(10)
DE 10 2020 205 943 B3 2021.05.20
(12)
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2020 205 943.8 (22) Anmeldetag: 12.05.2020
(43) Offenlegungstag: – (45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 20.05.2021
(51) Int Cl.:
G01P 21/00 (2006.01)
G01P 15/18 (2013.01) G01P 13/00 (2006.01) G06F 3/033 (2013.01) G01B 21/22 (2006.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu § 2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung, 70469 Stuttgart, DE
(72) Erfinder:
Dorsch, Rainer, 72138 Kirchentellinsfurt, DE;
Haubelt, Christian, 18198 Kritzmow, DE; Stieber, Sebastian, 18055 Rostock, DE; Gis, Daniel, 18057 Rostock, DE; Büscher, Nils, 18059 Rostock, DE
(56) Ermittelter Stand der Technik:
US 7 158 118 B2
US 8 884 877 B2
WO 2016/ 146 130 A1
(54) Bezeichnung: Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung, Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensor- anordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponen- ten, die Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern, bei dem ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines ab- soluten Bezugssystems erzeugt wird, indem zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems in das absolute Bezugssystem transformiert werden, wodurch eine Verdre- hung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zu- mindest teilweise kompensiert wird. Der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die drit- te linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssys- tems wird bei der Transformation der zumindest zwei Sen- sorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugs- systems zugrunde gelegt.
Beschreibung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehraten- sensoranordnung. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrei- ben der Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektronisches Zeigegerät, wobei ein von der Vor- richtung erzeugtes Ausgangssignal ein Ansteuersignal für ein elektronisches Gerät ist.
Stand der Technik
[0002] Anhand der Ausgangssignale eines Drehratensensors kann die Orientierungsänderung des Drehra- tensensors bestimmt werden. Dadurch kann der Drehratensensor beispielweise zur Winkelmessung herange- zogen werden, indem der Drehratensensor an dem zu untersuchenden Objekt angebracht wird und die Win- kellage bzw. Winkeländerung des Objekts anhand des Ausgangssignals bestimmt wird.
[0003] Eine weitere Anwendung besteht darin, anhand der Ausgangssignale des Drehratensensors ein elek- tronisches Gerät zu steuern, etwa eine Drohne oder ein Display. Der Drehratensensor kann in ein digitales Zeigegerät eingebaut sein. Durch bestimmte Drehbewegungen des Zeigegeräts kann ein Anwender etwa ein Objekt auf dem Display in horizontaler bzw. vertikaler Richtung bewegen.
[0004] Der Drehratensensor misst Nickwinkel, Rollwinkel und Gierwinkel im Sensorbezugssystem. Der An- wender orientiert sich jedoch am ortsfesten absoluten Bezugssystem. Das Sensorbezugssystem stimmt jedoch bereits anfänglich oder zumindest aufgrund der Drehbewegung nicht mit dem absoluten Bezugssystem über- ein. Dadurch kann es zu fehlerbehafteten Winkelangaben oder ungewollten Steuerungseingaben kommen.
[0005] Aus der US 7 158 118 B2 ist eine Korrektur der Abweichung zwischen den beschriebenen Koordina- tensystemen mithilfe der Richtung der Erdbeschleunigung beschrieben. Hierzu ist jedoch eine kontinuierliche Messung der Erdbeschleunigung anhand der Ausgangssignale eines Beschleunigungssensors erforderlich, was energieintensiv ist.
Offenbarung der Erfindung
[0006] Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranord- nung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängi- gen Patentansprüche bereit.
[0007] Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
[0008] Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Verarbeiten der Sen- sorsignale einer Drehratensensoranordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten, die Sensor- signale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern. Hierbei wird ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen ei- nes absoluten Bezugssystems erzeugt. Zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängi- gen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems werden in das absolute Bezugssystem transformiert werden, wodurch eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zumindest teilweise kompensiert wird. Der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems wird bei der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde gelegt.
[0009] Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung, mit einer Drehraten- sensoranordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten, die Sensorsignale gx, gy, gz für drei line- ar unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung für die Sensorsignale gx, gy, gz, die ein Ausgangssignal mit zwei Signalkom- ponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems unter Verwen- dung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt.
