CN109642914B - 用于确定旋转滚动体的转速的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定围绕旋转轴线(102)旋转的滚动体(100)或物体的转速(n)的装置(10)。电子的处理单元(20)能固定在所述滚动体(100)上。加速度传感器(30)沿第一方向感测加速度的加速度信号(32)。所述第一方向在相对于所述滚动体(100)的旋转轴线(102)的径向方向或切向方向上延伸。对所感测的加速度信号(32)进行低通滤波和高通滤波、尤其进行自适应高通滤波。通过对经滤波的信号进行时间求导、接下来的求值和求滑动平均值可以进一步优化信号。所述经滤波的加速度信号(33)的频率(f)被求取并且相应于所述滚动体(100)的转速(n)。本发明还涉及一种具有至少一个本发明装置(10)的滚动体(100)以及涉及一种用于确定围绕旋转轴线(102)旋转的滚动体(100)的转速(n)的方法。

Description

用于确定旋转滚动体的转速的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定围绕旋转轴线旋转的滚动体的转速的装置，其中，所述装置具有处理单元并且可固定在滚动体上。
背景技术
例如在公开文献DE 102007018238A1中公开了这样的装置。在该文献中，磁体固定在旋转物体上，然后如此确定旋转物体的转速，即在物体每转一圈时借助传感器元件、例如霍尔传感器来感测脉冲，其中，可以由两个脉冲之间的时间段推断出物体的转速。旋转物体例如可以是滚动体。
此外，本发明还涉及一种具有至少一个本发明装置的滚动体以及一种用于确定围绕旋转轴线旋转的滚动体的转速的方法。
发明内容
本发明涉及一种用于确定围绕旋转轴线旋转的滚动体的转速的装置，其中，所述装置具有电子处理单元并且可固定在滚动体上。
本发明的核心在于，所述装置具有至少单轴的加速度传感器，并且所述处理单元被设立为用于借助于加速度传感器在第一时间段内沿第一方向感测加速度的加速度信号。在此，所述装置可以这样安置在滚动体上，使得所述第一方向在相对于滚动体旋转轴线的径向方向上延伸，或者所述第一方向垂直于所述旋转轴线和所述径向方向定向。
此外，所述处理单元被设立为用于对所感测的加速度信号进行低通滤波和高通滤波、尤其进行自适应高通滤波，以便得到经滤波的加速度信号。此外，所述处理单元被设立为用于求取经滤波的加速度信号的频率，其中，所述频率相应于滚动体的转速。
在此有利的是，加速度传感器可以构型得非常小并由此可以实现所述装置的紧凑结构。此外，所述装置也可以精确地确定金属滚动体的转速，因为与磁场传感器相比，加速度传感器的测量结果几乎不或根本不受金属滚动体影响。由于滤波，还可以利用具有一定噪声的低成本加速度传感器。
本发明的一个有利构型设置，所述处理单元被设立为用于确定经滤波的加速度信号的k个相邻过零点之间的第二时间段并根据该第二时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第二时间段为经滤波的加速度信号的k减1个半周期时长。在此有利的是，这为一种用于确定滚动体转速的简单可能性，其中，这尤其适用于在一定程度上恒定的转速。
本发明的另一个有利构型设置，所述处理单元被设立为用于确定经滤波的加速度信号的k个相邻最大值或最小值之间的第三时间段并根据该第三时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第三时间段为经滤波的加速度信号的k减1个周期时长。在此有利的是，这为一种用于确定滚动体转速的简单可能性，其中，这尤其适用于在一定程度上恒定的转速。
根据本发明的一个有利构型设置，所述处理单元被设立为用于在数学上对经滤波的加速度信号进行时间求导、由经时间求导的加速度信号确定绝对值信号并且以一个时间常数对该绝对值信号求滑动平均值，其中，所述处理单元被设立为用于确定经求滑动平均值的绝对值信号的k个相邻最大值之间的第四时间段并根据该第四时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第四时间段为经滤波的加速度信号的k减1个半周期时长。
在此有利的是，即使在快速的转速变化情况下也可以确定转速。此外，通过求导、求绝对值和借助于滑动平均值进行平滑
Figure BDA0001972923730000021
可以更好地提供经滤波的加速度信号，以便能够由此确定准确的转速。
根据本发明的另一有利构型设置，所述处理单元被设置为用于感测触发信号并且在感测到这种触发信号时确定转速。
在此有利的是，可以有针对性地触发转速确定，如果对此存在需求的话。在此，不仅外部触发信号而且内部触发信号是可能的。
在一个有利的实施方式中设置，所述装置具有通信单元，尤其无线通信单元，其中，所述处理单元被设立为用于借助通信单元发送确定的转速。
