CN1884993A - 基于dsp的不平道路检测系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种用于车辆的不平道路检测系统，包括频域模块、发动机点火不良模块和不平道路模块。该频域模块将向量信号变换为频域信号。发动机点火不良模块基于该频域信号判定发动机是否点火不良。不平道路检测模块基于该频域信号判定该车辆是否在不平道路上行驶。

Description

基于DSP的不平道路检测系统

技术领域

本发明涉及诊断系统，尤其是涉及一种用于区分不平道路(roughroad)和发动机点火不良(misfire)条件的系统。

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年6月24日提交的美国临时申请60/693967号的权益。这里通过引用而结合上述申请的公开内容。

车辆包括产生驱动转矩的内燃发动机。更特别地，该发动机吸入空气并将空气与燃料混合以形成燃烧混合物。该燃烧混合物被压缩在气缸内并燃烧以驱动被可滑动地设置在气缸内的活塞。该活塞可旋转地驱动曲轴将驱动转矩传送到变速箱和车轮。当发动机点火不良时，气缸的燃料混合物在错误的时间燃烧，并且可能导致发动机振动和传动系统振荡。

发动机控制系统有时包括点火不良检测系统，用于确定发动机点火不良的时刻。该发动机控制系统可以调节发动机工作以减少发动机点火不良，从而提高发动机性能和车辆驾驶性能。一些道路条件会引起发动机控制系统不正确地记录并没有实际发生的点火不良事件。例如，不平的道路会对车轮产生反馈转矩，它会影响曲轴的旋转。异常的曲轴旋转是发动机点火不良事件的一个特征。

一些点火不良检测系统基于发动机速度相对于参照值的变化而辨识点火不良事件。该参照值代表在相似条件下工作的正常发动机的预期速度变化，可以通过在不同的工作条件下不存在点火不良地行驶车辆而实验获得。当发生点火不良时，发动机转矩的下降导致发动机速度的相应下降。该速度变化有时会大于参照值的变化。

不平的道路也会导致幅度上与发动机点火不良事件所产生的相似的发动机速度变化。这就对基于发动机速度变化来检测发动机点火不良事件的发动机点火不良检测系统提出了一个问题。为了防止该系统因为不平的道路而产生错误的点火不良事件，当检测到不平道路时，可以禁用该点火不良检测系统。当然，这是假定存在可靠的不平道路检测系统。

在另一方法中，使用防锁制动系统(ABS)来检测不平的道路。更特别地，当存在不平道路时，该ABS会产生不平道路信号。当该不平道路信号被确定时，该来自ABS模块的信号会禁用该点火不良检测系统。

发明内容

根据本发明的用于车辆的不平道路检测系统包括频域模块、发动机点火不良模块和不平道路模块。该频域模块将向量信号变换为频域信号。发动机点火不良模块基于该频域信号判定发动机是否点火不良。不平道路检测模块基于该频域信号判定该车辆是否在不平道路上行驶。

在其他特征中，该不平道路检测系统包括发动机速度模块、采样模块、滤波器模块、数据缩减模块、数据缓冲模块、功率谱模块和能量计算模块。发动机速度模块基于曲轴信号而生成发动机速度信号。采样模块以固定速率采样该发动机速度信号并生成采样信号。滤波器模块从该采样信号中滤除大于预定频率的部分并生成过滤的信号。数据缩减模块缩减该过滤的信号以与至少一个发动机循环对应，并生成缩减的数据信号。数据缓冲模块组合该缩减的数据信号的采样以形成向量信号。功率谱模块计算该频域信号的功率谱并生成功率谱信号。能量计算模块基于该功率谱信号而生成能量信号。

在其他特征中，发动机点火不良模块基于该功率谱信号判定发动机是否点火不良。当该能量信号大于能量阈值时，不平道路模块判定该车辆是在不平道路上行驶。

根据下文中提供的详细说明，本发明的应用的其他领域将会变得清楚。应当理解，该详细说明和特定示例虽然指示了本发明的优选实施例，但是其目的仅仅是例示性的而不是要限制本发明的范围。

