EP2079990A1 - Verfahren und vorrichtung zum überprüfen eines sensorsignals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überprüfen eines sensorsignals

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EP2079990A1
EP2079990A1 EP07820216A EP07820216A EP2079990A1 EP 2079990 A1 EP2079990 A1 EP 2079990A1 EP 07820216 A EP07820216 A EP 07820216A EP 07820216 A EP07820216 A EP 07820216A EP 2079990 A1 EP2079990 A1 EP 2079990A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
noise
sensor
signal
sig
sensor signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07820216A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Zheng-Yu Jiang
Matthias Kretschmann
Herbert Preis
Christoph Resch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP2079990A1 publication Critical patent/EP2079990A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2218/00—Indexing scheme relating to details of testing or calibration
    • G01D2218/10—Testing of sensors or measuring arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis
    • G01R23/20—Measurement of non-linear distortion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
    • G01R31/2829—Testing of circuits in sensor or actuator systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a corresponding device for checking a sensor signal of a sensor.
  • the sensor is in particular a safety-related sensor in a motor vehicle or other vehicle or flight ⁇ imaging, a medical device or other pre ⁇ device which requires a particularly high reliability of the sensor ⁇ signal.
  • a Drehratensen ⁇ sor for example, a yaw rate sensor used for detecting a current state of motion of the motor vehicle.
  • a sensor signal of such a rotation rate sensor is evaluated in a vehicle dynamics control system and optionally used for active intervention in the vehicle control, for example by driving a brake system of the motor vehicle. For this reason, such a rotation rate sensor is safety relevant to the operation of the motor vehicle. The availability and reliability of the sensor signal therefore very high demands are made.
  • the object of the invention is to provide a method and a corresponding device for checking a sensor signal which is simple and reliable.
  • the object is solved by the features of the independent claims.
  • Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for checking a sensor signal of a sensor.
  • a Rauschsig ⁇ nal is determined by filtering with a filter that suppresses a useful ⁇ signal spectrum of the sensor signal.
  • a noise quantity is determined which is a measure of the noise of the sensor signal. An error of Sensorsig ⁇ sound will be detected depending on the determined amount of noise.
  • the invention is based on the recognition that the noise of the sensor allows a statement about the availability or the operability of the sensor or the quality or Zuver ⁇ permeability of the sensor signal. If, for example, a connection to the sensor is interrupted or if there is a short-circuit in the supply lines to the sensor, then the noise characteristic of the sensor is missing in the sensor signal. Furthermore, external influences on the sensor signal, for example e- lectromagnetic disorders, easy to erken from a change in the noise signal and noise in accordance with the size ⁇ nen are.
  • the useful signal spectrum By filtering the useful signal spectrum is suppressed, that is, that portion of the sensor signal is suppressed ⁇ , which is determined by a to be detected by the sensor physi ⁇ calische size.
  • the useful signal is preferably as far suppressed that the magnitude of noise in ⁇ We sentlichen is independent of a temporal profile of the physical quantity. This has the advantage that in a simple way, a high reliability can be achieved.
  • the method and the corresponding device are particularly suitable for carrying out a simple model-based examination of the sensor signal.
  • the model is based in the significantly on a characteristic of the physical quantity to be detected, which results in the useful signal spectrum.
  • the filter is a high-pass filter.
  • a cut-off frequency of the filter is preferably greater than a maximum frequency of the physical quantity to be detected by the sensor. This maximum frequency is defined generally by the jeweili ⁇ ge application of the sensor.
  • the useful signal of a yaw rate to be detected as the physical quantity that is detected by a yaw rate sensor in a motor vehicle essentially limited to a frequency range Fre ⁇ below about 15 Hz. If the frequency range of the useful signal spectrum is known, then the cutoff frequency can be specified very easily.
  • the error of the sensor signal is detected if the determined noise quantity is smaller than a predetermined lower threshold value or greater than a predetermined upper threshold value. This allows a particularly simple and reliable detection of the error of the sensor signal.
  • the predetermined lower threshold about zero to the half times and / or the predetermined upper threshold is about Amsterdamin ⁇ half to four times a noise value of the sensor.
  • the predetermined lower threshold value ⁇ and / or the predetermined upper threshold can be set very a ⁇ times depending on the noise value of the sensor, which is indicated, for example, in a technical specification of the sensor.
  • the default lower threshold value and / or the predetermined upper smoldering ⁇ lenwert independent of the course to be detected physical quantity can be predetermined. As a result, the limits can be set comparatively narrow. This allows a particularly reliable detection of the error.
  • the quantity of noise is used as a standard deviation of the noise signal, it averages ⁇ . This is particularly easy to implement.
  • the standard ⁇ deviation for a current time step is recursively determined in dependence upon a first value, which was determined as the Standardab ⁇ deviation for a previous time step, and a second value, the len, the noise signal for aktuel ⁇ Time step represents.
  • the Standardabwei ⁇ chung is very easy determined, in particular by a computing unit, for example, by a microcontroller. The determination of the standard deviation is thus possible with a particularly low consumption of resources, that is to say in particular with a low storage space and computing time requirement.
  • the first value and the second value are weighted differently depending on a predetermined parameter.
