DE102014211177A1

DE102014211177A1 - Verfahren und System zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte

Info

Publication number: DE102014211177A1
Application number: DE102014211177.3A
Authority: DE
Inventors: Nico Steinhardt
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2015-12-17
Also published as: CN106796126B; CN106796126A; US20170122770A1; EP3155380A1; WO2015189181A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte, wobei die Messwerte mittels mindestens eines Sensorsystems (101, 103, 104, 201, 203, 204) erfasst werden, wobei die Messwerte direkt oder indirekt Werte von physikalischen Größen beschreiben, wobei die Werte von indirekt beschriebenen physikalischen Größen aus den Messwerten und/oder aus bekannten physikalischen und/oder mathematischen Zusammenhängen berechnet werden, wobei die Fehlerwerte der Messwerte des mindestens einen Sensorsystems (101, 103, 104, 201, 203, 204) bestimmt werden und wobei
die Fehlerwerte in sich gegenseitig nicht beeinflussenden und zu Reihen geschalteten Funktionsblöcken (31, 32, 33, 34, 35, 36) schrittweise bestimmt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes System sowie eine Verwendung des Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, ein System zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte gemäß Oberbegriff von Anspruch 13 sowie eine Verwendung des Systems.
Bei einem im Stand der Technik bekannten, sog. virtuellen Sensor besteht bekanntermaßen eine Trennung der ansonsten direkten Verbindung zwischen Sensoren und Nutzerfunktionen. Dies stellt eine Zwischenebene in der Systemarchitektur dar. Insbesondere sicherheitskritische Funktionen sind auf die schnellstmögliche und zuverlässige Erkennung von Fehlern und Widersprüchen der Messdaten angewiesen, um ihre Funktion und ihr spezifiziertes Sicherheitsniveau, z.B. entsprechend dem sog. Automotive Safety Integrity Level (ASIL), zu gewährleisten. Die beschriebene Trennung der Funktionen von den ihnen zugeordneten Sensoren lässt eine solche bisher übliche Prüfung durch die Funktion in der Regel jedoch nicht mehr zu, bietet andererseits aber durch den Zugriff auf mehrere redundante Sensoren das Potential einer schnelleren Erkennung und einer besseren Qualität der Erkennung von Fehlern. Weiterhin ist die Qualität sowohl der fusionierten Daten als auch der Fehlererkennung bekanntermaßen abhängig von der aktuellen Verfügbarkeit und der Messqualität der in die Fusion eingebundenen Sensoren.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2012 219 478 A1 ein Sensorsystem in zur eigenständigen Bewertung der Integrität seiner Daten. Das Sensorsystem wird bevorzugt in Kraftfahrzeugen verwendet und umfasst mehrere Sensorelemente, die derart ausgebildet sind, dass sie zumindest teilweise unterschiedliche primäre Messgrößen erfassen bzw. zumindest teilweise unterschiedliche Messprinzipien nutzen. Das Sensorsystem umfasst weiterhin eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche die Sensorsignale zumindest teilweise gemeinsam auswertet und gleichzeitig die Informationsqualität der Sensorsignale bewertet. Die Signalverarbeitungseinrichtung stellt außerdem eine Information über die Widerspruchsfreiheit zumindest eines Datums einer physikalischen Größe bereit, wobei das Datum der physikalischen Größe auf Basis der Sensorsignale von Sensorelementen berechnet wird, welche die physikalische Größe entweder direkt erfassen oder aus deren Sensorsignalen die physikalische Größe berechenbar ist. Die Information über die Widerspruchsfreiheit des Datums wird nun auf Basis von direkt oder indirekt redundant vorliegenden Sensorinformationen berechnet.
Aus der DE 10 2012 219 475 A1 ist ein Sensorsystem zur eigenständigen Bewertung der Genauigkeit seiner Daten bekannt, welches bevorzugt in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Das Sensorsystem umfasst mehrere Sensorelemente, die derart ausgebildet sind, dass sie zumindest teilweise unterschiedliche primäre Messgrößen erfassen bzw. zumindest teilweise unterschiedliche Messprinzipien nutzen. Das Sensorsystem umfasst weiterhin eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche die Sensorsignale zumindest teilweise gemeinsam auswertet und gleichzeitig die Informationsqualität der Sensorsignale bewertet. Die Signalverarbeitungseinrichtung stellt außerdem eine Information über die Genauigkeit zumindest eines Datums einer physikalischen Größe in Form einer Kenngröße oder eines Kenngrößensatzes bereit. Diese Kenngröße oder dieser Kenngrößensatz wird dabei nach oder an aufeinanderfolgenden Signalverarbeitungsschritten bereitgestellt, wobei die Daten der Kenngröße oder des Kenngrößensatzes davon abhängig sind, wie der zugeordnete bzw. vorangehende Signalverarbeitungsschritt das verarbeitete Datum der physikalischen Größe beeinflusst.
Die DE 10 2010 063 984 A1 offenbart ein mehrere Sensorelemente umfassendes Sensorsystem. Die Sensorelemente sind so ausgebildet, dass sie zumindest teilweise unterschiedliche primäre Messgrößen erfassen und zumindest teilweise unterschiedliche Messprinzipien nutzen. Aus der primären Messgröße der Sensorelemente werden dann zumindest teilweise weitere Messgrößen abgeleitet. Weiterhin umfasst das Sensorsystem eine Signalverarbeitungseinrichtung, eine Schnittstelleneinrichtung sowie mehrere Funktionseinrichtungen. Die Sensorelemente sowie sämtliche Funktionseinrichtungen sind dabei mit der Signalverarbeitungseinrichtung verbunden. Die primären Messgrößen liefern also redundante Informationen, die in der Signalverarbeitungseinrichtung miteinander verglichen werden bzw. sich gegenseitig stützen können. Aus dem Vergleich der auf verschiedenem Weg berechneten Observablen können Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Observablen gezogen werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung qualifiziert die Genauigkeit der Observablen und stellt die Observablen zusammen mit einer Genauigkeitsangabe über eine Schnittstelleneinrichtung verschiedenen Funktionseinrichtungen zur Verfügung.
