DE102019215581A1

DE102019215581A1 - Verfahren und System zum Lokalisieren eines unausgewuchteten Rads eines Fahrzeugs, ein System zum Lokalisieren des unausgewuchteten Rads, elektronische Steuereinheit und Speicherungsmedium

Info

Publication number: DE102019215581A1
Application number: DE102019215581.2A
Authority: DE
Inventors: Andrei-Stefan Cimponeriu; Gabriel Marin; Adrian Florin Stanciu; Zoltan Lorincz; Laurentiu Stancalie; Gabriel Goron
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-04-16
Also published as: EP3637078A1

Abstract

Verfahren zum Lokalisieren einer Unwucht eines Rads eines Fahrzeugs (100) unter Verwendung eines Vibrationssignals (G(ti)), wie es durch mindestens einen Vibrationssensor (200) bereitgestellt wird, und von Raddrehwinkeln (φ(t), wie sie durch entsprechende Raddrehwinkelsensoren (401÷404) bereitgestellt werden, wobei das Verfahren unter anderem die folgenden Schritte aufweist:S1 Messen des Vibrationssignals (G(ti)) bei ersten Abtastungszeiten (t), welches eine Summe der Vibrationssignale ist, die Radunwuchten entsprechen, wie sie an dem Ort der elektronischen Steuereinheit ECU (100) wahrgenommen werden und Amplituden Baufweisen, und gleichzeitiges Messen der Raddrehwinkel φ(t) für jedes Rad (n) bei zweiten Abtastungszeiten (t);S2 lineares Interpolieren der Raddrehwinkel (φ(t)) bei Zeiten (t), so dass die interpolierten Raddrehwinkel (φ(t)) jeder Abtastung des Vibrationssignals (G(t)) entsprechen;S5 Multiplizieren des Vibrationssignals (G(t)) mit dem Sinus und Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel (φ(t) für jedes Rad (n);S6 Berechnen der Vibrationsamplitude (B'(i))S7 Berechnen des Mittelwerts (µ) und der Standardabweichung (σ) der Vibrationsamplitude (B'(i));S8 Vergleichen des Werts von jeder Standardabweichung (σ), berechnet für die vorbestimmte Anzahl (N) von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer (D), mit einem vorbestimmten Schwellenwert der Standardabweichung (σ); für jedes Rad, wonach die Unwucht jedes Rades anhand der Standardabweichung selbst und/oder des Mittelwerts der Standardabweichung der Vibrationsamplitude bewertet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung von mindestens einem unausgewuchteten Rad eines Fahrzeugs, während Betriebs des Fahrzeugs, ein System zum Lokalisieren des unausgewuchteten Rads, eine elektronische Steuereinheit ECU, die ausgebildet ist zum Durchführen eines solchen Verfahrens, und ein Speicherungsmedium, das Code zum Durchführen eines solchen Verfahrens aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Ein unausgewuchtetes Rad ist ein dem Durchschnittsautofahrer gut bekanntes Problem. Durch Rad/Räder-Unwucht verursachte Vibrationen weisen Frequenzen auf, die gleich der Grundfrequenz oder Vielfachen der Umdrehungsfrequenz des Rads sind.
Neben der unbequemen Auswirkung der Vibrationen verursacht ein unausgewuchtetes Rad bzw. verursachen unausgewuchtete Räder erhöhte Verschleißraten an den Lenkungsverbindungen und den Reifen, was die Verkehrssicherheit aufs Spiel setzt.
Es wird allgemein angenommen, dass Rad-/Räderunwucht Vibrationen im Lenkrad des Fahrzeugs verursacht, die der Fahrer fühlen kann.
Allerdings wird Radunwucht aus manchen Gründen nicht immer vom Fahrer gefühlt, wie etwa: Lenkradvibrationen weisen eine oder mehrere Resonanzfrequenzen auf, von denen ein Teil nicht notwendigerweise Radunwucht betrifft, wie etwa beispielsweise, dass es bei 110 km/h möglicherweise starke Vibrationen gibt und keine bei 130 km/h; in anderen Fällen werden Lenkradoszillationen für neu ausgewuchtete Räder erkannt, wohingegen es im Falle eines künstlich unausgewuchteten Rads Geschwindigkeitsbereiche gab, in denen das Lenkrad überhaupt nicht vibrierte; letztlich gibt es im Falle autonomen Fahrens möglicherweise kein Lenkrad oder keinen Fahrer.
Darüber hinaus kann es in der Werkstatt Zeit, Aufwand und Geld sparen, wenn man den Ort des/der unausgewuchteten Rads/Räder kennt, ohne alle Räder am Fahrzeug abzumontieren. Es kann auch Informationen hinsichtlich des technischen Zustands und der Vorgeschichte des Fahrzeugs liefern, was insbesondere für Fahrzeugflotten, Mietfahrzeuge, autonome Fahrzeuge usw. nützlich ist.
Aus diesen Gründen sind verschiedene technische Lösungen das Problem des Erkennens von Radunwucht oder der Identifikation der Unwucht der Räder, während sich das Fahrzeug im Betrieb befindet, angegangen.
Ein Beispiel für ein Verfahren, das Fahrzeugräderunwucht angeht, ist in EPA 14464009.1 offenbart, veröffentlicht am 06.04.2016. In diesem Dokument, im Weiteren über diese Erfindung hinweg als „Dokument des Stands der Technik“ bezeichnet, wird ein Verfahren zum Detektieren der Unwucht eines Rads zusammen mit einer elektronischen Steuereinheit zum Durchführen des Verfahrens und einem Speicherungsmedium, das Code für ein solches Verfahren aufweist, bereitgestellt.
Das Dokument des Stands der Technik betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Unwucht eines Rads durch Auswerten von Signalen von Beschleunigungssensoren und Drehzahlsensoren. Insbesondere beinhaltet das Verfahren Schritte des Bestimmens einer Umdrehungsfrequenz des Rads auf der Grundlage der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit und des bekannten Radradius, und gleichzeitigen Messens eines Beschleunigungssignals, Berechnens eines Frequenzspektrums des Beschleunigungssignals, wobei das Frequenzspektrum eine Reihe von Amplituden aufweist, wobei jede Amplitude einer Frequenz entspricht, und Erkennens von Unwucht, wenn die Amplitude, die der geschwindigkeitsbasierten bestimmten Radumdrehungsfrequenz entspricht, einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Anhand des zuvor erwähnten allgemeinen Stands der Technik ist bekannt, dass eine Umdrehungsfrequenz eines Rads, das eine Unwucht aufweist, in einem Frequenzspektrum gemessen werden kann, das unter Verwendung eines typischen Beschleunigungssensors aufgezeichnet wird, und dass die Umdrehungsfrequenz, in den meisten Fällen, gegenüber anderen Vibrationen unterschieden werden kann, die beispielsweise durch einen Motor oder Straßenzustände verursacht werden, da die Umdrehungsfrequenz bekannt ist.
Die technische Lehre im Stand der Technik weist einige Nachteile auf:

- der erste Nachteil besteht darin, dass das Verfahren nur erkennt, ob eine Unwucht vorhanden ist, ohne zusätzliche Informationen hinsichtlich der Lokalisierung des unausgewuchteten Rads zu liefern;
- der zweite Nachteil besteht darin, dass das offenbarte Verfahren erfordert, dass das Fahrzeug eine konstante Geschwindigkeit hat. Die Anforderung für eine konstante Geschwindigkeit kommt von der Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) zum Bestimmen des Frequenzspektrums, einem Verfahren, das dafür bekannt ist, beste Ergebnisse zu liefern, wenn es auf eine konstante Geschwindigkeit des Fahrzeugs angewandt wird.

Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Das durch die Erfindung zu lösende Problem besteht darin, mindestens ein Rad eines Fahrzeugs, das unausgewuchtet ist oder synchron mit der Raddrehung aufgrund anderer Gründe, wie etwa Deformation, vibriert, während des Betriebs des Fahrzeugs zu lokalisieren, indem die bereits verfügbaren Informationen über das Fahrzeug verwendet werden, wie etwa unter anderem Autovibration-Raddrehwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei die Lokalisierung sowohl für konstante Geschwindigkeits- als auch variable Geschwindigkeitsbedingungen möglich ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Um das Problem zu lösen, haben die Erfinder als eine erste Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Lokalisieren einer Unwucht eines Rads eines Fahrzeugs während des Betriebs des Fahrzeugs konzipiert, ausgeführt in einer elektronischen Steuereinheit ECU unter Verwendung eines Vibrationssignals, wie es durch mindestens einen Vibrationssensor bereitgestellt wird, und von Raddrehwinkeln, wie sie durch entsprechende Raddrehwinkel-Messmittel bereitgestellt werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

S1 Messen des Vibrationssignals bei ersten Abtastungszeiten als eine Summe der Vibrationssignale, entsprechend wahrgenommenen Radunwuchten und Störungen an dem Ort der elektronischen Steuereinheit ECU, auf der Grundlage einer Amplitude und einer Phase des Vibrationssignals für jedes Rad, und gleichzeitiges Messen der Raddrehwinkel für jedes Rad bei zweiten Abtastungszeiten;
S2 lineares Interpolieren der Raddrehwinkel bei Zeiten, so dass die interpolierten Raddrehwinkel den Abtastungen des Vibrationssignals entsprechen;
S3 Bestimmen von ganzen Radumdrehungsperioden für jedes der Räder durch Vergleichen der laufenden Raddrehwinkel mit Vielfachen von 360° oder 2π Rad; S4 Berechnen des Sinus und des Kosinus für jeden der interpolierten Raddrehwinkel für jedes Rad;
S5 Multiplizieren des Vibrationssignals mit dem Sinus und dem Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel für jedes Rad;

S6 Berechnen der Vibrationsamplitude am Ort der elektronischen Steuereinheit ECU, wobei die Berechnung über vorbestimmte Zeiten für eine Gesamtanzahl einer vorbestimmten Anzahl von Iterationen oder eine vorbestimmte Dauer wiederholt wird;
S7 Berechnen des Mittelwerts und der Standardabweichung der Vibrationsamplitude;
S8 Vergleichen des Werts von jeder Standardabweichung, berechnet für die vorbestimmte Anzahl von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer, mit einem vorbestimmten Schwellenwert;
- - wenn jede Standardabweichung kleiner als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, wird eine erste Bedingung zur Lokalisierung von Unwucht erfüllt, und
- - falls eine der Standardabweichungen größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, dann werden die Schritte 1-7 wiederholt;
S9 für das Rad, für das die erste Lokalisierung einer Unwucht erfüllt ist,
- - Vergleichen des Werts des Mittelwerts der Vibrationsamplitude, berechnet für die vorbestimmte Anzahl von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer, mit einem vorbestimmten Schwellenmittelwert;
- - wenn der berechnete Mittelwert größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, wird auch die zweite Bedingung für Lokalisierung von Unwucht erfüllt und das entsprechende Rad wird als unausgewuchtet lokalisiert;
S10 für das Rad, für welches beide Lokalisierungsbedingungen erfüllt sind, Senden eines Warnsignals über den CAN-Bus an den Instrumententräger, um gemäß der Lokalisierung des unausgewuchteten Rads eine Warnung an den Fahrer oder eine Drittpartei auszugeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Lokalisierung des unausgewuchteten Rads in einem Fahrzeug zur Anwendung des Verfahrens bereitzustellen, das Folgendes aufweist:

- eine elektronische Steuereinheit ECU;
- mindestens einen Vibrationssensor;
- vier Räder, mit Indizes n=1÷4, entsprechend deren jeweiliger Position Vorne links VL; Vorne rechts VR; Hinten links HL; Hinten rechts HR, n (VL, VR, HL, HR); - mindestens vier Drehwinkelsensoren, mindestens einen entsprechend jedem Rad;
- mindestens eines der folgenden Systeme: Antiblockiersystem ABS, elektronisches Stabilitätsprogramm ESP oder ein beliebiges einem der zwei vorerwähnten Systeme äquivalentes System zum Zwecke des Messens der Raddrehwinkel;
- einen Kommunikationsbus, bevorzugt einen Controller-Area-Network(CAN)-Bus oder irgendein anderes Kommunikationsmittel, das in der Lage ist, die gemessenen Winkel an die ECU zu senden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine in einem Fahrzeug integrierte elektronische Steuereinheit ECU bereitzustellen, die zum Durchführen eines Verfahrens ausgebildet ist, wobei die ECU Folgendes aufweist:

- ein Mittel, eingerichtet zum Messen des Vibrationssignals bei ersten Abtastungszeiten, das die Summe der Vibrationssignale ist, die wahrgenommenen Radunwuchten und Störungen am Ort der elektronischen Steuereinheit ECU entsprechen, auf der Grundlage einer Amplitude und einer Phase des Vibrationssignals;
- ein Mittel, eingerichtet zum Empfangen der Messergebnisse der Raddrehwinkel für jedes Rad bei zweiten Abtastungszeiten;
- ein Mittel, eingerichtet zum linearen Interpolieren der Raddrehwinkel bei gewählten Zeiten, so dass die interpolierten Raddrehwinkel jeder Abtastung des Vibrationssignals entsprechen;
- ein Mittel, eingerichtet zum Bestimmen von ganzen Radumdrehungsperioden für jedes der Räder durch Vergleichen der laufenden Raddrehwinkel mit Vielfachen von 360° oder 2π Rad;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Sinus und des Kosinus für jeden der interpolierten Raddrehwinkel für jedes Rad;
- ein Mittel, eingerichtet zum Multiplizieren des Vibrationssignals mit dem Sinus und dem Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel für jedes Rad;
- ein Mittel, eingerichtet zum Integrieren/Summieren über ein Gleitfenster, bestehend aus einer Anzahl von vollen Perioden der Raddrehwinkel, der Sinus-Projektion und der Kosinus-Projektion der Vibrationskomponenten, die von jedem Rad kommen;
- ein Mittel, eingerichtet zum Bestimmen von Minimal- und Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit für dasselbe Zeitintervall bzw. dasselbe Gleitfenster, entsprechend der Integration;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen der Vibrationsamplitude aus den Sinus- und Kosinus-Projektionen;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Mittelwerts und der Standardabweichung der Vibrationsamplitude, berechnet über eine vorbestimmte Anzahl von Iterationen oder eine vorbestimmte Dauer;
- ein Mittel, eingerichtet zum Vergleichen für die vorbestimmte Anzahl von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer: zuerst der Standardabweichung der Vibrationsamplitude mit einem vorbestimmten Schwellenwert und dann des Werts von jedem Mittelwert der Vibrationsamplitude mit dem jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert;
- ein Mittel zum Kommunizieren mit dem CAN-Bus des Fahrzeugs;
- mindestens einen Arbeitsspeicher, der zum Durchführen der Berechnungen notwendig ist.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein nichtflüchtiges computerlesbares Speicherungsmedium bereitzustellen, das Code aufweist zum Veranlassen eines Prozessors, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Über die Erfindung hinweg kann die Lokalisierung zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrens und des Systems derart offenbart werden, dass sie sich auf ein einziges unausgewuchtetes Rad bezieht. Es versteht sich allerdings anhand der Spezifikation, der Ansprüche und der Zeichnungen, dass die Erfindung gleichzeitige Lokalisierung der Unwucht für alle Räder des Fahrzeugs liefern kann, so dass sie sich an alle Situationen anpassen kann, die sich in der Praxis ergeben, wenn die Unwucht möglicherweise mehr als ein Rad beeinträchtigt.
Der Drehwinkelsensor ist bevorzugt als ein Raddrehzahlsensor designt.
Die Vorteile der Erfindung
Die Hauptvorteile dieser Erfindung sind die folgenden:

- Der erste Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass sie das unausgewuchtete Rad bzw. die unausgewuchteten Räder lokalisieren kann, was im Gegensatz zu dem aktuellen Stand der Technik ist, bei dem die Unwucht erkannt wird, das unausgewuchtete Rad bzw. die unausgewuchteten Räder allerdings nicht lokalisiert wird/werden.
- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie keine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit erfordert, um Radunwucht(en) zu erkennen, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem eine Unwucht nur erkannt wird, während das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung, in manchen Ausführungsformen, nicht nur erlaubt, das unausgewuchtete Rad bzw. die unausgewuchteten Räder zu lokalisieren, sondern auch den Grad der Unwucht des Rads/der Räder zu bestimmen.
- Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Bestimmen des unausgewuchteten Rads bzw. der unausgewuchteten Räder ohne Abnehmen der Räder durchgeführt wird.
- Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Funktionsweise der Erfindung Informationen verwendet, die durch vorhandene Systeme und Untersysteme des Fahrzeugs gemessen werden und nicht notwendigerweise ausschließlich hierfür vorgesehene Komponenten benötigt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der Ansprüche unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, Tabellen und Graphen, wobei gleiche Bezugszeichen über die Figuren hinweg dieselbe Komponente kennzeichnen.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:

1a und 1b - schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems;
2 - Schritte 2 und 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 - Schritte 4 - 7 des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 - Schritte 8 und 9 des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 - Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens, namentlich Plots mit gemessenen und berechneten Daten, wie sie sich aus Tests ergaben, die unter Verwendung einer Unwuchtmasse von 60 g an dem HR-Rad bei im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit von 130 km/h vorgenommen wurden:
- 5a - Graphische Darstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit;
- 5b - Graphische Darstellung des Vibrationssignals G_z, gemessen von einem Beschleunigungsmesser, der die Vertikalachse misst;
- 5c - Graphische Darstellung der berechneten Amplituden Bn';
6 - Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens, namentlich Plots mit gemessenen und berechneten Daten, wie sie sich aus Tests ergaben, die unter Verwendung einer Unwuchtmasse von 60 g an dem HR-Rad bei variabler Geschwindigkeit zwischen 100 und 135 km/h vorgenommen wurden:
- 6a - Graphische Darstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit;
- 6b - Graphische Darstellung des Vibrationssignals G_z, gemessen von einem Beschleunigungsmesser, der die Vertikalachse misst;
- 6c - Graphische Darstellung der berechneten Amplituden Bn';
7 - Darstellung der Ergebnisse der Funktionsweise des Verfahrens der Erfindung:
- 7a - Graphische Darstellung eines Vergleichs zwischen der berechneten Unwucht für die in 5 und 6 dargestellten Fälle, jeweils für im Wesentlichen konstante gegenüber variabler Geschwindigkeit;
- 7b - Graphische Darstellung von Ergebnissen für einen Referenzfall, wenn alle Räder ausgewuchtet sind, bei 80, 110 und 130 km/h;
- 7c - Graphische Darstellung der Linearität der Ergebnisse gemäß dem Verfahren;
- 7d - Graphische Darstellung von Ergebnissen hinsichtlich Lokalisierung des unausgewuchteten Rads gemäß dem Verfahren.

Bezugszeichenliste

100 -: Elektronische Steuereinheit ECU/Airbag-Steuereinheit ACU;
200 -: Vibrationssensor;
300 -: Antiblockiersystem/Elektronisches Stabilitätsprogramm ABS/ESP;
401, 402, 403, 404 -: Drehwinkelsensoren;
CAN-Bus -: Controller-Area-Network-Bus;
VL -: Vorderrad links;
VR -: Vorderrad rechts;
HL -: Hinterrad links;
HR -: Hinterrad rechts; n = 1, 2, 3, 4 entspricht den Positionen der Räder VL, VR, HL, HR. Bei der Erfindung bedeutet Bezugnahme auf das Rad n durchweg Bezugnahme auf ein beliebiges der vier Räder, wohingegen auf ein bestimmtes Rad jeweils entweder über seine Nummer 1, 2, 3, 4 oder seine Position VL, VR, HL, HR Bezug genommen wird;
G(t) -: Vibrationssignal, gemessen durch den Vibrationssensor;
φ_n(t) -: Drehwinkelsignal des Rads n über Zeit t;
An -: Amplitude der Vibration des Rads n an der Stelle des jeweiligen Rads n;
an -: Phase der Vibration des Rads n an der Stelle des jeweiligen Rads n;
B_n -: Amplitude der Vibration des Rads n am Ort des Beschleunigungsmessers 200;
β_n -: Phase der Vibration des Rads n am Ort des Beschleunigungsmessers 200;
B'_n -: berechnete Amplitude der Vibration des Rads n am Ort des Vibrationssensors 200.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das Verfahren wird in Modulen, die in einer elektronischen Steuereinheit ECU 100 integriert sind, durch zum Ausführen der Schritte angepasste Mittel durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Lokalisierung des unausgewuchteten Rads auf automatischem Wege, während sich das Fahrzeug in Bewegung befindet, unter Verwendung der Informationen, die von Sensoren geliefert werden, die üblicherweise in dem Fahrzeug vorhanden sind: Vibrationssensor(en) und Raddrehwinkelsensoren.
Bezugnehmend auf 1a und 1b ist zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung ein einziger Vibrationssensor 200 enthalten, der entweder außerhalb der elektronischen Steuereinheit ECU 100 platziert sein kann, direkt mit derselben verbunden, wie in 1a) abgebildet ist, oder Teil einer elektronischen Steuereinheit ECU 100 sein kann, wie in 1b) abgebildet ist. Verwendung von zwei oder mehr Vibrationssensoren 200, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Fahrzeugs platziert sind, einschließlich im Innern der elektronischen Steuereinheit ECU 100, sollen auch als innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung befindlich betrachtet werden.
Darüber hinaus soll ein beliebiger Vibrationssensor, der in der Lage ist zum Wahrnehmen von Vibrationen, wie etwa ein Beschleunigungsmesser, ein Drucksensor, ein Mikrofon usw., als innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung befindlich betrachtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die Raddrehwinkel φ_n(t), typischerweise gemessen durch Raddrehzahlsensoren, die Systemen angehören, die bereits in Fahrzeugen der aktuellen Generation vorhanden sind, wie etwa ein Antiblockiersystem ABS oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm ESP, als 300 repräsentiert, oder ein beliebiges System mit Funktionen, die einem der zwei zuvor erwähnten Systeme äquivalent sind. Obgleich Verwendung bereits existierender Raddrehzahlsensoren ein Vorteil des Verfahrens ist, soll jeglicher andere Weg des Messens der Raddrehwinkel φ_n(t) als innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung befindlich betrachtet werden.
Die Ergebnisse der Messungen werden den anderen Systemen des Fahrzeugs über einen Kommunikationsbus, wie etwa den Controller-Area-Network(CAN)-Bus verfügbar gemacht.
Wenn das Rad n unausgewuchtet ist, erzeugt es ein Vibrationssignal. Aus Gründen der Einfachheit wird hier nur die Grundfrequenz betrachtet und das Vibrationssignal kann analytisch durch die folgende Gleichung repräsentiert werden: $a_{n} (t) = A_{n} cos (φ_{n} (t), + a_{n}), wobei n = 1 \div 4$
wobei An die Amplitude ist und an die Anfangsphase ist.
Wiederum unter Bezugnahme auf 1a und 1b breiten sich die Radvibrationen a_n(t), n=1÷4, charakterisiert durch A_n , an, über das Fahrzeug aus und weisen an dem Vibrationssensorort Amplituden B_n und Anfangsphasen β_n auf. Der Sensor misst die Summe der Vibrationen, die sich von den Rädern ausbreiten, plus Geräusch, das vom Reifen/Straße-Kontakt, dem Fahrzeugmotor und jeglichen anderen Prozessen im Fahrzeug herrührt: $G (t) = \sum_{n} B_{n} c o s (φ_{n} (t) + β_{n}) + G e r ä u s c h wobei n = 1 \div 4$
Das erfindungsgemäße Verfahren führt die Lokalisierung des unausgewuchteten Rads bzw. der unausgewuchteten Räder durch Berechnen/Schätzen der Amplituden der Beiträge von jedem der Räder als B'_n und anschließend Entscheiden, auf diesen basierend, welches Rad bzw. welche Räder der Räder unausgewuchtet ist/sind, durch. Es weist die folgenden 10 Schritte auf.
Schritte 1÷6 des Verfahrens veranschaulichen die Berechnung von B'_n , n=1÷4, in Schritt 7 wird eine Statistik über B'_n durchgeführt und in Schritten 8÷9 werden Lokalisierungsbedingungen angewandt und es wird entschieden, ob Datenerfassung und Berechnungen in Schritten 1-7 wiederholt werden müssen, oder es ergibt sich unmittelbar, welche(s) des Rads/der Räder (wenn überhaupt) unausgewuchtet ist/sind. Schritt 10 betrifft das Senden einer Warnung an den Fahrer, dass ein Rad n unausgewuchtet ist. Schritte 4÷6 verwenden das Lock-in-Detektionsprinzip, das im Stand der Technik bekannt ist.
In dem ersten Schritt des Verfahrens, während sich das Fahrzeug bewegt, misst der Vibrationssensor 200 ein Vibrationssignal G(t) zu ersten Abtastungszeiten t_i , z. B. alle 1 ms oder mit 1000 Abtastungen/s, und liefert G(t_i): $G (t_{i}) : G (t_{i}) = \sum_{n} B_{n} c o s (φ_{n} (t_{i}) + β_{n}) + G e r ä u s c h wobei n = 1 \div 4$
Gleichzeitig werden die Raddrehwinkel φ_n(t_j) durch die Drehwinkelsensoren 401÷404 gemessen und werden über den CAN-Bus zu zweiten Abtastungszeiten t_j gesendet, beispielsweise in einem 20-ms-Intervall oder mit einer 50-Hz-Abtastrate. Diese Werte sind nur als Beispiele angegeben, wobei andere Werte gleichermaßen berücksichtigt werden können.
In Schritt 2 des Verfahrens (siehe 2) werden die Signale G(t_i) und φ_n(t_j) derart verarbeitet, dass sie mit denselben Abtastungszeiten verfügbar sind. Da insbesondere beispielsweise die Abtastperiode von 20 ms von φ_n(t_j) größer als die Abtastperiode von 1 ms von G(t_i) ist, werden die Raddrehwinkel φ_n(t_j) zu Zeiten (t_i ) linear interpoliert, so dass die interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_j) jeder Abtastung des Vibrationssignals G(t_i) entsprechen.
In Schritt 3 des Verfahrens (siehe 2) werden die vollen Umdrehungen der vier Räder durch Vergleichen der laufenden Raddrehwinkel φ_n(t_j) mit Vielfachen m von 360° oder 2π Rad bestimmt, wobei m=1,2,3,4,5... zunimmt, bis die Datenerfassung/-berechnungen enden. Die sich ergebenden Perioden sind T_n(m), n=1÷4, welche die Zeitintervalle repräsentieren, die einer Zunahme von φ_n(t_j) um 360° oder 2π Rad entsprechen.
Die Kehrwerte von T_n sind die Radumdrehungsfrequenzen fn= 1/Tn, n=1+4. Beispielsweise können die Radumdrehungsfrequenzen für eine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit von 70 km/h bei um die 10 Hz liegen. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht konstant ist, können die T_n (bzw. die f_n(t)) mit der Zeit variieren, so dass T_n eine Funktion der Zeit T_n = T_n (t), bzw. f_n = f_n(t), ist.
Verschiedene Umstände können zu leichten Unterschieden zwischen den Raddrehwinkeln φ_n(t), n=1÷4 führen: beispielsweise ungleicher Reifendruck, nichtidentische Trajektorien der Räder n in verschiedenen Situationen, wie etwa beim Kurvenfahren, Schlupf der aktiven Räder gegenüber den schlupflosen passiven Rädern usw. Die Lokalisierung des unausgewuchteten Rads n basiert auf diesen Unterschieden.
In Schritt 4 (siehe 3) werden der Sinus und der Kosinus für jeden der vier interpolierten Drehwinkel φ_n(t_i), n=1÷4 berechnet.
In Schritt 5 des Verfahrens (3) wird das Vibrationssignal G(t_i) mit dem Sinus und dem Kosinus von (p_n(t_i), n=1÷4 multipliziert und dann, startend mit der Zeit t_i , über M volle Perioden T_n (m) des jeweiligen φ_n(t_i) integriert/aufsummiert, was zu der Sinus-Projektion S_n(i) und der entsprechenden Kosinus-Projektion C_n(i) führt: $S_{n} (i) = \frac{1}{M T_{n}} \sum_{t_{k} = t_{i}}^{t_{k} = t_{i} + M T_{n}} G (t_{k}) sin (φ_{n} (t_{k}))$
$C_{n} (i) = \frac{1}{M T_{n}} \sum_{t_{k} = t_{i}}^{t_{k} = t_{i} + M T_{n}} G (t_{k}) cos (φ_{n} (t_{k}))$
Die Summen in S_n(i) und Cn(i) benötigen M T_n Iterationen zum Berechnen und sind erst bei t_i + MT_n beendet.
Falls die Geschwindigkeit variabel ist, ist das obige T_n in den Gleichungen 3 und 4 eine Funktion der Zeit oder der Periodeniteration m, T_n(m), wodurch die MT_n-Aufsummierungsdauer durch die Summe von M Perioden ersetzt wird, die zeitlich variabel sind: $M T_{n} \to \sum_{m = 1}^{M} T_{n} (m)$
Während der gleichen Summierungsdauer wird die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit von der Zeit t_i bis t_i + MT_n berechnet. Die Minimal- und die Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs während der selben Zeit werden bestimmt. Falls verfügbar, wird die durch den Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser gemessene Geschwindigkeit verwendet; ansonsten kann die Umdrehungsperiode irgendeines Rads oder die mittlere Periode der vier Räder verwendet werden, da für diesen Zweck die Unterschiede zwischen den Ergebnissen von beiden Wegen der Berechnung vernachlässigbar sind.
Falls die minimale oder die maximale Geschwindigkeit außerhalb eines vorgegebenen erlaubten Geschwindigkeitsbereichs liegt, werden die Summen in Gleichungen 3 und 4 zurückgesetzt und neu gestartet, so dass das Verfahren nur innerhalb eines zulässigen Geschwindigkeitsbereichs angewandt wird. Aus Vereinfachungsgründen ist dies in 3 nicht wiedergegeben.
In Schritt 6 des Verfahrens (siehe 3) werden die Sinus- und Kosinusprojektionen Sn(i), Cn(i) zum Berechnen der Vibrationsamplitude B'_n(i) verwendet: $B'_{n} (i) ≅ \sqrt{S_{n} {(i)}^{2} + C_{n} {(i)}^{2}}$

