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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines physischen Zustandes eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Überwachungsvorrichtung.
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Fahrzeuge wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen weisen einerseits eine sehr große Zahl an Komponenten auf, die zum Teil gegeneinander beweglich sind. Andererseits sind die Fahrzeuge ständigen komplexen Lastfällen mit wechselnden Kräften und Momenten während ihrer Fahrt ausgesetzt, und die Komponenten der Fahrzeuge selbst sind durch ihre Anwendung unter anderem einem gewissen Verschleißrisiko ausgesetzt. Insbesondere bewegliche Teile wie Lager sind damit potentielle Schadensstellen, an welchen Schäden möglichst früh erkannt werden sollten, um Pannen des Fahrzeugs und damit ein Liegenbleiben des Fahrzeugs zu verhindern, sowie um frühzeitig einen anstehenden Werkstattbesuch planen zu können. Typischerweise wird für die Erkennung von solchen Schäden eine Sichtkontrolle, vorausschauende Planung oder gar eine statistische Analyse genutzt, um den zeitlichen Verlauf von Verschleiß und Defekten einschätzen zu können.
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Da die Fahrzeuge während ihrer Fahrt jedoch ständigen Schwingungsanregungen durch ihre eigenen Motoren sowie Umgebungseinflüsse wie Unebenheiten auf Straßen ausgesetzt sind, unterliegen sämtliche Komponenten eines solchen Fahrzeugs daher kontinuierlicher Anregung während der Fahrt und werden selbst in Schwingung versetzt. Vor diesem Hintergrund ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Geräusche von Komponenten des Fahrzeugs zu analysieren und gegebenenfalls auf veränderte Betriebszustände des Fahrzeugs wie Schäden des Fahrzeugs zu schließen.
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Die
DE 10 2017 204 941 A1 betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines von einem Normalbetriebszustand eines Kraftfahrzeugs abweichenden Sonderbetriebszustands des Kraftfahrzeugs, bei welchem ein während des Betriebs des Kraftfahrzeugs vom Kraftfahrzeug abgegebenes Geräusch im Innenraum des Kraftfahrzeugs mit einer vom Kraftfahrzeug separaten mobilen Vorrichtung erfasst wird und das Geräusch mit einer Mehrzahl von durch die mobile Vorrichtung bereitgestellten Referenzgeräuschen verglichen wird, wobei das Geräusch bei Überschreiten eines Mindestähnlichkeitswerts einem ähnlichsten Referenzgeräusch der Mehrzahl der Referenzgeräusche anhand des Vergleichs zugeordnet wird und der Sonderbetriebszustand durch die erfolgte Zuordnung erkannt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Degradation von Komponenten eines Fahrzeugs genauer und möglichst frühzeitig zu erfassen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines physischen Zustandes eines Fahrzeugs, aufweisend ein Schwingungsmessgerät und einen Ultraschallgenerator zum Erzeugen eines breitbandigen Ultraschallsignals zum Anregen von Komponenten des Fahrzeugs in Schwingungen, wobei das Schwingungsmessgerät dazu besonders eingerichtet ist, im Frequenzband der vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschallsignale liegende Vibrationen zu erfassen, wobei das Schwingungsmessgerät und der Ultraschallgenerator mit einer Recheneinheit verbunden sind, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, den Ultraschallgenerator zum Erzeugen eines Ultraschallsignals anzusteuem und zeitgleich die Sensorsignale des Schwingungsmessgeräts zum Erfassen einer Schwingungsantwort der Komponenten auf das Ultraschallsignal hin zu erfassen, sowie aus den Sensorsignalen des Schwingungsmessgeräts Muster zu identifizieren und die Muster mit vorab gespeicherten Informationen für jeweilige Komponenten des Fahrzeugs zu vergleichen und aus dem Vergleich auf Zustände der Komponenten des Fahrzeugs zu schließen und auf das Vorliegen nominaler oder davon abweichender Zustände zu prüfen.
