Kalibration von Fahrzeugsensoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kalibrationseinrichtung . Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug .

Schienenfahrzeuge benötigen exakte Sensordaten und odometrische Daten, um sicher betrieben werden zu können. Schienenfahrzeuge müssen sich auf eine Vielzahl von bordseitigen Sensoren verlassen, wie zum Beispiel Drehgeber, Doppler-Radar, GPS und Balise-Detektoren, um ihre Position und Geschwindigkeit zu ermitteln. Allerdings sind die odometrischen Daten nur dann korrekt, wenn die verwendete Sensorik präzise kalib ^¬ riert wurde. Häufig treten bei einer solchen Kalibration Fehler auf. Solche Fehler können direkt auf Fehler bei dem Kali- brationsvorgang beruhen oder durch einen Driftvorgang verursacht werden, der nach der Kalibration einsetzt. Auf diese Weise werden die Messwerte ungenau und unzuverlässig.

Herkömmlich wird eine Kalibration vor der Benutzung des

Schienenfahrzeugs oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt. Allerdings kann es zwischenzeitlich zu erhebli ^¬ chen Abweichungen der Messwerte von korrekten Werten kommen, so dass die Genauigkeit und Verlässlichkeit der odometrischen Daten nicht immer gewährleistet ist.

Es besteht also die Aufgabe, ein verbessertes Kalibrations- verfahren zu entwickeln, mit dem Abweichungen von Messwerten, beispielsweise von odometrischen Messwerten, auch über größere Zeiträume hinweg vermieden oder zumindest reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren gemäß Patentanspruch 1, eine Kaiibra- tionseinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren werden Messwerte auf Basis von Sensordaten der Fahrzeugsensoren erfasst. Dann wird ein Optimalfilter auf die Messwerte angewendet. Als Optimalfilter soll ein Filter verstanden werden, welcher einen Schätzwert erzeugt, wobei eine Unsicherheit des Schätzwerts, welcher auf Basis unsiche- rer Messwerte ermittelt wird, minimiert wird.

Als Optimalfilter kann zum Beispiel ein linearisierter Optimalfilter, wie zum Beispiel ein linearisierter Kalman-Filter eingesetzt werden. Ein solcher linearisierter Optimalfilter weist ein um einen bisherigen Wert einer Zustandsgröße line- arisiertes Zustandsübergangsmodell und/oder Beobachtungsmo ^¬ dell auf.

Alternativ können aber auch nichtlineare Filter, wie zum Bei- spiel Unscented Kalman-Filter oder auch auf stochastischen sequentiellen Monte-Carlo-Methoden basierende so genannte Particle-Filter verwendet werden.

Bei dem Filtervorgang werden aktualisierte Kalibrationswerte einer Kalibrationsgröße als aktualisierte Werte der Zustands ^¬ größe des Optimalfilters ermittelt. Vorteilhaft werden Senso ^¬ ren automatisch rekalibriert, da dieser Vorgang bei dem Filtervorgang, welcher der Auswertung und Überwachung von Sensordaten dient, automatisch mit durchgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Kalibrationseinrichtung weist eine Da ^¬ tenempfangseinheit zum Erfassen von Messwerten auf Basis von Sensordaten der Fahrzeugsensoren auf. Teil der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung ist auch eine Filtereinheit zum Anwenden eines Optimalfilters auf die Messwerte. Die Filter ^¬ einheit dient auch zum Ermitteln eines aktualisierten Kali- brationswerts einer Kalibrationsgröße als aktualisierter Wert einer Zustandsgröße des Optimalfilters. Die erfindungsgemäße Kalibrationseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsge ^¬ mäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren eines Schienenfahrzeugs. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsge ^¬ mäße Kalibrationseinrichtung auf. Die erfindungsgemäße Zeit ^¬ schätzeinrichtung teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung . Einige Komponenten der erfindungsgemäßen Kalibrationseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Filtereinheit. Grundsätzlich kann diese Komponente aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berech- nungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden .

Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem Schienenfahrzeug vorhandene Rechnersysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerpro- gramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung ei ^¬ nes solchen Rechnersystems ladbar ist, mit Programmabschnit ^¬ ten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszu ^¬ führen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.

Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computer ^¬ programm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.

Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikropro ^¬ zessoren oder dergleichen aufweisen.

Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhän ^¬ gigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rah- men der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren umfasst die Zustands- größe eine vektorielle Größe. Eine solche Zustandsgröße um ^¬ fasst als Komponenten sowohl eine Kalibrationsgröße als auch weiterzuverarbeitende Informationen über den technischen und/oder dynamischen Zustand eines Fahrzeugs.

