DE102018203802A1 - Method, device and means of transport for multi-stage filtering of a signal in the electrical system of a means of transport - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels umfassend die Schritte: Filtern des ersten Signals (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') und Filtern des zweiten Signals (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S").

Figure DE102018203802A1_0000
The invention relates to a method for the multi-stage filtering of a first signal (S) in the on-board network of a means of locomotion, comprising the steps of: filtering the first signal (S) by means of a first Kalman filter (46) representing a first stage (42) for generating a second signal (S ') and filtering the second signal (S') by means of a second Kalman filter (48) representing a second stage (44) for generating a third signal (S ").
Figure DE102018203802A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Fortbewegungsmittel zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels. Insbesondere betrifft die Erfindung eine zeiteffiziente Filterung einhergehend mit einem wirkungsvollen Glättungsverhalten auf Basis eines mehrstufigen Kalman-Filters.The present invention relates to a method, a device and a means of locomotion for multi-stage filtering of a first signal in the electrical system of a means of locomotion. In particular, the invention relates to a time-efficient filtering associated with an effective smoothing behavior based on a multi-stage Kalman filter.

Im Stand der Technik sind zeitdiskrete, einstufige Kalman-Filter bekannt, die u.a. zur Positionsbestimmung in GPS-gestützten Navigationssystemen oder in Systemen zur Umfelderkennung von Fortbewegungsmitteln eingesetzt werden, um beispielsweise verrauschte Sensorsignale im Bordnetz des Fortbewegungsmittels zu filtern oder Ersatzwerte für fehlerhafte oder ausgefallene Sensorsignale zu schätzen. Mittels eines Kalman-Filters können allgemein beschrieben die Zustände eines verrauschten, technischen Prozesses optimal geschätzt werden. Dazu minimiert das Kalman-Filter den mittleren quadratischen Fehler der Schätzung. Voraussetzung für die Realisierung des Kalman-Filters ist eine hinreichend genaue, mathematische Beschreibung eines Zustandsraummodells eines technischen Prozesses bzw. Systems in Form eines zeitdiskreten Differenzengleichungssystems. Die durch das Kalman-Filter geschätzten, zukünftigen Zustände werden jeweils auf Basis aktueller, realer Messwerte korrigiert. Mit einer über die Zeit zunehmenden Anzahl berücksichtigter realer Messwerte nähert sich die Schätzung den tatsächlichen Zuständen theoretisch beliebig genau an.Discrete-time, one-stage Kalman filters are known in the art, including: be used for position determination in GPS-based navigation systems or systems for environment detection of means of locomotion, for example, to filter noisy sensor signals in the electrical system of the means of transport or to estimate replacement values for faulty or failed sensor signals. By means of a Kalman filter, the states of a noisy, technical process can be optimally estimated. For this, the Kalman filter minimizes the mean square error of the estimate. A prerequisite for the realization of the Kalman filter is a sufficiently accurate, mathematical description of a state space model of a technical process or system in the form of a time-discrete difference equation system. The future states estimated by the Kalman filter are each corrected on the basis of current, real measured values. With an increasing number of real measured values over time, the estimate approaches the actual states theoretically as much as desired.

Durch seine mathematische Struktur kann das Kalman-Filter darüber hinaus relativ einfach auf einem Digitalrechner realisiert werden und ist aufgrund eines in diesem Zusammenhang gemäßigten Ressourcenbedarfs, insbesondere auch für den Einsatz in Echtzeitsystemen geeignet. Zeitkontinuierliche Kalman-Filter sind ebenfalls realisierbar, sie haben aber nur eine geringe praktische Bedeutung, da sie mathematisch wesentlich komplexer sind und es nur wenige bekannte Lösungen für diese Art von Kalman-Filter gibt.In addition, due to its mathematical structure, the Kalman filter can be implemented relatively simply on a digital computer and is suitable for use in real-time systems due to a moderated resource requirement in this context. Time-continuous Kalman filters are also feasible, but they are of little practical importance because they are mathematically much more complex and there are few known solutions to this type of Kalman filter.

Im Zusammenhang mit einem Fortbewegungsmittel sind zeitdiskrete Kalman-Filter beispielsweise zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades des Fortbewegungsmittels geeignet. Im Stand der Technik werden zu diesem Zweck Beschleunigungssensoren eingesetzt, um dynamische/aktive Dämpfersysteme des Fortbewegungsmittels mit den erforderlichen Bewegungsgrößen zur Dämpfungsregelung und Wankstabilisierung zu versorgen. Hierzu ist ein Beschleunigungssensor im Bereich des Fahrwerks und insbesondere im Bereich der ungefederten Masse des Fahrwerks angeordnet und gibt unmittelbare Signale repräsentierend die Vertikalbeschleunigung des Rades aus. Als Vertikalbeschleunigung wird eine solche Bewegungsgröße bzw. ein korrespondierendes Signal verstanden, welches die Beschleunigung des Rades im Wesentlichen in Richtung der Fahrbahnnormalen bzw. in vertikaler Richtung beschreibt. Die Dämpferregelung kann in Abhängigkeit dieser Signale geeignete Einstellungen für die Dämpferfestigkeit vornehmen, um beispielsweise ein Einfedern des Rades zu erleichtern, wenn dieses aufgrund einer Bodenwelle einen großen Weg einfedern muss. Für die Wankstabilisierung gilt Ähnliches, nur dass sie die Räder dazu vertikal bewegt. Auf diese Weise können die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort erheblich verbessert werden.In connection with a means of transportation, discrete-time Kalman filters are suitable, for example, for determining a vertical acceleration of a wheel of the means of locomotion. In the prior art acceleration sensors are used for this purpose to provide dynamic / active damper systems of the means of transport with the required motion variables for damping control and roll stabilization. For this purpose, an acceleration sensor is arranged in the region of the chassis and in particular in the area of the unsprung mass of the chassis and outputs direct signals representing the vertical acceleration of the wheel. Vertical acceleration is understood to mean such a motion variable or a corresponding signal which describes the acceleration of the wheel essentially in the direction of the road normal or in the vertical direction. The damper control can make appropriate settings for the damper resistance in response to these signals, for example, to facilitate a deflection of the wheel when it has to deflect due to a bump a long way. The same applies to roll stabilization, except that it moves the wheels vertically. In this way, the driving safety and ride comfort can be significantly improved.

Darüber hinaus werden aufgrund eines Erfordernisses zur Leuchtweitenregulierung und mitunter auch zur Regelung aktiver Luftfahrwerke im Stand der Technik Höhenstandssensoren verwendet, welche eine Information darüber bereitstellen, wie stark ein jeweiliges Rad eines Fortbewegungsmittels derzeit eingefedert ist. Die Informationen des Höhenstandsensors können als im Wesentlichen quasi statische Zustandsgrößen verstanden werden. In Abhängigkeit dieser Größe werden die Leuchtweite/der Winkel, im welchem der Lichtkegel ausgerichtet wird, sowie die Höhe/die Füllung des Luftfahrwerkes gesteuert bzw. geregelt. Entsprechendes gilt für Gewindefahrwerke.Moreover, due to a need for headlamp leveling and sometimes also for controlling active air suspensions in the prior art, level sensors are used which provide information on how much a particular wheel of a vehicle is currently being deployed. The information of the level sensor can be understood as essentially quasi-static state variables. Depending on this size, the headlight range / the angle at which the light beam is aligned and the height / filling of the air suspension are controlled or regulated. The same applies to coilovers.

Zur Einsparung des Beschleunigungssensors kann das direkt aus dem Höhenstandssensor entnommene Höhenstandssignal des Rades durch zweifaches Differenzieren nach der Zeit in ein Vertikalbeschleunigungssignal des Rades umgewandelt werden, welches das durch den Beschleunigungssensor erzeugte Signal oben genannter Systeme ersetzen kann. Das zweifache Differenzieren und die Glättung des Signals kann auf Basis einer analogen und/oder einer digitalen Filterung durchgeführt werden.To save the acceleration sensor, the height signal of the wheel taken directly from the level sensor can be converted into a vertical acceleration signal of the wheel by differentiating twice over time, which can replace the signal generated by the acceleration sensor of the above-mentioned systems. The twofold differentiation and the smoothing of the signal can be performed on the basis of an analog and / or a digital filtering.

Problematisch ist in diesem Zusammenhang ein mitunter hoher Anteil unbekannter Einflüsse bzw. Störungen, welche das durch den Höhenstandssensor gemessene Höhenstandssignal überlagern können. Diese im Folgenden auch als Prozessrauschen bezeichneten Überlagerungen eines eigentlichen Nutzsignals können ohne eine Aufbereitung des verrauschten Signals ggf. zu Fehlfunktionen und/oder Funktionsausfällen im Fortbewegungsmittel führen.The problem in this context is a sometimes high proportion of unknown influences or disturbances which can superimpose the height signal measured by the level sensor. These superimpositions of an actual useful signal, which are also referred to below as process noise, may possibly lead to malfunctions and / or functional failures in the means of transportation without conditioning the noisy signal.

In Abhängigkeit eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Höhenstandssignals können einfache Filter mit einer geringen Filterordnung ausreichen, oder es können auch komplexe Filter mit einer hohen Filterordnung erforderlich sein. So kann zum Beispiel das Höhenstandssignals in unterschiedlichen Fahrzeugtypen ein deutlich unterschiedliches Signal-Rauschverhältnis aufweisen. Das Signal-Rauschverhältnis kann beispielsweise durch eine spezifische Fahrwerkskonstruktion und/oder durch induktive und/oder kapazitive Einstreuungen aus dem Umfeld des Höhenstandssensors beeinflusst werden.Depending on a signal-to-noise ratio of the level signal, simple filters with a low filter order may suffice, or even complex filters with a high filter order may be required. For example, the ride height signal in different vehicle types can produce a significantly different signal Have noise ratio. The signal-to-noise ratio can be influenced for example by a specific chassis construction and / or by inductive and / or capacitive interference from the surroundings of the level sensor.

Gering verrauschte Höhenstandssignale können i.d.R. mittels einfacher analoger und/oder digitaler Filter mit relativ geringer Ordnung so aufbereitet werden, dass sich deren Ausgangssignal für das anschließende zweifache Differenzieren zur Erzeugung des Signals für die Vertikalbeschleunigung des Rades eignet. Die bei stark verrauschten Signalen erforderliche höhere Filterordnung zur Glättung des Signals kann insofern ein Problem darstellen, als dass sie üblicherweise eine höhere Laufzeitverzögerung bei der Bereitstellung des gefilterten Signals für die Vertikalbeschleunigung mit sich bringt.Low noise level signals can i.d.R. be processed by means of simple analog and / or digital filters with relatively low order so that their output signal for the subsequent two-fold differentiation for generating the signal for the vertical acceleration of the wheel is suitable. The higher filter order required for highly noisy signals to smooth the signal can be a problem in that it usually involves a higher propagation delay in providing the filtered vertical acceleration signal.

