DE102024002670B3 - Sensor arrangement and method for merging multiple sensor states - Google Patents
Sensor arrangement and method for merging multiple sensor statesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1), umfassend zumindest:
- eine Mehrzahl von Sensoren (S1 bis Sm),
- mindestens ein Gewichtungsmodul (G1 bis Gm), dem Sensorsignale (Si(S1) bis Si(Sm)) der Sensoren (S1 bis Sm) zuführbar sind, und
- ein dem mindestens einen Gewichtungsmodul (G1 bis Gm) nachgeschaltetes Sensorfusionsmodul (4), dem gewichtete Sensorzustände (gSZ(S1) bis gSZ(Sm)) zuführbar sind,
wobei jeder Sensor (S1 bis Sm) einen zugehörigen Kalman-Filter (KF1 bis KFm) umfasst, der eingerichtet ist, zyklisch entweder einen sensorbasierten Sensorzustand (sSZ(S1) bis s(SZ(Sm)) zu ermitteln oder ausschließlich einen modellbasierten Sensorzustand (mSZ(S1) bis mSZ(Sm)) zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen,
wobei das Gewichtungsmodul (G1 bis Gm) eingerichtet ist, die ermittelten Sensorzustände (sSZ(S1) bis sSZ(Sm), mSZ(S1) bis mSZ(Sm)) in Abhängigkeit von ihrem Verhältnis zueinander zu gewichten, und
wobei das Sensorfusionsmodul (4) eingerichtet ist, die gewichteten Sensorzustände (gSZ(S1) bis gSZ(Sm)) aller Sensoren (S1 bis Sm) zu fusionieren und einen Sensorfusionswert (SFW) zu ermitteln.
The invention relates to a sensor arrangement (1) comprising at least:
- a plurality of sensors (S1 to Sm),
- at least one weighting module (G1 to Gm) to which sensor signals (Si(S1) to Si(Sm)) of the sensors (S1 to Sm) can be fed, and
- a sensor fusion module (4) connected downstream of the at least one weighting module (G1 to Gm), to which weighted sensor states (gSZ(S1) to gSZ(Sm)) can be supplied,
wherein each sensor (S1 to Sm) comprises an associated Kalman filter (KF1 to KFm) which is configured to cyclically determine either a sensor-based sensor state (sSZ(S1) to s(SZ(Sm)) or to exclusively determine, in particular to predict, a model-based sensor state (mSZ(S1) to mSZ(Sm)),
wherein the weighting module (G1 to Gm) is configured to weight the determined sensor states (sSZ(S1) to sSZ(Sm), mSZ(S1) to mSZ(Sm)) depending on their relationship to one another, and
wherein the sensor fusion module (4) is configured to fuse the weighted sensor states (gSZ(S1) to gSZ(Sm)) of all sensors (S1 to Sm) and to determine a sensor fusion value (SFW).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Fusionierung mehrerer Sensoren einer Sensoranordnung.The invention relates to a sensor arrangement according to the features of the preamble of claim 1 and a method for fusing several sensors of a sensor arrangement.
Sensoranordnungen, ausgebildet als Multisensoren, umfassend eine Vielzahl von Sensoren zur Bestimmung eines Zustands, zum Beispiel einer physikalischen Größe, eines Systems, einer Umgebung, eines Objekts oder dergleichen, sind allgemein bekannt. Sensoren sind häufig fehlerbehaftet. Zudem können bei einer solchen Multisensoranordnung einzelne Sensoren ausfallen oder fehlerhafte Messdaten liefern.Sensor arrangements designed as multisensors, comprising a plurality of sensors for determining a state, for example, a physical quantity, a system, an environment, an object, or the like, are well known. Sensors are often subject to faults. Furthermore, in such a multisensor arrangement, individual sensors can fail or provide erroneous measurement data.
Aus der
Die
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung bereitzustellen, welche auch im Fehlerfall einen hinreichend genauen Zustand ermittelt. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betrieb der Sensoranordnung anzugeben.The invention is based on the object of providing a sensor arrangement that determines a sufficiently accurate status even in the event of a fault. Furthermore, a method for operating the sensor arrangement is to be specified.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.The first-mentioned object is achieved according to the invention by a sensor arrangement having the features of claim 1. The second-mentioned object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 12.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst zumindest eine Mehrzahl von Sensoren, mindestens ein Gewichtungsmodul, dem Sensorsignale der Sensoren zuführbar sind, und ein dem mindestens einem Gewichtungsmodul nachgeschaltetes Sensorfusionsmodul, dem gewichtete Sensorzustände zuführbar sind, wobei jeder Sensor einen zugehörigen Kalman-Filter umfasst, der eingerichtet ist, zyklisch entweder einen sensorbasierten Sensorzustand zu ermitteln, insbesondere zu schätzen, oder ausschließlich einen modellbasierten Sensorzustand zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen, wobei das Gewichtungsmodul eingerichtet ist, die ermittelten Sensorzustände in Abhängigkeit von ihrem Verhältnis zueinander zu gewichten, und wobei das Sensorfusionsmodul eingerichtet ist, die gewichteten Sensorzustände aller Sensoren zu fusionieren und einen Sensorfusionswert zu ermitteln.The sensor arrangement according to the invention comprises at least a plurality of sensors, at least one weighting module to which sensor signals from the sensors can be fed, and a sensor fusion module connected downstream of the at least one weighting module to which weighted sensor states can be fed, wherein each sensor comprises an associated Kalman filter which is configured to cyclically either determine, in particular estimate, a sensor-based sensor state or exclusively determine, in particular predict, a model-based sensor state, wherein the weighting module is configured to weight the determined sensor states depending on their relationship to one another, and wherein the sensor fusion module is configured to fuse the weighted sensor states of all sensors and determine a sensor fusion value.
Vorzugsweise kann der jeweilige Kalman-Filter eingerichtet sein, beispielsweise aktuelle Sensorsignale des zugehörigen Sensors zu verarbeiten und je Zyklus
- - entweder den Sensorzustand mittels eines Modells anhand der aktuellen Sensorsignale und anhand von Modelldaten oder nur anhand der aktuellen Sensorsignale zu schätzen
- - oder, wenn keine aktuellen Sensorsignale verfügbar sind, den Sensorzustand ausschließlich mittels des Modells anhand von Modelldaten vorherzusagen.
- - either to estimate the sensor state using a model based on the current sensor signals and model data or only based on the current sensor signals
- - or, if no current sensor signals are available, to predict the sensor state using the model based on model data only.
