DE102023001700B4

DE102023001700B4 - Device and method for determining position, attitude and movement for a vehicle

Info

Publication number: DE102023001700B4
Application number: DE102023001700.0A
Authority: DE
Inventors: Rene Wirtz; Andreas Kramer
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-04-27
Filing date: 2023-04-27
Publication date: 2024-08-01
Anticipated expiration: 2043-04-28
Also published as: DE102023001700A1

Abstract

Vorrichtung zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug (2) während eines Crashtests mit- mehreren in regelmäßigen Abständen in einer Crashtestumgebung (1) positionierten Magnetfeldemittern (6.1 bis 6.m) und- einer Anzahl von an oder in dem Fahrzeug (2) angeordneten Magnetometern (5.1 bis 5.n), dadurch gekennzeichnet, dass- in und/oder an dem Fahrzeug (2) mehrere Beschleunigungssensoren (4.1 bis 4.n) angeordnet sind, wobei jeder Beschleunigungssensor (4.1 bis 4.n) ein in diesen integriertes, als Vektormagnetometer ausgebildetes Magnetometer (5.1 bis 5.n) umfasst, wobei mittels der Beschleunigungssensoren (4.1 bis 4.n) Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte erfasst werden,- die Beschleunigungssensoren (4.1 bis 4.n) und Magnetometer (5.1 bis 5.n) datentechnisch mit einer im und/oder am Fahrzeug (2) angeordneten zentralen Recheneinheit (7) gekoppelt sind,- die zentrale Recheneinheit (7) ausgebildet ist, während einer Bewegung des Fahrzeugs (2) relativ zu den Magnetfeldemittern (6.1 bis 6.m) anhand einer von den Magnetometern (5.1 bis 5.n) jeweils gemessenen Stärke eines von den Magnetfeldemittern (6.1 bis 6.m) jeweils emittierten magnetischen Wechselfeldes jeweilige Positions- und Lageinformationen der Beschleunigungssensoren (4.1 bis 4.n) im und/oder am Fahrzeug (2) zu ermitteln und anhand der Positions- und Lageinformationen eine Plausibilisierung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte durchzuführen.Device for determining the position, attitude and movement of a vehicle (2) during a crash test with - several magnetic field emitters (6.1 to 6.m) positioned at regular intervals in a crash test environment (1) and - a number of magnetometers (5.1 to 5.n) arranged on or in the vehicle (2), characterized in that - several acceleration sensors (4.1 to 4.n) are arranged in and/or on the vehicle (2), each acceleration sensor (4.1 to 4.n) comprising a magnetometer (5.1 to 5.n) integrated therein and designed as a vector magnetometer, speed and acceleration values being recorded by means of the acceleration sensors (4.1 to 4.n), - the acceleration sensors (4.1 to 4.n) and magnetometers (5.1 to 5.n) are coupled in terms of data technology to a central processing unit (7) arranged in and/or on the vehicle (2), - the central processing unit (7) is designed to determine respective position and attitude information of the acceleration sensors (4.1 to 4.n) in and/or on the vehicle (2) during a movement of the vehicle (2) relative to the magnetic field emitters (6.1 to 6.m) on the basis of a strength of an alternating magnetic field emitted by the magnetic field emitters (6.1 to 6.m) measured by the magnetometers (5.1 to 5.n) and to carry out a plausibility check of the speed and acceleration values on the basis of the position and attitude information.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining position, attitude and movement for a vehicle according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug.The invention further relates to a method for determining the position, attitude and movement of a vehicle.

Aus der DE 100 19 779 A1 ist ein Messfühler für ein Versuchsfahrzeug, welches entlang einer vorgegebenen, mit einer Reihe von Markierungsmagneten ausgestatteten Bahn bewegbar ist, bekannt. Der Messfühler weist eine magnetische Antennen-Einrichtung auf, von welcher jeweils beim Passieren eines Markierungsmagneten ein Signal erzeugt und zur Auswertung an eine Messeinrichtung übertragen wird. Die magnetische Antennen-Einrichtung ist aus Induktionsspulen aufgebaut, wobei drei Induktionsspulen vorhanden sind und Z-förmig angeordnet sind.From the DE 100 19 779 A1 A measuring sensor for a test vehicle is known which can be moved along a predetermined path equipped with a series of marking magnets. The measuring sensor has a magnetic antenna device which generates a signal each time it passes a marking magnet and transmits it to a measuring device for evaluation. The magnetic antenna device is made up of induction coils, whereby there are three induction coils and they are arranged in a Z shape.

