Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem und Sensorsystem

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie von einem Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Im Stand der Technik werden derartige Verfahren beispielsweise bei inertialen Navigationssystemen verwendet, mit welchen sich die Orientierung von im Raum frei beweglichen Objekten und/oder Personen ermitteln lässt. Ein Teil der Orientierungsbestimmung besteht darin, Winkel gegenüber vorgegebenen Raumachsen zu berechnen. Hierzu wird eine Drehrate - also eine

Winkelgeschwindigkeit - z. B. mit einem mikromechanischen Drehratensensor gemessen und diese Drehrate wird dann über die Zeit integriert, um den Winkel zu erhalten. Die zeitliche Integration der Drehrate erfordert eine Zeitreferenz, welche typischerweise als Taktsignal zur Verfügung gestellt wird. Um eine möglichst genaue Zeitreferenz zu erhalten, werden Taktsignale bei den aus dem Stand der Technik bekannten Sensorsystemen von einem Quarzoszillator abgeleitet.

Bei derartigen Verfahren besteht der Nachteil, dass sich durch den zusätzlich erforderlichen Quarzoszillator ein aufwändiger Aufbau ergibt, wodurch sich die Kosten des Sensorsystems erhöhen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige

Berechnung der Orientierung bzw. ein kostengünstiges Sensorsystem zu ermöglichen.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung einer Orientierung mit einem Sensorsystem und das erfindungsgemäße Sensorsystem mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es nicht erforderlich ist, einen Quarzoszillator zur Erzeugung eines Taktsignals vorzusehen. Vielmehr wird mit einem in dem Drehratensensor ohnehin vorgesehenen mikromechanischen Oszillator, welcher mit einer Eigenfrequenz oszilliert, ein Eigenfrequenzsignal erzeugt. Aus dem

Eigenfrequenzsignal des mikromechanischen Oszillators wird ein Taktsignal für das Integrieren in der Berechnungseinheit abgeleitet. Durch den Verzicht auf einen Quarzoszillator wird eine kostengünstige Berechnung der Orientierung bzw. eine kostengünstige Implementierung des Sensorsystems ermöglicht.

Die Orientierung kann beispielsweise als Winkel gegenüber einer vorgegebenen Achse im Raum berechnet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die

Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Ableitung des Taktsignals das Eigenfrequenzsignal einem Frequenzmultiplizierer zugeführt wird, wobei der Frequenzmultiplizierer die Eigenfrequenz des

mikromechanischen Oszillators mit einem Abgleichfaktor multipliziert. Mit Hilfe des Frequenzmultiplizierers können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, indem die Frequenz des Taktsignals durch Multiplikation mit einem einstellbaren Abgleichfaktor auf eine vorgegebene Sollfrequenz eingestellt wird. Der

Abgleichfaktor kann einen ganzzahligen Wert oder einen gebrochenzahligen Wert annehmen, so dass es mit dem Frequenzmultiplizierer möglich ist, ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz zu erzeugen, welche ein ganz- oder gebrochenzahliges Vielfaches der Eigenfrequenz ist oder welche ein Quotient der Eigenfrequenz ist. Besonders bevorzugt ist der Frequenzmultiplizierer als digitaler Frequenzmultiplizierer ausgebildet, so dass dieser in einer digitalen elektronischen Schaltung realisiert werden kann.

In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei welcher der Abgleichfaktor ermittelt wird, wobei die Eigenfrequenz des mikromechanischen Oszillators gemessen wird und die gemessene Eigenfrequenz mit einer vorgegebenen Sollfrequenz verglichen wird. Die Messung der Eigenfrequenz und der Vergleich der gemessenen Eigenfrequenz mit der vorgegebenen

Sollfrequenz kann im Rahmen der Herstellung des Sensorsystems und/oder im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs durchgeführt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Sollfrequenz durch einen Quarzoszillator erzeugt wird. Bevorzugt wird der Abgleichfaktor in einem Abgleichregister des Sensorsystems hinterlegt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der

Berechnungseinheit ein Korrekturfaktor zugeführt wird, um einen

Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers zu kompensieren. Eine derartige Ausführungsform ist vorteilhaft, um eine Abweichung der Taktfrequenz des mittels des Frequenzmultiplizierers abgeleiteten Taktsignals von der vorgegebenen Sollfrequenz zu kompensieren, welche durch die endliche Auflösung des Abgleichfaktors - also den Quantisierungsfehler des

Frequenzmultiplizierers - bedingt ist. Durch die Kompensation des

Quantisierungsfehlers mit dem Korrekturfaktor kann die Genauigkeit des Frequenzmultiplizierers verkleinert werden, d.h. der Quantisierungsfehler vergrößert werden, ohne dass die Genauigkeit der Winkelorientierung verschlechtert wird.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, wobei der Korrekturfaktor dem Verhältnis der Taktfrequenz des Taktsignals zu der Sollfrequenz entspricht. Der Quotient aus der tatsächlichen Frequenz des Taktsignals und der Sollfrequenz gibt den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers an.

