DE102012222690A1

DE102012222690A1 - Method for determining acceleration signals of sensor elements of two-dimensional acceleration sensor utilized in e.g. airbag-system of vehicle, involves determining approximation for two-dimensional vector by using small-square-estimation

Info

Publication number: DE102012222690A1
Application number: DE201210222690
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner; Jan Scheuing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12

Abstract

The method involves detecting acceleration signals (S1-S3) of sensor elements (205, 210, 215) with measuring directions that lie in a plane and enclose angles with a reference direction in the plane, and determining approximation for a two-dimensional vector by using a small-square-estimation. A remaining error vector comprising certain remaining errors for each signal is determined, where the errors are compared with a threshold level. The determination of the signals is determined as incorrect when the errors exceed threshold level. Independent claims are also included for the following: (1) a computer program product with program code units for executing a method for determining acceleration signals of sensor elements (2) a device for determining acceleration signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine redundante Sensorauswertung eines Mehrachsen-Beschleunigungssensors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines defekten Sensors. The invention relates to a redundant sensor evaluation of a multi-axis acceleration sensor. In particular, the invention relates to a method for determining a defective sensor.

Stand der TechnikState of the art

Beschleunigungssensoren messen die auf einen Körper von außen wirkende Beschleunigung in einer oder mehreren Raumrichtungen. Eingesetzt werden sie unter anderem in Airbag-Systemen und beim ESP, in jüngerer Zeit verstärkt auch in Consumer-Anwendungen. Insbesondere die sicherheitsrelevanten Fahrzeugsysteme erfordern eine hohe Verfügbarkeit und Korrektheit der Signale.Acceleration sensors measure the acceleration acting on a body from the outside in one or more spatial directions. They are used, inter alia, in airbag systems and ESP, and more recently in consumer applications as well. In particular, the safety-relevant vehicle systems require a high availability and correctness of the signals.

Als Sensorelement eines Beschleunigungssensors wird häufig ein Feder-Masse-System in Form eines mikro-elektro-mechanischen Systems (MEMS) verwendet. Die in Messrichtung des Sensorelements weisende Komponente einer äußeren Beschleunigung bewirkt eine mechanische Auslenkung, die vorzugsweise kapazitiv, gelegentlich aber z.B. auch induktiv oder optisch ausgewertet wird und zu einer Spannung oder Spannungsänderung führt, welche anschließend vorzugsweise digital weiterverarbeitet wird.As a sensor element of an acceleration sensor, a spring-mass system in the form of a micro-electro-mechanical system (MEMS) is often used. The component of an external acceleration pointing in the measuring direction of the sensor element effects a mechanical deflection, which is preferably capacitive, but occasionally e.g. is also evaluated inductively or optically and leads to a voltage or voltage change, which is then preferably further processed digitally.

Ein Beschleunigungssensor umfasst eines oder mehrere derartige Sensorelemente sowie die zugehörige Signalaufbereitung und eine Kommunikationsschnittstelle. Typischerweise wird für 1D-Sensoren (Sensoren, die Beschleunigungen in einer Dimension messen) ein einzelnes Sensorelement verwendet, für 2D-Sensoren zwei bzw. für 3D-Sensoren drei Sensorelemente, deren Messrichtungen jeweils zueinander linear unabhängig, bevorzugterweise orthogonal, angeordnet sind.An acceleration sensor comprises one or more such sensor elements as well as the associated signal conditioning and a communication interface. Typically, for 1D sensors (sensors which measure accelerations in one dimension), a single sensor element is used, for 2D sensors two or for 3D sensors three sensor elements, the measuring directions of which are mutually linearly independent, preferably orthogonal.

Überwachung von nicht-redundanten SensorenMonitoring of non-redundant sensors

Ein übliches Verfahren zur Funktionsüberprüfung des Sensorelements und nachgeschalteter Signalauswertung ist die beispielsweise elektrische Auslenkung der MEMS-Masse durch ein Testsignal, typischerweise sinus- oder rechteckförmig mit fester Frequenz. Häufig erfolgt der Auslenkungstest ausschließlich im Rahmen eines Selbsttests nach dem Einschalten, da im Normalbetrieb erstens eine Unterscheidung von Testauswirkung und zu messender äußerer Beschleunigung schwierig ist, und zweitens die Verfahren den typischen Echtzeitanforderungen nur eingeschränkt genügen.A common method for functional testing of the sensor element and downstream signal evaluation is, for example, the electrical deflection of the MEMS mass by a test signal, typically sinusoidal or rectangular with a fixed frequency. Frequently, the deflection test is carried out exclusively in the context of a self-test after switching on, since in normal operation, first, a distinction between test impact and external acceleration to be measured is difficult, and secondly, the methods meet the typical real-time requirements only limited.

Im Betrieb wird die Überwachung daher meist auf eine Abrissdetektion von elektrischen Verbindungen zu den Sensorelementen sowie auf eine Plausibilisierung von Zwischen- und Ausgangssignalen innerhalb gewisser Schranken begrenzt. Eine weitere Plausibilisierung des am Sensorausgang bereitgestellten Beschleunigungsmessvektors findet dann ggf. auf Systemebene statt, z.B. unter Zuhilfenahme von Raddrehzahl- oder Drehrateninformation.In operation, the monitoring is therefore usually limited to a demolition detection of electrical connections to the sensor elements and to a plausibility of intermediate and output signals within certain limits. A further plausibility check of the acceleration measurement vector provided at the sensor output then takes place optionally at the system level, e.g. with the help of wheel speed or rotation rate information.

