CN107921940A - 松动车轮检测 - Google Patents

Abstract

所公开的本发明使用车轮速度信号来检测车轮异常，诸如松动车轮或零压力车轮。车轮速度信号被用作确定第一检测信号和第二检测信号的基础。用于确定第一检测信号和第二检测信号的另一基础分别是第一基准信号和第二基准信号。根据本发明的教导，如果检测信号中的至少一者超过阈值，则检测到例如松动车轮的异常。特别地，本发明涉及实现上述目的的方法、系统和计算机程序产品。

Description

松动车轮检测

技术领域

本发明公开内容总体涉及检测车辆的车轮异常情况的领域，以及例如涉及用于检测松动车轮或零压力的车轮的方法、系统和计算机程序产品。

背景技术

现代车辆包括各种各样的为驾驶者和其它交通参与者提供安全、舒适和信息的传感器和系统。

这些系统包括牵引力控制系统(Traction Control System，TCS)、电子稳定程序(Electronic Stability Program，ESP)、主动减震系统或防抱死制动系统(Anti-lockBraking System，ABS)。除了这些主动控制系统以外，还存在有车辆驾驶者安全信息系统，诸如向驾驶者呈现关于行驶状况的信息的道路摩擦指示器和无传感器轮胎压力监测系统，例如间接轮胎压力监测系统(indirect Tire Pressure Monitoring System，iTPMS)。

所有的上述系统得益于关于一大组估计的或测量的车辆属性参数的知识，这些参数诸如但不限于轮胎纵向刚度、环境温度、车轮谐振频率、携带的车辆负载、转弯时的轮胎半径变化、和取决于速度的车轮振动。

对关于车轮状况的知识感兴趣。车轮状况信息(例如关于低压)可以用于检测车轮异常情况，该车轮异常情况在剩下未被上报时可导致车辆磨损、驾驶舒适度和车辆可控制度减小、或者甚至事故。

特别地，关于安全而高度相关的车轮状况是车轮没有合适地固定到车辆的轮轴，即车轮松动。用于检测松动车轮的已知方法需要人工检查和/或使用附加部件。例如，已知的是，检测松动车轮包括按预定义取向将光学指示器置于车轮螺母中，该车轮螺母用于将车轮固定到车辆轮轴的螺纹。在车轮松动的情况下，光学指示器中的一者或多者不处于预定义取向，这在光学上指示车轮松动。对于松动车轮检测，还已知的是将传感器组件固定到车辆轮轴的安装轮毂。传感器检测轮毂和车轮之间的相对运动，以及在车轮松动的情况下发射指示车轮松动的信号。

发明内容

本发明的目的

为了克服尤其上文提及的那种已知方法的缺点，本发明的目的是提供用于检测车辆的松动车轮的方案，消除对于人工检查和附加部件的需求。

本发明的概要

总体而言，本发明使用车轮速度信号来检测松动车轮。车轮速度信号被用作确定第一检测信号和第二检测信号的基础。用于确定第一检测信号和第二检测信号的另一基础是与第一检测信号相关联的第一基准信号以及与第二检测信号相关联的第二基准信号。根据本发明的教导，如果检测信号中的至少一者超过其相关联的阈值，则检测到松动车轮的异常。特别地，本发明涉及实现上述目的的方法、系统和计算机程序产品。