In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei welcher die Taktfrequenz des Taktsignals zur Ermittlung des Korrekturfaktors gemessen wird. Die Messung kann beispielsweise im Rahmen der Herstellung des

Sensorsystems und/oder im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs durchgeführt werden. Alternativ ist es möglich, die Eigenfrequenz des Eigenfrequenzsignals zu messen und die Taktfrequenz anhand des eingestellten Abgleichfaktors zu berechnen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Korrekturfaktor in einem Korrekturregister des Sensorsystems gespeichert wird, so dass der Korrekturfaktor zur Berechnung der Orientierung durch die Berechnungseinheit abgerufen werden kann. Das Korrekturregister ist besonders bevorzugt als nichtflüchtiges Korrekturregister ausgebildet, so dass der ermittelte Korrekturfaktor auch dann erhalten bleibt, wenn die Stromversorgung des Sensorsystems abgeschaltet wird.

Vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform, bei welcher der Berechnungseinheit zur Berechnung der Orientierung mit einem Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigungswerte und/oder mit einem Magnetfeldsensor erfasste

Magnetfeldwerte zugeführt werden. Die Beschleunigungswerte und/oder Magnetfeldwerte können bei der Berechnung der Orientierung, insbesondere der Berechnung eines Winkels, berücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Berechnung der Orientierung ein Kaiman- Filter verwendet wird, welchem bevorzugt als Eingangsgrößen die mit dem Drehratensensor ermittelte Drehrate, ein Beschleunigungswert und ein Magnetfeldwert zugeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Sensorsystems ist vorgesehen, dass das Sensorsystem einen

Frequenzmultiplizierer aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass die

Eigenfrequenz des mikromechanischen Oszillators mit einem vorgegebenen Abgleichfaktor multiplizierbar ist und dass das Sensorsystem ein

Korrekturregister aufweist, in welchem ein Korrekturfaktor gespeichert ist, welcher der Berechnungseinheit zuführbar ist, um einen Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers zu korrigieren. Eine derartige Weiterbildung des Sensorsystems bringt den Vorteil mit sich, dass die Genauigkeit der Zeitbasis für die Berechnung der Orientierung erhöht ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer

beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt verschiedene gemessene und vorgegebene Frequenzen zur Veranschaulichung der Abläufe während eines Kalibrierungsvorgangs.

Figur 3 zeigt zwei Beispiele von berechneten zeitlichen Verläufen der

Orientierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit gleichen

Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 dargestellt, welches in einem inertialen Navigationssystem Verwendung finden kann, um die Orientierung eines Objekts und/oder einer Person im Raum zu ermitteln. Das Sensorsystem 1 weist einen ersten mikromechanischen Drehratensensor 2 auf, über welchen eine Drehrate ω - also eine Winkelgeschwindigkeit um eine vorgegebene erste Achse - gemessen wird. Der erste Drehratensensor 2 weist zumindest einen

mikromechanischen Oszillator auf, welcher zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz angeregt wird. Der mikromechanische Oszillator kann

beispielsweise als seismische Masse ausgebildet sein, welche beweglich aufgehängt ist. Zusätzlich zu dem ersten Drehratensensor 2 sind in dem

Sensorsystem 1 zwei weitere Drehratensensoren vorgesehen, welche Drehraten um zwei zu der ersten Achse senkrecht angeordnete Achsen messen. Die zwei weiteren Drehratensensoren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur 1 nicht dargestellt. Zur Berechnung der Orientierung des Sensorsystems 1 im Raum, werden aus den gemessenen Drehraten ω der drei Drehratensensoren 2 Winkel φ' gegenüber den drei zueinander senkrecht angeordneten Achsen berechnet. Die Berechnung der Winkel φ' erfolgt in einer Berechnungseinheit 6 des

Sensorsystems 1 , welche in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem ersten Drehratensensor 2 und bevorzugt mit den beiden weiteren Drehratensensoren angeordnet ist. Zusätzlich können in dem gemeinsamen Gehäuse ein oder mehrere Beschleunigungssensoren zur Messung von Beschleunigungsdaten und/oder ein oder mehrere Magnetfeldsensoren zur Messung von

Magnetfelddaten angeordnet sein.

