JP2011503542A - 自動車システムのノック信号検出 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、従来のノック検出スキーム10の例として、標準ノック検出アルゴリズムにおける異なるブロックを示す。検出段階11において、ノックセンサはノックイベントの検出を助ける。ノックセンサは、非接触センサ(たとえば、単純な加速度計)または接触センサ(たとえば、燃焼チャンバの共振周波数において放出されるノックエネルギーを測定するための基準として機能する圧電性セラミック)であってもよい。検出された信号は、その後デジタル領域またはアナログ領域の信号処理段階12において処理され、パラメータ(たとえば、圧力または振動)が抽出段階13において抽出される。エンジンノックによって生成される共振周波数のエネルギーを抽出する方法には、時系列処理、周波数処理、および一次元信号を、時間と周波数の関数として二次元的な表現に変換するための時間−周波数分布(TFD)技術など、幾つかの方法がある。たとえば、最も広く使用されているTFDは、短時間フーリエ変換(STFT)である。研究者らは、時間−周波数分布(たとえば、ウィグナー−ビレ(Wigner−Ville)分布の平滑化されたバージョン)の開発も行い、ノック圧力信号の研究に取り入れている。このような分布を用いたノックの信号表現は、信号の非定常特性と、共振周波数値の時間依存性との両方を示す。
内燃機関におけるノックイベントを効率的に且つ正確に検出するために用いられるエンジンノック信号処理システムと方法とを説明する。エンジンノック信号の検出に非接触センサ(たとえば、加速度計)を使用することによって、ノックイベントにより燃焼チャンバに誘発される振動の強度を測定することができる。ローパスフィルタリング後、測定した振動信号はアナログ形式からデジタル形式に変換される。この結果、デジタル処理技術を適用して、信号内のノックイベントの存在を検出するためのパラメータを抽出することができる。次いで、アンチエイリアスフィルタを適用すること、フィルタリング済み信号を(たとえば、因数Dによって)デシメートすること、更に、デシメートされたフィルタリング済み信号を時間と周波数を関数とする二次元的な表現に変換すべく、時間−周波数技術(たとえば、STFT)を用いることによって、パラメータを抽出する。サンプリング周波数を低減すべく、フィルタリング済み信号をデシメートすることによってより低い周波数でSTFTを計算すると、プロセッサ上の計算負荷がより低減される。また、スペクトル漏れを最小化して一次周波数を増加させるSTFTに適切な窓関数を選択することによって、STFTの周波数分解能を向上させることができる。信号内で検出された周波数成分に基づき、信号の基本周波数が計算される。適切なパラメータが抽出されると、ピッチ周波数の存在と信号の短期エネルギー増加とが検出され、信号内のノックイベントの存在が示される。ピッチ検出とエネルギーに基づくノック検出とを組み合わせることによって、純粋にエネルギーに基づくアルゴリズムで生じる「誤り」ノック検出がより少ない、より正確なノック検出アルゴリズムが提供される。
ピッチ周波数検出ステップS410は、まず抽出された周波数・振幅情報408を用いてピーク周波数を検出すること(ステップS412)によって実行されてもよい。次に、候補(または予測)ピッチ周波数(fk)を選択する(ステップS414)。候補の周波数は、信号スペクトルにおける偏部分の最大数の最大公約数に基づき、臨界周波数から選択される。双方向ミスマッチエラーErr(fk)の計算を用いて(ステップS416)、ピーク周波数を候補ピッチ周波数と比較する。また、誤差関数Err(fk)を最小化する候補ピッチ周波数を、ピッチ周波数として選択する(ステップS418)。
Claims (20)
- 内燃機関のノック信号を検出するシステムであって、
エンジン振動に応じてセンサ信号情報を生成するために、内燃機関に動作可能に連結されたセンサ構造部と、
デジタル信号情報内の所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを識別すべくセンサ信号情報からデジタル信号情報を抽出するために、前記センサ構造部に動作可能に連結された信号処理構造部であって、前記所定のピッチ周波数及び前記短期エネルギー増加は、ノック検出信号を生成するために組み合わせて使用される信号処理構造部と
を含む、システム。 - 前記センサ構造部は、加速度センサを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記センサ構造部は、エンジンシリンダへの取付用の非接触音響センサを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記信号処理構造部は、
センサ信号情報をデジタルセンサ信号にすべく、同センサ信号情報をサンプリングするアナログ−デジタル変換器と、
デジタルセンサ信号をフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、同デジタルセンサ信号をデジタル的にフィルタリングするアンチエイリアスフィルタと、
フィルタリング済みデジタルセンサ信号をデシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、同フィルタリング済みデジタルセンサ信号をダウンサンプリングするデシメータと、
デシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号から、瞬時周波数と振幅情報とを抽出する短時間フーリエ変換モジュールと、
瞬時周波数と振幅情報とから、所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを検出するノック検出モジュールであって、前記所定のピッチ周波数が検出され、且つ前記短期エネルギー増加が検出される場合、ノック検出信号を生成するノック検出モジュールと
