KRETSCHMANN, Matthias (Hemauer Str. 19 B, Regensburg, 93047, DE)
PREIS, Herbert (Am Vogelherd 2, Bach a.d. Donau, 93090, DE)
JIANG, Zheng-Yu (Biendlweg 1, Regensburg, 93053, DE)
KRETSCHMANN, Matthias (Hemauer Str. 19 B, Regensburg, 93047, DE)
PREIS, Herbert (Am Vogelherd 2, Bach a.d. Donau, 93090, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur überwachung des Rauschens eines Sensors, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Einfluss spektraler Anteile des Sensorrauschsignals er ¬ mittelt und mit Vorgabewerten verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Un ¬ tersuchung auf Basis der Standardabweichung des arithmetischen Mittelwertes durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines Sensors abgetastet wird, die in Gruppen einer Anzahl (n w ) von Abtastwerten
(S (i) ) zusammengefasst und einer ersten Art von Mittelwertbildung (S„(k)) unterzo ¬ gen werden, und die Ergebnisse dieser ersten Mittelwertbildung
(Sn(k)) einer zweiten Art von Mittelwertbildung (F) unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Nachbar- oder Vorgänger- und/oder Nachfolgerwerte unterzogen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenverfahren für Sensorrauschberechnung und Auswertung ein konvolutiona- les Verfahrens verwendet.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein konvolutionales Ver ¬ fahrens unter Verwendung verschiedener Granularitäten (M) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenzen oberhalb der normalen Fahrdynamik in die Auswertung einbezogen werden, insbesondere Frequenzen oberhalb von ca. 5 Hz.
7. Vorrichtung zur überwachung des Rauschens eines Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Umsetzung eines Verfahrens aufweist, indem ein Abtaster
(D) mit einem Signalausgang (INPUT) eines Sensors verbunden ist, der Abtaster (D) an einen ersten Zwischenspeicher (3) zur Ablage von Abtastwerten in Reihenfolge ihres Eintreffens angebunden ist, der Zwischenspeicher (3) mit einem Rechenwerk zur Bestimmung eines ersten Mittelwertes (Sn(k)) verbunden ist, wobei das Rechenwerk hinsichtlich einer Anzahl von zu verarbeitenden Abtastwerten (S (i) ) bzw. Fensterbreite (n w ) einstellbar ist, ein zweiter Speicher (5) mit einem Ausgang des Rechenwerks zur Ablage von Ergebniswerten in Reihenfolge ihres Eintreffens verbunden ist, und der zweite Speicher an ein zweites Rechenwerk zur Durchführung einer zweiten Art von Mittelwertbestimmung
(F) unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Nachbaroder Vorgänger- und/oder Nachfolgewerte verbunden ist.
8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Konvo- lutionsrechenwerk umfasst mit einem Eingang zur Vorgabe verschiedener Granularitäten (M) .
9. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang zur Ausgabe eines Ergebniswertes und/oder einer verglei ¬ chenden Ergebnisauswertung an Vergleichsmittel und einen Vergleichswerte enthaltenen Datenfestspeicher angeschlossen ist.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Ausgangssignal durch Vergleich mit vordefinierten Grenzwerten auf einen jeweils aktuellen Reibwert einer Straßenoberfläche rückgeschlossen wird. |
Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur überwachung des Rauschens eines Sensors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur überwachung des Rauschens eines Sensors sowie eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Fahrzeugbereich zum Ermitteln eines Reibwertes zwischen Reifen eines Kraftfahrzeuges und einer Straßenoberfläche.