Um Steuerungen oder Regelungen in Nutzerfunktionen, wie z.B. einem fahrspurgenauen Navigationssystem für Kraftfahrzeuge, auf Basis der dynamischen Qualität einer Datenfusion aufzubauen, ist die Information über die Gesamtunsicherheit der insgesamt fusionierten Daten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht ausreichend. Es besteht vielmehr der Bedarf, dass ein virtueller Sensor Informationen über verschiedene individuelle Kennwerte und individuelle Genauigkeiten von Sensorsignalen in Echtzeit ausgibt und den Funktionen damit ein sog. dynamisches Datenblatt zur Verfügung stellt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte, wobei die Messwerte mittels mindestens eines Sensorsystems erfasst werden, wobei die Messwerte direkt oder indirekt Werte von physikalischen Größen beschreiben,
wobei die Werte von indirekt beschriebenen physikalischen Größen aus den Messwerten und/oder aus bekannten physikalischen und/oder mathematischen Zusammenhängen berechnet werden, wobei die Fehlerwerte der Messwerte des mindestens einen Sensorsystems bestimmt werden und wobei
die Fehlerwerte in sich gegenseitig nicht beeinflussenden und zu Reihen geschalteten Funktionsblöcken schrittweise bestimmt werden.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine Genauigkeitsberechnung mit Unterteilung der Fehlerwerte in datenblatttypische Kenngrößen wie Rauschen, Offset bzw. Skalenfaktorfehler durch voneinander unabhängige, bevorzugt als sog. Black Box modellierte, Funktionsblöcke ermöglicht wird. Jeder Funktionsblock kann dabei die Fehlerfortpflanzungsrechnung von einem oder mehreren beliebigen Rechenschritten des zu beschreibenden Systems beinhalten. Die Eingangsgrößen und Ausgabegrößen jedes Funktionsblocks, also die eingehenden Messwerte und die ausgehenden Messwerte bzw. Fehlerwerte, sind bevorzugt für ein theoretisches Modell benötigte Kenngrößen. Der erfindungsgemäße Aufbau in Funktionsblöcken erlaubt darüber hinaus einen flexiblen, verzweigenden und anpassbaren Verlauf des Signalpfades. Eine bevorzugt vorhandene Anbringung von Korrekturmessungen sowie von unterschiedlichen Parametern aus dem von der Fortpflanzungsrechnung beschriebenen Sensorsystem wird dabei bevorzugt ebenso modelliert.
Die Funktionsblöcke sind untereinander wechselwirkungsfrei, beeinflussen sich also nicht gegenseitig. Ebensowenig beeinflussen sie ein ggf. vorhandenes Fusionsfilter.
Die erfindungsgemäße Aufteilung in eine oder mehrere Reihen aus Funktionsblöcken erlaubt also eine unkomplizierte und flexible Änderung der Verarbeitungsschritte. Weiterhin lässt sich die sog. „Datenblatt-Beschreibung“ der verarbeiteten Messwerte nach jedem individuellen Rechenschritt bzw. nach jedem individuellen Funktionsblock nutzen, somit ist die gesamte Datenverarbeitung durch die Aneinanderreihung der einzelnen Funktionsblöcke im Wesentlichen vollständig beschrieben. Auch Verzweigungen der Reihe bzw. der Reihen von Funktionsblöcken und ggf. der Einfluss anderer Parameter und Messwerte, wie z.B. Korrekturwerte eines Fusionsfilters, sind ohne Änderungen an der Gesamtmodellierung vergleichsweise einfach einzubringen. Die ausgegebenen Daten bzw. Messwerte bzw. Fehlerwerte sind beispielsweise als Eingangsparameter für eine Filterung oder Regelung verwendbar. Somit ist also eine Fortpflanzungsrechnung für eine vollständige Signalverarbeitungs-Modellierung durch die tatsächliche physikalische Verbindung der Datenbusse erreichbar, ohne dass weitere Abstimmungen notwendig sind.
Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren also eine vergleichsweise detailliertere Beschreibung der Messwerte bzw. der Fehlerwerte zu nahezu beliebigen Zeitpunkten während der Verarbeitung. Dies vereinfacht es auch, unterschiedlichen Nutzerfunktionen die jeweils benötigten Messwerte bzw. Fehlerwerte in einem jeweils benötigten bzw. zweckdienlichen Stadium zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, sowohl Störungen als auch Inkonsistenzen der Messwerte bzw. der Fehlerwerte bzw. der physikalischen Größen in möglichst kurzer Zeit zu detektieren und als eindeutige Aussage auszugeben. Zusätzlich können auch Informationen über die stochastische Unsicherheit und Schärfe dieser Aussage vergleichsweise einfach berechnet werden und diese besonders bevorzugt als Integritätsbewertung an Nutzerfunktionen weitergegeben werden. Zur Erfüllung dieser Anforderungen gliedert sich die Qualitätsbewertung bevorzugt in die Kriterien „Integrität“ und „Genauigkeit“. Dabei bedeutet Integrität das Maß an Vertrauen in die Korrektheit von Messwerten bzw. Fehlerwerten bzw. physikalischen Größen, im Rahmen ihrer Messgenauigkeit, und die stochastische Bewertung spezifischer Messwerteigenschaften über die gesamte Verarbeitungsreihe bzw. Reihe von Funktionsblöcken. Eine weitere Anforderung an beide Teile ist, dass die Algorithmen zur Integritäts- und Genauigkeitsbewertung konsistent und echtzeitfähig, z.B. in ein Fusionsfilter, integrierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die physikalischen Größen normalverteilt bzw. gaußverteilt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Funktionsblöcke jeweils eine Fehlerfortpflanzungsrechnung ausführen. Somit werden die Fehlerwerte schrittweise durch die Funktionsblöcke und insbesondere unabhängig von der Verarbeitung in anderen Funktionsblöcken bestimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fehlerfortpflanzungsrechnung in jedem Funktionsblock individuell durch die jeweiligen Sensorsysteme und/oder individuell durch die jeweiligen physikalischen Größen geprägt ist. Das ermöglicht eine individuell angepasste und spezifische Behandlung der Messwerte bzw. der fehlerwerte bzw. der physikalischen Größen, was schließlich zu einer verbesserten Integrität und einer verbesserten Genauigkeit der bestimmten individuellen Fehlerwerte führt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fehlerwerte in den Funktionsblöcken als mathematische Matrizen gehandhabt werden. Dies ermöglicht eine ebenso einfache wie umfassende und effiziente Handhabung der Fehlerwerte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fehlerwerte zumindest anteilig den Werten von physikalischen Größen im Fusionsdatensatz zugeordnet werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für die Nutzerfunktionen ein Zusammenhang zwischen den Fehlerwerten und den physikalischen Größen bereitgestellt werden kann. Es werden also nicht nur die Varianzen, sondern die tatsächlichen Fehlerwerte bestimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass statische Fehlereigenschaften der Sensorsysteme jeweils einen ersten Funktionsblock einer Reihe darstellen, wobei von jedem ersten Funktionsblock mindestens eine Reihe ausgeht. Damit lässt sich vergleichsweise einfach die Ungenauigkeit eines Sensorsystems bestimmen. Ausgehend von den statischen Fehlereigenschaften werden im weiteren Verlauf der Reihe von Funktionsblöcken dann bevorzugt die dynamischen Fehlereigenschaften der Sensorsysteme, wie z.B. Temperatureinflüsse und Temperaturkompensationen, ausgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Funktionsblöcke die Ausgangsdaten jeweils für weitere Funktionsblöcke und/oder für auf den Sensorsystemen basierende Anwendungen bereitstellen. Somit lässt sich auf einfache Weise eine beliebig lange Reihe mit einer beliebigen Zahl von Verzweigungen der Funktionsblöcke darstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fehlerwerte ein Messrauschen und/oder einen Nullpunktfehler und/oder einen Skalenfaktorfehler umfassen. Das ein Messrauschen, der Nullpunktfehler und der Skalenfaktorfehler sind diejenigen Fehler, die hauptsächlich zum Entstehen von Fehlern beitragen. Indem sie bei der Bestimmung der Fehlerwerte berücksichtigt werden bzw. indem die Fehlerwerte diese Fehler umfassen, sind die Fehlerwerte zuverlässiger und genauer.