CN113665665A - 处理测量信号的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于处理尤其是转向系统的测量信号的方法。该方法包括以下步骤：基于测量信号获取测量变量，其中，测量变量包括有关物理变量的信息，并且其中，测量变量为物理变量的实际值与测量噪声的叠加。基于测量变量和测量噪声的数学模型来确定滤波器的滤波器参数。藉由滤波器对测量信号进行滤波，由此获得物理变量的估计值，其中，滤波器具有所确定的滤波器参数。确定滤波器参数的方式为使得物理变量的估计值与物理变量的实际值之间的偏差被近似且最小化。此外，公开了一种用于转向系统的控制单元、一种转向系统、一种计算机程序和一种计算机可读数据载体。

Description

处理测量信号的方法

技术领域

本发明涉及一种处理测量信号的方法。本发明还涉及一种用于机动车辆的转向系统的控制单元、一种用于机动车辆的转向系统、一种计算机程序和一种计算机可读数据载体。

背景技术

概括地说，机动车辆的机电辅助转向系统被设计成检测驾驶员在方向盘上施加的转矩，并且基于该转矩，经由电动马达提供匹配的辅助转矩，该辅助转矩辅助驾驶员使机动车辆转向。

转向系统通常包括传感器，该传感器例如获取转矩和/或转向角度，并将物理变量转换为电信号(测量信号)以进行进一步处理。由于这个测量过程，除了关于物理变量的信息(所谓的有用信号分量)之外，测量信号还包含不期望的测量噪声。

该测量信号例如用于通过控制器或调节器确定辅助转矩的目的。然后经由电动马达提供辅助转矩。根据典型的方法，测量信号中的特定频率分量被放大以便产生辅助转矩。但是，除了有用信号之外，由此同时放大了存在于测量信号中的测量噪声，这可能导致在转向系统中形成不期望的噪声。

因此，在现有技术中，藉由低通滤波器、带通滤波器或具有在时间上恒定的传输特性的类似的滤波器来对测量信号进行滤波，以便减少不期望的测量噪声。但是，如果待滤波的有用信号和测量噪声二者的频率范围重叠，则滤波可能会使转向感觉受损。另外，在控制回路中使用测量信号，由此使用这种类型的滤波会存在使控制回路的鲁棒性和稳定性变差的风险。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种处理测量信号的替代性方法，其中在整个频率范围内可靠地降低了测量噪声而不改变有用信号的频率分量。

根据本发明，该目的通过一种用于处理尤其是转向系统的测量信号的方法来实现。所述方法包括以下步骤：基于测量信号获取测量变量，其中，测量变量包括有关物理变量的信息，并且其中，测量变量为物理变量的实际值与测量噪声的叠加。基于测量变量和测量噪声的数学模型来确定滤波器的滤波器参数。藉由滤波器对测量信号进行滤波，由此获得物理变量的估计值，其中，滤波器具有所确定的滤波器参数。确定滤波器参数的方式为使得物理变量的估计值与物理变量的实际值之间的偏差被近似且最小化。

物理变量优选是有用信号、尤其是转向系统的有用信号。

与现有技术相比，测量信号不是简单地藉由具有时间上恒定的传输特性的滤波器来滤波，以便减小测量噪声。而是，根据本发明的方法，使用具有时变的滤波器参数的滤波器以便对测量信号进行滤波。

在此，在每个数据获取点中确定滤波器的滤波器参数，使得尽可能多地对所有测量噪声进行滤除，而不会也滤除物理变量的实际值的分量。为此目的，使物理变量的估计值与物理变量的实际值之间的偏差最小化。特别地，使物理变量的估计值与物理变量的实际值之间的二次偏差最小化。

通过噪声特性的数学模型能够滤除测量噪声，这允许在每个数据获取步长中针对测量噪声来有意地调整滤波器参数。

因此，通过根据本发明的方法在没有改变有用的分量的情况下，滤除了在整个相关的频率范围上的测量噪声。因此，保持了使用测量信号的控制回路的稳定性和鲁棒性。在转向系统中，这还意味着转向感觉保持不受影响。