US 6,925,413 B2 zeigt ein Beispiel für eine redundante Anordnung für Beschleunigungssensoren. Für redundante Sensoranordnungen sind hier zwei Signalverarbeitungsalgorithmen zur Online-Überwachung beschrieben:
Bei einem redundanten Beschleunigungssensor (N = 3 Sensorelemente für 2D, N = 4 für 3D) wird für alle N möglichen Kombinationen aus Messwerten von jeweils N – 1 Sensorelementen je ein Beschleunigungsmessvektor errechnet. Ein Messfehler wird erkannt, falls deren Beträge signifikant voneinander abweichen. Nur in Ausnahmefällen, nämlich wenn das vom defekten Sensorelement erzeugte Fehlersignal deutlich größer als das Nutzsignal ist, kann auch detektiert werden, welches Sensorelement defekt ist. US 6,925,413 B2 shows an example of a redundant arrangement for acceleration sensors. For redundant sensor arrangements, two signal processing algorithms for online monitoring are described here:
In the case of a redundant acceleration sensor (N = 3 sensor elements for 2D, N = 4 for 3D), one acceleration measurement vector is calculated for all N possible combinations of measured values of N-1 sensor elements each. A measurement error is detected if their amounts differ significantly. Only in exceptional cases, namely when the error signal generated by the defective sensor element is significantly greater than the useful signal, can also be detected, which sensor element is defective.

Werden entsprechend bei zwei redundanten Sensorelementen (N = 5 für 3D) alle 1/2·N·(N – 1) Kombinationen aus jeweils N – 2 Sensorelementen gebildet und miteinander verglichen, ist die Identifizierung eines defekten Sensorelements generell möglich. If, in accordance with two redundant sensor elements (N = 5 for 3D), all 1/2 × N × (N-1) combinations are formed from N-2 sensor elements and compared with each other, the identification of a defective sensor element is generally possible.

US 7,516,038 B2 zeigt einen Beschleunigungssensor, welcher sowohl für 2D- als auch für 3D-Beschleunigungserfassung vier Sensorelemente nutzt, deren Messrichtungen entlang der Kanten eines halbierten Oktaeders verlaufen. Zur Erkennung eines Messfehlers wird hier eine gewichtete Summe über alle zu einem Zeitpunkt von den Sensorelementen gemessenen Werte ermittelt, welche im fehlerfreien, idealen Fall verschwindet; hierbei wird von N ≥ 4 Sensorelementen für 2D und 3D ausgegangen. US 7,516,038 B2 shows an acceleration sensor, which uses for both 2D and 3D acceleration detection four sensor elements whose measuring directions run along the edges of a halved octahedron. In order to detect a measurement error, a weighted sum is determined over all values measured by the sensor elements at a time, which disappears in the error-free, ideal case; Here, N ≥ 4 sensor elements for 2D and 3D are assumed.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen 2D-Beschleunigungssensor auf Ausfall oder Fehlmessung eines Sensorelements sowie auf Fehler in einem Signalverarbeitungspfad zu überwachen. Die Überwachung soll permanent und ohne Auswirkung auf das Messergebnis erfolgen. The invention has the object to monitor a 2D acceleration sensor for failure or incorrect measurement of a sensor element as well as errors in a signal processing path. The monitoring should be permanent and without affecting the measurement result.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens und eines Beschleunigungssensors mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.The invention achieves this object by means of a method and an acceleration sensor having the features of the independent claims. Subclaims indicate preferred developments.

Ein erfindungsgemäßes zur Bestimmung eines zweidimensionalen Beschleunigungssignals auf der Basis von Beschleunigungssignalen von drei Sensorelementen mit Messrichtungen, die in einer Ebene liegen und mit einer Referenzrichtung in der Ebene vorbestimmte Winkel einschließen, umfasst eine Näherung mittels der Kleinste-Quadrate-Schätzung. In weiteren Ausführungsformen können ein defektes Sensorelement bestimmt und seine Messungen korrigiert werden.An inventive method for determining a two-dimensional acceleration signal on the basis of acceleration signals from three sensor elements having measurement directions which lie in one plane and include predetermined angles with a reference direction in the plane comprises an approximation by means of the least squares estimation. In further embodiments, a defective sensor element may be determined and its measurements corrected.

Dadurch ist es möglich, die Überbestimmung durch drei Sensorsignale zur Verringerung von Messrauschen zu nutzen, so lange alle Sensorelemente funktionieren, und eine fehlerhafte Bestimmung zu detektieren, falls eines der Sensorelemente einen Defekt aufweist. This makes it possible to use the over-determination by three sensor signals to reduce measurement noise, as long as all sensor elements work, and to detect a faulty determination if one of the sensor elements has a defect.

Die Messrichtungen der Sensorelemente müssen nicht mit Koordinatenachsen übereinstimmen. Die Sensorelemente können jeweils lineare Beschleunigungen oder Drehbeschleunigungen aufnehmen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorgehensweise auch auf andere Sensoren, beispielsweise Magnetfeldsensoren übertragbar. The measuring directions of the sensor elements do not have to coincide with coordinate axes. The sensor elements can each record linear accelerations or spin accelerations. In a further embodiment, the procedure can also be applied to other sensors, for example magnetic field sensors.

