DE102007040912A1 - Sensor-signal characteristic processing method for motor vehicle, involves eliminating interference portion from signal characteristic, and processing usage portion remained after elimination in chassis frame-regulation system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines mittels eines Sensors ermittelten zeitlichen Signalverlaufs, insbesondere eines eine fahrdynamische Kenngröße eines Kraftfahrzeugs wiedergebenden Signalverlaufs für die Weiterverwendung in einem Fahrwerk-Regelsystem.The The invention relates to a method for processing a means a sensor detected temporal waveform, in particular a driving dynamic characteristic of a Motor vehicle reproducing signal waveform for further use in one Chassis control system.
Bekanntlich sind moderne Kraftfahrzeuge mit Fahrwerk-Regelsystemen ausgestattet, welche die Längsdynamik und/oder die Querdynamik und/oder die Vertikaldynamik des Fahrzeugs beeinflussen können. Bei den längsdynamischen Regelsystemen kann es sich bspw. um ein Bremsregelsystem handeln, bei einem querdynamischen Regelsystem eines vorzugsweise zweispurigen Kraftfahrzeugs beispielsweise um ein in das Lenksystem des Fahrzeugs eingreifendes Regelsystem und bei einem vertikaldynamischen Regelsystem bspw. um ein solches, welches die Dämpferraten und/oder Federraten in der sog. Radaufhängung beeinflussen kann. Mit einem regelungstechnischen Eingriff in das Lenksystem des Fahrzeugs kann bspw. das dem Fahrer des Fahrzeugs bereit gestellte Lenk-Unterstützungsmoment eingestellt bzw. eingeregelt werden. Letzteres kann beispielsweise in Abhängigkeit von der (dem Fachmann bekannten) Gierrate oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung von dessen Fahrgeschwindigkeit geregelt werden, wobei diese nur beispielhaft genannten Größen (Gierrate, Querbeschleunigung Fahrgeschwindigkeit) unter den gewählten Gattungsbegriff einer „fahrdynamischen Kenngröße" fallen und mittels geeigneter und geeignet im Fahrzeug installierter Sensoren gemessen werden.generally known modern motor vehicles are equipped with chassis control systems, which the longitudinal dynamics and / or the lateral dynamics and / or the vertical dynamics of the vehicle can influence. at the longitudinal dynamic Control systems may, for example, be a brake control system, in a lateral dynamic control system of a preferably two-lane Motor vehicle, for example, a in the steering system of the vehicle intervening control system and in a vertical dynamic control system eg. one such, which is the damper rates and / or spring rates in the so-called. Suspension can influence. With a regulatory intervention in the steering system of the vehicle For example, the steering assistance torque provided to the driver of the vehicle may be provided be set or adjusted. The latter can, for example dependent on from the yaw rate or lateral acceleration (known to those skilled in the art) of the vehicle under consideration be regulated by the driving speed, these only exemplified sizes (yaw rate, Lateral acceleration driving speed) under the selected generic term a "dynamic driving Characteristic "fall and means suitable and suitably installed in the vehicle sensors become.
Ungleichförmigkeiten insbesondere an einem Rad (oder Rad-Reifen) des Fahrzeugs können periodische Schwingungen im zeitlichen Signalverlauf einer gemessenen fahrdynamischen Größe verursachen. Eine derartige Ungleichförmigkeit kann bspw. hinsichtlich der Masseverteilung oder der Steifigkeitsverteilung oder einfach nur hinsichtlich der Geometrie bspw. eines Rades vorliegen; bei letzterem ist die mögliche sog. Unwucht allgemein bekannt. Aus derartigen Ungleichförmigkeiten resultierende periodische Schwingungen im zeitlichen Signalverlauf einer fahrdynamischen Größe können durch Resonanzen teilweise eine große Verstärkung erfahren und somit die eigentliche Messung dieser fahrdynamischen Größe erheblich verfälschen, was eine negative Auswirkung auf ein Fahrwerksregelsystem, welches sich dieser Signale bedient, haben kann und insbesondere dessen Robustheit herabsetzen kann. Um dabei die nötige Robustheit über der Lebensdauer des Fahrzeugs zu gewährleisten wird oftmals eine Beschränkung der Effizienz des Fahrwerksregelsystems in Kauf genommen.uniformities in particular on a wheel (or wheel tire) of the vehicle may be periodic Vibrations in the temporal signal course of a measured dynamic driving Cause size. Such a nonuniformity may, for example, in terms of mass distribution or the stiffness distribution or just with regard to the geometry of, for example, a wheel; with the latter is the possible one so-called imbalance generally known. From such irregularities resulting periodic oscillations in the temporal signal curve a driving dynamic size can by Resonances partly a big one reinforcement experienced and thus the actual measurement of this dynamic driving Size considerably distort, what a negative impact on a suspension control system, which These signals can be used, and in particular its Can reduce robustness. To have the necessary robustness over the To ensure the life of the vehicle often becomes a limitation the efficiency of the suspension control system accepted.
