DE102008053226B4

DE102008053226B4 - Verfahren zur Bewertung eines Körperschallsignals für ein Personenschutzsystem

Info

Publication number: DE102008053226B4
Application number: DE102008053226.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Feser; Christian Smykalla
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-10-25
Filing date: 2008-10-25
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2028-10-26
Also published as: DE102008053226A1

Abstract

Verfahren zur Bewertung eines Körperschallsignals (KS) für ein Personenschutzsystem, wobei das Körperschallsignal (KS) bandpassgefiltert (2) und abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastwerte des Körperschallsignals mit einem Dezimationsfilter (3) gefiltert werden, wobei das Dezimationsfilter (3) aus einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten den Mittelwert des Betrags der Abtastwerte bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Körperschallsignals für einen Personenschutzsystem.
So ist beispielsweise aus der DE 100 15 273 A1 bereits die Verwendung von breitbandigen Beschleunigungsaufnehmern bekannt, die neben den niederfrequenten Beschleunigungssignalanteilen aufgrund der Verzögerung des Fahrzeugs auch auf die demgegenüber höherfrequenten Signalanteile aufgrund der unfallbedingten Schwingungen in der Fahrzeugkarosserie reagieren.
Aus DE 10 2006 042 769 B3 ist bereits bekannt, ein Personenschutzsystem auf Basis eines Algorithmus auszulösen, der neben Beschleunigungssignalen auch Körperschallsignale auswertet.
Aus der DE 10 2006 038 844 A1 ist beispielsweise zu entnehmen, dass dazu das Körperschallsignal bandpassgefiltert und durch Betragsbildung und Tiefpassfilterung eine Einhüllende gebildet wird. Sofern die Signalverarbeitung digital erfolgt, wird das Körperschallsignal zudem abgetastet.
Durch die Standardfilterung im Korperschallsensor über einen Bandpass (6–18 kHz), eine Gleichrichtung und einen darauf folgenden Tiefpassfilter (400 Hz) lässt sich ein hochfrequentes Signal in einem Algorithmus auswerten, der im 4 kHz Raster arbeitet. Besonders der Tiefpass bei der Filterung der hochfrequenten Sensorsignale erzeugt hier Filterlaufzeiten, die das tatsächliche Signal um bis zu einer Millisekunde verzögern können. Für die Applikation der zentralen Korperschallsensierung im Fahrzeug zur Erkennung von Seitenunfällen stellt das eine kritische Verzögerung des Signals dar, da beim Seitencrash Zündzeiten ab etwa 4–5 Millisekunden gefordert sind. Insbesondere die Plausibilisierung von Zündentscheidungen die über die an den Fahrzeugseiten angeordneten Satellitensensoren getroffen werden, erlaubt keine solchen Verzögerungen aufgrund der Signalverarbeitungskette.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bewertung eines Körperschallsignals sowie eine entsprechende Körperschallsensoreinheit vorzustellen, die eine besonders einfache und zudem schnelle Signalverarbeitung ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Grundgedanke ist, dass anstelle der früher üblichen Betragsbildung und Tiefpassfilterung die Abtastwerte des Körperschallsignals mit einem Dezimationsfilter gefiltert werden. Der Grad der Dezimation, also der Reduzierung der Anzahl der Ausgabewerte gegenüber der Anzahl der Abtastwerte wird dadurch eingestellt, in welcher Anzahl und Überlappung Abtastwerte zu einem Ausgabewert zusammengefasst werden. Für die Verarbeitung von Körperschall wird üblicherweise eine Mittelwertbildung aus der Anzahl von Abtastwerten erzeugt. Während bei einer gleitenden Mittelwertbildung gar keine Dezimation eintritt, wird bei einer sprunghaften Dezimation ein Abtastwert nur genau einmal zu einem Ausgabewert zusammengefasst. Versuche haben gezeigt, dass gerade eine sprunghafte Dezimation eine besonders schnelle Signalverabreitung ermöglicht, ohne dass dabei Störeinflüsse zu großen Einfluss hätten.