附图说明

图1a示意性示出包括分段旋转元件和传感元件的车轮速度传感器。

图1b示出表示作为样本号的函数的车轮速度信号的图。

图2为根据实施方式的方法的流程图。

图3为确定第一检测信号的示例性子步骤的流程图。

图4为确定第二检测信号的示例性子步骤的流程图。

具体实施方式

本发明使用车轮速度信号，该车轮速度信号表示车辆的车轮的车轮速度。从某种意义上说，在大多数车辆中不需要附加传感器是有利的。

使用车轮速度信号确定车轮是否松动。根据本发明的教导，可以基于车轮速度信号确定检测信号，这些检测信号允许确定车轮是否松动。

将在下文中描述的优选实施方式可以用于例证本发明的教导。

获得车轮速度信号作为输入。可以从分段车轮速度传感器、按一系列时间点t(n)的形式获得该车轮速度信号。图1中示出了车轮速度传感器的实施方式。示出的车轮速度传感器为分段旋转类型。示例性车轮速度传感器4包括齿轮5。在图示实施方式中，车轮被示出具有7个相同的齿。实际上，这类车轮可以具有不同数量的齿，例如48个齿。齿轮可以被称为具有7个相同区段的分段旋转元件。传感器部件7被定位且被放置使得每当齿轮的齿(轮齿)通过传感器部件7时产生传感器信号。传感器部件7可以为光学传感器、磁性传感器(例如HALL传感器)或任何其它可想到类型的传感器。传感器部件7产生电信号，这些电信号通过电线或无线电广播被传输到后续的处理器或估计器单元以供进一步处理。在图2的示例中，在齿轮的一个整转期间，总共产生7个传感器信号。

车轮速度信号的变化可以出于各种原因而发生。这些原因包括驾驶者进行的加速或减速。然而，车轮速度信号的波动或振荡也可以由于其它原因造成。这些原因之一可以为松动车轮或零压力的车轮。根据本发明的教导使用该事实。

车辆的车轮速度传感器通常不是理想的传感器。理想的传感器会包括相同尺寸的齿。在图1中，这些尺寸用角间距α来表示。例如，在图示的7齿情况下，α＝360°/7。然而，由于制造或磨损，每个齿可偏离理想的角间距α。在下文中，与理想角间距的偏差δ被称为缺陷误差，以及假设旋转元件的每个齿具有其自身的表征缺陷误差δ_l(l＝1、...、L)。

因此，传感器信号的出现指示旋转元件5在无缺陷误差的理想情况下围绕α＝2π/L的角度旋转，以及在有缺陷误差的现实情况下围绕α+δ_l的角度旋转。从表示时间实例t(n)的这些传感器信号，可以借助如下关系式推导相应的车轮速度值ω(n)：

其中，ω(n)的高值指示快速旋转的车轮以及ω(n)的低值指示慢速旋转的车轮。此外，可以通过将车轮速度ω(n)与相应的轮胎半径相关而获得对于车辆速度的估计值。在如下实施方式中，为了简化，值t(n)、Δt(n)和ω(n)全部被表示为车轮速度信号且被视为源自于车轮速度传感器4。

信号t(n)、Δt(n)或ω(n)的信号值通常在时间上非等距地分布。通过插值，可以将这些信号从事件域转换到时域。例如，在相同申请人的PCT/EP2002/012409中公开了用于该类型或类似类型的离散化输入信号的信号处理的实施方式。该文献的内容通过引用并入在本说明书中。

图1b示出了针对实际恒定速度且无缺陷修正的情况从有缺陷的车轮速度传感器推断的车轮速度的时间序列。在理想化方式下以及忽略外界因素(诸如松动车轮)的影响，举例说明车轮速度传感器的传感器缺陷对获得的车轮速度信号ω(n)的影响。图4的图示出了作为样本号n的函数的车轮速度值ω(n)。在图中示出了15个样本n＝1、...、15，这对应于总共包含L＝5个齿6的旋转元件5的三个整转。图1b表示以精确恒定的速度v驾驶汽车的情况，其中，虚曲线对应于从具有理想分段旋转元件5的车轮速度传感器4获得的车轮速度信号ω(n)，以及实曲线对应于围绕56弧度/秒(rad/s)的平均值产生车轮速度的周期性的波动的非理想分段旋转元件5的情况。第一样本的55rad/s的值对应于略大于标称齿的齿，从而产生小于56rad/s的预期值的车轮速度值。第三样本对应于恰好对应标称齿的齿，从而产生56rad/s的预期值。第四样本对应于小于标称齿的齿，从而产生大于56rad/s的标称值的车轮速度。第五样本对应于旋转元件的最后一个齿以及第六样本再次对应于该旋转元件的第一个齿。因此，图1b的实曲线示出了5个样本点的周期性，这对应于车轮速度传感器4的旋转元件5的整转。

