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DE102020205943B3 - Method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement, device and method for operating the device - Google Patents

Method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement, device and method for operating the device Download PDF

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DE102020205943B3
DE102020205943B3 DE102020205943.8A DE102020205943A DE102020205943B3 DE 102020205943 B3 DE102020205943 B3 DE 102020205943B3 DE 102020205943 A DE102020205943 A DE 102020205943A DE 102020205943 B3 DE102020205943 B3 DE 102020205943B3
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sensor
rotation
reference system
rotation rate
rate sensor
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Rainer Dorsch
Christian Haubelt
Sebastian Stieber
Daniel Gis
Nils Büscher
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten, die Sensorsignale gx, gy, gzfür drei linear unabhängige Raumrichtungen 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, gzfür 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, gzzumindest das dritte Sensorsignal gxfür die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde gelegt.The invention relates to a method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement with at least three rotation rate sensor components which supply sensor signals gx, gy, gz for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system, in which an output signal with two signal components gy ', gz' for two linearly independent spatial directions of one Absolute reference system is generated by at least the sensor signals gy, gz for two of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system are transformed into the absolute reference system, whereby a rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is at least partially compensated. The compensation of the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is based on the transformation of the at least two sensor signals gy, at least the third sensor signal gx for the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektronisches Zeigegerät, wobei ein von der Vorrichtung erzeugtes Ausgangssignal ein Ansteuersignal für ein elektronisches Gerät ist.The present invention relates to a method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement. The invention also relates to a corresponding device and a method for operating the device. In particular, the invention relates to an electronic pointing device, an output signal generated by the device being a control signal for an electronic device.

Stand der TechnikState of the art

Anhand der Ausgangssignale eines Drehratensensors kann die Orientierungsänderung des Drehratensensors bestimmt werden. Dadurch kann der Drehratensensor beispielweise zur Winkelmessung herangezogen werden, indem der Drehratensensor an dem zu untersuchenden Objekt angebracht wird und die Winkellage bzw. Winkeländerung des Objekts anhand des Ausgangssignals bestimmt wird.The change in orientation of the rotation rate sensor can be determined on the basis of the output signals of a rotation rate sensor. As a result, the rotation rate sensor can be used, for example, for angle measurement by attaching the rotation rate sensor to the object to be examined and determining the angular position or angle change of the object on the basis of the output signal.

Eine weitere Anwendung besteht darin, anhand der Ausgangssignale des Drehratensensors ein elektronisches 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.Another application is to use the output signals of the rotation rate sensor to control an electronic device, such as a drone or a display. The rotation rate sensor can be built into a digital pointing device. With certain rotational movements of the pointing device, a user can move an object on the display in a horizontal or vertical direction.

Der Drehratensensor misst Nickwinkel, Rollwinkel und Gierwinkel im Sensorbezugssystem. Der Anwender orientiert sich jedoch am ortsfesten absoluten Bezugssystem. Das Sensorbezugssystem stimmt jedoch bereits anfänglich oder zumindest aufgrund der Drehbewegung nicht mit dem absoluten Bezugssystem überein. Dadurch kann es zu fehlerbehafteten Winkelangaben oder ungewollten Steuerungseingaben kommen.The yaw rate sensor measures the pitch angle, roll angle and yaw angle in the sensor reference system. However, the user orients himself to the fixed absolute reference system. However, the sensor reference system does not match the absolute reference system either initially or at least because of the rotary movement. This can lead to incorrect angle specifications or unwanted control inputs.

Aus der US 7 158 118 B2 ist eine Korrektur der Abweichung zwischen den beschriebenen Koordinatensystemen mithilfe der Richtung der Erdbeschleunigung beschrieben. Hierzu ist jedoch eine kontinuierliche Messung der Erdbeschleunigung anhand der Ausgangssignale eines Beschleunigungssensors erforderlich, was energieintensiv ist.From the US 7 158 118 B2 describes a correction of the deviation between the described coordinate systems using the direction of the acceleration due to gravity. However, this requires continuous measurement of the acceleration due to gravity using the output signals of an acceleration sensor, which is energy-intensive.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.The invention provides a method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement, a device and a method for operating the device with the features of the independent claims.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten, die Sensorsignale 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 eines absoluten Bezugssystems erzeugt. Zumindest die Sensorsignale gy, gz für zwei der drei linear unabhängigen 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.According to a first aspect, the invention thus relates to a method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement with at least three rotation rate sensor components that supply sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system. Here, an output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system is generated. At least the sensor signals g y , g z for two of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system are transformed into the absolute reference system, whereby a rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is at least partially compensated for. The compensation of the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is based on at least the third sensor signal g x for the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system when transforming the at least two sensor signals g y , g z.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung, mit einer Drehratensensoranordnung mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten, die Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem liefern. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung für die Sensorsignale gx, gy, gz, die ein Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt.According to a second aspect, the invention accordingly relates to a device with a rotation rate sensor arrangement with at least three rotation rate sensor components which supply sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system. The device further comprises a signal processing device for the sensor signals g x , g y , g z , which generates an output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system using the method according to the invention.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen 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.According to a third aspect, the invention relates to a method for operating a device according to the invention, in which the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement about at least one of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system at regular time intervals and / or event initiated and / or user-initiated is determined and the subsequent transformation of the sensor signals g y , g z is based.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Gemäß dem Verfahren kann die Drehbewegung der Drehratensensoranordnung im absoluten Bezugssystem berechnet werden. Dazu ist die Aktivierung eines Beschleunigungssensors nicht oder nur zu Korrekturzwecken 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.According to the method, the rotational movement of the yaw rate sensor arrangement can be calculated in the absolute reference system. For this purpose, the activation of an acceleration sensor is not necessary or only necessary for correction purposes. An acceleration sensor that may be present can be deactivated at least temporarily so that electricity can be saved. Depending on the application, an acceleration sensor can also be completely dispensed with.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmt als ϕ = ϕ 0 g x Δ t