Dabei bestimmt das Dezimationsfilter aus der vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten unmittelbar den Mittelwert des Betrags der Abtastwerte, so dass eine vorherige Betragsbildung entfallen kann.
Versuche mit realen Körperschallsignalen bei Fahrzeugzusammenstössen haben gezeigt, dass Dezimationsfilter vorzugsweise so dimensioniert werden, dass diese zwischen 15 bis 50, insbesondere zwischen 25 und 35 Abtastwerte zu einem Ausgabewert dezimieren. Dies hängt von der Frequenz ab, mit der die Rohdatensignale im Sensor an die Signalverarbeitungskette weitergegeben werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird neben dem abgetasteten Körperschallsignal ein demgegenüber niederfrequenter abgetastetes digitales Beschleunigungssignal bewertet und die vorgegebenen Anzahl von zu einem Ausgabewert gemittelten Abtastwerten des Dezimationsfilters des Körperschallsignals so gewählt, dass die Frequenz des dezimierten digitalen Körperschallsignals ein ganzzahliges Vielfaches, vorzugsweise gleich, der Frequenz des digitalen Beschleunigungssignals ist. Dadurch können Körperschall- und Beschleunigungssignale besonders einfach mit einem entsprechenden Systemtakt abgetastet und über eine SPI-Schnittstelle übertragen sowie in einem Mikroprozessor entsprechend verarbeitet werden. Dabei kann der Dezimationsgrad des Dezimationsfilters in Grenzen ohne nennenswerte Qualitätsverluste an die entsprechend gewünschte Frequenz des Beschleunigungssignals angepasst werden.
Mit einem zweiten Dezimationsfilter mit einer abweichenden Dezimationsrate, d. h. Anzahl von Abtastwerten, die jeweils zu einem Ausgabewert zusammenfasst werden, kann eine Plausibilisierung erfolgen, indem der Ausgangswert des zweiten Dezimationsfilter mit einer Schwelle verglichen und an einer Ausgabeschnittstelle der Ausgabewert des ersten Dezimationsfilters sowie das Vergleichsergebnis bereitgestellt werden. Durch die Übertragung einzig des Vergleichsergebnisses reduziert sich gegenüber der Vollübertragung des Ausgabewerts des zweiten Dezimationsfilters die erforderliche Bitanzahl erheblich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Blockschaltbild einer Sensoreinheit für Beschleunigung und Körperschall
2 Prinzip der Signalaufbereitung
3 Signalvergleich konventioneller Filterung und Dezimationsverabreitung vom bandpassgefilterten Körperschallsignal
Die 1 zeigt Blockschaltbild einer Sensoreinheit für Beschleunigung und Körperschall, vorzugsweise ausgestaltet durch einen breitbandigen Sensor 1, dessen Ausgangssignal sowohl Körperschall als auch Beschleunigungssignalanteile enthält. Siehe dazu auch ein Rohdatensignal dargestellt in 2a. Durch eine Bandpassfilterung 2 wird der zur Crashschwereerkennung maßgebliche Frequenzanteil für die Körperschallbewertung ausgefiltert, vgl. auch bandpassgefiltertes Signal in 2b. Dieses Signal wird zur weiteren digitalen Signalverarbeitung abgetastet und A/D-gewandelt. Die vorliegenden Abtastwerte werden nun in einem Dezimationsfilter verarbeitet, indem aus einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten den Mittelwert des Betrags der Abtastwerte bestimmt wird. Dabei erfolgen Betragsbildung und Mittelwertbildung in einem Schritt.
Mathematisch beschrieben werden kann die Funktion des Dezimationsfilters aus Betrags- und Mittelwertbildung durch die Formel:
Wobei i der Laufindex, Xi der i-te Abtastwert und N die Anzahl der zu einem Ausgabewert gemittelten Abtastwerte ist.