滤波器优选地是具有有限脉冲响应的滤波器。此类滤波器也称为“有限脉冲响应(FIR)滤波器”(英文为“finite impulse response filter”)。这种FIR滤波器的优点是它们特别快速地处理测量信号，即具有低等待时间。

然而，还可以考虑使用具有无限脉冲响应的滤波器。此类滤波器也称为“无限脉冲响应(IIR)滤波器”(英文为“infinite impulse response filter”)。

本发明的一个方面提供的是物理变量是转向柱转矩并且/或者测量变量是转矩传感器的测量值。在此以及下文中，“转向柱转矩”应理解为作用在转向柱中的转矩。因此，转向系统可以包括转矩传感器，该转矩传感器联接至转向柱并且被设计成测量作用在转向柱中的转矩。

替代性地或附加地，物理变量可以是转向角度和/或转向角度速度。因此，测量变量可以是转向角度传感器的测量的值。

基于物理变量的估计值来优选地控制转向系统的至少一个致动器。因此，基于对物理变量的实际值的最可能的估计来控制致动器。

例如，基于物理变量的估计值来控制转向系统的电动马达。特别地，电动马达是转向系统的辅助马达，该辅助马达被设计成产生辅助转矩，以便在使机动车辆转向时辅助驾驶员。

在本发明的另一实施例中，数学模型中的测量噪声被建模为高斯过程。在此，经由过程平均值和过程自相关的知识可以足够准确地描述测量噪声。

根据本发明的另一实施例，在数学模型中，测量噪声与物理变量不相关。这意味着物理变量与测量噪声之间的互相关在任意时间点等于零。因此，测量噪声可以与数学模型中的物理变量解耦。

在本发明的另一实施例中，在数学模型中，测量噪声被建模为白噪声。因此，至少在相关的频率范围内，测量噪声的频谱功率密度基本上是恒定的、尤其是恒定的。此外，一个时间点处的测量噪声与任何其他时间点处的测量噪声都不相关。

本发明的另一个方面提供的是，测量噪声在数学模型中被建模为与时间无关或具有已知的在时间顺序上的依赖性。更确切地，在数学模型中，测量噪声的特征统计变量在时间上是恒定的，或者它们在时间顺序上的依赖性是已知的。特别地，测量噪声的平均值和/或自相关在时间上恒定或已知其在时间上的变化。

优选地，滤波器参数是递归、尤其是藉由最小二乘的递归方法来确定的。换句话说，因此不再在每个数据获取步长中借助于来自先前数据获取步长的存储数据再次确定滤波器参数，而是基于先前的滤波器参数和新获取的数据来递归地确定滤波器参数。因此节省了处理时间和/或资源。

在本发明的一个实施例中，仅在预定义的时间窗口中考虑测量值，以所述滤波器参数。因此不再考虑太久远的测量变量的数据点。滤波器参数因此被自适应地调整，由此考虑物理变量的可能存在的时变。

根据本发明，该目的还通过一种用于机动车辆的转向系统的控制单元来实现，其中，该控制单元被设计成执行上述方法。

特别地，物理变量是转向柱转矩并且/或者测量变量是转向系统的转矩传感器的测量值。

相对于关于控制单元的优点和特性的方法，参考了以上解释，这些解释也适用于控制单元，反之亦然。

根据本发明，该目的还通过一种机动车辆的转向系统来实现。转向系统包括传感器，该传感器被设计成获取测量变量，该测量变量包括关于物理变量的信息。此外，转向系统包括上述控制单元。

特别地，物理变量是转向柱转矩并且/或者测量变量是转向系统的转矩传感器的测量值。传感器可以相应地设计为转矩传感器。

相对于关于转向系统的优点和特性的方法，参考了以上解释，这些解释也适用于转向系统，反之亦然。

根据本发明，该目的还通过一种计算机程序来实现，该计算机程序具有程序代码装置，以便当在计算机或相应的处理单元、尤其是上述控制单元的处理单元上执行计算机程序时，执行上述方法的步骤。

“程序代码装置”在此和下面理解为编译和/或未编译形式呈程序代码和/或程序代码模块形式的计算机可执行指令，这些计算机可执行指令可以以任何编程语言和/或机器语言获得。

