CN107024269B - 无线噪声和振动感测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种噪声和振动测量系统和方法，包括从环境能量源获得电能；利用电能对加速度传感器供电；利用加速度传感器生成表示作用在加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号；利用来自能量采集器的电能对信号处理器供电，信号处理器具有正常操作模式和低于正常操作模式能耗的节能操作模式；处理感测信号以提供经处理的感测信号；利用电能对信号发射器供电，所述信号发射器具有正常操作模式和低于正常操作模式能耗的节能操作模式；通过信号发射器无线广播感测信号；评估从环境能量源获得的电能；控制信号处理器和/或信号发射器中的至少一个，以在来自采集器的电能低于预定能级时以节能模式操作，否则以正常模式操作。

Description

无线噪声和振动感测
技术领域
本公开涉及用于道路噪声控制系统的无线噪声和振动传感器布置、道路噪声控制系统以及无线噪声和振动感测方法。
背景技术
当在道路和其他表面上行驶时，陆基车辆生成已知为道路噪声的低频噪声。即使在现代车辆中，车厢乘坐者可能暴露于通过例如轮胎-悬架-主体-车厢路径的结构并且通过例如轮胎-主体-车厢路径的空中路径而传输到车厢的道路噪声。希望减少由车厢乘坐者所能体验到的道路噪声。还已知为主动道路噪声控制(RNC)系统的主动噪声、振动和声振粗糙度(NVH)控制技术可用来如在主动振动技术中在不修改车辆结构的情况下减少这些噪声成分。然而，用于道路噪声消除的主动声音技术可能需要遍及整个车辆结构的非常特殊的噪声和振动(N&V)传感器布置来观测道路噪声相关的噪声和振动信号。
发明内容
被配置来与主动道路噪声控制系统一起操作的示例噪声和振动传感器布置包括能量采集器，其被配置来从环境能量源获得电能；加速度传感器，其利用来自能量采集器的电能供电并被配置来生成表示作用在加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号；以及信号处理器，其利用来自能量采集器的电能供电并且被配置来处理感测信号并提供经处理的感测信号，所述信号处理器具有带有第一能耗的正常操作模式和带有低于第一能耗的第二能耗的节能操作模式。所述布置还包括信号发射器，其利用来自能量采集器的电能供电并且被配置来无线地广播经处理的感测信号，所述信号发射器具有带有第三能耗的正常操作模式和带有低于第三能耗的第四能耗的节能操作模式；以及能量控制器，其被配置来评估来自能量采集器的电能并且控制信号处理器和信号发射器中的至少一个，以在来自采集器的电能低于预定能级时以节能模式操作并且否则以正常模式操作。
示例性主动道路噪声控制系统包括噪声和振动传感器布置、主动道路噪声控制模块和至少一个扩音器。
被配置来与主动道路噪声控制系统一起操作的示例性噪声和振动测量方法包括从环境能量源获得电能；利用来自能量采集器的电能对加速度传感器供电；利用加速度传感器生成表示作用在加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号；利用来自能量采集器的电能对信号处理器供电，所述信号处理器具有带有第一能耗的正常操作模式和带有低于第一能耗的第二能耗的节能操作模式；并且处理所述感测信号以提供经处理的感测信号。所述方法还包括利用来自能量采集器的电能对信号发射器供电，所述信号发射器具有带有第三能耗的正常操作模式和带有低于第三能耗的第四能耗的节能操作模式；通过信号发射器无线地广播感测信号；评估从环境能量源获得的电能；并且控制信号处理器和/或信号发射器中的至少一个，以在来自采集器的电能低于预定能级时以节能模式操作并且否则以正常模式操作。
附图说明