Darüber hinaus kann der Kalman-Filter eingerichtet sein, über einen vorgegebenen Zeitbereich und/oder über eine vorgegebene Anzahl von Zyklen für den jeweiligen Sensor oder jeden Sensor dessen beziehungsweise deren Sensorzustände zu ermitteln, insbesondere dessen/deren sensorbasierte Sensorzustände zu ermitteln, vorzugsweise zu schätzen, und/oder ausschließlich dessen/deren modellbasierte Sensorzustände zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen.Furthermore, the Kalman filter can be configured to determine the sensor states of the respective sensor or each sensor over a predetermined time range and/or over a predetermined number of cycles, in particular to determine, preferably estimate, its sensor-based sensor states, and/or to determine, in particular predict, exclusively its model-based sensor states.
Zusätzlich kann der jeweilige Kalman-Filter des zugehörigen Sensors bei Überschreitung des vorgegebenen Zeitbereichs und/oder der vorgegebenen Anzahl von Zyklen und fehlender Sensorwerte von diesem Sensor deaktivierbar sein.In addition, the respective Kalman filter of the associated sensor can be deactivated if the specified time range and/or the specified number of cycles is exceeded and sensor values from this sensor are missing.
Des Weiteren kann der jeweilige Kalman-Filter des zugehörigen Sensors eingerichtet sein, die über den vorgegebenen Zeitbereich und/oder über die vorgegebene Anzahl von Zyklen für diesen Sensor ermittelten sensorbasierten Sensorzustände und/oder die ausschließlich modellbasierten Sensorzustände dem zugehörigen Gewichtungsmodul zur Gewichtung zuzuführen und diese zu gewichten.Furthermore, the respective Kalman filter of the associated sensor can be configured to feed the sensor-based sensor states determined for this sensor over the specified time range and/or over the specified number of cycles and/or the exclusively model-based sensor states to the associated weighting module for weighting and to weight them.
Beispielsweise kann das Gewichtungsmodul eingerichtet sein, alle über den vorgegebenen Zeitbereich und/oder über die vorgegebene Anzahl von Zyklen ermittelten sensorbasierten Sensorzustände und/oder ausschließlich modellbasierten Sensorzustände des jeweiligen Sensors gewichtet zu kombinieren.For example, the weighting module can be configured to combine all sensor-based sensor states determined over the specified time range and/or over the specified number of cycles and/or exclusively model-based sensor states of the respective sensor in a weighted manner.
Zusätzlich kann das Gewichtungsmodul eingerichtet sein, die über den vorgegebenen Zeitbereich und/oder über die vorgegebene Anzahl von Zyklen ermittelte Anzahl von sensorbasierten Sensorzuständen und die ermittelte Anzahl von modellbasierten Sensorzuständen des jeweiligen Sensors zu vergleichen und derart zu gewichten, dass, wenn die Anzahl sensorbasierter Sensorzustände höher als die Anzahl modellbasierter Sensorzustände des betreffenden Sensors über dem vorgegebenen Zeitbereich beziehungsweise über die vorgegebene Anzahl von Zyklen ist, ein gewichteter Sensorzustand dieses Sensors höher gewichtet wird als bei umgekehrter Anzahl.In addition, the weighting module can be configured to compare the number of sensor-based sensor states determined over the specified time range and/or over the specified number of cycles and the determined number of model-based sensor states of the respective sensor and to weight them in such a way that, if the number of sensor-based sensor states is higher than the number of model-based sensor states of the respective sensor over the specified time range or over the specified number of cycles, a weighted sensor state of this sensor is weighted higher than if the number is reversed.
Optional kann sowohl die ermittelte Anzahl der sensorbasierten Sensorzustände und die ermittelte Anzahl der modellbasierten Sensorzustände aller Kalman-Filter als auch die ermittelten gewichteten Sensorzustände aller Sensoren einem Normierungsmodul zuführbar sein, welches eingerichtet ist, die Sensorzustände und/oder gewichtete Sensorzustände aller Sensoren zu normieren oder zu vereinheitlichen.Optionally, both the determined number of sensor-based sensor states and the determined number of model-based sensor states of all Kalman filters as well as the determined weighted sensor states of all sensors can be fed to a normalization module which is configured to normalize or standardize the sensor states and/or weighted sensor states of all sensors.
Darüber hinaus können die optional vereinheitlichten Sensorzustände und/oder gewichteten Sensorzustände aller Sensoren dem Fusionsmodul zuführbar sein, das eingerichtet ist, die optional vereinheitlichen Sensorzustände und/oder gewichteten Sensorzustände mit der jeweiligen dynamischen Gewichtung zu verknüpfen und daraus resultierend den Sensorfusionswert für den betrachteten vorgegebenen Zeitraum oder für die betrachteten vorgegebenen Zyklen zu ermitteln.In addition, the optionally unified sensor states and/or weighted sensor states of all sensors can be fed to the fusion module, which is configured to link the optionally unified sensor states and/or weighted sensor states with the respective dynamic weighting and, as a result, to determine the sensor fusion value for the considered predefined period of time or for the considered predefined cycles.
Die Sensoren der Sensoranordnung, insbesondere ausgebildet als Multisensoranordnung, sind beispielsweise mikroelektronische Sensoren, die mechanische, physikalische und/oder chemische Messgrößen messen. Die Sensoren können beispielsweise zumindest aus folgenden Sensoren gebildet sein: Umgebungssensoren, Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Temperatursensoren, Neigungssensoren, 3D-Sensoren, 2D-Sensoren oder dergleichen.The sensors of the sensor arrangement, in particular designed as a multi-sensor arrangement, are, for example, microelectronic sensors that measure mechanical, physical, and/or chemical variables. The sensors can, for example, consist of at least the following sensors: environmental sensors, radar sensors, lidar sensors, camera sensors, speed sensors, acceleration sensors, yaw rate sensors, temperature sensors, inclination sensors, 3D sensors, 2D sensors, or the like.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Sensoranordnung, insbesondere zur Fusionierung der Sensorsignale der mehreren Sensoren dieser Sensoranordnung mittels dynamischer Gewichtung von ermittelten Sensorzuständen, sieht vor, dass jeder Sensor einen zugehörigen Kalman-Filter umfasst, der zyklisch entweder einen sensorbasierten Sensorzustand ermittelt, insbesondere schätzt, oder ausschließlich einen modellbasierten Sensorzustand ermittelt, insbesondere vorhersagt, wobei anschließend die ermittelten sensorbasierten Sensorzustände oder die ermittelten modellbasierten Sensorzustände in Abhängigkeit von ihrem Verhältnis zueinander gewichtet werden und diese gewichteten Sensorzustände aller Sensoren fusioniert werden und ein Sensorfusionswert ermittelt wird.The method according to the invention for operating the sensor arrangement described above, in particular for fusing the sensor signals of the multiple sensors of this sensor arrangement by means of dynamic weighting of determined sensor states, provides that each sensor comprises an associated Kalman filter which cyclically either determines, in particular estimates, a sensor-based sensor state or exclusively determines, in particular predicts, a model-based sensor state, wherein the determined sensor-based sensor states or the determined model-based sensor states are subsequently weighted depending on their relationship to one another and these weighted sensor states of all sensors are fused and a sensor fusion value is determined.