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Komponenten eines Fahrzeugs wie Reifen, Achsen, Zylinder, Lager, Manschetten und viele andere zueinander bewegliche und aneinander fixierte Bauteile werden schwingungstechnisch während der Fahrt des Fahrzeugs angeregt. Energetische Quellen für die Anregungen sind beispielsweise ein Motor des Fahrzeugs, oder Unebenheiten auf der Fahrbahn, wenn diese von den Rädern des Fahrzeugs überrollt werden. Es entstehen somit erzwungene Schwingungen an den Komponenten des Fahrzeugs, die je nach Frequenzbereich der anregenden Energiequelle ebenfalls schwingen, jedoch mit einer bestimmten Amplitude. In einem linearen System ist dabei die Frequenz des angeregten Systems genauso groß, wie die Anregungsfrequenz selbst, jedoch abhängig von der Frequenz mit einer bestimmten Amplitude und einer Phasendifferenz zur anregenden Schwingung. Für nichtlineare Systeme gilt diese Annahme nicht, kann jedoch durch diese Annahme zumindest angenähert betrachtet werden.
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Das oben Gesagte gilt jedoch nur konstant dann, wenn das betrachtete System ebenfalls immer konstant ist. Zustände der Komponenten eines Fahrzeugs ändern sich jedoch, insbesondere durch Verschleiß und verschleißlose Defekte, wie beispielsweise lose Schrauben oder Karosserieteile, die nicht zusammen stoßen sollten. Damit ändert sich auch das Systemverhalten und die Schwingungsantwort der jeweiligen Komponente bzw. der Komponenten zueinander unterscheidet sich vom verschleißlosen bzw. defektfreien Fall. Insbesondere eine Verschiebung der Resonanzfrequenz wird verwendet, um Änderungen relativ zum nominalen Fall zu erkennen. Diese unterschiedliche Schwingungsantwort wird erfindungsgemäß durch ein optionales Mikrofon und das Schwingungsmessgerät erfasst, wobei schließlich die rechnerische Auswertung durch die Recheneinheit erst die Information darüber liefert, ob ein Hinweis auf einen Verschleiß oder Defekt von einer oder mehreren Komponenten vorliegt.
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Indem die Recheneinheit eine Analyse der empfangenen Sensorsignale (optional von Mikrofon) und Schwingungsmessgerät durchführt, kann der nominale Fall mit erfassten Abweichungen verglichen werden und somit Rückschlüsse gezogen werden, ob sich die Komponenten des Fahrzeug ebenfalls in einem nominalen Zustand befinden. Mittels Erfassung und Auswertung von Fahrzeuggeräuschen und Vibrationen wird somit auf den Zustand einzelner Komponenten geschlossen.
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Die Aufgabe der Recheneinheit basiert dabei insbesondere auf der Annahme, dass in gewissen Maßen ähnliche Schäden von Komponenten des Fahrzeugs mit gewissen Schwingungsantworten innerhalb gewisser Grenzen reagieren, sodass eine Wiederholbarkeit der Identifikation eines solchen Schadens an einer Komponente des Fahrzeugs möglich ist. Aus diesem Grund sind die vorab gespeicherten Informationen wiederholt anwendbar und können als Datenbasis fungieren, um aktuelle Degradationen an den Komponenten des Fahrzeugs zu erkennen.
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Die Recheneinheit kann insbesondere in einer sogenannten ECU (Abkürzung für „electronic control unit“) realisiert werden, wie sie im Automobilbau üblich sind. Die Analyse des oder der Sensorsignale selbst umfasst bevorzugt eine Spektralanalyse basierend auf einer Fourier Transformation, um die Muster in den Sensorsignalen insbesondere im Frequenzbereich zu analysieren.