Figure DE102020205943B3_0001
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet, und wobei die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals bestimmt werden als [ g y ' g z ' ] = [ c o s ϕ s i n ϕ s i n ϕ c o s ϕ ] [ g y g z ]
Figure DE102020205943B3_0002
According to a development of the method, the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement is determined on the basis of the third sensor signal g x as ϕ = ϕ 0 G x Δ t
Figure DE102020205943B3_0001
where ϕ 0 denotes an initial rotation to be determined, and where the signal components g y ', g z ' of the output signal are determined as [ G y ' G z ' ] = [ c O s ϕ s i n ϕ - s i n ϕ c O s ϕ ] [ G y G z ]
Figure DE102020205943B3_0002

Hierbei bezeichnet Δt die Dauer eines vorgegebenen Zeitabschnitts.Here, Δt denotes the duration of a predetermined time segment.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet und/oder unter Verwendung von Look-Up-Tabellen angenähert.According to a development of the method, the signal components g y ', g z ' of the output signal are calculated with the aid of sine and cosine functions and / or approximated using look-up tables.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die initiale Verdrehung ϕ0 auf der Basis von Sensorsignalen mindestens eines Beschleunigungssensors und/oder mindestens eines Magnetfeldsensors ermittelt. Beispielweise kann das Beschleunigungssensorsignal die aktuelle Beschleunigung der Drehratensensoranordnung angeben. Über mehrere Messungen kann ein Gleichanteil ermittelt werden, welcher der Erdbeschleunigung entspricht. Die Verdrehung (etwa um einen Rollwinkel im absoluten Bezugssystem) lässt sich durch Rotieren des Sensorbezugssystems kompensieren. Weiter kann die Verdrehung auch unter Berücksichtigung einer Gewichtung der Beschleunigungssensorsignale und/oder der Magnetfeldsensorsignale bestimmt werden.According to a development of the method, the initial rotation ϕ 0 is determined on the basis of sensor signals of at least one acceleration sensor and / or at least one magnetic field sensor. For example, the acceleration sensor signal can indicate the current acceleration of the rotation rate sensor arrangement. A constant component, which corresponds to the acceleration due to gravity, can be determined over several measurements. The rotation (about a roll angle in the absolute reference system) can be compensated for by rotating the sensor reference system. Furthermore, the rotation can also be determined taking into account a weighting of the acceleration sensor signals and / or the magnetic field sensor signals.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz alle drei Sensorsignale gx, gy, gz zugrunde gelegt, indem die Transformation auf der Basis von Quaternionen erfolgt.According to a development of the method, the transformation of the at least two sensor signals g y , g z is based on all three sensor signals g x , g y , g z , in that the transformation takes place on the basis of quaternions.

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 ) = ( g x g y g z ) π 360 Δ t

Figure DE102020205943B3_0003
wobei mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als q w ¯ = q w t 1 + α q x t 1 + β q y t 1 + γ q z t 1 q x ¯ = q x t 1 α q w t 1 + β q y t 1 γ q z t 1 q y ¯ = q y t 1 α q w t 1 β q x t 1 γ q z t 1 q z ¯ = q z t 1 α q w t 1 + β q x t 1 γ q y t 1
Figure DE102020205943B3_0004
According to a further development of the method, the three sensor signals g x , g y , g z are converted from degrees per second into frequency-dependent half radians, according to FIG ( α β γ ) = ( G x G y G z ) π 360 Δ t
Figure DE102020205943B3_0003
using the half radians thus calculated, the update of the quaternions is calculated as q w ¯ = q w t - 1 + α q x t - 1 + β q y t - 1 + γ q z t - 1 q x ¯ = q x t - 1 - α q w t - 1 + β q y t - 1 - γ q z t - 1 q y ¯ = q y t - 1 - α q w t - 1 - β q x t - 1 - γ q z t - 1 q z ¯ = q z t - 1 - α q w t - 1 + β q x t - 1 - γ q y t - 1
Figure DE102020205943B3_0004

Weiter wird ein Normalisierungsfaktor berechnet als: f a c t o r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2

Figure DE102020205943B3_0005
A normalization factor is also calculated as: f a c t O r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2
Figure DE102020205943B3_0005

Die Quaternionen werden normiert gemäß: q w t = q w ¯ f a c t o r q x t = q z ¯ f a c t o r q y t = q y ¯ f a c t o r q z t = q z ¯ f a c t o r

Figure DE102020205943B3_0006
The quaternions are normalized according to: q w t = q w ¯ f a c t O r q x t = q z ¯ f a c t O r q y t = q y ¯ f a c t O r q z t = q z ¯ f a c t O r
Figure DE102020205943B3_0006

Die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals werden berechnet als: g y ' = 2 ( q w t g x q z t + q x t g x q y t q w t g z q x t + q y t g z q z t ) + g y                      ( q w t 2 q x t 2 + q y t 2 q z t 2 ) g z ' = 2 ( q w t g y q x t + q w t g x q y t + q x t g x q z t + q y t g y q z t ) + g z                      ( q w t 2 q x t 2 q y t 2 + q z t 2 )

Figure DE102020205943B3_0007
The signal components g y ', g z ' of the output signal are calculated as: G y ' = 2 ( q w t G x q z t + q x t G x q y t - q w t G z q x t + q y t G z q z t ) + G y ( q w t 2 - q x t 2 + q y t 2 - q z t 2 ) G z ' = 2 ( q w t G y q x t + q w t G x q y t + q x t G x q z t + q y t G y q z t ) + G z ( q w t 2 - q x t 2 - q y t 2 + q z t 2 )
Figure DE102020205943B3_0007

