Titel

VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINES DREIACHSIGEN BESCHLEUNIGUNGSSENSORS

Stand der Technik

Mikroelektromechanische (MEMS)-Sensoren zur Erfassung einer Beschleunigung (Accelerometer) werden z.B. in Smartphones, Hearables und Wearables eingesetzt, um Gesten zu erkennen oder die Orientierung des Geräts im Raum zu bestimmen. Fertigungsbedingt weisen diese Sensoren jedoch systematische Messfehler auf, die sich negativ auf die Orientierungsschätzung auswirken. Die Messfehler umfassen Offset- Fehler, wobei die Messwerte des Sensors für zumindest eine Achse systematische, additive Abweichungen von der tatsächlichen Beschleunigung, die der Sensor erfährt, aufweisen. Dadurch weicht die vom Sensor erfasste Beschleunigung selbst in Abwesenheit externer Beschleunigungen von der Erdbeschleunigung ab. Weiter umfassen die Messfehler Sensitivitätsfehler, wobei die gemessene Beschleunigung um einen multiplikativen Faktor für zumindest eine Achse von der tatsächlichen Beschleunigung abweicht. Schließlich können die Messfehler auch Orthogonalitätsfehler umfassen, die dadurch entstehen, dass die drei Achsen des Beschleunigungssensors nicht exakt orthogonal zueinanderstehen.

Die systematischen Messfehler können anhand einer Vorkalibration am Ende des Herstellungsprozesses in der Fabrik größtenteils behoben werden. Allerdings treten beim Auflöten der Sensoren weitere systematische Fehler (insbesondere Offset-Fehler) auf, die eine erneute Kalibration notwendig machen. Diese systematischen Fehler können mit ähnlichen Verfahren wie bei der Vorkalibration in der Fabrik geschätzt werden, wobei der Sensor typischerweise sehr präzise in sechs verschiedene Orientierungen gebracht wird und die systematischen Fehler anhand der Abweichungen zwischen den tatsächlich erwarteten Beschleunigungswerten und den gemessenen Beschleunigungssignalen für diese Orientierungen ermittelt werden. Die Orientierungen entsprechen hierbei einer Ausrichtung jeder Sensorachse parallel zum Erdbeschleunigungsvektor, jeweils in positiver und negativer Richtung.

Des Weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen der Beschleunigungssensor in mehrere (typischerweise mindestens sechs) verschiedene Positionen gebracht wird, deren genaue Orientierung nicht exakt den vorgegebenen Positionen entsprechen muss. So ist aus Zhang et al., “Improved multi-position calibration for inertial measurement units”, Meas. Sei. Technol. 21, 2010, ein entsprechendes Kalibrierverfahren fur inertiale Messeinheiten bekannt. Weiter ist aus Ye et al., “Optimum Experimental Design applied to MEMS accelerometer calibration for 9-parameter auto-calibration model”, 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015, ein Verfahren zur Minimierung der Varianz bei der Parameterschätzung und -prädiktion bekannt. Frosio et al., “Autocalibration of MEMS Accelerometer,” IEEE Trans. Instrum. Meas, vol. 58(6), pp. 2034-2041, 2009, beschreibt ein Autokalibrierverfahren für Beschleunigungssensoren.

Weiter sind Verfahren bekannt, welche die während der normalen Nutzung gemessenen Beschleunigungssignale verwenden, etwa Glueck et al., “Real-Time Autocalibration of MEMS Accelerometers,” IEEE Trans. Instrum. Meas, vol 63(1), pp. 96-105, 2014.