  • the predetermined parameter represented, for example, a smoothing degree or a window width for determining the standard deviation and influences an intensity with which changes of the noise signal affecting the value of ⁇ Standardabwei monitoring.
  • the pre ⁇ passed parameter is a constant.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device for checking a sensor signal
  • FIG. 2 is a flowchart
  • 3 shows a diagram with a profile of the sensor signal and an associated standard deviation.
  • the predetermined range of values must be set large that the values which may arise in the intended error-free operation within the superiors range of values. For this reason, basically only gross errors of the sensor signals can be detected in this way.
  • the review may need to be based on a complex ⁇ res physical model. This requires each ⁇ but more resources, for example with regard to storage space or computing time.
  • a sensor 1 is coupled to a device 2 (FIG. 1).
  • the device is designed to check a sensor signal S_in of the sensor 1.
  • An analog-to-digital converter 3 can be provided for providing the sensor signal S_in in digital form.
  • the analog-to-digital converter 3 can also be comprised by the sensor 1 or by the device 2.
  • the sensor 1 and the device 2 can also be designed to provide or process the sensor signal ⁇ nals S_in in analog form.
  • the digital processing of the sensor signal S_in is described by way of example.
  • the device 2 preferably includes a computing unit, for With ⁇ play a microcontroller, or as a form such ⁇ out.
  • the device 2 comprises a filter unit formed vorzugswei ⁇ se as a high-pass filter unit HP.
  • a trained by the highpass filter unit HP Hochpassfil ⁇ ter has a cutoff frequency on f_c.
  • the cutoff frequency f_c is predetermined so that it is greater than a maximum frequency of a physical quantity to be detected by the sensor 1.
  • Characterized is the Grenzfre acid sequence f_c preferably above a useful signal spectrum of the sensor signal S_in.
  • the payload spectrum is the spectrum of the physical quantity to be detected by the sensor 1 and has a frequency range extending to extends to the maximum frequency of the physical quantity to be detected.
  • the high-pass filter HP unit is formed, depending on the sensor signal a noise signal S_in S_filt to he ⁇ forward, in which the useful signal to be detected physical quantity is suppressed.
  • the useful signal spectrum is suppressed to such an extent that its amplitude or power is at most as great as that of a noise of the sensor 1.
  • the filter of the filter unit is designed as a re ⁇ italic digital filter with filter coefficients a ⁇ , al, a2, bl, b2.
  • the filter coefficients a ⁇ , a1, a2, b1, b2 are predefined as a function of a desired filter characteristic, order of the filter and the cutoff frequency f_c. Accordingly, a number of the filter coefficients a ⁇ , al, a2, bl, b2 is given.
  • the filter is a first order filter. The resource consumption is then particularly low.
  • the filter may also be designed differently, for example as a non-recursive digital filter or as an analog filter.
  • the device 2 further comprises a noise quantity determination unit, which is designed to determine a noise quantity, which is a measure of the noise of the sensor signal S_in, as a function of the noise signal S_filt.
  • the Rausch supportivenermitt- averaging unit is preferably formed as a Standardabweichungser- averaging unit RMS, which determines the noise quantity as egg ⁇ ne standard deviation of the noise signal sig S_filt.
  • the standard deviation determination unit RMS is coupled on the input side to the high-pass filter unit HP and is coupled on the output side to a test unit CHK.
  • the test ⁇ unit CHK is formed, an error ERR of the Sensorsig- nals S_in depending on the determined noise quantity, that is, depending on the standard deviation sig to recognize.
  • Figure 2 shows a flow chart of a program that is playing executable by the device 2 in ⁇ .
  • the program starts in a step Sl.
  • a current value of the sensor signal S_in is acquired at a current time step k.
  • a aktuel ⁇ ler value of the noise signal S_filt to the current time step k is determined by filtering the sensor signal S_in.
  • the current value of the noise signal S_filt at the current time k for example, by
  • S_filt (k) a0 * S_in (k) + al * S_in (kl) + a2 * S_in (k-2) + ... + bl * S_filt (k-1) + b2 * S_filt (k-2) + ...
  • k-1 and k-2 each represent a time step which is one time step or two time steps before the current time step k.
  • a current value of the noise quantity that is, a current value of the standard deviation sig
  • a current value of the standard deviation sig is obtained at the current time step k.
  • the aktuel ⁇ le sig value of the standard deviation to the current time step k is carried
  • sig (k) SQRT (I / (k-1) * ⁇ ( ⁇ _S_filt-S_filt (n)) 2 )
  • SQRT represents a square root, ⁇ ei ⁇ ne sum over all time steps n from 1 to the current time step k and ⁇ _S_filt an average of the noise signal S filt for all time steps n from 1 to the current time step k.
  • ⁇ _S_filt an average of the noise signal S filt for all time steps n from 1 to the current time step k.
  • the current value of the standard deviation sig is preferably recursively determined as a function of a first value that represents a value of standard deviation sig for a preceding time step, and a second value representing the current value of the noise signal S_filt to the current time ⁇ step k.
  • the current value of the standard deviation sig can be determined particularly easily.
  • the abovementioned formula for determining the current value of the standard deviation sig is added to this
  • sig (k) SQRT ((k-2) / (k-1) * sig 2 (kl) + l / (kl) * S_filt 2 (k)).
  • the first value and the second value are weighted differently depending on the current time step k.