可以通过阅读对附图的非限制性实施方案的以下描述而更好地理解本公开，其中相似元件利用相似参考数字提及，其中以下是：
图1是示出示例性简单单通道主动道路噪声控制系统的示意图；
图2是示出示例性简单多通道主动道路噪声控制系统的示意图；
图3是示出可在图1和图2中示出的系统中应用的噪声和振动传感器布置的示意图；
图4是示出与模式有关的采样率减小的示意图；
图5是示出与模式有关的字长减小的示意图；以及
图6是示出示例性噪声和振动感测方法的流程图。
具体实施方式
噪声和振动传感器向主动RNC系统(例如，多通道前馈主动道路噪声控制系统)提供参考输入，作为用于生成减少或消除道路噪声的抗噪声的基础。噪声和振动传感器可包括加速度传感器，诸如加速度计、测力仪、负荷传感器等。例如，加速度计是测量固有加速度的装置。固有加速度与坐标加速度不同，所述坐标加速度是速度变化的速率。加速度计的单轴和多轴模型可用于检测固有加速度的大小和方向，并且可用来感测取向、坐标加速度、运动、振动和冲击。
空中和结构噪声源由噪声和振动传感器监测以便提供在0Hz与1kHz之间的最高可能的道路噪声减少(消除)性能。例如，作为输入噪声和振动传感器而使用的加速度传感器可跨车辆设置，以便监测悬架和用于全局RNC的其他轮轴部件的结构性能。在从0Hz至大约500Hz延伸的频率范围以上，测量空中道路噪声的声学传感器可用作参考控制输入。此外，两个麦克风可极为接近乘客的耳朵而放置在头靠中，以便在双声道减少或消除的情况下提供一个误差信号或多个误差信号。前馈滤波器被调谐或适配来实现双耳处的最大噪声减少或噪声消除。
简单的单通道前馈主动RNC系统可如图1中所示地构造。源自道路表面上移动的车轮101的振动由悬架加速度传感器102所检测，所述悬架加速度传感器102与机动车辆104的悬架装置103机械地耦接并且输出表示所检测的振动并且因此与在车厢内可听见的道路噪声相关的噪声和振动信号x(n)。同时，表示存在于车辆104的车厢中的噪声的误差信号e(n)由布置在车厢内、在座位(例如，驾驶员的座位)的头靠106中的麦克风105检测。源自车轮101的道路噪声根据传递特性P(z)机械地传递到麦克风105。
可控制滤波器108的传递特性W(z)由自适应滤波器控制器109控制，所述自适应滤波器控制器109可以根据已知的最小均方(LMS)算法基于误差信号e(n)并且基于由滤波器110利用传递特性F'(z)过滤的道路噪声信号x(n)来操作，其中W(z)＝-P(z)/F(z)。F’(z)＝F(z)并且F(z)表示扩音器与麦克风105之间的传递函数。具有与在车厢内可听见的道路噪声反相的波形的信号y(n)由自适应滤波器基于由此识别的传递特性W(z)以及噪声和振动信号x(n)而生成，所述自适应滤波器由可控制滤波器108和滤波器控制器109形成。与在车厢内可听见的道路噪声反相的波形随后由扩音器111从信号y(n)生成，所述扩音器111可布置在车厢中，从而减少车厢内的道路噪声。为了简单起见，以上所述的示例性系统采用直通单通道前馈滤波的x LMS控制结构107，但是也可以应用其他控制结构，例如，具有多个附加通道、多个附加噪声传感器112、多个附加麦克风113和多个附加扩音器114的多通道结构。
图2示出主动道路噪声控制系统200，其是能够抑制来自多个噪声和振动源的噪声的多通道类型的主动道路噪声控制系统。主动道路噪声控制系统200包括多个n个噪声和振动传感器201、多个l个扩音器202、多个m个麦克风203和自适应控制电路204，所述自适应控制电路204操作来最小化来自噪声和振动源的噪声(主要噪声)与消除噪声(次要噪声)之间的误差。自适应控制电路204可包括提供用于扩音器202中的每一个的多个控制电路，所述控制电路产生用于消除来自对应噪声和振动源的噪声的消除信号。