Vorzugsweise wird jeder Abtastwert Xi nur genau einmal verwendet, so dass im Gegensatz zu einer gleitenden Mittelwertbildung keine Schieberegister oder ähnliches zur Speicherung der Abtastwerte über den Zeitraum der Erzeugung eines Ausgabewerts hinaus benötigt werden.
Dieser so vom Dezimationsfilter 3 erzeugte digitale ausgabewert wird beispielsweise über eine SPI-Schnittstelle 4 an eine zentrale oder mehrere dezentrale Auswerteeinheiten 10 weitergegeben, die auf Basis dieser Signalinformation, deren Verlauf sowie weiterer Sensorsignale eine Entscheidung über die Auslösung der Personenschutzeinrichtungen treffen.
Die zeitliche Verzögerung, die ein Signal bei der Durchleitung durch ein Übertragungssystem wie beispielsweise einen Filter erfährt, nennt man Gruppenlaufzeit. Die Gruppe bezeichnet dabei eine Gruppe benachbarter Frequenzen (Bandpasssignal). Diese Gruppenlaufzeit variiert Über verschiedene Frequenzen.
Um die Gruppenlaufzeit in der Filterkette des Körperschallsignals zu verringern, bzw. einzusparen, kann man hier eine andere Methode der digitalen Signalverarbeitung zum Einsatz bringen.
Als sinnvoll hat sich besonders die Dezimierung des Signals erwiesen. Dabei bleibt die Signalkette der Filterung eines Körperschallsignals mit einem Bandpass unverändert, danach jedoch ersetzt man den Gleichrichter und den Tiefpassfilter mit einem Dezimierungsfilter. Dieser fasst eine bestimmte Anzahl von Messwerten über Mittelwertbildung zusammen und führt damit zu einer, je nach Grad der Dezimierung, deutlich niedrigeren Abtastfrequenz. Um am Ende auf ein gleichgerichtetes, der Einhüllenden Nahe kommendes Signal zu kommen, ist es nötig für die Mittelwertbildung Beträge zu verwenden.
2 verdeutlicht noch mal die grundsätzlichen Veränderungen des Signals. 2a zeigt das Rohsignal vom breitbandigen Beschleunigungs- und Körperschallsensor, bei dem niederfrequente Beschleunigungssignalanteile wie auch hochfrequente Schwingungen der Fahrzeugkarosserie enthalten sind. 2b zeigt das bandpassgefilterte Signal, von dem in 2c der Absolutwert gezeigt und in 2d die Einhüllende verdeutlicht wird, wie diese durch Tiefpassfilterung wie auch Dezimation erreicht wird. Hinzuweisen ist darauf, dass im erfindungsgemäßen Verfahren Betragsbildung und Dezimation in einem Schritt digital erfolgen.
Je nach Frequenz, mit der die Daten nach der Bandpassfilterung anliegen (120 oder 104 kHz), führt eine Dezimierung um 30, bzw. 26 Werte auf eine Frequenz von 4 kHz. Wurde eine andere Frequenz am Ausgang des Sensors benötigt werden (z. B. 2 kHz), so lässt sich diese einfach durch Anpassung des Grades der Dezimierung erreichen.
In der in 1 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung ist für das digitale Körperschallsignal ein zweiter Dezimationsfilter (5) vorgesehen, der eine abweichende, insbesondere deutlich größere Anzahl von Abtastwerten zu jeweils einem Ausgabewert zusammenfasst. Dazu kann der zweite Dezimationsfilter (5) auf das bereits für das erste Dezimationsfilter (3) vorhandene bandpassgefilterte und digitalisierte Körperschallsignal zugreifen. Der Ausgangswert des zweiten Dezimationsfilter (5) wird in einem Komparator (6) mit einer Schwelle (9) verglichen und an einer Ausgabeschnittstelle (4) der Ausgabewert des ersten Dezimationsfilters (3) sowie das Vergleichsergebnis bereitgestellt.
