögliche beispielhafte Ausführungsform der Bestimmung des gefilterten
Drehratensensormesswerts x[n] bzw. eine Ausgestaltung der
Filtereinrichtung 18 ist in Figur 2 erläutert. Nachdem der gefilterte
Drehratensensormesswert x[n] bestimmt wurde, wird dieser einer
Dezimatoreinrichtung 20 zur Verfügung gestellt. Mithilfe der
Dezimatoreinrichtung 20 wird eine Ausgaberate, insbesondere eine Samplerate, der gefilterten Drehratensensormesswerte, x[n], x[n— 1], reduziert, sodass ausgaberatereduzierte gefilterte Drehratensensormesswerte 21 bereitgestellt werden. Anschließend erfolgt mithilfe eines Glättungsfilters 30 eine Glättung der ausgaberatereduzierten gefilterten Drehratensensormesswerte 21. Hierdurch wird der Offset 40 bestimmt, mit dem das Drehratensensorsignals 11 korrigiert bzw. kalibriert werden kann. Der Glättungsfilter 30 kann beispielsweise eine exponentielle Glättung umfassen. Alternativ kommen allerdings auch andere
Filtertechniken infrage. Es wäre alternativ ebenso denkbar, den Offset 40 unmittelbar aus dem gefilterten Drehratensensormesswert x[n] zu erhalten bzw. diese als Offset 40 zu verwenden. Auch eine direkte Verwendung der ausgaberatereduzierte gefilterten Drehratensensormesswerte 21 als Offset 40 wäre alternativ denkbar.
In Figur 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Teils eines Systems 100 zur Offsetkalibrierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere ist eine Ausführungsform der
Filterparametereinrichtung 17 dargestellt. In einem ersten Abschnitt 17‘ Filterparametereinrichtung 17 wird der erste Zwischenparameter al über den Zusammenhang al =
Figure imgf000012_0001
ermittelt. Hierbei ist #Z die Anzahl der im
Ruhezustand 15 gemessenen Drehratensensormesswerte xl seit dem ersten Sample im Ruhezustand 15 bzw. die Anzahl der zur Kalibrierung verwendeten Samples. In einem zweiten Abschnitt 17“ der
Filterparametereinrichtung 17 wird der zweite Zwischenparameter al derart ermittelt, dass der Bereich von 0 bis zum zweiten Schwellwert thr2 (also insbesondere der Bereich von 0 bis zur maximalen Varianz der
Drehratensensormesswerte 10) in mehrere Intervalle bzw. Teilbereiche unterteilt wird. Beispielsweise kann ein Intervall für jedes typische
Rauschlevel, das in verschiedenen Wearable- Kalibrationssituationen auftritt, bereitgestellt sein. Jedem Intervall wird ein fester Wert für den zweiten Zwischenparameter al zugeordnet. Der zweite Zwischenparameter al erhält somit den Wert, der dem Intervall zugeordnet ist, in das die ermittelte (maximale) Schwankung bzw. Varianz der im Ruhezustand 15 gemessenen Drehratensensormesswerte xl fällt (bzw. der mehreren Achsen des Drehratensensorsignals). Somit basiert der zweite
Zwischenparameter al auf der Rauschleistung des Drehratensensors 1. Der Filterparameter a wird dann in einem dritten Abschnitt 17‘“ der
Filterparametereinrichtung 17 aus dem ersten und zweiten
Zwischenparameter al, a.2 ermittelt und wird insbesondere als a = max(al, a 2) gewählt. Generell ist es denkbar, dass der erste, zweite und dritte Abschnitt 17‘, 17“, 17‘“ als eine gemeinsame Funktionalität implementiert sein können. Der ermittelte Filterparameter a kann dann der adaptiven Filtereinrichtung 18 zur Verfügung gestellt werden. Mithilfe der adaptiven Filtereinrichtung 18 wird der gefilterte Drehratensensormesswert x[n] ermittelt. Hierfür kann von der adaptiven Filtereinrichtung 18 eine exponentielle Glättung verwendet werden, insbesondere der
Zusammenhang:
x[n\ = (1— a) x[n— 1] + ax[n ].
x[n] ist der gefilterte Drehratensensormesswert, a der Filterparameter, x[n— 1] der vorherige gefilterte Drehratensensormesswert (als das vorherige Sample) und x[n] der momentane Drehratensensormesswert, n beschreibt die Nummer des Drehratensensormesswerts bzw. die gefilterten Drehratensensormesswerts. Der vorherige gefilterte
Drehratensensormesswert x[n— 1] wird dabei bevorzugt bei einer vorherigen Iteration in analoger Weise zur oben beschriebenen
Bestimmung des gefilterten Drehratensensormesswerts x[n] bestimmt. Auch andere Filter als die vorstehend beschriebene exponentielle Glättung kommen für die adaptive Filtereinrichtung 18 infrage.