  • a predetermined parameter M which is preferably a con stant ⁇
  • the weighting of the first value and the two ⁇ value th is set.
  • the standard deviation sig is thus preferably determined by
  • the predetermined parameter M has a value of at least ten.
  • the value of the predetermined parameter M can also be less than ten. The greater the value of the predefined parameter M, the stronger is the course of the standard deviation sig, and the less the actual changes in a profile of the noise signal S_filt affect the course of the standard deviation sig.
  • a step S5 it is checked whether the determined aktuel ⁇ le sig value of the standard deviation to the current time step sig_min k greater than or equal to a predetermined lower threshold and less than or equal sig_max a predetermined upper threshold. If this condition is met, then it is detected in a step S6 that there is currently no error ERR of the sensor signal S_in. However, if the condition is not fulfilled in step S5, the current value of the standard deviation sig at the current time step k is smaller than the predetermined lower threshold value sig_min or greater than the predetermined upper threshold value sig_max, then in a step S7 the error ERR of the sensor signal S_in recognized.
  • an error counter is incremented and, if appropriate, after a predetermined period of time during which the error ERR was not recognized, is decremented again or reset .
  • the predetermined lower threshold value sig_min and / or the predetermined upper threshold value sig_max are predefined as a function of a noise value of the sensor 1.
  • the noise value of the sensor 1 is noted, for example, in its technical speci ⁇ fication, for example, as a standard deviation of a typical or maximum noise of the sensor 1.
  • the predetermined lower threshold sig_min is given as the zero to one-half times the noise value of the sensor 1 and / or is the predetermined upper threshold value sig_max before ⁇ given as the one and a half to four times the noise value of the sensor 1.
  • the predetermined lower threshold sig_min and the predetermined upper threshold sig_max can also be specified differently.
  • the predetermined lower threshold sig_min small, for example than about 0.1, and sig_max large predetermine the predetermined upper threshold value, for example, about three or four, if the value of the given before ⁇ parameter M is as small, for Example less than ten.
  • the predetermined lower threshold sig_min may be set large, for example, as about 0.4
  • the predetermined upper threshold sig_max may be set small, for example, about two if the value of the predetermined parameter M is large, for example, if it is 15 or 20.
  • the program is repeated with a predetermined time increment T_W.
  • the predetermined time increment T_W corresponds, for example, to a sampling rate of the analog-to-digital converter 3.
  • FIG. 3 shows a diagram of an example of a profile of the sensor signal S_in and an associated profile of the standard deviation sig.
  • the sensor 1 is in this example a yaw rate sensor of a motor vehicle and the physical quantity to be detected is a yaw rate of the motor vehicle.
  • the sensor signal S_in has a sampling rate of 250 Hz.
  • the predetermined time increment T_W is correspondingly 4 milliseconds.
  • the predetermined lower threshold sig_min in this example is 0.1 ° / s and the predetermined upper threshold is 1 ° / s.
  • the sensor signal S_in was filtered with a first-order recursive digital high-pass filter with the cutoff frequency f_c of 20 Hz.
  • the Standardabwei ⁇ chung sig was determined using the predetermined parameter M, the value of which is 12.5 time steps in this example. This corresponds to an averaging period of 50 milliseconds.
  • the motor vehicle moves substantially ge ⁇ radeaus.
  • the sensor 1 has a negative signal offset of about 1 ° / s.
  • the noise having a Standardab ⁇ deviation of about 0.4 ° / s according to the technical specification of the sensor.
  • the motor vehicle drives a right turn. This results in a decrease of the sensor signal S_in.
  • ERR error occurs. This results in a sudden increase of the sensor signal to a later in kon ⁇ constants of about 5.8 ° / s.
  • the standard deviation sig runs until the occurrence of the ERR error within the limits specified by the predetermined lower threshold value sig_min and the predetermined upper threshold value sig_max. With occurrence of the Def ⁇ coupler ERR the standard deviation sig rises very quickly to a value above the predetermined upper threshold value sig_max and then falls due to the constant sensor signal S_in to a value below the predetermined lower threshold sig_min.
  • the error ERR of the sensor signal ⁇ nals S_in can be detected so easily and reliably.
  • the method and the device 2 are particularly suitable know rapid changes in the sensor signal S_in or sticking of the sensor signal S_in at a constant value to he ⁇ .
  • Such errors ERR occur, for example in a row ei ⁇ ner mechanical shock stimulation, electromagnetic radiation or a signal demolition.
  • a source Res ⁇ consumption for detecting the error ERR is low, particularly with respect to memory requirements and may Rechenzeitbe ⁇ .
  • the sensor 1 may be any sensor.
  • the sensor 1 is a safety-relevant sensor, for example in a motor vehicle or another vehicle, an aircraft or a medical device.
  • the sensor 1 for example, a Accelerati ⁇ supply sensor, a wheel speed sensor, a yaw rate sensor, a steering angle sensor or a travel sensor, such as those used for example in a vehicle dynamics control system.

