DE102020201266A1

DE102020201266A1 - Betrieb eines Drehzahlsensors und Verarbeitung von Daten eines Drehzahlsensors

Info

Publication number: DE102020201266A1
Application number: DE102020201266.0A
Authority: DE
Inventors: Martin NIPPE; Martin Schauer; Lucila PATINO STUDENCKI; Christian SILLER; Manuel kraus; Christian Pfeuffer; Ghazaleh BALEGHKALAM; Sebastian Ohl
Original assignee: Elektrobit Automotive GmbH
Current assignee: Elektrobit Automotive GmbH
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors sowie eine Nachricht für ein Bus-System mit Daten zumindest eines Drehzahlsensors. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors, insbesondere eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels. In einem ersten Schritt (S1) werden Drehzahlimpulse des Drehzahlsensors empfangen. Die empfangenen Drehzahlimpulse werden genutzt, um eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode zu bestimmen (S2). Zudem wird eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode bestimmt (S3). Die Anzahl von Drehzahlimpulsen und die Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses werden schließlich zur weiteren Verwendung bereitgestellt (S4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors sowie eine Nachricht für ein Bus-System mit Daten zumindest eines Drehzahlsensors. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors, insbesondere eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels.
Im Automobilbereich ist die Kenntnis aktueller Raddrehzahlen unter anderem für eine Vielzahl sicherheitsrelevanter Systeme von Bedeutung, z.B. für Fahrassistenzsysteme wie das Antiblockiersystem (ABS), die Antriebsschlupfregelung (ASR), die Fahrdynamikregelung bzw. das elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) oder die adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC). Die Raddrehzahlen werden über das Bordnetz auch anderen Systemen zur Verfügung gestellt, insbesondere auch dem Navigationssystem.
In der Regel wird die Drehzahl mittels eines Drehzahlsensors erfasst. Die Raddrehzahl kann beispielsweise durch das Abtasten eines magnetischen Encoders oder eines ferromagnetischen Zahnrades bzw. Impulsrades ermittelt werden, das mit der Radnabe oder der Antriebswelle verbunden ist. Der Encoder oder das Impulsrad sind so ausgestaltet, dass es bei einer Drehung des Rades zu Änderungen in einem magnetischen Fluss durch einen ortsfest angrenzend an den Encoder oder das Impulsrad angeordneten Sensor kommt. Diese Änderungen des magnetischen Flusses induzieren eine Wechselspannung in einer Spule des Sensors, aus der die Raddrehzahl abgeleitet werden kann.
Vor diesem Hintergrund beschreibt DE 600 38 543 T2 ein Fahrzeugnavigationssystem mit einem Bewegungssensor mit einem drahtlosen Sender, der ein Signal erzeugt, das die Drehverschiebung einer Fahrzeugkomponente anzeigt. Ein komplementärer drahtloser Empfänger empfängt das Signal vom Sender. Ein Computer berechnet die Fahrzeuggeschwindigkeit oder -verschiebung basierend auf der Drehgeschwindigkeit oder Verschiebung der Fahrzeugkomponente.
Daten der Drehzahlsensoren werden oftmals mit Daten aus anderen Sensoren fusioniert, um eine genauere Position bzw. Lage und Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu ermitteln. Beispiele für solche Sensoren sind auf einem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) basierende Systeme, Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Lidar-Systeme, etc. Bei den derzeit genutzten Drehzahlsensoren wird in den zugehörigen Nachrichten auf dem CAN-Bus (CAN: Controller Area Network) die Anzahl der Drehzahlimpulse in der letzten Messperiode übermittelt. Daraus lassen sich die Umdrehungen eines Rades zum Zeitpunkt des Auslesens bestimmen.