Zur Bestimmung, ob eines der Sensorelemente defekt ist, kann ein Restfehlervektor bestimmt und mit einem Schwellenwert verglichen werden. Im Rahmen der Kleinste-Quadrate-Schätzung kann der Restfehlervektor mit geringem Aufwand bestimmbar sein. To determine whether one of the sensor elements is defective, a residual error vector can be determined and compared with a threshold value. In the context of least squares estimation, the residual error vector can be determined with little effort.

Es kann auch nur eine Komponente des Restfehlervektors mit dem Schwellenwert verglichen werden, da der Restfehler die drei Komponenten des Restfehlervektors näherungsweise gleich betrifft. Vorzugsweise ist der Schwellenwert von einem Sensorrauschen des der Komponente zugeordneten Sensorelements abhängig, so dass das Sensorrauschen nicht zu einer irrtümlichen Bestimmung der Bestimmung als fehlerhaft führt. It is also possible to compare only one component of the residual error vector with the threshold, since the residual error affects the three components of the residual error vector approximately equally. The threshold value is preferably dependent on a sensor noise of the sensor element assigned to the component, so that the sensor noise does not lead to an erroneous determination of the determination as faulty.

In einer Ausführungsform kann eine Vielzahl Bestimmungen der Komponente des Restfehlervektors arithmetisch gemittelt werden, um das Sensorrauschen zu unterdrücken und eine verbesserte Bestimmung einer fehlgeschlagenen Bestimmung zu erlauben. In one embodiment, a plurality of determinations of the component of the residual error vector may be arithmetically averaged to suppress sensor noise and allow for improved determination of failed determination.

Es kann bestimmt werden, welches der Sensorelemente defekt ist, indem ein Quotient bestimmt wird, der im Fehlerfall näherungsweise einem von drei Werten entspricht, die jeweils die geometrische Anordnung eines der Sensorelemente beschreiben. It can be determined which of the sensor elements is defective by determining a quotient which, in the event of an error, corresponds approximately to one of three values which respectively describe the geometric arrangement of one of the sensor elements.

Ist das defekte Sensorelement bestimmt, so kann die Bestimmung des Beschleunigungssignals auch ohne die Signale dieses Sensorelements durchgeführt werden. So kann auf einfache und wenig aufwändige Weise ein Messbetrieb aufrecht erhalten sein, obwohl eines der Sensorelemente gestört ist. If the defective sensor element is determined, the determination of the acceleration signal can also be carried out without the signals of this sensor element. Thus, a measuring operation can be maintained in a simple and inexpensive manner, although one of the sensor elements is disturbed.

Alternativ kann ein Verstärkungsfehler des defekten Sensorelements bestimmt werden, so dass die Signale des defekten Sensorelements bei der Bestimmung des Beschleunigungssignals entsprechend kompensiert werden können. Die Überbestimmung des zweidimensionalen Beschleunigungssignals kann so trotz des defekten Sensorelements aufrecht erhalten sein.Alternatively, a gain error of the defective sensor element can be determined, so that the signals of the defective sensor element can be compensated accordingly in the determination of the acceleration signal. The overdetermination of the two-dimensional acceleration signal can thus be maintained despite the defective sensor element.

Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.A computer program product comprises program code means for carrying out the described method when the computer program product runs on a processor or is stored on a computer-readable medium.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Beschleunigungssignals umfasst drei Sensorelemente zur Bestimmung von Beschleunigungssignalen, wobei die Sensorelemente Messrichtungen aufweisen, die in einer Ebene liegen und mit einer Referenzrichtung in der Ebene vorbestimmte Winkel einschließen. Außerdem ist eine Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens umfasst. A device according to the invention for determining an acceleration signal comprises three sensor elements for determining acceleration signals, the sensor elements having measuring directions which lie in one plane and enclose predetermined angles with a reference direction in the plane. In addition, a processing device for carrying out the method described above is included.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 ein Koordinatensystem; 1 a coordinate system;

2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur redundanten Beschleunigungsmessung, und 2 a block diagram of a device for redundant acceleration measurement, and

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur redundanten Beschleunigungsmessung
darstellt. 3 a flowchart of a method for redundant acceleration measurement
represents.

1 zeigt ein kartesisches x-y-Koordinatensystem 100, das ohne Beschränkung der Allgemeinheit für einen exemplarischen zweidimensionalen Beschleunigungssensor in dessen Messebene festgelegt ist. Messrichtungen dreier Sensorelemente schließen mit einer Referenzrichtung vorbestimmte Winkel φ1 bis φ3 ein. In der dargestellten Ausführungsform fällt die Referenzrichtung beispielhaft mit der x-Achse zusammen, eine andere Referenzrichtung in der x-y-Messebene ist jedoch ebenfalls möglich. Die Messrichtungen können zueinander symmetrisch sein, indem sie paarweise miteinander Winkel von 120° einschließen. 1 shows a Cartesian xy coordinate system 100 , which is defined without loss of generality for an exemplary two-dimensional acceleration sensor in its measurement plane. Measurement directions of three sensor elements include predetermined angles φ1 to φ3 with a reference direction. In the illustrated embodiment, the reference direction coincides with the x-axis, for example, but another reference direction in the xy-measurement plane is also possible. The measuring directions can be symmetrical to each other by enclosing pairs of angles of 120 °.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors 200 zur redundanten Beschleunigungsmessung in zwei Dimensionen. Aufgabe des Sensors 200 ist es, die in der Messebene liegenden Komponenten ax und ay der von außen wirkenden Beschleunigung zu ermitteln; diese werden nachfolgend als Vektor