Mittels eines Algorithmus werden Offsetfehler sowie gegebenenfalls Sensitivitäts- und Orthogonalitätsfehler anhand der erfassten Messwerte einmalig oder iterativ gemessen. Dabei wird ausgenutzt, dass der Betrag des gemessenen Signals in Ruhelage unabhängig von der Position jeweils dem Betrag der Erdbeschleunigung entsprechen sollte.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereit.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors. Der Beschleunigungssensor wird hierbei räumlich ausgerichtet, indem er nacheinander in vier verschiedene Messorientierungen gebracht wird. Die Messorientierungen sind derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen in verschiedene, nicht komplanare Richtungen zeigt. In jeder der vier Messorientierungen wird für jede Achse des Beschleunigungssensors mindestens ein Messwert erfasst, wenn sich der Beschleunigungssensor in der jeweiligen Messorientierung in Ruhe befindet. Unter Verwendung der erfassten Messwerte wird ein Offset zur Kompensation eines Offset-Messfehlers ermittelt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht es, Offsetfehler eines dreiachsigen Beschleunigungssensors so zu schätzen, dass verhindert wird, dass durch geringe Sensitivitätsfehler systematische Schätzfehler des Offsets entstehen. Derartige Sensitivitätsfehler können noch verbleiben, auch nachdem bereits zuvor Sensitivitätsfehler und Orthogonalitätsfehler korrigiert wurden, wobei etwa ein testsignalbasiertes Verfahren zum Einsatz kommt.

Die minimale Anzahl an Messorientierungen, die zur Kalibration des Offsets eines dreiachsigen Beschleunigungssensors benötigt werden, ist drei. Typischerweise wird der Beschleunigungssensor hierzu so ausgerichtet, dass jede der drei Sensorachsen jeweils einmal parallel zum Erdbeschleunigungsvektor ausgerichtet ist. Auf Grund der Sensitivitätsfehler weist der so ermittelte Offset jedoch einen systematischen Fehler auf, d.h. die Verteilung des Offsetfehlers ist nicht mittelwertfrei. Um dies zu verhindern, müssen die Messorientierungen gleichmäßig im Raum verteilt werden. Bei drei Messorientierungen kann eine solche Verteilung jedoch nur in einer Ebene erreicht werden, sodass der Offset nur für zwei Achsen des Beschleunigungssensors bestimmt werden kann. Um den kompletten Offset so zu schätzen, dass keine systematischen Schätzfehler auftreten, werden somit mindestens vier Messorientierungen benötigt.

Die Erfindung ermöglicht es, genau vier Messorientierungen zu verwenden, anstelle der sonst meist verwendeten sechs Messorientierungen (+g und -g für jede der drei Sensorachsen). Die Offsetfehler können dadurch in möglichst kurzer Zeit ermittelt werden, da die Kalibrationszeit aufgrund der geringeren Anzahl an Messorientierungen reduziert ist. Die Anzahl der Messorientierungen wird somit auf das Minimum reduziert, um einen mittelwertfreien Offsetfehler für alle Sensorachsen zu erhalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors werden die vier Messorientierungen derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen im Wesentlichen entlang von Symmetrieachsen eines um einen Koordinatenursprung des Sensorkoordinatensystems zentrierten regelmäßigen Tetraeders ausgerichtet ist. Hierbei handelt es sich um die Symmetrieachsen, die die Ecken des Tetraeders mit den Mittelpunkten der gegenüberliegenden Seitenflächen verbinden. Die Messorientierungen sind somit derart im Raum verteilt, dass die Winkel zwischen den Beschleunigungsvektoren für jede Kombination zweier Messorientierungen gleich sind. Durch diese optimale Verteilung und Ausrichtung der Messorientierungen ist es möglich, den systematischen Einfluss der Sensitivitätsfehler zu minimieren und einen mittelwertfreien Offsetfehler für alle Sensorachsen zu erhalten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors werden die Messorientierungen derart gewählt, dass für jede Messorientierung die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssignals für jede Achse des Beschleunigungssensors im Wesentlichen einen Betrag von g/ [ aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass die Verteilung des Offsetfehlers für alle Sensorachsen möglichst gleich ist.