[0010] Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemä- ßen Vorrichtung, bei dem die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um mindestens eine der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems in regelmäßigen Zeitabständen und/oder Ereignis-
initiiert und/oder Benutzer-initiiert ermittelt wird und der nachfolgenden Transformation der Sensorsignale gy, gz zugrunde gelegt wird.
Vorteile der Erfindung
[0011] Gemäß dem Verfahren kann die Drehbewegung der Drehratensensoranordnung im absoluten Bezugs- system berechnet werden. Dazu ist die Aktivierung eines Beschleunigungssensors nicht oder nur zu Korrek- turzwecken erforderlich. Ein möglicherweise vorhandener Beschleunigungssensor kann zumindest zeitweise deaktiviert werden, sodass Strom eingespart werden kann. Je nach Anwendungsfall kann auch vollständig auf einen Beschleunigungssensor verzichtet werden.
[0012] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmt als
φ φ= 0∑gx⋅ ∆t
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet, und wobei die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals bestimmt werden als
g g
cos sin sin cos
g g
y z
y z '
'
= ⋅
- ⋅
⋅
φ φ
φ φ
[0013] Hierbei bezeichnet Δt die Dauer eines vorgegebenen Zeitabschnitts.
[0014] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssi- gnals mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet und/oder unter Verwendung von Look-Up-Ta- bellen angenähert.
[0015] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die initiale Verdrehung ϕ0 auf der Basis von Sensor- signalen mindestens eines Beschleunigungssensors und/oder mindestens eines Magnetfeldsensors ermittelt.
Beispielweise kann das Beschleunigungssensorsignal die aktuelle Beschleunigung der Drehratensensoran- ordnung angeben. Über mehrere Messungen kann ein Gleichanteil ermittelt werden, welcher der Erdbeschleu- nigung entspricht. Die Verdrehung (etwa um einen Rollwinkel im absoluten Bezugssystem) lässt sich durch Ro- tieren des Sensorbezugssystems kompensieren. Weiter kann die Verdrehung auch unter Berücksichtigung ei- ner Gewichtung der Beschleunigungssensorsignale und/oder der Magnetfeldsensorsignale bestimmt werden.
[0016] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden der Transformation der zumindest zwei Sensorsi- gnale gy, gz alle drei Sensorsignale gx, gy, gz zugrunde gelegt, indem die Transformation auf der Basis von Quaternionen erfolgt.
[0017] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die drei Sensorsignale gx, gy, gz von Grad pro Sekunde in von der Frequenz abhängige halbe Radianten umgewandelt, gemäß
α β γ
π
=
⋅ ⋅ ∆ g
g g
x t
y z
360
wobei mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als
q q q q q
q q q q
w w x y z
x x w y
t t t t
t t t
= + ⋅ + ⋅ + ⋅
= - ⋅ + ⋅ -
- - - -
- - -
1 1 1 1
1 1 1
α β γ
α β γ ⋅ ⋅
= - ⋅ - ⋅ - ⋅
= - ⋅ + ⋅
-
- - - -
- -
q
q q q q q
q q q
z
y y w x z
z z w
t
t t t t
t t
1
1 1 1 1
1 1
α β γ
α β qqxt-1-γ ⋅qyt-1
[0018] Weiter wird ein Normalisierungsfaktor berechnet als:
factor
qw qx qy qz
=
+ + +
1
2 2 2 2
[0019] Die Quaternionen werden normiert gemäß:
q q factor q q factor q q factor q q factor
w w
x z
y y
z z
t t t t
= ⋅
= ⋅
= ⋅
= ⋅
[0020] Die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals werden berechnet als:
gy' =2⋅
(
qwt⋅g qx⋅ zt +qxt⋅g qx⋅ yt - qwt⋅g qz⋅ xt +qyt ⋅g qz⋅ zt)
+gy⋅
(
- + -)
= ⋅ ⋅ ⋅ +
q q q q
g q g q q
w x y z
z w y x w
t t t t
t t
2 2 2 2
' 2
tt g q t q t g q t q t g q t g
q
x y x x z y y z z
⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
( )
+⋅ ww x y z
t q t q t q t
2 - 2 - 2 + 2
( )
[0021] Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung wird das Ausgangssignal als Steuersignal für eine Mensch- Maschine-Schnittstelle verwendet. Etwa kann ein Mauszeiger auf einer Anzeige anhand des Ausgangssignals gesteuert werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Zeigegerät (englisch: pointing device) sein, oder eine Komponente eines derartigen Zeigegeräts.