Die zuvor beschriebene Sensoranordnung und die beschriebene dynamische Gewichtungsmethode kann beispielsweise angewendet werden in Messystemen mit mehreren Sensoren, welche im Sekundenbereich, von beispielsweise 3 Sekunden, Messwerte erfassen und übertragen, zum Beispiel bei Keyless-Go-Systemen, Sicherheitssystemen, wie Kollisionsüberwachungssystemen, Temperaturüberwachungssystemen in Elektrofahrzeugen oder dergleichen.The previously described sensor arrangement and the described dynamic weighting method can be used, for example, in measuring systems with multiple sensors which record and transmit measured values in the second range, for example 3 seconds, for example in keyless go systems, security systems such as collision monitoring systems, temperature monitoring systems in electric vehicles or the like.
Die dynamische Gewichtungsmethode ermöglicht eine äußerst reaktionsfähige und genaue Sensoranordnung, die sich in jedem Zyklus an Änderungen im Sensorverhalten der zugehörigen Sensoren dynamisch anpasst, zum Beispiel daran, ob die Sensoren aktiv Sensorsignale erfassen und übertragen oder nicht. Die dynamische Gewichtung (auch dynamische Gewichtungsmethode genannt) ist besonders bei kurzfristigen Echtzeitanwendungen, die eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Bedingungen erfordern, wie zum Beispiel Bewegung, Temperatur oder Stromverfolgung, anwendbar. Durch die Berücksichtigung von Sensorfehlfunktionen wird sichergestellt, dass der endgültige Sensorfusionswert genauer an den zu ermittelnden Zustand entsprechend der aktuellen Sensortätigkeit angepasst wird.The dynamic weighting method enables a highly responsive and accurate sensor array that dynamically adapts to changes in the sensor behavior of the associated sensors during each cycle, for example, whether the sensors are actively sensing and transmitting sensor signals or not. Dynamic weighting (also called the dynamic weighting method) is particularly applicable to short-term, real-time applications that require rapid response to changing conditions, such as motion, temperature, or power tracking. By taking sensor malfunctions into account, it ensures that the final sensor fusion value is more accurately adjusted to the state to be determined based on the current sensor activity.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch ein Beispiel für eine Sensoranordnung mit einem zugehörigen Funktionsablaufplan, -
2 schematisch ein Beispiel für die Sensoranordnung mit zugehörigen Kalman-Filtern und deren Funktionsfähigkeit in Abhängigkeit von Sensoreingangssignalen, -
3 schematisch ein Diagramm zur Ermittlung eines Sensorfusionswertes über mehrere Messzyklen.
-
1 schematically an example of a sensor arrangement with an associated functional flow chart, -
2 schematically an example of the sensor arrangement with associated Kalman filters and their functionality depending on sensor input signals, -
3 schematic diagram for determining a sensor fusion value over several measurement cycles.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Mehrzahl von Sensoren S1 bis Sm.The sensor arrangement 1 comprises a plurality of sensors S1 to Sm.
Die Sensoren Sm können beispielsweise mikroelektronische Sensoren, die mechanische, physikalische und/oder chemische Messgrößen messen, sein. Insbesondere sind die Sensoren Sm in einem Fahrzeug eingebaut und dienen der Überwachung von Fahrzeugfunktionen und/oder Fahrzeuggrößen, wie zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugbeschleunigung, Fahrzeugumgebung oder dergleichen. Beispielsweise können die Sensoren Sm zumindest als Umgebungssensoren, Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Temperatursensoren, Neigungssensoren, 3D-Sensoren, 2D-Sensoren oder dergleichen ausgebildet sein.The sensors Sm can, for example, be microelectronic sensors that measure mechanical, physical, and/or chemical variables. In particular, the sensors Sm are installed in a vehicle and serve to monitor vehicle functions and/or vehicle variables, such as vehicle speed, vehicle acceleration, vehicle environment, or the like. For example, the sensors Sm can be designed as at least environmental sensors, radar sensors, lidar sensors, camera sensors, speed sensors, acceleration sensors, yaw rate sensors, temperature sensors, inclination sensors, 3D sensors, 2D sensors, or the like.
Die Sensoren Sm messen regelmäßig, insbesondere in vorgegebenen Zyklen Zn und/oder über einen vorgegebenen Zeitbereich T (dargestellt in
Die Sensoranordnung 1 umfasst darüber hinaus mindestens ein Gewichtungsmodul G1 bis Gm, dem die Sensorsignale Si(S1) bis Si(Sm) der Sensoren Sm zuführbar sind. Beispielsweise ist je Sensor Sm ein zugehöriges Gewichtungsmodul Gm zur Ermittlung von gewichteten Sensorzuständen gSZ(S1) bis gSZ(Sm) für den jeweiligen Sensor Sm anhand der zugeführten Sensorsignale Si(S1) bis Si(Sm) des betreffenden Sensors Sm vorgesehen.The sensor arrangement 1 further comprises at least one weighting module G1 to Gm, to which the sensor signals Si(S1) to Si(Sm) of the sensors Sm can be fed. For example, an associated weighting module Gm is provided for each sensor Sm for determining weighted sensor states gSZ(S1) to gSZ(Sm) for the respective sensor Sm based on the supplied sensor signals Si(S1) to Si(Sm) of the respective sensor Sm.
Dem mindestens einen Gewichtungsmodul Gm ist ein Sensorfusionsmodul 4 nachgeschaltet, dem zumindest die gewichteten Sensorzustände gSZ(S1) bis gSZ(Sm) aller Sensoren Sm zuführbar sind.The at least one weighting module Gm is followed by a sensor fusion module 4, to which at least the weighted sensor states gSZ(S1) to gSZ(Sm) of all sensors Sm can be fed.
Jeder Sensor Sm umfasst einen zugehörigen Kalman-Filter KF1 bis KFm, der eingerichtet ist, zyklisch entweder einen sensorbasierten Sensorzustand sSZ(S1) bis sSZ(Sm) zu ermitteln, insbesondere zu schätzen, oder ausschließlich einen modellbasierten Sensorzustand mSZ(S1) bis mSZ(Sm) zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen.Each sensor Sm comprises an associated Kalman filter KF1 to KFm, which is configured to cyclically either determine, in particular estimate, a sensor-based sensor state sSZ(S1) to sSZ(Sm), or exclusively determine, in particular predict, a model-based sensor state mSZ(S1) to mSZ(Sm).