So kann ein weiterer Zeitgewinn speziell für die Plausibilisierung der Signale von den Seitensatelliten durch einen Vergleich der Körperschallsignale mit einer programmierbaren Schwelle im Sensor erreicht werden. Dabei wird dieser zweite Dezimierungsfilter (5) speziell für die Plausibilisierung vorgesehen. Der Ausgangswert des Plausibilisierungsdezimierers wird mit dem Schwellwert (9) verglichen. Das Ergebnis des Schwellenvergleichs wird zusätzlich zu den Ausgangsdaten wie oben beschrieben vom Sensor ausgegeben. Vorteilhafterweise erfolgt die Ausgabe über die serielle Schnittstelle des Sensors gemeinsam mit den Ausgangsdaten. Daten und Plausibilisierung werden über eine Checksumme gegenüber Fehlern abgesichert.
Der entscheidende Vorteil der veränderten Filterung des Körperschallsignals in Verbindung eines Bandpass-Filters und der kombinierten Dezimierung und Gleichrichtung des Signals liegt in der verkürzten Gruppenlaufzeit bei der Signalverarbeitung. Vergleicht man in 3a das Signal bei der konventionellen Filterung über Bandpass, Gleichrichtung und Tiefpass mit einem Signal, das Bandpass gefiltert und danach dezimiert wurde, erkennt man einen sehr ähnlichen Signalverlauf. Die Kurven sind in dieser Auflösung fast nicht unterscheidbar.
Betrachtet man hingegen die feinere Zeitauflösung des in 3b gezeigten Bereichs, so fällt auf, dass das dezimierte Signal dem gleichgerichteten und Tiefpass gefilterten etwa immer eine Millisekunde voraus läuft.
Durch die veränderte Signalverarbeitung können Signale im Algorithmus eher zur Auslösung der Rückhaltemittel führen. Gerade bei den sehr zeitkritischen Seitenunfällen ist eine solche Verkürzung der Gruppenlaufzeit des gesamten Übertragungssystems von großem Nutzen.
Weiterhin sieht man durch die Dezimierung anstatt der Tiefpassfilterung im Signal eher und deutlich extreme Impulse, die durch einen starken Anprall am Fahrzeug entstanden sein können. Diese können im Crashfall zu einer schnelleren Entscheidung und damit zu mehr Sicherheit für den Insassen führen.

Das Potential kann auch in folgender Tabelle dargestellt werden, die mögliche Auslösezeiten für ein Airbagsystem mit Körperschallsensorik bei konventioneller Filterung und optimierter Filterung via Dezimierung vergleicht. Im Durchschnitt über die vier dargestellten Plattformen ist man bei gleicher Auslöseschwelle mit der optimierten Filterkette um fast eine Millisekunde schneller.

	Bandpassfilterung, Gleichrichtung und Tiefpassfilterung	Bandpassfilterung und Dezimierung der Beträge auf 4 kHz
Seitencrash 62 kph Plattform 1	7,0	6,13
Seitencrash 62 kph Plattform 2	5,75	5,15
Seitencrash 62 kph Plattform 3	6,5	5,15
Seitencrash 62 kph Plattform 4	4,75	3,92

Die Berechnung der Plausibilität sowie die Durchführung des Schwellenvergleichs erlaubt die Entscheidung, ob ein crashähnliches Signal in der Karosserie vorliegt, bereits im Sensor selbst. Die Entscheidung wird zeitgleich mit den Daten zum Microcontroller (10) des Steuergeräts kommuniziert. Es ergibt sich dadurch ein weiterer Geschwindigkeitsvorteil, da keine entsprechende Auswertung mehr im Prozessor des Steuergeräts erfolgen muss.