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.According to a development of the device, the output signal is used as a control signal for a man-machine interface. For example, a mouse pointer on a display can be controlled using the output signal. The device can be, for example, a pointing device, or a component of such a pointing device.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Kompensation der Verdrehung eine Kompensation einer durch eine Rollbewegung der Drehratensensoranordnung im absoluten Bezugssystem erzeugten Verdrehung. Insbesondere können Verdrehungen um eine einzelne Achse im absoluten Bezugssystem kompensiert 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 Messung oder Bewegung, etwa eines Mauszeigers.According to a further development of the method, the compensation for the rotation includes a compensation for a rotation generated by a rolling movement of the rotation rate sensor arrangement in the absolute reference system. In particular, rotations around a single axis in the absolute reference system can be compensated, for example only a rolling movement. Such a twist should be compensated for when using a pointing pen, for example. Only the rotary movements around a pitch axis and a yaw axis in the absolute reference system should contribute to the generation of an output signal. The invention is therefore suitable for using the rotation rate sensor arrangement for controlling a two-dimensional measurement or movement, for example a mouse pointer.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens können Verdrehungen um zwei orthogonale Achsen im absoluten Bezugssystem kompensiert werden. Lediglich die Drehbewegung um die verbleibende dritte orthogonale Achse soll zum Erzeugen eines Ausgangssignals beitragen. Die Erfindung eignet sich dadurch zu einer Verwendung der Drehratensensoranordnung zur Steuerung einer eindimensionalen Messung oder Bewegung.According to a further development of the method, rotations about two orthogonal axes can be compensated for in the absolute reference system. Only the rotary movement around the remaining third orthogonal axis should contribute to the generation of an output signal. The invention is therefore suitable for using the rotation rate sensor arrangement for controlling a one-dimensional measurement or movement.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Ermitteln von Anfangswerten für Drehwinkel der Drehratensensoranordnung in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt. Momentane Drehwinkel der Drehratensensoranordnung 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 möglicherweise im Laufe der Zeit aufgrund von Mess- und Rechenungenauigkeiten entstehen können.According to a development of the method, the determination of initial values for angles of rotation of the rotation rate sensor arrangement is repeated at predetermined time intervals. Instantaneous angles of rotation of the rotation rate sensor arrangement are calculated in the absolute reference system on the basis of the repeatedly determined initial value for the angle of rotation and on the basis of the sensor signals generated. Such a recalibration can prevent errors in the compensation of the rotation from becoming too large, which errors may arise over time due to measurement and calculation inaccuracies.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die vorgegebenen Zeitabstände periodisch gewählt oder in Abhängigkeit von einer Zeitabhängigkeit des berechneten momentanen Drehwinkels gewählt. Insbesondere können die Zeitabstände umso kleiner gewählt werden, je stärker sich der berechnete momentane Drehwinkel verändert, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit von größer werdenden Fehlern in der Kompensation der Verdrehung größer ist.According to a development of the method, the predefined time intervals are selected periodically or are selected as a function of a time dependency of the calculated instantaneous angle of rotation. In particular, the time intervals can be selected to be smaller, the more the calculated instantaneous angle of rotation changes, since in this case the probability of increasing errors in the compensation of the rotation is greater.

Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung mindestens einen wahlweise aktivierbaren Beschleunigungssensor und/oder mindestens einen wahlweise aktivierbaren Magnetfeldsensor, 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.According to a further development, the device comprises at least one optionally activatable acceleration sensor and / or at least one optionally activatable magnetic field sensor, the signal processing device being designed to rotate eine the rotation rate sensor arrangement about at least one of the three linearly independent spatial directions on the basis of the acceleration sensor signals and / or the magnetic field sensor signals to determine the sensor reference system.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Verwendung der Drehratensensoranordnung zur Steuerung eines Mauszeigers auf einer Anzeige;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Drehratensensoranordnung zur Erläuterung eines Rollwinkels, Gierwinkels und Nickwinkels;
  • 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung der Drehratensensoranordnung;
  • 5 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität von einer Drehratensensoranordnung und einem Beschleunigungssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität von einer Drehratensensoranordnung und einem Beschleunigungssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 7 eine schematische Illustration zur Erläuterung eines Orientierungsfehlers nach kombinierten Drehungen der Drehratensensoranordnung;
  • 8 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung unter Berücksichtigung einer Drehung um eine einzige Koordinatenachse;
  • 9 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung unter Berücksichtigung einer Drehung um alle drei Koordinatenachsen; und
  • 10 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten von Sensorsignalen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Show it:
  • 1 a schematic block diagram of an apparatus according to an embodiment of the invention;
  • 2 schematic representations to explain a use of the rotation rate sensor arrangement for controlling a mouse pointer on a display;
  • 3 a schematic representation of a rotation rate sensor arrangement for explaining a roll angle, yaw angle and pitch angle;
  • 4th schematic representations to explain a compensation for a rotation of the rotation rate sensor arrangement;
  • 5 a schematic illustration to explain an activity of a rotation rate sensor arrangement and an acceleration sensor according to an embodiment of the invention;
  • 6th a schematic illustration to explain an activity of a rotation rate sensor arrangement and an acceleration sensor according to a further embodiment of the invention;
  • 7th a schematic illustration to explain an orientation error after combined rotations of the rotation rate sensor arrangement;
  • 8th a schematic illustration to explain a compensation of a twist taking into account a rotation about a single coordinate axis;
  • 9 a schematic illustration to explain a compensation of a twist taking into account a rotation about all three coordinate axes; and
  • 10 a schematic flow diagram of a method for processing sensor signals according to an embodiment of the invention.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference symbols in all figures.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 mit einer Drehratensensoranordnung 2 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 3. Die Drehratensensoranordnung 2 umfasst drei Drehratensensorkomponenten 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, Gierachse und/oder Nickachse im Sensorbezugssystem. 1 shows a schematic block diagram of an apparatus 1 with a rotation rate sensor arrangement 2 and a signal processing device 3 . The rotation rate sensor arrangement 2 includes three rotation rate sensor components 21 , 22nd , 23 , which provide sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system. For example, the spatial directions can be orthogonal directions x , y , z correspond. The sensor signals can include rotation rates, for example about a roll axis, yaw axis and / or pitch axis in the sensor reference system.