Aus der US 2019 / 0 381 963 A1 ist ein Aufprallbewegungsverfolgungssystem zum Verfolgen eines Objekts in einem dreidimensionalen Raum bekannt.From the US 2019 / 0 381 963 A1 An impact motion tracking system for tracking an object in a three-dimensional space is known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges Verfahren zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug anzugeben.The invention is based on the object of specifying a novel device and a novel method for determining the position, attitude and movement of a vehicle.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention by a device which has the features specified in claim 1 and by a method which has the features specified in claim 3.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Eine Vorrichtung zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug während eines Crashtests umfasst mehrere in regelmäßigen Abständen in einer Crashtestumgebung positionierte Magnetfeldemitter und eine Anzahl von an oder in dem Fahrzeug angeordnete Magnetometer.A device for determining the position, attitude and movement of a vehicle during a crash test comprises a plurality of magnetic field emitters positioned at regular intervals in a crash test environment and a number of magnetometers arranged on or in the vehicle.

Erfindungsgemäß sind in und/oder an dem Fahrzeug mehrere Beschleunigungssensoren angeordnet, wobei jeder Beschleunigungssensor ein in dieses integriertes, als Vektormagnetometer ausgebildetes Magnetometer umfasst, wobei mittels der Beschleunigungssensoren Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte erfasst werden. Die Beschleunigungssensoren und Magnetometer sind datentechnisch mit einer im und/oder am Fahrzeug angeordneten zentralen Recheneinheit gekoppelt. Die zentrale Recheneinheit ist ausgebildet, während einer Bewegung des Fahrzeugs relativ zu den Magnetfeldemittern anhand einer von den Magnetometern jeweils gemessenen Stärke eines von den Magnetfeldemittern jeweils emittierten magnetischen Wechselfeldes jeweilige Positions- und Lageinformationen der Beschleunigungssensoren im und/oder am Fahrzeug zu ermitteln und anhand der Positions- und Lageinformationen eine Plausibilisierung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte durchzuführen.According to the invention, a plurality of acceleration sensors are arranged in and/or on the vehicle, each acceleration sensor comprising a magnetometer designed as a vector magnetometer integrated therein, speed and acceleration values being recorded by means of the acceleration sensors. The acceleration sensors and magnetometers are coupled in terms of data technology to a central processing unit arranged in and/or on the vehicle. The central processing unit is designed to determine the respective position and location information of the acceleration sensors in and/or on the vehicle during a movement of the vehicle relative to the magnetic field emitters based on a strength of an alternating magnetic field emitted by the magnetic field emitters measured by the magnetometers, and to carry out a plausibility check of the speed and acceleration values based on the position and location information.

In dem Verfahren zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für ein Fahrzeug während eines Crashtests werden erfindungsgemäß während einer Bewegung des Fahrzeugs relativ zu in regelmäßigen Abständen in einer Crashtestumgebung positionierten Magnetfeldemittern mittels mehrerer in und/oder an dem Fahrzeug angeordneter Beschleunigungssensoren und jeweils in einen Beschleunigungssensor integrierter Magnetometer Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte des Fahrzeugs und eine jeweilige Stärke von jeweils von den Magnetfeldemittern emittierten magnetischen Wechselfeldern erfasst. Mittels einer im und/oder am Fahrzeug angeordneten und datentechnisch mit den Beschleunigungssensoren und Magnetometern gekoppelten zentralen Recheneinheit werden anhand der ermittelten Stärken der magnetischen Wechselfelder jeweilige Positions- und Lageinformationen der Beschleunigungssensoren im und/oder am Fahrzeug ermittelt und anhand der Positions- und Lageinformationen wird eine Plausibilisierung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte durchgeführt.In the method for determining the position, attitude and movement of a vehicle during a crash test, according to the invention, during a movement of the vehicle relative to magnetic field emitters positioned at regular intervals in a crash test environment, speed and acceleration values of the vehicle and a respective strength of alternating magnetic fields emitted by the magnetic field emitters are recorded by means of several acceleration sensors arranged in and/or on the vehicle and magnetometers integrated in each acceleration sensor. By means of a central processing unit arranged in and/or on the vehicle and coupled to the acceleration sensors and magnetometers for data technology, the respective position and attitude information of the acceleration sensors in and/or on the vehicle is determined based on the determined strengths of the alternating magnetic fields and a plausibility check of the speed and acceleration values is carried out based on the position and attitude information.