Beispielsweise können die Messdaten bzw. Sensordaten von Odometriesensoren erzeugt werden und als Messwerte Odometrie- daten ermittelt werden. Soll die Geschwindigkeit eines Fahr ^¬ zeugs als Zustandsgröße ermittelt werden, so können die Mess- werte der Zustandsgröße eine Drehfrequenz eines Drehgebers eines Tachometers umfassen. Alternativ können auch andere Geschwindigkeitsmessverfahren mit anderen Messgrößen, wie zum Beispiel Zeitintervallen zwischen dem Durchqueren zweier Messpunkte oder ähnliches, verwendet werden. Die zu schätzen ^¬ de Zustandsgröße umfasst im Fall der Geschwindigkeitsmessung als Vektorkomponenten die Geschwindigkeit und die Kalibra- tionsgröße, welche im Fall eines Drehgebers als Geschwindig- keitsmesseinheit den Radumfang angibt. Vorteilhaft werden bei dem Filterprozess nicht nur Geschwindigkeitsmesswerte auf Fehler überprüft, sondern gleichzeitig auch Kalibrations- messwerte ermittelt bzw. aktualisiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren umfasst der Optimalfilter einen erweiterten Kalmanfilter. Ein Kalmanfilter beschreibt modellhaft die Entwicklung eines wahren Zu- stands aus einem vorhergehenden Zustand: x _k = ^F _k ^x _k - _i + ^B _k u _k + w _i , (1) wobei x _k ein aktueller Zustand zum Zeitpunkt k ist, F _k ein Zustandsübergangsmodell repräsentiert, welches den Übergang zwischen dem vorhergehenden Zustand x _k _i zu dem aktuellen Zustand Xk beschreibt. B _k beschreibt die Dynamik einer determi ^¬ nistischen Störung Uk, w _k beschreibt den zufallsbedingten Anteil der Störung. Eine weitere Gleichung beschreibt ein line ^¬ ares Beobachtungsmodell, d.h. eine lineare Beziehung zwischen dem wahren Zustand x _k und einem beobachteten Zustand z _k :

Dabei beschreibt die Matrix H _k das eigentliche Beobachtungs- modell, welches die Beziehung zwischen dem wahren Zustand und dem beobachteten Zustand darstellt, und v _k repräsentiert ei ^¬ nen Rauschterm.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren wird zur Ermittlung des linearisierten Zustandsübergangsmodells und Beobachtungs ^¬ modells auf Basis der bisherigen Werte der Zustandsgröße eine Jakobi-Matrix berechnet. Sind das Beobachtungsmodell und das Zustandsübergangsmodell zunächst nicht linear, so kann bei Anwendung eines erweiterten Kaiman-Filterverfahrens zunächst eine Linearisierung der beiden Matrizen F _k und H _k unter Anwendung einer Jakobi-Matrix durchgeführt werden. Bei zeitkontinuierlicher Betrachtung ergibt sich die linearisierte Matrix F (anstatt F _k ) zu

F = e (3) wobei A der Jakobi-Matrix entspricht zu einem

Zeitpunkt t, und x = f(x, u) beschreibt ein nichtlineares Zu ^¬ standsübergangsmodell, wobei x einen geschätzten Durch ^¬ schnittswert der Zustandsgröße x repräsentiert. Der Wert At ist die Zeit zwischen zwei Filtervorgängen.

Das nichtlineare Beobachtungsmodell h(x) lässt sich wie folgt linearisieren : wobei H wiederum die linearisierte Beobachtungsmatrix darstellt .

Wird ein Zustand x durch die zurückgelegte Distanz d, die Ge ^¬ schwindigkeit v des Fahrzeugs und den Kalibrationsfaktor c repräsentiert, d.h. x die linearisierte Beobachtu

Bei dem aufgeführten Beispiel ist das Zustandsübergangsmodell F linear, so dass dieses nicht linearisiert werden muss. In diesem Fall ist die Matrix F

Aus der linearisierten Beobachtungsmatrix H sowie dem Voraussagewert P der Kovarianz P und der Messunsicherheit R lässt sich die Kaiman-Matrix K berechnen:

K = PH ^T (HPH ^T + R) ¹ . (5)

Hierbei signalisiert das hochgestellte T wie gewöhnlich eine transponierte Matrix.

Die Hilfsgröße Innovation (mit „y" symbolisiert) ergibt sich zu : y = z - h(x) . (6)

Die Größe y beschreibt, wie genau der vorhergesagte Mittel ^¬ wert x den aktuellen Messwert mittels des Beobachtungsmo ^¬ dells H zu beschreiben in der Lage ist.

Der Vorhersagewert x ergibt sich dann auf Basis der Innovati ^¬ on y, der Kaiman-Matrix K und dem Durchschnittswert x wie folgt : x = x + Ky . (7)

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibration von Fahrzeugsensoren betreffen die Messwerte einen Abnutzungsvorgang eines Funktionselements des Schie ^¬ nenfahrzeugs und die Zustandsgröße umfasst einen Abnutzungs ^¬ zustand des Funktionselements.

Beispielsweise kann diese Variante auf einen Öffnungsvorgang einer Fahrzeugtür angewendet werden, wobei die Zustandsgröße einen Abnutzungszustand von Funktionselementen der Tür betrifft. Die Kalibrationswerte dienen in dieser Ausgestaltung der Information, ob ein Funktionselement verschlissen ist und ausgetauscht werden muss oder nicht. Vorteilhaft kann eine automatisierte Funktionsüberwachung durchgeführt werden. Die Wartungsintervalle können sich an dem tatsächlichen Verschleiß der Fahrzeugtür orientieren, wodurch unnötiger Wartungsaufwand und Personalaufwand vermieden werden kann und trotzdem die Funktionsfähigkeit der Fahrzeugtür gewährleistet werden kann.