Diesbezüglich eine Verbesserung aufzuzeigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein hier vorgeschlagenes und beschriebenes Verfahren zur Aufbereitung eines mittels eines Sensors ermittelten zeitlichen Signalverlaufs keineswegs auf die Anwendung in Fahrwerk-Regelsystemen beschränkt ist, wenngleich anhand dieses Anwendungsfalles die Erläuterung der vorliegenden Erfindung erfolgt. Vielmehr ist ein erfindungsgemäßes Verfahren überall dort anwendbar, wo ein zeitlicher mittels eines Sensors ermittelter Signalverlauf neben einem eigentlich interessierenden sog. Nutzanteil einen periodischen, für die Weiterverarbeitung des Sensor-Signals uninteressanten sog. Störanteil enthält. Dies kann nur beispielshalber genannt bei der Messung in der Lagerung von Antriebsmaschinen oder von deren Abtriebsmoment der Fall sein; in der Regel also stets dort, wo eine periodische Bewegung stattfindet, aus welcher heraus ein periodischer Störanteil (bspw. in Form von Unwucht) in einem irgendwie gearteten Sensor-Signal enthalten sein kann.In this regard one To show improvement is the object of the present invention. It is expressly indicated that a proposed and described here Process for the preparation of a determined by means of a sensor time waveform on the application in suspension control systems limited is, although based on this application, the explanation of the present invention. Rather, an inventive method is everywhere applicable, where a temporal by means of a sensor detected waveform next to a so-called useful portion of interest, a periodic, for the Further processing of the sensor signal uninteresting so-called interference component contains. This can only be mentioned as an example when measuring in storage of prime movers or their output torque be the case; usually always where a periodic movement takes place, from which a periodic interference component (for example in the form of Imbalance) can be contained in some sort of sensor signal can.
Die Lösung der genannten Aufgabe ist für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit einer zeitlichen Periodizität auftretender sog. Störanteil aus dem Sensor-Signalverlauf eliminiert wird, während ein nicht periodischer Signal-Anteil mit einer dem Störanteil vergleichbaren Frequenzzusammensetzung erhalten bleibt, ehe der nach dieser Elimination verbleibende sog. Nutzanteil des Sensor-Signalverlaufs weiter verarbeitet wird. Nach einem bevorzugten Algorithmus, der dies leistet, wird in einem zeitlich engen Analysezeitfenster der keine Periodizität aufweisende Nutzanteil des ursprünglichen Sensor-Signalverlaufs als näherungsweise zeitlich linear verlaufend betrachtet und durch Hochpassfilterung stark reduziert. Vom danach verbleibenden Störanteil des ursprünglichen Sensor-Signalverlaufs wird dessen durch die Hochpassfilterung verursachte Phasenverschiebung und Amplituden-Modifikation ermittelt, woraufhin eine Phasenkorrektur sowie eine Amplitudenkorrektur bezüglich dieses Störanteils durchgeführt und danach der entsprechend korrigierte Verlauf des Störanteils vom ursprünglichen Sensor-Signalverlauf subtrahiert wird, um den Nutzanteil des ursprünglichen Sensor-Signalverlaufs zu erhalten.The solution the task mentioned is for a method according to the preamble of claim 1, characterized that at least one occurring with a temporal periodicity so-called noise component from the sensor waveform is eliminated while a non-periodic signal component with a noise component comparable Frequency composition is retained before the after this elimination remaining so-called useful portion of the sensor signal waveform further processed becomes. According to a preferred algorithm that does this, will in a temporally narrow analysis time window of no periodicity Useful portion of the original Sensor waveform as an approximation considered linear over time and by high-pass filtering greatly reduced. From the remaining remaining part of the original Sensor waveform is caused by the high-pass filtering Phase shift and amplitude modification determined, whereupon a Phase correction and an amplitude correction with respect to this disturbance component carried out and then the correspondingly corrected course of the noise component from the original one Sensor waveform is subtracted to the useful portion of the original sensor waveform receive.