dargestellt. Der Sensor 200 verwendet dazu drei Sensorelemente 205, 210 und 215, deren Messrichtungen in einer Ebene liegen und paarweise nicht parallel sind. Das erste Sensorelement 205 liefert ein Signal s1 entlang einer ersten Messrichtung, das zweite Sensorelement 210 ein Signal s2 entlang einer zweiten Messrichtung und das dritte Sensorelement 215 ein Signal s3 entlang einer dritten Messrichtung mit Bezug auf die Darstellung von 1. 2 shows a block diagram of an acceleration sensor 200 for redundant acceleration measurement in two dimensions. Task of the sensor 200 it is to determine the components ax and ay of the acceleration acting from the outside in the measuring plane; these are hereafter referred to as vector

shown. The sensor 200 uses three sensor elements 205 . 210 and 215 whose measuring directions lie in one plane and are not parallel in pairs. The first sensor element 205 supplies a signal s1 along a first measuring direction, the second sensor element 210 a signal s2 along a second measuring direction and the third sensor element 215 a signal s3 along a third measuring direction with reference to the representation of 1 ,

Jedes Sensorelement 205–215 ist mit einer Signalerfassungskette 220 verbunden, die einen Messwandler 225, und einen Analog-Digital-Wandler 230 umfasst. Dabei ist bevorzugterweise eine dedizierte Signalerfassungskette 220 für jedes der Sensorelemente 205–215 vorgesehen, eine Umschaltung (Multiplexen) von Sensorsignalen auf gemeinsam genutzte Elemente der Signalerfassungskette 220 erfolgt nicht. Durch die individuelle Zuordnung können mit dem vorgestellten Verfahren neben Messfehlern der Sensorelemente 205–215 auch Fehler detektiert werden, die in der jeweiligen Signalerfassungskette 220 entstehen.Each sensor element 205 - 215 is with a signal acquisition chain 220 connected to a transducer 225 , and an analog-to-digital converter 230 includes. In this case, preferably a dedicated signal acquisition chain 220 for each of the sensor elements 205 - 215 provided, a switching (multiplexing) of sensor signals to shared elements of the signal acquisition chain 220 not done. Due to the individual assignment, in addition to measuring errors of the sensor elements, the presented method can be used 205 - 215 Also errors are detected in the respective signal acquisition chain 220 arise.

Der Messwandler 225 umfasst bevorzugt einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler; andere Ausführungsformen, in denen eine Abtastung der Sensorelemente 205–215 beispielsweise induktiv oder optisch statt kapazitiv erfolgt, sind ebenfalls möglich. Der Analog-Digital-Wandler 230 arbeitet vorzugsweise nach dem Delta-Sigma-Prinzip und umfasst in einer Ausführungsform ein Dezimationsfilter 235.The transducer 225 preferably comprises a capacitance-voltage converter; other embodiments in which a scan of the sensor elements 205 - 215 For example, inductively or optically instead of capacitive, are also possible. The analog-to-digital converter 230 preferably operates on the delta-sigma principle and in one embodiment comprises a decimation filter 235 ,

Die drei Signalerfassungsketten 220 sind mit einer Verarbeitungseinrichtung 240 verbunden, die dazu eingerichtet ist, das im Folgenden vorgestellte Verfahren durchzuführen. An ihren Eingängen nimmt die Verarbeitungseinrichtung 240 die Signale s1, s2 und s3 entgegen, die durch die Signalerfassungsketten 220 aufbereitete Messwerte für Beschleunigungen entlang der drei Messachsen repräsentieren. An ihrem Ausgang stellt die Verarbeitungseinrichtung 240 Beschleunigungen a_x, a_y in zwei Raumrichtungen sowie gegebenenfalls ein Integritätssignal bereit, das anzeigt, ob eines der Sensorelemente 205, 210, 215 defekt ist und ob die bereitgestellten Beschleunigungen vertrauenswürdig sind. The three signal acquisition chains 220 are with a processing device 240 which is adapted to carry out the procedure presented below. At their entrances takes the processing facility 240 the signals s1, s2 and s3, through the signal acquisition chains 220 represent prepared measured values for accelerations along the three measuring axes. At its output, the processing device 240 Accelerations a _x , a _y in two spatial directions and optionally an integrity signal ready, indicating whether one of the sensor elements 205 . 210 . 215 is defective and if the provided accelerations are trustworthy.

Für das hier vorgestellte Verfahren ist weder eine Symmetrie noch die Übereinstimmung einer Messrichtung s1, s2 oder s3 mit einer der Koordinatenachsen in 1 erforderlich. Alle in der Erfindung beschriebenen Verfahren lassen sich auch auf N ≥ 3 Sensorelemente 205–215 für 2D-Sensoren, bzw. N ≥ 4 Sensorelemente 205–215 für 3D-Sensoren verallgemeinern. Im Folgenden wird beispielhaft vom Fall N = 3 ausgegangen.For the method presented here neither a symmetry nor the agreement of a measuring direction s1, s2 or s3 with one of the coordinate axes in 1 required. All methods described in the invention can also be applied to N ≥ 3 sensor elements 205 - 215 for 2D sensors, or N ≥ 4 sensor elements 205 - 215 generalize for 3D sensors. The following is an example of the case N = 3.