Aufgrund der diskreten Natur der Drehzahlmessungen ist die Bestimmung der Umdrehungen aber nur auf ca. 1/60 bis 1/80 Radumdrehung genau zum Zeitpunkt des Auslesens, was einer Strecke in der Größenordnung von ca. 2 cm bis 3 cm entspricht. Diese Ungenauigkeit der Daten muss mit in die Berechnungen von Lage und Geschwindigkeit eingehen, was natürlich im Ergebnis zu größeren Ungenauigkeiten führt. Um aus der Messung der Raddrehzahl eine Geschwindigkeit zu ermitteln, werden regelmäßig Annahmen über die Veränderlichkeit der Beschleunigung getroffen und statistische Methoden genutzt, wie z.B. Kalmanfilter.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lösungen bereitzustellen, die eine verbesserte Bestimmung einer Drehzahl und damit eine verbesserte Bestimmung von Lageparametern und Positionsparametern für ein Fortbewegungsmittel ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen mit den Merkmalen des Anspruchs 5, durch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 6, durch eine Nachricht für ein Bus-System gemäß Anspruch 7, durch ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 9, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors die Schritte:

- Bestimmen einer Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode;
- Bestimmen einer Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode; und
- Bereitstellen der Anzahl von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Betreiben eines Drehzahlsensors veran lassen:

Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch Steuergeräte, Controller, eingebettete Systeme und andere prozessorbasierte Datenverarbeitungsvorrichtungen.
Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors auf:

- eine Auswerteeinheit zum Bestimmen einer Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und zum Bestimmen einer Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode; und
- eine Ausgabeeinheit zum Bereitstellen der Anzahl von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird zusätzlich zu den in einer Messperiode auftretenden Drehzahlimpulsen bzw. Ticks des Drehzahlsensors die Zeitdauer seit Auftreten des letzten Ticks in der Messperiode übermittelt. Auf Grundlage dieser Zeitdauer ist eine auswertende Komponente in der Lage, deutlich genauere Ergebnisse aus den Messdaten des Drehzahlsensors zu berechnen. Bei bisherigen Ansätzen inkrementiert ein Controller für den Drehzahlsensor oder für mehrere Drehzahlsensoren bei jedem Drehzahlimpuls bzw. Tick eines Drehzahlsensors einen zugehörigen Zähler. Bei Ablauf der Periodenzeit, die typischerweise 20 ms beträgt, werden die akkumulierten Zähler versendet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird bei Ablauf der Periodenzeit zusätzlich zu den Zählern die Zeitspanne bis zur letzten Erhöhung des jeweiligen Zählers berechnet und versendet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Drehzahlsensor ein Drehzahlsensor für ein Rad eines Fortbewegungsmittels. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung für Drehzahlsensoren für die Räder eines Fortbewegungsmittels erhöht die Genauigkeit und die zeitliche Auflösung der Bestimmung der Radgeschwindigkeiten und Stellungen der einzelnen Räder. Dies ermöglicht deutlich verbesserte Lage- und Geschwindigkeitsbestimmungen.
Für jedes Rad ist die Radstellung zu einem etwas früheren Zeitpunkt sehr genau bekannt, bzw. die Winkeländerung ist sehr genau bekannt. In eine Sensorfusion konnte bei bisherigen Ansätzen lediglich die Radstellung zur Zeit des Periodenablaufs eingehen, die eine Genauigkeit von ca. 2 cm bis 3 cm aufweist. Mit der zusätzlich verfügbaren Information kann der Zeitpunkt des letzten Drehzahlimpulses genau berechnet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Radstellung nur noch von der Genauigkeit des mechanischen oder magnetischen Sensors abhängig, also in einer Größenordnung deutlich unter den angegebenen 2 cm bis 3 cm. Dies führt in einer Sensorfusion zu deutlich verbesserten Lage- und Geschwindigkeitsbestimmungen.
