CN104870943A - 冗余的信号检测 - Google Patents

Abstract

一种用于提供N维测量信号的传感器系统，所述传感器系统包括以下元件：至少N+1个传感器，其具有相互线性独立的测量方向；用于为传感器中的每一个提供周期性激励信号的激励源，其中，所述激励信号具有相互正交的频率；用于从传感器信号除去所述激励信号并且用于提供所述N维测量信号的处理装置。

Description

冗余的信号检测

技术领域

本发明涉及一种用于信号检测的传感器。本发明尤其涉及一种冗余传感器和用于分析处理传感器信号的技术。

背景技术

在安全相关的系统中重要的是，及时识别用于信号检测的传感器或者这些传感器的信号路径的有错误的行为。在机动车中这例如涉及加速度传感器，该加速度传感器用于控制安全气囊或行驶稳定系统。

传感器中通常利用的错误识别装置基本上基于冗余度原理或激励原理。

在冗余测量中，测量参量通常通过至少一个附加的传感器检测，所述至少一个附加的传感器的预期信号通过所有其余测量信号的非平凡线性组合计算，其中，该信号的检测和分析处理尽可能独立地实现。在此假设，传感器大致是线性和时不变的。随后根据对于所测量的信号的线性关系的显著违背来识别所使用的传感器的有错误的行为。该方法尤其在无偏差的或经偏差校正的信号中具有如下缺点，即例如在信号检测中的增益误差仅仅可以在存在测量参量的情况下被识别。在测量参量为0的情况下由冗余度的线性关系不可识别增益误差。

文献US 7 516 038 B2示出一个用于冗余地分析处理加速度传感器的信号的例子。在此可以在位于水平的车辆中不基于冗余度地探测在水平面中进行测量的传感器的增益误差。

在激励原理中给由传感器元件提供的测量参量叠加一个已知的激励信号，借助于该激励信号可以检验测量通道。困难在于，区分激励信号和有用信号对所检测的信号的作用，尤其当不可以足够准确地对测量通道建模并且由于持久的传感器灵敏性不能够实现时间上的分离以及由于测量通道特性不能够实现频率分离时。

在文献DE 10 2010 029903 A1中可以发现通过电激励信号附加地激励加速度传感器的例子。

发明内容

本发明具有以下任务，在传感器元件的失效或错误测量方面以及在信号处理路径中的错误方面监视用于安全紧急的应用的传感器。所述监视应优选在连续运行中进行，应不影响测量结果，在不存在测量参量的情况下也可以进行，并且能够实现在传感器的有用信号的频率范围中对传感器的检验。本发明借助于具有独立权利要求特征的传感器、方法以及计算机程序产品解决所述任务。

根据本发明的用于提供N维测量信号的传感器系统包括：至少N+1个传感器，其具有相互线性独立的测量方向；用于为传感器中的每一个提供周期性激励信号的激励源，其中，所述激励信号具有相互正交的频率；从传感器信号除去所述激励信号并且用于提供所述N维测量信号的处理装置。

本发明利用冗余的传感器设备，其中，各个测量通道通过不同的、频率正交的激励来激励。也就是说，如此选择激励信号，使得激励信号的频谱不重叠。在另一实施方式中也可以应用具有正交编码的激励。

对于不包含在激励信号中的频率范围，将冗余度用于测量信号的可信度检查或者必要时附加地用于测量的噪声降低。如果一个频率包含在测量通道的激励信号中，则在使用冗余度的情况下在无涉及的测量通道的情况下确定在所述频率上的测量值。

本发明相对于仅仅冗余的测量是有利的，因为借助于激励也可以在不存在测量参量的情况下检验测量通道。

本发明的重要优点在于，能够实现信号和激励的完全分离，无需限制测量信号的频率特性。对激励频率仅仅提出正交条件，所述激励频率因此也可以位于传感器的有用频率范围中。本发明的一个特别的优点在于，待测量的信号不经历延迟。另一优点在于主动检验错误探测机制的有效性的可能性。

在第一实施方式中，处理装置包括：用于对传感器信号进行混频的混频器；用于每个传感器的激励滤波器，其用于由所述混频器的输出信号滤出激励信号；用于每个传感器的补偿器，所述补偿器与分配给所述补偿器的传感器和相应的激励滤波器连接，用于以激励信号补偿传感器信号；用于基于所述补偿器的信号提供所述输出信号的冗余度减小器。