Die Berechnungen in Schritten 1÷6 werden über N Iterationen von t_i oder äquivalent dazu über eine vorbestimmte Dauer D wiederholt.
In Schritt 7 des Verfahrens (siehe 3) werden die Mittelwerte und die Standardabweichungen der Vibrationsamplituden B'_n(i) für alle berücksichtigten Iterationen i berechnet, die jeweils als µ_n und σ_n , n=1÷4 bezeichnet werden. Die Mittelwerte µ_n repräsentieren die Werte, die der Wahrheit am nächsten kommen; Standardabweichungen σ_n repräsentieren das Rauschen der Daten/Berechnungen betreffend das Rad n.
In Schritt 8 des Verfahrens (siehe 4) werden die Rauschpegel untersucht: Falls die Standardabweichungen σ_n , n=1÷4 größer als ein vorbestimmter Schwellenwert σ _Max sind, wird die Messung als zu verrauscht betrachtet und die Schritte 1÷7 werden für das Rad nochmals ausgeführt. Falls die Standardabweichung σ_n kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert σ _Max ist, wird eine erste Bedingung zur Lokalisierung der Unwucht für das Rad n erfüllt.
In Schritt 9 des Verfahrens (siehe 4) werden die Werte der Mittelwerte µ_n , n=1÷4 mit einem vorbestimmten Schwellenwert µ _Max verglichen, um zu prüfen, ob die zweite Lokalisierungsbedingung erfüllt ist. Die zweite Lokalisierungsbedingung wird für die Räder erfüllt, für die die µ_n den vorbestimmten Schwellenwert µ_Max übersteigen. Das Rad n, für welches beide Lokalisierungsbedingungen erfüllt sind, wird als unausgewuchtet betrachtet.
Die vorbestimmten Schwellenwerte µ_Max , µ_Max hängen von der Geschwindigkeit ab und werden aus Kalibrierungs-Nachschlagetabellen basierend auf der in Schritt 5 berechneten mittleren Geschwindigkeit abgerufen oder interpoliert. Die Werte dieser zwei Nachschlagetabellen werden auf der Grundlage von experimentellen Daten für spezifische Vibrationssensoren und Fahrzeugarten bestimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hängen die in Schritt 8 und 9 verwendeten Schwellenwerte für σ_Max und µ_Max auch von der Radposition ab, σ_Max,n und µ_Max,n .
Für das unausgewuchtete Rad n kann in Schritt 10 des Verfahrens (nicht graphisch dargestellt) gemäß der Lokalisierung des Rads (n=1 entspricht VL, n=2 entspricht VR usw.) ein Warnsignal gesendet werden, z. B. über den CAN-Bus an den Instrumententräger, um eine Warnung an den Fahrer oder an eine Drittpartei auszugeben, wie etwa beispielsweise ein Flottenmanagement-Überwachungszentrum, ein Selbstfahrfahrzeug-Überwachungszentrum usw.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird während derselben Summierungsdauer, die in Schritt 5 bestimmt wurde, die Zunahme der paarweisen Differenz der Radwinkel berechnet, Δφ_n1,n2 = [φ_n1(ti+Mtn) - φ₂(t_i+MTn)] - [φ_n1(t_i) - φ_n2(t_i)]. Falls es Radpaare n1, n2 gibt, für welche Δφ_n1,n2 kleiner als 2π Rad ist, wird M erweitert, bis Δφ_ni,n2 2π Rad erreicht. Aus Vereinfachungsgründen ist dies in 3 nicht wiedergegeben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, unter der Annahme, dass die Abhängigkeit des Mittelwerts (µ_n ) von einer Unwuchtmasse linear ist, kann der Schritt 9 um eine Kalibrierungsphase erweitert werden, in der Räder ausgewuchtet werden und bekannte Unwuchten geschaffen werden, und Oszillationsamplituden B'_n oder genauer die Mittelwerte µ_n entsprechend gemessen werden, um die Skalierung zwischen µ_n und dessen entsprechender Unwuchtmasse separat für jedes der Räder zu erfahren. Diese Skalierungen können später zum Multiplizieren der berechneten B'_n und der Mittelwerte und zum Schätzen der Radunwucht(en) verwendet werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Amplitude An und die Phase an der Vibration des Rads n eine Harmonische des Rads n betreffen. Die Harmonischen der Vibrationen können einfach durch entsprechendes Multiplizieren der Radwinkel gemessen werden; die k-te Harmonische in dem Vibrationssignal G(t) kann unter Verwendung der Winkelwerte k·φ_n(t) verarbeitet werden.
Gemäß einer in 1b abgebildeten bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer Airbag-Steuereinheit ACU 100 unter Verwendung des Beschleunigungsmessers 200 der Airbag-Steuereinheit ACU 100 und des Drehwinkelsensors 401÷404 des ABS- oder ESP-Fahrzeugsystems 300 ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren in 1a abgebildeten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Signal des Vibrationssensors 200 von einem Drucksensor, der bei einer genügend hohen Abtastrate verwendet wird, oder einem Mikrofon, oder einem beliebigen anderen Sensor, der in der Lage ist zum Wahrnehmen von Vibrationen des Fahrzeugchassis, der zu dem/den Elektroniksystem bzw. -systemen des Fahrzeugs gehört, oder von Vibrationssensoren, die in der Passiven Sicherheit und Sensorik verwendet werden, geliefert werden, wie etwa unter anderem beschleunigungsbasierter Vorderseitenaufprallsatellit (Acceleration Based Front Side Impact Satellite - G SAT), Überschlag, Unfallaufprallgeräuschsensor (Crash Impact Sound Sensor - CISS) oder sogar Drucksensoren, wie der druckbasierte Seitenaufprallsatellit (Pressure Based Side Impact Satellite - P SAT) oder beliebige andere ähnliche Sensoren.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Rad n für eine Gruppe von zwei an derselben Achse montierten Rädern stehen. Da in diesem Fall beide der Räder, die zu der Gruppe gehören, denselben Raddrehwinkel φ_n(t) aufweisen, bezieht sich die Lokalisierung der Unwucht auf die Gruppe und nicht auf das individuelle Radteil der Gruppe.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, im Falle, dass das Vibrationssignal durch den Beschleunigungsmesser 200 geliefert wird, da statische bzw. dynamische Radunwucht Vibrationen erschafft, die in der Drehebene bzw. senkrecht zu der Drehebene auftreten, und darüber hinaus die elastischen Verbindungselemente zwischen den mechanischen Komponenten des Fahrzeugs Kreuzeffekte erzeugen können, kann die bevorzugte Achse für die Messung des Beschleunigungssignals G(t_i) eine beliebige der X-, Y- und Z-Achsen sein.
Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine spezifische Implementation des erfindungsgemäßen Systems unter Bezugnahme auf 5, 6 und 7 bereitgestellt. Für alle Fälle darin weist das Summierungs-/Integrations- M den Wert von 3500 Umdrehungen auf; die Dauer D von Schritt 7 war derart, dass eine Gesamtlaufzeit von -300 s verwendet wurde.
Bei dem in 5 abgebildeten Beispiel fährt das Fahrzeug mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit von 130 km/h, weist eine Unwuchtmasse von 60 g auf, die an dem HR-Rad platziert ist, wohingegen in dem Beispiel, das 6 entspricht, das Fahrzeug mit einer variablen Geschwindigkeit zwischen 100 und 135 km/h fährt und die gleiche am HR-Rad platzierte Unwuchtmasse von 60 g aufweist.
5a und 6a zeigen jeweils die Graphen der Fahrzeuggeschwindigkeit, wie sie durch den Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser gemessen und über den CAN-Bus gesendet wurden.
5b und 6b zeigen jeweils das Beschleunigungssignal G(t_i), wie es durch den Beschleunigungsmesser 200 in Schritt 1 des Verfahrens gemessen wurde. Verrauschte Signale sind sichtbar, wie sie auf fahrenden Fahrzeugen verfügbar sind. In 6b sieht man, dass das Beschleunigungssignal und das Rauschen positiv mit der Geschwindigkeit korrelieren, was die Notwendigkeit erklärt, Schwellenwerte σ_n,Max zu verwenden, die von der Geschwindigkeit abhängen, wie in Schritt 9 des Verfahrens erwähnt wurde.