Die zusätzliche Zeitinformation kann zudem genutzt werden, um eine deutlich beschleunigte Kalibrierung der Skala für den Drehzahlsensor zu erreichen, z.B. unter Verwendung der von einem DGPS (DGPS: Differential Global Positioning System; Differentielles Globales Positionierungssystem) zur Verfügung gestellten Geschwindigkeit. Die Skala ist nicht feststehend, sie hängt ab vom genutzten Reifen, dem Luftdruck und auch von der Geschwindigkeit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Anzahl von Drehzahlimpulsen und die Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses als Nachricht für ein Bus-System bereitgestellt. In Kraftfahrzeugen werden Daten von Drehzahlsensoren typischerweise via CAN-Bus verschickt. Auf dem CAN-Bus werden die Datenpakete so klein wie möglich gehalten. Eine typische Periodendauer für Nachrichten der Drehzahlsensoren ist 20 ms. Um mittels der zusätzlich übermittelten Zeitdauer eine Auflösung von 1 µs zu erhalten, sind 15 Bit pro Zähler nötig. Werden nur 8 Bit pro Zähler bereitgestellt, ist eine Auflösung von ca. 80 µs möglich. Wie viele zusätzliche Bit tatsächlich genutzt werden, hängt daher von der gewünschten Auflösung und den Randbedingungen für die zulässige bzw. akzeptable Größe der Datenpakete ab und liegt im Ermessen des Fachmanns. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch mit anderen Bus-Systemen realisiert werden, wie dem LIN-Bus (LIN: Local Interconnect Network; Lokales Verbindungsnetzwerk) oder FlexRay.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zum Bestimmen der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors eine Zeitspanne zwischen einem Zeitstempel des Drehzahlimpulses und einem Ablauf der Messperiode bestimmt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird bei der Erhöhung eines Zählers für die Drehzahlimpulse eines Drehzahlsensors zusätzlich ein Zeitstempel oder ein Prozessorzykluszähler gespeichert. Bei Ablauf der Periodenzeit wird zusätzlich zu den Zählern die Zeitspanne bis zum letzten Zeitstempel bzw. Prozessorzykluszähler berechnet und bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Nachricht für ein Bus-System eines Fortbewegungsmittels Daten zumindest eines Drehzahlsensors für ein Rad des Fortbewegungsmittels, wobei die Daten eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen. Vorzugsweise umfasst die Nachricht Daten von zwei oder mehr Drehzahlsensoren für Räder des Fortbewegungsmittels. Eine solche Nachricht ist gut geeignet, um die Daten der Drehzahlsensoren den verschiedenen Abnehmern im Fortbewegungsmittel zur Verfügung zu stellen. Wenn es sich bei dem Fortbewegungsmittel um ein Kraftfahrzeug handelt, werden vorzugsweise für jedes Rad die entsprechenden Informationen zur Verfügung gestellt, d.h. die Nachricht enthält zusätzlich zu den vier Zählern noch die vier Zeitspannen, die besagen um wieviel Zeit zuvor der Zähler für das jeweilige Rad verändert wurde. Aber auch falls zur Beschränkung des Datenvolumens nur für einen Teil der Räder, z.B. die Hinterräder, die Zeitspannen in der Nachricht versendet werden, bringt dies einen Vorteil für die erzielbare Genauigkeit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels die Schritte:

- Empfangen der Daten des Drehzahlsensors, wobei die Daten eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen; und
- Bestimmen einer Stellung des Rades unter Verwendung der Anzahl von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels veranlassen:

Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch Steuergeräte, Controller, eingebettete Systeme und andere prozessorbasierte Datenverarbeitungsvorrichtungen.
Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels auf:

- eine Empfangseinheit zum Empfangen der Daten des Drehzahlsensors, wobei die Daten eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen; und
- eine Recheneinheit zum Bestimmen einer Stellung des Rades unter Verwendung der Anzahl von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses.

Wie schon zuvor erwähnt erhöht die Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung für Drehzahlsensoren für die Räder eines Fortbewegungsmittels die Genauigkeit und die zeitliche Auflösung der Bestimmung der Radgeschwindigkeiten und Stellungen der einzelnen Räder. Dies ermöglicht deutlich verbesserte Lage- und Geschwindigkeitsbestimmungen. Bei der Verarbeitung der Informationen muss gegebenenfalls berücksichtigt werden, dass sich die Messungen der Drehzahlsensoren auf frühere Zeitpunkte beziehen, die außerdem für jedes Rad unterschiedlich sind. Die für die Verarbeitung genutzten Algorithmen müssen daher eventuell einen modifizierten Zeitstempel nutzen und die Messungen der Räder einzeln behandeln.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt, z.B. in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schienenfahrzeug. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn ein Bus-System zur Datenübertragung im Fortbewegungsmittel eingesetzt wird, das oftmals einen Flaschenhals für den Datenaustausch darstellt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors;
2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors;
3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Drehzahlsensors;
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Nachricht für ein Bus-System;
5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels;
6 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels;
7 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels;
8 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist;
9 veranschaulicht die maximalen und minimalen Geschwindigkeiten, die aufgrund zweier Messungen ermittelt werden können;
10 zeigt den maximalen absoluten Fehler bei verschiedenen Geschwindigkeiten; und
11 zeigt den maximalen relativen Fehler bei verschiedenen Geschwindigkeiten.