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Abstract

Abhängig von einem Sensorsignal wird ein Rauschsignal mittels Filtern mit einem Filter ermittelt, das ein Nutzsignalspektrum des Sensorsignals unterdrückt. Abhängig vom Rauschsignal wird eine Rauschgröße ermittelt, die ein Maß für ein Rauschen des Sensorsignals ist. Ein Fehler des Sensorsignals wird abhängig von der ermittelten Rauschgröße erkannt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals eines Sensors. Der Sensor ist insbesondere ein sicherheitsrelevanter Sensor in einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Fahrzeug oder Flug¬ zeug, einem medizintechnischen Gerät oder einer anderen Vor¬ richtung, die eine besonders hohe Zuverlässigkeit des Sensor¬ signals erfordert.
Beispielsweise wird in einem Kraftfahrzeug ein Drehratensen¬ sor, zum Beispiel ein Gierratensensor, genutzt zum Erfassen eines aktuellen Bewegungszustands des Kraftfahrzeugs. Ein Sensorsignal eines solchen Drehratensensors wird in einem Fahrdynamikregelungssystem ausgewertet und gegebenenfalls für einen aktiven Eingriff in die Fahrzeugsteuerung genutzt, zum Beispiel durch Ansteuern eines Bremssystems des Kraftfahrzeugs. Aus diesem Grund ist ein solcher Drehratensensor sicherheitsrelevant für den Betrieb des Kraftfahrzeugs. An die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Sensorsignals werden daher besonders hohe Anforderungen gestellt.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals zu schaffen, das beziehungsweise die einfach und zuverlässig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals eines Sensors. Abhängig vom Sensorsignal wird ein Rauschsig¬ nal mittels Filtern mit einem Filter ermittelt, das ein Nutz¬ signalspektrum des Sensorsignals unterdrückt. Abhängig vom Rauschsignal wird eine Rauschgröße ermittelt, die ein Maß für ein Rauschen des Sensorsignals ist. Ein Fehler des Sensorsig¬ nals wird abhängig von der ermittelten Rauschgröße erkannt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Rauschen des Sensors eine Aussage über die Verfügbarkeit oder die Funktionsfähigkeit des Sensors oder die Qualität oder Zuver¬ lässigkeit des Sensorsignals erlaubt. Ist beispielsweise eine Verbindung zum Sensor unterbrochen oder besteht ein Kurz- schluss der Zuleitungen zum Sensor, dann fehlt das für den Sensor charakteristische Rauschen im Sensorsignal. Ferner sind externe Einflüsse auf das Sensorsignal, zum Beispiel e- lektromagnetische Störungen, einfach anhand einer Veränderung des Rauschsignals und entsprechend der Rauschgröße zu erken¬ nen .
Durch das Filtern wird das Nutzsignalspektrum unterdrückt, das heißt derjenige Anteil des Sensorsignals wird unter¬ drückt, der durch eine durch den Sensor zu erfassende physi¬ kalische Größe bestimmt wird. Das Nutzsignalspektrum wird vorzugsweise so weit unterdrückt, dass die Rauschgröße im We¬ sentlichen unabhängig von einem zeitlichen Verlauf der physikalische Größe ist. Dies hat den Vorteil, dass dadurch auf einfache Weise eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Das Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind besonders geeignet, eine einfache modellbasierte Prüfung des Sensorsignals durchzuführen. Das Modell beruht dabei im We- sentlichen auf einer Charakteristik der zu erfassenden physikalischen Größe, die im Nutzsignalspektrum resultiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filter ein Hochpassfilter. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren und die Vorrichtung sehr einfach sein können. Eine Grenzfrequenz des Filters ist vorzugsweise größer als eine maximale Frequenz der durch den Sensor zu erfassenden physikalischen Größe. Diese maximale Frequenz ist im Allgemeinen durch die jeweili¬ ge Anwendung des Sensors vorgegeben. Beispielsweise ist das Nutzsignalspektrum einer Gierrate als die zu erfassende physikalische Größe, die mittels eines Gierratensensors in einem Kraftfahrzeug erfasst wird, im Wesentlichen auf einen Fre¬ quenzbereich unterhalb von etwa 15 Hz beschränkt. Ist der Frequenzbereich des Nutzsignalspektrums bekannt, dann ist die Grenzfrequenz sehr einfach vorgebbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Fehler des Sensorsignals erkannt, wenn die ermittelte Rauschgröße kleiner ist als ein vorgegebener unterer Schwellenwert oder größer ist als ein vorgegebener oberer Schwellenwert. Dies ermöglicht eine besonders einfache und zuverlässige Erkennung des Fehlers des Sensorsignals.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der vorgegebene untere Schwellenwert etwa das Null- bis Einhalbfache und/oder der vorgegebene obere Schwellenwert etwa das Einein¬ halb- bis Vierfache eines Rauschwerts des Sensors beträgt. Dies hat den Vorteil, dass der vorgegebene untere Schwellen¬ wert und/oder der vorgegebene obere Schwellenwert sehr ein¬ fach abhängig vom Rauschwert des Sensors vorgegeben werden kann, der beispielsweise in einer technischen Spezifikation des Sensors vermerkt ist. Insbesondere sind der vorgegebene untere Schwellenwert und/oder der vorgegebene obere Schwel¬ lenwert unabhängig vom Verlauf der zu erfassenden physikalischen Größe vorgebbar. Dadurch können die Grenzen vergleichsweise eng vorgegeben werden. Dies ermöglicht ein besonders zuverlässiges Erkennen des Fehlers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Rauschgröße als eine Standardabweichung des Rauschsignals er¬ mittelt. Dies ist besonders einfach implementierbar.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Standard¬ abweichung für einen aktuellen Zeitschritt rekursiv ermittelt wird abhängig von einem ersten Wert, der als die Standardab¬ weichung für einen vorangegangenen Zeitschritt ermittelt wurde, und einem zweiten Wert, der das Rauschsignal zum aktuel¬ len Zeitschritt repräsentiert. Dadurch ist die Standardabwei¬ chung sehr einfach ermittelbar, insbesondere durch eine Recheneinheit, zum Beispiel durch einen MikroController. Das Ermitteln der Standardabweichung ist so mit besonders geringem Ressourcenverbrauch möglich, das heißt insbesondere mit geringem Speicherplatz- und Rechenzeitbedarf.