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Sig ¬ nal/Rausch-Verhältnis SNR in einem Messsystem bei geringem Bedarf an elektrischer Leistung eingestellt wird. Dabei ist das SNR aber von mehreren Einflussgrößen, wie z.B. Temperatur, Spannung, etc. abhängig. Das wird beispielsweise in der DE 103 18 602 Al offenbart. Es sind auch weitere Verfahren bekannt, die alle das Ziel einer störungsarmen Signalverarbeitung zum Ziel haben. Rauschen wird dabei im Stand der Technik stets als Störgröße mit stochastischen Eigenschaften aufgefasst, die einen elektrischen Wirkungsgrad absenkt und gerade Messoperationen negativ beeinflusst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur überwachung eines Sensor-Rauschens und eine entsprechende Vorrichtung zu schaf ¬ fen, um u. a. systemrelevante Informationen zu erhalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen An ¬ sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Eine wesentliche Basis der vorliegenden Erfindung ist die Ab ¬ kehr von einer Betrachtung von Rauschen als reiner Störgröße. Rauschen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielmehr als zu nutzende Informationsquelle genutzt. Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur überwachung des Rauschens eines Sensor-Ausgangssignals dadurch aus, dass ein Einfluss spektraler Anteile des Sensorrauschsignals ermittelt und mit Vorgabewerten verglichen wird. Diese Untersuchung wird vorzugsweise auf Basis der Standardabweichung des arithmetischen Mittelwertes durchgeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ausgangssignal eines Sensors abgetastet wird, in Gruppen einer Anzahl von Abtastwerten zusammenge- fasst und einer ersten Art von Mittelwertbildung unterzogen werden, und die Ergebnisse dieser ersten Mittelwertbildung einer zweiten Art von Mittelwertbildung unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Nachbar- oder Vorgänger- und/oder Nachfolgewerte unterzogen werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht Mittel zur Umsetzung eines Verfahrens vor, indem ein Abtaster mit einem Signalaus ¬ gang eines Sensors verbunden ist, der Abtaster an einen ersten Zwischenspeicher zur Ablage von Abtastwerten in Reihenfolge ihres Eintreffens angebunden ist, der Zwischenspeicher mit einem Rechenwerk zur Bestimmung eines ersten Mittelwertes verbunden ist, wobei das Rechenwerk hinsichtlich einer Anzahl von Abtastwerten einstellbar ist, ein zweiter Speicher mit einem Ausgang des Rechenwerks zur Ablage von Ergebniswerten in Reihenfolge ihres Eintreffens verbunden ist, und der zwei ¬ te Speicher an ein zweites Rechenwerk zur Durchführung einer zweiten Art von Mittelwertbestimmung unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Nachbar- oder Vorgängerwerte verbunden
ist, wobei das zweite Rechenwerk an einem Ausgang an einen Datenfestspeicher und Vergleichsmittel zur Ausgabe eines Er ¬ gebniswertes und/oder einer vergleichenden Ergebnisauswertung angeschlossen ist.
Eine Grundlage für eine besonders vorteilhafte Anwendung ei ¬ nes erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die Erkenntnis, dass ein verrauschtes Sensorsignal nicht ausschließlich durch die Sensorqualität bedingt ist. Eine dem Rauschen ähnliche Sig ¬ naleigenschaft kann beispielsweise durch eine normale Fahrdy ¬ namik eines Kraftfahrzeuges, aber auch durch eine spezifische Rauheit der Fahrbahnoberfläche oder aber durch bestimmte a- normale Fahrsituationen verursacht werden. Eine Unterschei ¬ dung der jeweiligen Einflüsse kann im Frequenzbereich vorgenommen werden, so dass durch die Art und Weise einer Einstel ¬ lung einer erfindungsgemäßen Signalauswertung der Einfluss einer normalen Fahrdynamik sowie einer regulären Sensorfunktion auf ein Rauschsignal zugunsten einer Untersuchung anormaler Effekte ausgeblendet werden kann. Damit können anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Adaption an den wirtschaftlich sehr bedeutenden Kraftfahrzeugsektor aus einem Sensorsignal Rückschlüsse auf eine aktuelle Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche gezogen werden. Nach bekannten Verfahren werden dazu beispielsweise ABS-Sensor-Ausgangssignale einer vergleichsweise aufwändigeren sekundären Auswertung zur Ermittlung eines jeweiligen Reibwertes unterzogen. Durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird dagegen ein preiswertes sowie zuverlässig und schnell arbeitendes Verfah ¬ ren zur Ermittlung einer groben Abschätzung für einen Reibwert zwischen Reifen eines Fahrzeuges und einer Straßenoberfläche sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung ge ¬ stellt.