Figurenbeschreibung
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors. Beispielsweise kann es sich beim dem Drehzahlsensor um einen Drehzahlsensor für ein Rad eines Fortbewegungsmittels handeln. In einem ersten Schritt S1 werden Drehzahlimpulse des Drehzahlsensors empfangen. Die empfangenen Drehzahlimpulse werden genutzt, um eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode zu bestimmen S2. Zudem wird eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode bestimmt S3. Dazu kann eine Zeitspanne zwischen einem Zeitstempel des Drehzahlimpulses und einem Ablauf der Messperiode bestimmt werden. Die Anzahl von Drehzahlimpulsen und die Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses werden schließlich zur weiteren Verwendung bereitgestellt S4. Beispielsweise können die Informationen als Nachricht über ein Bus-System versendet werden.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zum Betreiben eines Drehzahlsensors 10. Beispielsweise kann es sich beim dem Drehzahlsensor 10 um einen Drehzahlsensor 10 für ein Rad eines Fortbewegungsmittels handeln. Die Vorrichtung 20 hat einen Eingang 21, über den Drehzahlimpulse I des Drehzahlsensors empfangen werden können. Eine Auswerteeinheit 22 ist dazu eingerichtet, eine Anzahl N von Drehzahlimpulsen I des Drehzahlsensors 10 in einer Messperiode zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 22 ist zudem eingerichtet, eine Zeitdauer T seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses I des Drehzahlsensors 10 in Bezug auf ein Ende der Messperiode zu bestimmen. Dazu kann die Auswerteeinheit 22 eine Zeitspanne zwischen einem Zeitstempel des Drehzahlimpulses I und einem Ablauf der Messperiode bestimmen. Eine Ausgabeeinheit 23 stellt dann die Anzahl N von Drehzahlimpulsen I und die Zeitdauer T seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses I zur weiteren Verwendung bereit, z.B. über einen Ausgang 26 der Vorrichtung 20. Beispielsweise können die Informationen als Nachricht M über ein Bus-System versendet werden.
Die Auswerteeinheit 22 und die Ausgabeeinheit 23 können von einer Kontrolleinheit 24 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 27 können gegebenenfalls Einstellungen der Auswerteeinheit 22, der Ausgabeeinheit 23 oder der Kontrolleinheit 24 geändert werden. Die in der Vorrichtung 20 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 25 der Vorrichtung 20 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 20. Die Auswerteeinheit 22, die Ausgabeeinheit 23 sowie die Kontrolleinheit 24 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU oder einer CPU. Der Eingang 21 und der Ausgang 26 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte bidirektionale Schnittstelle implementiert sein. Auch die Benutzerschnittstelle 27 kann in diese bidirektionale Schnittstelle integriert sein. Zum Bereitstellen von Zeitinformationen ist vorzugsweise ein Taktgeber 28 vorgesehen, der in 2 als eigenständige Komponente dargestellt ist. Der Taktgeber 28 kann aber auch in eine der anderen Komponenten der Vorrichtung 20 integriert sein.
3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zum Betreiben eines Drehzahlsensors. Die Vorrichtung 30 weist einen Prozessor 32 und einen Speicher 31 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 30 um ein Steuergerät oder einen Controller. Im Speicher 31 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 30 bei Ausführung durch den Prozessor 32 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 31 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 32 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 30 hat einen Eingang 33 zum Empfangen von Informationen, insbesondere von Drehzahlimpulsen zumindest eines Drehzahlsensors. Vom Prozessor 32 generierte Daten werden über einen Ausgang 34 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 31 abgelegt werden. Der Eingang 33 und der Ausgang 34 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein. Zum Bereitstellen von Zeitinformationen ist vorzugsweise ein Taktgeber 35 vorgesehen, der in 3 als eigenständige Komponente dargestellt ist. Der Taktgeber 35 kann aber auch in den Prozessor 32 integriert sein.