在此有利的是，外部单元可以接收并进一步评估该转速。
本发明还涉及一种具有至少一个本发明装置的滚动体。
在此有利的是，可以简单地确定滚动体的转速。此外，所述装置也可以精确地确定金属滚动体的转速。因为与磁场传感器相比，加速度传感器的测量结果几乎不或根本不受金属滚动体影响。
本发明还涉及一种用于确定旋转滚动体的转速的方法，所述方法至少具有以下方法步骤：
a.借助固定在滚动体上的、至少单轴的加速度传感器在第一时间段内沿第一方向感测加速度的加速度信号，其中，所述第一方向在相对于滚动体旋转轴线的径向方向上延伸，或者其中，所述第一方向垂直于所述旋转轴线和所述径向方向定向，
b.对所感测的加速度信号进行低通滤波和高通滤波、尤其进行自适应高通滤波，以便得到经滤波的加速度信号，
c.求取经滤波的加速度信号的频率，其中，所述频率相应于滚动体的转速。
在此有利的是，加速度传感器可以构型得非常小并由此可以实现所述装置的紧凑结构。此外，所述装置也可以精确地确定金属滚动体的转速，因为与磁场传感器相比，加速度传感器的测量结果几乎不或根本不受金属滚动体影响。由于滤波，还可以利用具有一定噪声的低成本加速度传感器。
在本发明方法的一个有利构型中设置，在方法步骤c中确定经滤波的加速度信号的k个相邻过零点之间的第二时间段，并且接下来根据该第二时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第二时间段为经滤波的加速度信号的k减1个半周期时长。
在此有利的是，这为一种用于确定滚动体转速的简单可能性，其中，这尤其适用于在一定程度上恒定的转速。
根据本发明方法的一个有利构型设置，在方法步骤c中确定经滤波的加速度信号的k个相邻最大值或最小值之间的第三时间段，并且接下来根据该第三时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第三时间段为经滤波的加速度信号的k减1个周期时长。
在此有利的是，这为一种用于确定滚动体转速的简单可能性，其中，这尤其适用于在一定程度上恒定的转速。
根据本发明方法的另一有利构型设置，在方法步骤c中，在数学上对经滤波的加速度信号进行时间求导，因此由经时间求导的加速度信号确定绝对值信号，并且以一个时间常数对该绝对值信号求滑动平均值，并且接下来确定经求滑动平均值的绝对值信号的k个相邻最大值之间的第四时间段，并根据该第四时间段求取频率，其中，k是正整数，并且该第四时间段为经滤波的加速度信号的k减1个半周期时长。
在此有利的是，即使在快速的转速变化情况下也可以确定转速。此外，通过求导、求绝对值和借助于滑动平均值进行平滑，可以更好地提供经滤波的加速度信号，以便能够由此确定准确的转速。
根据本发明方法的一个有利构型设置，在方法步骤a之前执行方法步骤a0，在该方法步骤中检查，是否感测到触发信号，并且仅在该情况下继续进行方法步骤a。
在此有利的是，可以有针对性地触发转速确定，如果对此存在需求的话。在此不仅外部触发信号而且内部触发信号是可能的。
根据本发明方法的另一有利构型设置，在方法步骤c之后执行方法步骤d，在该方法步骤中，借助尤其无线的通信单元发送所确定的转速。
在此有利的是，外部单元可以接收并且进一步评估该转速。
附图说明
图1示出本发明装置的实施例，该装置用于确定围绕旋转轴线旋转的滚动体的转速。
图2示出本发明装置的所述实施例，该装置固定在滚动体上。
图3示出本发明方法的实施例，该方法用于确定旋转滚动体的转速。
图4示出借助本发明装置所感测的加速度信号和由此经滤波的加速度信号的典型时间变化过程。
具体实施方式
图1示出本发明装置的实施例，该装置用于确定围绕旋转轴线旋转的滚动体的转速。
示出了装置10，其具有电子处理单元20和至少单轴的加速度传感器30。处理单元20例如可以构型为微处理器。在此，加速度传感器30这样与处理单元20连接，使得处理单元20可以在第一方向上感测加速度的至少一个加速度信号32。此外，处理单元20被设立为用于借助低通滤波器和高通滤波器由所感测的加速度信号32确定经滤波的加速度信号33，并且此外求取经滤波的加速度信号33的频率f，其中，该频率f相当于旋转滚动体100的转速n，装置10可固定在该滚动体上。
可选地，装置10具有无线通信单元40。通信单元40例如是蓝牙单元或WLAN单元，并且尤其双向地与处理单元20连接。在此，处理单元20被设立为用于借助通信单元40发送所确定的转速n以及接收触发信号25。触发信号25为用于确定转速n的指令。可选地，触发信号25也可以由一个未示出的传感器输出并且相应地由处理单元20感测，如果例如该传感器的测量值超过阈值的话。
图2示出本发明装置的上述实施例，该装置固定在滚动体上。
