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WO2022117254A1 - Method for calibrating a tri-axial accelerometer - Google Patents

Method for calibrating a tri-axial accelerometer Download PDF

Info

Publication number
WO2022117254A1
WO2022117254A1 PCT/EP2021/078442 EP2021078442W WO2022117254A1 WO 2022117254 A1 WO2022117254 A1 WO 2022117254A1 EP 2021078442 W EP2021078442 W EP 2021078442W WO 2022117254 A1 WO2022117254 A1 WO 2022117254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement
acceleration sensor
acceleration
orientations
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/078442
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hanna BEUCHERT
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2022117254A1 publication Critical patent/WO2022117254A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Definitions

  • acceleration signals from the acceleration sensor are used to identify whether the acceleration sensor is at rest.
  • the method is carried out in end-of-strip trimming and inspection.
  • the acceleration sensor can be introduced into a machine which can bring the acceleration sensor into predetermined measurement orientations.
  • the machine can also include a computing device for calculating the offset measurement error and is coupled to the acceleration sensor for this purpose in order to receive measurement signals from the acceleration sensor and to send calibration signals to the acceleration sensor.

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Abstract

The invention relates to a method for calibrating a tri-axial accelerometer. The accelerometer is spatially oriented in that it is successively brought into four different measurement orientations. The measurement orientations are selected in such a way that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the accelerometer points in different, non-coplanar directions for the four measurement orientations. At least one measurement value is recorded for each axis of the accelerometer in each of the four measurement orientations when the accelerometer is idle in the relevant measurement orientation. An offset for compensating for an offset measurement error is determined using the recorded measurement values.

Description

Beschreibung description
Titel title
VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINES DREIACHSIGEN BESCHLEUNIGUNGSSENSORS PROCEDURE FOR CALIBRATION OF A THREE-AXIS ACCELERATION SENSOR
Stand der Technik State of the art
Mikroelektromechanische (MEMS)-Sensoren zur Erfassung einer Beschleunigung (Accelerometer) werden z.B. in Smartphones, Hearables und Wearables eingesetzt, um Gesten zu erkennen oder die Orientierung des Geräts im Raum zu bestimmen. Fertigungsbedingt weisen diese Sensoren jedoch systematische Messfehler auf, die sich negativ auf die Orientierungsschätzung auswirken. Die Messfehler umfassen Offset- Fehler, wobei die Messwerte des Sensors für zumindest eine Achse systematische, additive Abweichungen von der tatsächlichen Beschleunigung, die der Sensor erfährt, aufweisen. Dadurch weicht die vom Sensor erfasste Beschleunigung selbst in Abwesenheit externer Beschleunigungen von der Erdbeschleunigung ab. Weiter umfassen die Messfehler Sensitivitätsfehler, wobei die gemessene Beschleunigung um einen multiplikativen Faktor für zumindest eine Achse von der tatsächlichen Beschleunigung abweicht. Schließlich können die Messfehler auch Orthogonalitätsfehler umfassen, die dadurch entstehen, dass die drei Achsen des Beschleunigungssensors nicht exakt orthogonal zueinanderstehen. Microelectromechanical (MEMS) sensors for detecting acceleration (accelerometers) are used in smartphones, hearables and wearables, for example, to recognize gestures or to determine the orientation of the device in space. Due to the manufacturing process, however, these sensors have systematic measurement errors that have a negative effect on the orientation estimation. The measurement errors include offset errors, with the measured values of the sensor for at least one axis having systematic, additive deviations from the actual acceleration experienced by the sensor. As a result, the acceleration detected by the sensor deviates from the acceleration due to gravity even in the absence of external accelerations. The measurement errors also include sensitivity errors, with the measured acceleration deviating from the actual acceleration by a multiplicative factor for at least one axis. Finally, the measurement errors can also include orthogonality errors that arise because the three axes of the acceleration sensor are not exactly orthogonal to one another.
