CN109991438B - 一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法与装置，该方法包括以下步骤：1)设旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，设齿i的误差为δi，得到消除误差的角速度；2)齿与齿之间的时间间隔Δti(k)＝t_k‑t_k‑1，一个完整周期时间为Ti(k)＝t_k+N/2–t_k‑N/2，则Δti/Ti＝1/N+Δi(+ek)，齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti‑1/N)+ek；3)使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；4)使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正。本发明依据输入信号的统计特性自适应更新学习速度，实现更快的收敛速度，并且有效避免超调，为后续胎压监测提供更准确的数据。

Description

一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法与装置

技术领域

本发明涉及汽车电子技术，尤其涉及一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法与装置。

背景技术

统计表明，交通事故中爆胎原因所占的比例高达60％，如果车速超过160公里/小时，前轮爆胎的生存几率几乎为0。75％的爆胎都是由胎压不足造成的，当胎压不足时，轮胎侧面因受挤压而弯曲，进而造成轮胎温度升高引发爆胎。近年来，随着我国最新胎压监测强制性法规GB26149-2017的发布，胎压监测系统(TPMS)受到前所未有的重视。

按照工作原理的不同，胎压监测系统可以分为两种：直接式胎压监测系统和间接式胎压监测系统。其中间接式胎压监测系统通过轮胎的转速差和轮胎的振动频率判断轮胎是否漏气。提取轮胎振动频率需要对轮速信号进行频谱分析，但由于汽车齿圈在生产制造时存在不可避免的误差，在汽车行驶速度恒定时，此生产误差会导致轮速信号频谱中出现幅值较大的谐波分量，影响下一步的频谱分析，无法准确提取轮胎的共振频率。因此进行频谱分析前需要消除由汽车齿圈生产误差导致的轮速信号频谱中的谐波分量。现有间接式胎压监测系统中消除齿圈生产误差的常规方法是采用最小均方差(LMS)滤波算法来实现原始轮速信号误差的自学习，采用梯度下降法逼近真实误差信号。此方法缺点在于，实施过程中需要设定合理的收敛速度，收敛速度过快则容易造成在真实值附近的超调与震荡，收敛速度过慢则导致学习时间过长，有效数据减少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种汽车齿圈测量误差消除方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法，包括以下步骤：

1)设旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，设齿i的误差为δi，则消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k mod/N；

2)齿与齿之间的时间间隔Δti(k)＝t_k-t_k-1，一个完整周期时间为Ti(k)＝t_k+N/2–t_k-N/2，则Δti/Ti＝1/N+Δi(+ek)，齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

3)使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；

4)使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正。

按上述方案，所述步骤3)中自适应滤波器是长度为M的FIR滤波器。

按上述方案，所述步骤3)中在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新en＝dn-yn，其中dn是所需的响应，yn是输入误差序列通过滤波器产生的序列。

按上述方案，所述步骤3)中代价函数：MSE ei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/N)+δi(k+1))。

一种汽车齿圈角速度测量误差消除装置，包括：

齿圈信号读取和储存模块，用于对旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，并存储数据；

齿圈误差估计模块，用于根据齿圈信号获得齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

并使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；

误差修正模块，使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正，消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k mod/N。

按上述方案，所述齿圈误差估计模块中自适应滤波器是长度为M的FIR滤波器。

按上述方案，所述齿圈误差估计模块中在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新en＝dn-yn，其中dn是所需的响应，yn是输入误差序列通过滤波器产生的序列。

按上述方案，所述齿圈误差估计模块中代价函数：MSE ei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/Ncog)+δi(k+1))。

本发明产生的有益效果是：

本发明依据输入信号的统计特性自适应更新学习速度，实现更快的收敛速度，并且有效避免超调。

本发明方法只需要根据当前测量值对状态估计值进行更新，因此具有较低的计算复杂度和存储空间要求，能够较好地满足车辆控制的实时性要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的修正前轮速信号频谱；

图3是本发明实施例的修正后轮速信号频谱；

图4是本发明实施例的误差拟合的变化趋势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法，包括以下步骤：

1)设旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，设齿i的误差为δi，则消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k mod/N；

2)齿与齿之间的时间间隔Δti(k)＝t_k-t_k-1，一个完整周期时间为Ti(k)＝t_k+N/2–t_k-N/2，则Δti/Ti＝1/N+Δi(+ek)，齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

3)使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；

4)使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正。

本发明获取轮速信号的原理如下：含有Ncog个齿的齿圈安装在旋转轴上，假设齿圈是理想的，那么每个齿之间的角度是α＝2π/Ncog，传感器给出具有变化幅度和频率的正弦信号，在比较器中被转换为具有恒定幅度的方波。该信号中的每个边缘对应于每个齿的边缘。齿k经过的时间表示为t_k，也可表示相应的角度。但是在真实环境下，齿圈都具有生产误差δi。由此我们可以获得真实的角速度ω_k＝ω_k-δi,i＝k mod/Ncog。由于每个齿的误差是不同且未知的，为了进行精确的角速度计算，我们需要对误差进行预测。