Insbesondere im Zusammenhang mit einer Steuerung und/oder Regelung der Fahrdynamik eines Fortbewegungsmittels sind meist geringe Laufzeitverzögerungen einer Signalverarbeitungskette unerlässlich, um evtl. Funktionsdegradationen und/oder Fehlfunktionen in einem der Filterung nachgelagerten Teil der Signalverarbeitungskette zu vermeiden. Aus diesem Grund können stark verrauschte Signale mit einer herkömmlichen Filterung in vielen Fällen nur eingeschränkt aufbereitet werden, da sie die Anforderung einer wirksamen Glättung des verrauschten Signals, bei einer gleichzeitig kurzen Signallaufzeit des Filters nicht oder nur unzureichend erfüllen.In particular, in connection with a control and / or regulation of the driving dynamics of a means of transport are usually low propagation delays a signal processing chain essential to avoid any functional degradation and / or malfunction in a filtering downstream part of the signal processing chain. For this reason, strongly noisy signals with a conventional filtering can in many cases only be processed to a limited extent since they do not meet the requirement for effective smoothing of the noisy signal, or at the same time for a short signal propagation time of the filter.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. auszuräumen.It is therefore an object of the present invention to alleviate the above-mentioned disadvantages of the prior art.

Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The solution of the object identified above is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims have preferred developments of the invention to the content.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen und insbesondere eine mehrstufige Filterung basierend auf einem mehrstufigen Kalman-Filter. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug sein.According to a first aspect, a method for the multi-stage filtering of a first signal in the on-board network of a means of transportation is proposed, and in particular a multi-stage filtering based on a multi-stage Kalman filter. The means of transportation may be, for example, a road vehicle (e.g., motorcycle, car, van, truck) or an aircraft / aircraft.

Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filters ist im Stand der Technik hinreichend beschrieben und wird seit vielen Jahren in unterschiedlichen technischen Anwendungsgebieten erfolgreich eingesetzt, weshalb hier auf eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus und insbesondere der mathematischen Struktur des Kalman-Filters verzichtet wird.The basic structure and operation of a conventional single-stage Kalman filter is well described in the art and has been used successfully for many years in a variety of technical applications, therefore omitting a detailed description of the structure and particularly the mathematical structure of the Kalman filter becomes.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Signal mittels eines eine erste Stufe repräsentierenden ersten Kalman-Filters zur Erzeugung eines zweiten Signals gefiltert. Das erste Signal kann beispielsweise ein Ausgangssignal eines Messsensors eines Bordnetzes eines Fortbewegungsmittels sein, wie zum Beispiel das oben beschriebene Höhenstandssignal des Höhenstandssensors. Des Weiteren kann das Ausgangssignal des Messsensors von unerwünschten Störgrößen, wie einem Rauschsignal überlagert sein. Diese Störgrößen können beispielsweise durch den Sensor selbst erzeugt und/oder in diesen eingestreut werden. Als Ursachen kommen hier u.a. ein thermisches Rauschen und/oder ein Quantisierungsrauschen des Sensors und/oder der Sensorelektronik und/oder induktive und/oder kapazitive Einstreuungen aus dem Umfeld des Sensors in Frage. Darüber hinaus können auch eine Art, eine Anordnung und eine Länge einer Kabelverbindung vom Sensor zu einer Empfangskomponente der Sensorsignale einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Art und den Anteil der Störungen im eigentlichen Messsignal haben.In a first step of the method according to the invention, the first signal is filtered by means of a first Kalman filter representing a first stage for generating a second signal. The first signal may be, for example, an output signal of a measuring sensor of a vehicle electrical system of a means of locomotion, such as the level sensor of the level sensor described above. Furthermore, the output signal of the measuring sensor may be superimposed by undesired interference variables, such as a noise signal. These disturbance variables can be generated, for example, by the sensor itself and / or interspersed in it. As causes here u.a. a thermal noise and / or quantization noise of the sensor and / or the sensor electronics and / or inductive and / or capacitive interference from the environment of the sensor in question. In addition, a type, an arrangement and a length of a cable connection from the sensor to a receiving component of the sensor signals can have a not inconsiderable influence on the type and proportion of disturbances in the actual measurement signal.

Das Kalman-Filter der ersten Filterstufe kann ein aus dem Stand der Technik bekanntes, zeitdiskretes Kalman-Filter sein, welches auf Basis eines Computerprogramms realisiert ist, das mittels einer Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, analoger Signalprozessor, Mikrocontroller, elektronisches Steuergerät, o.ä., ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit an einen flüchtigen und einen nicht flüchtigen Speicher angebunden. Des Weiteren kann die Auswerteinheit ein Bestandteil eines bestehenden Fahrerassistenzsystems oder eines weiteren Steuergerätes eines Fortbewegungsmittels, oder ein eigenständiges Steuergerät sein.The Kalman filter of the first filter stage may be a time-discrete Kalman filter known from the prior art, which is realized on the basis of a computer program which is executed by means of an evaluation unit. The evaluation unit may be designed, for example, as a processor, digital signal processor, analog signal processor, microcontroller, electronic control unit, or the like. Preferably, the evaluation unit is connected to a volatile and a non-volatile memory. Furthermore, the evaluation unit may be a component of an existing driver assistance system or of a further control device of a means of transportation, or an independent control device.

Die Auswerteinheit kann über eine digitale und/oder analoge Schnittstelle für den Empfang des ersten Signals verfügen. Je nach Bereitstellungsform des ersten Signals (analog oder digital) ist zur Verarbeitung des ersten Signals ggf. zunächst eine Wandlung in ein digitales Signal erforderlich. Dies kann durch einen entsprechenden, an die Auswerteeinheit angebundenen Analog/Digital (A/D) - Wandler durchgeführt werden. Für das Beispiel des Höhenstandssignals hat sich beim Abtasten des Signals durch einen A/D-Wandler eine Bittiefe im Bereich von 8 bit bis 12 bit und insbesondere von 10 bit als hinreichend herausgestellt. Eine geeignete Abtastfrequenz des Höhenstandssignals kann beispielsweise zwischen 100 Hz und 1 kHz und insbesondere bei 400 Hz liegen.
Alternativ kann der Höhenstandssensor das Höhenstandssignal bereits in digitaler Form ausgeben und über eine entsprechende digitale Schnittstelle durch die Auswerteeinheit empfangen werden. Für ein durch den Höhenstandssensor digital ausgegebenes Höhenstandssignal gelten ebenfalls die oben bevorzugten Werte für eine Bittiefe und eine Abtastfrequenz.
The evaluation unit may have a digital and / or analog interface for receiving the first signal. Depending on the form of provision of the first signal (analog or digital), a conversion to a digital signal may initially be necessary for processing the first signal. This can be done by a corresponding analog / digital (A / D) converter connected to the evaluation unit. For the example of the level signal, a bit depth in the range of 8 bits to 12 bits and in particular of 10 bits has proven to be sufficient when the signal is sampled by an A / D converter. A suitable sampling frequency of the level signal can be, for example, between 100 Hz and 1 kHz and in particular at 400 Hz.
Alternatively, the ride height sensor can already output the ride height signal in digital form and be received by the evaluation unit via a corresponding digital interface. For a through the level sensor digital output level signal also apply the above preferred values for a bit depth and a sampling frequency.

Das durch die Auswerteeinheit empfangene erste Signal kann eine einzelne Eingangsgröße wie zum Beispiel einen Messwert wie das Höhenstandssignal, oder einen Vektor von Eingangsgrößen repräsentieren. In diesem Zusammenhang kann ein in der ersten Stufe vorgesehenes, erstes Element für eine Selektion und Gewichtung der Eingangsgrößen vorteilhaft sein. Das dem ersten Kalman-Filter vorgelagerte erste Element zur Selektion und Gewichtung kann in Abhängigkeit eines analogen oder digitalen ersten Signals beispielsweise mittels einer analogen Schaltung oder durch einen mittels der Auswerteeinheit ausgeführten Programmcode realisiert werden.The first signal received by the evaluation unit may represent a single input, such as a measurement such as the altitude signal, or a vector of inputs. In this context, a first element provided in the first stage may be advantageous for a selection and weighting of the input variables. The first element for selection and weighting upstream of the first Kalman filter can be realized as a function of an analog or digital first signal, for example by means of an analog circuit or by means of a program code executed by means of the evaluation unit.

Durch die Selektion kann ein an die jeweilige Aufgabenstellung des mehrstufigen Kalman-Filters angepasstes, statisches Auswählen von vordefinierten Eingangsgrößen durchgeführt werden. Weiterhin denkbar ist auch ein dynamisches Auswählen zwischen einer ersten vordefinierten Kombination von Eingangsgrößen und einer zweiten, von der ersten Kombination abweichenden vordefinierten Kombination von Eingangsgrößen. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn das erste Signal Messwerte einer Mehrzahl redundanter Sensoren umfasst, um eine höhere Ausfallsicherheit eines Gesamtsystems zu gewährleisten. Darüber hinaus kann ein Auswählen einer spezifischen Kombination von Eingangsgrößen auch in Abhängigkeit vordefinierter Umweltbedingungen und/oder -ereignisse durchgeführt werden.
Eine Gewichtung der einzelnen Eingangsgrößen kann analog zur Selektion der Eingangsgrößen ebenfalls statisch oder dynamisch erfolgen, um die Eingangsgrößen beispielsweise an eine konkrete Konfiguration bzw. Aufgabenstellung des Filters anzupassen und/oder im Ansprechen auf vordefinierte Umweltbedingungen und/oder -ereignisse reagieren zu können. Für den Fall, dass die Stufe zur Selektion und Gewichtung für konkrete Anwendungsfälle des mehrstufigen Kalman-Filters nicht erforderlich sein sollte, kann diese optional entfallen oder mittels eines Gewichtungsfaktors von Eins und einer standardmäßigen Weiterleitung aller Eingangssignale deaktiviert werden.
Through the selection, a static selection of predefined input variables adapted to the respective task of the multi-stage Kalman filter can be performed. It is also conceivable to select dynamically between a first predefined combination of input variables and a second predefined combination of input variables that deviates from the first combination. This may be advantageous, for example, when the first signal comprises measured values of a plurality of redundant sensors in order to ensure a higher level of reliability of an overall system. In addition, selecting a specific combination of inputs may also be performed in dependence on predefined environmental conditions and / or events.
A weighting of the individual input variables can likewise be carried out statically or dynamically analogously to the selection of the input variables in order to be able to adapt the input variables, for example, to a specific configuration or task of the filter and / or to react in response to predefined environmental conditions and / or events. In the event that the selection and weighting stage is not required for specific applications of the multi-stage Kalman filter, it may optionally be dispensed with or deactivated by means of a weighting factor of one and a standard forwarding of all input signals.

Nach der (optionalen) Verarbeitung des ersten Signals mittels des ersten Elements zur Selektion und Gewichtung, kann das erste Signal der Filterung durch das erste Kalman-Filter zugeführt werden. Dies kann durch die Abarbeitung einzelner Programmschritte des Computerprogramms innerhalb der Auswerteeinheit erfolgen. Durch das erste Kalman-Filter wird aus dem ersten Signal ein zweites Signal erzeugt, welches ein Ausgangssignal des ersten Kalman-Filters darstellt.After the (optional) processing of the first signal by means of the first element for selection and weighting, the first signal can be fed to the filtering by the first Kalman filter. This can be done by processing individual program steps of the computer program within the evaluation unit. The first Kalman filter generates from the first signal a second signal representing an output signal of the first Kalman filter.