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mindestens eine Reihe von geschalteten Funktionsblöcken aufgabelt. Dies ermöglicht es, die Ausgangsdaten eines Funktionsblocks auf unterschiedliche Arten, nämlich durch unterschiedliche Funktionsblöcke, weiterzuverarbeiten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte und/oder die Fehlerwerte mittels einer Datenfusion zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden. Ein gemeinsamer Fusionsdatensatz ist gegenüber den einzelnen Messwerten und/oder den einzelnen Fehlerwerten in der Regel zuverlässiger und präziser und insbesondere erlaubt er mittels der Bestimmung der Fehlerwerte eine vergleichsweise zuverlässige Bewertung der Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit der fusionierten Messwerte und/oder der fusionierten Fehlerwerte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte und/oder die Fehlerwerte, die zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden, korrigiert werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Bestimmung der Fehlerwerte eine konkrete Bedeutung zukommt, nämlich nachfolgend die Korrektur dieser Fehlerwerte. Dies verbessert und präzisiert die vom Sensorsystem bestimmten Messwerte. Ebenso ist aber auch ein Erkennen und Korrigieren der Fehlerwerte eines geeigneten stochastischen Modells möglich und bevorzugt, wobei das Modell den individuellen Eigenschaften des jeweiligen Sensorsystems Rechnung trägt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messwerte zumindest Messwerte eines Trägheitssensorsystems, Messwerte eines globalen Satellitensensorsystems und/oder Messwerte eines Odometriesensorsystems sind. Damit ist die vorliegende Erfindung insbesondere zu Navigationszwecken und für Navigationssysteme, bevorzugt in Kraftfahrzeugen, geeignet. Die Sensorsysteme, also das Trägheitssensorsystem bzw. Satellitennavigationssystem bzw. das Odometrienavigationssystem bestimmen somit also die Position, insbesondere die Position eines Kraftfahrzeugs, als physikalische Größe aus den Messwerten. Bei dem globalen Satellitennavigationssystem kann es sich beispielsweise um ein sog. GPS-Navigationssystem handeln. Das Odometrienavigationssystem bestimmt zunächst die Geschwindigkeit z.B. über den bekannten Abrollumfang der Kraftfahrzeugreifen und ermöglicht somit eine Positionsbestimmung unter Berücksichtigung des Lenkwinkels im Rahmen einer Koppelnavigation. Besonders zweckmäßig ist es, dass das Satellitennavigationssystem mindestens zwei Satellitensignalempfänger umfasst. Dadurch verbessert sie die Qualität der erfassten Satellitensignale und somit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Satellitennavigationssystems.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zur Berechnung von Werten von indirekt beschriebenen physikalischen Größen die Umlaufbahnen von Satelliten des Satellitennavigationssystems als fehlerfrei angenommen werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Trägheitsnavigationssystem das Sensorbasissystem ist Das Trägheitsnavigationssystem als Sensorbasissystem bietet den Vorteil, dass es die vergleichsweise höchste Verfügbarkeit aufweist, da es eine vergleichsweise hohe Ausgaberate der erfassten Eingangsdaten aufweist und zudem weitgehend unabhängig von äußeren Störeinflüssen arbeitet.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte, umfassend mindestens ein Sensorsystem sowie ein Fusionsfilter, wobei das mindestens eine Sensorsystem dazu ausgebildet ist, Messwerte zu erfassen,
wobei die Messwerte direkt oder indirekt Werte von physikalischen Größen beschreiben, wobei das Fusionsfilter dazu ausgebildet ist, die Werte von indirekt beschriebenen physikalischen Größen aus den Messwerten und/oder aus bekannten physikalischen und/oder mathematischen Zusammenhängen zu berechnen, wobei das Fusionsfilter dazu ausgebildet ist, die Messwerte mittels einer Datenfusion zu einem Fusionsdatensatz zu fusionieren und wobei das System dazu ausgebildet ist, sich gegenseitig nicht beeinflussende und zu Reihen geschaltete Funktionsblöcke bereitzustellen,
wobei die Funktionsblöcke dazu ausgebildet sind, die Fehlerwerte schrittweise zu bestimmen. Das erfindungsgemäße System umfasst somit alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Vorrichtungen. Z.B. kann das erfindungsgemäße System einen Prozessor und elektronische Speichermittel umfassen, auf denen ein entsprechendes Computerprogrammprodukt abgelegt und ausführbar ist.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das System dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dies führt zu den bereits beschriebenen Vorteilen.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem Kraftfahrzeug.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 beispielhaft eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches zur Positionsbestimmung ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug und
2 beispielhaft eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches ebenfalls zur Positionsbestimmung ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems, das zur Anordnung und Verwendung in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Das dargestellte System ist beispielsgemäß zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten eines Trägheitsnavigationssystems ausgebildet und eignet sich zur Positionsbestimmung des Kraftfahrzeugs. Dabei sind alle vom System umfassten Elemente bzw. Bestandteile bzw. Sensorsysteme als Funktionsblöcke veranschaulicht und deren Zusammenwirken untereinander dargestellt.
Das beispielsgemäße System umfasst Trägheitsnavigationssystem 101, das so ausgebildet ist, dass es zumindest die Beschleunigungen entlang einer ersten, einer zweiten und einer dritten Achse sowie wenigstens die Drehraten um die erste, um die zweite und um die dritte Achse erfassen kann. Die erste Achse entspricht dabei beispielsgemäß der Längsachse des Kraftfahrzeugs, die zweite Achse entspricht der Querachse des Kraftfahrzeugs und die dritte Achse entspricht der Hochachse des Kraftfahrzeugs. Diese drei Achsen bilden ein kartesisches Koordinatensystem, das sog. Kraftfahrzeugkoordinatensystem.
Trägheitsnavigationssystem 101 bildet beispielsgemäß das sog. Sensorbasissystem, dessen Ausgabedaten mittels der im Folgenden beschriebenen weiteren Sensorsysteme, der sog. Korrektursysteme, korrigiert werden. Die Korrektursysteme sind dabei Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystems 104.
Das erfindungsgemäße System weist weiterhin eine sog. Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 auf, in welcher ein sog. Strapdown-Algorithmus durchgeführt wird, mittels dessen die Eingangsdaten bzw. Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101 u.a. in Positionsdaten umgerechnet werden. Dazu werden die Eingangsdaten bzw. Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101, welche naturgemäß Beschleunigungen beschreiben, zweimal über die Zeit integriert. Mittels einer Einfachintegration über die Zeit werden weiterhin die Ausrichtung und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs bestimmt. Außerdem kompensiert Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 eine auf Trägheitsnavigationssystem 101 wirkende Corioliskraft.