由此可以实现简单和有效地提供输出信号。此外，可以基于处理装置的部分的中间结果监视传感器。

在另一实施方式中，所述处理装置包括以下：用于对传感器信号进行混频的混频器；用于每个传感器的激励滤波器，其用于由所述混频器的输出信号滤出所述激励信号；用于基于所述激励滤波器的信号确定第一信号的第一冗余度减小器；用于基于所述传感器信号确定第二信号的第二冗余度减小器；用于除去所述激励信号并且用于基于所述两个冗余度减小器的信号提供所述输出信号的补偿器。

在又另一实施方式中，所述处理装置包括以下：用于基于所述传感器信号确定第一信号的冗余度减小器；激励阻塞滤波器，所述激励阻塞滤波器连接在所述冗余度减小器之后；用于所述传感器中的每一个的局部组合器(partiellen Kombinierer)，其分别用于组合两个传感器信号；用于每个局部组合器的激励滤波器；用于基于所述激励滤波器的信号和所述激励阻塞滤波器的信号提供所述输出信号的信号重构器。

处理装置的所述实施方式中的每一个也可以以方法的形式实现。例如首先提及的实施方式可以通过一种方法实现，所述方法包括以下步骤：以具有预先确定的激励频率的周期性激励信号激励每个传感器，其中，所述传感器的激励频率相互正交；对所述传感器信号进行混频；由经混频的传感器信号滤出每个传感器的激励信号；以所滤出的激励信号补偿每个传感器信号；减小经补偿的传感器信号的冗余度；提供所述输出信号。相应的方法可对于用于处理装置的其他两个实施方式提出。

根据本发明的计算机程序产品包括程序代码单元，其用于当所述计算机程序产品运行在处理装置上时或者存储在计算机可读的数据载体上时实施所述方法之一。

附图说明

现在参照附图更详细地阐述本发明，其中：

图1：可激励的冗余传感器系统的方框图；

图2：对于两个频率正交的激励信号的例子；

图3：图1的传感器系统中的信号流；

图4：图1的传感器系统中的替代信号流；以及

图5：图1的传感器系统中的另一替代信号流。

具体实施方式

图1示出由N个传感器105组成的冗余传感器系统100，其中，N∈{2,3,4,...}，借助于所述冗余传感器系统要检测D维的(其中，D<N)、由外作用于传感器的测量参量a。传感器信号借助于处理装置110处理并且测量参量a的值在传感器系统100的输出端115上以测量值的形式描述。为此，以周期性激励信号t_i激励每个传感器，其中，激励信号t_i具有相互正交的频率，如下还将更详细地实施。在传感器105的输出端上描绘的频谱图分别示出在传感器信号频率上强度的分布，其中，突出激励信号t_i。

在下文中将传感器信号示例性地考虑为时间离散的，并且采样时刻通过指数n描述；但这仅仅用于阐明并不表示对提出的技术的限制。此外假设，每个传感器105具有足够大的动态范围并且特性为大致线性和时不变。

冗余传感器系统的待测量的传感器信号s_i(其中，1≤i≤N)在无激励的情况下可以描述为：

$\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ .\\ .\\ .\\ s_N\end{array}\right)=M\&CenterDot;a$   (公式1)，

其中，传感器设备通过系统矩阵M描述。应排除平凡传感器的情况，在所述平凡传感器中，矩阵M的一行仅仅包含0值。在测量参量的维数D＝1的特殊情况下，M表示向量。矩阵M描述了测量参量a的分量以哪些因子作用于各个传感器。矩阵M基本上通过几何设置确定。测量通过传感器传递函数g_i失真的信号：

${\hat{s}}_i=g_i\left(s_i\right)$   (公式2)

其中，例如g_i(x)＝α_i·x+β_i。

如果测量值例如通过最小二乘法由传感器信号求取，则为了估计测量值而使用矩阵M的广义逆M⁺：

$\hat{a}=M^{+}\&CenterDot;\left(\begin{array}{c}{\hat{s}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\hat{s}}_N\end{array}\right),$ 其中，M⁺＝(M^TM)^-1M^T  (公式3)

根据误差项e可以对测量进行可信度检查，所述误差项以几何相关的加权因子k_i的形式描述了在冗余地检测的传感器信号中的线性关系：

$e=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i\&CenterDot;{\hat{s}}_i\stackrel{!}{=}0$   (公式4)

或者在考虑噪声的情况下在可接受阈值δ>0的情况下|e|＜δ。一般地能够直至N-D个不同的线性关系，因此也可以检验多个误差项。

在最小二乘法的情况下e通过如下给出。

$\left(\begin{array}{c}.\\ .\\ .\\ e\\ .\\ .\\ .\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\hat{s}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\hat{s}}_N\end{array}\right)-{\mathrm{MM}}^{+}\left(\begin{array}{c}{\hat{s}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\hat{s}}_N\end{array}\right)$   (公式5)