在常规主动RNC系统中，与汽车环境中的传感器有关的主要成本因素是传感器布线。使用能量采集技术的自持式无线传感器能够避免此类成本，但是当其涉及到可靠性时难以处理。以加速度传感器(加速度计)为例，此类传感器仅需要在汽车移动和在可获得足够动能时来操作，从而允许传感器的自供电。初看起来，这似乎是好的解决方案，但是也可能发生诸如在平滑的沥青上巡航的情况，其中能量采集可能不生成足够的能量以维持传感器的可靠操作，如果传感器布置的传感器部分、任选的信号处理部分和/或数据传输部分可操作，将会是这种情况。如果不可获得足够的能量的这种情况发生，那么必须避免传感器停止传输数据，否则整个系统可能故障。
现参考图3，示例性自持式无线噪声和振动传感器布置可包括与能量采集器换能器302和加速度传感器303电耦接的电路布置301，所述能量采集器换能器302和加速度传感器303两者与主机结构304机械地耦接。传感器布置中的电路布置301可包括能量采集器电路305、临时能量存储装置306、感测信号调整器307、模数转换器(ADC)308、处理器309和射频发射器310。传感器调整器307和处理器309形成可以是完全模拟、完全数字或组合的模拟和数字(例如，组合如图所示的模数转换器308)的基础信号处理器。电路布置301在一些方面还可包括加速度传感器303(诸如微型机电系统(MEMS)加速度计)、数据存储装置311和天线312。
在能量采集器电路305中，由机电能量采集器换能器302从作用在换能器302上的动能得到的电能使用电路来调整，所述电路可以包括二极管电桥、滤波电容器、过电压保护和DC-DC升压或降压转换器、电压调节器以及输出开关。能量调整可提供来自能量采集器换能器的周期双极电压波形的整流，以使得可采集单极波形。单极但是经常为周期整流的波形被馈送至充当电压滤波器的一个或多个输入电容器，以使得更稳定的DC电压可用于进一步的输入电压调整，诸如DC-DC转换。输入电压调整器还可包括DC到DC电压升压或降压，以使得滤波电容器处的电压可维持在最佳电压处，所述最佳电压提供与能量采集器换能器的电阻抗匹配，但是还是高于或低于为临时能量存储装置可能固有的目标能量存储电压电平。输入电压调整器还可包括输入电压保护以确保二极管整流器和输入滤波电容器不受能量采集器换能器在某些外部环境下可供应的高电压的损坏。
可操作地连接到能量采集器电路305的临时能量存储装置306还可以包括电压保护特征，诸如齐纳二极管或者具有电阻耗散元件的电压比较器，以便在临时能量存储装置306处于其能量存储上限并且输入能量超过临时能量存储装置306的输出能量时的情况下保护临时能量存储装置306。临时能量存储装置306提供能量贮存器，以使得电负载可汲取比由采集器在较短持续时间内供应的功率高得多的功率。这是需要的，因为电负载总体上由其具体应用所确定并且其经常比直接从能量采集器换能器302可用的电负载要高得多。然而，这些负载通常在较短时期内被需要，这允许平衡采集器-负载能量预算的占空比操作。负载可直接与能量贮存器连接或者可在贮存器与负载之间使用额外的输出电压调节器。这对于许多应用是必须的，因为能量贮存器电压经常随着所存储的能量的量而波动，然而负载需要固定的输入电压。除了调节器，滞后电源开关可提供从临时能量存储装置306或电压调节器到电负载的导电性，所述电负载可包括信号调整器307、处理器309和射频发射器310。
感测信号调整器307可包括电压调节器，所述电压调节器包括线性调节器、运算放大器和模拟滤波电路。模拟滤波器可用作具有一个或多个极的频率带通滤波器。所述滤波器被设计来通过频率对应于模数转换器采样率的高保真信号。感测信号调整器307由能量采集器电路305供电并且与模数转换器308通信。可替代地，可使用数字MEMS加速度传感器，其在一个集成电路中包括模数转换和信号调整。在此情况下，数字加速度计可通过通信总线直接布线到控制器。