In der Berechnungseinheit 6 wird die mit dem ersten Drehratensensor 2 gemessene Drehrate ω über eine Integrationszeit integriert, um einen ersten Winkel φ' zu erhalten. Die Integration der Drehrate co über die Zeit erfordert eine

Zeitreferenz, welche in dem Sensorsystem 1 als Taktsignal 13 zur Verfügung gestellt wird. Um das Taktsignal 13 abzuleiten, wird von dem Drehratensensor 2 ein Eigenfrequenzsignal 11 erzeugt, welches die Eigenfrequenz 21 des mikromechanischen Oszillators des Drehratensensors 2 aufweist. Das

Eigenfrequenzsignal 11 wird einem digitalen Frequenzmultiplizierer 4 zugeführt.

Der Frequenzmultiplizierer 4 multipliziert die Eigenfrequenz 21 des

Eigenfrequenzsignals 11 mit einem Abgleichfaktor 10, welcher als Quotient n/m zweier ganzzahliger Werte n, m angegeben wird. Der Abgleichfaktor 10 ist in Form der ganzzahligen Werte n, m in einem Abgleichregister 3 des

Sensorsystems 1 hinterlegt. Falls n/m > 1, so ist die Taktfrequenz 23 des

Taktsignals 13 größer als die Eigenfrequenz 21 des mikromechanischen Oszillators. Falls n/m < 1, so ist die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 kleiner als die Eigenfrequenz 21. Mit dem Frequenzmultiplizierer 4 kann die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 auf eine vorgegebene Sollfrequenz abgeglichen werden. Da der

Abgleichfaktor 10 eine endliche Auflösung aufweist, weist die Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 jedoch in der Regel eine Abweichung 24 von der Sollfrequenz auf, welche den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 darstellt. Zur Korrektur des Quantisierungsfehlers wird in einem Korrekturregister 5 des Sensorsystems 1 ein Korrekturfaktor fcorr hinterlegt, welcher der

Berechnungseinheit 6 zugeführt wird und welcher beim Integrieren der

Drehrate ω berücksichtigt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert werden soll. Der Korrekturfaktor fcorr entspricht dem Verhältnis der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 zu der Sollfrequenz 22.

Zusätzlich werden der Berechnungseinheit 6 zur Berechnung der Orientierung mit einem Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigungswerte 15 und mit einem Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeldwerte 16 zugeführt.

Anhand der Darstellung in Figur 2 sollen nachfolgend die Vorgänge zum

Abgleich der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 erläutert werden. Der Abgleich erfolgt bei dem Sensorsystem 1 im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs, welcher beispielsweise unmittelbar nach der Herstellung des Sensorsystems 1 oder nach Bedarf vor dem Einbau des Sensorsystems 1 in ein inertiales

Navigationssystem durchgeführt wird.

In der Figur 2 ist die Frequenz fT, welche durch den Frequenzmultiplizierer 4 erzeugt wird, über der Frequenz fE des Eigenfrequenzsignals 11 aufgetragen, welches von dem mikromechanischen Oszillator erhalten wird. Mit dem

Bezugszeichen 19 ist der Frequenzbereich gekennzeichnet, in welchem der gemessene Wert der Eigenfrequenz 21 des Eigenfrequenzsignals 11 aufgrund der Fertigungstoleranz vermutet wird. In diesem Frequenzbereich 19 ist es durch Wahl eines geeigneten Abgleichfaktors 10 möglich, die Taktfrequenz 23 auf die Sollfrequenz 22 abzugleichen. Die zu den jeweiligen Frequenz f E des

Eigenfrequenzsignals korrespondierenden Abgleichfaktoren 10 sind in der Figur 2 beispielhaft mit den Bezugszeichen 41 bis 47 bezeichnet. Diese stehen symbolhaft für ein bestimmtes Verhältnis der Werte n und m. Die aus der Wahl des Abgleichfaktors 10 resultierende Taktfrequenz fT folgt aufgrund des

Quantisierungsfehlers des Frequenzmultiplizierers 4 einer Zickzacklinie.