Die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 umfassen folglich die folgenden physikalischen Größen: die Geschwindigkeit, die Beschleunigung sowie die Drehrate des Kraftfahrzeugs, beispielsgemäß bezüglich der genannten drei Achsen des Kraftfahrzeugkoordinatensystems und beispielsgemäß zusätzlich jeweils bezogen auf ein Weltkoordinatensystem, das zur Beschreibung der Ausrichtung bzw. von dynamischen Größen des Kraftfahrzeugs auf der Welt geeignet ist. Beispielsgemäß handelt es sich bei dem genannten Weltkoordinatensystem um ein GPS-Koordinatensystem. Außerdem umfassen die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 die Position bezüglich des Kraftfahrzeugkoordinatensystems und die Ausrichtung hinsichtlich des Weltkoordinatensystems. Zusätzlich weisen die Ausgangsdaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 die Varianzen als Information über die Datenqualität der oben genannten Navigationsinformationen auf. Diese Varianzen werden beispielgemäß nicht in Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 berechnet, sondern nur von dieser verwendet und weitergeleitet. Die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 berechneten o.g. Navigationsinformationen werden über Ausgabemodul 112 ausgegeben und anderen Kraftfahrzeugsystemen zur Verfügung gestellt.
Das erfindungsgemäße System umfasst außerdem Odometrienavigationssystem 103 in Form von Raddrehzahlsensoren für jedes Rad des Kraftahrzeugs. Beispielgemäß handelt es sich um ein vierrädriges Kraftfahrzeug mit vier Raddrehzahlsensoren, die jeweils die Drehzahl des ihnen zugeordneten Rads sowie dessen Drehrichtung erfassen. Weiterhin umfasst Odometrienavigationssystem 103 ein Lenkwinkelsensorelement, das den Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs erfasst.
Darüber hinaus weist das beispielhaft dargestellte System Satellitennavigationssystem 104 auf, welches so ausgebildet ist, dass es die Entfernung jeweils zwischen einem zugeordneten Satelliten und dem Kraftahrzeug sowie die Geschwindigkeit jeweils zwischen dem zugeordneten Satelliten und dem Kraftfahrzeug bestimmt.
Das System umfasst außerdem Fusionsfilter 105. Fusionsfilter 105 stellt im Zuge der gemeinsamen Auswertung der Eingangsdaten bzw. Messwerte von Odometrienavigationssystem 103, von Satellitennavigationssystems 104 und von Trägheitsnavigationssystem 101 einen Fusionsdatensatz 106 bereit. Fusionsdatensatz 106 weist die erfassten Eingangsdaten der unterschiedlichen Sensorsysteme auf, wobei Fusionsdatensatz 106 beispielsgemäß zusätzlich Fehlerwerte und den Fehlerwerten zugeordnete Varianzen, welche die Datenqualität beschreiben, umfasst.
Die Eingangsdaten bzw. Messwerte von Trägheitsnavigationssystem 101 werden während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in einem hierfür vorgesehenen elektronischen Datenspeicher 113 von Fusionsfilter 105 für einen vorgegebenen Zeitraum gespeichert. Trägheitsnavigationssystems 101 stellt dabei das sog. Sensorbasissystem dar, während Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystem 104 die sog. Korrektursysteme darstellen, deren Ausgabedaten zur Korrektur der Messwerte bzw. physikalischen Größen des Sensorbasissystems herangezogen werden. Somit ist sichergestellt, dass stets Messwerte bzw. Werte von physikalischen Größen, die zumindest scheinbar zu einem identischen Zeitpunkt erfasst wurden, zur Korrektur der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen herangezogen werden können.
Von Fusionsfilter 105 bereitgestellter Fusionsdatensatz 106 umfasst beispielsgemäß die mittels der plausibilisierten Ausgabedaten der Korrektursysteme bestimmten quantitativen Fehler des Sensorbasissystems.
Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 korrigiert nun mittels Fusionsdatensatz 106 die Ausgabedaten des Sensorbasissystems.
Fusionsdatensatz 106 wird von Fusionsfilter 105 aus den Eingangsdaten bzw. Messwerten von Odometrienavigationssystem 103, Satellitennavigationssystems 104 und Trägheitsnavigationssystem 101 berechnet.
Fusionsfilter 105 ist beispielsgemäß als Error-State-Space-Kalman Filter ausgebildet, also als Kalman-Filter, das insbesondere eine Linearisierung der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen ausführt und in welchem die quantitativen Fehlerwerte der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen berechnet bzw. geschätzt werden und welches sequentiell arbeitet und dabei die in dem jeweiligen Funktionsschritt der Sequenz verfügbaren Ausgabedaten korrigiert.
Fusionsfilter 105 ist so ausgebildet, dass es stets asynchron die aktuellsten von Trägheitsnavigationssystem 101, Odometrienavigationssystem 103 und Satellitennavigationssystem 104 verfügbaren Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen erfasst. Beispielsgemäß werden die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen dabei über Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 und Ausrichtungsmodelleinheit 109 geführt.
Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 ist so ausgebildet, dass sie aus den Messwerten bzw. Werten der physikalischen Größen von Odometrienavigationssystem 103 zumindest die Geschwindigkeit entlang einer ersten Achse, die Geschwindigkeit entlang einer zweiten Achse sowie die Drehrate um eine dritte Achse berechnet und diese Fusionsfilter 105 bereitstellt.
Das beispielsgemäße System umfasst außerdem Reifenparameterschätzungseinheit 110, welche so ausgebildet ist, dass sie zumindest den Halbmesser, beispielgemäß den dynamischen Halbmesser, aller Räder berechnet und zusätzlich die Schräglaufsteifigkeit und die Schlupfsteifigkeit aller Räder berechnet und diese Kraftfahrzeugmodelleinheit 107 als zusätzliche Eingangsgrößen bereitstellt. Reifenparameterschätzungseinheit 110 ist weiterhin so ausgebildet, dass sie ein im Wesentlichen lineares Reifenmodell zur Berechnung der Reifengrößen verwendet.
Die beispielgemäßen Eingangsgrößen von Reifenparameterschätzungseinheit 110 sind dabei die Raddrehzahlen und den Lenkwinkel beschreibende Eingangsdaten, zumindest teilweise die Ausgangswerte von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 sowie die von Fusionsfilter 105 bestimmten Varianzen.
Das beispielsgemäße System umfasst außerdem GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111, welche so ausgebildet ist, dass sie beispielsgemäß als Eingangsdaten die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Satellitennavigationssystem 104 sowie zumindest teilweise Ausgabedaten von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 erhält und in ihren Berechnungen berücksichtigt. GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 prüft die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen gegen ein an Satellitennavigationssystem 104 angepasstes stochastisches Modell. Sofern die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen im Rahmen einer dem Rauschen Rechnung tragenden Toleranz dem Modell entsprechen, werden sie plausibilisiert.
Dabei ist GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 zusätzlich mit Fusionsfilter 105 auf Datenebene verbunden und übermittelt die plausibilisierten Eingangsdaten an Fusionsfilter 105.