Bei Crashtests werden im Allgemeinen sehr viele Beschleunigungssensoren im und/oder am Fahrzeug befestigt. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen aufgrund der Integration zusätzlicher Magnetometer in die Beschleunigungssensoren und der Erfassung der Wechselfelder eine korrekte und automatisierte Erfassung der Position und Lage der Beschleunigungssensoren im und/oder am Fahrzeug. Somit können aufwändig und für jeden einzelnen Beschleunigungssensor händisch durchgeführte und fehleranfällige Notierungen der Positions- und Lagedaten entfallen. Somit vereinfachen die Vorrichtung und das Verfahren die Durchführung von Crashtests und ermöglichen eine Erhöhung der Genauigkeit der dabei erfassten Daten.In crash tests, a large number of acceleration sensors are generally attached in and/or on the vehicle. The device and the method enable correct and automated recording of the position and location of the acceleration sensors in and/or on the vehicle due to the integration of additional magnetometers in the acceleration sensors and the detection of the alternating fields. This eliminates the need for time-consuming, error-prone manual recording of position and location data for each individual acceleration sensor. The device and the method therefore simplify the implementation of crash tests and enable an increase in the accuracy of the data recorded.

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 eine Draufsicht einer Crashtestumgebung mit einem in diesem befindlichen Fahrzeug.

Showing:

1 schematically shows a top view of a crash test environment with a vehicle in it.

In der einzigen 1 ist eine Draufsicht eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Crashtestumgebung 1 mit einem in dieser befindlichen Fahrzeug 2 und einer Vorrichtung zu einer Positions-, Lage- und Bewegungsermittlung für das Fahrzeug 2 während einer Durchführung eines Crashtests dargestellt.In the only 1 a plan view of a possible embodiment of a crash test environment 1 with a vehicle 2 located therein and a device for determining the position, attitude and movement of the vehicle 2 during execution of a crash test is shown.

Während des Crashtests bewegt sich das Fahrzeug 2 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v auf ein Crashhindernis 3 zu und kollidiert mit diesem.During the crash test, the vehicle 2 moves at a predetermined speed v towards a crash obstacle 3 and collides with it.

Hierbei ist eine genaue Erfassung von Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerten des Fahrzeugs 2 erforderlich, welche mit einer Mehrzahl von im und/oder am Fahrzeug 2 angeordneten Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n durchgeführt wird.This requires precise detection of acceleration and speed values of the vehicle 2, which is carried out using a plurality of acceleration sensors 4.1 to 4.n arranged in and/or on the vehicle 2.

In jeden der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n ist ein als Vektormagnetometer ausgebildetes Magnetometer 5.1 bis 5.n integriert. Die Magnetometer 5.1 bis 5.n sind dabei beispielsweise jeweils als Quantensensor auf der Basis von NV-Zentren, das heißt Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, in Diamant ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Ausbildungen möglich.A magnetometer 5.1 to 5.n designed as a vector magnetometer is integrated into each of the acceleration sensors 4.1 to 4.n. The magnetometers 5.1 to 5.n are each designed as a quantum sensor based on NV centers, i.e. nitrogen vacancy centers, in diamond. However, other designs are also possible.

Weiterhin sind in der Crashumgebung 1 in regelmäßigen Abständen als Wechselstrom-Magnetfeldemitter ausgebildete Magnetfeldemitter 6.1 bis 6.m positioniert. Ein Abstand zwischen den Magnetfeldemittern 6.1 bis 6.m wird dabei in Abhängigkeit von einer Empfindlichkeit der Magnetometer 5.1 bis 5.n gewählt. Beispielsweise kann ein Vektormagnetometer eine Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 pT erreichen. Hieraus ergibt sich ein Abstand der Magnetfeldemittern 6.1 bis 6.m von ca. 50 m. Bei einer solchen Anordnung weisen die Vektormagnetometer jeweils eine Positionsgenauigkeit von weniger als 2 cm und eine dreidimensionale Lagegenauigkeit von weniger als 0,5° auf.Furthermore, magnetic field emitters 6.1 to 6.m designed as alternating current magnetic field emitters are positioned at regular intervals in the crash environment 1. A distance between the magnetic field emitters 6.1 to 6.m is selected depending on the sensitivity of the magnetometers 5.1 to 5.n. For example, a vector magnetometer can achieve a sensitivity in the order of 10 pT. This results in a distance between the magnetic field emitters 6.1 to 6.m of approximately 50 m. With such an arrangement, the vector magnetometers each have a position accuracy of less than 2 cm and a three-dimensional position accuracy of less than 0.5°.