Diese Darstellung einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer entsprechend ausgebildeten Vorrichtung stellt keine generelle Begrenzung deren Anwendung und/oder Anpassbarkeit dar. Vielmehr dient diese Anwendung einer bei ¬ spielhaften Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zur detaillierteren Beschreibung von Eigenschaften und Vorteilen sowie Anpassungsparametern.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Rechenverfahren für eine schnelle und effektive Sensorrauschberechnung und Auswertung unter Verwendung des konvolutionalen Verfahrens. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1: ein Diagramm zur Darstellung des Ablaufes eines
Rauschüberwachungsverfahrens bei Ausgabe mehrerer Ausgangswerte unterschiedlichen Aussagegehaltes durch Veränderung der Granularität ;
Figur 2: ein Blockdiagramm zur Darstellung eines überwachungs-Algorithmus eines Sensor-Rauschsignals unter Berücksichtigung einer jeweils aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit;
Figur 3: ein Blockdiagramm analog der Abbildung von Figur 2 zur Rad-Reibwertuntersuchung mit Nutzung verschiedener Ausgangswerte unterschiedlichen Aussagegehal ¬ tes durch Staffelung von Grenz- bzw. Sensorrausch- schwellwerten und
Figur 4: eine graphische Gegenüberstellung von Radreibwerten und Sensorrauschschwellwerten, wie sie dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zugrunde gelegt wird.
über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrens ¬ schritte verwendet .
Eine Rauschüberwachung kann in einem Kraftfahrzeug u. a. auf die Messwerte einer Gierrate ω z , einer Längsbeschleunigung a x , einer Querbeschleunigung a y , einzelnen Radgeschwindigkeiten vi, V 2 , V 3 , V 4 oder weiterer Fahrdynamiksensoren Cl 1 des betreffenden Kraftfahrzeugs mit möglichst unmittelbarem Stra ¬ ßenkontakt aus analogen Sensorausgangssignalen angewendet werden. Prinzipiell läuft das Verfahren bei all diesen Signa ¬ len nach einem gleichen Schema ab:
Analoge Eingangsgrößen eines Messwertes werden durch Abtas ¬ tung fester zeitlicher Schrittbreite T a bzw. einer Abtastfrequenz f a zu Reihen diskreter Messpunkte S (i) zu Abtastzeit ¬ punkten i über der Zeitachse umgeformt. Eine derartige Reihe diskreter Messpunkte bzw. Abtastwerte S (i) wird dann in Be ¬ trachtungsabschnitte von jeweils n w Abtastwerten unterteilt, und es wird ein Mittelwert ermittelt, wobei dieser Betrach ¬ tungsabschnitt nachfolgend gleich einem Fenster mit einer voreingestellten Breite n w z.B. in M Schritten der Fensterbreite n w ist.
In anderen Worten wird zunächst ein Betrachtungsabschnitt diskret einstellbarer zeitlicher Weite in Form eines "Sliding Window" gebildet, in dem alle Werte zur Bildung eines arith-
metischen bzw. empirischen Mittelwertes aufaddiert und je ¬ weils durch die Anzahl der aufaddierten Werte geteilt werden. Der Mittelwert über n Zeitschritte zum Zeitpunkt k ergibt sich also zu:
Die mittlere quadratische Abweichung bzw. Standardabweichung, kurz RMS, über n Zeitschritte zum Zeitpunkt k ergibt sich dann zu:
Eine Konvolution über einen Satz verschiedener Granularitäten M ={M 0 , Mi, M 2 , ...} bei einer Fenstergröße n w ergibt sich zu: s conv (k) = F(n w ,M, S) w
F bezeichnet dabei eine Funktion, die verschiedene RMS
S (k) innerhalb der Signale S(k-n w +l) und S (k) berechnet und miteinander verknüpft. Durch Wahl von n w und den jeweiligen Granularitäten M können die beitragenden Frequenzen selektiert werden. Im vorliegenden Beispielfall nach Figur 1 wird mit der Gleichung
S n° nV W =jr ∑ S .M
eine lineare Addition gewählt. Möglich und im Folgenden nicht weiter dargestellt sind auch andere Formen der Mittelung, Ge ¬ wichtung oder selektive Betonung bestimmter Frequenzen.
Innerhalb der vorstehenden Formeln definiert eine Fenster ¬ breite bzw. Fenstergröße n w einen Fokus auf einen jeweiligen Beitrag einer bestimmten zu beobachtenden Frequenz f b zu ei ¬ nem Endergebnis. Damit existiert eine Grenze zu einer nied ¬ rigsten, in die Beobachtung bzw. Berechnung mit einfließende Frequenz f b über seine Periodendauer T b nach dem Nyquist- Shannon Abtast-theorem. Diese niedrigste Frequenz berechnet sich zu f b > l/(2*n w *T a ) .