Es wird exemplarisch angenommen, dass die von den Sensorelementen 205, 210 bzw. 215 gelieferten Signale s1, s2 und s3 bereits Beschleunigungen repräsentieren und in digitaler Form vorliegen. Im Folgenden werden diese Signale zu einem Messvektor

zusammengefasst. Der geometrische Zusammenhang zwischen der Anordnung der Sensorelemente 205–215 und Sensorkoordinatensystem 100 wird durch die Modellmatrix

beschrieben, deren Zeilen mit Bezug auf 1 die Richtungsvektoren der Sensorelemente 205–215 enthalten. Als Signalmodell der Messung wird der lineare Zusammenhang

s = (I + F)·M·a + d + r (Gleichung 4)

angenommen, wobei I eine Einheitsmatrix ist, die Diagonalmatrix F die (unbekannten) relativen Verstärkungsfehler f_i der Sensorelemente

i ∊ {1; 2; 3}

enthält, der Spaltenvektor d die (unbekannten) Offsetfehler zusammenfasst und r alle Rauscheinflüsse (Sensor-, Rundungsrauschen) auf die Sensorelemente 205–215 beschreibt:

It is assumed by way of example that the sensor elements 205 . 210 respectively. 215 signals s1, s2 and s3 already represent accelerations and are present in digital form. In the following, these signals become a measurement vector

summarized. The geometric relationship between the arrangement of the sensor elements 205 - 215 and sensor coordinate system 100 is through the model matrix

described their lines with respect to 1 the directional vectors of the sensor elements 205 - 215 contain. The signal model of the measurement is the linear relationship

s = (I + F) * M * a + d + r (Equation 4)

where I is a unit matrix, the diagonal matrix F is the (unknown) relative gain errors f _{i of} the sensor elements

i ε {1; 2; 3}

contains, the column vector d summarizes the (unknown) offset errors and r any noise effects (sensor, rounding noise) on the sensor elements 205 - 215 describes:

Die Erfindung verwendet bevorzugt die Kleinste-Quadrate-Schätzung a ^ = M⁺·s mit M⁺ = (M^TM)^–1M^T (Gleichung 6) zur Bestimmung der äußeren Beschleunigung a. Zudem wird für jede Messung der verbleibende Restfehlervektor e ^ = s – M·a ^ (Gleichung 7) berechnet und der Betrag von einer Komponente e ^_k mit einer in Abhängigkeit des Sensorrauschens r festzulegenden Schranke δ verglichen. Die Messung wird als fehlerhaft klassifiziert, falls |e ^_k| > δ (Gleichung 8) The invention preferably uses the least squares estimate a ^ = M ⁺ s with M ⁺ = (M ^T M) ^-1 M ^T (Equation 6) for determining the external acceleration a. In addition, the remaining residual error vector will be left for each measurement e ^ = s - M · a ^ (Equation 7) calculated and the amount of a component e ^ _k with a depending on the sensor noise r to be determined barrier δ compared. The measurement is classified as faulty if | e ^ _k | > δ (Equation 8)

Für N ≥ 4 entsprechen die Gleichungen (6) und (8) im Wesentlichen einer bereits bekannten Berechnung bzw. Fehlerdetektion. Neben der geringeren notwendigen Anzahl Sensorelemente 205–215 ist die vorliegende allgemeinere Beschreibung als Kleinste-Quadrate-Schätzung auch dahingehend vorteilhaft, dass Optimierungen der Sensorgeometrie ermöglicht werden, z.B. hinsichtlich einer stärker rauschgeminderten Vorzugsmessrichtung oder hinsichtlich der numerischen Konditionierung, und dass bei unterschiedlichem Rauschverhalten einzelner Sensorelemente 205–215 auch eine Rauschgewichtung möglich ist.For N ≥ 4, equations (6) and (8) essentially correspond to an already known calculation or error detection. In addition to the lower number of necessary sensor elements 205 - 215 For example, the present more general description as least-squares estimation is also advantageous in that optimizations of the sensor geometry are made possible, for example with respect to a more noise-reduced preferred measurement direction or with respect to the numerical conditioning, and that with different noise characteristics of individual sensor elements 205 - 215 also a noise weighting is possible.

Zur Minderung des Rauscheinflusses verwendet die Erfindung einen über L Messungen gemittelten Restfehler bei der Klassifizierung

wobei e ^_k(n) das Restfehlersignal der n-ten Messung bezeichnet.To reduce the influence of noise, the invention uses a residual error averaged over L measurements in the classification

where e ^ _k (n) denotes the residual error signal of the nth measurement.