Die systematischen Messfehler können anhand einer Vorkalibration am Ende des Herstellungsprozesses in der Fabrik größtenteils behoben werden. Allerdings treten beim Auflöten der Sensoren weitere systematische Fehler (insbesondere Offset-Fehler) auf, die eine erneute Kalibration notwendig machen. Diese systematischen Fehler können mit ähnlichen Verfahren wie bei der Vorkalibration in der Fabrik geschätzt werden, wobei der Sensor typischerweise sehr präzise in sechs verschiedene Orientierungen gebracht wird und die systematischen Fehler anhand der Abweichungen zwischen den tatsächlich erwarteten Beschleunigungswerten und den gemessenen Beschleunigungssignalen für diese Orientierungen ermittelt werden. Die Orientierungen entsprechen hierbei einer Ausrichtung jeder Sensorachse parallel zum Erdbeschleunigungsvektor, jeweils in positiver und negativer Richtung. The systematic measurement errors can largely be eliminated by means of a pre-calibration at the end of the manufacturing process in the factory. However, further systematic errors (in particular offset errors) occur when the sensors are soldered on, which make a new calibration necessary. These systematic errors can be estimated using methods similar to those used in factory pre-calibration, typically placing the sensor very precisely in six different orientations and using the deviations between the actually expected acceleration values and the measured acceleration signals for the systematic errors these orientations are determined. In this case, the orientations correspond to an alignment of each sensor axis parallel to the gravitational acceleration vector, in each case in the positive and negative direction.
Des Weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen der Beschleunigungssensor in mehrere (typischerweise mindestens sechs) verschiedene Positionen gebracht wird, deren genaue Orientierung nicht exakt den vorgegebenen Positionen entsprechen muss. So ist aus Zhang et al., “Improved multi-position calibration for inertial measurement units”, Meas. Sei. Technol. 21, 2010, ein entsprechendes Kalibrierverfahren fur inertiale Messeinheiten bekannt. Weiter ist aus Ye et al., “Optimum Experimental Design applied to MEMS accelerometer calibration for 9-parameter auto-calibration model”, 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015, ein Verfahren zur Minimierung der Varianz bei der Parameterschätzung und -prädiktion bekannt. Frosio et al., “Autocalibration of MEMS Accelerometer,” IEEE Trans. Instrum. Meas, vol. 58(6), pp. 2034-2041, 2009, beschreibt ein Autokalibrierverfahren für Beschleunigungssensoren. Furthermore, methods are known in which the acceleration sensor is brought into several (typically at least six) different positions whose exact orientation does not have to correspond exactly to the specified positions. Thus, from Zhang et al., "Improved multi-position calibration for inertial measurement units", Meas. Be. technol. 21, 2010, a corresponding calibration method for inertial measurement units is known. Furthermore, from Ye et al., "Optimum Experimental Design applied to MEMS accelerometer calibration for 9-parameter auto-calibration model", 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015, a method for minimization of the variance in parameter estimation and prediction. Frosio et al., "Autocalibration of MEMS Accelerometers," IEEE Trans. Instrum. Meas, vol. 58(6), pp. 2034-2041, 2009 describes an autocalibration method for acceleration sensors.
Weiter sind Verfahren bekannt, welche die während der normalen Nutzung gemessenen Beschleunigungssignale verwenden, etwa Glueck et al., “Real-Time Autocalibration of MEMS Accelerometers,” IEEE Trans. Instrum. Meas, vol 63(1), pp. 96-105, 2014. Methods are also known which use the acceleration signals measured during normal use, such as Glueck et al., "Real-Time Autocalibration of MEMS Accelerometers," IEEE Trans. Instrum. Meas, vol 63(1), pp. 96-105, 2014.
Mittels eines Algorithmus werden Offsetfehler sowie gegebenenfalls Sensitivitäts- und Orthogonalitätsfehler anhand der erfassten Messwerte einmalig oder iterativ gemessen. Dabei wird ausgenutzt, dass der Betrag des gemessenen Signals in Ruhelage unabhängig von der Position jeweils dem Betrag der Erdbeschleunigung entsprechen sollte. Using an algorithm, offset errors and, if necessary, sensitivity and orthogonality errors are measured once or iteratively using the measured values recorded. This exploits the fact that the magnitude of the measured signal in the rest position should correspond to the magnitude of the acceleration due to gravity, regardless of the position.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereit. The invention provides a method for calibrating a three-axis acceleration sensor with the features of patent claim 1.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Preferred embodiments are the subject matter of the dependent claims.
Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors. Der Beschleunigungssensor wird hierbei räumlich ausgerichtet, indem er nacheinander in vier verschiedene Messorientierungen gebracht wird. Die Messorientierungen sind derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen in verschiedene, nicht komplanare Richtungen zeigt. In jeder der vier Messorientierungen wird für jede Achse des Beschleunigungssensors mindestens ein Messwert erfasst, wenn sich der Beschleunigungssensor in der jeweiligen Messorientierung in Ruhe befindet. Unter Verwendung der erfassten Messwerte wird ein Offset zur Kompensation eines Offset-Messfehlers ermittelt. The invention therefore relates to a method for calibrating a three-axis acceleration sensor. In this case, the acceleration sensor is spatially aligned by successively bringing it into four different measurement orientations. the Measurement orientations are selected in such a way that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the acceleration sensor points in different, non-coplanar directions for the four measurement orientations. In each of the four measurement orientations, at least one measured value is recorded for each axis of the acceleration sensor when the acceleration sensor is at rest in the respective measurement orientation. An offset to compensate for an offset measurement error is determined using the recorded measurement values.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Die Erfindung ermöglicht es, Offsetfehler eines dreiachsigen Beschleunigungssensors so zu schätzen, dass verhindert wird, dass durch geringe Sensitivitätsfehler systematische Schätzfehler des Offsets entstehen. Derartige Sensitivitätsfehler können noch verbleiben, auch nachdem bereits zuvor Sensitivitätsfehler und Orthogonalitätsfehler korrigiert wurden, wobei etwa ein testsignalbasiertes Verfahren zum Einsatz kommt. The invention makes it possible to estimate offset errors of a three-axis acceleration sensor in such a way that systematic estimation errors of the offset are prevented from occurring as a result of small sensitivity errors. Such sensitivity errors can still remain even after sensitivity errors and orthogonality errors have already been corrected beforehand, with a test-signal-based method being used, for example.
Die minimale Anzahl an Messorientierungen, die zur Kalibration des Offsets eines dreiachsigen Beschleunigungssensors benötigt werden, ist drei. Typischerweise wird der Beschleunigungssensor hierzu so ausgerichtet, dass jede der drei Sensorachsen jeweils einmal parallel zum Erdbeschleunigungsvektor ausgerichtet ist. Auf Grund der Sensitivitätsfehler weist der so ermittelte Offset jedoch einen systematischen Fehler auf, d.h. die Verteilung des Offsetfehlers ist nicht mittelwertfrei. Um dies zu verhindern, müssen die Messorientierungen gleichmäßig im Raum verteilt werden. Bei drei Messorientierungen kann eine solche Verteilung jedoch nur in einer Ebene erreicht werden, sodass der Offset nur für zwei Achsen des Beschleunigungssensors bestimmt werden kann. Um den kompletten Offset so zu schätzen, dass keine systematischen Schätzfehler auftreten, werden somit mindestens vier Messorientierungen benötigt. The minimum number of measurement orientations needed to calibrate the offset of a triaxial accelerometer is three. For this purpose, the acceleration sensor is typically aligned in such a way that each of the three sensor axes is aligned once parallel to the gravitational acceleration vector. Due to the sensitivity error, however, the offset determined in this way shows a systematic error, i.e. the distribution of the offset error is not free of mean values. To prevent this, the measurement orientations must be evenly distributed in space. With three measurement orientations, however, such a distribution can only be achieved in one plane, so that the offset can only be determined for two axes of the acceleration sensor. In order to estimate the complete offset in such a way that no systematic estimation errors occur, at least four measurement orientations are required.