[0022] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Kompensation der Verdrehung eine Kompen- sation einer durch eine Rollbewegung der Drehratensensoranordnung im absoluten Bezugssystem erzeugten Verdrehung. Insbesondere können Verdrehungen um eine einzelne Achse im absoluten Bezugssystem kom- pensiert werden, etwa ausschließlich eine Rollbewegung. Eine derartige Verdrehung soll etwa bei Verwendung eines Zeigestifts kompensiert werden. Lediglich die Drehbewegungen um eine Nickachse und eine Gierachse im absoluten Bezugssystem sollen zum Erzeugen eines Ausgangssignals beitragen. Die Erfindung eignet sich dadurch zu einer Verwendung der Drehratensensoranordnung zur Steuerung einer zweidimensionalen Mes- sung oder Bewegung, etwa eines Mauszeigers.
[0023] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens können Verdrehungen um zwei orthogonale Achsen im absoluten Bezugssystem kompensiert werden. Lediglich die Drehbewegung um die verbleibende dritte ortho- gonale Achse soll zum Erzeugen eines Ausgangssignals beitragen. Die Erfindung eignet sich dadurch zu einer Verwendung der Drehratensensoranordnung zur Steuerung einer eindimensionalen Messung oder Bewegung.
[0024] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Ermitteln von Anfangswerten für Drehwinkel der Drehratensensoranordnung in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt. Momentane Drehwinkel der Drehra- tensensoranordnung werden im absoluten Bezugssystem anhand des wiederholt ermittelten Anfangswertes für den Drehwinkel und anhand der erzeugten Sensorsignale berechnet. Durch eine derartige Neukalibrierung kann verhindert werden, dass Fehler in der Kompensation der Verdrehung zu groß werden, welche möglicher- weise im Laufe der Zeit aufgrund von Mess- und Rechenungenauigkeiten entstehen können.
[0025] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die vorgegebenen Zeitabstände periodisch ge- wählt oder in Abhängigkeit von einer Zeitabhängigkeit des berechneten momentanen Drehwinkels gewählt.
Insbesondere können die Zeitabstände umso kleiner gewählt werden, je stärker sich der berechnete momen- tane Drehwinkel verändert, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit von größer werdenden Fehlern in der Kompensation der Verdrehung größer ist.
[0026] Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung mindestens einen wahlweise aktivierbaren Be- schleunigungssensor und/oder mindestens einen wahlweise aktivierbaren Magnetfeldsensor, wobei die Si- gnalverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, auf der Basis der Beschleunigungssensorsignale und/oder der Magnetfeldsensorsignale eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um mindestens eine der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems zu ermitteln.
Figurenliste [0027] Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Verwendung der Drehratensensoranordnung zur Steuerung eines Mauszeigers auf einer Anzeige;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Drehratensensoranordnung zur Erläuterung eines Rollwinkels, Gierwinkels und Nickwinkels;
Fig. 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung der Drehraten- sensoranordnung;
Fig. 5 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität von einer Drehratensensoranordnung und einem Beschleunigungssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität von einer Drehratensensoranordnung und einem Beschleunigungssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Illustration zur Erläuterung eines Orientierungsfehlers nach kombinierten Dre- hungen der Drehratensensoranordnung;
Fig. 8 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung unter Berück- sichtigung einer Drehung um eine einzige Koordinatenachse;
Fig. 9 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung unter Berück- sichtigung einer Drehung um alle drei Koordinatenachsen; und
Fig. 10 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten von Sensorsignalen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
[0028] In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugs- zeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0029] Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 mit einer Drehratensensoranord- nung 2 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 3. Die Drehratensensoranordnung 2 umfasst drei Drehraten- sensorkomponenten 21, 22, 23, welche Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern. Beispielsweise können die Raumrichtungen orthogonalen Richtungen x, y, z entsprechen. Die Sensorsignale können Drehraten umfassen, beispielsweise um eine Rollachse, Gier- achse und/oder Nickachse im Sensorbezugssystem.