相对于关于计算机程序的优点和特性的方法，参考了以上解释，这些解释也适用于计算机程序，反之亦然。

根据本发明，该目的还通过一种计算机可读数据载体来实现，其上存储有上述计算机程序。

相对于关于计算机可读数据载体的优点和特性的方法，参考了以上解释，这些解释也适用于计算机可读数据载体，反之亦然。

附图说明

本发明的进一步优点和性质由以下说明和附图得出，并且参考这些附图。在附图中：

-图1示意性地示出了根据本发明的转向系统；

-图2示意性地示出了根据本发明的用于处理测量信号的方法的流程图；以及

-图3示出了根据本发明的计算机程序的功能的图示。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于机动车辆的转向系统10，其中，转向系统10实施为具有转向柱辅助设备的机电辅助转向系统(柱驱动器EPS，英文为“column drive EPS”)。

转向系统10包括方向盘12，该方向盘经由转向柱14的上部部分并且藉由转向中间轴16连接至小齿轮18。小齿轮18与齿条20啮合，使得当驾驶员旋转方向盘12时，对该齿条施加转矩。

转矩和/或转向角度传感器22布置在转向柱14上，该转矩和/或转向角度传感器被设计成测量转向转矩和/或转向角度。特别地，该传感器因此是转向转矩和转向角度传感器，其也称为“转矩和角度传感器(TAS)”(英文为“torque and angle sensor”)，并且除了转向转矩之外，还可以提供转向角度。

此外，设置有电动马达24，该电动马达经由齿轮26以传递转矩的方式连接至转向中间轴16。

齿轮26在图1中被设计为蜗轮。然而替代性地，齿轮26可以被设计为正齿轮、锥齿轮或任何其他合适类型的齿轮。

在任何情况下，至少由电动马达24提供的转矩经由齿轮26传递至转向中间轴16，以执行转向辅助。

电动马达24和转矩和/或转向角度传感器22(仅在图1中示意性地指示)各自以传输信号的方式连接至转向系统10的控制单元28。

一般而言，控制单元28被设计成基于来自转向系统10的测量数据、尤其是基于转矩和/或转向角度传感器22的测量数据来确定要施加的转矩并且将相应的控制命令传递到电动马达24，使得电动马达24提供要施加的转矩。

要注意的是，上述具有转向柱辅助设备的转向系统10仅是用于展示的示例。下列解释(可能进行了微小的修改)也适用于任何其他类型的转向系统，尤其适用于具有小齿轮驱动器的转向系统(单小齿轮驱动器EPS，英文为“single pinion drive EPS”)、具有双小齿轮的转向系统(双小齿轮驱动器EPS，英文为“dual pinion drive EPS”)、具有经由循环球式螺母的同心齿条驱动器的转向系统、具有皮带驱动器的转向系统以及所谓的线控转向转向系统(其中在方向盘12与机动车辆的车轮之间没有机械操作连接)。

一般而言，具有机电转向辅助设备的所有不同类型的转向系统都共享以下特征：控制单元28检测驾驶员施加至方向盘12的转矩，并且基于该转矩控制电动马达24，以便产生特定的辅助转矩。

在这种情况下，测量信号中的特定频率分量通常被放大，以便产生特定的转向感觉。然而，存在于测量信号中的测量噪声因此也同时被放大，这例如可能导致在转向系统10中形成不期望的噪声。

测量噪声取决于频率，并且可以藉由所谓的信噪比(SNR)进行表征。更确切地，特定频率ω下的信噪比可以通过实际物理变量P_phyVal(ω)的频谱功率密度与干扰P_noisw(ω)的频谱功率密度之比来表征，即通过

来表征。

为了在整个相关的频率范围内可靠地减小测量噪声，控制单元28被设计成执行以下基于图2和图3解释的方法步骤。

更确切地，控制单元28包括处理单元30和数据载体32，其中，计算机程序被存储在数据载体32上，该计算机程序在处理单元30上执行并且包括程序代码装置，以便使转向系统10执行下文解释的方法步骤。