In der Umsetzung stellt die Kleinste-Quadrate-Schätzung nach der Gleichung (6) eine mit den sensorgeometrieabhängigen Elementen der Pseudoinversen M+ gewichtete Summierung der Messwerte s_i dar. Zum Beispiel gilt für die Anordnung aus 2 mit φ₁ = 0°, φ₂ = 120° und φ₃ = 240°:

In the implementation, the least-squares estimation according to equation (6) represents a summation of the measured values s _i weighted by the sensor geometry-dependent elements of the pseudoinverse M +. For example, the arrangement of FIG 2 with φ ₁ = 0 °, φ ₂ = 120 ° and φ ₃ = 240 °:

Für symmetrische Sensoranordnungen wie im Beispiel von 1 ist jede Komponente e ^_k des Restfehlervektors e ^ identisch mit dem arithmetischen Mittelwert der Messwerte e ^_k,symm = 1/3(s₁ + s₂ + s₃). For symmetrical sensor arrangements as in the example of 1 is every component e ^ _{k of} the residual error vector e ^ identical to the arithmetic mean of the measured values e ^ _{k, symm} = 1/3 (s ₁ + s ₂ + s ₃ ).

Werden mehrere aufeinanderfolgende Messungen als fehlerhaft klassifiziert, so wird versucht, anhand von Korrelationssignalen das fehlerhafte Sensorelement zu identifizieren. Abgesehen von dem Sonderfall eines sehr großen Messfehlers kann ein Offsetfehler d_i ≠ 0 ohne weitere Information nicht einem bestimmten Sensorelement 205–215 zugeordnet werden. Die Erfindung ermöglicht es jedoch, bereits bei einem geringen Verstärkungsfehler f_i ≠ 0 das fehlerhafte Sensorelement 205–215 zu identifizieren.If several successive measurements are classified as faulty, an attempt is made to identify the faulty sensor element on the basis of correlation signals. Apart from the special case of a very large measurement error, an offset error d _i ≠ 0 without further information can not a particular sensor element 205 - 215 be assigned. However, the invention makes it possible, even at a low gain error f _i ≠ 0, the faulty sensor element 205 - 215 to identify.

Hierzu werden beispielsweise die Korrelationswerte der Signalpaare (a ^_x, a ^_x), (a ^_x, a ^_y), (a ^_y, a ^_y), (e ^_k, a ^_x) und (e ^_k, a ^_y) geschätzt, z.B. durch

wobei W die zu wählende Länge eines Signalausschnitts bezeichnet. Der Quotient

nimmt dann im Fall eines Verstärkungsfehlers f_i an einem Sensorelement i näherungsweise den zugehörigen geometrieabhängigen Wert

q_i = tanφ_i (Gleichung 11)

an, das defekte Sensorelement i kann durch entsprechende Klassifikation identifiziert werden. Für das Beispiel aus 1 gilt: q₁ = 0, q₂ = √3 und q₃ = √3.For this purpose, for example, the correlation values of the signal pairs (a ^ _x , a ^ _x ), (a ^ _x , a ^ _y ), (a ^ _y , a ^ _y ), (e ^ _k , a ^ _x ) and (e ^ _k , a ^ _y ), eg by

where W denotes the length of a signal segment to be selected. The quotient

Then, in the case of a gain error f _i at a sensor element i approximately takes the associated geometry-dependent value

q _i = tanφ _i (equation 11)

On, the defective sensor element i can be identified by appropriate classification. For the example 1 the following applies: q ₁ = 0, q ₂ = √3 and q ₃ = √3.

Wurde das defekte Sensorelement 205–215 identifiziert, so liefert der Beschleunigungssensor 200 in einem Notbetrieb weiterhin den vollständigen und korrekten Beschleunigungsmessvektor, allerdings ohne Redundanz. Hierzu wird die Pseudoinverse M+ in Gleichung (6) durch die entsprechende Matrix

die Sensoranordnungen jeweils ohne den defekten Sensor beschreiben. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird, im Anschluss an den Austausch der Berechnungskoeffizienten, der Verstärkungsfehler f_i des defekten Sensorelements 205–215 geschätzt. Hierzu werden beispielsweise die Korrelationswerte der Signalpaare (s_i, s_i) und (s ^_i, s ^_i) bestimmt, wobei s_i den gemessenen Istwert und s ^_i = cosφ_i·a ^_x + sinφ_i·a ^_y den aus der geschätzten Beschleunigung errechneten Sollwert des defekten Sensorelements i bezeichnet, z.B. durch

Became the defective sensor element 205 - 215 identified, so provides the acceleration sensor 200 in an emergency operation, the complete and correct acceleration vector remains, but without redundancy. For this purpose, the pseudoinverse M + in equation (6) is replaced by the corresponding matrix

describe the sensor arrangements without the defective sensor. In a further embodiment of the invention, following the replacement of the calculation coefficients, the gain error f _{i of} the defective sensor element 205 - 215 estimated. For this purpose, for example, the correlation values of the signal pairs (s _i , s _i ) and (s ^ _i , s ^ _i ) are determined, where s _{i is} the measured actual value and s _i = cosφ _i · a ^ _x + sinφ _i · a _y denotes the calculated from the estimated acceleration setpoint of the defective sensor element i, for example by

Als Schätzwert für den Verstärkungsfehler wird dann

verwendet.As an estimate of the gain error is then

used.

Ist der geschätzte Verstärkungsfehler stationär, so besteht die Möglichkeit, ihn im Sensorsignal s_i zu kompensieren und wieder die Kleinste-Quadrate-Schätzung nach Gleichung (6) zu verwenden.If the estimated gain error is stationary, it is possible to compensate it in the sensor signal s _i and again to use the least-squares estimate according to equation (6).