In diesem Zusammenhang ist es weiter vorteilhaft, wenn für das Ermitteln der Standardabweichung für den aktuellen Zeitschritt der erste Wert und der zweite Wert unterschiedlich gewichtet werden abhängig von einem vorgegebenen Parameter. Der vorgegebene Parameter repräsentiert beispielsweise einen Glättungsgrad oder eine Fensterbreite für das Ermitteln der Standardabweichung und beeinflusst eine Intensität, mit der Änderungen des Rauschsignals sich im Wert der Standardabwei¬ chung auswirken. Durch Vorsehen des vorgegebenen Parameters ist dies sehr einfach vorgebbar. Vorzugsweise ist der vorge¬ gebene Parameter eine Konstante. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm und
Figur 3 ein Diagramm mit einem Verlauf des Sensorsignals und einer zugehörigen Standardabweichung.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Zum Überprüfen von Sensoren und insbesondere von sicherheits¬ relevanten Sensoren werden modellbasierte Tests durchgeführt. Diesen liegt ein physikalisches Modell zugrunde, das das vor¬ gesehene Einsatzgebiet der Sensoren widerspiegelt. Die mo¬ dellbasierten Tests werden genutzt, die Sensorsignale der Sensoren auf ihre Plausibilität in Bezug auf das physikali¬ sche Modell zu überprüfen. Als unplausibel werden solche Sen¬ sorsignale betrachtet, deren Werte unter Berücksichtigung von vorgegebenen Toleranzen nicht mit den Vorgaben des physikalischen Modells übereinstimmen. Eine sehr einfache Überprüfung entsprechend einem physikalischen Modell kann beispielsweise darin bestehen, Werte der Sensorsignale oder zeitliche Ände¬ rungen der Sensorsignale auf ein Verlassen eines vorgegebenen Wertebereichs zu überprüfen. Der vorgegebene Wertebereich ist dabei durch das physikalische Modell vorgegeben. Um Fehlalar¬ me zu vermeiden, muss der vorgegebene Wertebereich so groß vorgegeben sein, dass die im vorgesehenen fehlerfreien Betrieb gegebenenfalls auftretenden Werte innerhalb des vorge- gebenen Wertebereichs liegen. Aus diesem Grund sind auf diese Weise grundsätzlich nur grobe Fehler der Sensorsignale erkennbar. Um auch andere Fehler der Sensorsignale erkennen zu können, muss die Überprüfung gegebenenfalls auf ein komplexe¬ res physikalisches Modell gestützt werden. Dies erfordert je¬ doch mehr Ressourcen, zum Beispiel bezüglich Speicherplatz oder Rechenzeit.
Ein Sensor 1 ist mit einer Vorrichtung 2 gekoppelt (Figur 1) . Die Vorrichtung ist ausgebildet zum Überprüfen eines Sensorsignals S_in des Sensors 1. Ein Analog-Digital-Wandler 3 kann vorgesehen sein zum Bereitstellen des Sensorsignals S_in in digitaler Form. Der Analog-Digital-Wandler 3 kann auch vom Sensor 1 oder von der Vorrichtung 2 umfasst sein. Der Sensor 1 und die Vorrichtung 2 können jedoch auch ausgebildet sein zum Bereitstellen beziehungsweise Verarbeiten des Sensorsig¬ nals S_in in analoger Form. Im Folgenden ist beispielhaft das digitale Verarbeiten des Sensorsignals S_in beschrieben. Die Vorrichtung 2 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit, zum Bei¬ spiel einen MikroController, oder ist als eine solche ausge¬ bildet.
Die Vorrichtung 2 umfasst eine Filtereinheit, die vorzugswei¬ se als eine Hochpassfiltereinheit HP ausgebildet ist. Ein durch die Hochpassfiltereinheit HP ausgebildetes Hochpassfil¬ ter weist eine Grenzfrequenz f_c auf. Vorzugsweise ist die Grenzfrequenz f_c so vorgegeben, dass diese größer ist als eine maximale Frequenz einer physikalischen Größe, die durch den Sensor 1 erfasst werden soll. Dadurch liegt die Grenzfre¬ quenz f_c vorzugsweise oberhalb eines Nutzsignalspektrums des Sensorsignals S_in. Das Nutzsignalspektrum ist das Spektrum der physikalischen Größe, die durch den Sensor 1 erfasst werden soll, und weist einen Frequenzbereich auf, der sich bis zur maximalen Frequenz der zu erfassenden physikalischen Größe erstreckt. Die Hochpassfiltereinheit HP ist ausgebildet, abhängig vom Sensorsignal S_in ein Rauschsignal S_filt zu er¬ mitteln, in dem das Nutzsignalspektrum der zu erfassenden physikalischen Größe unterdrückt ist. Bevorzugt wird das Nutzsignalspektrum so weit unterdrückt, dass dessen Amplitude oder Leistung maximal so groß ist wie die eines Rauschens des Sensors 1.
