JP2010540918A - 回転可能なボディの回転方向および／または回転速度をロバストかつ効率的に求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることが可能でありかつセンサによって出力される正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）に基づいて、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度ωを決定する方法および装置に関し、これは以下のステップのうちの少なくとも１つを有する。すなわち、上記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）を時点ｔ₀に記録するステップと、上記の正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）から位相値φ₀を決定するステップと、上記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）を時点ｔ_iに記録するステップと、相応する正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）から位相値φ_iを決定するステップと、上記の位相値φ_iと位相値φ₀とから位相差Δφ_iを形成するステップと、この位相差Δφ_iからバーニヤ方式に基づいて回転方向および／または回転速度ωを決定するステップとを有する。

Description

本発明は、ホイールまたはシャフトの回転方向および／または回転速度をロバストかつ効率的に求める方法に関する。さらに本発明は、ホイールまたはシャフトの回転方向および／または回転速度をロバストかつ効率的に求める方法を実施する装置に関する。

従来の技術
多くのシステムにおいて、殊に自動車分野におけるシステムにおいて、例えば、ホイールまたはシャフトの回転方向および／または回転速度を極めて精確かつ確実に求めることが必要である。このために上記のシステムにより、
ｘ＝ｃｏｓφ
ｙ＝ｓｉｎφ
の形の一つずつの正弦波状および余弦波状の加速度信号が評価されて回転方向および／または回転速度が求められる。ここで角度φは、ホイールないしはシャフトの（回転）角度の瞬時値である。ここで上記のセンサは、ホイールのリムないしはシャフトの異なる位置に取り付けられており、異なる方向に感度を有する。ふつう上記の２つの信号ｘおよびｙは互いに９０°の位相シフトを有する。

従来技術からは、信号ｘおよびｙを観察してこれらの２つの信号の一連の最小値および最大値からホイールないしはシャフトの回転方向を求める方法が公知である。例えば、信号ｘを観察して、最大値の後、信号ｘが最初にゼロ通過した時点を検出することが可能である。信号ｙがこの時点に最大値を有する場合、ホイールないしはシャフトはφの正の方向に回転している。これに対して信号ｙがこの時点に最小値を有する場合、ホイールないしはシャフトはφの負の方向に回転している。

しかしながらこの方法は、ある欠点を有する。ふつう上記の検出した信号は、オフセット、すなわち、定常成分を有するか、または何らかの障害を受けており、これによって最小値、最大値およびゼロ通過の全観察時間中の必要な検出が問題を伴うのである。観察時間が長いことにより、使用される評価回路は電力消費が大きい。それはこの評価回路に持続的に通電しなければならないからである。さらに上記の方法により、回転方向についての情報だけしか得られず、例えば、回転周波数などの別の情報は得られないのである。

したがって回転可能なボディの回転方向および／または回転速度を効率的に求める改善された方法に対する要求が存在するのである。

したがって本発明の課題は、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度を効率的かつ上記の欠点を回避して求める方法を得ることである。この課題は、請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。

本発明の別の課題は、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度を効率的に求める装置を得ることである。この課題は、請求項８の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。

さらに本発明の課題は、コンピュータプログラムが計算機上で動作する場合、本発明の方法の全ステップを実施するコンピュータプログラムを提供することである。この課題は、請求項９の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。

機械により読み出し可能な担体に記憶されたプログラムコードを有し、このプログラムがコンピュータまたは制御装置で実行される場合に本発明の方法を実施するコンピュータプログラム製品は、請求項１０に記載されている。

有利な実施形態および発展形態ならびに方法の補足的な事項は従属請求項に記載されている。

回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることが可能でありかつセンサによって出力される正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）に基づいて、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度ωを決定する本発明の方法は、以下のステップのうちの少なくとも１つを有する。すなわち、上記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）を時点ｔ₀に記録するステップ、上記の正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）から位相値φ₀を決定するステップ、上記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）を時点ｔ_iに記録するステップ、相応する正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）から位相値φ_iを決定するステップ、上記の位相値φ_iと位相値φ₀とから位相差Δφ_iを形成するステップ、および／またはこの位相差Δφ_iからバーニヤ方式に基づいて回転方向および／または回転速度ωを決定するステップを有する。