Der jeweilige Kalman-Filter KFm kann beispielsweise ein gleitender-Mittelwert-Filter, ein Summenfilter, ein linearer Kalman-Filter, ein Unscented-Kalman-Filter, ein Extended-Kalman-Filter oder dergleichen sein.The respective Kalman filter KFm can be, for example, a moving average filter, a sum filter, a linear Kalman filter, an unscented Kalman filter, an extended Kalman filter or the like.
Das jeweilige Gewichtungsmodul Gm ist eingerichtet, die ermittelten Sensorzustände mSZ(Sm) und/oder sSZ(Sm) in Abhängigkeit von ihrem Verhältnis zueinander zu wichten und gewichtete Sensorzustände gSZ(S1) bis gSZ(Sm) je Sensor Sm zu ermitteln.The respective weighting module Gm is configured to weight the determined sensor states mSZ(Sm) and/or sSZ(Sm) depending on their relationship to each other and to determine weighted sensor states gSZ(S1) to gSZ(Sm) for each sensor Sm.
Das Sensorfusionsmodul 4 ist eingerichtet, die gewichteten Sensorzustände gSZ(S1) bis gSZ(Sm) aller Sensoren Sm zu fusionieren und einen Sensorfusionswert SFW zu ermitteln und in einem Speicher 8 zu speichern.The sensor fusion module 4 is configured to fuse the weighted sensor states gSZ(S1) to gSZ(Sm) of all sensors Sm and to determine a sensor fusion value SFW and to store it in a memory 8.
Optional kann zwischen dem/den Gewichtungsmodul/en Gm und dem Sensorfusionsmodul 4 ein Normierungsmodul 6 geschaltet sein. Das Normierungsmodul 6 ist beispielsweise eingerichtet, die gewichtete Sensorzustände gSZ(Sm) zu normieren, insbesondere zu vereinheitlichen, wie das am Beispiel nach
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 basiert auf einer dynamischen Gewichtungsmethode, welche Gewichtungsfaktoren GF1 bis GFm (kurz Gewichte genannt) in Echtzeit auf der Grundlage der Ergebnisse, insbesondere der zugeführten Sensorsignale Si(Sm), der Kalman-Filter KFm anpasst, die durch Sensorzeitüberschreitungen oder Signalverluste des jeweiligen Sensors S1 bis Sm beeinflusst werden können und vom Kalman-Filter KFm berücksichtigt werden.The sensor arrangement 1 according to the invention is based on a dynamic weighting method which adapts weighting factors GF1 to GFm (shortly called weights) in real time on the basis of the results, in particular of the supplied sensor signals Si(Sm), of the Kalman filter KFm, which can be influenced by sensor timeouts or signal losses of the respective sensor S1 to Sm and are taken into account by the Kalman filter KFm.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ermöglicht eine dynamische Gewichtung der gemessenen Sensorsignale Si(S1) bis Si(S3) ohne genaue Kenntnis der Eigenschaften der Sensoren S1 bis S3.The sensor arrangement 1 according to the invention enables a dynamic weighting of the measured sensor signals Si(S1) to Si(S3) without precise knowledge of the properties of the sensors S1 to S3.
Für herkömmliche Sensoranordnungen 1 ist es unerlässlich, Fehlerspannen, Reaktionen auf Einflüsse, wie zum Beispiel Umgebungseinflüsse, und die Variabilität der Messgenauigkeit in Abhängigkeit von Standort und Verwendung zu kennen.For conventional sensor arrangements 1 it is essential to consider error margins, responses to influences such as environmental influences, and to know the variability of measurement accuracy depending on location and use.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 basiert auf einer neuen dynamischen Gewichtungsmethode, welche detaillierte Informationen über Sensoreigenschaften nicht benötigt. Stattdessen nutzt die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 die dem jeweiligen Kalman-Filter F1 bis Fm inhärenten Daten, um sich an die einzigartigen Eigenschaften jedes Sensors S1 bis Sm anzupassen.The sensor arrangement 1 according to the invention is based on a new dynamic weighting method that does not require detailed information about sensor properties. Instead, the sensor arrangement 1 according to the invention uses the data inherent in the respective Kalman filter F1 to Fm to adapt to the unique properties of each sensor S1 to Sm.
Aus diesem Grunde umfasst die Sensoranordnung 1 je Sensor Sm ein zugehöriges Kalman-Filtern KFm. Mit anderen Worten: Jeder Sensor Sm ist mit einem eigenen Kalman-Filter KFm gepaart.For this reason, the sensor array 1 includes a corresponding Kalman filter KFm for each sensor Sm. In other words, each sensor Sm is paired with its own Kalman filter KFm.
Durch diese Konfiguration wird die Genauigkeit der erfassten Werte/Messdaten der Sensorsignale Si(Sm) mit jeder neuen Messung verbessert.This configuration improves the accuracy of the recorded values/measurement data of the sensor signals Si(Sm) with each new measurement.
Da jeder Sensor Sm mit einem speziellen Kalman-Filter KFm gekoppelt ist oder diesen umfasst, passt sich der betreffende Kalman-Filter KFm an die spezifischen Eigenschaften des zugehörigen Sensors Sm an. Folglich ist das Verhalten der Sensoren Sm in den Kalman-Filtern KFm selbst gekapselt und durch diese repräsentiert. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Sensoren Sm direkt aus den Kalman-Filtern KFm abgeleitet werden, die dann direkt für die Berechnung der bei der Sensorfusion verwendeten Gewichte verwendet werden.Since each sensor Sm is coupled to or includes a specific Kalman filter KFm, the corresponding Kalman filter KFm adapts to the specific properties of the associated sensor Sm. Consequently, the behavior of the sensors Sm is encapsulated and represented by the Kalman filters KFm themselves. This allows the reliability of the sensors Sm to be derived directly from the Kalman filters KFm, which are then used directly to calculate the weights used in sensor fusion.
Beispielsweise kann der Kalman-Filter KFm in eine Elektronikeinheit des jeweiligen elektronischen Sensors Sm als ein Software-Modul implementiert sein.For example, the Kalman filter KFm can be implemented in an electronic unit of the respective electronic sensor Sm as a software module.
Durch die dynamische Gewichtungsmethode ist kein umfangreiches Wissen über die verwendeten Sensoren Sm erforderlich, wodurch eine robuste Sensoranordnung 1 geschaffen ist oder wird, ohne dass zusätzliche Informationen benötigt werden.The dynamic weighting method does not require extensive knowledge of the sensors Sm used, thus creating a robust sensor array 1 without the need for additional information.