Im Falle des Höhenstandssignals als zu filterndes erstes Signal, können aus dem Höhenstandssignal durch eine geeignete Dimensionierung des ersten Kalman-Filters ein geglättetes Vertikalgeschwindigkeitssignal und ein geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal des Rades berechnet werden. Das durch die erste Stufe berechnete Vertikalbeschleunigungssignal weist aufgrund der Laufzeitverzögerung durch das erste Kalman-Filter eine ähnliche Verzögerung auf, wie eine auf einem herkömmlichen Filterverfahren basierende Filterung z.B. mittels eines zweifachen Differenzierers in Kombination mit einem FIR-Filter. Die jeweiligen Laufzeitverzögerungen der ersten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters und des herkömmlichen Filterverfahrens bei einem jeweils ausreichenden Glättungsverhalten, liegen im Vergleich zu einem direkt gemessenen Vertikalbeschleunigungssignals durch einen Vertikalbeschleunigungssensors in einer Größenordnung von etwa 10 ms bis 20 ms Verzögerungszeit. Diese Werte können im Zusammenhang mit Regelungs- bzw. Steuerungssystemen für die Fahrdynamik in vielen Fällen zu hoch sein, um ausreichend schnelle Eingriffe in die Fahrdynamik zu ermöglichen. Dies kann sich beispielsweise negativ auf die Fahrsicherheit und/oder den Fahrkomfort auswirken.In the case of the ride height signal as a first signal to be filtered, a smoothed vertical speed signal and a smoothed vertical acceleration signal of the wheel can be calculated from the ride height signal by suitable dimensioning of the first Kalman filter. The vertical acceleration signal computed by the first stage has a similar delay due to the propagation delay through the first Kalman filter, such as filtering based on conventional filtering techniques, e.g. using a dual differentiator in combination with a FIR filter. The respective propagation delays of the first stage of the multi-stage Kalman filter and the conventional filtering method with a respectively sufficient smoothing behavior are in the order of about 10 ms to 20 ms delay time compared to a directly measured vertical acceleration signal by a vertical acceleration sensor. In many cases, these values may be too high in the context of vehicle dynamics control systems to allow sufficiently fast intervention in vehicle dynamics. This can, for example, have a negative effect on driving safety and / or driving comfort.

Das durch die erste Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters gefilterte Vertikalgeschwindigkeitssignal weist dagegen eine deutlich kürzere Laufzeitverzögerung im Vergleich zum Vertikalbeschleunigungssignal der ersten Stufe auf, weshalb in diesem Fall bevorzugt das in der ersten Stufe erzeugte Vertikalgeschwindigkeitssignal am Ausgang der ersten Stufe als zweites Signal bereitgestellt wird.In contrast, the vertical speed signal filtered by the first stage of the multi-stage Kalman filter has a much shorter propagation delay compared to the first stage vertical acceleration signal, in which case the vertical speed signal generated in the first stage is preferably provided as a second signal at the output of the first stage.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem zweiten Schritt vor, das zweite Signal mittels eines eine zweite Stufe repräsentierenden, zweiten Kalman-Filters zur Erzeugung eines dritten Signals zu filtern. Die Filterstruktur der zweiten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters kann identisch oder unterschiedlich zur Filterstruktur der ersten Stufe sein. Dies gilt auch für ein dem zweiten Kalman-Filter vorgelagertes zweites Element zur Selektion und Gewichtung, welches ebenfalls identisch oder unterschiedlich zum ersten Element zur Selektion und Gewichtung sein kann. Eine identische oder unterschiedliche Auslegung der Filterstrukturen und/oder eine identische oder unterschiedliche Auslegung des Elements zur Selektion und Gewichtung kann in Abhängigkeit einer entsprechenden Realisierungsvariante (z.B. analog, digital, schaltungstechnisch, programmatisch) und insbesondere in Abhängigkeit einer durch das mehrstufige Kalman-Filter zu erfüllenden Aufgabenstellung festgelegt werden.The method according to the invention provides, in a second step, for filtering the second signal by means of a second Kalman filter representing a second stage in order to generate a third signal. The second stage filter structure of the multi-stage Kalman filter may be identical or different to the first stage filter structure. This also applies to a second element for selection and weighting upstream of the second Kalman filter, which may likewise be identical or different from the first element for selection and weighting. An identical or different design of the filter structures and / or an identical or different design of the element for selection and weighting can be carried out as a function of a corresponding implementation variant (eg analog, digital, circuit technology, programmatic) and in particular as a function of a multi-stage Kalman filter Task defined.

Es sind grundsätzlich auch beliebige Mischformen hinsichtlich der Realisierung der ersten und der zweiten Stufe denkbar. So können die erste Stufe beispielsweise ein auf einer analogen Schaltungstechnik basierendes Kalman-Filter und die zweite Stufe ein auf einem Computerprogramm eines Mikrocontrollers basierendes Kalman-Filter sein, sofern zwischen der ersten und der zweiten Stufe eine A/D-Wandlung durchgeführt wird.In principle, any desired mixed forms with regard to the realization of the first and second stages are also conceivable. So the first one For example, the stage may be a Kalman filter based on an analog circuit technique and the second stage may be a Kalman filter based on a computer program of a microcontroller, provided A / D conversion is performed between the first and second stages.

Das zweite Signal, welches das Vertikalgeschwindigkeitssignal der ersten Stufe repräsentiert, kann durch das zweite Kalman-Filter wiederum mit einer geringen Laufzeitverzögerung in ein geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal überführt werden, welches am Ausgang der zweiten Stufe das dritte Signal repräsentiert. Die Aufteilung der Filterung des Höhenstandssignals auf mehrere Filterstufen führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil einer Filterung mit einer deutlich geringeren Laufzeitverzögerung im Vergleich zu einer Filterung mit einem herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filter oder einer Kombination aus einem herkömmlichen zweifachen Differenzierer mit einem FIR-Filter bei jeweils ähnlichem Glättungsverhalten.The second signal, which represents the vertical speed signal of the first stage, can be converted by the second Kalman filter again with a low propagation delay into a smoothed vertical acceleration signal, which represents the third signal at the output of the second stage. The division of the filtering of the level signal to several filter stages leads to the inventive advantage of filtering with a significantly lower propagation delay compared to a filter with a conventional single-stage Kalman filter or a combination of a conventional dual differentiator with an FIR filter at each similar smoothing behavior.

Im Falle der Filterung des Höhenstandssignals durch das mehrstufige Kalman-Filter lässt sich eine Laufzeitverzögerung von einigen wenigen Millisekunden erzielen, so dass sich die, im Kontext einer Regelung und/oder Steuerung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels, maximal zulässigen Laufzeitverzögerungen von etwa 4 ms bis 5 ms erreichen, bzw. auch unterschreiten lassen.In the case of the filtering of the level signal by the multi-stage Kalman filter, a propagation delay of a few milliseconds can be achieved, so that, in the context of regulation and / or control of driving dynamics of the means of transport, maximum allowable propagation delays of about 4 ms to 5 ms reach, or even fall below.

Das mittels des zweiten Kalman-Filters aus dem zweiten Signal erzeugte dritte Signal kann wiederum aus einer das dritte Signal repräsentierenden Einzelgröße oder aus einem Vektor von Einzelgrößen bestehen. Das dritte Signal kann anschließend am Ausgang der zweiten Stufe für eine nachfolgende Verarbeitung bereitgestellt werden.The third signal generated by means of the second Kalman filter from the second signal can in turn consist of a single variable representing the third signal or of a vector of individual variables. The third signal may then be provided at the second stage output for subsequent processing.

Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße, mehrstufige Kalman-Filter nicht auf eine Kaskadierung eines ersten und eines zweiten Kalman-Filters beschränkt ist. Vielmehr kann eine beliebige Anzahl von Kalman-Filtern kaskadiert werden, um in Abhängigkeit eines konkreten Anwendungsfalls eine für diesen Anwendungsfall optimierte Signalglättung mit einer möglichst geringen Laufzeitverzögerung zu erzielen.It should be noted in particular that the inventive multi-stage Kalman filter is not limited to a cascading of a first and a second Kalman filter. Rather, any number of Kalman filters can be cascaded in order to achieve, depending on a specific application, an optimized signal smoothing for this application with the lowest possible propagation delay.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann in die Filterung des zweiten Signals zusätzlich das erste Signal in das zweite Kalman-Filter einfließen, indem dieses in der ersten Stufe zum einen durch das erste Kalman-Filter verarbeitet und zum anderen in unveränderter Form an den Ausgang der ersten Stufe weitergeleitet bzw. durchgeschleift wird. D.h., dass die nachfolgende zweite Stufe auf diese Weise sowohl auf das erste Signal, als auch auf das zweite Signal zurückgreifen kann, was je nach Anwendungsfall für eine Filterung in der zweiten Stufe vorteilhaft sein kann. Da das erste Signal aus einem Vektor von Eingangsgrößen bestehen kann, kann durch eine entsprechende Konfiguration des zweiten Elements zur Selektion und Gewichtung entweder der gesamte Vektor von Eingangsgrößen des ersten Signals, oder ein geeigneter Teilvektor von Eingangsgrößen des ersten Signals in das zweite Kalman-Filter eingespeist werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, in the filtering of the second signal in addition, the first signal in the second Kalman filter incorporated by this processed in the first stage on the one hand by the first Kalman filter and on the other in unchanged form to the Output of the first stage forwarded or looped through. This means that the subsequent second stage can thus access both the first signal and the second signal, which may be advantageous for filtering in the second stage, depending on the application. Since the first signal can consist of a vector of input variables, by an appropriate configuration of the second element for selection and weighting either the entire vector of input quantities of the first signal, or a suitable sub-vector of input quantities of the first signal can be fed into the second Kalman filter become.

Alternativ zu einem Durchschleifen des ersten Signals durch die erste Stufe kann das erste Signal auf Basis einer analogen und/oder digitalen schaltungstechnischen Umsetzung auch mittels einer parallelen Signalführung außerhalb der ersten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters an die zweite Stufe übertragen werden.As an alternative to looping through the first signal through the first stage, the first signal based on an analog and / or digital circuit implementation can also be transmitted to the second stage by means of parallel signal routing outside the first stage of the multi-stage Kalman filter.

In einem mehrstufigen Kalman-Filter, welches beispielsweise über drei, vier oder mehr Filterstufen verfügt, kann nach diesem Prinzip für jede Folgestufe verfahren werden. D.h. konkret, dass in eine dritte Stufe neben dem dritten Signal (als Ausgangssignal der zweiten Stufe) zusätzlich auch das zweite und/oder das erste Signal eingespeist werden und dort einer Selektion und/oder Gewichtung zugeführt werden können.In a multi-stage Kalman filter, which has for example three, four or more filter stages, this principle can be used for each subsequent stage. That specifically, that in a third stage in addition to the third signal (as an output signal of the second stage) in addition, the second and / or the first signal are fed and there a selection and / or weighting can be supplied.