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記短時間フーリエ変換モジュールは、周波数スメアリングを低減すべく、デシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号に対してブラックマンハリス窓を適用する、請求項4に記載のシステム。
- 前記ノック検出モジュールは、双方向ミスマッチエラー計算を用いて、瞬時周波数と振幅情報とからピッチ周波数を計算するピッチ検出モジュールを含む、請求項4に記載のシステム。
- 前記ノック検出モジュールは、瞬時周波数と振幅情報とからフレームエネルギー値を計算するエネルギー計算モジュールを含む、請求項4に記載のシステム。
- 前記ノック検出モジュールは、フレームエネルギー値を1つ以上の以前のフレームのフレームエネルギー値と比較することによって、短期エネルギー増加を計算するノック決定モジュールを含む、請求項7に記載のシステム。
- 内燃機関からエンジンノックデータを取得する方法であって、
ノックセンサを用いて、内燃機関のシリンダからアナログ振動信号情報を取得する工程と、
アンチエイリアシングされたダウンサンプリング済みデジタル時間領域信号を生成すべく、フレーム毎にアナログ振動信号情報を処理する工程と、
デジタル時間領域信号をデジタル周波数領域信号にすべく同デジタル時間領域信号を短時間フーリエ変換し、それによって各フレームの瞬時周波数と振幅情報とを生成する工程と、
瞬時周波数と振幅情報とから、フレームの所定のピッチ周波数を検出する工程と、
瞬時周波数と振幅情報とから、フレームの所定のエネルギー増加を検出する工程と、
前記所定のピッチ周波数が検出され、且つ前記所定のエネルギー増加が検出される場合、エンジンノック検出信号を生成する工程と
を含む、方法。 - アナログ振動信号情報を取得する工程は、高周波数成分を除去するために、アナログ振動信号情報をローパスフィルタリングする工程を含む、請求項9に記載の方法。
- アナログ振動信号情報を処理する工程は、
アナログ振動信号情報をデジタルセンサ信号にすべく、同アナログ振動信号情報をデジタル的にサンプリングする工程と、
デジタルセンサ信号をフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、同デジタルセンサ信号をデジタル的にローパスフィルタリングする工程と、
フィルタリング済みデジタルセンサ信号をデシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、同フィルタリング済みデジタルセンサ信号をデシメートする工程と
を含む、請求項9に記載の方法。 - デジタル時間領域信号を短時間フーリエ変換することは、デジタル時間領域信号にブラックマンハリス窓をかける工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 所定のエネルギー増加を検出する工程は、現行フレームの第1エネルギー値を、以前のフレームの第2エネルギー値と比較する工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 所定のエネルギー増加を検出する工程は、現行フレームの第1エネルギー値を、複数の以前のフレームの平均エネルギー値と比較する工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 所定のピッチ周波数を検出する工程は、1組の候補ピッチ周波数から選択を行うために、双方向ミスマッチエラー値を計算する工程を含む、請求項9に記載の方法。
- エンジンノックを検出する方法であって、
エンジン振動を感知する加速度計から、アナログセンサ信号を生成する工程と、
デジタル信号内の所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを識別すべく、アナログセンサ信号からフレーム毎にデジタル信号を抽出する工程と、
フレームにおいて前記所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とがともに検出される場合、ノック検出信号を生成する工程と
を含む、方法。 - フレーム毎にデジタル信号を抽出する工程は、
アナログセンサ信号をデジタルセンサ信号にすべく、同アナログセンサ信号をサンプリングする工程と、
デジタルセンサ信号をフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、同デジタルセンサ信号をアンチエイリアスフィルタリングする工程と、
フィルタリング済みデジタルセンサ信号をデシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号にすべく、フィルタリング済みデジタルセンサ信号をデシメートする工程と、
窓をかけた短時間フーリエ変換を適用することによって、デシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号から、瞬時周波数と振幅情報とを抽出する工程と、
瞬時周波数と振幅情報とから、所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを検出する工程と
を含む、請求項16に記載の方法。 - 窓をかけた短時間フーリエ変換を適用することは、デシメートされたフィルタリング済みデジタルセンサ信号にブラックマンハリス窓を適用する工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを検出する工程は、双方向ミスマッチエラー計算を用いて、瞬時周波数と振幅情報とからピッチ周波数を計算する工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 所定のピッチ周波数と短期エネルギー増加とを検出する工程は、瞬時周波数と振幅情報とから現行フレームのエネルギー値を計算する工程と、現行フレームのエネルギー値を1つ以上の以前のフレームのフレームエネルギー値と比較する工程とを含む、請求項17に記載の方法。
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