Die Sensoranordnung 1 ist insbesondere über ihre Module, wie den Kalman-Filtern KFm, dem Gewichtungsmodul Gm, dem optionalen Normierungsmodul 6 und dem Sensorfusionsmodul 4, eingerichtet, dass, wenn ein Sensor Sm vorübergehend keine Messdaten (= Sensorsignale Si(Sm) mehr sendet, dann aber wieder aufnimmt, die zuvor erfassten Sensorsignale Si(Sm) des betreffenden Sensors Sm und optional die fehlenden Sensorinformationen zu interpolieren. Hierzu ist das Kalman-Filter KFm des jeweiligen Sensors Sm entsprechend eingerichtet.The sensor arrangement 1 is configured, in particular via its modules such as the Kalman filters KFm, the weighting module Gm, the optional normalization module 6 and the sensor fusion module 4, to interpolate the previously acquired sensor signals Si(Sm) of the respective sensor Sm and optionally the missing sensor information when a sensor Sm temporarily stops transmitting measurement data (= sensor signals Si(Sm)) but then receives them again. For this purpose, the Kalman filter KFm of the respective sensor Sm is configured accordingly.
Hierzu umfasst das jeweilige Kalman-Filter KFm ein zugehöriges Modell, insbesondere ein mathematisches Modell, welches eingerichtet ist, unabhängig von der zu messenden physikalischen Größe und/oder anderen Messparametern und/oder von Sensoreigenschaften, sich an die Verfügbarkeit des jeweiligen Sensors Sm anzupassen. Beispielsweise ist das jeweilige Kalman-Filter KFm eingerichtet, anhand von Messaktivität, insbesondere Erfassungszeiten/ Verfügbarkeit des betreffenden Sensors Sm zum Messen oder von Nichterfassungszeiten/ Nichtverfügbarkeit des betreffenden Sensors Sm zum Messen, den jeweiligen Systemzustand des betreffenden Sensors Sm zu schätzen/vorherzusagen und einen modellbasierten Sensorzustand mSZ(Sm) zu erzeugen.For this purpose, the respective Kalman filter KFm comprises an associated model, in particular a mathematical model, which is configured to adapt to the availability of the respective sensor Sm, regardless of the physical quantity to be measured and/or other measurement parameters and/or sensor properties. For example, the respective Kalman filter KFm is configured to estimate/predict the respective system state of the respective sensor Sm based on measurement activity, in particular acquisition times/availability of the respective sensor Sm for measuring or non-acquisition times/unavailability of the respective sensor Sm for measuring, and to generate a model-based sensor state mSZ(Sm).
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Filtern nahm, wenn beispielsweise ein Sensor Sm über einen längeren Zeitraum keine Messdaten und somit keine Sensorsignale Si(Sm) mehr sendet, die Genauigkeit des betreffenden Filters erheblich ab, da dieser Filter nur noch von seinem internen mathematischen Modell abhängig war. Diese bekannten Modelle sind von Natur aus begrenzt und können die Komplexität der verfolgten Parameter nicht vollständig erfassen, insbesondere wenn es sich um hochgradig nichtlineare Verhaltensweisen wie die menschliche Bewegung handelt. Folglich kam es auch zu einer Abweichung der fusionierten Werte von der tatsächlichen Situation, wenn die Gewichte nicht angepasst werden, um dieser zunehmenden Ungenauigkeit Rechnung zu tragen.In prior art filters, if, for example, a sensor Sm no longer transmits measurement data and thus no longer transmits sensor signals Si(Sm) for an extended period of time, the accuracy of the filter in question decreased significantly, as this filter was dependent only on its internal mathematical model. These known models are inherently limited and cannot fully capture the complexity of the tracked parameters, especially when it comes to highly nonlinear behaviors such as human movement. Consequently, the fused values also deviated from the actual situation if the weights were not adjusted to account for this increasing inaccuracy.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 basiert daher auf einer dynamischen Gewichtungsmethode, welche auf diese Ungenauigkeiten reagiert, indem sie Gewichtungsfaktoren GF1 bis GFm (kurz Gewichte genannt) in Echtzeit auf der Grundlage der Ergebnisse der Kalman-Filter KFm anpasst, die durch Sensorzeitüberschreitungen oder Signalverluste beeinflusst werden können.The sensor arrangement 1 according to the invention is therefore based on a dynamic weighting method which reacts to these inaccuracies by adapting weighting factors GF1 to GFm (shortly called weights) in real time based on the results of the Kalman filters KFm, which can be influenced by sensor timeouts or signal losses.
Das jeweilige Gewichtungsmodul Gm reduziert automatisch den Gewichtungsfaktor GFm des oder von jenen Sensors/en Sm mit weniger zuverlässigen Sensorsignalen Si(Sm) oder keinen Sensorsignalen Si(Sm), zum Beispiel aufgrund von Signalverlusten, Ausreißern oder dergleichen, während es den Gewichtungsfaktor GFm von jenen Sensoren Sm erhöht, die konsistentere Messdaten liefern, wodurch die Widerstandsfähigkeit der gesamten Sensoranordnung 1 gegenüber Sensorfehlfunktionen oder -einschränkungen verbessert wird.The respective weighting module Gm automatically reduces the weighting factor GFm of the sensor(s) Sm with less reliable sensor signals Si(Sm) or no sensor signals Si(Sm), for example due to signal losses, outliers or the like, while increasing the weighting factor GFm of those sensors Sm that provide more consistent measurement data, thereby improving the resilience of the entire sensor arrangement 1 against sensor malfunctions or limitations.
Die dynamische Gewichtungsmethode arbeitet innerhalb der Sensoranordnung 1, welche als ein Sensor-Fusionssystems ausgebildet ist. Die Sensoranordnung 1 basiert auf sensorzugeordneten Kalman-Filtern KFm. Jedem Sensor Sm, der in den Fusionsprozess integriert ist, wird ein eigener Kalman-Filter KFm zugewiesen. Diese Kalman-Filter KFm sind in der Lage, die Genauigkeit der von den Sensoren Sm gemeldeten Parameterwerte zu verfeinern, indem sie sowohl Sensormessungen als auch ein vordefiniertes mathematisches Modell verwenden.The dynamic weighting method operates within the sensor array 1, which is designed as a sensor fusion system. The sensor array 1 is based on sensor-assigned Kalman filters KFm. Each sensor Sm integrated into the fusion process is assigned its own Kalman filter KFm. These Kalman filters KFm are capable of improving the accuracy of the Sensors Sm to refine the parameter values reported by using both sensor measurements and a predefined mathematical model.
