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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Sensoren eines
Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung
zur Kalibrierung von Sensoren eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Fahrzeuge Sensorsysteme
umfassen, welche Bestandteil verschiedener Fahrzeugsicherheitssysteme
und/oder Fahrerassistenzsysteme sind. Um eine einwandfreie Funktion
dieser Sensorsysteme sicherzustellen, ist eine Kalibrierung der
einzelnen Sensoren erforderlich. Zu einer Kalibrierung der Sensoren
sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt.
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Ein
derartiges Verfahren zur Kalibrierung eines Sensorsystems offenbart
die
DE 199 62 997
A1 , mit dem eine Erfassung und Auswertung von Objekten
im Kursverlauf eines Fahrzeuges durchgeführt wird. Bei dem Verfahren
werden mit dem Sensorsystem charakteristische Daten der Objekte
erfasst und die Daten, die unter Berücksichtigung einer Eigenbewegung
des Fahrzeugs als ruhende oder quasi ruhende Objekte erkannt werden,
einer Kalibrierungseinheit zugeführt.
Mittels der Kalibrierungseinheit wird eine Abweichung der aktuell
gemessenen Daten von Daten eines Modells der Objekte als Fehlervektor
ermittelt und zur Korrektur der Daten des Modells in Richtung auf
eine Minimierung der Abweichung herangezogen.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 001 572 A1 ein Laufzeit-Kalibrierungsverfahren
für ein
bildgebendes System mit wenigstens zwei Kameras bekannt, bei welchem
aktuelle Kameraparameter fortlaufend ermittelt werden, wobei zu
dieser fortlaufenden Ermittlung der aktuellen Kameraparameter ein
optischer Fluss und eine Stereotiefenvermessung der jeweiligen von
den wenigstens zwei Kameras detektierten Bilder gemeinsam ausgewertet
werden.
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DE 102 29 336 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Stereo-Kamerasystems
für Fahrzeuge.
Das Kalibrierverfahren basiert auf mittels des Stereo-Kamerasystem
aufgezeichneter Bildinformation eines Kalibrierobjektes. Von einem
Lagebezugssensor, beispielsweise einem Radarsensor, wird dabei das
Kalibrierobjekt erfasst, um die Lage und Orientierung des Kalibrierobjekts
relativ zur Position des Stereo-Kamerasystems unter Einbeziehung
von Modelldaten zu bestimmen. Die damit gewonnenen Bezugswerte werden
bei der Kalibrierung von Parametern des Stereo-Kamerasystems herangezogen.
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Die
DE 10 2006 018 974
A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung einer Gierratenmessung in
einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug zumindest eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Gierrate, ein Kamerasystem, einen Lenkwinkelsensor
oder einen Querbeschleunigungssensor aufweist. Dabei erfolgen eine
erste Kalibrierung im Stillstand und eine zweite Kalibrierung während der
Fahrt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Vorrichtung zur Kalibrierung von Sensoren eines
Fahrzeuges anzugeben, welche insbesondere mit einem geringen instrumentellen
als auch einem geringen personellen Aufwand realisierbar sind.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Kalibrierung von Sensoren eines Fahrzeuges werden während einer
Fahrt des Fahrzeuges Sensorpositionsdaten mittels zumindest eines
zu kalibrierenden Sensors erfasst und Modellpositionsdaten ermittelt. Erfindungsgemäß werden
die Modellpositionsdaten mittels eines oder mehrerer von Fahrzeugsensoren ermittelter
Fahrzustandsgrößen des
Fahrzeuges gebildet und einem Fahrzeugmodell zugeführt, wobei die
Modellpositionsdaten zu einer Ermittlung einer Sensorposition des
zu kalibrierenden Sensors herangezogen werden. Dabei wird die Sensorposition
insbesondere relativ zu einer Modellposition des Fahrzeugmodells
ermittelt. Da die Modellposition bekannt ist, ist die Sensorposition