Die Erfindung ermöglicht es, genau vier Messorientierungen zu verwenden, anstelle der sonst meist verwendeten sechs Messorientierungen (+g und -g für jede der drei Sensorachsen). Die Offsetfehler können dadurch in möglichst kurzer Zeit ermittelt werden, da die Kalibrationszeit aufgrund der geringeren Anzahl an Messorientierungen reduziert ist. Die Anzahl der Messorientierungen wird somit auf das Minimum reduziert, um einen mittelwertfreien Offsetfehler für alle Sensorachsen zu erhalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors werden die vier Messorientierungen derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen im Wesentlichen entlang von Symmetrieachsen eines um einen Koordinatenursprung des Sensorkoordinatensystems zentrierten regelmäßigen Tetraeders ausgerichtet ist. Hierbei handelt es sich um die Symmetrieachsen, die die Ecken des Tetraeders mit den Mittelpunkten der gegenüberliegenden Seitenflächen verbinden. Die Messorientierungen sind somit derart im Raum verteilt, dass die Winkel zwischen den Beschleunigungsvektoren für jede Kombination zweier Messorientierungen gleich sind. Durch diese optimale Verteilung und Ausrichtung der Messorientierungen ist es möglich, den systematischen Einfluss der Sensitivitätsfehler zu minimieren und einen mittelwertfreien Offsetfehler für alle Sensorachsen zu erhalten. The invention makes it possible to use exactly four measurement orientations instead of the six measurement orientations that are usually used (+g and -g for each of the three sensor axes). The offset errors can thus be determined in the shortest possible time, since the calibration time is reduced due to the smaller number of measurement orientations. The number of measurement orientations is thus reduced to a minimum in order to obtain an offset error for all sensor axes that is free of mean values. According to a further embodiment of the method for calibrating the three-axis acceleration sensor, the four measurement orientations are selected in such a way that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the acceleration sensor for the four measurement orientations is aligned essentially along symmetry axes of a regular tetrahedron centered around a coordinate origin of the sensor coordinate system. These are the lines of symmetry that connect the corners of the tetrahedron to the midpoints of opposite faces. The measurement orientations are thus distributed in space in such a way that the angles between the acceleration vectors are the same for each combination of two measurement orientations. This optimal distribution and alignment of the measurement orientations makes it possible to minimize the systematic influence of sensitivity errors and to obtain an offset error for all sensor axes that is free of mean values.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors werden die Messorientierungen derart gewählt, dass für jede Messorientierung die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssignals für jede Achse des Beschleunigungssensors im Wesentlichen einen Betrag von g/ [ aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass die Verteilung des Offsetfehlers für alle Sensorachsen möglichst gleich ist. According to a further embodiment of the method for calibrating the three-axis acceleration sensor, the measurement orientations are selected in such a way that for each measurement orientation the acceleration values of the acceleration signal for each axis of the acceleration sensor essentially have a magnitude of g/[. This ensures that the distribution of the offset error is as equal as possible for all sensor axes.
In der Praxis ist es jedoch nicht entscheidend für das beschriebene Verfahren, dass die idealen Messorientierungen exakt eingehalten werden. Ähnlich gute Ergebnisse können mit Messorientierungen erzielt werden, die geringfügig von den idealen Messorientierungen abweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass für die Messorientierungen die Richtung der Erdbeschleunigung höchstens um einen vorgegebenen Winkel (etwa von 10°) von der optimalen Richtung abweicht. Dadurch können Kosten für die erforderliche Messtechnik gespart werden und die Messdauer und der Berechnungsaufwand können reduziert werden. In practice, however, it is not crucial for the method described that the ideal measurement orientations are adhered to exactly. Similarly good results can be obtained with measurement orientations that deviate slightly from the ideal measurement orientations. For example, it can be provided that for the measurement orientations the direction of the gravitational acceleration deviates from the optimal direction by at most a predetermined angle (approximately 10°). As a result, costs for the required measurement technology can be saved and the measurement duration and the calculation effort can be reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors können für jede Messorientierung die Sensorsignale vor der eigentlichen Schätzung vorverarbeitet werden, z.B. durch Mittelung. Nachdem die vorverarbeiteten Sensorsignale a , ... a4 für alle vier vordefmierten Messorientierungen gespeichert wurden, wird unter Ausnutzung der Tatsache, dass die Beträge der Offsetkompensierten, gemittelten Beschleunigungssignale jeweils dem Betrag der Erdbeschleunigung g entsprechen sollten, der Offset o geschätzt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird der Beschleunigungssensor in jeder der vier Messorientierungen für einen vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitraum in Ruhe gehalten. In jeder Messorientierung wird für jede Achse des Beschleunigungssensors eine Vielzahl von Messwerten erfasst. Für jede Messorientierung wird eine Mittelung der für die einzelnen Achsen des Beschleunigungssensors erfassten Messwerte durchgeführt. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the sensor signals can be pre-processed for each measurement orientation before the actual estimation, for example by averaging. After the preprocessed sensor signals a , . According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the acceleration sensor is kept stationary in each of the four measurement orientations for a predetermined or predeterminable period of time. A large number of measured values are recorded for each axis of the acceleration sensor in each measurement orientation. For each measurement orientation, the measured values recorded for the individual axes of the acceleration sensor are averaged.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors umfasst das Ermitteln des Offsets das Lösen eines Optimierungsproblems, um die Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einem Betrag von Offset-kompensierten Beschleunigungssignalen und einem Betrag der Erdbeschleunigung zu minimieren. Demnach wird folgendes Optimierungsproblem gelöst: min y (||an — 0II2 - g)2. 0 <n=l According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, determining the offset includes solving an optimization problem in order to minimize the sum of quadratic deviations between an amount of offset-compensated acceleration signals and an amount of the acceleration due to gravity. Accordingly, the following optimization problem is solved: min y (||a n — 0II2 - g) 2 . 0<n=l
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Optimierungsproblem mittels eines Gauß-Newton- Algorithmus gelöst. Die Lösung kann dadurch innerhalb von wenigen Iterationen erzeugt werden. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the optimization problem is solved using a Gauss-Newton algorithm. The solution can thus be generated within a few iterations.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird anhand von Beschleunigungssignalen des Beschleunigungssensors erkannt, ob sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, acceleration signals from the acceleration sensor are used to identify whether the acceleration sensor is at rest.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird der Beschleunigungssensor mittels einer zum Kalibrieren verwendeten Maschine in die vier verschiedenen Messorientierungen gebracht. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the acceleration sensor is brought into the four different measurement orientations by means of a machine used for the calibration.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Ermitteln des Offsets auf einem in dem Beschleunigungssensor integrierten Mikroprozessor durchgeführt. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the offset is determined on a microprocessor integrated in the acceleration sensor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors wird das Verfahren nach dem Verbauen des Beschleunigungssensors in einer Vorrichtung, insbesondere einem Smartphone, einem Hearable oder einem Wearable, durchgeführt. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, the method is carried out after the installation of the Acceleration sensor performed in a device, in particular a smartphone, a hearable or a wearable.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren bei der Band-Ende- Trimmung und -Kontrolle durchgefuhrt. According to one embodiment of the invention, the method is carried out in end-of-strip trimming and inspection.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung kann das Verfahren während der Nutzung durch Endnutzer durchgefuhrt werden. Ein Nutzer des Verfahrens kann mit Hilfe einer visuellen, audiovisuellen oder weiteren Anleitung bei der Anwendung des Verfahrens unterstützt werden. According to one embodiment of the invention, the method can be carried out during use by end users. A user of the method can be assisted in using the method with the aid of visual, audio-visual or other instructions.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren auf einem im Sensormodul integrierten Mikroprozessor durchgeführt. Weiter kann auch vorgesehen sein, das Verfahren auf einem Prozessor des Geräts durchzuführen, in das der Sensor integriert ist. According to one embodiment of the invention, the method is carried out on a microprocessor integrated in the sensor module. Provision can also be made for the method to be carried out on a processor of the device in which the sensor is integrated.
Der Beschleunigungssensor kann ab dem Start des Verfahrens kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten Messdaten aufnehmen. Anhand der gemessenen Daten wird selbstständig bestimmt, wann eine Messorientierung vorliegt, indem z.B. die Varianz mehrerer aufeinanderfolgender Messwerte mit einem Schwellwert verglichen wird, um festzustellen, ob sich der Sensor in Ruhe befindet. From the start of the method, the acceleration sensor can record measurement data continuously or at specific times. Based on the measured data, it is automatically determined when there is a measurement orientation, for example by comparing the variance of several consecutive measured values with a threshold value in order to determine whether the sensor is at rest.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors kann ein Nutzer und/oder eine Maschine zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors das Verfahren initiieren. Der Nutzer und/oder die Maschine können mittels eines Triggers signalisieren, wann eine Messorientierung erreicht wurde. According to a further embodiment of the method for calibrating the acceleration sensor, a user and/or a machine for calibrating the acceleration sensor can initiate the method. The user and/or the machine can use a trigger to signal when a measurement orientation has been reached.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführung der Erfindung; und Figur 2 eine schematische Illustration von Messorientierungen gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors. FIG. 1 shows a flow chart of a method for calibrating a three-axis acceleration sensor according to an embodiment of the invention; and FIG. 2 shows a schematic illustration of measurement orientations according to an embodiment of the method for calibrating the three-axis acceleration sensor.
Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. The numbering of method steps is for the sake of clarity and should not generally imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out simultaneously.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors. Das Verfahren kann nach dem Verbauen des Beschleunigungssensors in einer Vorrichtung, insbesondere einem Smartphone, einem Hearable oder einem Wearable, durchgefuhrt werden. FIG. 1 shows a flow chart of a method for calibrating a three-axis acceleration sensor. The method can be carried out after the acceleration sensor has been installed in a device, in particular a smartphone, a hearable or a wearable.
Im ersten Verfahrensschritt S1 wird das Verfahren zum Kalibrieren des dreiachsigen Beschleunigungssensors gestartet. Das Verfahren zum Kalibrieren kann automatisch gestartet werden oder durch einen Benutzer getriggert werden. In the first method step S1, the method for calibrating the three-axis acceleration sensor is started. The calibration process can be started automatically or triggered by a user.
Der Beschleunigungssensor kann zum Kalibrieren in eine Maschine eingebracht werden, welche den Beschleunigungssensor in vorgegebene Messorientierungen bringen kann. Die Maschine kann auch eine Recheneinrichtung zur Berechnung des Offset-Messfehlers umfassen und wird hierzu mit dem Beschleunigungssensor gekoppelt, um Messsignale von dem Beschleunigungssensor zu empfangen und Kalibriersignale an den Beschleunigungssensor zu senden. For calibration, the acceleration sensor can be introduced into a machine which can bring the acceleration sensor into predetermined measurement orientations. The machine can also include a computing device for calculating the offset measurement error and is coupled to the acceleration sensor for this purpose in order to receive measurement signals from the acceleration sensor and to send calibration signals to the acceleration sensor.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann auch ein in dem Beschleunigungssensor integrierter Mikroprozessor den Offset ermitteln. However, the invention is not limited to this. A microprocessor integrated in the acceleration sensor can also determine the offset.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird der Beschleunigungssensor durch die Maschine oder durch einen Benutzer derart räumlich ausgerichtet, dass er in eine erste Messorientierung gebracht wird. Wenn sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet, können die vom Beschleunigungssensor erfassten Messdaten für die Kalibrierung verwendet werden. Der Beschleunigungssensor erfasst hierbei für jede der drei Achsen des Beschleunigungssensors mindestens einen Messwert, d. h. mindestens einen Beschleunigungsmesswert für jede Achse. Es kann vorgesehen sein, dass sich der Beschleunigungssensor über einen bestimmten Zeitraum hinweg in Ruhe befindet, bevor die Messdaten erfasst werden, welche für die Kalibrierung verwendet werden. Ob sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet, kann ebenfalls anhand von Messdaten des Beschleunigungssensors ermittelt werden. Die Länge des Zeitraums während welchem sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befinden soll, kann vom Sensorrauschen, dem Umgebungsrauschen, sowie der gewünschten Bestimmungsgenauigkeit des Offsets abhängen und vorgegeben sein oder durch einen Anwender eingestellt werden. In a second method step S2, the acceleration sensor is spatially aligned by the machine or by a user in such a way that it is brought into a first measurement orientation. When the accelerometer is at rest, the measurement data captured by the accelerometer can be used for calibration. The acceleration sensor records at least one measured value for each of the three axes of the acceleration sensor, ie at least one measured acceleration value for each axis. Provision can be made for the acceleration sensor to be at rest for a specific period of time before the measurement data used for the calibration is recorded. Whether the acceleration sensor is at rest can also be determined using measurement data from the acceleration sensor. The length of time during which the acceleration sensor should be at rest can depend on the sensor noise, the ambient noise and the desired accuracy of determination of the offset and can be specified or set by a user.
Falls der Beschleunigungssensor mittels einer Maschine in die Messorientierungen bewegt wird, kann auch direkt nach dem Erreichen der jeweiligen Position mit dem Erfassen der Messdaten begonnen werden, welche für die Kalibrierung verwendet werden. If the acceleration sensor is moved into the measurement orientations by means of a machine, it is also possible to start acquiring the measurement data, which are used for the calibration, directly after the respective position has been reached.