センサとしてＡＭＲまたはＧＭＲセンサ（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto Resistance，ＧＭＲ：Giant Magneto Resistance）を使用することができる。これらのセンサによって１つずつの正弦波信号および余弦波信号を形成し、これらの信号から後続の処理において、測定すべき角度を計算することができる。別の種類のセンサは、例えば、ホールセンサ、光センサまたはマイクロメカニカルセンサである。

回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）は、個々のセンサまたは複数のセンサから得ることができる。ただ１つのセンサを使用する場合、このセンサにより、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な１つずつの正弦波信号および余弦波信号を得る。複数のセンサを使用する場合には、１つのセンサが、回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号を出力し、別のセンサが相応する余弦波信号を出力することができる。

上記のセンサ信号は、連続する信号および／または離散の信号とすることが可能である。

好適の方法を使用すれば、例えばBosch R. 319810に記載された角度または位相信号において効率的にオフセット補償する方法を使用すれば、センサによって出力される正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）から、場合によっては生じ得る信号オフセットを取り除くことができる。この補償方法を以下、簡単に説明する。

角度センサから得られる角度αは、この角度に対応付けることの可能な正弦波信号と、この角度に対応付けることの可能な余弦波信号とに基づき、つぎのステップによって求めることができる。すなわち、第１の正弦波信号（ｙ₀）および第１の余弦波信号（ｘ₀）を有する第１の値対Ｓ₀を記録するステップ、第２の正弦波信号（ｙ）および第２の余弦波信号（ｘ）を有する第２の値対Ｓを記録するステップ、第２の値対Ｓと第１の値対Ｓ₀との間の差分から第３の値対Ｓ'を形成するステップ、および／またはこの第３の値対Ｓ'に基づいて上記の角度αを決定するステップとによって求めることができるのである。

第１の値対と、第２の値対との間の差分に基づいて角度αを求めることにより、記録した上記の余弦波信号ないしは正弦波信号のオフセットを求める必要はなく、または合わせて考慮する必要もない。

上で説明したオフセット補償ないしは形成した位相差Δφにより、信号オフセットが分からなくても、回転可能なボディの回転方向および回転速度を求めることができる。

本発明の別の実施形態では、ＣＯＲＤＩＣ法（COordinate Rotation DIgital Computer）または級数展開を用いて上記の正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）から位相値φを求めることができる。

本発明の別の実施形態では、上記の時点は、ｔ_i＝ｔ₀＋ｎ・Δｔであり、ただしｎ，Δｔ∈Ｎである。ここでｎは周期数を、またΔｔは粒度を表す。

上記の周期数ｎは、例えば、５〜５０、有利には１０〜３５、さらに有利に１５〜２０の間にある。この周期数ｎは、センサの種類に適合させることができる。この周期数が大きければ大きいほど、この方法の精度は高くなる。

上記の粒度Δｔは、例えば１〜５０ｍｓ，有利には５〜３０ｍｓ，さらに有利には１０〜１５ｍｓの範囲とすることが可能である。この粒度Δｔは、センサの種類に適合させることができる。上記の粒度の選択によって回転周波数決定の一意性の範囲が得られる。Δｔ＝１０ｍｓの粒度の場合、±５０Ｈｚの一意性の範囲が得られ、これは±３００km/hの速度範囲に相当する。例えば、上記の粒度ないしはサンプリングポイントを選択して、動き検出も回転方向識別も共に可能にすることもできる。

本発明の別の実施形態によれば、位相差Δφ_iはつぎのように表現される。すなわちΔφ_i＝ω・ｔ_imod２πであり、ここでωは回転方向および／または回転速度であり、またｔ_iは測定時点である。

本発明では、上記の位相差Δφ_iからバーニヤ方式に基づき、回転方向および／または回転速度ωを求めることができる。上記のバーニヤ方式は、多次元のバーニヤ方式、古典的なバーニヤ方式、改良形バーニヤ方式またはカスケード式改良形バーニヤ方式とすることが可能であり、これは、例えば、本願出願人のDE 101 42 449 A1に記載されている。