GPS-Fehlererkennungs-und-Plausibilisierungseinheit 111 ist beispielhaft so ausgebildet, dass sie ein Verfahren zum Auswählen eines Satelliten u.a. mittels der folgenden Verfahrensschritte durchführt:

– Messen von Positionsdaten des Kraftfahrzeugs gegenüber dem Satelliten basierend auf den Sensorsignalen von Satellitennavigationssystems 104,
– Bestimmen von zu den basierend auf den Sensorsignalen von Satellitennavigationssystems 104 bestimmten Positionsdaten redundanten Referenzpositionsdaten des Kraftfahrzeugs,
– Auswählen des Satelliten, wenn eine Gegenüberstellung der Positionsdaten und der Referenzpositionsdaten einer vorbestimmten Bedingung genügt,
– wobei zur Gegenüberstellung der Positionsdaten und der Referenzpositionsdaten eine Differenz zwischen den Positionsdaten und den Referenzpositionsdaten gebildet wird,
– wobei die vorbestimmte Bedingung eine maximal zulässige Abweichung der Positionsdaten von den Referenzpositionsdaten ist,
– wobei die maximal zulässige Abweichung von einer Standardabweichung abhängig ist, die basierend auf einer Summe aus einer Referenzvarianz für die Referenzpositionsdaten und einer Messvarianz für die Positionsdaten berechnet wird und
– wobei die maximal zulässige Abweichung einem Vielfachen der Standardabweichung derart entspricht, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die Positionsdaten in ein von der Standardabweichung abhängiges Streuintervall fallen, einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.

Das beispielsgemäße System weist außerdem Stillstandserkennungseinheit 108 auf, welche so ausgebildet ist, dass sie einen Stillstand des Kraftfahrzeugs erkennen kann und im Falle eines erkannten Stillstands des Kraftfahrzeugs zumindest Fusionsfilter 105 Informationen aus einem Stillstandsmodell bereitstellt. Die Informationen aus einem Stillstandsmodell beschreiben dabei, dass die Drehraten um alle drei Achsen den Wert Null aufweisen und die Geschwindigkeiten entlang aller drei Achsen den Wert Null aufweisen. Stillstandserkennungseinheit 108 ist dabei beispielgemäß so ausgebildet, dass sie als Eingangsdaten die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen der Raddrehzahlsensoren von Odometrienavigationssystem 103 sowie die Eingangsdaten von Trägheitsnavigationssystem 101 nutzt.
Das beispielsgemäße System verwendet beispielgemäß eine erste Gruppe von Eingangsdaten, die sich auf ein Kraftfahrzeugkoordinatensystem beziehen und zusätzlich eine zweite Gruppe von Eingangsdaten, die sich auf ein Weltkoordinatensystem beziehen, wobei das Weltkoordinatensystem zur Beschreibung der Ausrichtung und von dynamischen Größen des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Mittels Ausrichtungsmodelleinheit 109 wird ein Ausrichtungswinkel zwischen dem Kraftfahrzeugkoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem bestimmt.
Der von Ausrichtungsmodelleinheit 109 bestimmte Ausrichtungswinkel zwischen dem Kraftfahrzeugkoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem wird dabei bestimmt auf Basis folgender physikalischer Größen:

– der vektoriellen Geschwindigkeit bezüglich des Weltkoordinatensystems,
– der vektoriellen Geschwindigkeit bezüglich des Kraftfahrzeugkoordinatensystems,
– des Lenkwinkels und
– der jeweiligen quantitativen Fehler der die genannten Größen beschreibenden Ausgabedaten.

Ausrichtungsmodelleinheit 109 greift dabei auf sämtliche der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 zurück.
Ausrichtungsmodelleinheit 109 ist beispielgemäß so ausgebildet, dass sie zusätzlich zu dem Ausrichtungswinkel noch eine Information über die Datenqualität des Ausrichtungswinkels in Form einer Varianz berechnet und Fusionsfilter 105 bereitstellt.
Fusionsfilter 105 verwendet den Ausrichtungswinkel und die Varianz des Ausrichtungswinkels bei seinen Berechnungen, deren Ergebnisse er über Fusionsdatensatz 106 an Strapdown-Algorithmus-Einheit 102 weiterleitet.
Fusionsfilter 105 erfasst also die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 101, dem Sensorbasissystem, sowie von Odometrienavigationssystem 103 und von Satellitennavigationssystem 104, den Korrektursystemen.
Die Bestimmung der Fehlerwerte erfolgt dabei stets in Form von zu Reihen geschalteten Funktionsblöcken, die sich untereinander nicht beeinflussen. Ebensowenig beeinflussen die Funktionsblöcke Fusionsfilter 105. Jeder einzelne Funktionsblock beinhaltet die Fehlerfortpflanzungrechnung von einem oder mehreren beliebigen Rechenschritten des beispielhaften Systems. Diese Struktur erlaubt einen flexiblen, verzweigenden und anpassbaren Verlauf des Signalpfades. Die Anbringung von Korrekturwerten sowie von Parametern aus der Fortpflanzungsrechnung wird dabei ebenso modelliert.
2 zeigt beispielhaft eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Systems, welches ebenfalls zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt). Das System umfasst beispielsgemäß Trägheitsnavigationssystem 201, Satellitennavigationssystem 204 und Odometrienavigationssystem 203 als unterschiedliche Sensorsysteme. Trägheitsnavigationssystem 201, Satellitennavigationssystem 204 und Odometrienavigationssystem 203 geben Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen, die direkt bzw. indirekt Navigationsinformationen, nämlich eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Ausrichtung, eine Gierrate bzw. eine Gierbeschleunigung beschreiben, an Fusionsfilter 205 aus. Die Ausgabe der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen erfolgt dabei über einen Fahrzeugdatenbus, beispielsgemäß über einen sog. CAN-Bus. Beispielsgemäß gibt Satellitennavigationssystem 204 seine Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen in Rohdatenform an aus.
Als zentrales Element bei einer Positionsbestimmung des Kraftfahrzeugs wird Trägheitsnavigationssystem 201, bei dem es sich um eine sog. MEMS-IMU (Micro-Electro-Mechanical-System-Inertial Measurement Unit) handelt in Kombination mit Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 verwendet, da dieses als fehlerfrei angenommen wird, d.h., es wird angenommen, dass die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 201 stets ihrem stochastischen Modell entsprechen, dass sie lediglich Rauscheinflüsse aufweisen und somit frei von äußeren bzw. zufälligen Fehlern bzw. Störungen sind. Das Rauschen sowie verbleibende, nicht modellierte Fehler von Trägheitsnavigationssystem 201, wie z.B. Nichtlinearität, werden dabei über den Messbereich als mittelwertfrei, stationär und normalverteilt (sog. Gaußsches Weißes Rauschen) angenommen.
Trägheitsnavigationssystem 201 umfasst drei zueinander jeweils orthogonal erfassende Drehratensensoren und drei zueinander jeweils orthogonal erfassende Beschleunigungssensoren.