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.The signal processing device 3 for the sensor signals g x , g y , g z generates an output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system. The signal processing device 3 can include one or more microprocessors, application processors, sensor hubs, FPGAs, ASICs or the like, as well as a memory device.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 erzeugt das Ausgangssignal mit zwei Signalkomponenten gy', gz' für zwei linear unabhängige Raumrichtungen eines absoluten Bezugssystems, indem die Signalverarbeitungseinrichtung 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 kompensiert wird. Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 legt bei der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems bei der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde.The signal processing device 3 generates the output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system by the signal processing device 3 at least the sensor signals g y , g z for two of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system are transformed into the absolute reference system. As a result, a rotation ϕ of the yaw rate sensor arrangement about the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is compensated. The signal processing device 3 uses at least the third sensor signal g x for the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system as a basis for the compensation of the rotation Dre of the rotation rate sensor arrangement about the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system when transforming the at least two sensor signals g y , g z.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmen als: ϕ = ϕ 0 g x Δ t

Figure DE102020205943B3_0008
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet und Δt ein vorgegebenes Zeitintervall bezeichnet. Die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals werden bestimmt als: [ g y ' g z ' ] = [ c o s ϕ s i n ϕ s i n ϕ c o s ϕ ] [ g y g z ]
Figure DE102020205943B3_0009
The signal processing device 3 can determine the rotation ϕ of the yaw rate sensor arrangement on the basis of the third sensor signal g x as: ϕ = ϕ 0 G x Δ t
Figure DE102020205943B3_0008
where ϕ 0 denotes an initial rotation to be determined and Δt denotes a predetermined time interval. The signal components g y ', g z ' of the output signal are determined as: [ G y ' G z ' ] = [ c O s ϕ s i n ϕ - s i n ϕ c O s ϕ ] [ G y G z ]
Figure DE102020205943B3_0009

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals auch unter Verwendung von Look-Up-Tabellen annähern.The signal processing device 3 the signal components g y ', g z ' of the output signal can also approximate using look-up tables.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann die initiale Verdrehung ϕ0 auf der Basis von Sensorsignalen eines Beschleunigungssensors 4 und/oder eines Magnetfeldsensors 5 ermitteln.The signal processing device 3 the initial rotation ϕ 0 on the basis of sensor signals from an acceleration sensor 4th and / or a magnetic field sensor 5 determine.

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.The signal processing device 3 The transformation of the at least two sensor signals g y , g z can be based on all three sensor signals g x , g y , g z , in that the transformation takes place on the basis of quaternions.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 kann hierzu die drei Sensorsignale gx, gy, gz von Grad pro Sekunde in von der Frequenz abhängige halbe Radianten umgewandelt werden, gemäß ( α β γ ) = ( g x g y g z ) π 360 Δ t

Figure DE102020205943B3_0010
wobei mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als q w ¯ = q w t 1 + α q x t 1 + β q y t 1 + γ q z t 1 q x ¯ = q x t 1 α q w t 1 + β q y t 1 γ q z t 1 q y ¯ = q y t 1 α q w t 1 β q x t 1 γ q z t 1 q z ¯ = q z t 1 α q w t 1 + β q x t 1 γ q y t 1
Figure DE102020205943B3_0011
The signal processing device 3 For this purpose, the three sensor signals g x , g y , g z can be converted from degrees per second into frequency-dependent half radians, according to ( α β γ ) = ( G x G y G z ) π 360 Δ t
Figure DE102020205943B3_0010
using the half radians thus calculated, the update of the quaternions is calculated as q w ¯ = q w t - 1 + α q x t - 1 + β q y t - 1 + γ q z t - 1 q x ¯ = q x t - 1 - α q w t - 1 + β q y t - 1 - γ q z t - 1 q y ¯ = q y t - 1 - α q w t - 1 - β q x t - 1 - γ q z t - 1 q z ¯ = q z t - 1 - α q w t - 1 + β q x t - 1 - γ q y t - 1
Figure DE102020205943B3_0011

Weiter kann die Signalverarbeitungseinrichtung 3 einen Normalisierungsfaktor berechnen als: f a c t o r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2

Figure DE102020205943B3_0012
The signal processing device can also 3 calculate a normalization factor as: f a c t O r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2
Figure DE102020205943B3_0012

Die Quaternionen werden normalisiert gemäß:

Figure DE102020205943B3_0013
q w t = q w ¯ f a c t o r q x t = q z ¯ f a c t o r q y t = q y ¯ f a c t o r q z t = q z ¯ f a c t o r
Figure DE102020205943B3_0014
The quaternions are normalized according to:
Figure DE102020205943B3_0013
q w t = q w ¯ f a c t O r q x t = q z ¯ f a c t O r q y t = q y ¯ f a c t O r q z t = q z ¯ f a c t O r
Figure DE102020205943B3_0014

Die Signalverarbeitungseinrichtung 3 berechnet die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals als: g y ' = 2 ( q w t g x q z t + q x t g x q y t q w t g z q x t + q y t g z q z t ) + g y                      ( q w t 2 q x t 2 + q y t 2 q z t 2 ) g z ' = 2 ( q w t g y q x t + q w t g x q y t + q x t g x q z t + q y t g y q z t ) + g z                      ( q w t 2 q x t 2 q y t 2 + q z t 2 )

Figure DE102020205943B3_0015
The signal processing device 3 calculates the signal components g y ', g z ' of the output signal as: G y ' = 2 ( q w t G x q z t + q x t G x q y t - q w t G z q x t + q y t G z q z t ) + G y ( q w t 2 - q x t 2 + q y t 2 - q z t 2 ) G z ' = 2 ( q w t G y q x t + q w t G x q y t + q x t G x q z t + q y t G y q z t ) + G z ( q w t 2 - q x t 2 - q y t 2 + q z t 2 )
Figure DE102020205943B3_0015

Das Ausgangssignal kann als Steuersignal für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 6 verwendet werden. Insbesondere kann die Mensch-Maschine-Schnittstelle 6 ein externes elektronisches Gerät 6 sein. So kann etwa ein Mauszeiger auf einer Anzeige gesteuert werden.The output signal can be used as a control signal for a man-machine interface 6th be used. In particular, the human-machine interface 6th an external electronic device 6th be. For example, a mouse pointer can be controlled on a display.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das elektronische Gerät 6 auch eine Komponente der Vorrichtung 1 sein.According to further embodiments, the electronic device 6th also a component of the device 1 be.