In einem weiteren Schritt S3 erfolgt eine Vorverarbeitung der Messdaten. Hierzu können verschiedene Messwerte gemittelt werden, um somit einen gemittelten Messwert für jede der Achsen des Beschleunigungssensors zu berechnen. Für die folgenden Berechnungen können die gemittelten Messwerte herangezogen werden. In a further step S3, the measurement data is pre-processed. For this purpose, different measured values can be averaged in order to calculate an averaged measured value for each of the axes of the acceleration sensor. The averaged measured values can be used for the following calculations.
In einem Verfahrensschritt S4 wird der gemittelten Messwert nach Ablauf eines Zeitintervalls gespeichert. In a method step S4, the averaged measured value is stored after a time interval has elapsed.
In einem Verfahrensschritt S5 wird ermittelt, ob der Beschleunigungssensor noch in weitere Messorientierungen gebracht werden soll. Ist dies der Fall, wird der Beschleunigungssensor durch die Maschine oder durch den Anwender in eine weitere noch verbleibende Messorientierung gebracht und die Schritte S2 bis S4 werden für diese Messorientierung erneut durchgeführt. Dies erfolgt solange, bis der Beschleunigungssensor in vier verschiedene Messorientierungen gebracht wurde. Die vier Messorientierungen sind derart gewählt, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen in verschiedene, nicht komplanare (also nicht in einer Ebene liegende) Richtungen zeigt. In a method step S5, it is determined whether the acceleration sensor is to be brought into further measurement orientations. If this is the case, the machine or the user moves the acceleration sensor into a further remaining measurement orientation and steps S2 to S4 are carried out again for this measurement orientation. This continues until the acceleration sensor has been brought into four different measurement orientations. The four measurement orientations are selected in such a way that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the acceleration sensor for the four measurement orientations points in different, non-coplanar (ie not in one plane) directions.
Nachdem der Beschleunigungssensor in alle vier Messorientierungen gebracht wurde und entsprechende Messwerte erfasst, ggfs. gemittelt und gespeichert wurden, wird in einem Verfahrensschritt S6 ein Offset-Messfehler anhand der gespeicherten Messwerte geschätzt. Der Offset kann durch Lösen eines Optimierungsproblems bestimmt werden, wobei die Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einem Betrag von Offsetkompensierten Beschleunigungssignalen und einem Betrag der Erdbeschleunigung minimiert wird. Das Optimierungsproblem kann mittels eines Gauß-Newton-Algorithmus gelöst werden. After the acceleration sensor has been brought into all four measurement orientations and corresponding measurement values have been recorded, if necessary averaged and stored, in a method step S6 an offset measurement error is calculated using the stored measurement values estimated. The offset can be determined by solving an optimization problem where the sum of squared deviations between a magnitude of offset-compensated acceleration signals and a magnitude of the acceleration due to gravity is minimized. The optimization problem can be solved using a Gauss-Newton algorithm.
In einem Verfahrensschritt S7 wird der geschätzte Offset bereitgestellt. Der Beschleunigungssensor kann anhand des bereitgestellten Offsets kalibriert werden. Figur 2 zeigt eine schematische Illustration von Messorientierungen. DieThe estimated offset is provided in a method step S7. The accelerometer can be calibrated using the provided offset. FIG. 2 shows a schematic illustration of measurement orientations. the
Koordinatenachsen x, y, z entsprechen den drei Messachsen und geben somit ein Sensorkoordinatensystem vor. Weiter sind vier verschiedene Messorientierungen RI bis R4 eingezeichnet, welche entlang von Symmetrieachsen eines um einen Koordinatenursprung des Sensorkoordinatensystems zentrierten regelmäßigen Tetraeders T ausgerichtet ist. Bevorzugt weisen für jede Messorientierung die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssignals für jede Achse x, y, z des Beschleunigungssensors im Wesentlichen einen Betrag von g/ [ auf. Coordinate axes x, y, z correspond to the three measurement axes and thus specify a sensor coordinate system. Four different measurement orientations RI to R4 are also shown, which are aligned along symmetry axes of a regular tetrahedron T centered around a coordinate origin of the sensor coordinate system. The acceleration values of the acceleration signal for each axis x, y, z of the acceleration sensor preferably have an absolute value of g/[ for each measurement orientation.