传感器以周期性信号激励，从而传感器信号分别叠加有一个周期性激励信号t_i：

$\left(\begin{array}{c}{\tilde{s}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\tilde{s}}_N\end{array}\right)=M\&CenterDot;a+\left(\begin{array}{c}{t}_1\\ .\\ .\\ .\\ t_N\end{array}\right)$   (公式6)

图2示出用于图1中的传感器系统100的示例性激励信号t_i。激励信号t_i分别如此选择，使得所述激励信号位于传感器105的有用频率范围中并且激励信号t_i的频谱不相互重叠。换言之，不存在共同的频率线(Frequenzlinie)，也即，频率相互正交。鉴于在信号产生中以及在信号滤波中的实现耗费，优选的是，激励信号t_i是矩形的、对称的并且无平均值的信号，例如在动态范围的5％至10％的数量级中具有相同的幅度V：

$t_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}+v,& n\&Element;[0,\frac{f_A}{{2f}_i}[\\ -v,& n\&Element;[\frac{f_A}{{2f}_i},\frac{f_A}{f_i}[\end{array}\right.$   (公式7)

其中，f_A表示采样频率，而f_i表示所属的矩形频率并且优选整数地选择。矩形信号相互的相位位置不起作用。频率正交性随后通过以下方式实现：矩形频率的奇数倍不同时出现；为此优选选择如下频率关系：

N＝2：  f₁:f₂＝2:3

或者  f₁:f₂＝2:4

或者  f₁:f₂＝3:4

N＝3：  f₁:f₂:f₃＝2:3:4

或者  f₁:f₂:f₃＝3:4:6

或者  f₁:f₂:f₃＝4:5:6

N＝4：  f₁:f₂:f₃:f₄＝4:6:7:8

例如可以对于N＝3在采样频率f_A＝600Hz的情况下选择矩形频率f₁＝150Hz、f₂＝100Hz以及f₃＝75Hz。

图3示出在图1中的传感器系统100中的信号流。外信号源305提供测量参量a而激励源310提供激励信号t_i。测量参量a和激励信号t之一作用到每个传感器105。为了从传感器信号除去激励部分，借助于混频器315类似于公式(4)地将传感器信号组合成一个信号u(n)：

$u\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i\&CenterDot;{\tilde{s}}_i\left(n\right)$   (公式8)

在无噪音的情况下和在无误差的传感器(α_i＝1，β_i＝0)的情况下所述组合信号u(n)仅仅包含以k_i加权的激励信号t_i：

  (公式9)

组合信号u(n)输送到一系列的N个激励滤波器320，所述激励滤波器是用于通道的分别适合的激励频率的带通滤波器，其中，滤波器长度优选如此选择，使得所述滤波器长度等于激励序列的共同周期长度。激励滤波器320优选实现为具有FIR滤波器(FIR“Finite Impulse Response”：有限冲击响应)的数字滤波器组。激励滤波器320的增益应以l_i表示。

每个激励滤波器320的输出和相应传感器105的输出输送到补偿器325，所述补偿器通过在每个通道中累加相应的传感器信号和以加权的适合的滤波器输出信号w_i(n)来完全补偿激励部分t_i(n)，因为w_i(n)表示时间上延迟的、必要时在多个激励周期上求取的k_it_i(n)的变量。

基于以激励补偿的传感器信号，在冗余度减小器330中类似于公式(2)地估计并且在输出端335上输出测量值

附图4和5示出示例性的等同的结构，所述结构通过互换图3的结构中的线性运算的顺序得出。

图4示出在图1的传感器系统100中的替代的信号流。与在图3中示出的实施方式不同，激励滤波器320的输出在此未输送到补偿器325而是输送到冗余度减小器330。此外，传感器105的输出信号提供给另一冗余度减小器330。两个冗余度减小器330的输出信号输送到补偿器325，所述补偿器提供输出信号。

图4示出在图1的传感器系统100中的又一替代的信号流。该实施方式与在图3中所示的实施方式的不同之处在于，所有传感器105的传感器信号输送到冗余度减小器330，所述冗余度减小器的输出端与激励阻塞滤波器505连接。此外，对于传感器105中的每一个提供一个局部组合器510。每个局部组合器510与两个传感器105的传感器信号连接，其中，每个组合器分析处理传感器信号的不同组合。每个组合器510的输出端与专用激励滤波器320连接并且激励滤波器320的输出以及激励阻塞滤波器505的输出输送到信号重构器515，所述信号重构器在输出端335上提供信号。