首先，藉由转矩和/或转向角度传感器22产生测量信号(步骤S1)。取决于转矩和/或转向角度传感器22的实施例，测量信号包含关于作用在转向柱14中的转矩的信息和/或关于转向柱14的旋转角度的信息。

测量信号被中继到控制单元28，并且由此被进一步处理。控制单元基于测量信号获取测量变量(步骤S2)。

在下文中，以测量变量是作用在转向柱14中的测量的转矩T_column,meas为例进行说明。因此，基本物理变量是作用在转向柱14中的实际转矩T_column。在这种情况下，测量的转矩是实际转矩T_column和测量噪声v_meas的叠加，因此下式适用

T_column,meas＝T_column+v_meas。

测量变量T_column,meas可以通过转矩传感器22直接测量。例如，通过转向柱14的扭杆的扭转角度确定作用在转向柱14中的转矩T_column,meas。

现在基于测量的转矩T_column,meas和测量噪声v_meas的数学模型来确定滤波器的滤波器参数p(步骤S3)。

在下文中描述的示例性实施例中的滤波器是具有有限脉冲响应的滤波器。

然而，还可以考虑使用具有无限脉冲响应的滤波器。

此处和下文中，通过下划线标识的是矢量值变量。

一般而言，藉由滤波器对测量的转矩T_column,meas进行滤波后，获得了物理变量T_column的估计值

因此，在步骤S3中，确定滤波器参数p，其方式为使得估计值

与物理变量T_column之间的偏差尽可能小，如将在下文中更详细地解释的。

以下假设中至少一个假设、尤其是所有假设都构成数学模型的基础：

i)通过高斯过程可以足够准确地描述测量噪声。也就是说，有关过程平均值和过程的自相关函数的知识足以表征测量噪声。

ii)物理变量T_column的实际值与测量噪声v_meas不相关，即互相关函数E{T_columnv_meas}等于零。

iii)测量噪声的特征统计变量在时间上是恒定的，或者它们在时间顺序上的依赖性是已知的。特别地，测量噪声的平均值和/或自相关函数在时间上恒定或已知其在时间顺序上的依赖性。

iv)物理变量T_column的实际值是时变的，并且因此可以随时间变化。特别地，物理变量T_column的频谱功率密度也是时变的。

在图3中更详细地示出了计算机程序的功能，更确切地展示了滤波器参数的确定。从中可以看出，计算机程序包括滤波器模块34和更新模块36。

更新模块36接收测量变量T_column,meas，并且基于测量噪声v_meas的数学模型确定滤波器模块34的更新的滤波器参数p。

滤波器模块34由上述滤波器组成，该滤波器具有取决于滤波器参数矢量p中的n个参数的脉冲响应h_filt(p)，其中n是大于零的自然数。经由以下卷积给出滤波器在该时间点t≥0对具有测量变量T_column,meas的激励的时间响应y(t)

y(t)＝h_filt(p)*T_column,meas

这描述了经由滤波器模块34对测量变量的滤波。

通过使用滤波器模块34、更精确地使用滤波器对测量变量T_column,meas进行滤波，如果在滤波器模块34中使用了来自更新模块36的调整的滤波器参数p，则可获得物理变量T_column的估计值