参照图2，根据本发明的实施方式的方法将突出本发明的教导。

获得表示车辆的车轮的车轮速度的车轮速度信号。可以从车轮速度传感器获得该车轮速度信号。基于车轮速度信号，确定两个检测信号。通常，确定各个检测信号还将各自的基准信号考虑在内。

在步骤21中基于车轮速度信号和第一基准信号确定第一检测信号。确定第一检测信号的步骤可以包括下文将参照图3所描述的计算步骤中的一者或多者。

在步骤22中基于车轮速度信号和第二基准信号确定第二检测信号。确定第二检测信号的步骤可以包括下文将参照图4所描述的计算步骤中的一者或多者。

在图2的实施方式中，在步骤23中可以通过将第一检测信号和第二检测信号分别与第一检测阈值和第二检测阈值相比较来完成确定例如松动车轮的存在与否。如果满足如下条件中的至少一个条件：(a)第一检测信号超过第一检测阈值，或(b)第二检测信号超过第二检测阈值；则确定车辆的车轮松动。换言之，如果检测信号之一超过其对应的检测阈值，则检测到松动车轮的存在。

后续可以传输关于松动车轮存在的信息(未示出)。该传输可以借助去往驾驶者的光信号或声信号而发生。附加地或可替选地，可以以电子方式将该信息传输到汽车的操作系统。此外，可想到的是将该信息传输到附近的车库，从而可以准备机修工紧固车轮。这在自主驾驶车辆的背景下特别有利。

图3示出了用于确定第一检测信号的步骤(诸如图2中的步骤21)的示例性流程图。

在步骤31中可以通过估计缺陷信号来确定第一检测信号，该缺陷信号表示车轮速度信号相比于车辆的车轮的实际车轮速度的缺陷。一个可能的缺陷源为传感器。传感器缺陷可以基于车轮速度信号来估计。在US 2007/0124053A1中公开了传感器缺陷的估计。

可以从车轮速度信号t(n)估计齿轮5的传感器缺陷值δ_l。

估计的传感器缺陷值可以被计算成齿轮5的前一转n-1和当前转n的传感器缺陷值y(n)的加权平均值。

加权平均值例如可以通过低通滤波器来获得，该低通滤波器根据如下滤波器关系式来实现：

其中

其中，(n mod L)+1为对应于样本号n的齿轮5的齿6的编号，为相应的传感器缺陷的估计值，μ为滤波器的遗忘因子，t(n)和t(n-1)为车轮速度信号的连续值，L为齿轮5的齿6的总数，以及T_LAP(n)为齿轮5的整转的持续时间。

如果估计了缺陷信号，则在一些实施方式中可以针对缺陷修正车轮速度信号。因此，可以基于车轮速度信号t(n)和传感器缺陷信号来计算缺陷修正的车轮速度信号ε(n)。重要的是要注意，缺陷修正的传感器信号ε(n)不一定包含表示时间实例或旋转速度或类似量的值。它也可以为可合适地表示车轮速度信号的缺陷修正衍生物的任何其它仿造的量。

在一个实施方式中，缺陷修正的传感器信号ε(n)从如下关系式获得：

其中，关于上述传感器缺陷估计，

其中，(n mod L)+1为对应于样本号n的旋转元件5的齿6的编号，为相应的传感器缺陷的估计值，μ为滤波器的遗忘因子，t(n)和t(n-1)为车轮速度信号的连续值，L为旋转元件5的齿6的总数，以及T_LAP(n)为旋转元件5的整转的持续时间。