Optional umfasst die Vorrichtung 1 weiter einen Beschleunigungssensor 4 und/oder Magnetfeldsensor 5, welche Beschleunigungssensorsignale bzw. Magnetfeldsensorsignale ausgeben.Optionally, the device includes 1 further an acceleration sensor 4th and / or magnetic field sensor 5 which output acceleration sensor signals or magnetic field sensor signals.

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.The signal processing device 3 can, on the basis of the acceleration sensor signals and / or the magnetic field sensor signals, a rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement 2 to determine at least one of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system.

Die Komponenten der Vorrichtung 1 sind vorzugsweise in MEMS-Technologie gefertigt. The components of the device 1 are preferably manufactured using MEMS technology.

2 zeigt schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Verwendung der Drehratensensoranordnung 2 zur Steuerung eines Mauszeigers 8 auf einer Anzeige 7. Bei Drehung der Drehratensensoranordnung 2 um eine Gierachse z der Drehratensensoranordnung 2 wird der Mauszeiger 8 auf der Anzeige 7 in horizontaler Richtung verschoben (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 ( 2 rechts). 2 shows schematic representations to explain a use of the rotation rate sensor arrangement 2 to control a mouse pointer 8th on an advertisement 7th . When the rotation rate sensor arrangement is rotated 2 around a yaw axis z the rotation rate sensor arrangement 2 becomes the mouse pointer 8th on the display 7th shifted in the horizontal direction ( 2 Left). When the rotation rate sensor arrangement is rotated 2 around a pitch axis y the yaw rate sensor arrangement becomes the mouse pointer 8th on the display 7th shifted in the vertical direction ( 2 right).

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 Koordinatenachse z einer Gierachse entspricht. Bei einem stiftförmigen Zeigegerät kann die erste Koordinatenachse x beispielsweise der Symmetrieachse des Zeigegeräts entsprechen. 3 shows a schematic representation of the rotation rate sensor arrangement 2 to explain a roll angle, yaw angle and pitch angle in the sensor reference system. For this purpose there are three mutually orthogonal coordinate axes x , y and z drawn in the sensor reference system, with the first coordinate axis x corresponds to a roll axis, the second coordinate axis y corresponds to a pitch axis and the third coordinate axis z corresponds to a yaw axis. In the case of a pen-shaped pointing device, the first coordinate axis x for example, correspond to the axis of symmetry of the pointing device.

Die Winkelstellung der Drehratensensoranordnung 2 mit Bezug zur ersten Koordinatenachse x wird durch den Rollwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben. Weiter wird die Winkelstellung der Drehratensensoranordnung 2 mit Bezug zur zweiten Koordinatenachse y durch den Nickwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben. Schließlich wird die Winkelstellung der Drehratensensoranordnung 2 mit Bezug zur dritten Koordinatenachse z durch den Gierwinkel im Sensorbezugssystem beschrieben.The angular position of the yaw rate sensor arrangement 2 with reference to the first coordinate axis x is described by the roll angle in the sensor reference system. The angular position of the yaw rate sensor arrangement is also shown 2 with reference to the second coordinate axis y described by the pitch angle in the sensor reference system. Finally, the angular position of the yaw rate sensor arrangement 2 with reference to the third coordinate axis z described by the yaw angle in the sensor reference system.

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 2 eingezeichnet. Analog können diese als Rollachse x', Nickachse y' und Gierachse z' im absoluten Bezugssystem bezeichnet werden, wobei Rollwinkel, Gierwinkel und Nickwinkel im absoluten Bezugssystem relativ zu diesen Achsen gemessen werden. Für die in 2 auf der linken Seite gezeigte Ausgangsstellung der Drehratensensoranordnung 2 stimmen die Rollachsen, Nickachsen und Gierachsen im Sensorbezugssystem und im absoluten Bezugssystem überein.The sensor reference system can be transformed into an absolute reference system. In the absolute reference system, in turn, three orthogonal axes x ', y', z 'can be defined, as exemplified in 2 drawn. Analogously, these can be referred to as roll axis x ', pitch axis y' and yaw axis z 'in the absolute reference system, with roll angle, yaw angle and pitch angle being measured in the absolute reference system relative to these axes. For the in 2 Starting position of the yaw rate sensor arrangement shown on the left 2 do the roll axes, pitch axes and yaw axes in the sensor reference system and in the absolute reference system match.

Im in 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 kompensiert werden.In the in 2 A rolling movement in the absolute reference system should not affect the control of the mouse pointer 8th on the display 7th to have. This movement should therefore be compensated.