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Kalibrieren eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, bei dem der Beschleunigungssensor räumlich ausgerichtet wird, indem er nacheinander in vier verschiedene Messorientierungen gebracht wird, die so gewählt sind, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen in verschiedene, nicht komplanare Richtungen (R1-R4) zeigt, bei dem in jeder der vier Messorientierungen für jede Achse (x, y, z) des Beschleunigungssensors mindestens ein Messwert erfasst wird, wenn sich der Beschleunigungssensor in der jeweiligen Messorientierung in Ruhe befindet, und bei dem unter Verwendung der erfassten Messwerte ein Offset zur Kompensation eines Offset-Messfehlers ermittelt wird. 1. Method for calibrating a three-axis accelerometer, in which the accelerometer is spatially aligned by successively bringing it into four different measurement orientations, which are chosen such that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the accelerometer for the four measurement orientations is in different, non-coplanar directions ( R1-R4), in which at least one measured value is recorded in each of the four measurement orientations for each axis (x, y, z) of the acceleration sensor when the acceleration sensor is at rest in the respective measurement orientation, and in which using the recorded Measured values, an offset to compensate for an offset measurement error is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vier Messorientierungen derart gewählt werden, dass die Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem des Beschleunigungssensors für die vier Messorientierungen im Wesentlichen entlang von Symmetrieachsen eines um einen Koordinatenursprung des Sensorkoordinatensystems zentrierten regelmäßigen Tetraeders ausgerichtet ist. 2. The method as claimed in claim 1, in which the four measurement orientations are selected such that the gravitational acceleration in the sensor coordinate system of the acceleration sensor for the four measurement orientations is aligned essentially along axes of symmetry of a regular tetrahedron centered around a coordinate origin of the sensor coordinate system.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Messorientierungen derart gewählt werden, dass für jede Messorientierung die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssignals für jede Achse (x, y, z) des Beschleunigungssensors im Wesentlichen einen Betrag von g/ [ aufweisen. 3. The method as claimed in claim 2, in which the measurement orientations are selected in such a way that for each measurement orientation the acceleration values of the acceleration signal for each axis (x, y, z) of the acceleration sensor essentially have an absolute value of g/[.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Beschleunigungssensor in jeder der vier Messorientierungen für einen vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitraum in Ruhe gehalten wird, wobei in jeder Messorientierung für jede Achse (x, y, z) des Beschleunigungssensors eine Vielzahl von Messwerten erfasst wird, und bei dem für jede Messorientierung eine Mittelung der für die einzelnen Achsen (x, y, z) des Beschleunigungssensors erfassten Messwerte durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermiteln des Offsets das Lösen eines Optimierungsproblems umfasst, um die Summe von quadratischen Abweichungen zwischen einem Betrag von Offset-kompensierten Beschleunigungssignalen und einem Betrag der Erdbeschleunigung zu minimieren. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Optimierungsproblem mitels eines Gauß- Newton-Algorithmus gelöst wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anhand von Beschleunigungssignalen des Beschleunigungssensors erkannt wird, ob sich der Beschleunigungssensor in Ruhe befindet. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Beschleunigungssensor mitels einer zum Kalibrieren verwendeten Maschine in die vier verschiedenen Messorientierungen gebracht wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermiteln des Offsets auf einem in dem Beschleunigungssensor integrierten Mikroprozessor durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren nach dem Verbauen des Beschleunigungssensors in einer Vorrichtung, insbesondere einem Smartphone, einem Hearable oder einem Wearable, durchgeführt wird. 4. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the acceleration sensor is kept stationary in each of the four measurement orientations for a predetermined or predeterminable period of time, a large number of measured values being recorded in each measurement orientation for each axis (x, y, z) of the acceleration sensor and in which the measured values recorded for the individual axes (x, y, z) of the acceleration sensor are averaged for each measurement orientation. A method according to any one of the preceding claims, wherein determining the offset comprises solving an optimization problem to minimize the sum of squared deviations between a magnitude of offset-compensated acceleration signals and a magnitude of the acceleration due to gravity. Method according to Claim 5, in which the optimization problem is solved using a Gauss-Newton algorithm. Method according to one of the preceding claims, wherein it is detected on the basis of acceleration signals from the acceleration sensor whether the acceleration sensor is at rest. Method according to one of the preceding claims, in which the acceleration sensor is brought into the four different measurement orientations by means of a machine used for calibration. Method according to one of the preceding claims, in which the determination of the offset is carried out on a microprocessor which is integrated in the acceleration sensor. Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out after the acceleration sensor has been installed in a device, in particular a smartphone, a hearable or a wearable.
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