附图说明

根据该详细说明和附图，本发明将变得更容易理解，其中：

图1是实施根据本发明的不平道路检测系统的车辆的功能性框图；

图2是本发明的不平道路检测系统的功能性框图；

图3是示出了由本发明的不平道路检测系统执行的步骤的流程图；

图4是具有点火不良的发动机的车辆和以1000RPM在不平道路上行驶而没有点火不良的相同车辆的功率谱的曲线图；和

图5是描述了与图4相同的信息的曲线图，但是发动机速度为2000RPM。

具体实施方式

以下对优选实施例的说明实质上仅仅是示范性的，而决不是用于限制本发明、其应用、或用途。为了清楚起见，在附图中使用相同的参考数字标识相似的元件。如这里所使用的，术语模块是指特殊应用集成电路(ASIC)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(通用、专门或一组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适当部件。

参照图1，示出了车辆10，其中包括发动机12。发动机12包括具有相关联的燃料注入器18和火花塞20的气缸16。虽然示出了单个气缸16，但是可以理解，发动机12可以包括多个具有相关联的燃料注入器18、火花塞20以及进气和排气门(未示出)的气缸16。例如，发动机12可以包括4、5、6、8、10或12个气缸16。空气通过注入口23被吸入到发动机12的进气歧管22中。节气门24调节进入进气歧管22的空气流。燃料和空气在气缸16中混合并且被火花塞20点燃。进气和排气门(未示出)分别控制该空气/燃料混合物和排出气体的进入和排出。推杆和/或一个或多个具有凸角的上凸轮可以用于打开和关闭该进气和排气门。

控制器26与曲轴位置传感器30通信，该曲轴位置传感器30基于曲轴的旋转而生成曲轴位置信号。控制器26还分别与生成MAF和MAP信号的质量气流(MAF，mass air flow)传感器32和歧管绝对压力(MAP)传感器34通信。控制器26还与生成TPS信号的节气门位置传感器(TPS)36通信。

曲轴位置传感器30可以响应于随曲轴旋转的齿轮(未示出)。该齿轮包括放射状延伸的多个等间隔的齿。至少一个齿可以缺失以形成缺口。例如，该齿轮可以包括足够大小和间隔的齿以容纳60个齿。然而，有两个齿缺失以使得实际总共有58个齿设置在该齿轮周围。该缺失的齿形成缺口。在本例子中，每个齿对应于曲轴旋转6°(即360°/60个齿)。该缺口对应于曲轴相对于气缸内活塞位置的旋转位置。例如，该缺口的末端可以表示特定的活塞位于其气缸内的上止点(TDC，top-dead-center)。

当各个齿旋转经过该曲轴位置传感器30时产生脉冲串。该脉冲串内的每个脉冲对应于该齿轮的一个齿。对于上述的示例性齿轮，每个脉冲对应于曲轴旋转6°。基于该脉冲串确定以每分钟转数(RPM)表示的发动机速度。虽然仅描述了一个特定方法，但是本领域技术人员将会认识到，也可以使用其他用于感知发动机速度的系统和方法。

控制器26实施本发明的不平道路检测系统以基于频域成分来判定车辆10是否处于不平道路条件下(即在不平道路上行驶)。更特别地，该系统确定事件域(event-domain)瞬时发动机速度，其被定义为曲轴旋转一个特定周期(例如30°，60°，90°，120°)所需的时间量。例如，如果使用30°的周期，则控制器确定与该脉冲串中5个脉冲相关的时间量(即5个脉冲×6°/脉冲＝30°)。

该系统采样该事件域发动机速度，并且低通滤波器滤除不平道路频率范围之外的频率成分。数据缩减模块可以用于再采样该滤波的发动机速度以减少发动机速度采样的数量。数据缓冲模块组合该发动机速度信号的采样以形成给定维数的向量。频域模块使用快速傅里叶变换将该时域数据转化为频域数据。该频域成分的能量被计算并且与来自预先测试的值相比较，以判定是否存在不平道路或者是否发生发动机点火不良。如果车辆10正处于不平道路条件下，则控制器26禁用发动机点火不良检测系统。以这种方式，减少了由于不平道路条件导致的错误的点火不良指示。

现在参照图2，基于数字信号处理(DSP)的不平道路检测系统100包括发动机速度模块102、采样模块104、滤波器模块106、数据缩减模块108、数据缓冲模块110、频域模块112、功率谱模块114、能量计算模块116、不平道路模块118和发动机点火不良模块120。

