DE102005005152A1

DE102005005152A1 - Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005005152A1
Application number: DE200510005152
Authority: DE
Inventors: Roland Lohninger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise eines Gierratenmesssignals oder eines Schwimmwinkelgeschwidigkeitsmesssignals, wobei DOLLAR A a. ein Messsignal über die Zeit erfasst wird, DOLLAR A b. aus dem erfassten Messsignal ein zeitlicher Mittelwert gebildet wird, DOLLAR A c. aus dem Mittelwert und dem erfassten Messsignal ein Differenzsignal gebildet wird, DOLLAR A d. aus dem Differenzsignal mittels eines nichtlinearen statischen Übertragungsgliedes, das lineare Bereiche und eine Totzone umfasst, ein Zwischensignal gebildet wird und DOLLAR A e. durch Addition des Zwischensignals mit dem Mittelwert das von Messrauschen bereinigte Signal gebildet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise eines Gierratenmesssignals oder eines Schwimmwinkelgeschwindigkeitsmesssignals.
Die Anzahl der Steuerungs- und/oder Regelungsvorgänge im Kraftfahrzeug hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Um ein Ausbrechen des Fahrzeugs zu verhindern wird beispielsweise eine Gierratenregelung vorgenommen. Das gemessene Gierratensignal ist sehr stark mit niederfrequenten Rauschen aus der gemessenen Gierrate behaftet. Würde das gemessene Gierratendifferenzsignal (nach Regeldifferenzbildung) ohne einer Filterung auf den Aktuator aufgeschalten werden, wären während der Ansteuerung des Aktuators im gesamten Regelbereich, vor allem im querdynamischen Übergangsbereich, die Störanregungen im Fahrzeug spürbar.

Derzeit sind vor allem Verfahren zur Störsignalunterdrückung im Kraftfahrzeug bekannt, die auf der Basis linearer Filtertechnik die Störungen bzw. das Messrauschen unterdrücken. Hierzu muss das Filter bei niederfrequentem Rauschen mit entsprechend niedriger Eckfrequenz ausgelegt sein. Das gefilterte Signal verliert dadurch an Phase und schnelle Übergänge werden stark verzerrt. Wird ein derartiges Filter im Regelkreislauf, bspw. bei einer Gierratenreglung verwendet, ergibt sich eine schlechtere Dämpfung. Vergrößert man die Eckfrequenz, so werden die Störungen ungenügend unterdrückt im Fahrzeug spürbar.

Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Kraftfahrzeug anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise eines Gierratenmesssignals oder eines Schwimmwinkelgeschwindigkeitsmesssignal, ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Erfassen eines Messsignals über die Zeit,
b) Bilden eines zeitlichen Mittelwertes aus dem erfassten Messsignal,
c) Bilden eines Differenzsignals aus dem Mittelwert und dem erfassten Messsignal,
d) Bilden eines Zwischensignals aus dem Differenzsignal, mittels eines statischen, nichtlinearen Übertragungsgliedes, welches um eine definierte Nulllage (Totzonenbreite) die Steigung Null aufweist und außerhalb dieser Nulllage die Übertragungsfunktion punktsymmetrisch mit definierter Steigung ist, und
e) Bilden des von Messrauschen bereinigten Signals durch Addition des Zwischensignals mit dem Mittelwert.

Das erfindungsgemäße Verfahren garantiert bei quasistationären Vorgängen ein sehr gut gefiltertes Signal, während bei dynamischen Vorgängen der Ausgang fast proportional, nur mit dem Offset der halben Totzonenbreite behaftet, dem Eingangssignal entspricht. Besonders wesentlich ist, dass das Ausgangssignal, also das von Messrauschen bereinigte Signal bei dynamischen Vorgängen nicht an Phase verliert. Das Ausgangssignal erfährt hierbei keine Störunterdrückung, welche jedoch bei dynamischen Vorgängen sekundär ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens stellt die einfache Parametrisierung der „Dynamischen Totzone" dar.

Vorteilhafterweise wird der Mittelwert mittels eines linearen Filters gebildet, wobei es sich bei dem Filter vorzugsweise um ein Verzögerungsglied 1. Ordnung handelt. Das Filter kann mit sehr niedriger Eckfrequenz ausgelegt werden und kann deshalb auch niederfrequentes Rauschen aus dem Nutzsignal (Mittelwertbildung) filtern. Idealerweise ist das Filter so ausgelegt, dass es primär die überlagerten Störungen eliminiert, aber noch dynamisch genug ist, um langsamen Änderungen des Eingangsignals zu folgen. Vorteilhafterweises ist das statische, nichtlineare Übertragungsglied als „Dynamische Totzone" ausgestaltet, das bedeutet, die Kennlinie der Übertragungsfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung ist weist um eine definierte Nulllage (Totzonenbreite) die Steigung Null auf. Außerhalb dieser Nulllage ist die Übertragungsfunktion punktsymmetrisch mit der Steigung 1. Durch die symmetrische Totzone werden die Störsignale, die innerhalb der Totzone liegen, eliminiert.