In der Praxis ist es jedoch nicht entscheidend für das beschriebene Verfahren, dass die idealen Messorientierungen exakt eingehalten werden. Ähnlich gute Ergebnisse können mit Messorientierungen erzielt werden, die geringfügig von den idealen Messorientierungen abweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass für die Messorientierungen die Richtung der Erdbeschleunigung höchstens um einen vorgegebenen Winkel (etwa von 10°) von der optimalen Richtung abweicht. Dadurch können Kosten für die erforderliche Messtechnik gespart werden und die Messdauer und der Berechnungsaufwand können reduziert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors können für jede Messorientierung die Sensorsignale vor der eigentlichen Schätzung vorverarbeitet werden, z.B. durch Mittelung. Nachdem die vorverarbeiteten Sensorsignale a , ... a ₄ für alle vier vordefmierten Messorientierungen gespeichert wurden, wird unter Ausnutzung der Tatsache, dass die Beträge der Offsetkompensierten, gemittelten Beschleunigungssignale jeweils dem Betrag der Erdbeschleunigung g entsprechen sollten, der Offset o geschätzt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird der Beschleunigungssensor in jeder der vier Messorientierungen für einen vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitraum in Ruhe gehalten. In jeder Messorientierung wird für jede Achse des Beschleunigungssensors eine Vielzahl von Messwerten erfasst. Für jede Messorientierung wird eine Mittelung der für die einzelnen Achsen des Beschleunigungssensors erfassten Messwerte durchgeführt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors umfasst das Ermitteln des Offsets das Lösen eines Optimierungsproblems, um die Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einem Betrag von Offset-kompensierten Beschleunigungssignalen und einem Betrag der Erdbeschleunigung zu minimieren. Demnach wird folgendes Optimierungsproblem gelöst: min y (||a _n — 0II2 - g) ² . 0 <n=l

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Optimierungsproblem mittels eines Gauß-Newton- Algorithmus gelöst. Die Lösung kann dadurch innerhalb von wenigen Iterationen erzeugt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird anhand von Beschleunigungssignalen des Beschleunigungssensors erkannt, ob sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird der Beschleunigungssensor mittels einer zum Kalibrieren verwendeten Maschine in die vier verschiedenen Messorientierungen gebracht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Ermitteln des Offsets auf einem in dem Beschleunigungssensor integrierten Mikroprozessor durchgeführt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Verfahren nach dem Verbauen des Beschleunigungssensors in einer Vorrichtung, insbesondere einem Smartphone, einem Hearable oder einem Wearable, durchgeführt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren bei der Band-Ende- Trimmung und -Kontrolle durchgefuhrt.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung kann das Verfahren während der Nutzung durch Endnutzer durchgefuhrt werden. Ein Nutzer des Verfahrens kann mit Hilfe einer visuellen, audiovisuellen oder weiteren Anleitung bei der Anwendung des Verfahrens unterstützt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren auf einem im Sensormodul integrierten Mikroprozessor durchgeführt. Weiter kann auch vorgesehen sein, das Verfahren auf einem Prozessor des Geräts durchzuführen, in das der Sensor integriert ist.

Der Beschleunigungssensor kann ab dem Start des Verfahrens kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten Messdaten aufnehmen. Anhand der gemessenen Daten wird selbstständig bestimmt, wann eine Messorientierung vorliegt, indem z.B. die Varianz mehrerer aufeinanderfolgender Messwerte mit einem Schwellwert verglichen wird, um festzustellen, ob sich der Sensor in Ruhe befindet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors kann ein Nutzer und/oder eine Maschine zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors das Verfahren initiieren. Der Nutzer und/oder die Maschine können mittels eines Triggers signalisieren, wann eine Messorientierung erreicht wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführung der Erfindung; und Figur 2 eine schematische Illustration von Messorientierungen gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors.

Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors. Das Verfahren kann nach dem Verbauen des Beschleunigungssensors in einer Vorrichtung, insbesondere einem Smartphone, einem Hearable oder einem Wearable, durchgefuhrt werden.

Im ersten Verfahrensschritt S1 wird das Verfahren zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors gestartet. Das Verfahren zum Kalibrieren kann automatisch gestartet werden oder durch einen Benutzer getriggert werden.

Der Beschleunigungssensor kann zum Kalibrieren in eine Maschine eingebracht werden, welche den Beschleunigungssensor in vorgegebene Messorientierungen bringen kann. Die Maschine kann auch eine Recheneinrichtung zur Berechnung des Offset-Messfehlers umfassen und wird hierzu mit dem Beschleunigungssensor gekoppelt, um Messsignale von dem Beschleunigungssensor zu empfangen und Kalibriersignale an den Beschleunigungssensor zu senden.

Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann auch ein in dem Beschleunigungssensor integrierter Mikroprozessor den Offset ermitteln.

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird der Beschleunigungssensor durch die Maschine oder durch einen Benutzer derart räumlich ausgerichtet, dass er in eine erste Messorientierung gebracht wird. Wenn sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet, können die vom Beschleunigungssensor erfassten Messdaten für die Kalibrierung verwendet werden. Der Beschleunigungssensor erfasst hierbei für jede der drei Achsen des Beschleunigungssensors mindestens einen Messwert, d. h. mindestens einen Beschleunigungsmesswert für jede Achse. Es kann vorgesehen sein, dass sich der Beschleunigungssensor über einen bestimmten Zeitraum hinweg in Ruhe befindet, bevor die Messdaten erfasst werden, welche für die Kalibrierung verwendet werden. Ob sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet, kann ebenfalls anhand von Messdaten des Beschleunigungssensors ermittelt werden. Die Länge des Zeitraums während welchem sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befinden soll, kann vom Sensorrauschen, dem Umgebungsrauschen, sowie der gewünschten Bestimmungsgenauigkeit des Offsets abhängen und vorgegeben sein oder durch einen Anwender eingestellt werden.

Falls der Beschleunigungssensor mittels einer Maschine in die Messorientierungen bewegt wird, kann auch direkt nach dem Erreichen der jeweiligen Position mit dem Erfassen der Messdaten begonnen werden, welche für die Kalibrierung verwendet werden.

In einem weiteren Schritt S3 erfolgt eine Vorverarbeitung der Messdaten. Hierzu können verschiedene Messwerte gemittelt werden, um somit einen gemittelten Messwert für jede der Achsen des Beschleunigungssensors zu berechnen. Für die folgenden Berechnungen können die gemittelten Messwerte herangezogen werden.

In einem Verfahrensschritt S4 wird der gemittelten Messwert nach Ablauf eines Zeitintervalls gespeichert.

In einem Verfahrensschritt S5 wird ermittelt, ob der Beschleunigungssensor noch in weitere Messorientierungen gebracht werden soll. Ist dies der Fall, wird der Beschleunigungssensor durch die Maschine oder durch den Anwender in eine weitere noch verbleibende Messorientierung gebracht und die Schritte S2 bis S4 werden für diese Messorientierung erneut durchgeführt. Dies erfolgt solange, bis der Beschleunigungssensor in vier verschiedene Messorientierungen gebracht wurde. Die vier Messorientierungen sind derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen in verschiedene, nicht komplanare (also nicht in einer Ebene liegende) Richtungen zeigt.

Nachdem der Beschleunigungssensor in alle vier Messorientierungen gebracht wurde und entsprechende Messwerte erfasst, ggfs. gemittelt und gespeichert wurden, wird in einem Verfahrensschritt S6 ein Offset-Messfehler anhand der gespeicherten Messwerte geschätzt. Der Offset kann durch Lösen eines Optimierungsproblems bestimmt werden, wobei die Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einem Betrag von Offsetkompensierten Beschleunigungssignalen und einem Betrag der Erdbeschleunigung minimiert wird. Das Optimierungsproblem kann mittels eines Gauß-Newton-Algorithmus gelöst werden.

In einem Verfahrensschritt S7 wird der geschätzte Offset bereitgestellt. Der Beschleunigungssensor kann anhand des bereitgestellten Offsets kalibriert werden. Figur 2 zeigt eine schematische Illustration von Messorientierungen. Die

Koordinatenachsen x, y, z entsprechen den drei Messachsen und geben somit ein Sensorkoordinatensystem vor. Weiter sind vier verschiedene Messorientierungen RI bis R4 eingezeichnet, welche entlang von Symmetrieachsen eines um einen Koordinatenursprung des Sensorkoordinatensystems zentrierten regelmäßigen Tetraeders T ausgerichtet ist. Bevorzugt weisen für jede Messorientierung die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssignals für jede Achse x, y, z des Beschleunigungssensors im Wesentlichen einen Betrag von g/ [ auf.