stets genau ermittelbar. Dadurch ist es in besonders vorteilhafter
Weise möglich, die
Position des Sensors mit einer sehr hohen Genauigkeit zu bestimmen
sowie eine veränderte
Sensorposition während
der Fahrt des Fahrzeuges, welche beispielsweise aufgrund von thermischen und/oder
mechanischen Beanspruchungen hervorgerufen wird, zu bestimmen und
zu kompensieren, so dass der Sensor stets hinreichend genaue Daten ausgeben
kann. Weiterhin ist aufgrund der Ermittlung der Sensorposition in
Abhängigkeit
von dem Fahrzeugmodell möglich,
verschiedene Sensoren relativ zueinander zu kalibrieren, da eine
Transformationskette zwischen den Sensoren über das Fahrzeugmodell geschlossen
wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung werden die Sensorpositionsdaten
relativ zu einem oder mehreren Referenzpunkten ermittelt, wobei
eine Bewegung des Fahrzeuges derart vorgegeben wird, dass die Sensorpositionsdaten
relativ zu dem Referenzpunkt oder den Referenzpunkten jeweils eine
oder mehrere Kurven bilden. Da auch die aus den Fahrzustandsgrößen gebildeten
Modellpositionsdaten in einer Ausgestaltung der Erfindung jeweils
eine oder mehrere Kurven bilden, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass
die Sensorposition aus einem gemeinsamen Schnittpunkt der Kurven
der Sensorpositionsdaten und der Modellpositionsdaten ermittelt
wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Bewegung
des Fahrzeuges derart vorgegeben, dass die Kurven Kreisbahnen ergeben,
wobei die Sensorposition aus einem gemeinsamen Schnittpunkt der
Kreisbahnen ermittelt wird. Besonders bei der Bewegung des Fahrzeuges
in Kreisbahnen liefert das Verfahren zur Kalibrierung des Sensors
schon nach wenigen Fahrmanövern,
d. h. nach einer kurzen Zeitdauer und geringem Zeitaufwand die Sensorposition.
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Zusätzlich werden
zufällige
Fehler bei der Ermittlung der Sensorposition mittels eines Schätzverfahrens
ausgeglichen, was wiederum zu einer Vereinfachung des Verfahrens
führt.
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In
einer gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung wird die Ermittlung
der Sensorposition zeitgesteuert und/oder ereignisgesteuert während eines Betriebes
des zu kalibrierenden Sensors ausgeführt, so dass keine Einschränkungen
der mit dem Sensor verbundenen Systeme während der Kalibrierung auftreten.
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Weiterhin
sind als Fahrzustandgrößen zumindest
eine Fahrzeugposition, eine Fahrgeschwindigkeit, eine Beschleunigung,
ein Lenkwinkel, einen Gierwinkel, eine Raddrehzahl und/oder daraus
ermittelte Größen erfasst
werden. Dabei handelt es sich um Fahrzustandsgrößen, welche in modernen Fahrzeugen
beispielsweise zur Steuerung von Fahrerassistenzsystemen ermittelt
werden. Somit sind keine zusätzlichen
Vorrichtungen und Systeme notwendig, um die Kalibrierung des Sensors
auszuführen,
da die Fahrzustandsdaten der bereits vorhandenen Systeme und Vorrichtungen
verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kalibrierung von Sensoren eines Fahrzeuges umfasst zumindest
einen zu kalibrierenden Sensor, mittels welchem während einer
Fahrt des Fahrzeuges Sensorpositionsdaten erfassbar sind, und eine
Recheneinheit zur Bildung von Modellpositionsdaten. Erfindungsgemäß sind Fahrzeugsensoren
vorgesehen, mittels welcher ein oder mehrere Fahrzustandgrößen des
Fahrzeuges ermittelbar sind, wobei die Recheneinheit die Modellpositionsdaten
in Abhängigkeit
von den Fahrzustandsgrößen bildet,
einem Fahrzeugmodell zuführt
und eine Sensorposition des zu kalibrierenden Sensors in Abhängigkeit
von den Modellpositionsdaten ermittelt. Besonders vorteilhaft ist
der einfache Aufbau der Vorrichtung, anhand dessen die Kalibrierung
des Sensors mit geringem instrumentellen als auch geringem personellen
Aufwand durchführbar
ist.