Wenn ein Sensor Sm keine Messungen liefert, stützt sich der implementierte Kalman-Filter KFm ausschließlich auf sein mathematisches Modell, um Vorhersagen zu treffen und ausschließlich modellbasierte Sensorzustände mSZ(Sm) zu ermitteln oder zu erzeugen. Daher wird die Ausgabe des Kalman-Filters KFm als „Vorhersage“ bezeichnet, wenn sie nur auf dem Modell basiert.When a sensor Sm does not provide any measurements, the implemented Kalman filter KFm relies exclusively on its mathematical model to make predictions and determines or generates exclusively model-based sensor states mSZ(Sm). Therefore, the output of the Kalman filter KFm is referred to as a "prediction" when it is based solely on the model.
Wenn ein Sensor Sm hingegen Messungen liefert, kann sich der implementierte Kalman-Filter KFm auf die Sensorsignale Si(Sm) und optional auf das mathematische Modell stützen und sensorbasierte Sensorzustände sSZ(Sm) ermitteln oder erzeugen. Diese sowohl auf Sensorsignale Si(Sm) als auch auf das mathematische Modell gestützte Ausgabe des Kalman-Filters KFm wird als „Schätzung“ bezeichnet, da sie sowohl das Modell als auch die tatsächlichen Sensormessungen zusammenfasst.However, if a sensor Sm provides measurements, the implemented Kalman filter KFm can rely on the sensor signals Si(Sm) and optionally on the mathematical model to determine or generate sensor-based sensor states sSZ(Sm). This output of the Kalman filter KFm, based on both the sensor signals Si(Sm) and the mathematical model, is referred to as an "estimate" because it combines both the model and the actual sensor measurements.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das/die mathematische/n Modelle/n der Kalman-Filter KFm zwar hinreichend genau sind, dass diese aber Feinheiten realer Parameter nicht perfekt nachbilden können. Es gibt immer eine Diskrepanz zwischen Modellvorhersagen und tatsächlichen Parametern. Auch sind Sensormessungen von Natur aus fehlerbehaftet.It should be noted that while the mathematical model(s) of the Kalman filter (KFm) are sufficiently accurate, they cannot perfectly replicate the subtleties of real-world parameters. There is always a discrepancy between model predictions and actual parameters. Sensor measurements are also inherently subject to error.
Die vorgesehenen Kalman-Filter KFm sind eingerichtet, diese Ungenauigkeiten zu vermindern, indem sie die Fehler der Sensormessungen und des mathematischen Modells miteinander kombinieren, um daraus resultierend den sensorbasierten Sensorzustand sSZ(Sm) zu ermitteln, insbesondere zu schätzen.The provided Kalman filters KFm are designed to reduce these inaccuracies by combining the errors of the sensor measurements and the mathematical model to determine, in particular estimate, the sensor-based sensor state sSZ(Sm).
Die Sensoranordnung 1 ermöglicht somit, je Sensor Sm zwischen der sensorbasierten Schätzung und damit der kombinierten modell- und sensorbasierten Schätzung und der ausschließlich modellbasierten Vorhersage zu differenzieren und bevorzugt diese zu kombinieren und diese zur dynamischen Anpassung der Gewichtungsfaktoren GFm des jeweiligen Sensors Sm zu verwenden.The sensor arrangement 1 thus makes it possible to differentiate for each sensor Sm between the sensor-based estimation and thus the combined model- and sensor-based estimation and the exclusively model-based prediction and preferably to combine these and to use them for the dynamic adaptation of the weighting factors GFm of the respective sensor Sm.
Dabei ist eine von einem gut kalibrierten Kalman-Filter KFm erzeugte Schätzung der modell- und sensorbasierten Schätzung des sensorbasierten Sensorzustandes sSZ(Sm) im Allgemeinen genauer als eine Einzelmessung oder eine Vorhersage des modellbasierten Sensorzustandes mSZ(Sm), die nur auf dem mathematischen Modell basiert. Folglich ist die Schätzung des sensorbasierten Sensorzustandes sSZ(Sm) des Kalman-Filters KFm näher am tatsächlichen Wert („Ground Truth“) als die Vorhersage des modellbasierten Sensorzustandes mSZ(Sm) des Kalman-Filters KFm, die keine Sensordaten berücksichtigt.An estimate of the model- and sensor-based estimate of the sensor-based sensor state sSZ(Sm) generated by a well-calibrated Kalman filter KFm is generally more accurate than a single measurement or a prediction of the model-based sensor state mSZ(Sm) based solely on the mathematical model. Consequently, the estimate of the sensor-based sensor state sSZ(Sm) by the Kalman filter KFm is closer to the actual value ("ground truth") than the prediction of the model-based sensor state mSZ(Sm) by the Kalman filter KFm, which does not consider sensor data.
Wie dargestellt, erzeugt jeder Kalman-Filter KFm eine Aktualisierung A (= aktualisierte Schätzung) des sensorbasierten Sensorzustandes sSZ(Sm), wenn er eine Messung M von seinem entsprechenden Sensor S1 bis S3 erhält. Liegt keine Messung M vor, erstellt der Kalman-Filter KFm eine Vorhersage V des ausschließlich modellbasierten Sensorzustandes mSZ(Sm).As shown, each Kalman filter KFm generates an update A (= updated estimate) of the sensor-based sensor state sSZ(Sm) when it receives a measurement M from its corresponding sensor S1 to S3. If no measurement M is available, the Kalman filter KFm generates a prediction V of the exclusively model-based sensor state mSZ(Sm).
Während jedes Zyklus Zn liefert jeder Kalman-Filter KFm entweder eine Vorhersage V oder eine Aktualisierung A der Schätzung, je nach der Verfügbarkeit von Messungen M und somit von erfassten Sensorsignalen Si(Sm). Sobald alle Kalman-Filter KFm ihre Berechnungen abgeschlossen haben, werden ihre Ergebnisse dem zugehörigen Gewichtungsmodul Gm zugeführt und mit Hilfe der dynamischen Gewichtungsmethode kombiniert und gewichtet, insbesondere gewichtete Sensorzustände gSZ(Sm) erzeugt, wie in
Die dynamische Gewichtungsmethode macht sich die vorhandenen Sensorsignale Si(Sm) zunutze, indem sie die Anzahl der Vorhersagen V und der Aktualisierungen A (= Schätzungen) verfolgt, die jeder Kalman-Filter in den letzten Zyklen Zn produziert hat.The dynamic weighting method takes advantage of the available sensor signals Si(Sm) by tracking the number of predictions V and updates A (= estimates) produced by each Kalman filter in the last cycles Zn.