通过冗余度和激励的根据本发明的组合能够实现多种监视功能：

-激励滤波器的输出信号w_i(n)可以用于(在时间上错开滤波器运行时间地)确定传感器增益α_i，例如在激励频率上或通过直流分量估计

-对于直流分量估计替代地，激励滤波器的输出信号w_i(n)的持续缺乏(或者所述输出信号的幅度的缓慢衰减)指示在激励产生中或者在传感器元件或后置的分析处理电路中的缺陷。

-通过减去所有滤波器输出信号可以由组合信号u(n)产生同样无运行时间的误差信号

$\tilde{e}\left(n\right)=u\left(n\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i\left(n\right)$   (公式10)

所述误差信号除了激励频率以外相应于根据公式(4)的误差信号。所述误差信号可以在存在测量参量的情况下附加地用于可信度检查，其方式是，检验冗余度的线性关系，例如通过阈值比较：

$\left|\tilde{e}\left(n\right)\right|<\mathrm{\&delta;}$   (公式11)

-基于滤波器的存储特征，导致传感器传递函数g(x)(在滤波器运行时间内)的快速变化的缺陷在中是可见的——除了监视传感器增益之外以及在不存在测量参量的情况下。

-通过组合信号u(n)的加权求和已经在滤波之前能够实现传感器增益的确定或监视；为此不是整个过滤器运行时间而是仅仅其余通道的激励的共同周期持续时间是关键的。

-信号部分的不同于k_i的例如自适应跟踪的加权同样可能，必要时也在并行监视路径中，所述并行监视路径对测量值路径不具有影响。

Claims (7)

1.一种用于提供N维测量信号的传感器系统(100)，所述传感器系统包括以下元件：

至少N+1个传感器(105)，其具有相互线性独立的测量方向；

用于为传感器(105)中的每一个提供周期性激励信号的激励源(310)，其中，所述激励信号具有相互正交的频率；

用于从传感器信号除去所述激励信号并且用于提供所述N维测量信号的处理装置(110)。

2.根据权利要求1所述的传感器系统(100)，其中，所述处理装置(110)包括以下：

用于对所述传感器信号进行混频的混频器(315)；

用于每个传感器(105)的激励滤波器(320)，其用于由所述混频器(315)的输出信号滤出所述激励信号；

用于每个传感器(105)的补偿器(325)，所述补偿器与分配给所述补偿器的传感器(105)和相应的激励滤波器(320)连接，用于以所述激励信号补偿所述传感器信号；

用于基于所述补偿器(325)的信号提供所述输出信号的冗余度减小器(330)。

3.根据权利要求1所述的传感器系统(100)，其中，所述处理装置(110)包括以下：

用于对所述传感器信号进行混频的混频器(315)；

用于每个传感器(105)的激励滤波器(320)，其用于由所述混频器(315)的输出信号滤出所述激励信号；

用于基于所述激励滤波器的信号确定第一信号的第一冗余度减小器(330)；

用于基于所述传感器信号确定第二信号的第二冗余度减小器(330)；

用于除去所述激励信号并且用于基于所述两个冗余度减小器(330)的信号提供所述输出信号的补偿器(325)。

4.根据权利要求1所述的传感器系统(100)，其中，所述处理装置(110)包括以下：

用于基于所述传感器信号确定第一信号的冗余度减小器(330)；

激励阻塞滤波器(505)，所述激励阻塞滤波器连接在所述冗余度减小器(330)之后；

用于所述传感器(105)中的每一个的局部组合器(510)，其分别用于组合两个传感器信号；

用于每个局部组合器(510)的激励滤波器(320)；

用于基于所述激励滤波器(320)的信号和所述激励阻塞滤波器(505)的信号提供所述输出信号的信号重构器(515)。

5.一种用于基于至少N+1个相互线性独立的传感器信号确定N维测量信号的方法，所述方法包括以下步骤：

以具有预先确定的激励频率的周期性激励信号激励每个传感器(105)，其中，所述传感器的激励频率相互正交；

对所述传感器信号进行混频；

由经混频的传感器信号滤出每个传感器的激励信号；

以所滤出的激励信号补偿每个传感器信号；

减小经补偿的传感器信号的冗余度；

提供所述输出信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其还包括：如果用于由经混频的传感器信号滤出每个传感器(105)的激励信号的激励滤波器(320)长于预先确定的时间地不提供具有预先确定的幅度的输出信号，则在传感器中或者在用于基于所述传感器信号确定所述输出信号的处理装置中确定在产生所述激励信号时的缺陷。

7.一种计算机程序产品，其具有程序代码单元，用于当所述计算机程序产品运行在处理装置(110)上时或者存储在计算机可读的数据载体上时实施根据权利要求5或6所述的方法。