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Weiterhin
sind Referenzpunkte vorgesehen, zu deren Position die Sensorpositionsdaten
relativ ermittelbar ist, wobei die Referenzpunkte aus Sendeeinheiten,
Empfangseinheiten und/oder Transpondern gebildet sind. Dadurch ist
eine genaue und einfache Ermittlung der Sensorposition ausführbar.
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Weiterhin
umfasst die Recheneinheit Mittel, anhand derer zufällige Fehler
bei der Ermittlung der Sensorposition mittels eines Schätzverfahrens
ausgleichbar sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist ein Kalman-Filter,
mittels welchem die Ermittlung der Sensorposition zeitgesteuert
und/oder ereignisgesteuert während
eines Betriebes des zu kalibrierenden Sensors ausführbar ist,
so dass keine Einschränkungen
der mit dem Sensor verbundenen Systeme während der Kalibrierung auftreten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Kalibrierung von Sensoren,
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2 schematisch
das Fahrzeug gemäß 1 und
Verläufe
einer Sensorposition und einer Modellposition während einer ersten Kreisfahrt,
und
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3 schematisch
das Fahrzeug gemäß 1 und
Verläufe
einer Sensorposition und einer Modellposition während einer zweiten Kreisfahrt,
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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In
der 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einer Vorrichtung 2 zur
Kalibrierung eines Sensors 3 dargestellt. Bei dem zu kalibrierenden
Sensor 3 kann es sich beispielsweise um einen Positionssensor,
wie z. B. einen GPS-Sensor, einen Radar-Sensor, eine Bilderfassungseinheit
oder weitere Sensoren handeln. Eine Voraussetzung für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass eine Sensorposition PS relativ
zu einem beliebigen Referenzpunkt RP bestimmbar ist.
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Da
bei verschiedenen Sensoren 3 unter Umständen lediglich eine Bestimmung
der Sensorposition PS in einem Unterraum
bestimmbar ist, sind neben dieser Bestimmung in dem Unterraum weitere
Werte erforderlich, welche zu der Kalibrierung vorgegeben werden
und beispielsweise Konstruktionsdaten des Sensor 3 entnehmbar
sind.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung handelt es sich bei dem Sensor 3 um einen Positionssensor,
insbesondere um eine Empfangsantenne eines nicht näher dargestellten
GPS-Systems, beispielsweise eines Navigationssystems des Fahrzeuges 1,
dessen Sensorposition PS außermittig auf
einer Hinterachse 1.1 des Fahrzeuges 1 angeordnet
ist.
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Zu
einer Kalibrierung des Sensors 3 wird diese Sensorposition
PS in Abhängigkeit von Modellpositionsdaten
DPM, d. h. relativ zu einer Modellposition PM eines Fahrzeugmodells 4 während einer
Fahrt des Fahrzeuges 1 ermittelt. Bei dem Fahrzeugmodell 4 handelt
es sich insbesondere um ein Fahrzeugkoordinatensystem, dessen Koordinatenursprung
U in der Mitte auf der Hinterachse 1.1 des Fahrzeuges 1 angeordnet
ist.
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Zur
Ermittlung der Modellposition PM umfasst die
Vorrichtung 2 zur Kalibrierung des Sensors 3 eine Recheneinheit 2.1,
welche Modellpositionsdaten DPM des Fahrzeugmodells 4 in
Abhängigkeit
von mittels verschiedener Fahrzeugsensoren 2.2 ermittelter Fahrzustandsgrößen Z des
Fahrzeuges 1 ermittelt.
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Bei
den Fahrzeugsensoren 2.2 handelt es sich vorzugsweise um
bereits in dem Fahrzeug 1 vorhandene Sensoren, welche die
Fahrzustandsgrößen Z insbesondere
zur Steuerung verschiedener nicht näher dargestellter Fahrerassistenzsysteme,
wie z. B. ein Antiblockiersystem, ein elektronisches Stabilitätsprogramm,
ein adaptives Kurven- und Abbiegelicht, ein Bremsassistent oder
ein Spurhalte- bzw. Spurerkennungsassistent, erfassen.
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Die
ermittelten Fahrzustandgrößen umfassen
daher insbesondere eine Fahrzeugposition, eine Fahrgeschwindigkeit,
eine Beschleunigung des Fahrzeuges 1, einen Lenkwinkel,
einen Gierwinkel, eine Raddrehzahl und/oder daraus abgeleitete Größen.