[0030] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 für die Sensorsignale gx, gy, gz erzeugt ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, Applikationsprozessoren, Sensorhubs, FPGAs, ASICs oder dergleichen, sowie eine Speichereinrichtung umfassen.
[0031] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 erzeugt das Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems, indem die Signalverarbei- tungseinrichtung 3 zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems in das absolute Bezugssystem transformiert. Dadurch wird eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems kom- pensiert wird. Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 legt bei der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehra- tensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems bei der Trans- formation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde.
[0032] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmen als:
φ φ= 0∑gx⋅ ∆t (1)
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet und Δt ein vorgegebenes Zeitintervall bezeich- net. Die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals werden bestimmt als:
g g
cos sin sin cos
g g
y z
y z '
'
= ⋅
- ⋅
⋅
φ φ
φ φ (2)
[0033] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals auch unter Verwendung von Look-Up-Tabellen annähern.
[0034] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die initiale Verdrehung ϕ0 auf der Basis von Sensorsignalen eines Beschleunigungssensors 4 und/oder eines Magnetfeldsensors 5 ermitteln.
[0035] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz alle drei Sensorsignale gx, gy, gz zugrunde legen, indem die Transformation auf der Basis von Quaternionen erfolgt.
[0036] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann hierzu die drei Sensorsignale gx, gy, gz von Grad pro Se- kunde in von der Frequenz abhängige halbe Radianten umgewandelt werden, gemäß
α β γ
π
=
⋅ ⋅ ∆ g
g g
x t
y z
360 (3)
wobei mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als
q q q q q
q q q q
w w x y z
x x w y
t t t t
t t t
= + ⋅ + ⋅ + ⋅
= - ⋅ + ⋅ -
- - - -
- - -
1 1 1 1
1 1 1
α β γ
α β γ ⋅ ⋅
= - ⋅ - ⋅ - ⋅
= - ⋅ + ⋅
-
- - - -
- -
q
q q q q q
q q q
z
y y w x z
z z w
t
t t t t
t t
1
1 1 1 1
1 1
α β γ
α β qqxt-1-γ ⋅qyt-1 (4)
[0037] Weiter kann die Signalverarbeitungseinrichtung 3 einen Normalisierungsfaktor berechnen als:
factor
qw qx qy qz
=
+ + +
1
2 2 2 2
(5)
[0038] Die Quaternionen werden normalisiert gemäß:
q q factor q q factor q q factor q q factor
w w
x z
y y
z z
t t t t
= ⋅
= ⋅
= ⋅
= ⋅ (6)
[0039] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 berechnet die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals als:
gy' =2⋅
(
qwt⋅g qx⋅ zt +qxt⋅g qx⋅ yt - qwt⋅g qz⋅ xt +qyt ⋅g qz⋅ zt)
+gy⋅
(
- + -)
= ⋅ ⋅ ⋅ +
q q q q
g q g q q
w x y z
z w y x w
t t t t
t t
2 2 2 2
' 2
tt g q t q t g q t q t g q t g
q
x y x x z y y z z
⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
( )
+⋅ ww x y z
t q t q t q t
2 - 2 - 2 + 2
( )
[0040] Das Ausgangssignal kann als Steuersignal für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 6 verwendet wer- den. Insbesondere kann die Mensch-Maschine-Schnittstelle 6 ein externes elektronisches Gerät 6 sein. So kann etwa ein Mauszeiger auf einer Anzeige gesteuert werden.
[0041] Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das elektronische Gerät 6 auch eine Komponente der Vor- richtung 1 sein.
[0042] Optional umfasst die Vorrichtung 1 weiter einen Beschleunigungssensor 4 und/oder Magnetfeldsensor 5, welche Beschleunigungssensorsignale bzw. Magnetfeldsensorsignale ausgeben.