In dem in
Für eine solche dynamische Gewichtung können die Gewichtungsmodule Gm beispielsweise eine entsprechende Gewichtungsfunktion zur Erzeugung des Gewichtungsfaktors GFm umfassen und implementiert haben. Beispielsweise können die Gewichtungsmodule Gm als Gewichtungsfunktion implementiert haben, dass
- Der Gewichtungsfaktor GFm hoch ist bei höherer Genauigkeit eines Sensors Sm über n-Zyklen Zn oder über einen Zeitbereich T, wenn die Anzahl von Aktualisierungen A (= Schätzungen) größer ist als die Anzahl von Vorhersagen V: A > V
- The weighting factor GFm is high at higher accuracy of a sensor Sm over n cycles Zn or over a time range T, if the number of updates A (= estimates) is greater than the number of predictions V: A > V
Diese Gewichtungsfunktion (= Logik) lässt sich auf Szenarien ausdehnen, in denen ein Sensor Sm einen längeren Zeitbereich T inaktiv ist oder einen vorgegebenen Zeitbereich T oder eine vorgegebene Anzahl von Zyklen Zn überschreitet.This weighting function (= logic) can be extended to scenarios in which a sensor Sm is inactive for a longer time period T or exceeds a specified time period T or a specified number of cycles Zn.
Wenn der Sensor Sm eine Zeitüberschreitung erfährt, wird der zugehörige Kalman-Filter KFm keine Vorhersagen V (wie dies durch gestrichelte Umrahmung als Option in
In diesem Fall zählt die Sensoranordnung 1, insbesondere das Gewichtungsmodul Gm, wie viele Aktualisierungen A (=Schätzungen), wie viele Vorhersagen V und wie viele „keine Ausgaben“ (gestrichelte Umrahmung der Vorhersagen V) von jedem Kalman-Filter KFm ausgeführt wurden. Wenn beispielsweise der erste Kalman-Filter KF1 in den letzten elf Zyklen Zn sieben Aktualisierungen A, zwei Vorhersagen V und zwei Zyklen mit „keinen Ergebnissen“ lieferte, während der zweite Kalman-Filter KF2 zwei Aktualisierungen A, fünf Vorhersagen V und vier „keine Ergebnisse“ lieferte, würde der Gewichtungsalgorithmus des Gewichtungsmoduls Gm dem ersten Kalman-Filter KF1 einen größeren Gewichtungsfaktor GF1 zuweisen. Dies liegt daran, dass der erste Kalman-Filter KF1 mehr aktuelle Daten enthält.In this case, the sensor array 1, specifically the weighting module Gm, counts how many updates A (=estimates), how many predictions V, and how many "no outputs" (dashed border of the predictions V) were performed by each Kalman filter KFm. For example, if the first Kalman filter KF1 delivered seven updates A, two predictions V, and two cycles with "no results" in the last eleven cycles Zn, while the second Kalman filter KF2 delivered two updates A, five predictions V, and four "no results," the weighting algorithm of the weighting module Gm would assign a larger weighting factor GF1 to the first Kalman filter KF1. This is because the first Kalman filter KF1 contains more recent data.
Die dynamische Gewichtungsmethode berücksichtigt diese Überlegungen, um die angemessene Gewichtung für jeden Sensor Sm im anschließenden Fusionsprozess des Sensorfusionsmoduls 4 zu bestimmen.The dynamic weighting method takes these considerations into account to determine the appropriate weight for each sensor Sm in the subsequent fusion process of the sensor fusion module 4.
Am Ende eines jeden Zyklus Zn, wenn alle Kalman-Filter KFm ihre Filterfunktionen und Ermittlungen abgeschlossen haben, zählt insbesondere das Gewichtungsmodul Gm die Anzahl der Vorhersagen V, der Aktualisierungen A (= Schätzungen) und „keine Ausgaben“ für die letzten „n“ Zyklen Zn und speichert diese. Um die zugehörigen Gewichtungsfaktoren GFm für jeden Sensor Sm entsprechend zu bestimmen und herzuleiten aus diesen Ermittlungen, kann beispielsweise die Anzahl der Aktualisierungen A und die Anzahl der Vorhersagen V mit den vordefinierten Gewichtungsfaktoren GFm kombiniert werden, die die Aktualisierungen A priorisieren (begünstigen), während „keine Ergebnisse“ mit dem Wert Null bewertet werden.At the end of each cycle Zn, when all Kalman filters KFm have completed their filtering functions and detections, the weighting module Gm counts and stores the number of predictions V, updates A (= estimates), and "no outputs" for the last "n" cycles Zn. To determine the corresponding weighting factors GFm for each sensor Sm and derive them from these detections, for example, the number of updates A and the number of predictions V can be combined with the predefined weighting factors GFm, which prioritize (favor) updates A, while "no outputs" are evaluated with a value of zero.
Mit anderen Worten: Der jeweilige Gewichtungsfaktor GFm des zugehörigen Sensors Sm ist höher, je höher die Anzahl seiner Aktualisierungen A im Vergleich zu seinen Vorhersagen V oder keinen Messergebnissen über den zu betrachtenden Zeitbereich T oder über die zu betrachtende Anzahl von vorgegebenen Zyklen Zn ist. Der jeweilige Gewichtungsfaktor GFm ist beispielsweise ein Multiplikationsfaktor, wobei gilt, dass:
- - der Multiplikationsfaktor größer ist für A > V.
- - the multiplication factor is larger for A > V.
Die gewichteten Sensorzustände gSZ(Sm) des jeweiligen/aller Sensors/en Sm können dann mittels des Gewichtungsmoduls Gm summiert und durch die Gesamtzahl der betrachteten Zyklen Zn geteilt werden, um einen nicht normierten Gewichtungsfaktor nGFm (dargestellt in
Anschließend werden die nicht normierten Gewichtungsfaktoren nGFm auf eine Skala zwischen 0 und 1 mittels des Normierungsmoduls 6 normiert und als dynamische Gewichtung dG ausgegeben. Eine dem Normierungsmodul 6 zugrundeliegende Normierungsfunktion ist derart eingerichtet, dass Sensoren Sm mit einer größeren Anzahl von Aktualisierungen A (Schätzungen) eine höhere dynamische Gewichtung dG erhalten als Sensoren Sm mit mehr Vorhersagen V.Subsequently, the unnormalized weighting factors nGFm are normalized to a scale between 0 and 1 using the normalization module 6 and output as a dynamic weight dG. A normalization function underlying the normalization module 6 is configured such that sensors Sm with a larger number of updates A (estimates) receive a higher dynamic weight dG than sensors Sm with more predictions V.