Beispielsweise ist das Filter der Filtereinheit als ein re¬ kursives digitales Filter ausgebildet mit Filterkoeffizienten aθ, al, a2, bl, b2. Die Filterkoeffizienten aθ, al, a2, bl, b2 sind abhängig von einer gewünschten Filtercharakteristik, Ordnung des Filters und der Grenzfrequenz f_c vorgegeben. Entsprechend ist auch eine Anzahl der Filterkoeffizienten aθ, al, a2, bl, b2 vorgegeben. Bevorzugt ist das Filter ein Filter erster Ordnung. Der Ressourcenverbrauch ist dann besonders gering. Das Filter kann jedoch auch anders ausgebildet sein, zum Beispiel als ein nicht-rekursives digitales Filter oder als ein analoges Filter.
Die Vorrichtung 2 umfasst ferner eine Rauschgrößenermitt- lungseinheit , die ausgebildet ist, abhängig vom Rauschsignal S_filt eine Rauschgröße zu ermitteln, die ein Maß für das Rauschen des Sensorsignals S_in ist. Die Rauschgrößenermitt- lungseinheit ist vorzugsweise als eine Standardabweichungser- mittlungseinheit RMS ausgebildet, die die Rauschgröße als ei¬ ne Standardabweichung sig des Rauschsignals S_filt ermittelt.
Die Standardabweichungsermittlungseinheit RMS ist eingangs- seitig gekoppelt mit der Hochpassfiltereinheit HP und ist ausgangsseitig gekoppelt mit einer Prüfeinheit CHK. Die Prüf¬ einheit CHK ist ausgebildet, einen Fehler ERR des Sensorsig- nals S_in abhängig von der ermittelten Rauschgröße, das heißt abhängig von der Standardabweichung sig, zu erkennen.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms, das bei¬ spielsweise durch die Vorrichtung 2 ausführbar ist. Das Programm beginnt in einem Schritt Sl. In einem Schritt S2 wird zu einem aktuellen Zeitschritt k ein aktueller Wert des Sensorsignals S_in erfasst. In einem Schritt S3 wird ein aktuel¬ ler Wert des Rauschsignals S_filt zum aktuellen Zeitschritt k durch Filtern des Sensorsignals S_in ermittelt. Bei Nutzung des rekursiven digitalen Filters kann der aktuelle Wert des Rauschsignals S_filt zum aktuellen Zeitpunkt k beispielsweise durch
S_filt (k) = aO*S_in(k) + al*S_in(k-l) + a2*S_in(k-2) + ... + bl*S_filt (k-1) + b2*S_filt (k-2) + ...
ermittelt werden. Dabei repräsentieren k-1 und k-2 jeweils einen Zeitschritt, der einen Zeitschritt beziehungsweise zwei Zeitschritte vor dem aktuellen Zeitschritt k liegt.
In einem Schritt S4 wird ein aktueller Wert der Rauschgröße, das heißt ein aktueller Wert der Standardabweichung sig, zum aktuellen Zeitschritt k ermittelt. Allgemein wird der aktuel¬ le Wert der Standardabweichung sig zum aktuellen Zeitschritt k durch
sig(k) = SQRT(I/ (k-1) * Σ(μ_S_filt - S_filt(n))2)
ermittelt. Dabei repräsentiert SQRT eine Quadratwurzel, Σ ei¬ ne Summe über alle Zeitschritte n von 1 bis zum aktuellen Zeitschritt k und μ_S_filt einen Mittelwert des Rauschsignals S filt für alle Zeitschritte n von 1 bis zum aktuellen Zeit- schritt k. Wird durch das im Schritt S3 genutzte Filter ein Gleichanteil des Sensorsignals S_in weitgehend unterdrückt, zum Beispiel durch den Hochpassfilter, dann ist der Mittelwert μ_S_filt des Rauschsignals S_filt gegebenenfalls ver¬ nachlässigbar. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Gleichanteil genügend stark unterdrückt ist, so dass der Mit¬ telwert μ_S_filt des Rauschsignals S_filt vernachlässigt wer¬ den kann.
Bevorzugt wird der aktuelle Wert der Standardabweichung sig rekursiv ermittelt abhängig von einem ersten Wert, der einen Wert der Standardabweichung sig für einen vorangegangenen Zeitschritt repräsentiert, und einem zweiten Wert, der den aktuellen Wert des Rauschsignals S_filt zum aktuellen Zeit¬ schritt k repräsentiert. Dadurch ist der aktuelle Wert der Standardabweichung sig besonders einfach ermittelbar. Die o- ben genannte Formel zur Ermittlung des aktuellen Werts der Standardabweichung sig wird dazu umgeschrieben zu
sig(k) = SQRT ( (k-2) / (k-1) * sig2(k-l) + l/(k-l) * S_filt2 (k) ) .