Der Prozessor 32 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
Die Speicher 25, 31 der beschriebenen Vorrichtungen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Nachricht M für ein Bus-System. Beispielsweise kann es sich bei dem Bus-System um einen CAN-Bus handeln. Im dargestellten Beispiel enthält die Nachricht M Informationen für vier Räder, d.h. die Räder links und rechts vorne und links und rechts hinten. Zusätzlich zu den vier Zählern enthält die Nachricht M noch die vier Zeitspannen, die besagen um wieviel Zeit zuvor der Zähler für das jeweilige Rad verändert wurde. Das dazu verwendete Datenformat liegt im Ermessen des Fachmanns und hängt von der gewünschten Auflösung und den Randbedingungen für die zulässige bzw. akzeptable Größe der Datenpakete ab. Beispielsweise kann jeweils eine feste Anzahl Bits für die Zähler und die Zeitspannen vorgesehen sein.
5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels. In einem ersten Schritt S5 werden Daten des Drehzahlsensors empfangen. Beispielsweise können die Daten als Nachricht über ein Bus-System empfangen werden. Die Daten umfassen dabei eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode. Unter Verwendung der Anzahl von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses wird dann eine Stellung des Rades bestimmt S6. Diese kann z.B. genutzt werden, um Lage und Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels zu berechnen S7.
6 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 40 zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels. Die Vorrichtung 40 hat einen Eingang 41, über den eine Empfangseinheit 42 die Daten des Drehzahlsensors empfängt. Beispielsweise können die Daten als Nachricht M über ein Bus-System empfangen werden. Die Daten umfassen dabei eine Anzahl N von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer T seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode. Eine Recheneinheit 43 ist dazu eingerichtet, unter Verwendung der Anzahl N von Drehzahlimpulsen und der Zeitdauer T seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses eine Stellung des Rades zu bestimmen. Diese kann z.B. genutzt werden, um Lage und Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels zu berechnen.
Die Empfangseinheit 42 und die Recheneinheit 43 können von einer Kontrolleinheit 44 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 47 können gegebenenfalls Einstellungen der Empfangseinheit 42, der Recheneinheit 43 oder der Kontrolleinheit 44 geändert werden. Die in der Vorrichtung 40 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 45 der Vorrichtung 40 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 40. Alternativ oder zusätzlich können sie über einen Ausgang 46 der Vorrichtung 40 ausgegeben werden. Die Empfangseinheit 42, die Recheneinheit 43 sowie die Kontrolleinheit 44 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU oder einer CPU. Der Eingang 41 und der Ausgang 46 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte bidirektionale Schnittstelle implementiert sein. Auch die Benutzerschnittstelle 47 kann in diese bidirektionale Schnittstelle integriert sein.
7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 50 zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors für ein Rad eines Fortbewegungsmittels. Die Vorrichtung 50 weist einen Prozessor 52 und einen Speicher 51 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 50 um ein Steuergerät. Im Speicher 51 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 50 bei Ausführung durch den Prozessor 52 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 51 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 52 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 50 hat einen Eingang 53 zum Empfangen von Informationen, insbesondere von Daten des Drehzahlsensors. Die Daten umfassen dabei eine Anzahl von Drehzahlimpulsen des Drehzahlsensors in einer Messperiode und eine Zeitdauer seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses des Drehzahlsensors in Bezug auf ein Ende der Messperiode. Vom Prozessor 52 generierte Daten werden über einen Ausgang 54 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 51 abgelegt werden. Der Eingang 53 und der Ausgang 54 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
Der Prozessor 52 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
Die Speicher 45, 51 der beschriebenen Vorrichtungen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
8 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 60, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist. Bei dem Fortbewegungsmittel 60 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug, insbesondere um ein autonomes, ein teilautonomes oder ein mit Assistenzsystemen 61 ausgestattetes Kraftahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist zumindest ein Assistenzsystem 61 sowie eine Vorrichtung 40 zum Verarbeiten von Daten von Drehzahlsensoren für die Räder des Kraftfahrzeugs auf, die vom Assistenzsystem 61 genutzt werden. Die Vorrichtung 40 kann natürlich auch in das Assistenzsystem 61 integriert sein. Das Kraftfahrzeug weist zudem eine Sensorik auf, mit der weitere Sensordaten erfasst werden können. Die Sensorik 62 kann insbesondere Sensoren zur Umfelderkennung umfassen, z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Kameras. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind in diesem Beispiel ein Navigationssystem 63 sowie eine Datenübertragungseinheit 64. Mittels der Datenübertragungseinheit 64 kann eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, z.B. zum Übertragen von Daten in einen externen Speicher oder an einen Dienstleister. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 65 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Bus-System 66.