Satellitennavigationssystem 204 umfasst einen GPS-Empfänger, welcher über die Satellitensignallaufzeit zunächst Entfernungsmessungen zu den empfangbaren GPS-Satelliten vornimmt und außerdem aus der Änderung der Satellitensignallaufzeit sowie zusätzlich aus der Änderung der Anzahl der Wellenlängen der Satellitensignale eine vom Kraftfahrzeug zurückgelegte Wegstrecke bestimmt. Odometrienavigationssystem 203 umfasst jeweils einen Raddrehzahlsensor an jedem Rad des Kraftfahrzeugs sowie einen Lenwinkelsensor. Die Raddrehzahlsensoren bestimmen jeweils die Raddrehgschwindigkeit des ihnen zugeordneten Rads und der Lenkwinkelsensor bestimmt den eingeschlagenen Lenkwinkel.
Trägheitsnavigationssystem 201 gibt seine Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen an Vorverarbeitungseinheit 206 von Trägheitsnavigationssystem 201 aus. Vorverarbeitungseinheit 206 korrigiert nun die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bzw. die darin beschriebenen Navigationsinformationen mittels Korrekturen, die Vorverarbeitungseinheit 206 von Fusionsfilter 205 erhält. Die solcherart korrigierten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bzw. die darin beschriebenen Navigationsinformationen werden weitergeführt an Strapdown-Algorithmus-Einheit 207.
Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 nimmt anhand der korrigierten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Vorverarbeitungseinheit 206 nun eine Positionsbestimmung vor. Diese Positionsbestimmung ist dabei eine sog. Koppelnavigation auf Basis von Trägheitsnavigationssystem 201. Dazu werden die von Vorverarbeitungseinheit 206 ausgegebenen korrigierten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bzw. die darin beschriebenen Navigationsinformationen fortlaufend über die Zeit aufintegriert bzw. aufaddiert. Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 kompensiert weiterhin eine auf Trägheitsnavigationssystem 201 wirkende Corioliskraft, welche sich auf die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 201 auswirken kann. Zur Positionsbestimmung führt Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 eine zweifache Integration der von Trägheitsnavigationssystem 201 erfassten Eingangsdaten, welche Beschleunigungen beschreiben, über die Zeit durch. Dies ermöglicht eine Fortschreibung einer zuvor bekannten Position sowie eine Fortschreibung einer zuvor bekannten Ausrichtung des Kraftfahrzeugs. Zur Bestimmung einer Geschwindigkeit bzw. einer Drehrate des Kraftfahrzeugs führt Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 eine einfache Integration der von Trägheitsnavigationssystem 201 erfassten Eingangsdaten über die Zeit durch. Weiterhin korrigiert Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 auch die bestimmte Position mittels entsprechender Korrekturwerte von Fusionsfilter 205. Fusionsfilter 205 führt in diesem Beispiel die Korrektur also nur mittelbar über Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 aus. Die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bestimmten und korrigierten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bzw. Navigationsinformationen, also die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Ausrichtung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs werden nun an Ausgabemodul 212 und an Fusionsfilter 205 geführt.
Der von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 ausgeführte sog. Strapdown-Algorithmus ist dabei rechnerisch nur wenig komplex und lässt sich daher als echtzeitfähiges Sensorbasissystem realisieren. Er stellt einen Verfahrensablauf zur Integration der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 201 zu Geschwindigkeit, Ausrichtung und Position dar und beinhaltet keine Filterung, so dass sich eine annähernd konstante Latenzzeit und Gruppenlaufzeit ergibt.
Der Begriff Sensorbasissystem beschreibt dabei dasjenige Sensorsystem, dessen Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen mittels der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen der anderen Sensorsysteme, der sog. Korrektursysteme, korrigiert werden. Beispielsgemäß handelt es sich, wie bereits ausgeführt, bei den Korrektursystemen um Odometrienavigationssystem 203 und um Satellitennavigationssystem 204.
Trägheitsnavigationssystem 201, Vorverarbeitungseinheit 206 von Trägheitsnavigationssystem 201 und Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bilden beispielsgemäß zusammen das sog. Sensorbasissystem, zu welchem zusätzlich anteilig auch Fusionsfilter 205 gezählt wird.
Ausgabemodul 212 gibt die von Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 bestimmten und korrigierten Navigationsinformationen an beliebige weitere Systeme des Kraftfahrzeugs weiter.
Die von Satellitennavigationssystem 204 erfassten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen werden beispielsgemäß in Form von Sensorsignalen über eine sog. UART-Datenverbindung zunächst an Vorverarbeitungseinheit 208 von Satellitennavigationssystem 204 weitergeführt. Vorverarbeitungseinheit 208 bestimmt nun aus den von Satellitennavigationssystem 204 ausgegebenen Messwerten bzw. Werten der physikalischen Größen, welche GPS-Rohdaten darstellen und auch eine Beschreibung der Umlaufbahn des jeweils die GPS-Signale sendenden GPS-Satelliten umfassen, eine Position und eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs im GPS-Koordinatensystem. Außerdem bestimmt Satellitennavigationssystem 204 eine relative Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu den GPS-Satelliten, von denen GPS-Signale empfangen werden. Weiterhin korrigiert Vorverarbeitungseinheit 208 einen in den Ausgabedaten enthaltenen Zeitfehler einer Empfängeruhr von Satellitennavigationssystem 204, welcher durch eine Drift der Empfängeruhr entsteht, sowie mittels eines Korrekturmodells die durch atmosphärische Einwirkungen auf die von den GPS-Satelliten gesendeten GPS-Signale verursachten Veränderungen in der Signallaufzeit und dem Signalweg. Die Korrektur des Zeitfehlers sowie der atmosphärischen Einwirkungen erfolgen mittels von Fusionsfilter 205 über den CAN-Bus erhalten Korrekturwerten.
Satellitennavigationssystem 204 ist weiterhin Plausibilisierungsmodul 209 zugeordnet, welches die von Vorverarbeitungseinheit 208 ausgegebenen Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen der Navigationsinformationen, also der Position und der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, plausibilisiert. Die von Plausibilisierungsmodul 209 plausibilisierten Eingangsdaten werden dann an Fusionsfilter 205 ausgegeben.
Das System umfasst weiterhin Vorverarbeitungseinheit 210 von Odometrienavigationssystem 203, welche über den CAN-Bus die von Odometrienavigationssystem 203 erfassten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen erhält. Die erfassten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen die Ausgabedaten der einzelnen Raddrehzahlsensoren sowie die Ausgabedaten des Lenkwinkelsensors. Vorverarbeitungseinheit 210 bestimmt nun aus den von Odometrienavigationssystem 203 ausgegebenen Messwerten bzw. Werten der physikalischen Größen gemäß einem sog. Koppelnavigationsverfahren die Position und die Ausrichtung des Kraftfahrzeugs im Kraftfahrzeugkoordinatensystem. Weiterhin werden die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs bestimmt, ebenfalls im Kraftfahrzeugkoordinatensystem. Außerdem korrigiert Vorverarbeitungseinheit 210 die von Odometrienavigationssystem 203 erhaltenen Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen mittels von Fusionsfilter 205 erhaltenen Korrekturwerten.