发动机速度模块102基于目标轮的齿之间的时间间隔而计算发动机速度，并生成发动机速度信号。该发动机速度信号可以由下式表示：

$\mathrm{ES}=\frac{60}{N*\mathrm{dt}}$

其中N是该目标轮的齿数，dt是该齿之间的时间间隔。

采样模块104使用固定采样率采样该计算的发动机速度并生成采样信号。该采样信号是具有等间隔采样的时域离散发动机速度信号。例如，如果采样频率是1000采样点/秒，则采样点之间的间距是采样周期，Ts＝1/fs＝1毫秒。该采样信号可以由下式表示：

$y_s=\underset{k=0}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ES}\left(k{T}_s\right)$

其中y_s是该采样信号，ES是发动机速度信号，T_s是采样周期，N_s是采样点总数。对在采样模块104输入的估计发动机速度的采样会需要发动机速度采样之间的插值。

滤波器模块106用于滤除不平道路频率范围之外的成分并生成过滤的信号。该不平道路频率范围典型地为0-5Hz。因此，可以使用数字低通滤波器来去除不想要的高频成分。滤波器模块106可以由下式表示：

$y=\underset{n=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{y}_s(k-n)$

其中y是过滤的信号，y_s是采样信号，m是滤波器阶数或抽头数，k是采样点序号(1，2，3...)，a_n和b_n是滤波器系数。

数据缩减模块108使用低于采样模块104中所用采样率的采样率(fr)再采样该过滤的信号并生成缩减的数据信号。其目的是减少采样数量以使得该缩减的数据信号中的数据对应于至少一个发动机循环。因此，fr＝fs/n，其中n是大于1的整数。由数据缩减模块108生成的缩减的数据信号可以由下式表示：

$y_{\mathrm{dr}}=\underset{k=0}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}y\left(k{T}_r\right)$

其中y_dr是缩减的数据信号，T_r是采样周期，N_s是采样总数。为了优化该算法，可以将上述的两个采样模块(采样模块104和数据缩减模块108)组合到采样模块104中。

数据缓冲模块110组合该缩减的数据信号的采样以形成N维向量并生成向量信号。该向量信号可以由下式表示：

y_b＝[y₀ y₁...y_N]

其中y_b是该向量信号，y₀ y₁...y_N是该缩减的数据信号的数据分量，N是要组合的采样数量。从而该向量信号是由该缩减的数据信号的采样构成的N维向量。

频域模块112使用快速傅里叶变换(FFT)将该N维向量信号转化为频域复数对(complox pairs)并生成频域信号。该FFT函数可以由下式表示：

Y_f＝FFT(y_b)

其中Y_f是该频域信号，y_b是该向量信号。Y_r和y_b都是向量，然而，Y_r是由下式获得的复向量：

$Y_f=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_b\left(i\right){w_N}^{(i-1)(k-1)}$

其中w_N＝e^(-2∏j)/N，N是数据缓冲模块中的采样数，k是频率成分的数量， $j=\sqrt{-1}.$ 向量Y_f的每个分量是一对实数和虚数。这些复数对可以由下式表示：

$\mathrm{Re}{Y}_f\left[k\right]=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_b\left(i\right)\cos (2\mathrm{\πki}/N)$

$\mathrm{Im}{Y}_f\left[k\right]=-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_b\left(i\right)\sin (2\mathrm{\πki}/N)$

其中Re Y_f[k]和Im Y_f[k]是向量Y_f的实数和虚数部分。

功率谱模块114确定该频率信号的功率谱并生成功率谱信号。该代表向量Y_f(该频率信号)的每个分量的功率谱信号可以由下式表示：

PY_f＝Y_f*conj(Y_f)/N

其中PY_f是Y_f的功率谱，Y_f是该频率信号，conj(Y_f)是Y_f的复共轭。复数(a+jb)的复共轭被定义为(a-jb)。

能量计算模块116通过对其所有的各个分量的功率积分(或者在离散信号的情形下为求和)而确定该功率谱信号的能量，并基于其生成能量信号。该能量是对一个窄频率窗而确定的，对于不平道路检测来说，该频率窗通常在1到5Hz之间变化。该频率范围依赖于发动机工作条件例如速度和负载。还可以使用不同的频率范围，只要在点火不良和不平道路跟踪的频谱之间存在足够的差别即可。