Das durch die zweite Stufe erzeugte dritte Signal, das ein aus dem Höhenstandssignal des Rades abgeleitetes, geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal des Rades repräsentieren kann, kann anschließend über das Bordnetz an ein System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels übertragen und dort entsprechend weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass neben dem dritten Signal zusätzlich auch das zweite und/oder das erste Signal an das System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik übertragen werden kann.The third signal generated by the second stage, which can represent a derived from the ride height signal, smoothed vertical acceleration signal of the wheel can then be transmitted via the electrical system to a system for controlling and / or regulating a driving dynamics of the means of locomotion and further processed accordingly. In addition, it is also conceivable that in addition to the third signal in addition, the second and / or the first signal to the system for controlling and / or regulating a vehicle dynamics can be transmitted.

Darüber hinaus ist auch eine Rückführung eines Ausgangssignals einer jeweiligen Stufe zum Eingang einer oder mehrerer vorangegangener Stufen denkbar, indem das jeweilige Ausgangsignal, bzw. eine spezifische Kombination von das jeweilige Ausgangssignal repräsentierenden Einzelgrößen, in ein jeweiliges Element zur Selektion und Gewichtung einer oder mehrerer vorangegangener Stufen eingespeist wird.In addition, a return of an output signal of a respective stage to the input of one or more preceding stages is conceivable by the respective output signal, or a specific combination of the respective output signal representative individual sizes, in a respective element for the selection and weighting of one or more preceding stages is fed.

Des Weiteren kann zwischen zwei Stufen des mehrstufigen Kalman-Filters eine zusätzliche Verarbeitung des Signals stattfinden, welches von einer jeweiligen Stufe in eine weitere Stufe eingespeist wird (in Form einer vorwärts gerichteten Verbindung zwischen zwei Stufen und/oder in Form einer rückgeführten Verbindung). Das heißt konkret, dass beispielsweise das durch die erste Stufe erzeugte zweite Signal vor der Verarbeitung durch die zweite Stufe einer entsprechenden Verarbeitung unterzogen werden kann. Eine solche Verarbeitung kann beispielsweise durch ein zusätzliches Filter wie ein Rauschunterdrückungsfilter und/oder weitere Filter und/oder weitere Signalverarbeitungseinheiten erfolgen. Darüber hinaus können in diese zusätzliche Verarbeitung auch zusätzliche Eingangsgrößen einfließen, die keine Eingangsgrößen der jeweiligen Stufen des mehrstufigen Kalman-Filters darstellen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Laufzeitverzögerung der zusätzlichen Signalverarbeitung bevorzugt gering gehalten wird, um insbesondere den erfindungsgemäßen Vorteil einer kurzen Verarbeitungszeit durch das mehrstufige Kalman-Filter zu erhalten.Furthermore, between two stages of the multi-stage Kalman filter additional processing of the signal may take place, which is fed from one stage to another stage (in the form of a forward connection between two stages and / or in the form of a recirculated connection). In concrete terms, this means that, for example, the second signal generated by the first stage before the processing by the second stage be subjected to appropriate processing. Such processing can be done, for example, by an additional filter such as a noise reduction filter and / or other filters and / or other signal processing units. In addition, this additional processing can also incorporate additional input variables which do not represent input variables of the respective stages of the multistage Kalman filter. In this context, it should be noted that the propagation delay of the additional signal processing is preferably kept low in order to obtain in particular the inventive advantage of a short processing time by the multi-stage Kalman filter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein erster Parametersatz des ersten Kalman-Filters und/oder ein zweiter Parametersatz des zweiten Kalman-Filters im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation adaptiert. Eine bevorzugte Realisierung dieser Ausgestaltung kann wiederum auf einer Auswerteeinheit basieren, welche ein entsprechendes Computerprogramm zur Umsetzung der Funktionalität ausführt.In a further advantageous refinement, a first parameter set of the first Kalman filter and / or a second parameter set of the second Kalman filter are adapted in response to a predefined event and / or a driving situation and / or an environmental situation. A preferred realization of this embodiment can again be based on an evaluation unit, which executes a corresponding computer program for implementing the functionality.

Unter dem ersten und zweiten Parametersatz wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein jeweils vollständiger Satz von Filterparametern für das erste und zweite Kalman-Filter verstanden. Durch sie werden die Filtereigenschaften des ersten und zweiten Kalman-Filters vollständig beschrieben.In the context of the present invention, the first and second parameter sets are to be understood as meaning a respective complete set of filter parameters for the first and second Kalman filters. It fully describes the filter characteristics of the first and second Kalman filters.

Der erste und der zweite Parametersatz können beispielsweise durch einen ersten und zweiten Datensatz repräsentiert sein, welche im nicht flüchtigen Speicher der Auswerteeinheit persistent abgelegt sind. Das auf der Auswerteeinheit ausgeführte Computerprogramm zur Berechnung der mehrstufigen Kalman-Filterung, kann die im nicht-flüchtigen Speicher abgelegten Datensätze zum Beispiel in einer Initialisierungsphase der Auswerteeinheit aus dem nicht-flüchtigen Speicher laden, um die Filterstrukturen des ersten und zweiten Kalman-Filters für die nachfolgende Berechnung zu initialisieren. Zu diesem Zweck können die Parameter des ersten und zweiten Parametersatzes für einen schnellen Datenzugriff bevorzugt in eine erste und zweite Datenstruktur des an die Auswerteinheit angebundenen, flüchtigen Speichers geladen werden. Ein auf diese Weise initialisiertes, mehrstufiges Kalman-Filter ist nun in der Lage, die durch den ersten und den zweiten Parametersatz festgelegte Funktion des Filters auszuführen.The first and the second parameter set can be represented, for example, by a first and second data record which are stored persistently in the non-volatile memory of the evaluation unit. The computer program for calculating multistage Kalman filtering executed on the evaluation unit can load the data records stored in the non-volatile memory from the non-volatile memory, for example in an initialization phase of the evaluation unit, to obtain the filter structures of the first and second Kalman filters for the Kalman filter initialize subsequent calculation. For this purpose, the parameters of the first and second parameter set can preferably be loaded into a first and second data structure of the volatile memory connected to the evaluation unit for fast data access. A multi-stage Kalman filter initialized in this way is now able to perform the function of the filter determined by the first and second parameter sets.

Im Ansprechen auf sich verändernde Randbedingungen (z.B. Umwelteinflüsse auf ein zu filterndes erstes und/ oder zweites Signal) kann es vorteilhaft sein, wenn die zu erfüllende Funktion des mehrstufigen Kalman-Filters im Ansprechen auf diese veränderten Randbedingungen adaptiert werden kann. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem zusätzlich zum ersten und zweiten Parametersatz ein alternativer erster und ein alternativer zweiter Parametersatz im nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden, die sich jeweils vom ersten und zweiten Parametersatz unterscheiden. Am Beispiel der Regelung und/oder Steuerung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels auf Basis des Höhenstandssignals kann eine veränderte Randbedingung beispielsweise eine Veränderung eines durch das Fortbewegungsmittel überfahrenen Straßenbelags sein. Während der erste und zweite Parametersatz für die mehrstufige Kalman-Filterung des Höhenstandssignals an die Oberfläche eines durchschnittlichen Straßenbelags angepasst sein können, kann eine davon abweichende Oberfläche eines Straßenbelags (beispielsweise aufgrund einer sehr rauen, welligen oder beschädigten Oberfläche) zu deutlich schlechteren Filterergebnissen durch die mehrstufige Kalman-Filterung führen. Dies kann sich entsprechend negativ auf die Steuerung und/oder Regelung der Fahrdynamik auswirken.In response to changing boundary conditions (e.g., environmental influences on a first and / or second signal to be filtered), it may be advantageous if the function to be performed of the multi-stage Kalman filter can be adapted in response to these altered boundary conditions. This can be accomplished, for example, by storing, in addition to the first and second parameter sets, an alternative first and an alternative second parameter set in the non-volatile memory, which differ in each case from the first and second parameter set. Using the example of the regulation and / or control of driving dynamics of the means of locomotion on the basis of the ride height signal, an altered boundary condition may be, for example, a change in a road surface run over by the means of transportation. While the first and second parameter set for Kalman multi-level filtering of the ride height signal may be adapted to the surface of an average road surface, a different surface of a road surface (for example due to a very rough, wavy or damaged surface) may result in significantly poorer filtering results due to the multi-stage Lead Kalman filtering. This can have a correspondingly negative effect on the control and / or regulation of the driving dynamics.

Um diesem Problem entgegenzuwirken können der erste alternative und der zweite alternative Parametersatz entsprechende Konfigurationen umfassen, die eine Anpassung der mehrstufigen Kalman-Filterung an beispielsweise einen veränderten Straßenbelag ermöglichen. Sobald eine solche Veränderung von Randbedingungen festgestellt wird, die sich negativ auf das Filterverhalten auswirken können, kann durch die Auswerteinheit der alternative erste und/oder zweite Parametersatz aus dem nicht-flüchtigen Speicher an die Stelle der ersten und zweiten Datenstruktur im flüchtigen Speicher geladen werden, wodurch der erste und zweite Parametersatz ersetzt werden. Die nachfolgenden Berechnungen durch das mehrstufige Kalman-Filter basieren entsprechend auf den alternativen Parametersätzen und ermöglichen somit eine an die jeweiligen Randbedingungen angepasste Filterung.To counteract this problem, the first alternative and the second alternative parameter set may include corresponding configurations that allow adaptation of the multi-level Kalman filtering to, for example, a modified pavement. As soon as such a change of boundary conditions is detected, which can have a negative effect on the filter behavior, the evaluation unit may load the alternative first and / or second parameter set from the non-volatile memory into the location of the first and second data structure in the volatile memory, whereby the first and second parameter set are replaced. The subsequent calculations by the multistage Kalman filter are based on the alternative parameter sets and thus allow for filtering adapted to the respective boundary conditions.

Auf diese Weise lassen sich weitere alternative Parametersätze für eine Vielzahl von denkbaren veränderten Randbedingungen erstellen, die im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation entsprechend adaptiert werden können. Das Adaptieren der Parametersätze kann beispielsweise im Ansprechen auf eine durch einen weiteren Sensor erfasste Umweltsituation und/oder Fahrsituation erfolgen und/oder durch eine Bewertung der Qualität des Ausgangssignals des mehrstufigen Kalman-Filters selbst. Eine veränderte Umweltsituation kann sich zum Beispiel auf den Erfassungsbereich eines Umfeldsensors des Fortbewegungsmittels auswirken, wenn dieser beispielsweise durch auftretenden Regen oder Nebel eingeschränkt und/oder gestört wird.In this way, further alternative parameter sets for a plurality of conceivable changed boundary conditions can be created, which can be adapted accordingly in response to a predefined event and / or a driving situation and / or an environmental situation. The adaptation of the parameter sets can be carried out, for example, in response to an environmental situation and / or driving situation detected by a further sensor and / or by an evaluation of the quality of the output signal of the multi-stage Kalman filter itself. A changed environmental situation can, for example, affect the detection range of an environmental sensor of the means of locomotion, if this is restricted and / or disturbed, for example, by occurring rain or fog.