3 zeigt eine Zusammenfassung des beschriebenen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm. In einem ersten Schritt 305 werden Beschleunigungssignale s1, s2 und s3 der Sensorelemente 205, 210 und 215 des Beschleunigungssensors 200 aus 2 abgetastet. 3 shows a summary of the described method in a flowchart. In a first step 305 become acceleration signals s1, s2 and s3 of the sensor elements 205 . 210 and 215 of the acceleration sensor 200 out 2 sampled.

In einem nachfolgenden Schritt 310 werden Komponenten des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors a nach der Kleinste-Quadrate-Schätzung von Gleichungen 1 bis 6 bestimmt.In a subsequent step 310 For example, components of the two-dimensional acceleration vector a are determined by the least-squares estimation of Equations 1-6.

In einem weiteren Schritt 315 wird ein Restfehlervektor nach der Gleichung 7 bestimmt. Der Restfehlervektor wird mit einem Schwellenwert verglichen, vgl. Gleichung 8. Übersteigt der Restfehlervektor den Schwellenwert, so ist eines der Sensorelemente defekt. In einer Variante wird nur eine beliebige Komponente des Restfehlervektors mit dem Schwellenwert verglichen, um zu bestimmen, ob die Bestimmung des Beschleunigungssignals fehlerhaft ist. In noch einer Ausführungsform werden mehrere Messungen der Bestimmung der Komponente zu Grunde gelegt und es wird ein Mittelwert gebildet, der dann an Stelle der Komponente der Einzelmessung mit einem Schwellenwert verglichen wird, wie in Gleichung 9 angegeben ist. In a further step 315 a residual error vector is determined according to Equation 7. The residual error vector is compared with a threshold, cf. Equation 8. If the residual error vector exceeds the threshold, one of the sensor elements is defective. In one variant, only an arbitrary component of the residual error vector is compared to the threshold to determine if the determination of the acceleration signal is erroneous. In yet another embodiment, multiple measurements are taken for the determination of the component and an average is formed, which is then compared to a threshold value instead of the component of the single measurement, as indicated in Equation 9.

In noch einem weiteren Schritt 320 wird bestimmt, welches der Sensorelemente 205, 210, 215 fehlerhaft ist, indem die Gleichungen 10 und 11 angewandt werden. Mittels Gleichung 10 wird ein Quotient bestimmt, der nacheinander mit geometrieabhängigen Werten der Gleichung 11 verglichen wird. Ergibt sich näherungsweise eine Übereinstimmung, so ist das von einem Fehler betroffene Sensorelement 205, 210, 215 gefunden. In another step 320 it is determined which of the sensor elements 205 . 210 . 215 is erroneous by applying equations 10 and 11. By means of equation 10, a quotient is determined, which is successively compared with geometry-dependent values of equation 11. If there is approximately a match, the sensor element affected by an error is 205 . 210 . 215 found.

Wurde das fehlerhafte Sensorelement identifiziert, so kann die Bestimmung des Beschleunigungssignals in einem Schritt 325 ohne das fehlerhafte Signal durchgeführt werden, indem Gleichung auf die Bestimmung von Schritt 310 angewandt wird, wobei die Matrix M_i ⁺ die Matrix M⁺ ersetzt.If the faulty sensor element has been identified, then the determination of the acceleration signal can take place in one step 325 without the erroneous signal being carried out by applying equation to the determination of step 310 is applied, the matrix M _i ⁺ the matrix M ⁺ is replaced.

Alternativ dazu kann in einem Schritt 330 werden nach den Gleichungen 13 und 14 Verstärkungsfehler für das defekte Sensorelement 205, 210, 215 bestimmt. Die bestimmten Verstärkungsfehler können dann der Bestimmung des Beschleunigungssignals nach Schritt 310 zu Grunde gelegt werden. Alternatively, in one step 330 become equations 13 and 14 gain error for the defective sensor element 205 . 210 . 215 certainly. The determined gain errors may then be the determination of the acceleration signal after step 310 be based on.

Die beschriebenen Schritte 305 bis 330 bauen aufeinander auf, wobei stets nur die erforderlichen Schritte durchgeführt werden müssen. Ist beispielsweise aus Schritt 315 bekannt, dass keines der Sensorelemente 205, 210, 215 defekt ist, können die nachfolgenden Schritte entfallen. The steps described 305 to 330 Build on each other, always only the necessary steps must be performed. For example, is out of step 315 known that none of the sensor elements 205 . 210 . 215 is defective, the following steps can be omitted.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6925413 B2 [0007] US 6925413 B2 [0007]
US 7516038 B2 [0009] US 7516038 B2 [0009]