Bezugnehmend auf 1 soll noch eine weitere dort dargestellte Ausgestaltung angesprochen werden. So wird neben dem abgetasteten Körperschallsignal (KS) ein demgegenüber niederfrequenter abgetastetes digitales Beschleunigungssignal (G) bewertet. Dieses Beschleunigungssignal (G) kann entweder aus den Rohdaten eines breitbandigen Sensors (1) oder aus einem separaten Beschleunigungssensor (8), als Alternative in 1 gestrichelt angedeutet, gewonnen werden. Die vorgegebene Anzahl von zu einem Ausgabewert gemittelten Abtastwerten des Dezimationsfilters (3) des Körperschallsignals wird so gewählt, dass die Frequenz des dezimierten digitalen Körperschallsignals (KS) ein ganzzahliges Vielfaches, vorzugsweise gleich, der Frequenz des digitalen Beschleunigungssignals (G) ist.
Dadurch kann ein einheitlicher Systemgrundtakt verwendet und eine entsprechende synchronisierte Datenübertragung über die SPI-Schnittstelle 4 sichergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Bewertung eines Körperschallsignals (KS) für ein Personenschutzsystem, wobei das Körperschallsignal (KS) bandpassgefiltert (2) und abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastwerte des Körperschallsignals mit einem Dezimationsfilter (3) gefiltert werden, wobei das Dezimationsfilter (3) aus einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten den Mittelwert des Betrags der Abtastwerte bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dezimationsfilter (3) zwischen 15 bis 50 Abtastwerte zu einem Ausgabewert dezimiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem abgetasteten Körperschallsignal (KS) ein demgegenüber niederfrequenter abgetastetes digitales Beschleunigungssignal (G) bewertet wird und die vorgegebenen Anzahl von zu einem Ausgabewert gemittelten Abtastwerten des Dezimationsfilters (3) des Körperschallsignals (KS) so gewählt wird, dass die Frequenz des dezimierten digitalen Körperschallsignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des digitalen Beschleunigungssignals (G) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das digitale Körperschallsignal (KS) zwei Dezimationsfilter (3, 5) mit einer abweichenden Anzahl von Abtastwerten, die jeweils zu einem Ausgabewert zusammenfasst werden, vorgesehen sind und der Ausgangswert des zweiten Dezimationsfilter (5) mit einer Schwelle (9) verglichen (6) und an einer Ausgabeschnittstelle (4) der Ausgabewert des ersten Dezimationsfilters (3) sowie das Vergleichsergebnis bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dezimationsfilter (3, 5) eine sprunghafte Mittelwertbildung durchführt, bei der ein Abtastwert des Körperschallsignals (KS) nur genau einmal zu einem Ausgabewert berücksichtigt wird.
Körperschallsensoreinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Körperschallsensoreinheit einen Bandpassfilter (2) sowie eine Abtasteinheit und zumindest einen Dezimationsfilter (3, 5) aufweist.
Körperschallsensoreinheit nach Anspruch 6, wobei für das digitale Körperschallsignal (KS) zwei Dezimationsfilter (3, 5) mit einer abweichenden Anzahl von Abtastwerten, die jeweils zu einem Ausgabewert zusammenfasst werden, vorgesehen sind und der Ausgangswert des zweiten Dezimationsfilter (5) mit einer Schwelle (9) verglichen und an einer Ausgabeschnittstelle (4) der Ausgabewert des ersten Dezimationsfilters (3) sowie das Vergleichsergebnis bereitgestellt werden.
Personenschutzsystem für ein Fahrzeug, wobei eine Steuereinheit und zumindest ein Körperschallsensor (1) und zumindest ein Beschleunigungssensor (8) oder zumindest ein kombinierter Beschleunigungs- und Körperschallsensor vorgesehen ist, welche(r) zumindest ein niederfrequentes Beschleunigungssignal (G) und ein demgegenüber höherfrequentes Körperschallsignal (KS) erzeugen und die Steuereinheit (10) beide Signale digital auswertet und in Abhängigkeit davon die Personenschutzeinrichtungen ansteuert, wobei ein Dezimationsfilter (2) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 sowie eine gemeinsame Auswertefrequenz der Steuereinheit für das so dezimierte Körperschallsignal (KS) und das Beschleunigungssignal (G) aufweist.