4 zeigt schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Kompensation einer Verdrehung der Drehratensensoranordnung 2. Wie auf der linken Seite gezeigt, kann die Drehratensensoranordnung 2 um einen 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 Bezugssystem 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 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 4 gezeigt. Die Kompensation soll im Folgenden genauer beschrieben werden. 4th shows schematic representations to explain a compensation for a rotation of the rotation rate sensor arrangement 2 . As shown on the left, the rotation rate sensor arrangement 2 be rotated by a roll angle around the roll axis x 'in the absolute reference system. The rotation rate sensor arrangement 2 is thus in an inclined position so that the sensor reference system and the absolute reference system are rotated relative to one another. When the rotation rate sensor arrangement is rotated 2 The rotation rate sensor arrangement rotates around the yaw axis z 'in the absolute reference system 2 in the sensor reference system both around the yaw axis z as well as about the pitch axis y . If the rotation were not compensated for to calculate the output signal, this would result in a movement of the mouse pointer that deviates from the horizontal direction, as shown on the left in 4th shown. However, since the user orients himself to the absolute reference system, this is undesirable. By compensating for the rotation, the mouse pointer can only move horizontally, as on the right in 4th shown. The compensation will be described in more detail below.

Zu Beginn kann die Anfangslage der Drehratensensoranordnung 2 ermittelt werden. Diese kann entweder 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 Beschleunigungssensors 4 und/oder Magnetfeldsensors 5 erfolgen. Dies soll im Folgenden für ein Beschleunigungssignal des Beschleunigungssensors 4 genauer erläutert werden. Der Beschleunigungssensor 4 ermittelt eine Beschleunigung, aus welcher mit Hilfe eines Tiefpassfilters der Erdbeschleunigungsvektor: ( α x α y α z )

Figure DE102020205943B3_0016
ermittelt werden kann. Mit Hilfe folgender Formel kann die anfängliche Verdrehung ϕ0 um die Rollachse im absoluten Bezugssystem berechnet werden: ϕ 0 = t a n 1 ( α y α z ) .
Figure DE102020205943B3_0017
At the beginning, the starting position of the yaw rate sensor arrangement 2 be determined. This can either be known because the rotation rate sensor arrangement 2 is in a known position at the beginning, or can be measured. The measurement can be carried out using a measurement signal from the acceleration sensor 4th and / or magnetic field sensor 5 respectively. This is intended below for an acceleration signal from the acceleration sensor 4th will be explained in more detail. The accelerometer 4th determines an acceleration from which, with the help of a low-pass filter, the gravitational acceleration vector: ( α x α y α z )
Figure DE102020205943B3_0016
can be determined. The following formula can be used to calculate the initial rotation ϕ 0 around the roll axis in the absolute reference system: ϕ 0 = t a n - 1 ( α y α z ) .
Figure DE102020205943B3_0017

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.Furthermore, from the yaw rate sensor arrangement 2 measured yaw data g y (ie the rate of rotation relative to the yaw axis in the sensor reference system) and pitch data g z (ie the rate of rotation relative to the pitch axis in the sensor reference system) are used to calculate the rotation ϕ as a function of time.

Da die Sensorsignale der Drehratensensoranordnung 2 beispielsweise für die Steuerung eines Mauszeigers benötigt werden, können die Rolldaten gx (d. h. die Drehrate relativ zur Rollachse im Sensorbezugssystem) daher ohne Erhöhung des Energieverbrauchs zur Kompensation der Verdrehung der Drehratensensoranordnung 2, d. h. der Neigungslage, herangezogen werden.Since the sensor signals of the yaw rate sensor arrangement 2 for example for controlling a mouse pointer, the roll data g x (ie the rate of rotation relative to the roll axis in the sensor reference system) can therefore be used to compensate for the rotation of the rotation rate sensor arrangement without increasing the energy consumption 2 , ie the inclination, can be used.

Durch die Integration der gemessenen Drehrate gx der Rollachse wird die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung 2 ermittelt und kann mit Hilfe der Formeln (1) und (2) korrigiert werden.By integrating the measured rate of rotation g x of the roll axis, the rotation ϕ of the rate of rotation sensor arrangement becomes 2 determined and can be corrected using formulas (1) and (2).

Die Korrektur der Verdrehung kann mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet werden. Alternativ 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.The correction of the twist can be calculated with the help of sine and cosine functions. Alternatively, the use of a look-up table and, for example, linear interpolation between the table entries allows these functions to be calculated approximately and thus the angle correction to be calculated even on computing units with particularly limited resources.

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.Compared to the compensation of the twist with the help of the gravitational acceleration vector, the correction by the measured rate of rotation is much more precise and almost without delay, while the low-pass filter of the gravitational acceleration calculation can result in a delayed compensation.

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.If the rotation rate sensor arrangement 2 is aligned with the absolute reference system at the start of the control process and the length of the control process is limited to a few minutes, ϕ 0 can be assumed to be 0, so it does not have to be measured initially. As a result, a correction with the aid of the acceleration due to gravity and thus the energy consumption required for this can be dispensed with.

5 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität einer Drehratensensoranordnung und eines Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Al zeigt die Aktivität des Beschleunigungssensors 4 an, während A2 die Aktivität der Drehratensensoranordnung 2 anzeigt. Anfänglich, d. h. bis zu einem Zeitpunkt t1 sei lediglich der Beschleunigungssensor 4 aktiviert, etwa zur Erkennung 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 Drehratensensoranordnung 2 wieder deaktiviert und der Beschleunigungssensor 4 erneut aktiviert. 5 shows a schematic illustration to explain an activity of a rotation rate sensor arrangement and an acceleration sensor according to an embodiment of the invention. Al shows the activity of the accelerometer 4th on while A2 the activity of the yaw rate sensor arrangement 2 indicates. Initially, that is, up to a point in time t1 is just the acceleration sensor 4th activated, for example to recognize gestures, activities or steps. At the time t1 becomes the rotation rate sensor arrangement 2 activated, for example to provide a pointer function. Using the sensor signals from the acceleration sensor 4th becomes, as described above, the initial rotation ϕ 0 at the point in time t1 determined. The accelerometer 4th can now be deactivated to save power. The momentary rotation ϕ is for this purpose based on the sensor signals of the rotation rate sensor arrangement 2 calculated. At a time t2 becomes the rotation rate sensor arrangement 2 deactivated again and the accelerometer 4th activated again.