Claims

Verfahren (300) zur Bestimmung eines Beschleunigungssignals, folgende Schritte umfassend: – Erfassen (305) von Beschleunigungssignalen s1, s2, s3 von drei Sensorelementen (205, 210, 215) mit Messrichtungen, die in einer Ebene liegen und mit einer Referenzrichtung in der Ebene Winkel φ1 bis φ3 einschließen, so dass gilt:

s = (I + F)·M·a + d + r

;

wobei f₁ bis f₃ relative Verstärkungsfehler, d₁ bis d₃ Offsetfehler und r₁ bis r₃ Rauscheinflüsse auf die Sensorelemente (205, 210, 215) beschreiben; – Bestimmen einer Näherung a ^ für den zweidimensionalen Beschleunigungsvektor

mittels einer Kleinste-Quadrate-Schätzung:

a ^ = M⁺·s mit M⁺ = (M^TM)^–1M^T

.Procedure ( 300 ) for determining an acceleration signal, comprising the following steps: - detecting ( 305 ) of acceleration signals s1, s2, s3 of three sensor elements ( 205 . 210 . 215 ) with measuring directions which lie in one plane and enclose with a reference direction in the plane angles φ1 to φ3, such that the following applies:

s = (I + F) * M * a + d + r

;

f ₁ to f ₃ relative gain errors, d ₁ to d ₃ offset errors and r ₁ to r ₃ noise influences on the sensor elements ( 205 . 210 . 215 ) describe; - Determine an approximation a ^ for the two-dimensional acceleration vector

using a least-squares estimate:

a ^ = M ⁺ s with M ⁺ = (M ^T M) ^-1 M ^T

,

Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei zusätzlich ein Restfehlervektor e ^ = s – M·a ^ bestimmt (315) wird, der bestimmte Restfehler für jedes der Signale s1, s2 und s3 enthält, und wenigstens einer der bestimmten Restfehler mit einem Schwellenwert δ verglichen und die Bestimmung des Beschleunigungssignals als fehlerhaft bestimmt wird, falls der Restfehler einen Schwellenwert δ übersteigt.Procedure ( 300 ) according to claim 1, wherein additionally a residual error vector e ^ = s - M · a ^ determines ( 315 ), which contains certain residual errors for each of the signals s1, s2 and s3, and at least one of the determined residual errors is compared with a threshold value δ and the determination of the acceleration signal is determined to be erroneous if the residual error exceeds a threshold value δ.

Verfahren (300) nach Anspruch 2, wobei der Schwellenwert δ vom Sensorrauschen des zugeordneten Sensorelements (205, 210, 215) abhängig ist. Procedure ( 300 ) according to claim 2, wherein the threshold value δ of the sensor noise of the associated sensor element ( 205 . 210 . 215 ) is dependent.

Verfahren (300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein über L Messungen gemittelter Restfehler mit dem Schwellenwert δ verglichen (315) und die Bestimmung als fehlerhaft bestimmt wird, falls gilt:

Procedure ( 300 ) according to claim 2 or 3, wherein a residual error averaged over L measurements is compared to the threshold value δ ( 315 ) and the determination is determined to be erroneous if:

Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bestimmt wird, welches der Sensorelemente (205, 210, 215) fehlerhaft ist, indem ein Quotient q ^ gebildet (320) und mit q_i = tanφ_i für

i ∊ {1; 2; 3}

verglichen wird, wobei

Procedure ( 300 ) according to one of claims 2 to 4, wherein it is determined which of the sensor elements ( 205 . 210 . 215 ) is erroneous by forming a quotient q ^ ( 320 ) and with q _i = tanφ _i for

i ε {1; 2; 3}

is compared, where

Verfahren (300) nach Anspruch 5, wobei das Signal s1, s2 bzw. s3 des betreffenden Sensorelements (205, 210, 215) verworfen und das Beschleunigungssignal a auf der Basis der geänderten Matrix M_i ⁺ bestimmt (325) wird: M_i ⁺ = (M_i ^TM_i)^–1M_i ^T, wobei

Procedure ( 300 ) according to claim 5, wherein the signal s1, s2 or s3 of the relevant sensor element ( 205 . 210 . 215 ) and determines the acceleration signal a on the basis of the changed matrix M _i ⁺ ( 325 ) becomes: M _i ⁺ = (M _i ^T M _i ) ^-1 M _i ^T , where

Verfahren (300) nach Anspruch 5, wobei ein Verstärkungsfehler f ^ für das betreffende Sensorelement (205, 210, 215) bestimmt (330) und in der Kleinste-Quadrate-Schätzung berücksichtigt wird:

mit

Procedure ( 300 ) according to claim 5, wherein a gain error f ^ for the relevant sensor element ( 205 . 210 . 215 ) certainly ( 330 ) and is considered in the least squares estimate:

With

Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist. Computer program product with program code means for carrying out the method ( 300 ) according to one of the preceding claims, when the computer program product runs on a processor or is stored on a computer-readable medium.

Vorrichtung (200) zur Bestimmung eines Beschleunigungssignals a, umfassend – drei Sensorelemente (205, 210, 215) zur Bestimmung von Beschleunigungssignalen s1, s2, s3, wobei die Sensorelemente (205, 210, 215) Messrichtungen aufweisen, die in einer Ebene liegen und mit einer Referenzrichtung in der Ebene Winkel φ1 bis φ3 einschließen – eine Verarbeitungseinrichtung (240) zur Durchführung des Verfahrens (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Contraption ( 200 ) for determining an acceleration signal a, comprising - three sensor elements ( 205 . 210 . 215 ) for determining acceleration signals s1, s2, s3, wherein the sensor elements ( 205 . 210 . 215 ) Have measuring directions which lie in one plane and enclose with a reference direction in the plane angles φ1 to φ3 - a processing device ( 240 ) for carrying out the process ( 300 ) according to one of claims 1 to 7.