附加地或可替选地，在步骤32中，可以在第一检测信号的确定期间计算方差。特别地，可以计算缺陷修正的车轮速度信号在有限时间窗口内的方差。缺陷修正的车轮速度信号的该方差表示缺陷修正的车轮速度信号在有限时间窗口内的时间变化。

计算方差的步骤32可以通过使用低通滤波器而基于缺陷修正的传感器信号ε(n)确定方差α(n)(应当注意，贯穿整个申请所使用的术语“方差”指的不是标准的数学定义，而是方差的估计值)。该低通滤波器例如可以根据如下关系式确定缺陷修正的传感器信号ε(n)的方差α(n)：

α(n)＝Var(ε)＝LP(ε²)-LP(ε)² (公式5)

其中，LP(ε)为缺陷修正的传感器信号ε(n)的低通滤波值，以及LP(ε²)为缺陷修正的传感器信号ε(n)的平方ε²(n)的低通滤波值。

在此，低通滤波器可以根据如下滤波器关系式来实现：

LP：α(n+1)＝(1-λ)α(n)+λε(n) (公式6)

其中，α为方差Var(ε)的估计值，λ为滤波器的遗忘因子，以及ε(n)为缺陷修正的传感器信号。

然而，甚至紧紧固定的车轮可以产生缺陷修正的车轮速度信号的时间变化。因此，将该信号与第一基准信号相比较。该比较可以尤其通过在步骤33中计算该信号与第一基准信号之间的差来实现。通常，减去第一基准信号可以是有利的以及不一定发生在该步骤中。可替选地，减去第一基准信号可以发生在该方法的任何其它步骤中。例如，通过从获得的车轮速度信号减去基准车轮速度信号，可以获得类似结果。在一些实例中，尤其对于低的基准信号，减法可以不是必要的且可以跳过。

松动车轮检测方法可以对松动车轮敏感而不依赖于松动程度。为了达到还检测略微松动的车轮的敏感度，可以随着时间对第一检测信号求积分。确定第一检测信号可以包括计算第一累积和。在步骤34中可以根据如下关系式计算第一累积和：

CUSUMCount er(n+1)＝min(max(CUSUMCount er(n)+α(n)-Drift，0)，CounterLimit)

(公式7)

其中，α(n)为待累积添加的输入信号、优选地传感器缺陷信号的信号差或方差，以及Drift和CounterLim it为调谐参数。

在优选实施方式中，确定第一检测信号可以包括上述步骤中的任一者或全部。

此外，本发明的方法实施方式包括确定第二检测信号。图4示出了用于确定第二检测信号的步骤(诸如图2中的步骤22)的示例性流程图。

车轮速度信号用作用于确定第二检测信号的步骤的输入。

在步骤41中，基于车轮速度信号，可以通过对车轮速度信号进行带通滤波来计算带通滤波的车轮速度信号。

此外，确定第二检测信号的步骤可以包括在步骤42中计算有限时间窗口内的方差。特别地，在一些实施方式中，可以计算带通滤波的车轮速度信号的方差。带通滤波的车轮速度信号的该方差表示带通滤波的车轮速度信号的时间变化。

然而，甚至紧紧固定的车轮可以产生带通滤波的车轮速度信号的时间变化。通常，紧固的车轮的这些时间变化小于松动车轮的时间变化。因此，将该信号与第二基准信号相比较。该比较可以尤其通过在步骤43中计算该信号与第二基准信号之间的差来实现。通常，减去第二基准信号可以是有利的以及不一定发生在该步骤中。可替选地，减去第二基准信号可以发生在该方法的任何其它步骤中。例如，通过从获得的车轮速度信号减去基准车轮速度信号，可以获得类似结果。在一些实例中，尤其对于低的基准信号，减法可以不是必要的且可以跳过。