Die Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n und Magnetometer 5.1 bis 5.n sind datentechnisch mit einer im und/oder am Fahrzeug 2 angeordneten zentralen Recheneinheit 7 gekoppelt, welche alle mittels der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n und Magnetometer 5.1 bis 5.n erfassten Daten von diesen empfängt. Die Kopplung kann dabei kabelgebunden oder kabellos erfolgen.The acceleration sensors 4.1 to 4.n and magnetometers 5.1 to 5.n are coupled in terms of data technology to a central processing unit 7 arranged in and/or on the vehicle 2, which receives all data recorded by the acceleration sensors 4.1 to 4.n and magnetometers 5.1 to 5.n. The coupling can be wired or wireless.

Während der Durchführung des Crashtests und einer dabei durchgeführten Bewegung des Fahrzeugs 2 relativ zu den Magnetfeldemittern 6.1 bis 6.m erfassen die Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte des Fahrzeugs 2. Gleichzeitig erfassen die Magnetometer 5.1 bis 5.n jeweils eine Stärke eines an der entsprechenden Position in der Crashtestumgebung 1 gemessenen und von den Magnetfeldemittern 6.1 bis 6.m emittierten magnetischen Wechselfeldes genau bei der Frequenz, bei der die Magnetfeldemitter 6.1 bis 6.m senden. Mittels der Recheneinheit 7 können anhand der mittels der Magnetometer 5.1 bis 5.n erfassten Daten Aussagen über die Position und die Lage der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n getroffen werden. Dadurch kann für jeden einzelnen Beschleunigungssensor 4.1 bis 4.n die genaue Lage und Position im und/oder am Fahrzeug 2 digital ermittelt werden. Somit kann eine vor dem Crashtest durchgeführte aufwändige manuelle Notierung der Lage- und Positionsdaten der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n entfallen.During the crash test and a movement of the vehicle 2 relative to the magnetic field emitters 6.1 to 6.m, the acceleration sensors 4.1 to 4.n record the acceleration and speed values of the vehicle 2. At the same time, the magnetometers 5.1 to 5.n each record a strength of an alternating magnetic field measured at the corresponding position in the crash test environment 1 and emitted by the magnetic field emitters 6.1 to 6.m at exactly the frequency at which the magnetic field emitters 6.1 to 6.m transmit. Using the computing unit 7, statements can be made about the position and location of the acceleration sensors 4.1 to 4.n based on the data recorded by the magnetometers 5.1 to 5.n. This allows the exact location and position in and/or on the vehicle 2 to be determined digitally for each individual acceleration sensor 4.1 to 4.n. This eliminates the need for time-consuming manual recording of the location and position data of the acceleration sensors 4.1 to 4.n prior to the crash test.

Die mittels der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n und Magnetometer 5.1 bis 5.n erfassten Daten liegen dabei in Echtzeit vor. Beispielsweise erfolgt eine Aktualisierung der Daten mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz. Durch die Echtzeitinformation über die Lage und Position der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n können neben der Position und Lage auch eine lineare Geschwindigkeit und eine lineare Beschleunigung der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n über entsprechende zeitliche Ableitungen ermittelt werden. Dies ist analog auch für eine Rotationsgeschwindigkeit und eine Rotationsbeschleunigung der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n möglich.The data recorded by the acceleration sensors 4.1 to 4.n and magnetometers 5.1 to 5.n are available in real time. For example, the data is updated at a frequency of more than 500 Hz. The real-time information about the position and location of the acceleration sensors 4.1 to 4.n allows not only the position and location but also a linear speed and a linear acceleration of the acceleration sensors 4.1 to 4.n to be determined via corresponding time derivatives. This is also possible analogously for a rotational speed and a rotational acceleration of the acceleration sensors 4.1 to 4.n.