此外，模数转换器308可为处理器309的一部分或者其可为电路布置301的单独子系统。处理器309可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器或任何其他逻辑电路，或者可包括在它们中。在针对加速度计的采样率较高并且采样持续时间较长的情况下，可采用与处理器309通信的任选的补充的数据存储装置311。数据存储装置311可为一种类型的闪存(非易失性计算机存储装置)。处理器309、射频发射器310和天线312中的固件代码的一部分包括传感器布置的无线通信部分。无线通信从处理器向远程无线数据聚合器供应数据。当提供双向通信时，其也可用作用于维持远程控制和监测传感器布置的手段。射频发射器310连接到天线，所述天线用来最佳地投射和接收射频信号。所述天线可设计成电路布置301的子系统或者设计成单独元件。所述天线可为补片、芯片或PCB天线。所述天线可位于传感器的外部附近并且位于远离传感器布置的较大金属物体的最大距离处。
对于传感器的无线操作的一些关键需求是高数据吞吐速率、快速响应、稳健的数据传输、高水平的数据完整性、多节点网络和低功率使用。较高的频带表现出中等到高的数据吞吐量，以在较短的距离(10-100m)内支持高传感器采样率和良好的传输性能。这些带的频率也支持小型装置，因为天线大小与针对给定性能水平的频率大致成反比例。在网络间流量和外部无线干扰存在的情况下用于最大化通信稳健性的方法可利用短的接通时间、高数据速率和超低功率确认，以仅通过快速和重复重发来实现稳健性。
为了最小化传感器大小和重量，总的系统能量预算在所有等级被最小化，包括加速度测量。可实现MEMS加速度计以展现超低功率操作；然而，当前可商购获得的加速度传感器具有妨碍应用的有限带宽和本底噪声，从而需要关于RNC系统的高保真测量。压电式加速度计能够执行宽带宽和高分辨率测量。然而，使用传统压电式加速度计的加速度测量可消耗显著的功率，并且因此传感器的具体实现方式是重要的。集成电荷放大器通常与压电式加速度计一起使用，因为它们使得能够使用加速度计与数据获取系统之间的长导线连接，所述长导线连接在某种程度上受保护免于外部EMI。在无线加速度计中，从压电元件到微处理器模数转换器的导线长度可较短，并且因此集成电荷放大器可针对低功率操作而消除或重新设计。为了缩短导线长度，压电式加速度计和电路应邻近彼此定位。包括滤波器和放大器的简单信号调整可在电路板上实现，而不是使用压电式加速度计集成电荷放大器来实现。
即使已经采取所有措施来减少传感器布置的基础能耗，但是仍然存在一些风险，所述风险涉及传感器布置将不被供应有足够的能量来确保传感器布置的正常运行。为了减少这个风险，信号处理器(例如，图3中示出的处理器309和最终的模数转换器308)和信号发射器(例如，图3中示出的射频发射器310)中的至少一个可以节能模式中的与正常模式相比是减小的数据速率来处理和/或传输数字信号。能量控制器313可评估由与能量采集器换能器302有关的能量采集器电路305所供应的电能，并且可控制模数转换器308、处理器309和信号发射器310中的至少一个以在可从采集器电路305获得的电能低于预定能级314时以节能模式操作并且否则以正常模式操作。可获得的能量可例如通过检查由采集器电路305供电电压输出的有效值、其供电电压的电压降、存储在临时能量存储装置306中的能量等来进行评估。
减小的数据速率可通过减小采样率和减小待处理和/或传输的数据的字长中的至少一种来实现。图4示出采样率的减小，其具有以下效果：一方面，在节能模式中每个时间t更少的采样401被处理和/或传输；然而，待处理和/或传输的信号的频率范围也减小。因此，采样率无法在没有显著地降低信号质量的情况下减小到任何所需采样率。另外或可替代地，(即其采样的)数据的字长可如图5中所示地减小。例如，正常模式中的12位采样可减少到节能模式中的6位。