Darüber hinaus kann auch ein vordefiniertes Ereignis, wie eine über ein Bedienelement getätigte Benutzereingabe, zu einem Adaptieren der Parametersätze führen. So kann beispielsweise eine auf diese Weise durch den Benutzer ausgelöste Fahrmodusänderung (z.B. Wechsel von einem Komfort- zu einem Sport-Modus) des Fortbewegungsmittels eine Anpassung der Parametersätze bewirken, um den gewählten Fahrmodus zu realisieren oder zu unterstützen. In addition, a predefined event, such as a user input made via a control element, can also lead to an adaptation of the parameter sets. Thus, for example, a driving mode change (eg change from a comfort mode to a sports mode) of the means of locomotion triggered in this way by the user can bring about an adaptation of the parameter sets in order to realize or support the selected driving mode.

Die das erste und zweite Element zur Selektion und Gewichtung beschreibenden Parameter zur Gewichtung und Selektion können ebenfalls Bestandteil des ersten und/oder zweiten Parametersatzes bzw. des alternativen ersten und zweiten Parametersatzes sein. Durch einen geeigneten Zugriff auf die Datenstrukturen, welche die Parametersätze im Speicher repräsentieren, können die Parameter zur Gewichtung und/oder Selektion und/oder zur Anpassung der Konfiguration der Kalman-Filter einzeln oder in beliebigen Kombinationen adaptiert werden.The parameters for weighting and selection describing the first and second elements for selection and weighting can likewise be part of the first and / or second parameter set or of the alternative first and second parameter set. By suitable access to the data structures which represent the parameter sets in the memory, the parameters for weighting and / or selection and / or adaptation of the configuration of the Kalman filters can be adapted individually or in any desired combinations.

Das Adaptieren der Parametersätze kann im laufenden Betrieb der Auswerteeinheit und der mit ihr über das Bordnetz verbundenen Komponenten im Fortbewegungsmittel erfolgen. Eine Veränderung des ersten und zweiten Parametersatzes des ersten und zweiten Kalman-Filters ist üblicherweise mit einer Einschwingphase des mehrstufigen Kalman-Filters verbunden, wodurch das Ausgangssignal des Filters für einen gewissen Zeitraum nach dem Adaptieren der Parametersätze, ungenaue oder unbrauchbare Werte liefert. Die Dauer der Einschwingphase ist abhängig von der Ausgestaltung des mehrstufigen Kalman-Filters. Im Zusammenhang mit der Berechnung des Vertikalbeschleunigungssignals aus dem Höhenstandssignal des Fortbewegungsmittels liegt diese ungefähr in einem Bereich von 1 ms bis 3 ms. Bevorzugt ist ein Empfänger des Ausgangssignals des mehrstufigen Kalman-Filters so eingerichtet, dass er eine solche auftretende Einschwingphase des mehrstufigen Kalman-Filters hinsichtlich einer unterbrechungsfreien Aufrechterhaltung einer bestimmten Funktionalität berücksichtigt.The parameter sets can be adapted during operation of the evaluation unit and the components connected to it via the electrical system in the means of transportation. A change in the first and second parameter set of the first and second Kalman filter is usually associated with a transient phase of the multi-stage Kalman filter, whereby the output signal of the filter for a certain period of time after adapting the parameter sets, inaccurate or unusable values. The duration of the transient phase depends on the configuration of the multistage Kalman filter. In connection with the calculation of the vertical acceleration signal from the height signal of the means of locomotion, this lies approximately in a range of 1 ms to 3 ms. Preferably, a receiver of the output signal of the multistage Kalman filter is set up in such a way that it takes into account such an occurring transient phase of the multi-stage Kalman filter with regard to an uninterrupted maintenance of a specific functionality.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das erste Signal durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen, mehrstufigen Kalman-Filtern parallel gefiltert, und weiter umfassend erfolgt ein Auswählen des dritten Signals aus einer Mehrzahl parallel erzeugter dritter Signale anhand vordefinierter Kriterien. Mit anderen Worten kann das erste Signal in eine Mehrzahl von parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filtern eingespeist werden, die basierend auf dem ersten Signal und ihrer jeweiligen Konfiguration der Filterparameter unterschiedliche Filterungen des ersten Signals durchführen. „Parallel angeordnet“ bedeutet im Zusammenhang mit einer prozessorgestützten Realisierung der Kalman-Filterung, dass die mittels eines Computerprogramms durchgeführten Filterungen basierend auf dem jeweiligen ersten Signal quasiparallel nacheinander berechnet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Berechnung für die Mehrzahl von parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filtern auch auf mehrere Kerne eines Mehrprozessorsystems im Sinne einer echten parallelen Berechnung aufgeteilt werden.In a further advantageous embodiment, the first signal is filtered in parallel by a plurality of different, multi-stage Kalman filters, and further comprising selecting the third signal from a plurality of parallel generated third signals on the basis of predefined criteria. In other words, the first signal may be fed into a plurality of parallel-connected Kalman multistage filters that perform different filtering of the first signal based on the first signal and their respective configuration of the filter parameters. In the context of a processor-assisted realization of Kalman filtering, "arranged in parallel" means that the filterings carried out by means of a computer program can be calculated quasi-parallel one after the other based on the respective first signal. Alternatively or additionally, the calculation for the plurality of parallel-arranged, multi-stage Kalman filters can also be divided into several cores of a multiprocessor system in the sense of a true parallel calculation.

Mittels eines der Mehrzahl mehrstufiger Kalman-Filter nachgelagerten Elements für eine Signalselektion kann zwischen den jeweiligen dritten Signalen der Mehrzahl der mehrstufigen Kalman-Filter umgeschaltet werden. So können beispielsweise die an einen jeweiligen Fahrmodus des Fortbewegungsmittels angepassten, unterschiedlichen Parametersätze jeweils auf die Mehrzahl der parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filter verteilt werden, um die jeweiligen dritten Signale gleichzeitig zu erzeugen. In Abhängigkeit einer Benutzereingabe für einen gewünschten Fahrmodus kann das nachgelagerte Element zur Selektion das für den gewünschten Fahrmodus geeignete dritte Signal aus der Mehrzahl der dritten Signale auswählen und an eine dem mehrstufigen Kalman-Filter nachgelagerte Komponente im Bordnetz des Fortbewegungsmittels übertragen. Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Parametersätze der parallel angeordneten Kalman-Filter den Filtern nicht dauerhaft fest zugeordnet sein müssen. Stattdessen ist auch hier die Möglichkeit gegeben, die Parametersätze eines oder mehrerer parallel angeordneter Kalman-Filter durch zusätzliche alternative Parametersätze auszutauschen.By means of one of the plurality of multi-stage Kalman filter downstream element for a signal selection can be switched between the respective third signals of the plurality of multi-stage Kalman filter. Thus, for example, the different parameter sets adapted to a respective driving mode of the means of locomotion can each be distributed to the plurality of parallel-arranged, multi-stage Kalman filters in order to generate the respective third signals simultaneously. Depending on a user input for a desired driving mode, the downstream element for selection can select the appropriate for the desired driving mode third signal from the plurality of third signals and transmitted to a multi-stage Kalman filter downstream component in the electrical system of the means of transport. It should be noted that the parameter sets of the Kalman filters arranged in parallel do not have to be permanently permanently assigned to the filters. Instead, it is also possible here to exchange the parameter sets of one or more parallel Kalman filters with additional alternative parameter sets.

Ein weiterer Vorteil der parallel angeordneten Kalman-Filter liegt darin, dass das nachgelagerte Element zur Selektion des dritten Signals über eine erweiterte Funktionalität verfügen kann, die es erlaubt, im Zuge eines Umschaltens von einem der Mehrzahl von dritten Signalen zu einem anderen der Mehrzahl von dritten Signalen eine geeignete Verrechnung der beiden dritten Signale zu einem resultierenden dritten Signal durchzuführen. Auf diese Weise kann innerhalb eines vordefinierten Umschaltzeitraums ein gleitender Übergang von einem der Mehrzahl von dritten Signalen zu einem anderen der Mehrzahl von dritten Signalen realisiert werden. Dies kann für einen nachgelagerten Empfänger des resultierenden dritten Signals von Vorteil sein, falls ein abruptes Umschalten zwischen zwei dritten Signalen im Empfänger zu Funktionseinschränkungen führt.Another advantage of the Kalman filters arranged in parallel is that the downstream element for selecting the third signal may have enhanced functionality that allows switching from one of the plurality of third signals to another of the plurality of third ones Signals to perform a suitable billing of the two third signals to a resulting third signal. In this way, within a predefined switching period, a smooth transition from one of the plurality of third signals to another of the plurality of third signals can be realized. This may be advantageous for a downstream receiver of the resulting third signal if abrupt switching between two third signals in the receiver results in functional limitations.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das nachgelagerte Element zur Selektion des dritten Signals ein resultierendes, drittes Signal in Form eines Multiplexsignals aus einer Mehrzahl von dritten Signalen erstellt und dem Empfänger des dritten Signals auf diese Weise eine Mehrzahl unterschiedlicher Filterergebnisse auf Basis des ersten Signals zur Verfügung stellt.
Eine Realisierung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen des mehrstufigen Kalman-Filters auf Basis eines Prozessors, eines digitalen Signalprozessors, oder eines Mikrocontrollers, kann stets so umgesetzt werden, dass sie die Anforderungen an ein Echtzeit-System erfüllen, da die für das Kalman-Filter notwendigen Berechnungsschritte deterministisch sind.
In addition, it is also conceivable that the downstream element for selecting the third signal creates a resulting, third signal in the form of a multiplex signal of a plurality of third signals and the receiver of the third signal in this way a plurality of different filter results based on the first signal provides.
A realization of one or more of the above-described configurations of the multi-stage Kalman filter on the basis of a processor, a digital signal processor, or a microcontroller can always be implemented in such a way that it meets the requirements of a real-time system, since the Filter necessary calculation steps are deterministic.

Auch wenn sich die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die vorteilhaften Ausgestaltungen im Sinne der Übersichtlichkeit vorwiegend auf den Einsatzbereich einer Filterung eines Höhenstandssignals eines Rades beziehen, ist das Verfahren nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt. Vielmehr ist das mehrstufige Kalman-Filter geeignet, eine Vielzahl von Anwendungen im Stand der Technik zu verbessern, indem ein dort eingesetztes herkömmliches Kalman-Filter durch das erfindungsgemäße mehrstufige Kalman-Filter ersetzt wird. Die in Abhängigkeit einer konkreten Aufgabenstellung erzielbaren, deutlich kürzeren Laufzeitverzögerungen des mehrstufigen Kalman-Filters im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden, sind insbesondere im Zusammenhang mit zeitkritischen Anwendungen von besonderem Vorteil. So kann beispielsweise die Reaktionszeit bestehender Systeme zur Filterung von Bildsignalen und/oder Radarsignalen und/oder Ultraschallsignalen und/oder LIDAR-Signalen und/oder GPS-Tracking-Daten in einem Fortbewegungsmittel durch den Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters deutlich verbessert werden. Insbesondere im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen für ein automatisiertes Fahren und/oder für eine Kollisionsvermeidung kann der Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters somit eine Verbesserung der durch diese Systeme angestrebten Fahrsicherheit bzw. des Fahrkomforts bewirken.Although the above description of the method according to the invention and the advantageous embodiments for the sake of clarity relate primarily to the application of a filtering a ride height signal of a wheel, the method is not limited to this application. Rather, the multi-stage Kalman filter is capable of improving a variety of prior art applications by replacing a conventional Kalman filter employed therein with the multi-stage Kalman filter of the present invention. The achievable as a function of a specific task, significantly shorter propagation delays of the multi-stage Kalman filter compared to conventional filter methods are particularly in connection with time-critical applications of particular advantage. Thus, for example, the reaction time of existing systems for filtering image signals and / or radar signals and / or ultrasound signals and / or LIDAR signals and / or GPS tracking data in a means of locomotion can be significantly improved by using the multistage Kalman filter. In particular, in connection with driver assistance systems for automated driving and / or for collision avoidance, the use of the multi-stage Kalman filter can thus bring about an improvement in the driving safety or ride comfort desired by these systems.