[0043] Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann auf der Basis der Beschleunigungssensorsignale und/oder der Magnetfeldsensorsignale eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung 2 um mindestens eine der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems ermitteln.
[0044] Die Komponenten der Vorrichtung 1 sind vorzugsweise in MEMS-Technologie gefertigt.
[0045] Fig. 2 zeigt schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Verwendung der Drehratensensoran- ordnung 2 zur Steuerung eines Mauszeigers 8 auf einer Anzeige 7. Bei Drehung der Drehratensensoranord- nung 2 um eine Gierachse z der Drehratensensoranordnung 2 wird der Mauszeiger 8 auf der Anzeige 7 in horizontaler Richtung verschoben (Fig. 2 links). Bei einer Drehung der Drehratensensoranordnung 2 um eine Nickachse y der Drehratensensoranordnung wird der Mauszeiger 8 auf der Anzeige 7 in vertikaler Richtung verschoben ( Fig. 2 rechts).
[0046] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Drehratensensoranordnung 2 zur Erläuterung eines Rollwinkels, Gierwinkels und Nickwinkels im Sensorbezugssystem. Hierzu sind drei zueinander orthogonale Koordinatenachsen x, y und z im Sensorbezugssystem eingezeichnet, wobei die erste Koordinatenachse x einer Rollachse entspricht, die zweite Koordinatenachse y einer Nickachse entspricht und die dritte Koordina- tenachse z einer Gierachse entspricht. Bei einem stiftförmigen Zeigegerät kann die erste Koordinatenachse x beispielsweise der Symmetrieachse des Zeigegeräts entsprechen.
[0047] Die Winkelstellung der Drehratensensoranordnung 2 mit Bezug zur ersten Koordinatenachse x wird durch den Rollwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben. Weiter wird die Winkelstellung der Drehratensen- soranordnung 2 mit Bezug zur zweiten Koordinatenachse y durch den Nickwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben. Schließlich wird die Winkelstellung der Drehratensensoranordnung 2 mit Bezug zur dritten Koor- dinatenachse z durch den Gierwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben.
[0048] Das Sensorbezugssystem kann in ein absolutes Bezugssystem transformiert werden. Im absoluten Bezugssystem können wiederum drei orthogonale Achsen x', y', z' definiert werden, wie beispielhaft in Fig. 2 eingezeichnet. Analog können diese als Rollachse x', Nickachse y' und Gierachse z' im absoluten Bezugssys- tem bezeichnet werden, wobei Rollwinkel, Gierwinkel und Nickwinkel im absoluten Bezugssystem relativ zu diesen Achsen gemessen werden. Für die in Fig. 2 auf der linken Seite gezeigte Ausgangsstellung der Dreh- ratensensoranordnung 2 stimmen die Rollachsen, Nickachsen und Gierachsen im Sensorbezugssystem und im absoluten Bezugssystem überein.
[0049] Im in Fig. 2 gezeigten Anwendungsfall soll eine Rollbewegung im absoluten Bezugssystem keinen Einfluss auf die Steuerung des Mauszeigers 8 auf der Anzeige 7 haben. Diese Bewegung soll daher kompen- siert werden.
[0050] Fig. 4 zeigt schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung der Drehratensensoranordnung 2. Wie auf der linken Seite gezeigt, kann die Drehratensensoranordnung 2 um ei- nen Rollwinkel um die Rollachse x' im absoluten Bezugssystem verdreht sein. Die Drehratensensoranordnung 2 befindet sich somit in einer Neigungslage, sodass das Sensorbezugssystem und das absolute Bezugssys- tem relativ zueinander rotiert sind. Bei einer Drehung der Drehratensensoranordnung 2 um die Gierachse z' im absoluten Bezugssystem dreht sich die Drehratensensoranordnung 2 im Sensorbezugssystem sowohl um die Gierachse z als auch um die Nickachse y. Würde zur Berechnung des Ausgangssignals die Verdrehung nicht kompensiert werden, ergäbe sich dadurch eine Bewegung des Mauszeigers, welche von der horizontalen Richtung abweicht, wie links in Fig. 4 gezeigt. Da sich der Nutzer jedoch am absoluten Bezugssystem orientiert, ist dies unerwünscht. Durch Kompensation der Verdrehung kann erreicht werden, dass sich der Mauszeiger lediglich horizontal bewegt, wie auf der rechten Seite in Fig. 4 gezeigt. Die Kompensation soll im Folgenden genauer beschrieben werden.