松动车轮检测方法可以对松动车轮敏感而不依赖于松动程度。为了达到还检测略微松动的车轮的敏感度，可以随着时间对第二检测信号求积分。确定第一检测信号可以包括计算累积和。在步骤44中可以根据如下关系式计算累积和：

CUSUMCount er(n+1)＝min(max(CUSUMCount er(n)+α(n)-Drift，0)，CounterLimit)

(公式8)

其中，α(n)为待累积添加的输入信号，以及Drift和CounterLim it为调谐参数。

在优选实施方式中，确定第二检测信号可以包括上述步骤中的任一者或全部。

如上文参照图3和图4所描述，确定检测信号可以包括减去一个或多个基准信号。在一些实施方式中，基准信号可以随着时间变化为常数。该常数例如可以凭经验来确定，或可以为由技术人员选择的设计参数或任何其它合适常数。

可替选地，基准信号可以为基于表示车辆的另一车轮的车轮速度的车轮速度信号所确定的信号。在本实施方式中，如果不是所有的车轮都同样松动(即，只要存在一个车轮比至少一个其它车轮更松动或更不松动(即使具有非常小的差异))，则可以检测松动车轮。理论上，所有的车轮都同样松动似乎是有可能的。然而，仅在相当短的时间段内会是这种情况。假设所有的车轮都同样松动的时刻/情形，则沿着前进方向移动的车辆的左侧的车轮的螺栓将由于这些车轮的旋转方向而松开，而车辆的右侧的车轮的螺栓不会松开。因此，将至少检测到车辆的左侧的一个或多个松动车轮。

恒定基准信号和可变基准信号之间的选择留给技术人员。而且，技术人员可以实施根据外部变量(诸如车轮数量、速度、道路状态等)在恒定基准信号和可变基准信号之间选择的方法。

而且，第一基准信号(恒定的或可变的)的性质可以独立于第二基准信号的性质。例如，实施方式可以为，第一基准信号为基于来自另一车轮上的车轮速度传感器的车轮速度信号的可变基准信号，而第二基准信号为常数，反之亦然。

作为可行的实现方式，提供有计算机程序产品，该计算机程序产品布置成在计算设备中执行时控制处理器执行本文中所描述的方法步骤或功能中的任一者或全部。

具有用于执行所描述方法的程序代码的计算机程序产品的实施方式包括能够存储或编码程序代码的任何机器可读介质。术语“机器可读介质”因此应被视为包括但不限于固态存储器、光学和磁性存储介质、以及载波信号。程序代码可以为机器代码或可通过编译和/或解译而被转换为机器代码的其它代码，诸如采用高级编程语言(诸如C++)或采用任何其它合适的命令式或函数式的编程语言的源代码、或虚拟机代码。计算机程序产品可以包括数据载体，该数据载体具有设计为控制或指导数据处理装置执行根据本说明书的方法的程序代码或其它部件。运行该方法的数据处理装置通常包括用于信号或参数值的中央处理单元、数据存储部件和I/O接口。

除了上文参照图2至图4所描述的方法实施方式以外，还公开了系统实施方式。根据本发明的教导的系统实施方式通常能够执行方法实施方式中的一者或多者。系统实施方式配置成获得表示车辆的车轮的车轮速度的车轮速度信号t(n)，配置成基于车轮速度信号t(n)和第一基准信号确定第一检测信号，配置成基于车轮速度信号t(n)和第二基准信号确定第二检测信号，以及配置成：如果满足如下条件中的至少一个条件：(a)第一检测信号超过第一检测阈值，或(b)第二检测信号超过第二检测阈值；则确定车辆的车轮是松动车轮。

Claims (14)

1.一种检测车辆的松动车轮的方法，包括如下步骤：

-获得表示车辆的车轮的车轮速度的车轮速度信号t(n)，

-基于所述车轮速度信号t(n)和第一基准信号，确定第一检测信号，

-基于所述车轮速度信号t(n)和第二基准信号，确定第二检测信号，

-如果满足如下条件中的至少一个条件，则确定所述车辆的所述车轮是松动车轮：

--所述第一检测信号超过第一检测阈值，

--所述第二检测信号超过第二检测阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一检测信号的步骤包括：