Odometrienavigationssystem 203 ist weiterhin Plausibilisierungsmodul 211 zugeordnet, welches die von Vorverarbeitungseinheit 210 ausgegebenen Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen, also die Position, die Ausrichtung, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Drehrate und die Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeugs, plausibilisiert. Da die Fehlerwerte der Ausgabedaten von Odometrienavigationssystem 203 häufig zufällige, umweltbedingte Störungen sind, die nicht Weißem Rauschen entsprechen, z.B. bei vergleichsweise großem Radschlupf, werden die mittels Trägheitsnavigationssystem 201 und mittels Satellitennavigationssystem 204 bestimmten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen genutzt, um die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Odometrienavigationssystem 203 zu plausibilisieren. Zunächst werden auch hier aber die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen gegen ein ihnen zugeordnetes, sensorindividuelles Modell abgeglichen, welches Messunsicherheiten wie Rauscheinflüsse berücksichtigt. Sofern die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen dem Modell innerhalb der gegebenen Grenzwerte bzw. Toleranzbereiche entsprechen, erfolgt hier eine erste Plausibilisierung und die solcherart plausibilisierten Werte werden weiterverarbeitet. Die plausibilisierten Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen werden dann an Fusionsfilter 205 weitergeführt. Sofern eine Plausibilisierung dieser Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen nicht erfolgen kann, werden die entsprechenden Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen verworfen und nicht weiter verarbeitet.
Fusionsfilter 205 ist beispielsgemäß als Error-State-Space-Kalman-Filter ausgebildet. Die Hauptaufgabe von Fusionsfilter 205 ist es beispielsgemäß, die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen des Sensorbasissystems, also von Trägheitsnavigationssystem 201, mittels Messwerten bzw. Wertne der physikalischen Größen n von Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204, welche die Korrektursysteme darstellen, zu korrigieren, bzw. entsprechende Korrekturwerte an Strapdown-Algorithmus-Einheit 207 auszugeben. Da Trägheitsnavigationssystem 201 beispielsgemäß als frei von zufälligen Fehlern und äußeren Störungen angenommen wird, unterliegen die Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen von Trägheitsnavigationssystem 201 ausschließlich Weißem Rauschen.
Da es sich bei Fusionsfilter 205 um einen sog. Error-State-Space-Kalman-Filter handelt, werden ausschließlich die quantitativen Fehlerwerte der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bestimmt und entsprechende Korrekturen ausgeführt. Dies vereinfacht und beschleunigt die von Fusionsfilter 205 vorgenommene Fusion der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen bzw. Fehlerwerte von Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 zu einem gemeinsamen Fusionsdatensatz. Somit wird eine echtzeitfähige Positionsbestimmung und Korrektur der Positionsbestimmung ermöglicht.
Das in 2 dargestellte System stellt einen sog. virtuellen Sensor dar, wobei Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 jedoch nicht Bestandteile des virtuellen Sensors sind. Ein virtueller Sensor ist ein System, welches unabhängig von der Art der eingebundenen Sensorsysteme – hier also Trägheitsnavigationssystem 201, Odometrienavigationssystem 203 und Satellitennavigationssystem 204 – stets die gleichen Ausgangsdaten bzw. Ausgaben erzeugt. Anhand der Ausgangsdaten bzw. Ausgaben ist nicht ersichtlich, welche Sensorsysteme in das System eingebunden sind.
Auch beim in 2 dargestellten System ist die Fehlerfortpflanzungsrechnung als Reihe von hintereinander geschalteten Funktionsblöcken ausgebildet. Diese Aufteilung in eine Reihe aus Funktionsblöcken erlaubt jederzeit eine unkomplizierte und flexible Anpassung der Fehlerfortpflanzungsrechnung. Weiterhin lassen sich die Zwischenergebnisse am Ausgang jedes Funktionsblocks nutzen. Auch Verzweigungen und der Einfluss anderer Parameter und Korrekturen, z.B. von Funktionsfilter 205 Filter, sind ohne Änderungen an der Gesamtmodellierung ergänzbar. Die ausgegebenen Daten werden beispielsgemäß als Eingangsparameter für eine Filterung verwendet.
3 zeigt einen beispielhaften Aufbau von zu einer Reihe geschalteten Funktionsblöcken 31, 32, 33 und 34. Beispielsgemäß erfolgt dabei eine Klassifikation in unterschiedliche Fehlertypen. Somit wird eine Aufteilung des Gesamtfehlers in Einzelfehler erreicht. Die diesen einzelnen Fehlertypen zugeordneten Genauigkeiten werden im Folgenden als Beschreibungsgrößen bezeichnet. Die Berechnung und Weitergabe der Beschreibungsgrößen an Nutzerfunktionen ermöglichen die funktionsindividuelle Bewertung der Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen. Die Klassifikation in Beschreibungsgrößen liefert dabei Zusatzinformationen, die Summe der Einzelfehler ergibt wiederum die Gesamtunsicherheit bzw. den Gesamtfehler.
Die Verarbeitung von Messwerten bzw. Werten der physikalischen Größen erfolgt schrittweise, jedoch stets basierend auf grundlegenden Operationen. Dazu werden auch Messwerte bzw. Werte der physikalischen Größen aus Zwischenschritten ausgegeben. Ein Konzept für das Genauigkeitsmaß als ein für den virtuellen Sensor in Echtzeit berechnetes Datenblatt geht über die alleinige Modellierung als Varianzen in Fusionsfilter 35 selbst hinaus. Dies führt zur Verwendung von mehreren Kennwerten zur Beschreibung der Eigenschaften von Messwerten bzw. Werten der physikalischen Größen. Daraus ergibt sich, wie dargestellt, die Motivation zur Unterteilung der vorgenommenen Signalverarbeitung in abgeschlossene, als Black Box modellierte Funktionsblöcke 31, 32, 33 und 34, die stets den gleichen Ein- und Ausgangsvektor der physikalischen Größen besitzen. Innerhalb von Funktionsblöcken 31, 32, 33 und 34 werden die physikalischen Größen in Form einer Fehlerfortpflanzung berechnet, wobei auch bekannte Abhängigkeiten von physikalischen Größen untereinander in Form eines Fehlerfortpflanzungsgesetztes berücksichtigt werden. Ansonsten werden die physikalischen Größen vereinfachend als unabhängig und untereinander rückwirkungsfrei betrachtet. Damit werden bei der Fehlerfortpflanzungsrechnung einer einzelnen physikalischen Größen alle bereits in einer anderen Beschreibungsgröße modellierten und als unabhängig angenommenen Unsicherheiten zu Null gesetzt. Optional werden weitere Parameter, beispielsweise durch Korrekturen von Fusionsfilter 35, zur Berechnung der physikalischen Größen verwendet. Die Fehlerfortpflanzung wird hierfür auf die verwendeten Basisoperationen des Datenverarbeitungssystems zurückgeführt. Die Modellierung des Signalpfades beginnt mit den Sensorsystemen als Quelle, die physikalischen Größen werden entsprechend der Spezifikationen der Sensoren in ihren realen Datenblättern als Startwerte verwendet. Die korrekte Modellierung der Unsicherheiten in Fusionsfilter 35 vorausgesetzt, ist somit eine stets dem aktuellen Betriebszustand entsprechende Spezifikation der Signaleigenschaften zu jedem Prozessschritt der Signalverarbeitung erreicht. Bezogen auf die Einhaltung dieser Spezifikationen ergibt sich das Kontinuitätsrisiko von Fusionsfilter 35 entsprechend dem Kontinuitätsrisiko des Sensorbasissystems aus IMU und Strapdown-Algorithmus, da deren Verfügbarkeit und Einhaltung der Spezifikationen beispielsgemäß die kleinste, notwendige Grundlage für den Betrieb von Fusionsfilter 35 darstellen.