[0051] Zu Beginn kann die Anfangslage der Drehratensensoranordnung 2 ermittelt werden. Diese kann ent- weder bekannt sein, da sich die Drehratensensoranordnung 2 zu Beginn in einer bekannten Position befindet, oder gemessen werden. Die Messung kann etwa unter Verwendung eines Messsignals des Beschleunigungs- sensors 4 und/oder Magnetfeldsensors 5 erfolgen. Dies soll im Folgenden für ein Beschleunigungssignal des Beschleunigungssensors 4 genauer erläutert werden. Der Beschleunigungssensor 4 ermittelt eine Beschleu- nigung, aus welcher mit Hilfe eines Tiefpassfilters der Erdbeschleunigungsvektor:
α α α
x y z
ermittelt werden kann. Mit Hilfe folgender Formel kann die anfängliche Verdrehung ϕ0 um die Rollachse im absoluten Bezugssystem berechnet werden:
φ α
0 = 1α
tan- y
z .
[0052] Weiter können die von der Drehratensensoranordnung 2 gemessenen Gierdaten gy (d. h. die Drehrate relativ zur Gierachse im Sensorbezugssystem) und Nickdaten gz (d. h. die Drehrate relativ zur Nickachse im Sensorbezugssystem) herangezogen werden, um die Verdrehung ϕ als Funktion der Zeit zu berechnen.
[0053] Da die Sensorsignale der Drehratensensoranordnung 2 beispielsweise für die Steuerung eines Maus- zeigers benötigt werden, können die Rolldaten gx (d. h. die Drehrate relativ zur Rollachse im Sensorbezugs- system) daher ohne Erhöhung des Energieverbrauchs zur Kompensation der Verdrehung der Drehratensen- soranordnung 2, d. h. der Neigungslage, herangezogen werden.
[0054] Durch die Integration der gemessenen Drehrate gx der Rollachse wird die Verdrehung ϕ der Drehra- tensensoranordnung 2 ermittelt und kann mit Hilfe der Formeln (1) und (2) korrigiert werden.
[0055] Die Korrektur der Verdrehung kann mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet werden. Al- ternativ erlaubt die Nutzung einer Look-Up-Tabelle, sowie einer beispielsweise linearen Interpolation zwischen den Tabelleneinträgen eine näherungsweise Berechnung dieser Funktionen und somit eine Berechnung der Winkelkorrektur auch auf besonders ressourcenbeschränkten Recheneinheiten.
[0056] Im Vergleich zur Kompensation der Verdrehung mit Hilfe des Erdbeschleunigungsvektors erfolgt die Korrektur durch die gemessene Drehrate deutlich präziser und nahezu verzögerungsfrei, während durch das Tiefpassfilter der Erdbeschleunigungsberechnung eine verzögerte Kompensation entstehen kann.
[0057] Sofern die Drehratensensoranordnung 2 zum Startzeitpunkt des Steuerungsvorgangs am absoluten Bezugssystem ausgerichtet ist und die Länge des Steuerungsvorgangs zeitlich auf einige Minuten begrenzt ist, kann ϕ0 als 0 angenommen werden, muss also anfänglich nicht gemessen werden. Folglich kann auf eine Korrektur mit Hilfe der Erdbeschleunigung und somit auf den hierzu benötigten Energieverbrauch verzichtet werden.