为了估计齿圈误差，我们需要计算齿与齿之间要时间间隔Δti(k)＝t_k-t_k-1，一个完整周期时间为Ti(k)＝t(k+Ncog/2)–t(k-Ncog/2)。先假设短时间内车速为匀速，即Δti/Ti＝1/Ncog，所以在有误差的情况下Δti/Ti＝1/Ncog+Δi(+ek)，由此可以计算出误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/Ncog)+ek，此误差的评估运用自适应滤波器。

自适应滤波器是长度为M的FIR，系数为bk,k＝0,1,2...M-1。输入流{fn}通过滤波器产生序列{yn}。在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新en＝dn-yn，其中dn是所需的响应。定义代价函数：MSE ei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/Ncog)+δi(k+1))，该梯度用来更新误差。

误差函数的获得：在误差函数中需要对学习率和学习预设值进行预测，以达到最好效果。因此需要建立梯度下降模型，通过仿真软件进行效果验证。步长决定了在梯度下降迭代的过程中，每一步沿梯度负方向前进的长度。特征(feature)：指的是样本中输入部分，比如样本(x(0)，y(0))就是对应齿的信号，第一个样本特征为x(0)，第一个样本输出为y(0)。假设函数(hypothesisfunction)：在监督学习中，为了拟合输入样本使用的函数，记为hθ(x)，在此采用拟合函数如：δ_i(0)。损失函数(loss function)：为了评估模型拟合的好坏，通常用损失函数来度量拟合的程度。损失函数极小化，意味着拟合程度最好，对应的模型参数即为最优参数。在线性回归中，损失函数通常为样本输出和假设函数的差取平方。比如对于m个样本(xi，yi)(i＝1，2，...m)，采用线性回归，损失函数为：MSE ei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/Ncog)-δi(k-1))*2。递归步长取决于数据样本，可以试验不同的值对比迭代效果，如果损失函数在变小，说明取值有效，否则要增大步长。

图2至图4是经过本发明方法修正后的轮速信号频谱以及误差拟合的变化趋势。

根据本发明的方法可以得到对应的装置，具体如下：

一种汽车齿圈角速度测量误差消除装置，包括：

齿圈信号读取和储存模块，用于对旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，并存储数据；

齿圈误差估计模块，用于根据齿圈信号获得齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

并使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；齿圈误差估计模块中自适应滤波器是长度为M的FIR滤波器；在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新en＝dn-yn，其中dn是所需的响应，yn是输入误差序列通过滤波器产生的序列；

误差修正模块，使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正，消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k mod/N。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种汽车齿圈角速度测量误差消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，设齿i的误差为δi，则消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k modN；

2)齿与齿之间的时间间隔Δti(k)＝t_k-t_k-1，一个完整周期时间为Ti(k)＝t_k+N/2–t_k-N/2，则Δti/Ti＝1/N+Δi-ek，齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

3)使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；

所述自适应滤波器是长度为M的FIR滤波器，系数为bk,k＝0,1,2...M-1；输入流{fn}通过滤波器产生序列{yn}；在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新，误差en＝dn-yn，其中dn是所需的响应，yn是输入误差序列通过滤波器产生的序列，损失函数为：MSEei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/N)-δi(k-1))*2；

损失函数为线性回归的损失函数，所述损失函数最小值求取中，建立梯度下降模型，通过仿真软件进行效果验证，步长决定了在梯度下降迭代的过程中，每一步沿梯度负方向前进的长度，递归步长取决于输入的数据样本，如果损失函数在变小，说明步长取值有效，否则要增大步长；

4)使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正。

2.一种汽车齿圈角速度测量误差消除装置，其特征在于，包括：

齿圈信号读取和储存模块，用于对旋转轴上安装有含有N个齿的齿圈，读取齿圈信号，获得齿k经过的时刻t_k，并存储数据；

齿圈误差估计模块，用于根据齿圈信号获得齿i的误差δi＝2πΔi＝2π(Δti/Ti-1/N)+ek；

并使用自适应滤波器对齿i的误差进行滤波处理；

所述自适应滤波器是长度为M的FIR滤波器，系数为bk,k＝0,1,2...M-1；输入流{fn}通过滤波器产生序列{yn}；在每个时间步长中，滤波器系数都使用误差进行更新en＝dn-yn，其中dn是所需的响应，yn是输入误差序列通过滤波器产生的序列，损失函数为：MSEei(k)＝(2π*(Δti(k)/Ti(k)-1/N)-δi(k-1))*2；

损失函数为线性回归的损失函数，所述损失函数最小值求取中，建立梯度下降模型，通过仿真软件进行效果验证，步长决定了在梯度下降迭代的过程中，每一步沿梯度负方向前进的长度，递归步长取决于输入的数据样本，如果损失函数在变小，说明步长取值有效，否则要增大步长；

误差修正模块，使用齿i的误差对轮齿按对应关系对角速度进行修正，消除误差的角速度ω_k’＝ω_k-δi,i＝k modN。

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