Nach der Normierung oder Vereinheitlichung der nicht normierten Gewichtungsfaktoren nGFm aller Sensoren Sm wird die Ausgabe jedes Kalman-Filters KFm im aktuellen Zyklus Zn (sei es eine Vorhersage V oder eine Aktualisierung A) zur Sensorfusionierung mittels des Sensorfusionsmoduls 4 mit der jeweiligen dynamischen Gewichtung dG multipliziert und alle werden addiert, um einen endgültigen fusionierten Wert, den Sensorfusionswert SFW für den jeweiligen Zyklus Zn oder die zu betrachtenden Zyklen Zn zu erhalten.After normalizing or unifying the unnormalized weighting factors nGFm of all sensors Sm, the output of each Kalman filter KFm in the current cycle Zn (be it a prediction V or an update A) for sensor fusion is multiplied by the respective dynamic weight dG by the sensor fusion module 4 and all are added to obtain a final fused value, the sensor fusion value SFW for the respective cycle Zn or the cycles Zn to be considered.
Die Methode der bekannten Übergangsgewichtung mit zweiter Volllinie VL2 und zweiter gestrichelter Linie GL2 unterscheidet nicht zwischen Aktualisierungen A (Schätzungen), Vorhersagen V und „keine Ausgaben“; sie reduziert einfach die Gewichtung eines Sensors S1, S2 schrittweise auf Null, wenn der jeweilige Sensor S1, S2 für eine bestimmte Dauer keine Daten mehr überträgt. Die Gewichtung wird dann erhöht, wenn der Sensor S1, S2 wieder Informationen sendet, mit einer entsprechenden Verringerung der Gewichtung des anderen Sensors S2, S1.The well-known transition weighting method with a second solid line VL2 and a second dashed line GL2 does not distinguish between updates A (estimates), predictions V, and "no outputs"; it simply gradually reduces the weight of a sensor S1, S2 to zero when the respective sensor S1, S2 stops transmitting data for a certain period. The weight is then increased when the sensor S1, S2 transmits information again, with a corresponding reduction in the weight of the other sensor S2, S1.
Im Gegensatz dazu reagiert die dynamische Gewichtungsmethode, implementiert in die Sensoranordnung 1, bei jedem Zyklus Zn auf Veränderungen in Echtzeit und unterscheidet zwischen Aktualisierungen A (Schätzungen), Vorhersagen V und „keine Ausgaben“, wie zuvor beschrieben, dies ist in
Die dynamische Gewichtungsmethode der zuvor beschriebenen Sensoranordnung 1 bietet eine Alternative zu herkömmlichen Ansätzen, wenn detaillierte Kenntnisse über die Zuverlässigkeit der Sensoren Sm fehlen. Sie nutzt die inhärenten Fähigkeiten der implementierten Kalman-Filter KFm je Sensor Sm, um Zuverlässigkeitsgewichte zu ermitteln, ohne zusätzliche Informationen zu benötigen oder zusätzliche Verzögerungen einzuführen.The dynamic weighting method of the previously described sensor array 1 offers an alternative to conventional approaches when detailed knowledge about the reliability of the sensors Sm is lacking. It exploits the inherent capabilities of the implemented Kalman filters KFm for each sensor Sm to determine reliability weights without requiring additional information or introducing additional delays.
Die dynamische Gewichtungsmethode führt zu einer äußerst reaktionsfähigen Sensoranordnung 1, die sich in jedem Zyklus Zn an Änderungen im Sensorverhalten anpasst, zum Beispiel daran, ob die Sensoren Sm aktiv Sensorsignale Si(Sm) erfassen und übertragen. Die dynamische Gewichtungsmethode ist besonders wertvoll bei kurzfristigen Echtzeitanwendungen, die eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Bedingungen erfordern, wie zum Beispiel Bewegung, Temperatur oder Stromverfolgung. Durch die Berücksichtigung von Sensorfehlfunktionen wird sichergestellt, dass der endgültige Sensorfusionswert SFW genauer an die Grundwahrheit und Sensortätigkeit angepasst wird.The dynamic weighting method results in a highly responsive sensor array 1 that adapts to changes in sensor behavior every cycle Zn, for example, whether the sensors Sm are actively acquiring and transmitting sensor signals Si(Sm). The dynamic weighting method is particularly valuable in short-term, real-time applications that require rapid response to changing conditions, such as motion, temperature, or current tracking. By accounting for sensor malfunctions, it ensures that the final sensor fusion value SFW is more accurately aligned with the ground truth and sensor activity.
Die Sensoranordnung 1 und die beschriebene dynamische Gewichtungsmethode kann beispielsweise angewendet werden in Messystemen mit mehreren Sensoren Sm, welche im Sekundenbereich, von beispielsweise 3 Sekunden, Messwerte erfassen und übertragen, zum Beispiel bei Keyless-Go-Systemen, Sicherheitssystemen, wie Kollisionsüberwachungssystemen, Temperaturüberwachungssystemen in Elektrofahrzeugen oder dergleichen.The sensor arrangement 1 and the described dynamic weighting method can be used, for example, in measuring systems with several sensors Sm, which record and transmit measured values in the second range, for example 3 seconds, for example in keyless go systems, security systems, such as collision monitoring systems, temperature monitoring systems in electric vehicles or the like.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SensoranordnungSensor arrangement
- 2.1 bis 2.m2.1 to 2.m
- Speichermemory
- 44
- SensorfusionsmodulSensor fusion module
- 66
- NormierungsmodulStandardization module
- 88
- Speichermemory
- dGdG
- dynamische Gewichtungdynamic weighting
- GL1, GL2GL1, GL2
- gestrichelte Liniendashed lines
- gSZ(S1) bis gSZ(Sm)gSZ(S1) to gSZ(Sm)
- gewichteter Sensorzustandweighted sensor state
- KF1 bis KFmKF1 to KFm
- Kalman-FilterKalman filter
- mSZ(S1) bis mSZ(Sm)mSZ(S1) to mSZ(Sm)
- modellbasierter Sensorzustandmodel-based sensor state
- nGFmnGFm
- nicht normierter Gewichtungsfaktornon-standardized weighting factor
- sSZ(S1) bis sSZ(Sm)sSZ(S1) to sSZ(Sm)
- sensorbasierter Sensorzustandsensor-based sensor state
- GF1 bis GFmGF1 to GFm
- GewichtungsfaktorWeighting factor
- G1 bis GmG1 to Gm
- GewichtungsmodulWeighting module
- SFWSFW
- SensorfusionswertSensor fusion value
- S1 bis SmS1 to Sm
- Sensorsensor
- Si(S1) bis Si(Sm)Si(S1) to Si(Sm)
- SensorsignalSensor signal
- VL1, VL2VL1, VL2
- VolllinienSolid lines
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