Der erste Wert und der zweite Wert sind unterschiedlich ge- wichtet abhängig vom aktuellen Zeitschritt k. Durch Vorsehen eines vorgegebenen Parameters M, der vorzugsweise eine Kon¬ stante ist, wird die Wichtung des ersten Werts und des zwei¬ ten Werts vorgegeben. Die Standardabweichung sig wird somit bevorzugt ermittelt durch
sig(k) = SQRT ( (M-2) / (M-I) * sig2 (k-1) + 1/(M-I) * S_filt2 (k) ) . Bevorzugt weist der vorgegebene Parameter M einen Wert von mindestens zehn auf. Der Wert des vorgegebenen Parameters M kann jedoch auch kleiner als zehn sein. Je größer der Wert des vorgegebenen Parameters M ist, desto stärker ist ein Verlauf der Standardabweichung sig geglättet und desto weniger wirken sich aktuelle Änderungen in einem Verlauf des Rauschsignals S_filt auf den Verlauf der Standardabweichung sig aus .
In einem Schritt S5 wird überprüft, ob der ermittelte aktuel¬ le Wert der Standardabweichung sig zum aktuellen Zeitschritt k größer oder gleich einem vorgegebenen unteren Schwellenwert sig_min und kleiner oder gleich einem vorgegebenen oberen Schwellenwert sig_max ist. Ist diese Bedingung erfüllt, dann wird in einem Schritt S6 erkannt, dass aktuell kein Fehler ERR des Sensorsignals S_in vorliegt. Ist die Bedingung im Schritt S5 jedoch nicht erfüllt, ist der aktuelle Wert der Standardabweichung sig zum aktuellen Zeitschritt k also kleiner als der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min oder größer als der vorgegebene obere Schwellenwert sig_max, dann wird in einem Schritt S7 der Fehler ERR des Sensorsignals S_in erkannt. Vorzugsweise wird bei Erkennen des Fehlers ERR ein Fehlerzähler inkrementiert und gegebenenfalls nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer, während der der Fehler ERR nicht erkannt wurde, wieder dekrementiert oder zurück ge¬ setzt. Überschreitet ein Zählerstand des Fehlerzählers einen vorgegebenen Schwellenwert, erfolgt beispielsweise ein Hin¬ weis an einen Benutzer oder an Wartungspersonal, damit der Fehler ERR behoben werden kann.
Bevorzugt sind der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min und/oder der vorgegebene obere Schwellenwert sig_max abhängig von einem Rauschwert des Sensors 1 vorgegeben. Der Rauschwert des Sensors 1 ist beispielsweise in dessen technischer Spezi¬ fikation vermerkt, zum Beispiels als Standardabweichung eines typischen oder maximalen Rauschens des Sensors 1. Bevorzugt ist der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min vorgegeben als das Null- bis Einhalbfache des Rauschwerts des Sensors 1 und/oder ist der vorgegebene obere Schwellenwert sig_max vor¬ gegeben als das Eineinhalb- bis Vierfache des Rauschwerts des Sensors 1. Der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min und der vorgegebene obere Schwellenwert sig_max können jedoch auch anders vorgegeben sein.
Es ist vorteilhaft, den vorgegebenen unteren Schwellenwert sig_min klein vorzugeben, zum Beispiel als etwa 0,1, und den vorgegebenen oberen Schwellenwert sig_max groß vorzugeben, zum Beispiel als etwa drei oder vier, wenn der Wert des vor¬ gegebenen Parameters M klein ist, zum Beispiel kleiner als zehn. Entsprechend kann der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min groß vorgegeben werden, zum Beispiel als etwa 0,4, und kann der vorgegebene obere Schwellenwert sig_max klein vorgegeben werden, zum Beispiel als etwa zwei, wenn der Wert des vorgegebenen Parameters M groß ist, zum Beispiel wenn dieser 15 oder 20 beträgt. Dadurch wird ein zuverlässiges Er¬ kennen des Fehlers ERR des Sensorsignals S_in ermöglicht und werden Fehlalarme vermieden.
Bevorzugt wird das Programm mit einer vorgegebenen Zeitschrittweite T_W wiederholt. Die vorgegebene Zeitschrittweite T_W entspricht beispielsweise einer Abtastrate des Analog- Digital-Wandlers 3.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm ein Beispiel für einen Verlauf des Sensorsignals S_in und einen zugehörigen Verlauf der Standardabweichung sig. Der Sensor 1 ist in diesem Beispiel ein Gierratensensor eines Kraftfahrzeugs und die zu erfassen¬ de physikalische Größe ist eine Gierrate des Kraftfahrzeugs. Das Sensorsignal S_in weist eine Abtastrate von 250 Hz auf. Die vorgegebene Zeitschrittweite T_W beträgt entsprechend 4 Millisekunden. Der vorgegebene untere Schwellenwert sig_min beträgt in diesem Beispiel 0,1 °/s und der vorgegebene obere Schwellenwert beträgt 1 °/s. Das Sensorsignal S_in wurde mit einem rekursiven digitalen Hochpassfilter erster Ordnung mit der Grenzfrequenz f_c von 20 Hz gefiltert. Die Standardabwei¬ chung sig wurde mit dem vorgegebenen Parameter M ermittelt, dessen Wert in diesem Beispiel 12,5 Zeitschritte beträgt. Dies entspricht einer Mittelungszeitdauer von 50 Millisekunden .