多次元のバーニヤ方式の使用は、つぎの利点を有する。上記の評価システムのロバストネスが極めて高い。回路技術的な実現は、回路コスト、計算コストおよび電力消費の点から見て、従来の解決手段よりも格段に効率的に行うことができる。ここでは信号オフセットおよび回転周波数についてのいかなる情報も不要である。上記のセンサシステムには、オフセットに対する記憶手段を設ける必要がない。例えば、角度または位相信号において効率的なオフセット補償のために上記の方法を使用する場合、上記のオフセットを生産ラインの最後または動作時の別個のステップで求める必要はない。

本発明では、上記の回転可能なボディはホイールまたはシャフトとすることが可能である。

本発明による方法／本発明による装置は、タイヤ圧監視システム（Tire Pressure Monitoring System TMPS / Reifen-Druck-Kontroll-System - RDKS）、動き検出および／またはオートロケーションにおける（マイクロメカニカルまたは圧電式）加速度センサの評価に特に好適である。

本発明による装置では、さまざまな実施形態において別の回路部分を多重方式に組み合わせることができる。上記の装置をアナログ、デジタルまたはアナログ技術およびデジタル技術の混合物から構成することも可能である。

以下では添付の図面に基づき、本発明の実施例を詳しく説明する。

２つの加速度センサを有する１つのホイールの概略図である。 信号ｘおよびｙの２次元表示である。 回転運動時の角度φの経過を示す線図である。 評価回路の流れ図である。 上記の測定値から形成される差分値と、位相差の経過とを線図である。 バーニヤ演算のための信号流れ図である。 回路装置のブロック回路図である。

図１には地面１４において転がるホイール１１が略示されている。ホイール１１には異なる２つの位置に２つの加速度センサ１２，１３が取り付けられている。ホイール１１および加速度センサ１２，１３には重力加速度ｇが作用する。２つの加速度センサの間の角度は９０°ないしはπ／２である。矢印１２ａ，１３ａは、各加速度センサ１２，１３の検出方向を示している。ここで加速度センサ１２はｘ＝ｃｏｓφの形の信号を出力し、また加速度センサ１３はｙ＝ｓｉｎφの形の信号を出力する。

図２は、信号ｘ＝ｃｏｓφおよびｙ＝ｓｉｎφの２次元表示である。図からわかるようにＭ（ｘ，ｙ）の形の測定点２３，２４，２５，２６，２７は原点２２の回りの円２１上にあり、ここでは原点２２から測定点Ｍへ至るベクトルと、水平軸ｘとの間の角度φが測定される。

図３に示した経過は、ホイール１１が複数回回転した際の角度φの経過である。ここで０〜２πの１周期は、１回転を表す。

図４は、本発明による評価方法の流れ図である。加速度センサ１２，１３の信号ｘ＝ｃｏｓφおよびｙ＝ｓｉｎφがオフセットを伴う場合、これはブロック４１において補償される。引き続き、このオフセット補償した信号からブロック４２においてatan2演算によって位相値φ_iが求められる。引き続き、ブロック４３では位相値φ_iと、位相値φ₀とから位相差Δφ_iが計算される。ブロック４４では、位相差Δφ_iから符号付きの回転方向および／または回転速度ωが求められる。これらのステップは位相値φ₁，φ₂，φ₃，…，φ_iに対して繰り返される。本発明においてこれはバーニヤ方式に基づいて行われる。

図５には位相差Δφの経過と、差分値Δφ₁，Δφ₂，Δφ₃とが示されている。ここで０〜２πの１周期はホイール１１の１回転を表す。

図６は、バーニヤ演算のための信号流れ図を示している。ブロック６１ではＮ個の位相差分値Δφが、線形変換により、Ｎ−１個の写像値Ｓに変換される。ブロック６２ではこれらのＮ−１個の写像値Ｓが、量子化によってＮ−１個の値Ｗに変えられる。引き続き、これらのＮ−１個の量子化された値Ｗは、ブロック６３において線形変換によってＮ個の値Ｚに写像される。ブロック６４ではＮ個の変換された値Ｚに、重み付けされたＮ個の位相差値Δφが加算される。ブロック６５では引き続いてこれらのＮ個の重み付けされた位相差値と、Ｎ個の値Ｚとからの和が補正され、これによって最終的に回転方向および／または回転速度ωが得られる。