Mithilfe der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform eines Systems 100 kann ein Verfahren zur Offsetkalibrierung eines
Drehratensensorsignals 11 eines Drehratensensors 1 durchgeführt werden, wobei
-- in einem ersten Schritt ermittelt wird, dass sich der Drehratensensor 1 in einem Ruhezustand 15 befindet,
-- in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, ein Filterparameter a in Abhängigkeit von im Ruhezustand 15 gemessenen
Drehratensensormesswerten xl des Drehratensensors 1 bestimmt wird,
-- in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, mithilfe des
Filterparameters a ein gefilterter Drehratensensormesswert x[n] bestimmt wird,
wobei mithilfe des gefilterten Drehratensensormesswerts x[n] ein Offset 40 bestimmt wird. Es ist vorteilhafterweise möglich, dass der Offset 40 im Folgenden zur
Offsetkorrektor bzw.- kalibrierung des Drehratensensorsignals 11 verwendet wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals (11) eines Drehratensensors (1), wobei
-- in einem ersten Schritt ermittelt wird, dass sich der Drehratensensor (1) in einem Ruhezustand (15) befindet,
-- in einem zweiten Schritt, nach dem ersten Schritt, ein Filterparameter ( a ) in Abhängigkeit von im Ruhezustand (15) gemessenen
Drehratensensormesswerten (xl) des Drehratensensors (1) bestimmt wird,
-- in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, mithilfe des
Filterparameters ( a ) ein gefilterter Drehratensensormesswert ( x[n] ) bestimmt wird,
wobei mithilfe des gefilterten Drehratensensormesswerts ( x[n] ) ein Offset (40) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im ersten Schritt mithilfe eines
geschätzten Mittelwerts von Drehratensensormesswerten (10) und/oder mithilfe eines geschätzten Schwankungswerts von
Drehratensensormesswerten (10) ermittelt wird, dass sich der
Drehratensensor (1) im Ruhezustand (15) befindet, wobei der geschätzte Schwankungswert bevorzugt einer geschätzten Varianz entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ermittlung im ersten Schritt ergibt, dass sich der Drehratensensor (1) im Ruhezustand befindet, wenn der geschätzte Mittelwert kleiner als ein erster Schwellwert ist und/oder die geschätzte Varianz kleiner als ein zweiter Schwellwert ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die im
Ruhezustand (15) gemessenen Drehratensensormesswerte lediglich solche Drehratensensormesswerte (10) umfassen, die gemessen wurden, seitdem sich der Drehratensensor (1) im Ruhezustand (15) befindet, wobei die im Ruhezustand (15) gemessenen Drehratensensormesswerte (xl) bevorzugt im dritten Schritt bei der Bestimmung des gefilterten Drehratensensormesswerts (x[n]), insbesondere bei der Bestimmung der gefilterten Drehratensensormesswerte ( x[n\, x[n— 1]), verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der
Filterparameter ( a ) im zweiten Schritt in Abhängigkeit eines ersten Zwischenparameters (al) und eines zweiten Zwischenparameters (a 2) bestimmt wird, wobei der erste Zwischenparameter (al) proportional zum Kehrwert einer Anzahl von im Ruhezustand (15) gemessenen
Drehratensensormesswerten (xl) ist, wobei der zweite
Zwischenparameter (a 2) von einer Schwankung von im Ruhezustand (15) gemessenen Drehratensensormesswerten abhängt, wobei die
Schwankung bevorzugt die geschätzte Varianz ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Filterparameter (a) dem Maximum des ersten und zweiten Zwischenparameters (al, a2) entspricht.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im dritten Schritt der gefilterte Drehratensensormesswert ( x[n] ) ferner in Abhängigkeit eines vorherigen gefilterten Drehratensensormesswerts ( x[n— 1]) und eines momentanen Drehratensensormesswerts ( x[n] ) ermittelt wird, insbesondere mithilfe einer exponentiellen Glättung.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem vierten Schritt, nach dem dritten Schritt, mithilfe einer Dezimatoreinrichtung (20) eine Ausgaberate, insbesondere eine Samplerate, der gefilterten
Drehratensensormesswerte ( x[n], x[n— 1]) reduziert wird, sodass ausgaberatereduzierte gefilterte Drehratensensormesswerte (21) erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem fünften Schritt, nach dem dritten Schritt und insbesondere nach dem vierten Schritt, mithilfe des gefilterten Drehratensensormesswerts ( x[n] ) oder mithilfe des ausgaberatereduzierten gefilterten
Drehratensensormesswerts (21), und ferner mithilfe eines Glättungsfilters (30) der Offset (40) bestimmt wird.
10. System (100) zur Offsetkalibrierung eines Drehratensensorsignals (11) eines Drehratensensors (1), wobei das System (100) derart ausgebildet ist, dass ermittelt wird, dass sich der Drehratensensor in einem
Ruhezustand (15) befindet,
wobei das System (100) derart ausgebildet ist, dass ein Filterparameter ( a ) in Abhängigkeit von im Ruhezustand (15) gemessenen
Drehratensensormesswerten (xl) des Drehratensensors (1) bestimmt wird,
wobei das System (100) derart ausgebildet ist, dass mithilfe des
Filterparameters ( a ) ein gefilterter Drehratensensormesswert ( x[n] ) bestimmt wird,
wobei das System (100) derart ausgebildet ist, dass mithilfe des gefilterten Drehratensensormesswerts ( x[n] ) ein Offset (40) bestimmt wird.
11. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des
Computerprogramms durch einen Computer und/oder ein System (100) gemäß Anspruch 10, den Computer und/oder das System (100) veranlassen, ein
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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