An den mittleren Totzonen-Bereich schließt jeweils ein linearer Bereich an. Bei schnellen Änderungen kann der Mittelwert bedingt durch das langsame Filter dem Eingangssignal nicht mehr folgen. Das Differenzsignal ist groß und damit außerhalb der Totzonenbreite. Der Ausgang der Totzone ist dann im Betrag um die halbe Totzonenbreite kleiner als der Totzoneneingang. Gleiches gilt für das Ausgangssignal im Vergleich zum Eingangssignal.

Vorteilhafterweise kann dieses Verfahren im Rahmen jeder Regelung, im besonderen bei einer Gierratenregelung und/oder einer Schwimmwinkelregelung und/oder einer Schwimmwinkelgeschwindigkeitsregelung verwendet werden.

Diese Regelungen erhöhen die Fahrzeugstabilität und -dämpfung durch Rückführung von gemessen Fahrzeuggrößen. Als mögliche Aktuatoren für diese Regelungen sind alle Fahrwerksaktuatoren (Aktivlenkung, Hinterradlenkung, Quermomenten- und Längsmomentenverteilungssystem, Bremsregelsystem, usw.) denkbar.

Bei dem für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Filter kann es sich um ein analoges, digitales oder anderes Filter handeln. Das Verfahren ist in der Regel in einem Steuergerät im Fahrzeug, bspw. in einem Fahrwerksregel-Steuergerät implementiert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
1: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine Darstellung der Kennlinie der Übertragungsfunktion des statischen nichtlinearen Übertragungsgliedes,
3: eine Signalverlaufdarstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4: einen von Messrauschen bereinigten Signals x_Filt_TZ bei einem Messsignalverlauf x.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines von Messrauschen bereinigten Signals in einem Blockschaltbild dargestellt. Bei dem Signal x handelt es sich um Gierratendifferenzsignal in einem Kraftfahrzeug. Dieses Signal bzw. Messsignal x wird gemäß 1 mittels eines linearen Filters Filt gefiltert. Bei dem linearen Filter Filt handelt es sich um einen Tiefpass 1. Ordnung. Durch das lineare Filter Filt wird aus dem Messsignal x ein zeitlicher Mittelwert x_Filt gebildet. Das Filter Filt ist derart ausgelegt, dass es primär die überlagerten Störungen aus dem Messsignal x eliminiert, aber noch dynamisch genug ist, um langsamen Änderungen im Messsignal x zu folgen.
Von dem ursprünglichen Messsignal x wird das Mittelwertsignal x_Filt mittels einer Differenzeinheit D subtrahiert, wodurch sich ein Differenzsignal dx ergibt. Das Differenzsignal dx entspricht im stationären Betrieb den überlagerten Störungen.
Das Differenzsignal dx durchläuft anschließend ein statisches nichtlineares Übertragungsglied TZ. Die Kennlinie bzw. die Übertagungsfunktion des nichtlinearen statischen Übertragungsgliedes ist in 2 dargestellt und entspricht einer „Dynamischen Totzone". Der mittlere Bereich der Kennlinie stellt eine Totzone tz dar. Der Totzonen-Bereich tz ist symmetrisch zur Hochachse und erstreckt sich auf jeder Seite mit halber Totzonenbreite +1/2tz bzw. –1/2tz. Die halbe Totzonenbreite +1/2tz bzw. –1/2tz ist derart ausgelegt, dass das Messrauschen im stationären Betrieb in der Totzone tz liegt, wodurch das Ausgangssignal des nichtlinearen statischen Übertragungsgliedes TZ zu Null wird, also dx_TZ = 0 ist. An den Totzonen-Bereich tz schließt jeweils ein linearer Bereich a und b mit einer Steigung von 1, also 45° an.
Nachdem das Differenzsignal dx das nichtlineare statische Übertragungsglied TZ durchlaufen hat, wird dieses Zwischensignal dx_TZ mittels eines Summierers S mit dem bereits zuvor ermittelten Mittelwertsignal x_Filt addiert. Dadurch ergibt sich das gefilterte Signal x_Filt_TZ.