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Zur
Bestimmung der Sensorposition PS, welche relativ zu einem oder mehreren
in den 2 und 3 näher dargestellten Referenzpunkten
RP ermittelt werden, wird eine Bewegung des Fahrzeuges 1 derart
vorgegeben, dass die Sensorpositionsdaten DPS und
die Modellpositionsdaten DPM relativ zu
dem Referenzpunkt RP oder den Referenzpunkten RP jeweils eine oder
mehrere in den 2 und 3 näher dargestellte
Kurven KS und KM bilden.
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Das
heißt,
der oder die Referenzpunkte RP werden während mehrerer Fahrmanöver des
Fahrzeuges 1 von der Sensorposition PS aus ”beobachtet” bzw. erfasst
und gleichzeitig wird die Modellposition PM des
Koordinatenursprungs U des Fahrzeugmodells 4 ermittelt.
Ein Positionsunterschied ΔP
zwischen den beiden Kurven KS und KM relativ zu dem oder den Referenzpunkten
RP ergibt eine Menge an Positionen X, an welchen sich der Sensor 3 befinden kann.
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Bei
den Referenzpunkten RP handelt es sich je nach Art des zu kalibrierenden
Sensors 3 um Sendeeinheiten, Empfangseinheiten und/oder
Transponder. Zur Kalibrierung der GPS Antenne sind vorzugsweise
ein GPS-Sender und/oder GPS-Transponder vorgesehen. Handelt es sich
bei dem Sensor 3 um einen Sender, sind der oder die Referenzpunkte
RP vorzugsweise Empfangseinheiten und/oder Transponder. Die Sensoren
sind vorzugsweise in bekannten Mustern, d. h. mit bekannten Positionen
und Abständen
zueinander, angeordnet, so dass sehr genaue Messergebnisse möglich sind.
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Zur
Bestimmung der Sensorposition PS werden
mehrere der Kurven K1 und K2 derart durchfahren, dass die Menge
der Positionen X eingeschränkt wird,
wobei die Sensorposition PS aus einem gemeinsamen
Schnittpunkt aller Kurven K1 und K2 ermittelt wird.
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Um
zufällige
Fehler bei der Ermittlung der Sensorposition PS auszugleichen,
umfasst die Recheneinheit 2.1 verschiedene Mittel 2.11,
anhand derer verschiedene Schätzverfahren,
wie beispielsweise eine Maximum-Likelihood-Schätzung, ausführbar sind.
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Weiterhin
ist ein Kalman-Filter 2.12 vorgesehen, mittels welchem
die Ermittlung der Sensorposition PS zeitgesteuert
und/oder ereignisgesteuert während
eines Betriebes des zu kalibrierenden Sensors 3 ausführbar ist,
wobei der Kalman-Filter 2.12 hierbei insbesondere zu einer
Nachführung
bzw. als so genannter Trackingfilter verwendet wird. Somit ist die Kalibrierung
des Sensors 3 während
der Fahrt des Fahrzeuges, ohne dass Einschränkungen der mit dem Sensor 3 verbundenen
Systeme während
der Kalibrierung auftreten. Dabei kann die Ermittlung der Sensorposition
PS fortlaufend, in fest vorgegebenen Zeitabständen oder in Abhängigkeit
von verschiedenen Ereignissen, beispielsweise veränderten
Höheninformationen
oder Umgebungstemperaturen, erfolgen. Daraus resultiert in vorteilhafter
Weise, dass Veränderungen
der Sensorposition PS relativ zu der Modellposition
PM, beispielsweise aufgrund von thermischen
oder mechanischen Beanspruchungen des Fahrzeuges 1 bzw.
des Sensors 3 kompensierbar sind.
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2 und 3 zeigen
das Fahrzeug 1 gemäß 1 und
Verläufe
einer Sensorposition PS und einer Modellposition
PM, wobei eine Fahrt des Fahrzeuges 1 derart
vorgegeben ist, dass die Kurven KS und KM der Sensorpositionsdaten DPS bzw.
der Modellpositionsdaten DPM Kreisbahnen
ergeben.