Bis zu Sekunde 38 fährt das Kraftfahrzeug im Wesentlichen ge¬ radeaus. Der Sensor 1 weist einen negativen Signalversatz von etwa 1 °/s auf. Deutlich zu erkennen ist das Rauschen, das laut technischer Spezifikation des Sensors 1 eine Standardab¬ weichung von etwa 0,4 °/s aufweist. Etwa ab Sekunde 38 fährt das Kraftfahrzeug eine Rechtskurve. Dies resultiert in einem Abfall des Sensorsignals S_in. Etwa zu Sekunde 39,5 tritt der Fehler ERR auf. Dieser resultiert in einem sprunghaften Anstieg des Sensorsignals auf einen im weiteren Verlauf kon¬ stanten Wert von etwa 5,8 °/s.
Die Standardabweichung sig verläuft bis zum Auftreten des Fehlers ERR innerhalb der Grenzen, die durch den vorgegebenen unteren Schwellenwert sig_min und den vorgegebene oberen Schwellenwert sig_max vorgegeben sind. Mit Auftreten des Feh¬ lers ERR steigt die Standardabweichung sig sehr schnell auf einen Wert oberhalb des vorgegebenen oberen Schwellenwerts sig_max an und fällt anschließend aufgrund des konstanten Sensorsignals S_in auf einen Wert unterhalb des vorgegebenen unteren Schwellenwerts sig_min. Der Fehler ERR des Sensorsig¬ nals S_in kann so einfach und zuverlässig erkannt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung 2 sind besonders geeignet, schnelle Änderungen des Sensorsignals S_in oder ein Festhängen des Sensorsignals S_in auf einem konstanten Wert zu er¬ kennen. Solche Fehler ERR treten beispielsweise in Folge ei¬ ner mechanischen Schockanregung, von elektromagnetischer Einstrahlung oder eines Signalabrisses auf. Dabei ist ein Res¬ sourcenverbrauch für das Erkennen des Fehlers ERR gering, insbesondere bezüglich Speicherplatzbedarf und Rechenzeitbe¬ darf .
Der Sensor 1 kann ein beliebiger Sensor sein. Insbesondere ist der Sensor 1 jedoch ein sicherheitsrelevanter Sensor, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug oder einem anderen Fahrzeug, einem Flugzeug oder einem medizintechnischen Gerät. In einem Kraftfahrzeug ist der Sensor 1 beispielsweise ein Beschleuni¬ gungssensor, ein Raddrehzahlsensor, ein Drehratensensor, ein Lenkwinkelsensor oder ein Federwegsensor, wie sie zum Beispiel in einem Fahrdynamikregelungssystem genutzt werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Überprüfen eines Sensorsignals (S_in) eines Sensors (1), bei dem
- abhängig vom Sensorsignal (S_in) ein Rauschsignal (S_filt) mittels Filtern mit einem Filter ermittelt wird, das ein Nutzsignalspektrum des Sensorsignals (S_in) unterdrückt,
- abhängig vom Rauschsignal (S_filt) eine Rauschgröße ermit¬ telt wird, die ein Maß für ein Rauschen des Sensorsignals
(S_in) ist, und
- ein Fehler (ERR) des Sensorsignals (S_in) abhängig von der ermittelten Rauschgröße erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filter ein Hochpassfilter ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Fehler (ERR) des Sensorsignals (S_in) erkannt wird, wenn die ermittelte Rauschgröße kleiner ist als ein vorgegebener unterer Schwellenwert (sig_min) oder größer ist als ein vorgegebener oberer Schwellenwert (sig_max) .
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der vorgegebene untere Schwellenwert (sig_min) etwa das Null- bis Einhalbfache und/oder der vorgegebene obere Schwellenwert (sig_max) etwa das Eineinhalb- bis Vierfache eines Rauschwerts des Sensors
(1) beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Rauschgröße als eine Standardabweichung (sig) des Rausch¬ signals (S_filt) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Standardabweichung (sig) für einen aktuellen Zeitschritt (k) rekursiv ermittelt wird abhängig von einem ersten Wert, der als die Standardab¬ weichung (sig) für einen vorangegangenen Zeitschritt ermittelt wurde, und einem zweiten Wert, der das Rauschsignal (S_filt) zum aktuellen Zeitschritt (k) repräsentiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem für das Ermitteln der Standardabweichung (sig) für den aktuellen Zeitschritt (k) der erste Wert und der zweite Wert unterschiedlich gewichtet werden abhängig von einem vorgegebenen Parameter (M) .
8. Vorrichtung zum Überprüfen eines Sensorsignals (S_in) eines Sensors (1), die ausgebildet ist
- zum Ermitteln eines Rauschsignals (S_filt) abhängig vom Sensorsignal (S_in) mittels Filtern mit einem Filter, das ein Nutzsignalspektrum des Sensorsignals (S_in) unterdrückt,
- zum Ermitteln einer Rauschgröße, die ein Maß für ein Rauschen des Sensorsignals (S_in) ist, abhängig vom Rauschsignal (S_filt) und
- zum Erkennen eines Fehlers (ERR) des Sensorsignals (S_in) abhängig von der ermittelten Rauschgröße.
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