Darüber hinaus sind, wie das Beispiel des Vertikalbeschleunigungssensors zeigt, Kosteneinsparungen durch den Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters möglich, da durch dessen Filtereigenschaften mitunter ein Entfall oder eine Vereinfachung bestehender Komponenten ermöglicht wird.
Ferner ist ein Ersetzen eines herkömmlichen Kalman-Filters durch das erfindungsgemäße mehrstufige Kalman-Filter in vielen Fällen auf einfache Art und Weise möglich, insbesondere, wenn das herkömmliche Kalman-Filter mittels eines auf einem Prozessor ausgeführten Computerprogramms eines Steuergeräts bzw. Systems umgesetzt ist. In einem solchen Fall lässt sich das herkömmliche Kalman-Filter durch ein im Vergleich zu einem Hardware-Tausch i.d.R. kostengünstiges Software-Update ersetzen, um die Leistungsfähigkeit eines bestehenden Steuergeräts bzw. Systems zu verbessern.
Moreover, as the example of the vertical acceleration sensor shows, cost savings are possible through the use of the multi-stage Kalman filter, as its filtering properties sometimes allow for elimination or simplification of existing components.
Further, replacement of a conventional Kalman filter by the multi-stage Kalman filter of the present invention is easily possible in many cases, particularly when the conventional Kalman filter is implemented by means of a computer program of a controller executed on a processor. In such a case, the conventional Kalman filter can be replaced by a software update, which is usually inexpensive compared to a hardware exchange, in order to improve the performance of an existing control unit or system.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteinheit, die beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, analoger Signalprozessor, Mikrocontroller, elektronisches Steuergerät, o.ä., ausgestaltet sein und Teil eines Steuergerätes des Fortbewegungsmittels sein kann. Die Auswerteeinheit verfügt über einen Dateneingang und einen Datenausgang, welche bevorzugt in Form einer digitalen Schnittstelle ausgestaltet sind. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, in Verbindung mit dem Dateneingang das erste Signal mittels eines eine erste Stufe repräsentierenden Kalman-Filters zur Erzeugung eines zweiten Signals zu filtern und das zweite Signal mittels eines eine zweite Stufe repräsentierenden, zweiten Kalman-Filters zur Erzeugung eines dritten Signals zu filtern. Das erste und das zweite Kalman-Filter können beispielsweise in Form eines auf der Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms realisiert werden, das die einzelnen, für die Filterung erforderlichen Berechnungsschritte durchführt. Darüber hinaus kann an die Auswerteeinheit ein nicht flüchtiger Speicher u.a. zur Speicherung der Filterparametersätze des mehrstufigen Kalman-Filters angebunden sein. Ferner kann an die Auswerteeinheit auch ein flüchtiger Speicher u.a. für einen schnellen Zugriff auf die Filterparameter angebunden sein, die beispielsweise in einer Initialisierungsphase der Auswerteeinheit vom nicht-flüchtigen in den flüchtigen Speicher übertragen werden können. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, das dritte Signal über den Datenausgang auszugeben.According to a second aspect, an inventive device for filtering a first signal in the electrical system of a means of transport is proposed. The device comprises an evaluation unit, which may be designed, for example, as a processor, digital signal processor, analog signal processor, microcontroller, electronic control unit, or the like, and may be part of a control device of the means of locomotion. The evaluation unit has a data input and a data output, which are preferably configured in the form of a digital interface. Furthermore, the evaluation unit is set up to filter the first signal in conjunction with the data input by means of a Kalman filter representing a first stage to generate a second signal and the second signal by means of a second Kalman filter representing a second stage to generate a third one To filter signals. The first and the second Kalman filters can be realized, for example, in the form of a computer program executed on the evaluation unit, which performs the individual calculation steps required for the filtering. In addition, a non-volatile memory u.a. be attached to store the filter parameter sets of the multi-stage Kalman filter. Furthermore, a volatile memory u.a. be connected for quick access to the filter parameters that can be transmitted from the non-volatile to the volatile memory, for example, in an initialization phase of the evaluation. Furthermore, the evaluation unit is set up to output the third signal via the data output.

Die Ausführungen zu den obigen Merkmalen können sinngemäß auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen werden, weshalb bezüglich der Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen der Vorrichtung auf die oben Ausführungen verwiesen wird.The remarks on the above features can be analogously transferred to the device according to the invention, which is why reference is made to the above statements regarding the advantages, features and combinations of features of the device.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst- und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a third aspect of the present invention, there is proposed a means of transportation comprising a device according to the second aspect of the invention. The features, combinations of features as well as the advantages resulting therefrom correspond to those embodied in connection with the first and second aspects of the invention so apparent that reference is made to the above statements to avoid repetition.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

  • 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel;
  • 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen ersten Stufe eines mehrstufigen Kalman-Filters;
  • 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters;
  • 5 ein Beispiel eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Berechnung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades aus einem Höhenstandssignal des Rades;
  • 6 ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen Filterung mit einem zweifachen Differenzierer in Kombination mit einem FIR-Filter 14-ter Ordnung; und
  • 7 ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filterung.
Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:
  • 1 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention;
  • 2 a schematic overview of components of a device according to the invention in conjunction with a means of locomotion;
  • 3 a block diagram of a first stage of a multi-stage Kalman filter according to the invention;
  • 4 a block diagram of a multi-stage Kalman filter according to the invention;
  • 5 an example of a multi-stage Kalman filter for calculating a vertical acceleration of a wheel from a ride height signal of the wheel;
  • 6 a timing diagram for comparing a two-stage Kalman filtering with a conventional filtering with a dual differentiator in combination with a 14th order FIR filter; and
  • 7 a timing diagram for comparing a two-stage Kalman filtering with a conventional, single-stage Kalman filtering.

1 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals S im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels 80. Dabei wird im ersten Schritt 100 ein erstes Signal S mittels eines Höhenstandssensors 30 eines Rades des Fortbewegungsmittels 80 erzeugt und mittels eines eine erste Stufe 42 repräsentierenden ersten Kalman-Filters 46 zur Erzeugung eines zweiten Signals S' gefiltert. Das erste Kalman-Filter 46 verfügt über einen ersten Parametersatz, der die Eigenschaften bzw. die Funktionsweise des ersten Kalman-Filters 46 vollständig beschreibt. Der erste Parametersatz ist derart dimensioniert, dass durch die Filterung des Höhenstandssignals durch das erste Kalman-Filter 46 ein geglättetes Signal einer Vertikalgeschwindigkeit des Rades erzeugt wird, die das zweite Signal S' repräsentiert. Eine erfindungsgemäße Eigenschaft des auf diese Weise erzeugten zweiten Signals S' ist eine im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden deutlich reduzierte Laufzeitverzögerung des zweiten Signals S'. Im zweiten Schritt 200 wird das zweite Signal S' mittels eines eine zweite Stufe 44 repräsentierenden zweiten Kalman-Filters 48 zur Erzeugung eines dritten Signals S" gefiltert. Das zweite Kalman-Filter 48 verfügt über einen zweiten Parametersatz, der die Eigenschaften bzw. die Funktionsweise des zweiten Kalman-Filters 48 vollständig beschreibt. Der zweite Parametersatz ist derart dimensioniert, dass durch die Filterung des Vertikalgeschwindigkeitssignals durch das zweite Kalman-Filter 48, ein geglättetes Signal einer Vertikalbeschleunigung des Rades erzeugt wird, welches das dritte Signal S" repräsentiert. Eine erfindungsgemäße Eigenschaft des auf diese Weise erzeugten dritten Signals S" ist eine im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden abermals deutlich reduzierte Laufzeitverzögerung des dritten Signals S". 1 shows steps of an embodiment of a method according to the invention for the multi-stage filtering of a first signal S in the electrical system of a means of transport 80 , It will be in the first step 100 a first signal S by means of a level sensor 30 a wheel of means of transport 80 generated and by means of a first stage 42 representing the first Kalman filter 46 for generating a second signal S ' filtered. The first Kalman filter 46 has a first set of parameters that describes the features and functionality of the first Kalman filter 46 completely describes. The first parameter set is dimensioned such that by the filtering of the level signal by the first Kalman filter 46 a smoothed signal of a vertical velocity of the wheel is generated, which is the second signal S ' represents. An inventive property of the second signal generated in this way S ' is a significantly reduced propagation delay of the second signal compared to conventional filter methods S ' , At the second step 200 becomes the second signal S ' by means of a second stage 44 representing the second Kalman filter 48 for generating a third signal S " filtered. The second Kalman filter 48 has a second set of parameters that describes the characteristics and operation of the second Kalman filter 48 completely describes. The second parameter set is dimensioned such that by the filtering of the vertical velocity signal by the second Kalman filter 48 , a smoothed signal of vertical acceleration of the wheel is generated, which is the third signal S " represents. An inventive property of the third signal generated in this way S " is again significantly reduced in comparison to conventional filter methods propagation delay of the third signal S " ,

2 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, welche wiederum einen Prozessor zur Ausführung eines Computerprogramms umfasst. Das auf dem Prozessor ausgeführte Computerprogramm realisiert eine erste Stufe 42 und eine zweite Stufe 44 eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Filterung eines Höhenstandssignals eines Höhenstandssensors 30 eines Rades des Fortbewegungsmittels 80. Des Weiteren verfügt die Auswerteinheit 10 über einen Dateneingang 12, über den sie das Höhenstandssignal des Höhenstandssensors 30 über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels 80 in Form eines digitalen Signals empfängt. Darüber hinaus sind an die Auswerteeinheit 10 ein flüchtiger Speicher 20 und ein nicht-flüchtiger Speicher 22 angebunden. Der nicht-flüchtige Speicher umfasst u.a. einen das erste Kalman-Filter 46 beschreibenden ersten Parametersatz und einen das zweite Kalman-Filter 48 beschreibenden zweiten Parametersatz. Diese werden in einer Initialisierungsphase der Auswerteinheit 10 in den flüchtigen Speicher 22 übertragen und von dort aus durch das Computerprogramm für die Berechnung der Filterung des ersten Kalman-Filters 46 und des zweiten Kalman-Filters 48 verwendet. Ferner umfasst die Auswerteeinheit 10 einen Datenausgang 14, über den sie das durch das mehrstufige Kalman-Filter gefilterte Höhenstandsignal in Form eines Vertikalbeschleunigungssignals des Rades an ein Steuerungssystem für eine Fahrdynamik 35 des Fortbewegungsmittels 80 ausgibt. 2 shows a schematic overview of components of a device according to the invention in conjunction with a means of transport 80 , The device comprises an evaluation unit 10 which in turn comprises a processor for executing a computer program. The computer program executed on the processor implements a first stage 42 and a second stage 44 a multi-stage Kalman filter for filtering a level signal of a level sensor 30 a wheel of means of transport 80 , Furthermore, the evaluation unit has 10 via a data input 12 , via which they read the level signal of the level sensor 30 via the electrical system of the means of transport 80 in the form of a digital signal. In addition, to the evaluation unit 10 a volatile memory 20 and a non-volatile memory 22 tethered. The non-volatile memory includes, among others, the first Kalman filter 46 descriptive first parameter set and a second Kalman filter 48 descriptive second parameter set. These are in an initialization phase of the evaluation unit 10 in the volatile memory 22 and from there by the computer program for calculating the filtering of the first Kalman filter 46 and the second Kalman filter 48 used. Furthermore, the evaluation unit comprises 10 a data output 14 via which it transmits the altitude signal filtered by the multistage Kalman filter in the form of a vertical acceleration signal of the wheel to a control system for driving dynamics 35 of the means of transport 80 outputs.