Bei der Durchführung von Crashtests sind im Allgemeinen Beschleunigungswerte zum Zeitpunkt des Crashs mit einer sehr hohen Genauigkeit und zeitlichen Auflösung von Interesse. Durch eine zeitliche Differenzierung der mittels der Magnetometer 5.1 bis 5.n gelieferten Lage- und Positionsdaten ist eine solche hohe zeitliche Auflösung insbesondere bei einer Frequenz von ca. 500 Hz allein nicht möglich. Die mittels der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n zusätzlich erfassten Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte ermöglichen durch eine zeitliche Differenzierung der Positions- und Lageinformationen jedoch eine Eichung bzw. Plausibilitätsprüfung, auch als Sanity-Check bezeichnet, der mittels der Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n erfassten Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte. Durch eine Fusion der von den Beschleunigungssensoren 4.1 bis 4.n und der Magnetometer 5.1 bis 5.n erfassten Daten lässt sich weiterhin die Genauigkeit der Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte weiter erhöhen.When carrying out crash tests, acceleration values at the time of the crash with a very high level of accuracy and temporal resolution are generally of interest. By differentiating the location and position data supplied by magnetometers 5.1 to 5.n over time, such a high temporal resolution is not possible alone, especially at a frequency of approx. 500 Hz. However, the speed and acceleration values additionally recorded by acceleration sensors 4.1 to 4.n enable a calibration or plausibility check, also known as a sanity check, of the speed and acceleration values recorded by acceleration sensors 4.1 to 4.n through a temporal differentiation of the position and attitude information. The accuracy of the speed and acceleration values can be further increased by merging the data recorded by acceleration sensors 4.1 to 4.n and magnetometers 5.1 to 5.n.

Die mittels der Recheneinheit 7 ermittelten Lage- und Positionsinformationen können weiterhin in Echtzeit genutzt werden, um eine autonome Steuerung des Fahrzeugs 2 während des Crashtests zu realisieren. Eine Ermittlung der Lage- und Positionsinformationen durch zusätzliche Sensoren, wie beispielsweise Kameras, Lidarsensoren, eine Inertialsensorik etc. kann somit entfallen.The location and position information determined by the computing unit 7 can also be used in real time to realize autonomous control of the vehicle 2 during the crash test. Determination of the location and position information by additional sensors, such as For example, cameras, lidar sensors, inertial sensors, etc. can thus be omitted.

Claims

Device for determining the position, attitude and movement of a vehicle (2) during a crash test with - several magnetic field emitters (6.1 to 6.m) positioned at regular intervals in a crash test environment (1) and - a number of magnetometers (5.1 to 5.n) arranged on or in the vehicle (2), characterized in that - several acceleration sensors (4.1 to 4.n) are arranged in and/or on the vehicle (2), each acceleration sensor (4.1 to 4.n) comprising a magnetometer (5.1 to 5.n) integrated therein and designed as a vector magnetometer, speed and acceleration values being recorded by means of the acceleration sensors (4.1 to 4.n), - the acceleration sensors (4.1 to 4.n) and magnetometers (5.1 to 5.n) are coupled in terms of data technology to a central processing unit (7) arranged in and/or on the vehicle (2), - the central Computing unit (7) is designed to determine respective position and attitude information of the acceleration sensors (4.1 to 4.n) in and/or on the vehicle (2) during a movement of the vehicle (2) relative to the magnetic field emitters (6.1 to 6.m) on the basis of a strength of an alternating magnetic field emitted by the magnetic field emitters (6.1 to 6.m) measured by the magnetometers (5.1 to 5.n) and to carry out a plausibility check of the speed and acceleration values on the basis of the position and attitude information.

Device according to Claim 1 , characterized in that the magnetometers (5.1 to 5.n) are each designed as quantum sensors based on NV centers in diamond.

Method for determining the position, attitude and movement of a vehicle (2) during a crash test, characterized in that during a movement of the vehicle (2) relative to magnetic field emitters (6.1 to 6.m) positioned at regular intervals in a crash test environment (1) - by means of several acceleration sensors (4.1 to 4.n) arranged in and/or on the vehicle (2) and magnetometers (5.1 to 5.n) integrated in each acceleration sensor (4.1 to 4.n), speed and acceleration values of the vehicle (2) and a respective strength of alternating magnetic fields emitted by the magnetic field emitters (6.1 to 6.m) are recorded and - by means of a central processing unit (7) arranged in and/or on the vehicle (2) and coupled in terms of data technology to the acceleration sensors (4.1 to 4.n) and magnetometers (5.1 to 5.n), respective Position and attitude information of the acceleration sensors (4.1 to 4.n) in and/or on the vehicle (2) is determined and a plausibility check of the speed and acceleration values is carried out based on the position and attitude information.