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 Erdbeschleunigungsvektor genutzt werden, um die Verdrehung zu kompensieren. Während des Steuerungsvorgangs kann der Beschleunigungssensor 4 dennoch ausgeschaltet bleiben, um Strom zu sparen.If there is therefore no initial alignment with the world reference system, a prior use of the acceleration sensor can be used to determine ϕ 0 at the start of the control process 4th determined gravitational acceleration vector can be used to compensate for the rotation. During the control process, the accelerometer 4th remain switched off to save power.

6 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung einer Aktivität einer Drehratensensoranordnung 2 und eines Beschleunigungssensors 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierzu wird der Beschleunigungssensor 4 zu vorgegebenen Zeitpunkten aktiviert, um eine erneute Kalibrierung durchzuführen. Zu diesen Zeitpunkten wird somit die Neigungslage der Drehratensensoranordnung 2 anhand der Sensorsignale des Beschleunigungssensor 4 ermittelt. Der Beschleunigungssensor 4 kann hierzu beispielsweise periodisch aktiviert werden. Statt den Beschleunigungssensor 4 zu deaktivieren, kann vorgesehen sein, die Messfrequenz des Beschleunigungssensors 4 zu reduzieren. 6th shows a schematic illustration to explain an activity of a rotation rate sensor arrangement 2 and an accelerometer 4th according to a further embodiment of the invention. The acceleration sensor is used for this 4th activated at specified times in order to carry out a new calibration. The inclination of the yaw rate sensor arrangement is thus at these points in time 2 based on the sensor signals of the acceleration sensor 4th determined. The accelerometer 4th can be activated periodically for this purpose, for example. Instead of the accelerometer 4th to deactivate, provision can be made for the measurement frequency of the acceleration sensor 4th to reduce.

Anstelle oder zusätzlich zum Beschleunigungssensor 4 kann auch der Magnetfeldsensor 5 zur Orientierungskorrektur verwendet werden, vorzugsweise zur Verdrehungskompensation um die Gierachse.Instead of or in addition to the accelerometer 4th can also use the magnetic field sensor 5 can be used for orientation correction, preferably for twist compensation around the yaw axis.

7 zeigt eine schematische Illustration zur Erläuterung eines Orientierungsfehlers nach kombinierten Drehungen der Drehratensensoranordnung 2. Illustriert ist eine Verkettung von Drehungen der Drehratensensoranordnung 2 um die Nickachse y' und die Gierachse z im absoluten Bezugssystem. Wird zur Kompensation der Neigungslage der Drehratensensoranordnung 2 lediglich der Rollwinkel herangezogen, kann es zu einem merklichen Fehler in der Verdrehung kommen. 7th shows a schematic illustration to explain an orientation error after combined rotations of the rotation rate sensor arrangement 2 . A concatenation of rotations of the rotation rate sensor arrangement is illustrated 2 about the pitch axis y 'and the yaw axis z in the absolute frame of reference. Used to compensate for the inclination of the yaw rate sensor arrangement 2 If only the roll angle is used, a noticeable error in the rotation can occur.

Hierzu zeigt 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.This shows 8th a schematic illustration to explain the compensation of a twist taking into account a rotation about a single coordinate axis. U denotes the dependence of the angle of rotation around the yaw axis as a function of time t, V the dependence of the angle of rotation around the pitch axis as a function of time t and W. the dependence of the compensated angle of rotation around the roll axis as a function of time t. The compensation is used to ensure that the angle of rotation about the roll axis should essentially remain equal to zero. If only the rotation around a single coordinate axis is taken into account to compensate for the inclination, this is no longer the case for longer times.

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. 9 shows a schematic illustration to explain a compensation for a twist taking into account a rotation about all three coordinate axes. As can be seen, the roll angle is now close to zero degrees for longer periods as well.

10 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung 2 mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten 21, 22, 23. 10 shows a schematic flow diagram of a method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement 2 with at least three rotation rate sensor components 21 , 22nd , 23 .

In einem ersten Verfahrensschritt S1 liefern die Drehratensensorkomponenten 21, 22, 23 Sensorsignale gx, gy, gz für drei linear unabhängige Raumrichtungen in einem Sensorbezugssystem.In a first process step S1 deliver the yaw rate sensor components 21 , 22nd , 23 Sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system.

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.In a second process step S2 an output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system is generated by at least the sensor signals g y , g z for two of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system are transformed into the absolute reference system, whereby a Rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is at least partially compensated. The compensation of the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is based on at least the third sensor signal g x for the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system when transforming the at least two sensor signals g y , g z.

Claims (10)