Es wird somit vorgeschlagen, aus einem zeitlichen Signalverlauf bspw. einer fahrdynamischen Kenngröße zumindest einen signifikanten ausschließlich periodischen Bestandteil zu entfernen. Anders als bei der Verwendung von üblichen Bandpassfiltern bleiben somit nicht-periodische Bestandteile mit teilweiser gleicher Frequenzzusammensetzung wie die periodischen Bestandteile praktisch unverändert im Signalverlauf erhalten. Auf diese Weise erfahren – anders als bei einer üblichen Bandpass-Filterung – plötzliche transiente Änderungen bspw. eines Querbeschleunigungs-Signals des Fahrzeugs keine Phasenverschiebung und Amplitudenmodifikation und können somit unverfälscht in einem Fahrwerk-Regelsystem berücksichtigt werden, während eine dem Signalverlauf überlagerte periodische Schwingung, die bspw. aus einer Reifen-Unwucht resultiert, zumindest stark reduziert wird.It is thus proposed to remove at least one significant exclusively periodic component from a time signal waveform, for example a driving dynamic parameter. Unlike the use of conventional bandpass filters thus non-periodic components remain with partially the same Frequency composition as the periodic components obtained virtually unchanged in the waveform. In this way - in contrast to a conventional bandpass filtering - sudden transient changes, for example, a lateral acceleration signal of the vehicle undergoes no phase shift and amplitude modification and can thus be considered genuine in a chassis control system, while superimposed on the waveform periodic vibration, the for example resulting from a tire imbalance, at least greatly reduced.
Bei einmaliger Anwendung des oben vorgeschlagenen (und im weiteren näher erläuterten) bevorzugten Algorithmus wird, falls mehrere periodische Störanteile mit unterschiedlichen Periodizitäten im Sensor-Signalverlauf enthalten sind, derjenige mit der größten Amplitude eliminiert. Ein oder mehrere weitere(r) Störanteil(e) mit geringerer Amplitude kann oder können somit einfach nacheinander eliminiert werden, indem dieser vorgeschlagene Algorithmus mehrmals nacheinander angewandt wird.at single application of the above-proposed (and explained in more detail below) preferred algorithm is, if multiple periodic noise components with different periodicities contained in the sensor waveform, the one with the largest amplitude eliminated. One or more additional interference component (s) with a lower amplitude can or can thus be eliminated one after the other by this proposed Algorithm is applied several times in succession.
In einem bevorzugten Anwendungsfall kann das besagte Analysezeitfenster in der Größenordnung von 0,5 Sekunden liegen, insbesondere wenn der Nutzanteil des ursprünglichen Sensor-Signalverlaufs in einem Fahrwerk-Regelsystem, welches das Lenkmoment im Lenksystem des Fahrzeugs einstellt, weiterverarbeitet oder berücksichtigt wird und der Sensor-Signalverlauf von einem Gierratensensor oder einem Querbeschleunigungssensor des Fahrzeugs stammt.In In a preferred application, said analysis time window in the order of 0.5 seconds, especially if the useful portion of the original Sensor waveform in a chassis control system, which determines the steering torque in the steering system of the vehicle, further processed or taken into account and the sensor waveform from a yaw rate sensor or a lateral acceleration sensor of the Vehicle originates.
Beigefügt ist ein Signalflussdiagramm, in dem ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt ist. Dabei wird unter Zugrundelegung eines Analysezeitfensters von 0,5 Sekunden bspw. eine durch eine Lenkaktion des Fahrers verursachte Querbeschleunigung bzw. Gierrate innerhalb dieses Analysezeitfensters näherungsweise als linear betrachtet. Dem zeitlichen Signalverlauf (des Querbeschleunigungssensors oder Gierratensensors) überlagert sei eine bspw. durch Reifen-Unwucht verursachte harmonische Störung, wobei Resonanzeinflüsse eine deutliche Verstärkung dieser Anregung bewirken, üblicherweise in der Größenordnung zwischen 5 Hz und 30 Hz.Attached is a Signal flow diagram in which a preferred method according to the invention is shown. It is based on an analysis time window of 0.5 seconds, for example, a caused by a steering action of the driver Transverse acceleration or yaw rate within this analysis time window approximately considered as linear. The temporal waveform (the lateral acceleration sensor or yaw rate sensor) superimposed is a harmonic distortion caused by tire imbalance, for example, where resonance influences a clear reinforcement this suggestion, usually in the order of magnitude between 5 Hz and 30 Hz.