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Der Ultraschallgenerator kann ein einzelnes oder mehrere Sendeelemente aufweisen, sodass entweder von einer näherungsweise punktförmigen Quelle als alleinige Quelle die Ultraschallsignale produziert werden, oder an mehreren Stellen des Fahrzeugs die Ultraschallsignale von einer Vielzahl von Sendeelementen produziert werden.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass eine frühe Erkennung von mechanischen Problemen und Verschleiß in mechanischen Komponenten eines Fahrzeugs möglich ist, und dadurch potentiell geringere Reparaturkosten entstehen. Insbesondere die Verwendung von Ultraschallwellen erlaubt eine genaue Analyse, und unter Umständen eine Lokalisierung, von nicht-nominalen Zuständen von Komponenten des Fahrzeugs. Indem die Ultraschallwellen verwendet werden, können eigenartige Muster mit hoher Präzision erkannt werden. Diese hohe Genauigkeit ist nicht möglich, wenn sich auf die Schwingungsanregungen seitens Straße und Motor verlassen wird, da bereits diese Schwingungsanregungen eine hohe Variabilität aufweisen und somit zu Mustern führen können, welche fälschlicherweise als Defekte oder Verschleiße von Komponenten des Fahrzeugs interpretiert werden. In Ultraschall-Frequenzbereichen ist jedoch so eine natürliche Anregung durch Motor und Straße eher in geringen Amplituden und in schneller variierenden Frequenzen in der Realität aufzufinden, nicht jedoch mit einem derart sauberen Signal wie einer Ultraschallerzeugungseinheit. Vorteilhaft wird daher in regelmäßigen Abständen ein Test auf die Zustände der Komponenten des Fahrzeugs durchgeführt, d. h. das Ultraschallsignal des Ultraschallgenerators ausgesendet und die entsprechende Schwingungs-Antwort durch die Komponenten des Fahrzeugs mithilfe des Schwingungsmessgeräts erfasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Überwachungsvorrichtung weiterhin ein Mikrofon auf, welches angeordnet in einem Antriebsraum des Fahrzeugs ist, und welches besonders dazu eingerichtet ist, im Frequenzband der vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschallsignale liegende Luftschallwellen zu erfassen, wobei das Mikrofon mit der Recheneinheit verbunden ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, aus den Sensorsignalen des Schwingungsmessgeräts und des Mikrofons Muster zu identifizieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Mikrofon der Ultraschallgenerator selbst. Gemäß dieser Ausführungsform dient das Mikrofon sowohl als Ultraschallgenerator zum Erzeugen der Ultraschallsignale, als auch als Sensor zum Empfangen von Schwingungsantworten in der durch die Ultraschallsignale in Vibration versetzten Komponenten des Fahrzeugs. Dies spart vorteilhaft eine unnötig hohe Zahl von Bauteilen für die Überwachungsvorrichtung ein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, beim Erkennen von Mustern, die einem beschädigten Zustand von Komponenten des Fahrzeugs zugeordnet werden, ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein automatisiertes Fahrsteuerungssystem zu deaktivieren.
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Wird nämlich ein solcher Schaden oder Defekt erkannt, kann unter Umständen nicht länger von dem einwandfreien Funktionieren des Fahrerassistenzsystems bzw. des automatisierten Fahrsteuerungssystems bei hochautomatisierten Fahrzeugen bis hin zu autonomen Fahrzeugen ausgegangen werden. Bei einem Fahrerassistenzsystem wird von der Abschaltung des Fahrerassistenzsystems der Fahrer des Fahrzeugs bevorzugt benachrichtigt, bei einem hochautomatisierten Fahrzeug wird ein anwesender potentieller Fahrer zur manuellen Übernahme des Fahrzeugs vorteilhaft aufgefordert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Schwingungsmessgerät mit einer Karosserie des Fahrzeugs verbunden und dazu ausgeführt, an der Karosserie vorherrschende Vibrationen als Körperschall zu erfassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Schwingungsmessgerät von Vibrationen der Karosserie isoliert und dazu ausgeführt, Luftschall innerhalb des Fahrzeugs zu erfassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, nominale Zustände der Komponenten durch Erfassen und Abspeichern der zugehörigen Muster in den Sensorsignalen des Schwingungsmessgeräts einzulernen.
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Das Einlemen der nominalen Muster erfolgt bevorzugt während einer längeren Fahrt des Fahrzeugs, ohne dass dabei während mehrerer Messpunkte auffällige Muster erkannt werden würden. Gewisse Abweichungen innerhalb einer nominalen Standardabweichung sind jedoch zu erwarten, sodass diese minimalen Änderungen zur Abspeicherung eines nominalen Zustands dokumentiert werden können, und an einen Cloud-Server hochgeladen werden können bzw. als Update der vorab gespeicherten Informationen für jeweilige Komponenten des Fahrzeugs verwendet werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Recheneinheit eine Datenschnittstelle auf und ist dazu ausgeführt, Aktualisierungs-Informationen über die Datenschnittstelle von einem Cloud-Server zu empfangen und nach dem Einspielen der Aktualisierungs-Informationen neue gespeicherte Muster innerhalb der vorab gespeicherten Informationen für jeweilige Komponenten des Fahrzeugs zu verwenden und/oder die Prüfung auf das Vorliegen nominaler oder davon abweichender Zustände der Komponenten mit veränderten Parametern zu prüfen.