Dieses ist die minimale Frequenz, die über ein Fenster einer Weite n w über diskrete Messpunkte S (i) des analogen Eingangs ¬ signals einstellbar ist. Daraus ergibt sich auch der Zusam ¬ menhang, wonach mit steigender Granularität M, d.h. bei zu ¬ nehmender Zerteilung des Fensters der Weite n w , auch die Beo ¬ bachtungsfrequenz f b steigt. Ein analog aufgenommenes Rausch ¬ signal kann damit im Rahmen des vorstehend beschriebenen Ver ¬ fahrens unter Verarbeitung zeitdiskreter Signale selektiv für die Beiträge bestimmter Beobachtungsfrequenzen auf signifi ¬ kante Abweichungen z.B. von Normalwerten zu den jeweiligen Beobachtungsfrequenzen hin untersucht werden.
Statt der vorstehend vorgeschlagenen Berechnungsformel für den arithmetischen Mittelwert S n (k) wird nachfolgend eine leicht und vergleichsweise effektiver auf einem Mikrokontrol- ler programmierbare rekursive Formel verwendet: η w (k) = η w (k-l)+—ζ(k),
wobei ζ(k) = η(k)-η(k-n w ),
mit der Fenstergröße n w und dem Parameter η als einem der gemessenen und abgetasteten Signalwerte S (i) , i=l, 2, ... , N.
N gibt die Gesamtanzahl der zur Verfügung stehenden Messwerte an. Nach dieser Formel wird also ein Fenster derart über eine Reihe von Abtastwerten geschoben, dass in jedem Schritt ein erster Wert aus dem Fenster herausfällt und ein letzter Wert neu hinzu genommen wird. Eine analoge Vorgehensweise bietet sich auch bei der Bestimmung des RMS-Standardabweichung an.
Die Abbildung von Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel an ¬ hand einer Anzahl von n w = 20 Werten der Abtastfolge S (k) , die mit einem zeitlichen Abstand T a = 4 ms aus einem analogen Sensor-Ausgangssignal gewonnen worden sind. Dieser Werte wer ¬ den nun in einer entsprechenden Vorrichtung 1 in einem Speicher 2 abgelegt und durch Rechenwerke verarbeitet, so dass als Ergebnis in Abhängigkeit von einer jeweils auf die glei ¬ che Datenfolge von n w = 20 Werten angewendeten Granularität M die folgenden Ergebnisse im Zuge einer abschließenden Bildung eines linearen Mittelwertes ermittelt bei N = 5 werden:
S 1 Ck) =s n (k)
W
S 3 (k) = - λ.(S J- (k - 15) + S J- (k - 10) +S J-(k-5) + S J- (k))
S 4
(k) -16) +S 4
(k-12) +S 4
(k-8)+S 4
(k-4)+S 4
(k))
S 5 (k) =-i- ∑ S ? (k -2i) 10 i= 0
In den vorstehenden Ergebnissen werden die Beiträge der folgenden fünf Frequenzen selektiert und berücksichtigt: f l ~ J τ -o
B f 2 ~ l
T 1 B 1 f 3 ~ l
T 2 1 B f 4 - l
T 3 B f 5 ~ !
T 1 B 4
Nun werden Anwendungsbeispiele des vorstehend beschriebenen Verfahrens für ein Kraftfahrzeug anhand der Abbildungen der Zeichnung beschrieben: Durch die dargestellte Sensorrauschbe ¬ rechnung kann eine überwachung des Sensorrauschens realisiert werden, das zu einer generellen Funktionsüberwachung eines Sensors herangezogen werden kann. Durch die Einführung von zwei Grenzen in Form von Schwellenwerten wird eine Plausibi- lisierung der Ergebnisse durchgeführt, die auch eine generel ¬ le Funktionsüberwachung des Sensors selber beinhaltet. Figur 2 zeigt exemplarisch eine konkrete Anwendung dieses Verfahrens ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines überwachungs-Algorithmus eines Sensor-Rauschsignals Cl 1 unter Be ¬ rücksichtigung einer jeweils aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit. Hierbei kann jedes Sensorausgangssignal verwendet wer ¬ den, das einen möglichst unmittelbarem Straßenkontakt in sich trägt .