从所述车轮速度信号t(n)估计缺陷信号所述缺陷信号表示所述车轮速度信号t(n)相比于所述车辆的所述车轮的实际车轮速度的缺陷。

3.如权利要求2所述的方法，其中，

-从感测所述车辆的所述车轮的所述车轮速度的车轮速度传感器，获得所述车轮速度信号t(n)，以及

-估计所述缺陷信号的步骤包括估计表示所述车轮速度传感器的传感器缺陷的传感器缺陷值

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述传感器缺陷值为所述车轮速度传感器的旋转元件的前一转和当前转n的传感器缺陷值y(n)的加权平均值。

5.如权利要求4所述的方法，其中，估计所述缺陷信号的步骤包括根据如下滤波器关系式进行低通滤波的步骤：

其中，

其中，为所述传感器缺陷的估计值，μ为所述滤波器的遗忘因子，t(n)和t(n-1)为所述车轮速度信号，L为所述旋转元件(5)的齿的总数，以及T_LAP(n)为所述旋转元件的整转的持续时间。

6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，确定所述第一检测信号的步骤包括：从所述车轮速度信号t(n)和所述缺陷信号确定缺陷修正的车轮速度信号ε(n)。

7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，确定所述第一检测信号的步骤包括如下项中的至少一者：

-在有限时间窗口内计算第一方差，

-计算与所述第一基准信号的差，

-根据如下关系式计算第一累积和：

CUSUMCounter(n+1)＝min(max(CUSUMCounter(n)+α(n)-Drift，0)，CounterLim it)，其中，Drift和CounterLim it为调谐参数。

8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，计算所述第二检测信号的步骤包括如下项中的至少一者：

-对所述车轮速度信号进行带通滤波，

-在有限时间窗口内计算第二方差，

-计算与所述第二基准信号的差，

-根据如下关系式计算第二累积和：

CUSUMCounter(n+1)＝min(max(CUSUMCoumter(n)+α(n)-Drift，0)，CounterLim it)，其中，Drift和CounterLim it为调谐参数。

9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一基准信号和所述第二基准信号中的至少一者为常数。

10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一基准信号和所述第二基准信号中的至少一者基于表示车辆的另一车轮的车轮速度的车轮速度信号来确定。

11.一种包括程序代码的计算机程序产品，所述程序代码配置成在计算设备中执行时执行如权利要求1至10中任一项所述的步骤。

12.一种检测松动车轮的系统，所述系统包括处理单元，所述处理单元配置成：

-获得表示车辆的车轮的车轮速度的车轮速度信号t(n)，

-基于所述车轮速度信号t(n)和第一基准信号，确定第一检测信号，

-基于所述车轮速度信号t(n)和第二基准信号，确定第一检测信号，

-如果满足如下条件中的至少一个条件，则确定所述车辆的所述车轮是松动车轮：

--所述第一检测信号超过第一检测阈值，

--所述第二检测信号超过第二检测阈值。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述处理单元包括如下项中的至少一者：

-缺陷估计部分，所述缺陷估计部分配置成获得车轮速度传感器信号，所述缺陷估计部分配置成从所述车轮速度信号t(n)估计缺陷信号所述缺陷信号表示所述车轮速度信号t(n)相比于所述车辆的所述车轮的实际车轮速度的缺陷，

-缺陷信号修正部分，

-带通滤波器，所述带通滤波器配置成获得所述车轮速度传感器信号，

-方差计算部分，

-累积和计算部分，

-判定部分，所述判定部分配置成确定松动车轮的存在与否。

14.如权利要求12或13所述的系统，其中，所述系统还包括用于感测所述车辆的所述车轮的所述车轮速度的车轮速度传感器。