不平道路模块118用于检测不平道路。该功率谱信号在一个频率范围上(例如1-5Hz)的能量用于指示不平道路。然而，使用该功率谱信号或者同时使用该功率谱和能量信号也可以获得相似的结果。不平道路检测模块118比较该能量信号和能量阈值。当该能量信号超过能量阈值时，不平道路模块118检测到不平道路。该能量阈值是发动机速度和负载的函数，可以通过实验获得。在一些应用中，希望该不平道路检测模块118禁用现有技术的点火不良检测系统以防止检测到错误的点火不良。

发动机点火不良模块120使用该功率谱信号检测发动机点火不良。然而，也可以使用在一个窄频率窗中的能量信号或者同时使用该功率谱和能量信号来检测发动机点火不良。为了验证所检测到的异常是真的点火不良，可以将该功率谱成分的频率与发动机工作条件例如所计算的发动机速度相比较。如果该点火不良导致的功率谱信号成分的频率与所计算的发动机速度不一致，则可以采集其他的采样(例如发动机循环)并且使用统计分析来判定该异常是否是发动机点火不良的结果。

优选地，上述基于DSP的不平道路检测系统100被校准和优化以获得点火不良和不平道路之间的最大差别。可以被调节的参数包括，采样频率，发动机速度信号的采样数(例如采样模块104和数据缩减模块108)，滤波器模块106的参数(例如系数)，和能量阈值。

现在参照图3，该基于DSP的不平道路检测系统100执行了在200中概括示出的步骤。当车辆10开动时，该过程在步骤202开始。

在步骤204，发动机速度模块102基于曲轴位置传感器30而确定发动机速度。更特别地，发动机速度模块102基于目标轮的齿之间的时间间隔计算发动机速度，并且在此基础上生成发动机速度信号。因而，发动机速度信号是事件域信号。

在步骤206，采样模块104以固定速率采样发动机速度并生成采样信号。该生成的采样信号是具有等间隔采样的时域离散发动机速度。

在步骤208，滤波器模块106滤除比由在不平道路上行驶的车辆10所产生的更高的频率成分。由不平道路产生的频率典型地为5Hz或更小。因而，可以在滤波器模块106中采用低通滤波器。

在步骤210，数据缩减模块108减少采样数以与至少一个发动机循环对应，并生成数据缩减信号。为了达到这个目的，该数据缩减模块的采样速率应当小于采样模块104中所使用的速率。

在步骤212，数据缓冲模块110组合来自数据缩减模块108的采样并生成向量信号。该向量信号是由来自数据缩减信号的采样构成的N维向量。

在步骤214，频域模块112将来自数据缓冲模块110的N维向量信号转换到频域并生成频域信号。该频域模块112使用快速傅里叶变换将向量信号转换为频域信号。

在步骤216，功率谱模块114确定该频域信号的功率谱并生成功率谱信号。该功率谱信号表示该频域信号的每个成分的功率。

在步骤218，发动机点火不良模块120通过将功率谱信号中的成分的频率与发动机工作条件例如所计算的发动机速度相比较而判定是否为发动机点火不良。如果该点火不良导致的功率谱信号成分的频率与所计算的发动机速度不一致，则可以采集其他的采样(例如发动机循环)并且使用统计分析来判定该异常是否是发动机点火不良的结果。如果发动机点火不良模块120判定发动机点火不良，则在步骤220报告点火不良，并且该过程在步骤222结束。如果发动机点火不良模块120判定发动机没有点火不良，则该过程在步骤222结束。

在步骤224，能量计算模块116计算该功率谱信号在一个频率范围内的能量(典型地为1-5Hz)，并生成能量信号。如果该能量信号大于能量阈值，则在步骤226，不平道路模块118确定存在不平道路条件。在步骤228，该不平道路模块118向控制器26报告该不平道路条件，并且控制在步骤222结束。如果该不平道路模块确定该能量不大于该能量阈值，则控制在步骤222结束。

现在参照图4，示出了基于DSP性能的不平道路检测系统100。图4中的实线代表在不平道路上行驶的车辆10，虚线代表在平滑道路上行驶但具有点火不良的发动机的相同车辆10。车辆10的发动机速度在两个测试下均为大约1000RPM。如图4所示，不平道路产生具有比与平滑道路和发动机点火不良相关的功率更高的功率的低频(0到5Hz)成分。对该功率积分以获得由不平道路所产生信号在预定频率范围中的能量，从而得到比来自平滑道路和/或发动机点火不良的信号更高的能量。