Verfahren zum Verarbeiten der Sensorsignale einer Drehratensensoranordnung (2) mit mindestens drei Drehratensensorkomponenten (21, 22, 23), 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 absoluten 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 Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zumindest teilweise kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensation der Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung um die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems bei der Transformation der zumindest zwei Sensorsignale gy, gz zumindest das dritte Sensorsignal gx für die dritte linear unabhängige Raumrichtung des Sensorbezugssystems zugrunde gelegt wird.Method for processing the sensor signals of a rotation rate sensor arrangement (2) with at least three rotation rate sensor components (21, 22, 23) which supply sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system in which an output signal with two signal components g y ', g z ' is generated for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system in that at least the sensor signals g y , g z for two of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system are transformed into the absolute reference system, whereby a rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement by the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system is at least partially compensated, characterized in that the compensation of the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement around the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system in the transformation of the at least two sensor signals g y , g z at least the third sensor Signal g x is used as the basis for the third linearly independent spatial direction of the sensor reference system. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung ϕ der Drehratensensoranordnung auf Basis des dritten Sensorsignals gx bestimmt wird als ϕ = ϕ 0 g x Δ t
Figure DE102020205943B3_0018
wobei ϕ0 eine zu bestimmende initiale Verdrehung bezeichnet, und dass die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals bestimmt werden als [ g y ' g z ' ] = [ c o s ϕ s i n ϕ s i n ϕ c o s ϕ ] [ g y g z ]
Figure DE102020205943B3_0019
Procedure according to Claim 1 , characterized in that the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement on the basis of the third sensor signal g x is determined as ϕ = ϕ 0 G x Δ t
Figure DE102020205943B3_0018
where ϕ 0 denotes an initial rotation to be determined, and that the signal components g y ', g z ' of the output signal are determined as [ G y ' G z ' ] = [ c O s ϕ s i n ϕ - s i n ϕ c O s ϕ ] [ G y G z ]
Figure DE102020205943B3_0019
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals mit Hilfe von Sinus- und Cosinus-Funktionen berechnet werden und/oder unter Verwendung von Look-Up-Tabellen angenähert werden.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the signal components g y ', g z ' of the output signal are calculated with the aid of sine and cosine functions and / or are approximated using look-up tables. 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.Method according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the initial rotation ϕ 0 is determined on the basis of sensor signals of at least one acceleration sensor (4) and / or at least one magnetic field sensor (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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the transformation of the at least two sensor signals g y , g z is based on all three sensor signals g x , g y , g z , in that the transformation takes place on the basis of quaternions. 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 ) = ( g x g y g z ) π 360 Δ t
Figure DE102020205943B3_0020
dass mittels der so berechneten halben Radianten die Aktualisierung der Quaternionen berechnet wird als q w ¯ = q w t 1 + α q x t 1 + β q y t 1 + γ q z t 1 q x ¯ = q x t 1 α q w t 1 + β q y t 1 γ q z t 1 q y ¯ = q y t 1 α q w t 1 β q x t 1 γ q z t 1 q z ¯ = q z t 1 α q w t 1 + β q x t 1 γ q y t 1
Figure DE102020205943B3_0021
dass ein Normalisierungsfaktor berechnet wird als f a c t o r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2
Figure DE102020205943B3_0022
dass die Quaternionen normalisiert werden gemäß q w t = q w ¯ f a c t o r q x t = q z ¯ f a c t o r q y t = q y ¯ f a c t o r q z t = q z ¯ f a c t o r
Figure DE102020205943B3_0023
und dass die Signalkomponenten gy', gz' des Ausgangssignals dann berechnet werden als g y ' = 2 ( q w t g x q z t + q x t g x q y t q w t g z q x t + q y t g z q z t ) + g y                      ( q w t 2 q x t 2 + q y t 2 q z t 2 ) g z ' = 2 ( q w t g y q x t + q w t g x q y t + q x t g x q z t + q y t g y q z t ) + g z                      ( q w t 2 q x t 2 q y t 2 + q z t 2 )
Figure DE102020205943B3_0024
Procedure according to Claim 5 , characterized in that the three sensor signals g x , g y , g z are converted from degrees per second into frequency-dependent angles of rotation in half radians, according to ( α β γ ) = ( G x G y G z ) π 360 Δ t
Figure DE102020205943B3_0020
that using the half radians calculated in this way, the update of the quaternions is calculated as q w ¯ = q w t - 1 + α q x t - 1 + β q y t - 1 + γ q z t - 1 q x ¯ = q x t - 1 - α q w t - 1 + β q y t - 1 - γ q z t - 1 q y ¯ = q y t - 1 - α q w t - 1 - β q x t - 1 - γ q z t - 1 q z ¯ = q z t - 1 - α q w t - 1 + β q x t - 1 - γ q y t - 1
Figure DE102020205943B3_0021
that a normalization factor is calculated as f a c t O r = 1 q w ¯ 2 + q x ¯ 2 + q y ¯ 2 + q z ¯ 2
Figure DE102020205943B3_0022
that the quaternions are normalized according to q w t = q w ¯ f a c t O r q x t = q z ¯ f a c t O r q y t = q y ¯ f a c t O r q z t = q z ¯ f a c t O r
Figure DE102020205943B3_0023
and that the signal components g y ', g z ' of the output signal are then calculated as G y ' = 2 ( q w t G x q z t + q x t G x q y t - q w t G z q x t + q y t G z q z t ) + G y ( q w t 2 - q x t 2 + q y t 2 - q z t 2 ) G z ' = 2 ( q w t G y q x t + q w t G x q y t + q x t G x q z t + q y t G y q z t ) + G z ( q w t 2 - q x t 2 - q y t 2 + q z t 2 )
Figure DE102020205943B3_0024
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.Device (1), at least comprising: a. A rotation rate sensor arrangement (2) with at least three rotation rate sensor components (21, 22, 23) which supply sensor signals g x , g y , g z for three linearly independent spatial directions in a sensor reference system, and b. A signal processing device (3) for the sensor signals g x , g y , g z , which generates an output signal with two signal components g y ', g z ' for two linearly independent spatial directions of an absolute reference system using a method according to one of the Claims 1 to 6th generated. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal als Steuersignal für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (6) verwendet wird.Device according to Claim 7 , characterized in that the output signal is used as a control signal for a man-machine interface (6). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, mit mindestens einem wahlweise aktivierbaren Beschleunigungssensor (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.Device according to one of the Claims 7 or 8th , with at least one optionally activatable acceleration sensor (4) and / or at least one optionally activatable magnetic field sensor (5), wherein the signal processing device is designed on the basis of the acceleration sensor signals and / or the magnetic field sensor signals a rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement by at least one of the three linear to determine independent spatial directions of the sensor reference system. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach Anspruch 9, 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 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zugrunde gelegt wird.Method for operating a device according to Claim 9 , in which the rotation ϕ of the rotation rate sensor arrangement by at least one of the three linearly independent spatial directions of the sensor reference system is determined at regular time intervals and / or event-initiated and / or user-initiated and the subsequent transformation of the sensor signals g y , g z according to one of the Claims 1 to 6th is taken as the basis.
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