Anhand der Anforderungen der Nutzerfunktionen werden die physikalischen Größen ermittelt, diese sind durch die Rückwirkungsfreiheit zu Fusionsfilter 35 beliebig wählbar. Für das Berechnungsverfahren wird ein für jede Eigenschaft spezifisches Fehlerfortpflanzungsgesetz ausgewählt. Prinzipiell lässt sich die Fehlerfortpflanzungsrechnung mit beliebigen, für die physikalischen Größen individuellen Verteilungsfunktionen realisieren.
Zur beispielhaften Umsetzung eines Genauigkeitsmaßes in Fusionsfilter 35, das die beispielsgemäß notwendigen Kriterien erfüllt, werden hier die Fehlerwerte Messrauschen, Nullpunktfehler (Offset) und Steigungsfehler (Skalenfaktorfehler) ausgewählt.
Die Basisoperationen für das beispielsgemäß in Form eines digitalen, zeit- und wertediskreten Systems umgesetzte Fusionsfilter 35 sind hierbei:

• Addition / Subtraktion
• Multiplikation / Division
• Verzögerung um einen Abtastschritt / Speicherung

In der hier beispielhaft gezeigten Anwendung wird weiterhin die Annahme getroffen, dass die physikalischen Größen normalverteilt sind. Dadurch vereinfacht sich die gemeinsame Verwendbarkeit mit dem stochastischen Modell von Fusionsfilter 35. Die Fortpflanzungsrechnung ist bei unkorrelierten physikalischen Größen für lineare Funktionen und Transformationen durch einfache Varianzfortpflanzung darstellbar. Für korrelierte physikalischen Größen ist dagegen ein Varianzfortpflanzungsgesetz mit einer vollbesetzten Varianz-Kovarianz-Matrix anzuwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft für die Korrektur von Nullpunkt- und Skalenfaktorfehler einer Beschleunigungsmessung 31 durch Fusionsfilter 35, deren Drehung 33 in Navigationskoordinaten durch die Drehmatrix 36 und deren Summation in eine Geschwindigkeit 34 bei gleichzeitiger Korrektur 32 des Absolutwertes durch Fusionsfilter 35. Diese Basisgleichungen bilden die Funktionsblöcke zur Beschreibung des Signalpfades. Zur besseren Anschaulichkeit wird in diesem Beispiel angenommen, dass Fehler von Drehmatrix 36 und eines Abtastintervalls, sowie allgemeine Einflüsse und Fehler der Coriolisbeschleunigung und der geschätzten Erdbeschleunigung vernachlässigbar sind. Für eine vollständige Genauigkeitsbeschreibung des Sensorbasissystems sind diese Annahmen für 36 als vom Filter korrigierte physikalische Größe jedoch nicht zulässig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219478 A1 [0003]
DE 102012219475 A1 [0004]
DE 102010063984 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte, wobei die Messwerte mittels mindestens eines Sensorsystems (101, 103, 104, 201, 203, 204) erfasst werden, wobei die Messwerte direkt oder indirekt Werte von physikalischen Größen beschreiben, wobei die Werte von indirekt beschriebenen physikalischen Größen aus den Messwerten und/oder aus bekannten physikalischen und/oder mathematischen Zusammenhängen berechnet werden und wobei die Fehlerwerte der Messwerte des mindestens einen Sensorsystems (101, 103, 104, 201, 203, 204) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerwerte in sich gegenseitig nicht beeinflussenden und zu Reihen geschalteten Funktionsblöcken (31, 32, 33, 34, 35, 36) schrittweise bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsblöcke (31, 32, 33, 34, 35, 36) jeweils eine Fehlerfortpflanzungsrechnung ausführen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerfortpflanzungsrechnung in jedem Funktionsblock (31, 32, 33, 34, 35, 36) individuell durch die jeweiligen Sensorsysteme (101, 103, 104, 201, 203, 204) und/oder individuell durch die jeweiligen physikalischen Größen geprägt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerwerte in den Funktionsblöcken (31, 32, 33, 34, 35, 36) als mathematische Matrizen gehandhabt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerwerte zumindest anteilig den Werten von physikalischen Größen im Fusionsdatensatz zugeordnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass statische Fehlereigenschaften der Sensorsysteme (101, 103, 104, 201, 203, 204) jeweils einen ersten Funktionsblock (31, 32, 33, 34, 35, 36) einer Reihe darstellen, wobei von jedem ersten Funktionsblock (31, 32, 33, 34, 35, 36) mindestens eine Reihe ausgeht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsblöcke die Ausgangsdaten jeweils für weitere Funktionsblöcke (31, 32, 33, 34, 35, 36) und/oder für auf den Sensorsystemen (101, 103, 104, 201, 203, 204) basierende Anwendungen bereitstellen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerwerte ein Messrauschen und/oder einen Nullpunktfehler und/oder einen Skalenfaktorfehler umfassen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reihe von geschalteten Funktionsblöcken (31, 32, 33, 34, 35, 36) aufgabelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte und/oder die Fehlerwerte mittels einer Datenfusion zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte und/oder die Fehlerwerte, die zu einem Fusionsdatensatz fusioniert werden, korrigiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte zumindest Messwerte eines Trägheitssensorsystems (101, 201), Messwerte eines globalen Satellitensensorsystems (104, 204) und/oder Messwerte eines Odometriesensorsystems (103, 202) sind.
System zur echtzeitfähigen Bereitstellung von dynamischen Fehlerwerten dynamischer Messwerte, umfassend mindestens ein Sensorsystem sowie ein Fusionsfilter, wobei das mindestens eine Sensorsystem (101, 103, 104, 201, 203, 204) dazu ausgebildet ist, Messwerte zu erfassen, wobei die Messwerte direkt oder indirekt Werte von physikalischen Größen beschreiben, wobei das Fusionsfilter (105, 205, 35) dazu ausgebildet ist, die Werte von indirekt beschriebenen physikalischen Größen aus den Messwerten und/oder aus bekannten physikalischen und/oder mathematischen Zusammenhängen zu berechnen und wobei das Fusionsfilter (105, 205, 35) dazu ausgebildet ist, die Messwerte mittels einer Datenfusion zu einem Fusionsdatensatz zu fusionieren, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, sich gegenseitig nicht beeinflussende und zu Reihen geschaltete Funktionsblöcke (31, 32, 33, 34, 35, 36) bereitzustellen, wobei die Funktionsblöcke dazu ausgebildet sind, die Fehlerwerte schrittweise zu bestimmen.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
Verwendung des Systems nach mindestens einem der Ansprüche 13 und 14 in einem Kraftfahrzeug.