Die folgenden Berechnungen sollen verdeutlichen, wie wertvoll die zusätzlich ermittelten Daten sind, unabhängig von der tatsächlichen Verwendung in einer Software zur Sensorfusion. Als Beispiel soll hier die Geschwindigkeitsberechnung dienen.
Der zurückgelegte Weg W innerhalb einer Messperiode P entspricht der Anzahl N der Drehzahlimpulse multipliziert mit der Skala S für den Drehzahlsensor: $W = N \times S .$
Die Genauigkeit des Weges W liegt bei ±S. Mit typischen Werten für die Skala S=0.02 m und der Dauer der Messperiode P=20 ms=0.02 s und der einfachen Schätzung der Geschwindigkeit V als zurückgelegter Weg geteilt durch die Zeitdifferenz, d.h. durch $V = W/P,$
kann die Geschwindigkeit V auf ±0.02 m/0.02 s= ±1 m/s genau bestimmt werden.
Dabei wird angenommen, dass die zurückgelegte Länge pro Drehzahlimpuls, d.h. die Skala, exakt bekannt ist. Zudem werden keine weiteren Methoden zur Erhöhung der Genauigkeit verwendet, wie z.B. die Bildung von Mittelwerten oder die Anwendung eines Kalman-Filters. Der absolute/relative Fehler ist jeweils der maximal mögliche Fehler, d.h. es wird ein Fehlerintervall betrachtet, keine Standardabweichungen.
Diese relativ niedrige Genauigkeit der Geschwindigkeit bei Verwendung der aktuell vorhandenen Nachrichten der Drehzahlsensoren kann durch die Nutzung von mehreren Nachrichten und statistischen Methoden oder einfach durch die Verwendung einer längeren Periodendauer verbessert werden. Wird z.B. die Periodendauer verdoppelt, halbiert sich der Fehler. Die zeitliche Auflösung der Geschwindigkeit wird dadurch aber natürlich geringer, weil eine längere Zeitdauer verwendet wird. Geschwindigkeitsänderungen können somit nur mit niedrigerer zeitlicher Auflösung beobachtet werden.
Bei einer Geschwindigkeit von 30 km/h=8.3 m/s bedeutet ein absoluter Fehler von 1 m/s einen relativen Fehler von 1 (m/s)/8.3 (m/s)=0.12=12%. Der relative Fehler vergrößert sich gerade bei langsameren Geschwindigkeiten und verringert sich bei höheren Geschwindigkeiten.
Um den Genauigkeitsgewinn durch die erfindungsgemäße Lösung zu verdeutlichen, soll nun die mögliche Genauigkeit mit der Nutzung der zusätzlichen Daten ermittelt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist unter den gleichen Annahmen die zurückgelegte Streckenlänge bekannt, d.h. W=NxS, aber die Genauigkeit der gemessenen Zeitdauer ist abhängig von der zeitlichen Auflösung, die der Controller liefern kann.
Eine typische zeitliche Auflösung A eines Mikrocontrollers ist 8 µs, wobei die Genauigkeit durch die Verwendung von Prozessorzykluszählern um einige Größenordnungen erhöht werden kann. Wichtig für die Berechnung der Geschwindigkeit V ist die Genauigkeit des Wertes 1/T. Die Zeitdauer T kann nur auf ±2×A genau berechnet werden. Damit ergibt sich der maximale Fehler zu (1/(T-2×A)-1/T). Der maximale relative Fehler liegt dann unabhängig von der Geschwindigkeit bei T/(T-2×A)-1. Für eine Zeitdauer T in der Größenordnung der typischen Periodenzeit von 20 ms ist der maximale relative Fehler 20 ms/(20 ms-2x8 µs)-1 =0.0008= 0.08%. Der relative Fehler ist unter den gegebenen Annahmen bei 30 km/h also nur 1/150-mal so groß im Vergleich zur Nutzung der Zählimpulse allein (0.08%/12%=1/150).