Die in Schritt 6 des Verfahrens berechneten Amplituden B_n'(t) sind in 5c bzw. 6c angezeigt. Der Plot in 5c startet zur Zeit t ≅ 180s, was die erste Summierungsdauer für die gewählte Anzahl von vollen Perioden M=3500 bei der gegebenen Geschwindigkeit repräsentiert. Die Y-Werte für t ≅ 180s sind die berechneten Amplituden B'_HL(180) ≅ 0,005, B'_VL(180) ≅ 0,043, B'_VR(180) ≅ 0,047, B'_HR(180)≅ 0,115. Der letzte Wert ist der deutlich größte, was anzeigt, dass das Rad HR im Vergleich zu den anderen Rädern eine Unwucht aufweist. Die letzte Zeit ist für t ≅ 305s und repräsentiert die Berechnungen und Summen, die während M=3500 Umdrehungsperioden, endend bei t ≅ 305s, durchgeführt wurden. Da die Geschwindigkeit nahezu konstant ist, bleibt die Summierungsdauer etwa die gleiche, ungefähr 180 s. Zwischen t ≅ 180 s und t ≅ 305 s oszillieren die berechneten Amplituden irgendwie, aus einem unbekannten Grund - andere (nicht gezeigte) Datenaufzeichnungen zeigen keine solchen Oszillationen. Für diesen gesamten Zeitbereich werden die Mittelwerte µ_n und Standardabweichungen σ_n berechnet und können in 7a auf der Abszisse für 130 km/h gesehen werden.
Der Plot in 6c startet bei t ≅ 200s, was bedeutet, dass die erste Sinus-/Kosinus-Summe etwa 200 s zum Abschluss brauchte - die Geschwindigkeit oszilliert zwischen 135 km/h und 105 km/h und ist im Mittel kleiner als die Geschwindigkeit in dem vorherigen Fall (konstant 130 km/h), somit ist die Summierungszeit, die M=3500 volle Umdrehungen aufweist, größer als in dem vorigen Fall (einige 180 s). Nach der Startzeit t ≅ 200s entspricht jede zeitliche Abtastung einer verschobenen Summierungsdauer von M vollen Perioden.
7 zeigt Mittelwerte µ_n und Standardabweichungen σ_n der geschätzten Beschleunigungsamplitude B'_n (i), berechnet in Schritt 7, wie in 5c und 6c beschrieben und dargestellt ist, für manche Fälle von Signifikanz für das Verfahren und zum Veranschaulichen der Leistungsfähigkeit. Die Mittelwerte µ_n und Standardabweichungen σ_n werden auf der Abszisse als Fehkerbalken repräsentiert, wie µ_n±σ_n, wobei n=1÷4 jeweils den Rädern VL, VR, HL, HR entspricht. Die Legende und die Schattierung im Plot repräsentieren die Räder, für die die Berechnungen durchgeführt wurden, wie zuvor beschrieben wurde.
7a vergleicht die berechnete Unwucht für die Beispiele in 5 und 6: HR (n=4) Unwucht von 60 g, konstante und variable Geschwindigkeit bei oder um die 130 km/h. Der Plot zeigt, dass die Lokalisierung des unausgewuchteten Rads HR (n=4) korrekt ist: Die mittlere berechnete Unwucht µ_HR beträgt etwa 0,1 ~ 0,11, während σ_HR klein ist - weniger als 0,005. Für die anderen Räder beträgt µ bis zu 0,05 und σ beträgt bis zu 0,01. Die Differenz zwischen den Ergebnissen der zwei Fälle ist nicht groß und beweist, dass das Verfahren erfolgreich für variable Geschwindigkeit eingesetzt werden kann.
7b zeigt den Referenzfall, das heißt, den Mittelwert und die Standardabweichung µ_n±σ_n, wenn alle Räder ausgewuchtet sind, bei drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten: 80, 110 und 130 km/h. Diese Werte können den Unwuchtschwellenwert für den Mittelwert µ_Max liefern. Beispielsweise wird durch Multiplizieren mit 1,5 der Werte des Maximums über n der berechneten µ_n für den Referenzfall das Folgende erhalten und kann in Schritt 9 des Verfahrens verwendet werden: µ_Max(80 km/h) = 0,03, µ_Max(110 km/h) =0,065, µ_Max(130 km/h) = 0,052.
Schwellenwerte für die Standardabweichung können durch Multiplizieren mit z. B. 2 der Werte des Maximums über n der berechneten σ_n für den Referenzfall erhalten werden, was Werte ergibt, die in Schritt 8 des Verfahren verwendet werden können: σ_Max(80 km/h) = 0,0015, σ_Max (110 km/h) = 0,008, σ_Max (130 km/h) = 0,007. Die erhöhten µ_n (110km/h) und σ_n (110km/h) entsprechen einer Resonanz der Vibrationsausbreitung in dem Fahrzeug, welche der Fahrer bei 110 km/h wahrnahm.
Die Resonanz bei 110 km/h ist wahrscheinlich auch der Grund dafür, warum der µ_n (100÷135 km/h) in 7a größer als µ_n (130km/h) ist, wohingegen die mittlere Geschwindigkeit für ersteren kleiner als 130 km/h ist und Unwuchtvibrationen im Allgemeinen mit der Geschwindigkeit zunehmen.
7c zeigt die Linearität der Ergebnisse an. Sie trägt µ_n±σ_n mit künstlichen Unwuchten des HR-Rads von 0, 40, 60 und 80 g auf, alle bei 130 km/h gemessen. In allen Fällen ist µ_HR wesentlich größer als die anderen µ_n . Die Abhängigkeit von µ_HR von der Unwuchtmasse ist nahezu linear, daher kann, wie zuvor erwähnt, ein Kalibrationsschritt zum Schritt 9 des Verfahrens hinzugefügt werden.
7d zeigt die Ergebnisse des Lokalisierungsverfahrens, wenn 60 g Unwuchtmasse an dem VL-, dann am VR-, dann am HL- und dann am HR-Rad positioniert waren und Messungen bei 130 km/h durchgeführt wurden. Die Markierungen an der Horizontalachse des Plots repräsentieren das künstlich unausgewuchtete Rad; die Schattierungen und Kennzeichnungen an dem Plot zeigen das Rad an, für welches die Berechnungen durchgeführt werden. Im Folgenden repräsentiert µ_n1,n2 den berechneten Mittelwert von B' _n1 , wenn das Rad n2 künstlich unausgewuchtet wurde.
Mit Bezug auf die Unwuchtmassenplatzierung an dem HR-Rad - die HR-Abszisse, liegt µ_HR,HR ≅ 0,11 für das HR-Detektionsrad deutlich über µ_Max(130 km/h) = 0,052. Die anderen µ-Werte sind µ_VL,HR ≅ 0,05, µ_VR,HR ≅ 0,005, µ_HL,HR ≅ 0,02, unter µ_Max(130 km/h) = 0,052. Daher ist das Ergebnis für diese Daten, dass es ein einziges unausgewuchtetes Rad, HR, gibt. Standardabweichungen σ_n,HR n=1÷4 (dieselben Indizes wie bei den Mittelwerten werden verwendet) sind sichtlich kleiner als σ_Max(130 km/h) = 0,007, somit ist diese Lokalisierung hinsichtlich Rauschen gültig.
Die Ergebnisse für das künstlich unausgewuchtete HL-Rad (die HL-Abszisse) sind: σ_VL,HL ≅ 0,003, σ_VR,HL ≅ 0,006, σ_HL,HL ≅ 0,002, σ_HR,HL ≅ 0,007; diese sind alle kleiner oder gleich σ_Max(130 km/h) = 0,007, somit ist das Rauschen nicht zu groß. Die Mittelwerte sind µ_VL,HL≅ 0,04, µ_VR,HL ≅ 0,04, µ_HL,HL ≅ 0,12, µ_HR,HL≅ 0,03. Von diesen übersteigt µ_HL,HL ≅ 0,12 µ_Max(130km/h) = 0,052 und die anderen nicht; somit zeigt das Verfahren ein einziges unausgewuchtetes Rad, HL, was korrekt ist.
Weiter in 7c für den Fall, wenn das VR-Rad unausgewuchtet war (die VR-Abszisse), zeigen σ_VL,VR ≅ 0,025 und σ_VR,VR ≅ 0,015 Rauschen, das σ_Max(130 km/h) = 0,007 übersteigt, so dass Datenerfassung und Aufsummieren erweitert werden müssten. Für die Hinterräder mit σ_HL,VR ≅ 0,004 und σ_HR,VR ≅ 0,003 gibt es nicht allzu viel Rauschen und die Mittelwerte betragen µ_HL,VR ≅ 0,011 und µ_HR,VR ≅ 0,012, deutlich unter µ_Max(130 km/h) = 0,052 -was korrekt ist. Dies passiert wegen des Aufbaus unserer Datensammlung, wobei die ACU nahe der Hinterachse des Fahrzeugs anstatt in der Mitte des Chassis platziert ist. Für solche Fälle ist Verwendung von Schwellenwerten, die von der Radposition, σ_Max,n und µ_Max,n abhängen, angeraten.
In 7c, wenn (nur) das VL-Rad künstlich unausgewuchtet war (die Werte auf der VL-Abszisse), liegen die zwei Werte µ_VL,VL≅ 0,083 und µ_VR,VL≅ 0,089 sehr nahe beieinander: Es gibt ein Kreuzen des erkannten VL und VR. Dies passiert, da die Radwinkeldifferenz Δφ_VL,VR nur 150° während des Zeitintervalls von 300 s erreicht (die Winkeldaten sind nicht graphisch dargestellt). Diese kleine Winkelzunahme ist unzureichend, um die Separation des VL- und des VR-Rads mit der Lock-in-Detektion zu ermöglichen, und solche Fälle werden durch Erweitern von M, bis eine Winkeldifferenz von 360° in Schritt 5 erreicht wird, behandelt, wie in einer bevorzugten Ausführungsform spezifiziert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem System ausgeführt werden. Bezugnehmend auf 1a und 1b weist das System Folgendes auf:

- eine elektronische Steuereinheit ECU 100;
- mindestens einen Vibrationssensor 200;
- einen Kommunikationsbus, bevorzugt einen Controller-Area-Network(CAN)-Bus;
- vier Räder n, mit Indizes n=1÷4, entsprechend deren jeweiliger Position Vorne links VL n=1; Vorne rechts VR n=2; Hinten links HL, n=3; Hinten rechts HR, n=4;
- mindestens vier Drehwinkelsensoren 401-404, mindestens einen entsprechend einem Rad;
- mindestens eines der folgenden Systeme: Antiblockiersystem ABS 300, elektronisches Stabilitätsprogramm ESP 300.

Jedes der Räder n kann für eine Gruppe von zwei an derselben Achse montierten Rädern stehen.
Der Vibrationssensor 200 kann ein Modul oder ein Beschleunigungsmesser der elektronischen Steuereinheit ECU 100 sein oder kann zu anderen elektronischen Systemen in dem Fahrzeug oder zu anderen Sensoren, die für die Früherkennung von Unfällen verwendet werden, gehören, wie etwa unter anderem beschleunigungsbasierter Vorderseitenaufprallsatellit (Acceleration Based Front Side Impact Satellite - G SAT), Überschlag, Unfallaufprallgeräuschsensor (Crash Impact Sound Sensor - CISS) oder sogar Drucksensoren, wie der druckbasierte Seitenaufprallsatellit (Pressure Based Side Impact Satellite - P SAT) oder beliebige andere ähnliche Sensoren.
Es ist auch möglich, dass man sich eine Kombination von zwei oder mehr Vibrationssensoren 200 vorstellt, wie etwa unter anderem einen Vibrationssensor, der innerhalb der elektronischen Steuereinheit ECU 100 platziert ist, und der andere bzw. die anderen Sensoren gehören zu anderen elektronischen Systemen oder alle Vibrationssensoren gehören zu den anderen elektronischen Systemen oder werden für die Früherkennung von Unfällen verwendet.
Wenn zwei oder mehr Vibrationssensoren 200 verwendet werden, ist das Grundprinzip von deren Auswahl, für jedes Rad n den Vibrationssensor zu verwenden, der das größte Vibrationssignal für das bestimmte Rad n liefert, beispielsweise kann für die Vorderräder der Vibrationssensor 200 der ACU 100 und für die Hinterräder der G SAT oder der P SAT verwendet werden. Jegliche Kombination von Vibrationssensoren kann möglich sein, vorausgesetzt, dass das Vibrationssignal nachweislich ausreichend zum Unterdrücken des Beitrags des jeweiligen Rads n ist.
Die Erfindung stellt ferner eine in einem Fahrzeug integrierte elektronische Steuereinheit ECU 100 bereit, die ausgebildet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die ECU 100 weist ein Mittel auf, das eingerichtet ist zum Ausführen der Schritte des Verfahrens:

- ein Mittel, eingerichtet zum Messen des Vibrationssignals G(t_i) bei ersten Abtastungszeiten t_i als die Summe der Vibrationen, die wahrgenommenen Radunwuchten und Störungen am Ort der elektronischen Steuereinheit ECU (100) entsprechen, auf der Grundlage von Amplituden B_n und Anfangsphasen β_n des Vibrationssignals G(t_i);
- ein Mittel, eingerichtet zum Empfangen der Messergebnisse der Raddrehwinkel φ_n(t_j) für jedes Rad (n=1÷4) mit zweiten Abtastungszeiten t_j;
- ein Mittel, eingerichtet zum linearen Interpolieren der Raddrehwinkel φ_n(t_j) bei Zeiten (t_i), so dass die interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_i) jeder Abtastung des Vibrationssignals G(t_i) entsprechen;
- ein Mittel, eingerichtet zum Bestimmen von ganzen Radumdrehungsperioden T_n(m) für jedes der Räder n=1÷4 durch Vergleichen der laufenden Raddrehwinkel φ_n(t_i) mit Vielfachen m von 360° oder 2π Rad;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Sinus und des Kosinus für jeden der interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_i) für jedes Rad (n=1÷4);
- ein Mittel, eingerichtet zum Multiplizieren des Vibrationssignals G(t_i) mit dem Sinus und dem Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_i) für jedes Rad (n=1÷4);
- ein Mittel, eingerichtet zum Integrieren über ein Gleitfenster, das aus einer Anzahl M von vollen Perioden T_n(m) besteht, was zu der Sinus-Projektion S_n(i) und der entsprechenden Kosinus-Projektion C_n(i) der berechneten Amplituden B'_n(i) führt;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen von Minimal- und Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der mittleren

Fahrzeuggeschwindigkeit für die selbe Zeitperiode entsprechend der Integration;

- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen der Vibrationsamplitude B'_n(i) aus ihren Sinus- und Kosinus-Projektionen;
- ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Mittelwerts µ_n und der Standardabweichung σ_n der Vibrationsamplitude B'_n(i) für alle berücksichtigten Iterationen i;
- ein Mittel, eingerichtet zum Vergleichen für die vorbestimmte Anzahl N von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer D: zuerst der Standardabweichung σ_n der Vibrationsamplitude B'_n(i) mit einem vorbestimmten Schwellenwert σ_Max und dann des Werts von jedem Mittelwert µ_n mit dem jeweiligen vorbestimmten Schwellenmittelwert µ_Max;
- ein Mittel zum Kommunizieren mit dem CAN-Bus des Fahrzeugs.
- mindestens einen Arbeitsspeicher, der zum Durchführen der Berechnungen notwendig ist.

Die elektronische Steuereinheit ECU 100 kann bevorzugt die Airbag-Steuereinheit ACU 100 sein, die ferner den mindestens einen Beschleunigungsmesser 200 aufweist.
Schließlich sieht die Erfindung ein nichtflüchtiges computerlesbares Speicherungsmedium vor, das Code aufweist zum Veranlassen eines Prozessors zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es sei angemerkt, dass die vorangehenden Ausführungsformen und Realisierungsbeispiele sowie die Figuren lediglich zum Zwecke eines besseren Verständnisses der Erfindung vorgesehen sind und die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken. Änderungen können innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche vorgenommen werden, ohne von der Abdeckung der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen; vielmehr erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktional äquivalenten Ausführungsformen und Verfahren innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

- der jeweilige vorbestimmte Schwellenwert der Standardabweichung (σ_n )
- ein Mittel zum Kommunizieren mit dem CAN-Bus des Fahrzeugs;
- mindestens einen Arbeitsspeicher, der zum Durchführen der Berechnungen notwendig ist;

Die Erfindung betrifft zusätzlich eine elektronische Steuereinheit ECU (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ECU bevorzugt eine Airbag-Steuereinheit ACU (100) ist, die ferner den mindestens einen Beschleunigungsmesser (200) aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein nichtflüchtiges computerlesbares Speicherungsmedium, das Code zum Veranlassen eines Prozessors zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.