3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen n-ten Stufe 45 eines mehrstufigen Kalman-Filters, in welchem die n-te Stufe 45 ein zu filterndes Eingangssignal SE empfängt. Der Aufbau der dargestellten n-ten Stufe 45 steht beispielhaft für eine beliebige Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters, da der grundsätzliche Aufbau der unterschiedlichen Stufen bevorzugt identisch ist. Die erfindungsgemäße n-te Stufe 45 setzt sich aus einem n-ten Kalman-Filter 49, einem Element zur Selektion und Gewichtung 74 und einer Ausgangsmatrix Ỹn zusammen. Das Eingangssignal SE setzt sich aus einem Messvektor z 0

Figure DE102018203802A1_0001
und einem Steuerungsvektor u
Figure DE102018203802A1_0002
zusammen, welche von einem technischen Prozess 70 stammen. Der Index k kennzeichnet die Werte der Variablen zum Zeitpunkt tk. Die weiteren Eingangsgrößen z 1 z n 2 , z n 1
Figure DE102018203802A1_0003
sind Ausgangsgrößen vorangegangener n-1 Kalman-Stufen. Mittels des Elements zur Selektion und Gewichtung 74 wird aus den verfügbaren Eingangsgrößen eine Auswahl tatsächlich benötigter Eingangsgrößen für die Kalman-Filterung getroffen. Die ausgewählten Eingangsgrößen werden anschließend durch das Element zur Selektion und Gewichtung 74 gewichtet und zum Vektor z n*
Figure DE102018203802A1_0004
kombiniert, welcher anschließend dem n-ten Kalman-Filter 49 zugeführt wird. Der Messvektor z 0 ,
Figure DE102018203802A1_0005
der Steuerungsvektor u
Figure DE102018203802A1_0006
und die Vektoren z 1 z n 2 , z n 1
Figure DE102018203802A1_0007
werden in der n-ten Kalman-Stufe 45 sowohl durch das n-te Kalman-Filter 49 verarbeitet, als auch an den Ausgang der n-ten Stufe 45 unverändert durchgeschleift und bilden in Kombination mit dem in der n-ten Stufe 45 erzeugten Vektor z n
Figure DE102018203802A1_0008
das Ausgangssignal SA der n-ten Stufe 49. 3 shows a block diagram of an n-th stage according to the invention 45 a multi-stage Kalman filter in which the nth stage 45 an input signal to be filtered S E receives. The structure of the illustrated nth stage 45 is exemplary of any stage of the multi-stage Kalman filter, since the basic structure of the different stages is preferably identical. The nth stage according to the invention 45 consists of an nth Kalman filter 49 , an element for selection and weighting 74 and an output matrix Ỹ n together. The input signal S E is made up of a measuring vector z 0
Figure DE102018203802A1_0001
and a control vector u
Figure DE102018203802A1_0002
together, which of a technical process 70 come. The index k identifies the values of the variables at time t k . The other input variables z 1 ... z n - 2 . z n - 1
Figure DE102018203802A1_0003
are output quantities of previous n-1 Kalman stages. By means of the element for selection and weighting 74 will be out of the available inputs a selection of actually required inputs for the Kalman filtering made. The selected input variables are then passed through the element for selection and weighting 74 weighted and to the vector z n *
Figure DE102018203802A1_0004
which then follows the nth Kalman filter 49 is supplied. The measurement vector z 0 .
Figure DE102018203802A1_0005
the control vector u
Figure DE102018203802A1_0006
and the vectors z 1 ... z n - 2 . z n - 1
Figure DE102018203802A1_0007
be in the nth Kalman level 45 both through the nth Kalman filter 49 processed as well as to the output of the nth stage 45 passed through unchanged and form in combination with that in the nth stage 45 generated vector z n
Figure DE102018203802A1_0008
the output signal S A the nth level 49 ,

4 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters, welches sich aus mehreren kaskadierten Stufen der in 3 beschriebenen n-ten Stufe 45 zusammensetzt. Eine erste Stufe 42 des mehrstufigen Kalman-Filters umfasst ein erstes Kalman-Filter 46 und ein (nicht dargestelltes) Element zu Selektion und Gewichtung 49 und empfängt ein erstes Signal S. Das erste Signal S setzt sich aus einem Messvektor z 0

Figure DE102018203802A1_0009
und einem Steuerungsvektor u
Figure DE102018203802A1_0010
zusammen, welches nach einer Selektion und Gewichtung des Messvektors durch das erste Kalman-Filter 46 gefiltert wird. Das Signal S resultiert nach der Filterung in einem zweiten Signal S', welches sowohl die Eingangsgrößen der ersten Stufe 42, als auch den durch das erste Kalman-Filter 46 erzeugten Vektor z 1
Figure DE102018203802A1_0011
enthält. Das zweite Signal S' wird anschließend einer zweiten Stufe 44 des mehrstufigen Kalman-Filters zugeführt und dort analog zur ersten Stufe durch das zweite Kalman-Filter 48 gefiltert. Das zweite Signal S' resultiert nach der Filterung durch das zweite Kalman-Filter 48 in einem dritten Signal S", welches sowohl die Eingangsgrößen der zweiten Stufe, als auch den durch das zweite Kalman-Filter 48 erzeugten Vektor z 2
Figure DE102018203802A1_0012
enthält. Analog zur Verarbeitung in der ersten Stufe 42 und der zweiten Stufe 44 des erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters, kann das dritte Signal S" zur Filterung in eine weiter, n-te Stufe 45 mit einem n-ten Kalman-Filter 49 und ggf. weiteren kaskadierten Stufen zugeführt werden. 4 shows a block diagram of a multi-stage Kalman filter according to the invention, which consists of several cascaded stages of the in 3 described n-th stage 45 composed. A first step 42 The multi-stage Kalman filter includes a first Kalman filter 46 and an item (not shown) for selection and weighting 49 and receives a first signal S , The first signal S is made up of a measuring vector z 0
Figure DE102018203802A1_0009
and a control vector u
Figure DE102018203802A1_0010
which after selection and weighting of the measurement vector by the first Kalman filter 46 is filtered. The signal S results after filtering in a second signal S ' , which contains both the input variables of the first stage 42 , as well as the first Kalman filter 46 generated vector z 1
Figure DE102018203802A1_0011
contains. The second signal S ' then becomes a second stage 44 fed to the multi-stage Kalman filter and there analogous to the first stage by the second Kalman filter 48 filtered. The second signal S ' results after filtering by the second Kalman filter 48 in a third signal S " which includes both the second stage input and the second Kalman filter 48 generated vector z 2
Figure DE102018203802A1_0012
contains. Analogous to the processing in the first stage 42 and the second stage 44 the multi-stage Kalman filter according to the invention, the third signal S " for filtering in a further, nth stage 45 with an nth Kalman filter 49 and possibly further cascaded stages are supplied.

5 zeigt ein Beispiel eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Berechnung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades aus einem Höhenstandssignal des Rades. Ein von einem Rauschen 72 überlagerter technischer Prozess 70 ist hier eine vertikale Bewegung des Rads eines Fortbewegungsmittels. Auf das Rad wirkt eine unbekannte, vertikale Kraft FRad . Diese Kraft ändert die vertikalen Bewegungsgrößen des Rades, wie den zurückgelegten Weg, dessen Geschwindigkeit und Beschleunigung. Da die Kraft FRad in diesem Beispiel unbekannt ist und somit nicht als eigenständiges Messsignal vorliegt, kann sie auch nicht als ein die Kalman-Filterung unterstützender Steuerungsvektor u

Figure DE102018203802A1_0013
einfließen. Aus diesem Grund umfasst ein in die erste Stufe 42 des mehrstufigen Kalman-Filters einfließendes erstes Signal S hier ausschließlich den durch den Höhenstandssensor 30 ermittelten, verrauschten Messwert für einen durch das Rad in vertikaler Richtung zurückgelegten Weg sHSS . Nach der Filterung des ersten Signals S durch die erste Stufe 42 stehen am Ausgang der ersten Stufe 42 die gefilterten Größen für den zurückgelegten Weg des Rades s1 , die Vertikalgeschwindigkeit v1 und die Vertikalbeschleunigung a1 des Rades in Form eines zweiten Signals S' zur Verfügung. Durch die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften des mehrstufigen Kalman-Filters steht des Vertikalgeschwindigkeitssignal v1 am Ausgang der ersten Stufe 42 mit einer sehr geringen Laufzeitverzögerung zur Verfügung. Aus diesem Grund wird ausschließlich das Vertikalgeschwindigkeitssignal v1 des Signals S' in die zweite Stufe 44 eingespeist. Dies wird mittels eines Elements zur Selektion und Gewichtung 74 in der zweiten Stufe 44 erreicht, das nur das Vertikalgeschwindigkeitssignal v1 zum zweiten Kalman-Filter 48 der zweiten Stufe 44 passieren lässt. In der zweiten Stufe 44 erfolgt nun die Filterung des Vertikalgeschwindigkeitssignals v1 . Am Ausgang der zweiten Stufe 44 stehen anschließend die gefilterten Größen für den zurückgelegten Weg des Rades s2 , die Vertikalgeschwindigkeit v2 und die Vertikalbeschleunigung a2 in Form eines dritten Signals S" zur Verfügung. Das gewünschte Signal a2 , welches mit hinreichender Genauigkeit der tatsächlichen bzw. einer direkt gemessenen Vertikalbeschleunigung des Rades aRBS entspricht, wird anschließend an ein Steuerungs- und/oder Regelungssystem für eine Fahrdynamik 35 des Fortbewegungsmittels 80 zur weiteren Verarbeitung übertragen. 5 shows an example of a multi-stage Kalman filter for calculating a vertical acceleration of a wheel from a ride height signal of the wheel. One of a noise 72 superimposed technical process 70 Here is a vertical movement of the wheel of a means of locomotion. An unknown, vertical force acts on the wheel F wheel , This force changes the vertical motion of the wheel, such as the distance traveled, its speed and acceleration. Because the force F wheel is unknown in this example, and thus is not present as a stand-alone measurement signal, it also can not function as a control vector supporting Kalman filtering u
Figure DE102018203802A1_0013
incorporated. For this reason, one includes in the first stage 42 the multi-stage Kalman filter flowing first signal S here exclusively by the level sensor 30 determined, noisy measured value for a path traveled by the wheel in the vertical direction s HSS , After filtering the first signal S through the first stage 42 stand at the exit of the first stage 42 the filtered sizes for the distance traveled by the wheel s 1 , the vertical speed v 1 and the vertical acceleration a 1 of the wheel in the form of a second signal S ' to disposal. Due to the above-described advantageous properties of the multi-stage Kalman filter is the vertical speed signal v 1 at the exit of the first stage 42 with a very low propagation delay available. For this reason, only the vertical speed signal is used v 1 the signal S ' in the second stage 44 fed. This is done by means of an element for selection and weighting 74 in the second stage 44 achieved that only the vertical speed signal v 1 to the second Kalman filter 48 the second stage 44 lets happen. In the second stage 44 Now the filtering of the vertical speed signal takes place v 1 , At the output of the second stage 44 are then the filtered sizes for the distance traveled by the wheel s 2 , the vertical speed v 2 and the vertical acceleration a 2 in the form of a third signal S " to disposal. The desired signal a 2 which with sufficient accuracy of the actual or a directly measured vertical acceleration of the wheel a RBS is then connected to a control and / or regulation system for a vehicle dynamics 35 of the means of transport 80 for further processing.