这意味着，为此目的，滤波器的一般时间响应y(t)对应于物理变量的估计值

在每个数据获取步长中，由更新模块36调整滤波器的滤波器参数p ^T＝[p₀,p₁,…,p_n-1]。

滤波器参数p的调整是通过确定使如下的质量函数最小化的一组滤波器参数p来进行的

这取决于估计值

与物理变量T_column之间的偏差。

估计值

与物理变量T_column之间的误差的方差用作质量函数J。

可以将质量函数J理解为滤波器参数p的函数，其因此为J＝J(p₀,p₁,…,p_n)。确定滤波器参数p，使得质量函数J取最小值。

为此目的，求解方程

并且作为质量函数J最小值的条件而通常满足

一种实施方式的可能性是通过使用具有有限脉冲响应的滤波器来表示的。然后可以通过下式指定滤波器在处理单元30的任意采样时间点t_k的时间响应

矢量T _column,meas在此由下式给出

其中t_k-m-t_k-m-1＝t_s并且t_k-m：＝t_k-m·t_s，其中t_s代表处理单元30的采样时间，并且m是大于或等于零的自然数。

当使用具有有限脉冲响应的滤波器时，方程的解

满足

由下式给出满足此条件的一组滤波器参数p

p＝E{T _{column，meas} T ^T _{column，meas}}^-1E{T _{column，meas}T_column}。

滤波器参数p还取决于实际值T_column，该实际值无法通过测量得知。如果假定物理变量T _column与测量噪声v_meas不相关，则遵循互相关函数

E{T _column,measT_column}＝E{T _column,measT_column,meas}-E{vv}。

相反，基于假设i)、ii)和iii)已知测量噪声的自相关函数E{vv}，使得可以通过下式确定使质量函数J最小化的一组滤波器参数p

p＝E{T _column,meas T ^T _column,meas}^-1(E{T _column,measT_column,meas}-E{vv})。

替代性地，这可以分别通过测量变量T_column,meas的自相关矩阵R_TT和测量变量T_column,meas或噪声v的自相关r_TT和r_vv来表示，具体地表示为

第一项

对应于没有噪声的解，而第二项

表示由于加性噪声对该解的调整。

优选地，在每个时间步长中，不使用上述方程根据先前存储的测量信号数据再次确定滤波器参数p。而是，根据以上方程递归地、尤其是藉由最小二乘的递归方法来计算滤波器参数。这意味着根据在先前的时间步长中确定的滤波器参数和测量变量的当前值确定一组新的滤波器参数。

可选地，在上述方法中，只可以在预定的时间窗口内考虑测量变量，使得不再考虑太久远的测量变量的数据点。滤波器因此被自适应地调整，由此考虑了物理变量的时变。

在藉由上述方法调整滤波器参数之后，藉由滤波器对测量信号进行滤波，由此获得与实际值T_column具有最小偏差的估计值

(步骤S4)。

基于估计值

转向系统10的至少一个致动器被控制(步骤S5)。特别地，基于估计值

控制电动马达24。

藉由上述方法，在整个相关的频率范围内可靠地减小了测量噪声，而不会不利地影响转向感觉或控制回路的鲁棒性和稳定性。

Claims (13)

1.一种用于处理尤其是转向系统(10)的测量信号的方法，所述方法具有以下步骤：

-基于所述测量信号获取测量变量，其中，所述测量变量包括有关物理变量的信息，并且其中，所述测量变量为所述物理变量的实际值与所述测量噪声的叠加；

-基于所述测量变量和所述测量噪声的数学模型来确定滤波器的滤波器参数；以及

-藉由所述滤波器对所述测量信号进行滤波，由此获得所述物理变量的估计值，其中，所述滤波器具有所述确定的滤波器参数；

其中，确定所述滤波器参数的方式为使得所述物理变量的估计值与所述物理变量的实际值之间的偏差被近似且最小化。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述滤波器是具有有限脉冲响应的滤波器。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述物理变量是转向柱转矩并且/或者所述测量变量是转矩传感器(22)的测量值。

4.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述物理变量的估计值来控制所述转向系统(10)的至少一个致动器(24)。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量噪声在所述数学模型中被建模为高斯过程。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述数学模型中，所述测量噪声和所述物理变量不相关。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量噪声在所述数学模型中被建模为与时间无关或具有已知的时间顺序上的依赖性。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述滤波器参数是递归地、尤其是藉由最小二乘的递归方法来确定的。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，仅在预定义的时间窗口中考虑所述测量变量，以确定所述滤波器参数。

10.一种用于机动车辆的转向系统(10)的控制单元，其中，所述控制单元(28)被设计成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

11.一种机动车辆的转向系统，所述转向系统具有传感器(22)和权利要求10所述的控制单元(28)，所述传感器被设计成获取包括关于物理变量的信息的测量变量。

12.一种计算机程序，所述计算机程序具有程序代码装置，以便当在计算机或相应的处理单元、尤其是如权利要求10所述的控制单元(28)的处理单元(30)上执行所述计算机程序时，执行如权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤。

13.一种计算机可读数据载体，其上存储有如权利要求12所述的计算机程序。

Images