Der absolute Fehler ist bei einer Geschwindigkeit von 30 km/h 0.08%x30 km/h=0.024 km/h=0.0067 m/s. Der absolute Fehler verringert sich damit auf ca. 1/40 des Wertes gegenüber der Berechnung ohne Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung.
9 bis 11 veranschaulichen den Genauigkeitsgewinn durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung unter den oben angeführten Annahmen.
9 veranschaulicht die maximalen und minimalen Geschwindigkeiten, die aufgrund zweier Messungen ermittelt werden können, jeweils ohne und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Lösung. Die Steigungen der dargestellten Geraden entsprechen den möglichen mittleren Geschwindigkeiten, die in Übereinstimmung mit den konkreten Messdaten des Drehzahlsensors stehen. Es ist deutlich zu sehen, dass die Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung zu einer erheblichen Verbesserung der Geschwindigkeitsschätzung führt, ohne weitere statistische Verfahren nutzen zu müssen.
10 zeigt den maximalen absoluten Fehler bei verschiedenen Geschwindigkeiten ohne und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Lösung. 11 zeigt den maximalen relativen Fehler bei verschiedenen Geschwindigkeiten ohne und mit Verwendung einer erfindungsgemäßen Lösung. Es ist gut zu sehen, dass sich der maximale mögliche Fehler vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten erheblich verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60038543 T2 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors (10), mit den Schritten: - Bestimmen (S2) einer Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) des Drehzahlsensors (10) in einer Messperiode; - Bestimmen (S3) einer Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) in Bezug auf ein Ende der Messperiode; und - Bereitstellen (S4) der Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) und der Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Drehzahlsensor (10) ein Drehzahlsensor (10) für ein Rad eines Fortbewegungsmittels (60) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) und die Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) als Nachricht (M) für ein Bus-System (66) bereitgestellt werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zum Bestimmen (S3) der Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) eine Zeitspanne zwischen einem Zeitstempel des Drehzahlimpulses (I) und einem Ablauf der Messperiode bestimmt wird.
Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Betreiben eines Drehzahlsensors (10) veranlassen.
Vorrichtung (20) zum Betreiben eines Drehzahlsensors (10), mit: - einer Auswerteeinheit (22) zum Bestimmen (S2) einer Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) des Drehzahlsensors (10) in einer Messperiode und zum Bestimmen (S3) einer Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) in Bezug auf ein Ende der Messperiode; und - einer Ausgabeeinheit (23) zum Bereitstellen (S3) der Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) und der Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I).
Nachricht (M) für ein Bus-System (66) eines Fortbewegungsmittels (60), mit Daten zumindest eines Drehzahlsensors (10) für ein Rad des Fortbewegungsmittels (60), wobei die Daten eine Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) des Drehzahlsensors (10) in einer Messperiode und eine Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen.
Nachricht (M) gemäß Anspruch 7, wobei die Nachricht (M) Daten von zwei oder mehr Drehzahlsensoren (10) für Räder des Fortbewegungsmittels (60) umfasst.
Verfahren zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors (10) für ein Rad eines Fortbewegungsmittels (60), mit den Schritten: - Empfangen (S5) der Daten des Drehzahlsensors (10), wobei die Daten eine Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) des Drehzahlsensors (10) in einer Messperiode und eine Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen; und - Bestimmen (S6) einer Stellung des Rades unter Verwendung der Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) und der Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I).
Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der Schritte des Verfahrens gemäß Anspruch 9 zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors (10) für ein Rad eines Fortbewegungsmittels (60) veranlassen.
Vorrichtung (40) zum Verarbeiten von Daten eines Drehzahlsensors (10) für ein Rad eines Fortbewegungsmittels (60), mit: - einer Empfangseinheit (42) zum Empfangen (S5) der Daten des Drehzahlsensors (10), wobei die Daten eine Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) des Drehzahlsensors (10) in einer Messperiode und eine Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I) des Drehzahlsensors (10) in Bezug auf ein Ende der Messperiode umfassen; und - einer Recheneinheit (43) zum Bestimmen (S6) einer Stellung des Rades unter Verwendung der Anzahl (N) von Drehzahlimpulsen (I) und der Zeitdauer (T) seit dem Auftreten des letzten Drehzahlimpulses (I).