Liegt nun bspw. ein Messsignal x mit langsamen Änderungen vor, wird mittels des linearen Filters Filt der Mittelwert x_Filt dem Messsignal x folgen. Durch eine geeignete Auslegung der Breite der Totzone tz liegen die Störungen in der Totzone tz, wodurch das Zwischensignal dx_TZ Null wird. Ist dies der Fall, entspricht das Ausgangssignal bzw. das von Messrauschen bereinigte Signal x_Filt_TZ dem Filterausgang des linearen Filters, also x_Filt. Ein derartiges Messsignal x mit langsamen Änderungen ist bspw. den 3 und 4 vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt t1 dargestellt.
Ändert das Messsignal seinen Betrag sehr schnell, kann der zeitliche Mittelwert x_Filt, bedingt durch den langsamen linearen Filter Filt, dem Messsignal x nicht mehr folgen. Das Differenzsignal dx wird groß und liegt somit außerhalb der Totzone. In diesem Fall ist der Betrag des Ausgangsignals, bzw. der Betrag des vom Messrauschen bereinigten Signals x_Filt_TZ um die halbe Totzonenbreite (1/2 tz) kleiner als der Betrag des Eingangsignals. Denn der Mittelwert x_Filt wird zuerst subtrahiert und anschließend wieder addiert. Ein derartiges Messsignal x mit schnellen Änderungen ist bspw. in den korrespondierenden 3 und 4 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 dargestellt.
In der 3 und 4 wird anhand eines Messsignals x die Funktionsweise der Erfindung erläutert. Der Signalverlauf x gibt das mittels eines Sensors ermittelte Messsignal x wieder. Das Messsignal x ergibt sich aus dem Nutzsignal und niederfrequenten Rauschanteilen. Die Verläufe x_Filt_TZ + 1/2tz und x_Filt_TZ – 1/2tz stellen die absolute Begrenzung der sozusagen „dynamischen Totzone" dar. Liegt das Messsignal x innerhalb der Begrenzung zwischen x_Filt_TZ + 1/2tz und x_Filt_TZ – 1/2tz (siehe 3) ergibt sich ein von Störungen bzw. von Messrauschen bereinigtes Signal x_Filt_TZ (siehe 4), welches dem Mittelwert x_Filt des Messsignals x entspricht. Ein derartiger Signalverlauf x_Filt_TZ ist in den beiden Figuren vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt t1 dargestellt. Liegt das Messsignal x außerhalb der Begrenzung zwischen x_Filt_TZ + 1/2tz und x_Filt_TZ – 1/2tz, so liegen schnelle Änderungen des Messsignals x bzw. des Nutzsignals vor. Der Ausgang x_Filt_TZ, unterscheidet sich in diesem Bereich lediglich vom Eingang x um einen Offsetwert, welcher der halben Totzonenbreite +1/2tz bzw. –1/2tz entspricht. Ein derartiger Signalverlauf ist in 3 und 4 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 dargestellt.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines von Rauschsignalen bereinigten Signals (x_Filt_TZ) in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise eines Gierratenmesssignals oder eines Schwimmwinkelgeschwindigkeitsmesssignal, wobei a. ein Messsignal (x) über die Zeit (t) erfasst wird, b. aus dem erfassten Messsignal (x) ein zeitlicher Mittelwert (x_Filt) gebildet wird, c. aus dem Mittelwert (x_Filt) und dem erfassten Messsignal (x) ein Differenzsignal (dx) gebildet wird, d. aus dem Differenzsignal (dx) mittels eines nichtlinearen statischen Übertragungsgliedes (TZ), das lineare Bereiche (a, b) und eine Totzone (tz) umfasst, ein Zwischensignal (dx_TZ) gebildet wird und e. durch Addition des Zwischensignals (dx_TZ) mit dem Mittelwert (x_Filt) das von Messrauschen bereinigte Signal (x_Filt_TZ) gebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert (x_Filt) mittels eines linearen Filters (Filt) gebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lineare Filter (Filt) ein Verzögerungsglied 1. Ordnung ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das statische, nichtlineare Übertragungsglied (TZ) um eine definierte Nulllage (Totzonenbreite) die Steigung Null aufweist und außerhalb dieser Nulllage die Steigung Eins aufweist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Patentansprüche im Rahmen einer Gierratenregelung in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 im Rahmen einer Schwimmwinkel-Regelung.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 im Rahmen einer Schwimmwinkelgeschwindigkeits-Regelung.