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Insbesondere können auffällige Muster von anderen Fahrzeugen erfasst worden sein und an den Cloud-Server übertragen worden sein. Ist beispielsweise eine bestimmte Verschleißerscheinung an einer bestimmten Komponente eines neuen Fahrzeugs öfter zu beobachten, so können die Ergebnisse durch den zentralen Cloud-Server an alle Fahrzeuge dieses Typs weitergegeben werden und somit in einer ganzen Flotte von Fahrzeugen frühzeitig erkannt werden, ob der Fehler auch im jeweiligen Fahrzeug bereits auftritt und mit einer Verschlimmerung zu rechnen ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, nicht erkannte Muster aufzuzeichnen und über die Datenschnittstelle an den Cloud-Server zu übermitteln.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Überwachungsvorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Fahrzeugs ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Überwachungsvorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigt:
- 1: Eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines physischen Zustandes eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in der Figur sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines physischen Zustandes von Komponenten des Fahrzeugs 1. Ein Schwingungsmessgerät 3 und ein Ultraschallgenerator 5 zum Erzeugen eines breitbandigen Ultraschallsignals zum Anregen von Komponenten des Fahrzeugs 1 zu Schwingungen sind im Bereich der Fahrzeugfront um einen Motorraum hin angeordnet. Das Schwingungsmessgerät 3 weist hochsensible Beschleunigungssensoren auf und ist für einen Frequenzbereich ausgelegt, der im Bereich des Frequenzbands der vom Ultraschallgenerator 5 erzeugten Ultraschallsignale liegende Vibrationen liegen. Das Schwingungsmessgerät 3 und der Ultraschallgenerator 5 sind ferner mit einer fahrzeugeigenen Recheneinheit 7, einer sogenannten ECU, datentechnisch verbunden. Die Recheneinheit 7 steuert in regelmäßigen Zeitintervallen während des Betriebs des Fahrzeugs 1 den Ultraschallgenerator 5 zum Erzeugen eines Ultraschallsignals an. Zeitgleich werden die Sensorsignale des Schwingungsmessgeräts 3 zum Erfassen einer Schwingungsantwort der Komponenten auf das Ultraschallsignal hin erfasst. Da außerdem der Ultraschallgenerator 5 die Funktion eines Mikrofons aufweist, um Luftschall zu erfassen, erfassen sowohl der Ultraschallgenerator 5 in der Funktion eines Mikrofons als auch das Schwingungsmessgerät 3 die Schwingungsantwort der Komponenten des Fahrzeugs 1 auf das erzeugte Ultraschallsignal hin. Aus den Sensorsignalen des Schwingungsmessgeräts 3 und des Mikrofons werden im Anschluss an die ausreichend weite Datenerfassung Muster u.a. durch Spektralanalyse identifiziert, und die Muster mit vorab gespeicherten Informationen für jeweilige Komponenten des Fahrzeugs 1 verglichen. Die bereits hinterlegten Informationen für jeweilige Komponenten des Fahrzeugs 1 weisen Zuordnungen auf, welches abgelegte Muster zu welcher bestimmten Komponente des Fahrzeugs 1 gehört. Wird somit ein bestimmtes dieser Muster identifiziert, so ist somit auch gleichzeitig eine erste Schätzung vorhanden, welche Komponente des Fahrzeugs 1 betroffen ist. Aus dem Vergleich wird somit auf Zustände der Komponenten des Fahrzeugs 1 geschlossen und auf das Vorliegen nominaler oder davon abweichender Zustände geprüft. Diese Informationen können mittels einer Datenverbindung zu einem Cloud-Computer, symbolisiert in der 1 durch die gezeichnete Wolke, kontinuierlich aktuell gehalten werden, und mit Informationen von einer hohen Zahl weiterer Fahrzeuge unterstützt werden. Durch die Betrachtung einer Vielzahl von Fahrzeugen und Analyse der Schwingungsantwort in der jeweiligen Komponente dieser Fahrzeuge wird somit eine statistisch relevante Zahl von Analysen durchgeführt und wiederkehrende Muster sehr schnell erkannt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017204941 A1 [0004]