示出了滚动体100，其可以围绕旋转轴线102旋转。替代滚动体也可以考虑任何其它的旋转物体，例如轮胎。例如根据图1构型的装置10这样固定在滚动体100的端侧101上，使得至少单轴的加速度传感器30可以在第一方向上感测加速度。该第一方向或者在相对于旋转轴线102的径向方向上延伸(其中在此这相应于z方向)或者既垂直于旋转轴线102又垂直于该径向方向，其中，在此这相应于x方向。如果滚动体100转动，那么装置10也随着滚动体100转动，由此，x-z坐标系也转动。替代地，装置10也可以布置在滚动体100中，只要可以朝着第一方向上感测加速度。
图3示出本发明方法的实施例，该方法用于确定旋转滚动体的转速。
首先在方法步骤a中，借助固定在滚动体100上的、至少单轴的加速度传感器30在第一时间段T1内沿第一方向感测加速度的加速度信号32。其中，该第一方向沿相对于滚动体100的旋转轴线102的径向方向延伸，或者其中，该第一方向垂直于旋转轴线102和该径向方向定向。因此与图2相比，或者在x方向或者在z方向上感测加速度。
因此，在方法步骤b中对所感测的加速度信号32进行低通滤波并且接下来进行高通滤波，由此得到经滤波的加速度信号33。尤其，对所感测的加速度信号32进行自适应高通滤波。这意味着，根据待滤波的信号来匹配滤波器常数。然后，在方法步骤c中求取经滤波的加速度信号33的频率f，其中，所述频率f相应于滚动体100的转速n。
可以考虑多种替代方案用于求取频率f。
例如可以确定经滤波的加速度信号33的k个相邻过零点之间的第二时间段T2，然后根据该第二时间段T2确定频率。对此可以认为，第二时间段T2相当于经滤波的加速度信号33的k减1个半周期时长。如果例如确定两个相邻过零点之间的第二时间段T2，那么该第二时间段T2相当于经滤波的加速度信号33的刚好一个半周期时长。然后可以简单地确定频率f，其方式是：首先由半周期时长计算一个整周期时长，接下来计算周期时长的倒数。
替代于此地，例如可以确定经滤波的加速度信号33的k个相邻最大值或k个相邻最小值之间的第三时间段T3。在此，第三时间段T3相当于k减1个整周期时长。相应地，然后可以如前面那样通过求周期时长的倒数来求取频率f。
在另一替代方案中，对经滤波的加速度信号33进行时间求导。接下来，将经求导的加速度信号变换为绝对值信号，其中，这通过以下方式发生：由经求导的加速度信号的这些值分别求量值，由此该绝对值信号仅具有正的值。由此减小该方法的最大敏感性。接下来，以一个时间常数对该绝对值信号求滑动平均值。在此，滑动平均值的求取用于使信号平滑。在此，可以这样选择时间常数，使得可以考虑快速的转速变化。典型的时间常数例如为150ms。对信号的低通滤波、高通滤波和接下来在数学上的时间求导一起为一种带通滤波器，该带通滤波器例如允许具有5与15Hz之间的频率的信号通过。由此，使噪声、干扰或由信号漂移引起的影响最小化，以便可以执行尽可能精确的速度确定。在此，滤波器构型为快速的实时递归滤波器并利用整数系数。
可选地，在方法步骤a之前还进行方法步骤a0，在该步骤中检查，借助处理单元20是否感测到触发信号25。如果是这种情况，那么继续进行方法步骤a。然而如果没有感测到触发信号25，那么可以结束该方法。可选地，在方法步骤c之后还进行方法步骤d，在该步骤中，借助通信单元40由处理单元20尤其无线地发送所求取的频率f或者说转速n。
图4示出借助本发明装置所感测的加速度信号和由此经滤波的加速度信号的典型时间变化过程。
可以看到加速度-时间曲线图，在该曲线图中示出了在第一时间段T1内所感测的加速度信号32。加速度信号32以频率f围绕平均值
Figure BDA0001972923730000061
交替变化。该平均值
Figure BDA0001972923730000062
来自于旋转力，该旋转力在滚动体100旋转时作用到装置10上。相反，所感测的加速度信号32的交变分量基于装置10的转动坐标系产生，因此在此重力会这样影响所感测的加速度信号。
然而，所感测的加速度信号32也可能具有未示出的漂移，并因此随着时间的推移进一步远离基准线。
示出的所感测的加速度信号32例如可以为根据图2在x方向上的加速度，该加速度由加速度传感器30测量。相反，在z方向上的加速度的相应加速度信号会相对于所示加速度信号32移位90°。通过低通滤波和高通滤波，由所感测的加速度信号32得到经滤波的加速度信号33。经滤波的加速度信号33相对于所感测的加速度信号32具有更小噪声。此外，已经去除了所感测的加速度信号32的恒定部分。示出了经滤波的加速度信号33的两个相邻零位之间的第二时间段T2。在此，该第二时间段T2为经滤波的加速度信号33的半周期时长。此外，示出了两个相邻的最小值之间的第三时间段T3，该第三时间段为经滤波的加速度信号33的一个整周期时长。相应的第三时间段T3也可以在两个相邻的最大值之间示出。

Claims (11)