図７には本発明による回路装置のブロック回路図が示されており、これは動き検知（ＭＳＩ）と関連して使用される。センサ７１，７２は、ホイール１１の加速度をｘ＝ｃｏｓφおよびｙ＝ｓｉｎφの形で記録する。これらの信号は、引き続いてサンプリング回路７３，７４においてサンプリングされる。すなわち、連続値から離散値が形成されるのである。これらの離散値は、引き続いてアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）７５によってデジタル化される。このようにしてデジタル化された値は、つぎにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７６においてさらに処理されて、ホイール１１の水平方向および／または垂直方向の運動、回転方向および／または回転速度が求められる。上記のサンプリング装置７３，Ａ／Ｄ変換器７５およびＤＳＰ７６は、１つの動き検出（ＭＳＩ）装置７７にまとめることが可能である。

Claims (10)

1. 回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることが可能でありかつセンサによって出力される正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）に基づいて、回転可能なボディ、殊にホイールまたはシャフトの回転方向および／または回転速度ωを決定する方法において、
   以下のステップ、すなわち、
   − 前記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）を時点ｔ₀に記録するステップと、
   − 前記の正弦波信号（ｙ₀）および余弦波信号（ｘ₀）から位相値φ₀を決定するステップと、
   − 前記の回転方向および／または回転速度に対応付けることの可能な正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）を時点ｔ_iに記録するステップと、
   − 相応する正弦波信号（ｙ_i）および余弦波信号（ｘ_i）から位相値φ_iを決定するステップと、
   − 前記の位相値φ_iと位相値φ₀とから位相差Δφ_iを形成するステップと、
   − 当該の位相差Δφ_iからバーニヤ方式に基づいて回転方向および／または回転速度ωを決定するステップとによって決定することを特徴とする、
   回転方向および／または回転速度ωを決定する方法。
2. 前記の時点は、
   ｔ_i＝ｔ₀＋ｎ・Δｔ、ただしｎ，Δｔ∈Ｎ
   である、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記の位相差は、
   Δφ_i＝ω・ｔ_imod２π
   である、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記の位相値φを、正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）からＣＯＲＤＩＣ法を用いて求める、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記のバーニヤ方式によって以下のステップ、すなわち、
   − Ｎ個の位相差分値ΔφをＮ−１個の写像値Ｓに線形変換するステップと、
   − 当該のＮ−１個の写像値ＳをＮ−１個の値Ｗに量子化するステップと、
   − 当該のＮ−１個の量子化された値ＷをＮ個の値Ｚに線形変換するステップと、
   − Ｎ個の重み付けされた位相差分値Δφを前記のＮ個の変換された値Ｚに加えるステップと、
   − 前記のＮ個の重み付けされた位相差分値Δφと、Ｎ個の値Ｚとからなる和を補正するステップとを実行する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記のバーニヤ方式は、多次元バーニヤ方式、古典的なバーニヤ方式、改良形バーニヤ方式またはカスケード式改良形バーニヤ方式である、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記の位相値φを以下のステップ、すなわち、
   − 第１の正弦波信号（ｙ₀）と、第１の余弦波信号（ｘ₀）とを有する第１の値対Ｓ₀を記録するステップと、
   − 第２の正弦波信号（ｙ）と、第２の余弦波信号（ｘ）とを有する第２の値対Ｓを記録するステップと、
   − 前記の第２の値対Ｓと、第１の値対Ｓ₀との差分から第３の値対Ｓ'を形成するステップと、
   − 前記の位相値φを当該の第３の値対Ｓ'に基づいて決定するステップとによって決定する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 回転可能なボディの回転方向および／または回転速度に対応付けることが可能でありかつセンサによって出力される正弦波信号（ｙ）および余弦波信号（ｘ）に基づいて、回転可能なボディ、殊にホイールまたはシャフトの回転方向および／または回転速度ωを請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法にしたがって決定するように構成されていることを特徴とする装置。
9. コンピュータプログラムにおいて、
   該コンピュータプログラムが計算機上で実行される場合に、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法のすべてのステップを実施することを特徴とする
   コンピュータプログラム。
10. 機械により読み出し可能な担体に記憶されているプログラムコードを備えるコンピュータプログラム製品において、
    プログラムがコンピュータンまたは制御装置にて実行される場合に、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法を実施するコンピュータプログラム製品。

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