Damit
gilt näherungsweise
für die
zeitlichen Signalverlauf die folgende
Gesucht
ist nun der folgende Zeitverlauf des Störanteils nach
Auf das beigefügte Signalflussdiagramm im Detail eingehend wird somit der den Nutzanteil und den Störanteil enthaltende zeitliche Signalverlauf x1(t) durch ein erstes Hochpassfilter geleitet, in welchem der Nutzanteil im wesentlichen entfernt wird, so dass nurmehr der Störanteil x2(t) verbleibt, der durch ein weiteres Hochpassfilter geleitet wird, um die durch das erste Hochpassfilter hervorgerufene Phasenverschiebung und Amplitudenmodifikation wie im weiteren erläutert bestimmen zu können; hiernach ergibt sich der Verlauf x3(t).The time signal waveform x 1 (t) containing the useful component and the interference component is thus passed through a first high-pass filter in which the useful component is essentially removed, so that only the interference component x 2 (t) remains. which is passed through another high-pass filter in order to be able to determine the phase shift and amplitude modification caused by the first high-pass filter, as explained below; After that the course x 3 (t) results.
Im sich hieran anschließenden Block werden durch Kreuzkorrelation von x2(t) und x3(t) eine ggf. vorhandene Periodizität festgestellt – eine signifikante Periodizität ist bekanntlich bei ausgeprägten Minima und Maxima in der Kreuzkorrelation vorhanden – und deren Kreisfrequenz ωD – hierbei handelt es sich um diejenige des periodischen Störanteils – sowie die durch den genannten ersten Hochpassfilter verursachte Zeitverschiebung ermittelt. Mit Kenntnis derer kann im nächsten, mit „Variable Transport Delay" bezeichneten Block eine Zeitverzögerung und somit eine Phasenkorrektur des Signalverlaufs x2(t) durchgeführt werden, woraus sich der Verlauf ergibt. Dabei kann der mit „Variable Transport Delay" bezeichnete Block ein aus Matlab/Simulink von der Fa. MathworksTM bekannter Systemblock sein oder durch die Funktion x(k) = Z–k beschrieben sein, mit und Ta als Abtastzeit.In the subsequent block, a possibly existing periodicity is determined by cross-correlation of x 2 (t) and x 3 (t) - a significant periodicity is known for pronounced minima and maxima in the cross-correlation - and their angular frequency ω D - this is it is that of the periodic noise component - as well as the time shift caused by said first high pass filter determined. Knowing this can be done in the next block called "Variable Transport Delay" a time delay and thus a phase correction of the waveform x 2 (t) are performed, resulting in the course results. In this case, the block designated by "Variable Transport Delay" may be a system block known from Matlab / Simulink from Mathworks TM or may be described by the function x (k) = Z -k , with and Ta as sampling time.
Parallel hierzu wird vorzugsweise über eine Tabelle (sog. „Lookup Table Hochpassfilter") in Kenntnis der Anregungsfrequenz ωD die aus der ersten Hochpassfilterung resultierende Amplitudenmodifikation GHP(ωD) ermittelt, woraus wie angegeben durch Multiplikation mit deren Kehrwert eine Amplitudenkorrektur bezüglich des Signalverlaufs x2, genauer bezüglich des bereits phasenkorrigierten Verlaufs durchgeführt wird. Danach kann dieser zeitliche Signalverlauf vom ursprünglichen Signalverlauf x1(t) subtrahiert werden, um den reinen Nutzanteil hiervon (weiter oben mit y(t) bezeichnet) zu erhalten.Parallel to this, the amplitude modification G HP (ω D ) resulting from the first high-pass filtering is preferably determined via a table (so-called "lookup table high-pass filter") with knowledge of the excitation frequency ω D , from which an amplitude correction with respect to the signal profile is obtained by multiplication by its reciprocal value x 2 , more precisely with regard to the already phase-corrected course is carried out. Thereafter, this time waveform can be subtracted from the original waveform x 1 (t) to obtain the net payload thereof (denoted by y (t) above).
Es
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass dieses Verfahren selbstverständlich auch
bei nicht harmonischem periodischem Störanteil funktioniert, wenngleich
im Folgenden ein mathematischer Nachweis für die Wirkungsweise des vorgeschlagenen
Verfahrens nur für
einen harmonischen Störanteil
geführt
wird:
Zum Ermitteln des Störanteils
xG(t) aus dem zeitlichen Signalverlauf x1(t) wird zunächst der lineare Anteil a0 + a1t aus x1(t) durch Hochpassfilterung x2(t)
= x1(t)·gHP(t)
stark reduziert, wobei gHP(t) die Gewichtsfunktion
des Hochpassfilters darstellt und mit „*" die Faltung mit der Zeitfunktion symbolisiert
ist. Als Hochpassfilter eignet sich bspw. ein Filter 2.Ordnung mit
einer Eckfrequenz von 5 Hz für
den behandelten Anwendungsfall, so dass gilt: (a0 +
a1t)·gHP(t) ≈ 0.It should be expressly understood that this method of course works even with non-harmonic periodic noise component, although in the following a mathematical proof for the operation of the proposed method is performed only for a harmonic interference component:
To determine the interference component x G (t) from the temporal signal curve x 1 (t), first the linear component a 0 + a 1 t from x 1 (t) by high-pass filtering x 2 (t) = x 1 (t) · g HP (t) is greatly reduced, where g HP (t) represents the weighting function of the high-pass filter and "*" the convolution is symbolized by the time function The high-pass filter is, for example, a second-order filter with a corner frequency of 5 Hz for the treated use case, so that the following applies: (a 0 + a 1 t) · g HP (t) ≈ 0.