1.用于确定围绕旋转轴线(102)旋转的滚动体(100)的转速(n)的装置(10)，其中，所述装置(10)具有电子的处理单元(20)并且能固定在所述滚动体(100)上，
其特征在于，所述装置(10)具有至少单轴的加速度传感器(30)，并且所述处理单元(20)被设立为用于借助所述加速度传感器(30)在第一时间段(T1)内沿第一方向感测加速度的加速度信号(32)，其中，将所述装置(10)这样安置在滚动体(100)上，使得所述第一方向在相对于所述滚动体(100)的旋转轴线(102)的径向方向上延伸，或者所述第一方向垂直于所述旋转轴线(102)和所述径向方向定向，其中，所述处理单元(20)被设立为用于对所感测的所述加速度信号(32)进行低通滤波和高通滤波，以便得到经滤波的加速度信号(33)，其中，所述处理单元(20)被设立为用于求取所述经滤波的加速度信号(33)的频率(f)，其中，所述频率(f)相应于所述滚动体(100)的转速(n)，其中，所述处理单元(20)被设立为用于在数学上对所述经滤波的加速度信号(33)进行时间求导、由经时间求导的加速度信号确定绝对值信号并且以一个时间常数对所述绝对值信号求滑动平均值，其中，所述处理单元(20)被设立为用于确定经求滑动平均值的所述绝对值信号的k个相邻最大值之间的第四时间段(T4)并根据所述第四时间段(T4)求取频率(f)，其中，k是正整数，并且所述第四时间段(T4)为所述经滤波的加速度信号(33)的k减1个半周期时长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元(20)被设立为用于感测触发信号(25)并且在感测到这种触发信号(25)时确定转速(n)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置(10)具有通信单元(40)，其中，所述处理单元(20)被设立为用于借助所述通信单元(40)发送所确定的转速(n)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对所感测的所述加速度信号(32)的高通滤波是自适应高通滤波。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述通信单元(40)是无线通信单元。
6.滚动体，具有至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的装置。
7.用于确定围绕旋转轴线(102)旋转的滚动体(100)的转速(n)的方法，具有以下方法步骤：
a).借助固定在所述滚动体(100)上的、至少单轴的加速度传感器(30)在第一时间段(T1)内沿第一方向感测加速度的加速度信号(32)，其中，所述第一方向在相对于所述滚动体(100)的旋转轴线(102)的径向方向上延伸，或者其中，所述第一方向垂直于所述旋转轴线(102)和所述径向方向定向，
b).对所感测的加速度信号(32)进行低通滤波和高通滤波，以便得到经滤波的加速度信号(33)，
c).求取所述经滤波的加速度信号(33)的频率(f)，其中，所述频率(f)相应于所述滚动体(100)的转速(n)，其中，在方法步骤c)中，在数学上对所述经滤波的加速度信号(33)进行时间求导，然后由经时间求导的加速度信号确定绝对值信号，并且以一个时间常数对所述绝对值信号求滑动平均值，接下来确定经求滑动平均值的所述绝对值信号的k个相邻最大值之间的第四时间段(T4)并根据所述第四时间段(T4)求取频率(f)，其中，k是正整数，并且第五时间段(T3)为所述经滤波的加速度信号(33)的k减1个半周期时长。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)之前执行方法步骤a0)，在该方法步骤中检查，是否感测到触发信号(25)，并且根据所述触发信号(25)继续进行所述方法步骤a)。
9.权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在方法步骤c)之后执行方法步骤d)，在该方法步骤中借助通信单元(40)发送所确定的转速(n)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所感测的加速度信号(32)的高通滤波是自适应高通滤波。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通信单元(40)是无线通信单元。
CN201780050879.2A 2016-08-19 2017-08-10 用于确定旋转滚动体的转速的装置和方法 Active CN109642914B (zh)

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