现在参照图5，该结果与图4所示类似，但是该相同车辆10是以不同的发动机速度和在更不平的道路上行驶。图4中在气缸一中的点火不良产生在8Hz附近的频率成分，因为发动机是以大约1000RPM运转。由于图5中所示数据是来自以该速度的两倍(即2000RPM)运转的相同发动机，所以该相同的发动机点火不良产生在图4所示两倍频率(即16Hz)附近的频率成分。因此，不平道路产生具有比由平滑道路和发动机点火不良事件所产生信号的相应频率成分更高功率的低频信号成分。从而，该系统能够检测发动机点火不良并预测由发动机点火不良在功率谱信号中所产生的成分的频率。该由气缸点火不良事件产生的成分的频率是发动机速度的函数，并且通过功率谱信号而自动获得。

在一些应用中，当检测到不平道路条件时，该基于DSP的不平道路检测系统100会禁用现有技术的点火不良检测系统(未示出)以防止报告错误的发动机点火不良。当车辆10开始在平滑道路上行驶时，该基于DSP的不平道路检测系统100会重新启动现有技术的点火不良检测系统(未示出)。

现在，根据前述说明，本领域普通技术人员可以理解，本发明的宽泛教导可以以各种形式实现。因而，虽然本发明是结合其特定示例进行说明的，但是本发明的真实范围不应当仅限于此，因为在学习附图、说明书和所附权利要求的基础上，其他修改对于熟练技术人员来说是显而易见的。

Claims (18)

1.一种用于车辆的不平道路检测系统，包括：

频域模块，将向量信号变换为频域信号；

发动机点火不良模块，基于所述频域信号判定发动机是否点火不良；和

不平道路模块，基于所述频域信号判定该车辆是否在不平道路上行驶。

2.如权利要求1所述的不平道路检测系统，还包括：

发动机速度模块，基于曲轴信号而生成发动机速度信号；和

与所述发动机速度模块通信的采样模块，以固定速率采样所述发动机速度信号并生成采样信号。

3.如权利要求2所述的不平道路检测系统，还包括与所述采样模块通信的滤波器模块，用于从所述采样信号中滤除大于预定频率的成分并生成过滤的信号。

4.如权利要求3所述的不平道路检测系统，还包括与所述滤波器模块通信的数据缩减模块，用于缩减所述过滤的信号以与至少一个发动机循环对应，并生成缩减的数据信号。

5.如权利要求4所述的不平道路检测系统，还包括与所述数据缩减模块通信的数据缓冲模块，用于组合所述缩减的数据信号的采样以形成所述向量信号。

6.如权利要求5所述的不平道路检测系统，还包括与所述频域模块通信的功率谱模块，用于计算所述频域信号的功率谱并生成功率谱信号。

7.如权利要求6所述的不平道路检测系统，还包括与所述功率谱模块通信的能量计算模块，用于基于所述功率谱信号而生成能量信号。

8.如权利要求6所述的不平道路检测系统，其中所述发动机点火不良模块基于所述功率谱信号判定发动机是否点火不良。

9.如权利要求7所述的不平道路检测系统，其中当所述能量信号大于一个能量阈值时，所述不平道路模块判定该车辆是在不平道路上行驶。

10.一种用于检测车辆的不平道路条件的方法，包括：

将向量信号变换为频域信号；

基于所述频域信号判定发动机是否点火不良；和

基于所述频率信号判定该车辆是否在不平道路上行驶。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

确定发动机速度并生成发动机速度信号；和

以固定速率采样所述发动机速度信号并生成采样信号。

12.如权利要求11所述的方法，还包括从所述采样信号中滤除大于预定频率的成分并生成过滤的信号。

13.如权利要求12所述的方法，还包括缩减所述过滤的信号以与至少一个发动机循环对应，并生成缩减的数据信号。

14.如权利要求13所述的方法，还包括组合所述缩减的信号的采样以形成所述向量信号。

15.如权利要求14所述的方法，还包括计算所述频域信号的功率谱并生成功率谱信号。

16.如权利要求15所述的方法，还包括基于所述功率谱信号而计算能量信号。

17.如权利要求15所述的方法，还包括基于所述功率谱信号判定发动机是否点火不良。

18.如权利要求16所述的方法，还包括当所述能量信号大于一个能量阈值时，判定该车辆是在不平道路上行驶。

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