如可在图4和图5中看出，当可获得的电能低于进一步预定的能级时，可采用高级节能模式，所述进一步预定的能级低于预定能级314。在高级节能模式中，采样率进一步减小到例如正常模式中所使用的采样率的50％和/或字长可以减少到例如3位。然而，数据流将不中断，这对于传感器布置的适当操作是重要的。
示例性噪声和振动感测方法可包括从环境能量源获得电能(601)；利用来自能量采集器的电能对加速度传感器供电(602)；并且利用加速度传感器生成表示作用在加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号(603)。所述方法还包括利用来自能量采集器的电能对信号处理器供电(604)，其中所述信号处理器具有带有第一能耗的正常操作模式和带有低于第一能耗的第二能耗的节能操作模式；并且处理所述感测信号以提供经处理感测信号(605)。所述方法还包括利用来自能量采集器的电能对信号发射器供电(606)，其中所述信号发射器具有带有第三能耗的正常操作模式和带有低于第三能耗的第四能耗的节能操作模式；通过信号发射器无线地广播感测信号(607)；并且评估从环境能量源获得的电能(608)。当来自采集器的电能低于预定能级时，信号处理器和/或信号发射器中的至少一个以节能模式操作并且否则以正常模式操作(609)。
已经出于说明和描述的目的呈现了实施方案的描述。对实施方案的合适修改和变更可根据以上描述来执行或者可通过实践所述方法来获取。例如，除非另有说明，否则所描述方法中的一个或多个可由合适的装置和/或装置的组合来执行。除了本申请中描述的次序之外，还可按各种次序、并行地和/或同时地执行所描述方法和相关联动作。所描述系统本质上是示例性的，并且可包括另外的元件和/或省略元件。
如本申请中所使用的，以单数形式列举并且通过字词“一(a)”或“一(an)”引出的元件或步骤应理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非明确指出这种排除情况。另外，引用本公开的“一个实施方案”或“一个实例”并非意图解释为排除也涵盖所列举特征的另外实施方案的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且并非意图对其对象强加数值要求或具体定位次序。以下权利要求书特别指出来自以上公开的主题，所述主题被认为是新颖且非明显的。

Claims (11)

1.一种噪声和振动传感器布置，其被配置来与主动道路噪声控制系统一起操作，所述布置包括：
能量采集器，其被配置来从环境能量源获得电能；
加速度传感器，其利用来自所述能量采集器的电能供电并且被配置来生成表示作用在所述加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号；
信号处理器，其利用来自所述能量采集器的电能供电并且被配置来处理所述感测信号并提供经处理的感测信号，所述信号处理器具有带有第一能耗操作的正常模式和带有低于所述第一能耗的第二能耗操作的节能模式；
信号发射器，其利用来自所述能量采集器的电能供电并且被配置来无线地广播所述经处理的感测信号，所述信号发射器具有带有第三能耗操作的正常模式和带有低于所述第三能耗的第四能耗操作的节能模式；以及
能量控制器，其被配置来评估来自所述能量采集器的所述电能并且控制所述信号处理器和所述信号发射器中的至少一个，以在来自所述采集器的所述电能低于预定能级时以所述节能模式操作并且否则以所述正常模式操作，
其中，所述信号处理器还被配置成以带有所述第二能耗的所述节能模式处理感测信号;
其中，所述信号处理器和所述信号发射器中的至少一个被配置来在所述正常模式中以第一数据速率处理和/或传输数字信号并且在所述节能模式中以第二数据速率处理和/或传输数字信号，所述第一数据速率高于所述第二数据速率；
其中，所述数字信号在所述正常模式中具有第一数字字长并且在所述节能模式中具有第二数字字长，所述第一数字字长大于所述第二数字字长。