Alternativ kann als Abnutzungsvorgang auch eine Abnutzung eines Rads eines Schienenfahrzeugs überwacht werden. Wird ein Raddurchmesser ermittelt, welcher unterhalb eines vorbestimm- ten Schwellwerts liegt, so muss das Rad ausgetauscht werden. Vorteilhaft kann Personal für aufwändige Kontrollsichtungen technischer Bauelemente eines Schienenfahrzeugs eingespart werden . Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige ^¬ fügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Selbstka- libration von Fahrzeugsensoren eines Schienenfahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,

FIG 2 ein Blockdiagramm, welches eine Kalibrationseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veran- schaulicht,

FIG 3 ein Blockdiagramm, welche ein Schienenfahrzeug mit ei ^¬ ner Kalibrationseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. In FIG 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein Ver ^¬ fahren zur Selbstkalibration eines Sensorsystems eines Schie ^¬ nenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 1.1 werden zunächst Messwer ^¬ te W _t der Drehfrequenz W als Sensordaten von einem Drehgeber empfangen. Die Messwerte W _t geben die Höhe der Drehfrequenz der Räder des Schienenfahrzeugs an. Bei dem Schritt l.II wer ^¬ den mit Hilfe eines erweiterten Kaiman-Filters aktuelle Werte v _t , Ct für die Geschwindigkeit v und den Radumfang c ermit- telt. Der Radumfang c stellt gleichzeitig den zu aktualisie ^¬ renden Kalibrationswert dar. Die Schätzung erfolgt auf Basis älterer Werte v _t -At _/ c _t -At für die Geschwindigkeit v und den Radumfang c sowie des aktuell ermittelten Werts W _t der Dreh- frequenz W der Räder des Schienenfahrzeugs. Die ermittelten neuen Werte c _t , v _t für den Radumfang c und die Geschwindig ^¬ keit v des Schienenfahrzeugs werden bei dem Schritt l.III an eine Steuerungseinrichtung ausgegeben und zumindest der aktuelle Geschwindigkeitswert v _t wird einem Fahrzeugführer ange- zeigt. Weiterhin wird zu dem Schritt 1.1 zurückgekehrt und ein neuer Messwert W _t +At der Drehfrequenz W des Drehgebers und damit der Räder des Schienenfahrzeugs erfasst. Anschließend werden bei dem Filtervorgang bei dem Schritt l.II auf Basis des neuen Messwerts W _t +At und der aktualisierten Werte c _t , v _t neue Werte c _t +At _{/ t} +At ermittelt. Die ermittelten Werte c _t +At _/ t+At werden an eine Steuerungseinrichtung ausgegeben und der Geschwindigkeitswert v _t +At wird dem Fahrzeugführer angezeigt.

In FIG 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, welches eine Kalibra- tionseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er ^¬ findung veranschaulicht. Die Kalibrationseinrichtung 20 um- fasst eine Messdatenempfangsschnittstelle 21, mit der Messda ^¬ ten W _t von einer oder mehreren Sensoreinheiten empfangen werden. Die Messdaten W _t werden an eine Filtereinheit 22 über- mittelt, welche auf Basis der Messdaten W _t und auf Basis äl ^¬ terer Werte v _t -At _/ c _t -At für die Geschwindigkeit v und den Rad ^¬ umfang c mit Hilfe eines erweiterten Kalman-Filters neue Wer ^¬ te v _t , c _t für die Geschwindigkeit v und den Radumfang c er ^¬ mittelt. Der neue Geschwindigkeitswert v _t wird über eine Aus- gangsschnittstelle 23 an eine Steuereinrichtung ausgegeben, welche den Geschwindigkeitswert v _t zum Beispiel in einem Füh ^¬ rerstand zur Anzeige bringt. Außerdem werden die neuen Werte v _t , c _t von der Filtereinheit 22 bei einem späteren Zeitpunkt t + At dazu genutzt, erneut aktualisierte Kalibrationswerte Ct+At und Geschwindigkeitswerte v _t +At zu ermitteln usw.. In FIG 3 ist ein Schienenfahrzeug 30 veranschaulicht. Das Schienenfahrzeug 30 umfasst eine Sensoreinheit 31, beispiels ^¬ weise eine Drehgebereinheit, mit der Werte W _t der Rotations ^¬ frequenz W der Räder des Schienenfahrzeugs 30 ermittelt wer- den. Auf Basis dieser Werte W _t werden mit Hilfe einer Kali- brationseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Kalibrationswerte c aktualisiert und eine Geschwin ^¬ digkeit v des Schienenfahrzeugs 30 ermittelt. Entsprechende aktualisierte Geschwindigkeitswerte v _t werden an eine Steue- rungseinrichtung 32 ausgegeben, welche diese Werte v _t in ei ^¬ nem Führerstand (nicht gezeigt) des Schienenfahrzeugs 30 zur Anzeige bringt.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung han ^¬ delt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständig- keit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit" nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.