6 zeigt ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen Filterung mit einem zweifachen Differenzierer in Kombination mit einem FIR-Filter 14-ter Ordnung. Die mittels einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das basierend auf der herkömmlichen Filterung aus einem Höhenstandssignals eines Rades eines Fortbewegungsmittels 80 ermittelt wurde. Die mittels einer gepunkteten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das basierend auf dem mehrstufigen Kalman-Filter aus demselben Höhenstandssignals ermittelt wurde. Zwischen den beiden Signalen ist ein deutlicher Unterschied hinsichtlich ihrer Laufzeitverzögerungen erkennbar. Die herkömmliche Filterung weist bei einem mit dem zweistufigen Kalman-Filter vergleichbaren Glättungsverhalten im Vergleich zum zweistufigen Kalman-Filter eine deutliche Laufzeitverzögerung auf. 6 FIG. 12 is a timing diagram for comparing a two-stage Kalman filtering with a conventional two-way differentiator filtering in combination with a 14th order FIR filter. FIG. The curve shown by a solid line corresponds to a vertical acceleration signal based on the conventional filtering from a level signal of a wheel of a vehicle 80 was determined. The dotted line curve corresponds to a vertical acceleration signal obtained from the same level signal based on the multi-level Kalman filter. There is a clear difference between the two signals with regard to their propagation delays. The conventional filtering has a significant propagation delay in a smoothing behavior comparable to the two-stage Kalman filter compared to the two-stage Kalman filter.

7 zeigt ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filterung. Die mittels einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve entspricht einem durch einen Beschleunigungssensor gemessenen Vertikalbeschleunigungssignal eines Rades eines Fortbewegungsmittels. Die mittels einer gepunkteten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen, zweistufigen Kalman-Filters aus einem gemessenen Höhenstandssignal des Rades ermittelt wurde. Die mittels einer gestrichelten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das unter Verwendung eines herkömmlichen Kalman-Filters aus dem gemessenen Höhenstandssignal des Rades ermittelt wurde. Aus dem Diagramm ist weiter ersichtlich, dass das gemessene Vertikalbeschleunigungssignal und das durch das zweistufige Kalman-Filter ermittelte Vertikalbeschleunigungssignal im Vergleich zum Vertikalbeschleunigungssignal, dass durch das herkömmliche Kalman-Filter ermittelt wurde, nur minimale zeitliche Abweichungen in ihren Kurvenverläufen aufweisen. Aufgrund einer dem Kalman-Filter zugrundeliegenden Signalprädiktion ist es darüber hinaus möglich, dass der Signalverlauf des zweistufigen Kalman-Filters zu manchen Zeitpunkten dem gemessenen Signal vorauseilt. 7 shows a timing diagram for comparing a two-stage Kalman filtering with a conventional, single-stage Kalman filtering. The curve represented by a solid line corresponds to a vertical acceleration signal of a wheel of a traveling means measured by an acceleration sensor. The curve represented by a dotted line corresponds to a vertical acceleration signal which was determined using a two-stage Kalman filter according to the invention from a measured ride height signal of the wheel. The curve represented by a dashed line corresponds to a vertical acceleration signal which was determined using a conventional Kalman filter from the measured ride height signal of the wheel. It can also be seen from the diagram that the measured vertical acceleration signal and the vertical acceleration signal determined by the two-stage Kalman filter have only minimal temporal deviations in their curve progress compared to the vertical acceleration signal determined by the conventional Kalman filter. Due to a Kalman filter underlying signal prediction, it is also possible that the waveform of the two-stage Kalman filter at some times precedes the measured signal.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Auswerteeinheitevaluation
1212
Dateneingangdata input
1414
Datenausgangdata output
2020
flüchtiger Speichervolatile memory
2222
nicht flüchtiger Speichernon-volatile memory
3030
HöhenstandssensorLevel sensor
3535
Steuerungs- und/oder Regelungssystem für eine FahrdynamikControl and / or regulation system for driving dynamics
4040
mehrstufiges Kalman-FilterMulti-stage Kalman filter
4242
erste Stufefirst stage
4444
zweite Stufesecond step
4545
n-te Stufenth stage
4646
erstes Kalman-Filterfirst Kalman filter
4848
zweites Kalman-Filtersecond Kalman filter
4949
n-tes Kalman-Filternth Kalman filter
7070
technischer Prozesstechnical process
7272
Rauschensough
7474
Element zur Selektion und GewichtungElement for selection and weighting
8080
FortbewegungsmittelMeans
SS
erstes Signalfirst signal
S'S '
zweites Signalsecond signal
S"S "
drittes Signalthird signal
SE S E
Eingangssignalinput
SA S A
Ausgangssignaloutput
s1, s2 s 1 , s 2
Wegpath
v1, v2 v 1 , v 2
Geschwindigkeitspeed
a1, a2 a 1 , a 2
Beschleunigungacceleration
100, 200100, 200
Verfahrensschrittesteps

Claims (12)

Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend die Schritte: • Filtern des ersten Signals (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') und • Filtern des zweiten Signals (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S").Method for multi-stage filtering of a first signal (S) in the electrical system of a means of transport (80) comprising the steps: Filtering the first signal (S) by means of a first Kalman filter (46) representing a first stage (42) for generating a second signal (S ') and Filtering the second signal (S ') by means of a second Kalman filter (48) representing a second stage (44) for generating a third signal (S "). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterstrukturen des ersten Kalman-Filters (46) und des zweiten Kalman-Filters (48) identisch oder verschieden sind.Method according to Claim 1 wherein the filter structures of the first Kalman filter (46) and the second Kalman filter (48) are identical or different. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Stufen (42, 44, 45) des mehrstufigen Kalman-Filters (46, 48, 49) in analoger und/oder digitaler Form umgesetzt sind.Method according to one of the preceding claims, wherein the individual stages (42, 44, 45) of the multi-stage Kalman filter (46, 48, 49) are implemented in analog and / or digital form. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in die Filterung des zweiten Signals (S') zusätzlich das erste Signal (S) in das zweite Kalman-Filter (48) einfließt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the filtering of the second signal (S ') additionally the first signal (S) flows into the second Kalman filter (48). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • das erste Signal (S) ein Höhenstandssignal eines Rades des Fortbewegungsmittels (80) ist, • das zweite Signal (S') ein Signal einer Vertikalgeschwindigkeit des Rades ist, und • das dritte Signal (S") ein Signal einer Vertikalbeschleunigung des Rades ist.Method according to one of the preceding claims, wherein The first signal (S) is an altitude signal of a wheel of the means of locomotion (80), • the second signal (S ') is a signal of a vertical speed of the wheel, and • the third signal (S ") is a signal of a vertical acceleration of the wheel. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Signal (S) und/oder das zweite Signal (S') und/oder das dritte Signal (S") in ein System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik (35) des Fortbewegungsmittels (80) einfließt.Method according to one of the preceding claims, wherein the first signal (S) and / or the second signal (S ') and / or the third signal (S ") in a system for controlling and / or regulating a driving dynamics (35) of the means of locomotion (80) flows in. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend ein Adaptieren eines ersten Parametersatzes des ersten Kalman-Filters (46) und/oder eines zweiten Parametersatzes des zweiten Kalman-Filters (48) im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation.Method according to one of the preceding claims further comprising adapting a first parameter set of the first Kalman filter (46) and / or a second parameter set of the second Kalman filter (48) in response to a predefined event and / or a driving situation and / or an environmental situation. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Signal (S) durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen, mehrstufigen Kalman-Filtern parallel gefiltert wird, und weiter umfassend ein Auswählen des dritten Signals (S") aus einer Mehrzahl parallel erzeugter dritter Signale anhand vordefinierter Kriterien.The method of any one of the preceding claims, wherein the first signal (S) is filtered in parallel by a plurality of different multi-stage Kalman filters, and further comprising selecting the third signal (S ") from a plurality of parallel generated third signals according to predefined criteria , Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalman-Filterung in einem Echtzeit-System berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the Kalman filtering is calculated in a real-time system. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehrstufige Kalman-Filterung zur Filterung von Signalen im Bordnetz des Fortbewegungsmittels (80) und insbesondere zur Filterung von Bildsignalen und/oder Radarsignalen und/oder Ultraschallsignalen und/oder LIDAR-Signalen und/oder GPS-Tracking-Daten des Fortbewegungsmittels (80) eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the multi-stage Kalman filtering for filtering signals in the electrical system of the means of transport (80) and in particular for filtering image signals and / or radar signals and / or ultrasound signals and / or LIDAR signals and / or GPS tracking Data of the means of transport (80) is used. Vorrichtung zur Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend: • einen Dateneingang (12), • eine Auswerteeinheit (10), und • einen Datenausgang (14), wobei die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, • in Verbindung mit dem Dateneingang (12) das erste Signal (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') zu filtern, • das zweite Signal (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S") zu filtern, und • das dritte Signal (S") über den Datenausgang (14) auszugeben.Device for filtering a first signal (S) in the electrical system of a means of transport (80) comprising: A data input (12), • an evaluation unit (10), and A data output (14), wherein the evaluation unit (10) is set up, In conjunction with the data input (12) to filter the first signal (S) by means of a first Kalman filter (46) representing a first stage (42) for generating a second signal (S '), To filter the second signal (S ') by means of a second Kalman filter (48) representing a second stage (44) for generating a third signal (S "), and • Output the third signal (S ") via the data output (14). Fortbewegungsmittel (80) umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 10.Means (80) comprising a device according to Claim 10 ,
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