Während des Kalibrierungsvorgangs wird die Eigenfrequenz 21 des

mikromechanischen Oszillators gemessen. Um die Taktfrequenz 23 auf eine vorgegebene Sollfrequenz 22 abzugleichen, wird der korrespondierende

Abgleichwert 10 ausgewählt. Es wird der Abgleichfaktor 10 ausgewählt, bei welchem die Frequenzdifferenz 24 zwischen der aus der Anwendung des Abgleichfaktors 10 resultierenden Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 und der Sollfrequenz 22 am geringsten ist. Im vorliegenden Beispiel wird als

Abgleichfaktor 10 der Wert 44 gewählt, welcher symbolhaft für ein bestimmtes Verhältnis der Werte n und m, beispielsweise 15/16 steht und dieses codiert. Der Abgleichfaktor 10 wird in dem Abgleichregister 3 gespeichert.

Um den Korrekturfaktor fcorr zu ermitteln, wird der Quotient der Taktfrequenz 23 des Taktsignals 13 und der Sollfrequenz 22 gebildet. Der Korrekturfaktor fcorr wird in einem nicht-flüchtigen Korrekturregister 5 des Sensorsystems 1 hinterlegt. Zur Ermittlung des Korrekturfaktors fcorr kann die Taktfrequenz 23 gemessen werden. Alternativ ist es möglich, die Taktfrequenz 23 anhand der gemessenen Eigenfrequenz 21 und dem ausgewählten Abgleichfaktor 10 zu berechnen.

Anhand der Darstellung in Figur 3 soll nachfolgend die Berechnung der

Orientierung des Sensorsystems 1 erläutert werden. Die Figur 3 zeigt den berechneten Winkel φ über einer ersten Zeitachse t, wobei der

Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 nicht korrigiert ist und den berechneten Winkel φ' über einer zweiten Zeitachse t', wobei der

Quantisierungsfehler korrigiert ist.

Wird der Korrekturfaktor fcorr in der Berechnungseinheit 6 nicht berücksichtigt, so ist der berechnete Winkel φ mit der durch den Quantisierungsfehler des Frequenzmultiplizierers 4 hervorgerufenen Ungenauigkeit belastet. Die mit dem ersten Drehratensensor 2 gemessene Drehrate ω wird über eine Integrationszeit integriert, um einen ersten Winkel φ zu erhalten. Dieser Zusammenhang ist in der nachfolgenden Gleichung dargestellt:

Wird der Korrekturfaktor in der Berechnungseinheit 6 hinzugezogen, um den Winkel φ' zu berechnen, wird der Quantisierungsfehler kompensiert und die Genauigkeit des Winkel φ' verbessert. Hierzu werden in der

Berechnungseinheit 6 die diskreten Zeitpunkte mit dem Korrekturfaktor fcorr multipliziert, was in den nachfolgenden Gleichungen exemplarisch für die Zeitpunkte t ₀ und ί _τ dargestellt ist. to' = t ₀ * fcorr

ti' = ^f i * fcorr

Für den Winkel φ' ergibt sich folgende Gleichung:

Die vorstehend dargestellte Berechnung kann in Abweichung von dem

Ausführungsbeispiel für alle drei Raumrichtungen durchgeführt werden, für die Drehraten in dem Sensorsystem 1 ermittelt werden. Ferner können bei der Berechnung der Winkel zusätzlich Beschleunigungsdaten 15 und/oder

Magnetfelddaten 16 hinzugezogen werden. Insofern kann in der

Berechnungseinheit 6 eine Fusion der Daten mehrerer Sensoren durchgeführt werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zu Berechnung eines

Raumwinkels φ' mit einem Sensorsystem 1, welches einen mikromechanischen Drehratensensor 2 und eine Berechnungseinheit 6 aufweist, wobei eine

Drehrate ω mit dem Drehratensensor 2 gemessen wird und zur Berechnung des Raumwinkels φ' die Drehrate ω in der Berechnungseinheit über die Zeit integriert wird, oszilliert ein mikromechanischer Oszillator des Drehratensensors 2 mit einer Eigenfrequenz 21 und erzeugt ein Eigenfrequenzsignal 11, wobei aus dem Eigenfrequenzsignal 11 ein Taktsignal 13 für das Integrieren in der

Berechnungseinheit 6 abgeleitet wird. Hierdurch wird eine kostengünstige Berechnung des Raumwinkels φ' und ein kostengünstiges Sensorsystem 1 ermöglicht.