[0058] Fig. 5 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität einer Drehratensensoranord- nung und eines Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Al zeigt die Aktivität des Beschleunigungssensors 4 an, während A2 die Aktivität der Drehratensensoranordnung 2 anzeigt. An- fänglich, d. h. bis zu einem Zeitpunkt t1 sei lediglich der Beschleunigungssensor 4 aktiviert, etwa zur Erken- nung von Gesten, Aktivitäten oder Schritten. Zum Zeitpunkt t1 wird die Drehratensensoranordnung 2 aktiviert, etwa um eine Zeigerfunktion bereitzustellen. Anhand der Sensorsignale des Beschleunigungssensors 4 wird, wie oben beschrieben, die anfängliche Verdrehung ϕ0 zum Zeitpunkt t1 ermittelt. Der Beschleunigungssensor 4 kann nun deaktiviert werden, um Strom zu sparen. Die momentane Verdrehung ϕ wird hierzu anhand der Sensorsignale der Drehratensensoranordnung 2 berechnet. Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Drehratensensor- anordnung 2 wieder deaktiviert und der Beschleunigungssensor 4 erneut aktiviert.
[0059] Ist eine initiale Ausrichtung am Weltbezugssystem somit nicht gegeben, kann zur Ermittlung von ϕ0 zu Beginn des Steuerungsvorgangs ein zuvor mittels des Beschleunigungssensors 4 ermittelter Erdbeschleuni- gungsvektor genutzt werden, um die Verdrehung zu kompensieren. Während des Steuerungsvorgangs kann der Beschleunigungssensor 4 dennoch ausgeschaltet bleiben, um Strom zu sparen.
[0060] Fig. 6 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität einer Drehratensensoranord- nung 2 und eines Beschleunigungssensors 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierzu wird der Beschleunigungssensor 4 zu vorgegebenen Zeitpunkten aktiviert, um eine erneute Kalibrierung durch- zuführen. Zu diesen Zeitpunkten wird somit die Neigungslage der Drehratensensoranordnung 2 anhand der Sensorsignale des Beschleunigungssensor 4 ermittelt. Der Beschleunigungssensor 4 kann hierzu beispiels- weise periodisch aktiviert werden. Statt den Beschleunigungssensor 4 zu deaktivieren, kann vorgesehen sein, die Messfrequenz des Beschleunigungssensors 4 zu reduzieren.
[0061] Anstelle oder zusätzlich zum Beschleunigungssensor 4 kann auch der Magnetfeldsensor 5 zur Orien- tierungskorrektur verwendet werden, vorzugsweise zur Verdrehungskompensation um die Gierachse.
[0062] Fig. 7 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung eines Orientierungsfehlers nach kombinier- ten Drehungen der Drehratensensoranordnung 2. Illustriert ist eine Verkettung von Drehungen der Drehraten- sensoranordnung 2 um die Nickachse y' und die Gierachse z im absoluten Bezugssystem. Wird zur Kompen- sation der Neigungslage der Drehratensensoranordnung 2 lediglich der Rollwinkel herangezogen, kann es zu einem merklichen Fehler in der Verdrehung kommen.
[0063] Hierzu zeigt Fig. 8 eine schematische Illustration zur Erläuterung der Kompensation einer Verdrehung unter Berücksichtigung einer Drehung um eine einzige Koordinatenachse. U bezeichnet die Abhängigkeit des Drehwinkels um die Gierachse als Funktion der Zeit t, V die Abhängigkeit des Drehwinkels um die Nickachse als Funktion der Zeit t und W die Abhängigkeit des kompensierten Drehwinkels um die Rollachse als Funktion der Zeit t. Die Kompensation dient dazu, dass der Drehwinkel um die Rollachse im Wesentlichen gleich Null bleiben soll. Wird zur Kompensation der Neigungslage nur die Drehung um eine einzige Koordinatenachse berücksichtigt, ist dies für größere Zeiten nicht mehr der Fall.
[0064] Fig. 9 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung unter Berücksichtigung einer Drehung um alle drei Koordinatenachsen. Wie zu erkennen ist, ist der Rollwinkel nun auch für größere Zeiten nahe bei null Grad.
[0065] Fig. 10 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung 2 mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten 21, 22, 23.
[0066] In einem ersten Verfahrensschritt S1 liefern die Drehratensensorkomponenten 21, 22, 23 Sensorsi- gnale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem.