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In
der 2 ist dabei eine Kreisfahrt des Fahrzeuges 1 mit
einem negativen Lenkwinkel in einer ersten Bewegungsrichtung um
den Referenzpunkt RP dargestellt. Dabei stellt die innere Kurve
KS die Sensorpositionen PS relativ
zu dem Referenzpunkt RP dar. Die äußere Kurve KM stellt
dagegen die ermittelten Modellpositionen PM dar.
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Da
ein Radius rS der Sensorposition PS kleiner
als ein Radius rM der Modellposition PM ist und sich diese Radien rS und
rM um einen bekannten Betrag, welcher dem
Positionsunterschied ΔP
entspricht, unterscheiden, kann die Sensorposition PS sich
nur auf einem Halbkreis HK um den Koordinatenursprung U des Fahrzeugmodells 4 befinden.
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Der
Radius rM, d. h. die Modellpositionen PM und daraus abgeleitet die äußere Kurve
KM werden beispielsweise aus der Fahrzustandsgröße Z ”Lenkwinkel” ermittelt. Hierzu wird der
Lenkwinkel des Fahrzeuges 1 erfasst und der Radius rM z. B. anhand einer Ackermann-Formel aus
diesem ermittelt.
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Wird
eine Kreisfahrt des Fahrzeug 1 mit einem positiven Lenkwinkel
in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten
Bewegungsrichtung gemäß 3 von
der gleichen Startposition ausgeführt, wobei der Radius rS der Sensorposition PS in
beiden Kreisfahrten gleich ist, so entspricht ist die Sensorposition
PS einem Schnittpunkt der Kurven KS und KM.
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Die
beschriebene Ermittlung der Sensorposition PS ist
ebenfalls bei Kurven KS der Sensorposition PS anwendbar, welche unterschiedliche Radien
rS aufweisen, bei Schätzverfahren, insbesondere der Maximum-Likelihood-Schätzung im
allgemeinen Fall und bei mehr als zwei Kurven KS und
in Fällen,
in welchen der Sensor 3 an einer von der dargestellten Sensorposition
PS abweichenden Position, beispielsweise
auf einer nicht näher
dargestellten Vorderachse des Fahrzeuges 1 angeordnet ist.
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In
einer gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung wird bei vorausschauenden
Sensoren 3 mit einem kleinen Öffnungswinkel, wie beispielsweise
Radarsensoren oder Stereo-Kameras, die Fahrt des Fahrzeuges 1 derart
vorgegeben, dass von der dargestellten Kreisform abweichende Kurven
KS und KM, wie beispielsweise
Schlangenlinien, erzielt werden, so dass sich der oder die Referenzpunkte
RP während
der gesamten Fahrt in einem Erfassungsbereich des Sensors 3 befinden.
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Ferner
ist es möglich,
neben einem einzelnen Sensor 3 mehrere gleichartige oder
verschiedene Sensoren relativ zueinander zu kalibrieren, d. h. eine
so genannte Sensorfusion auszuführen.
Diese Sensorfusion ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und Ausgestaltungen dieser sehr genau ausführbar, wobei eine Transformationskette
zwischen den Sensoren über
das Fahrzeugmodell 4 geschlossen wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Kalibrierung des Sensors 3 ist weiterhin mit verschiedenen aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren kombinierbar, welche eine
Orientierung des Sensors 3, d. h. dessen Sensorposition
PS relativ zu der Modellposition PM schätzen.
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- 1
- Fahrzeug
- 1.1
- Hinterachse
- 2
- Vorrichtung
- 2.1
- Recheneinheit
- 2.11
- Mittel
- 2.12
- Kalman-Filter
- 2.2
- Fahrzeugsensor
- 3
- Sensor
- 4
- Fahrzeugmodell
- DPM
- Modellpositionsdaten
- DPS
- Sensorpositionsdaten
- HK
- Halbkreis
- KM
- Kurve
- KS
- Kurve
- PM
- Modellposition
- PS
- Sensorposition
- rM
- Radius
- RP
- Referenzpunkt
- rS
- Radius
- U
- Koordinatenursprung
- X
- Position
- Z
- Fahrzustandsgröße
- ΔP
- Positionsunterschied