2.如权利要求1所述的布置，其中所述数字信号在所述正常模式中具有第一采样率并且在所述节能模式中具有第二采样率，所述第一采样率大于所述第二采样率。
3.如权利要求1所述的布置，其中所述能量采集器包括临时能量存储装置，所述临时能量存储装置被配置来在所述能量采集器获得比供应到所述加速度传感器、所述信号处理器和所述信号发射器更多的电能时来存储电能，并且在所述能量采集器获得比供应到所述加速度传感器、所述信号处理器和所述信号发射器更少的电能时提供额外的电能。
4.如权利要求1所述的布置，其中所述能量采集器包括能量采集器换能器，所述能量采集器换能器被配置来将机械能转换为电能，所述电能被供应到所述加速度传感器、所述信号处理器和所述信号发射器。
5.如权利要求1所述的布置，其中
所述信号处理器和所述信号发射器中的至少一个还包括高级节能模式，所述高级节能模式具有低于各自节能模式中操作的能耗的所述能耗操作；以及
所述控制器被进一步配置来控制所述信号处理器和/或所述信号发射器，以在来自所述采集器的所述电能低于进一步预定的能级时以所述高级节能模式操作。
6.一种主动道路噪声控制系统，其包括根据权利要求1-5所述的噪声和振动传感器布置、主动道路噪声控制模块和至少一个扩音器。
7.一种被配置来与主动道路噪声控制系统一起操作的噪声和振动感测方法，所述方法包括：
从环境能量源获得电能；
利用来自能量采集器的电能对加速度传感器供电；
利用所述加速度传感器生成表示作用在所述加速度传感器上的加速度、运动和振动中的至少一个的感测信号；
利用来自所述能量采集器的电能对信号处理器供电，所述信号处理器具有带有第一能耗操作的正常模式和带有低于所述第一能耗的第二能耗操作的节能模式；
处理所述感测信号以提供经处理的感测信号；
利用来自所述能量采集器的电能对信号发射器供电，所述信号发射器具有带有第三能耗操作的正常模式和带有低于所述第三能耗的第四能耗操作的节能模式；
通过所述信号发射器无线地广播所述感测信号；
评估从所述环境能量源获得的所述电能；以及
控制所述信号处理器和/或所述信号发射器中的至少一个，以在来自所述采集器的所述电能低于预定能级时以所述节能模式操作并且否则以所述正常模式操作，
其中，处理所述感测信号以提供经处理的感测信号还包括以带有所述第二能耗操作的所述节能模式处理所述感测信号;
其中所述信号处理器和所述信号发射器中的至少一个在所述正常模式中以第一数据速率处理和/或传输数字信号并且在所述节能模式中以第二数据速率处理和/或传输数字信号，所述第一数据速率高于所述第二数据速率；
其中，所述数字信号在所述正常模式中具有第一数字字长并且在所述节能模式中具有第二数字字长，所述第一数字字长大于所述第二数字字长。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述数字信号在所述正常模式中具有第一采样率并且在所述节能模式中具有第二采样率，所述第一采样率大于所述第二采样率。
9.如权利要求7所述的方法，其还包括当获得比供应到所述加速度传感器、所述信号处理器和所述信号发射器更多的电能时存储电能，并且在获得比供应到所述加速度传感器、所述信号处理器和所述信号发射器更少的电能时提供额外的电能。
10.如权利要求7所述的方法，其中从环境能量源获得电能包括将机械能转换为电能。
11.如权利要求7所述的方法，其中
所述信号处理器和所述信号发射器中的至少一个还包括高级节能模式，所述高级节能模式具有低于各自节能模式操作的能耗的所述能耗操作；以及
所述方法还包括控制所述信号处理器和/或所述信号发射器，以在来自所述采集器的所述电能低于进一步预定的能级时以所述高级节能模式操作。
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