Nach dem mit Bezug auf die Abbildung von Figur 1 beschriebe ¬ nen Verfahren bzw. Vorrichtung 1 wird das Sensor-Rauschsignal nun nach der Abtastung untersucht. Dabei sind bei dem ange-
legten Sensor-Rauschsignal verschiedene Frequenzbereiche zu unterscheiden: Normale Fahrzeug-Dynamik beeinflusst einen Bereich zwischen 0 bis ca. 5 Hz. Ziel des nachfolgend beschrie ¬ benen Verfahrens ist es, diese Frequenzen durch eine geeigne ¬ te Wahl von Fenstergröße n w und Granularität M zu eliminie ¬ ren .
Eine Erhöhung des Sensorrauschens über einen jeweils gegebe ¬ nen Produktrausch-Grenzwert kann beispielsweise durch die Al ¬ terung des Sensorelements oder durch externe Störungen wie z.B. elektro-magnetische Einstreuungen EMV verursacht werden. Aber auch mechanische Schockanregung oder Signalabriss führen zu einer derartigen Erhöhung oder einer Verringerung. Alarml liefert über einen Schellenwertvergleich im Allgemeinen eine Information über die Sensorqualität. Dahingegen bietet Alam2 zusätzliche Information über unterschiedliche Fahrsituationen bzw. Fahrbahnsituation, wobei der Focus jedoch auf der Größe ω z liegt.
Für eine Untersuchung der Beiträge jenseits der normalen Fahrdynamik liegen die zu betrachtenden Frequenzen ab einem Bereich von ca. 5 Hz. Dieser Bereich kann die Auswahl einer angepassten Größe n w des Sliding-Window und eines Konvoluti- onsgrads M gemäß der Abtastrate eingestellt werden. Durch ei ¬ nen Vergleich der Größe der jeweiligen Konvolutionswerts mit einem bei der eingestellten Frequenz erhaltenen Ergebnis bei normaler, glatter Straße kann abnormales Sensorrauschen erkannt werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Eigenschaft eines Sen ¬ sorrauschens auch durch spezifische Bedingungen der Fahrbahnoberfläche verursacht werden. Versuchsmessungen zeigen einen Zusammenhang zwischen den Schwellenwerten des Sensorrauschens
und unterschiedlichen Fahrbahnbedingungen. Diese wiederum beinhalten verschiedene Reibwerte zwischen dem Reifen und der Fahrbahnoberfläche. Figur 3 stellt ein Blockdiagramm zur Rad- Reibwertuntersuchung und Nutzung verschiedener Ausgangswerte unterschiedlichen Aussagegehaltes durch Staffelung von Grenzbzw. Sensorrauschschwellwerten dar analog der Abbildung von Figur 2. Figur 4 zeigt eine prinzipielle graphische Gegen ¬ überstellung von Radreibwerten und Sensorrauschschwellwerten, wie sie dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zugrunde gelegt wird. Diese Beziehung zwischen einem Radreibwert und dem Sensorrauschschwellenwert sowie deren Auswertung im Rahmen des vorstehend beschriebenen Verfahrens sind nur ein praktisches und auf den Automobilsektor bezogenes Anwendungsbeispiel.
Obiger Abschätzung nach Figur 3 folgend wird schließlich eine frequenzselektive Entscheidung durch Schwellwertevergleiche dazu getroffen, in welchem Intervall ein berechneter Sensorrauschwert liegt. Damit kann die Entscheidung für niedrigen, mittleren oder hohen Reibwert getroffen und an ein Motormanagement und/oder ein Fahrerassistenzsystem weitergegeben werden .
Nach der Ausführungsform von Figur 3 bietet sich damit also auch die Möglichkeit, mit dem Algorithmus den Reibwert zwi ¬ schen Reifen und Fahrbahn überschlägig abzuschätzen, sofern der Reifendruck vom Sollwert nicht zu stark abweicht . Die ex ¬ akte Berechnung des Reibwerts für Gleitreibung ist dagegen sehr aufwändig. Er basiert beispielsweise auf komplizierten Reifenmodellen und äußerst anspruchsvollen numerischen Methoden .
Eine sicherere Abschätzung des Radreibwerts kann durch die Kombination der oben genannten Methoden realisiert werden.
Die konvolutionale Methode liefert sehr schnell eine über ¬ schlägige Klassifizierung des Reibwerts. Infolgedessen können Start- bzw. Inputparameter für die Berechnung auf Basis aufwändigerer Modelle vorgegeben werden.