Claims

Verfahren zum Lokalisieren einer Unwucht eines Rads (n = 1÷4 oder n = VL, VR, HL, HR) eines Fahrzeugs während des Betriebs des Fahrzeugs, ausgeführt in einer elektronischen Steuereinheit ECU (100) unter Verwendung eines Vibrationssignals (G(ti)), wie es durch mindestens einen Vibrationssensor (200) bereitgestellt wird, und von Raddrehwinkeln (φ_n(t_j), wie sie durch entsprechende Raddrehwinkelsensoren (401÷404) bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: S1 Messen des Vibrationssignals (G(ti)) bei ersten Abtastungszeiten (t_i), welches eine Summe der Vibrationssignale ist, die Radunwuchten entsprechen, wie sie an dem Ort der elektronischen Steuereinheit ECU (100) wahrgenommen werden und Amplituden Bn aufweisen, und gleichzeitiges Messen der Raddrehwinkel (φ_n(t_j) für jedes Rad (n) bei zweiten Abtastungszeiten (t_j); S2 lineares Interpolieren der Raddrehwinkel (φ_n(t_j)) bei Zeiten (t_i), so dass die interpolierten Raddrehwinkel (φ_n(t_i)) jeder Abtastung des Vibrationssignals (G(ti)) entsprechen; S3 Bestimmen voller Radumdrehungsperioden (T_n(m)) für jedes der Räder (n) durch Vergleichen der Raddrehwinkel (φ_n(t_i)) mit Vielfachen (m) von 360° oder 2π Rad; S4 Berechnen des Sinus und des Kosinus für jeden der interpolierten Raddrehwinkel (φ_n(t_i)) für jedes Rad (n); S5 Multiplizieren des Vibrationssignals (G(ti)) mit dem Sinus und Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel (φ_n(t_i) für jedes Rad (n); und dann Integrieren/Aufsummieren über ein Gleitfenster, das aus einer Anzahl (M) von vollen Perioden (T_n(m) besteht, was zu einer Sinus-Projektion (S_n(i)) und einer entsprechenden Kosinus-Projektion (C_n(i)) der Vibrationsamplituden (B'_n(i)) führt; und gleichzeitig Berechnen von Minimal- und Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit für die selbe Zeitdauer entsprechend der Integration; S6 Berechnen der Vibrationsamplitude (B'_n(i)) am Ort der elektronischen Steuereinheit ECU (100), wobei die Berechnung für eine Gesamtanzahl einer vorbestimmten Anzahl (N) von Iterationen oder eine vorbestimmte Dauer (D) wiederholt wird; S7 Berechnen des Mittelwerts (µ_n) und der Standardabweichung (σ_n) der Vibrationsamplitude (B'_n(i)); S8 Vergleichen des Werts von jeder Standardabweichung (σ_n), berechnet für die vorbestimmte Anzahl (N) von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer (D), mit einem vorbestimmten Schwellenwert der Standardabweichung (σ_Max); für jedes Rad, - wenn dessen Standardabweichung (σ_n) kleiner oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert der Standardabweichung (σ_Max) ist, ist eine erste Bedingung zur Lokalisierung von Unwucht erfüllt und - wenn dessen Standardabweichung (σ_n) größer als der vorbestimmte Schwellenwert der Standardabweichung (σ_Max) ist, dann werden die Schritte 1-7 wiederholt; S9 für das Rad (n), für das die erste Lokalisierung einer Unwucht erfüllt ist, - Vergleichen des Werts von jedem Mittelwert (µ_n) der Vibrationsamplitude (B'_n(i)), berechnet für die vorbestimmte Anzahl (N) von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer (D), mit einem vorbestimmten Schwellenmittelwert (µ_Max); - falls jeder berechnete Mittelwert (µ) größer als der vorbestimmte Schwellenmittelwert (µ _Max) ist, ist die zweite Bedingung zur Lokalisierung von Unwucht erfüllt und das entsprechende Rad (n) wird als unausgewuchtet lokalisiert; S10 für das Rad (n), für welches beide Lokalisierungsbedingungen erfüllt sind, Senden eines Warnsignals, insbesondere über den CAN-Bus, an den Instrumententräger, um gemäß der Lokalisierung des unausgewuchteten Rads (n) eine Warnung an den Fahrer oder eine Drittpartei auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, während der in Schritt 5 bestimmten Aufsummierungsdauer, die Zunahme der paarweisen Differenz der Radwinkel gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $Δ φ_{n1,n2} = [φ_{n 1} (t_{i} + {MT}_{n}) - φ_{n 2} (t_{i} + {MT}_{n})] - [φ_{n1} (t_{i}) - φ_{n 2} (t_{i})]$
falls für die Radpaare (n1, n2) Δφ_n1,n2 kleiner als 2π Rad ist, wird M erweitert, bis Δφ_n1,n2 2π Rad erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, unter der Annahme, dass die Abhängigkeit des Mittelwerts (µ_n) von einer Unwuchtmasse linear ist, Schritt 9 eine Kalibrierungsphase aufweist, in der alle Räder ausgewuchtet werden und bekannte Unwuchten erschaffen werden und Vibrationsamplituden (B'_n)) und Mittelwerte (µ_n) entsprechend gemessen werden, um die Skala entsprechender Mittelwerte (µ_n), separat an jedem der Räder (n), zu erstellen, um später zu ermöglichen, eine geschätzte Unwucht auf der Grundlage der berechneten Mittelwerte (µ_n) zu liefern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Amplitude (B_n) und die Phase (β_n) des Vibrationssignals (G(t_i)) auf eine beliebige Harmonische (k) des Rads (n) beziehen können und die Berechnungen, die die Raddrehwinkel (φ_n(t_i)) involvieren, einfach unter Verwendung entsprechender Vielfacher der Raddrehwinkel (k·φ_n(t_i)) durchgeführt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert der Standardabweichung (σ_Max) und Schwellenmittelwerte (µ_Max), die in Schritten 8 und 9 verwendet werden (σ_Max,n und µ_Max,n), von der Position des Rads (n) abhängen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bevorzugt in einer Airbag-Steuereinheit ACU (100) ausgeführt wird, und dass der mindestens eine Vibrationssensor (200) bevorzugt der Beschleunigungsmesser der Airbag-Steuereinheit ACU (100) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vibrationssensor (200) zu einem anderen elektronischen System bzw. zu anderen elektronischen Systemen in dem Fahrzeug oder zu anderen Vibrationssensoren, die für passive Sicherheit und Sensoren verwendet werden, gehören kann bzw. können, wie etwa unter anderem beschleunigungsbasierter Vorderseitenaufprallsatellit (Acceleration Based Front Side Impact Satellite - G SAT), Überschlag, Unfallaufprallgeräuschsensor (Crash Impact Sound Sensor - CISS) oder sogar Drucksensoren, wie der druckbasierte Seitenaufprallsatellit (Pressure Based Side Impact Satellite - P SAT) oder beliebige andere ähnliche Sensoren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (n) für eine Gruppe von zwei Rädern stehen kann, die an derselben Achse montiert sind, und dass sich die Lokalisierung der Unwucht auf die Gruppe bezieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass das Vibrationssignal von einem Beschleunigungsmesser (200) geliefert wird, die bevorzugte Achse für die Messung des Beschleunigungssignals (G(ti)) eine beliebige aus der X-, der Y- und der Z-Achse sein kann.
System zur Lokalisierung des unausgewuchteten Rads in einem Fahrzeug zum Anwenden des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend: - eine elektronische Steuereinheit ECU (100); - mindestens einen Vibrationssensor (200); - vier Räder (n=1÷4), entsprechend deren jeweiliger Position Vorne links [VL]; Vorne rechts [VR]; Hinten links [HL]; Hinten rechts [HR], n (VL, VR, HL, HR); - mindestens vier Drehwinkelsensoren (401-404), mindestens einen entsprechend einem Rad; - mindestens eines der folgenden Systeme: Antiblockiersystem ABS (300), elektronisches Stabilitätsprogramm ESP (300) oder ein beliebiges einem der zwei vorerwähnten Systeme äquivalentes System zum Zwecke des Messens der Raddrehwinkel (φ_n(t)); - einen Kommunikationsbus, bevorzugt einen Controller-Area-Network(CAN)-Bus.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rad (n) für eine Gruppe von zwei an derselben Achse montierten Rädern stehen kann.
System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vibrationssensor (200) eine Komponente der elektronischen Steuereinheit ECU (100) ist.
Elektronische Steuereinheit ECU (100), eingebaut in ein Fahrzeug, ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend: - ein Mittel, eingerichtet zum Messen des Vibrationssignals G(t_i) bei ersten Abtastungszeiten (t_i), als eine Summe der Vibrationssignale, die wahrgenommenen Radunwuchten und Störungen am Ort der elektronischen Steuereinheit ECU (100) entsprechen, auf der Grundlage einer Amplitude (B_n) und einer Phase (β_n) des Vibrationssignals (G(ti)); - ein Mittel, eingerichtet zum Empfangen der Messergebnisse der Raddrehwinkel [φ_n(t_j)] für jedes Rad (n) bei zweiten Abtastungszeiten [t_j]; - ein Mittel, eingerichtet zum linearen Interpolieren der Raddrehwinkel (φ_n(t_j)) bei Zeiten (t_i), so dass die interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_i) jeder Abtastung des Vibrationssignals G(t_i) entsprechen; - ein Mittel, eingerichtet zum Bestimmen von vollen Radumdrehungsperioden (T_n(m)), für jedes der Räder (n=1÷4) durch Vergleichen der laufenden Raddrehwinkel (φ_n(t_i)) mit Vielfachen (m) von 360° oder 2π Rad; - ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Sinus und des Kosinus für jeden der interpolierten Raddrehwinkel φ_n(t_i) für jedes Rad (n=1÷4); - ein Mittel, eingerichtet zum Multiplizieren des Vibrationssignals [G(t_i)] mit dem Sinus und dem Kosinus der interpolierten Raddrehwinkel [(p_n(t_i)] für jedes Rad (n=1÷4); - ein Mittel, eingerichtet zum Integrieren, startend mit einer ersten Abtastungszeit (t_i) über eine Anzahl (M) von vollen Perioden (T_n(m), was zu der Sinus-Projektion (S_n(i)) und der entsprechenden Kosinus-Projektion (C_n(i)) der interpolierten Raddrehwinkel (φ_n(t_i) führt, - ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen der Minimal- und Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit für die selbe Zeitperiode entsprechend der Integration; - ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen der Vibrationsamplitude (B'_n (i)) an der Stelle der elektronischen Steuereinheit ECU (100); - ein Mittel, eingerichtet zum Berechnen des Mittelwerts [µ_n] und der Standardabweichung [σ_n] der Vibrationsamplitude (B'_n(i)); ein Mittel, eingerichtet zum Vergleichen für die vorbestimmte Anzahl (N) von Iterationen oder die vorbestimmte Dauer (D): zuerst der Standardabweichung (σ_n) der Vibrationsamplitude (B'_n(i)) mit einem vorbestimmten Schwellenmittelwert (σ_Max) und dann des Werts von jeder Standardabweichung (σ_n) der Vibrationsamplitude (B'_n(i)) mit