[0067] In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems erzeugt, indem zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems in das absolute Bezugssystem transformiert werden, wodurch eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zumindest teilweise kompensiert wird. Der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems wird bei der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz
zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde gelegt.
Patentansprüche
1. Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung (2) mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten (21, 22, 23), die Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrich- tungen in einem Sensorbezugssystem liefern,
bei dem ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems erzeugt wird,
indem zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensor- bezugssystems in das absolute Bezugssystem transformiert werden, wodurch eine Verdrehung ϕ der Dreh- ratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zumindest teilweise kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehra- tensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems bei der Trans- formation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung ϕ der Drehratensensoran- ordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmt wird als
φ φ= 0∑gx⋅ ∆t
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet, und dass die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals bestimmt werden als
g g
cos sin sin cos
g g
y z
y z '
'
= ⋅
- ⋅
⋅
φ φ
φ φ
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalkomponenten gy', gz' des Aus- gangssignals mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet werden und/oder unter Verwendung von Look-Up-Tabellen angenähert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Verdrehung ϕ0 auf der Basis von Sensorsignalen mindestens eines Beschleunigungssensors (4) und/oder mindestens eines Magnetfeldsensors (5) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz alle drei Sensorsignale gx, gy, gz zugrunde gelegt werden, indem die Transformation auf der Basis von Quaternionen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Sensorsignale gx, gy, gz von Grad pro Sekunde in von der Frequenz abhängige Drehungswinkel in halben Radianten umgewandelt werden, gemäß
α β γ
π
=
⋅ ⋅ ∆ g
g g
x t
y z
360
dass mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als
q q q q q
q q q q
w w x y z
x x w y
t t t t
t t t
= + ⋅ + ⋅ + ⋅
= - ⋅ + ⋅ -
- - - -
- - -
1 1 1 1
1 1 1
α β γ
α β γ ⋅ ⋅
= - ⋅ - ⋅ - ⋅
= - ⋅ + ⋅
-
- - - -
- -
q
q q q q q
q q q
z
y y w x z
z z w
t
t t t t
t t
1
1 1 1 1
1 1
α β γ
α β qqxt-1-γ ⋅qyt-1
dass ein Normalisierungsfaktor berechnet wird als factor
qw qx qy qz
=
+ + +
1
2 2 2 2
dass die Quaternionen normalisiert werden gemäß q q factor
q q factor q q factor q q factor
w w
x z
y y
z z
t t t t
= ⋅
= ⋅
= ⋅
= ⋅
und dass die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals dann berechnet werden als gy' =2⋅
(
qwt⋅g qx⋅ zt +qxt⋅g qx⋅ yt - qwt⋅g qz⋅ xt +qyt ⋅g qz⋅ zt)
+gy⋅
(
- + -)
= ⋅ ⋅ ⋅ +
q q q q
g q g q q
w x y z
z w y x w
t t t t
t t
2 2 2 2
' 2
tt g q t q t g q t q t g q t g
q
x y x x z y y z z
⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
( )
+⋅ ww x y z
t q t q t q t
2 - 2 - 2 + 2
( )
7. Vorrichtung (1), mindestens umfassend:
a. Eine Drehratensensoranordnung (2) mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten (21, 22, 23), die Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern, und b. Eine Signalverarbeitungseinrichtung (3) für die Sensorsignale gx, gy, gz, die ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erzeugt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal als Steuersignal für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (6) verwendet wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, mit mindestens einem wahlweise aktivierbaren Be- schleunigungssensor (4) und/oder mindestens einem wahlweise aktivierbaren Magnetfeldsensor (5), wobei die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, auf der Basis der Beschleunigungssensorsignale und/oder der Magnetfeldsensorsignale eine Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um mindestens eine der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugssystems zu ermitteln.
10. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem die Verdrehung ϕ der Drehra- tensensoranordnung um mindestens eine der drei linear unabhängigen Raumrichtungen des Sensorbezugs- systems in regelmäßigen Zeitabständen und/oder Ereignis-initiiert und/oder Benutzer-initiiert ermittelt wird und der nachfolgenden Transformation der Sensorsignale gy, gz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zugrunde gelegt wird.
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