Daraus folgt Gleichung 2: x2(t) ≈ AHP·sin(ωD·t + φ) mit der durch den Hochpassfilter bedingten Phasenvoreilung φ und modifizierten Amplitude AHP. It follows from Equation 2: x 2 (t) ≈ A HP · sin (ω D · t + φ) with the phase advance φ due to the high-pass filter and modified amplitude A HP .
Analog
folgt aus
Die Übertragungsfunktion des Hochpassfilters ist bekannt. Im Laplacebereich lautet die Übertragungsfunktion bspw.The transfer function the high-pass filter is known. In the Laplace range, the transfer function is for example.
Mit s = jω kann die Amplitudenmodifikation als auch die Phasenverschiebung eines harmonischen Signals durch den Hochpassfilter bei gegebener Kreisfrequenz ωD analytisch ermittelt werden: With s = jω, the amplitude modification as well as the phase shift of a harmonic signal can be determined analytically by the high-pass filter at a given angular frequency ω D :
Zur Reduzierung der Berechnungszeit empfiehlt sich das Abgreifen aus einer sog. Tabelle („LOOK-Up Table"), welche die Amplitudenmodifikation zu gegebener Anregungsfrequenz ω = ωD liefert: To reduce the computation time, it is recommended to use a so-called table ("LOOK-Up Table"), which provides the amplitude modification at the given excitation frequency ω = ω D :
Über Kreutzkorrelation von x2(t) und x3(t) können die Anregungsfrequenz der periodischen Störung und die durch den Hochpassfilter verursachte Phasenverschiebung ermittelt werden: By cross-correlation of x 2 (t) and x 3 (t), the excitation frequency of the periodic disturbance and the phase shift caused by the high-pass filter can be determined:
Zur einfacheren Berechnung ist die Kreuzkorrelation über einen unendlichen Zeitbereich dargestellt. Der dadurch entstehende Fehler ist hinreichend klein.For easier calculation, the cross-correlation is shown over an infinite time range. The resulting error is sufficiently small.
Über einen Suchalgorithmus wird das Maximum nächst der Nullverschiebung ermittelt. mit k ∊ N.A search algorithm determines the maximum next to the zero shift. with k ε N.
Mit k = 1 beschreibt τmin die Abszisse des Minimums neben dem Maximum mit der Abszisse τmax.With k = 1, τ min describes the abscissa of the minimum next to the maximum with the abscissa τ max .
Aus der Differenz der Verschiebungfolgt die Frequenz der periodischen Störung: From the difference of the shift follows the frequency of the periodic disturbance:
Mit ωD wird |GHP(ωD)| mittels Lookup-Table ermittelt und durch x2 dividiert. Durch eine Verzögerung von x2 um die Zeit τmax folgt für With ω D , | G HP (ω D ) | determined by lookup table and divided by x 2 . By a delay of x 2 by the time τ max follows for
Aus Gleichung 6 entsteht mit Gleichung 3 und Gleichung 4 folgende Gleichung 7: From Equation 6, Equation 3 and Equation 4 give Equation 7:
Und
somit gilt:
Hieraus ist ersichtlich, dass der vorgestellte Algorithmus bzw. das hier vorgestellte Verfahren eine starke Reduzierung der periodischen Anteile in der Messung x1(t) bewirkt, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.From this it can be seen that the presented algorithm or the method presented here causes a strong reduction of the periodic components in the measurement x 1 (t), wherein it should be pointed out that quite a number of details can be deviated from the above explanations, without departing from the content of the claims.
Claims (4)
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| DE200710040912 Withdrawn DE102007040912A1 (en) | 2007-08-30 | 2007-08-30 | Sensor-signal characteristic processing method for motor vehicle, involves eliminating interference portion from signal characteristic, and processing usage portion remained after elimination in chassis frame-regulation system |
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