JP5046512B2 - Apparatus and method for detecting abnormality of rotating body - Google Patents
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Description
本発明は、タイヤのような回転体の故障による事故を未然に防止するための回転体の異常検知装置及び方法に関する。 The present invention relates to a rotating body abnormality detection apparatus and method for preventing an accident caused by a failure of a rotating body such as a tire.
このような装置として、タイヤ内圧が一定値以下になるとアラームを発してドライバーに警告をする内圧異常警報装置が知られている。この装置では、タイヤのホイールに取り付けられた内圧センサによって内圧を測定し、ある一定の内圧以下になった場合に警告を発するよう構成されている。 As such a device, there is known an internal pressure abnormality alarm device that issues an alarm and warns a driver when a tire internal pressure becomes a predetermined value or less. In this apparatus, an internal pressure is measured by an internal pressure sensor attached to a wheel of a tire, and a warning is issued when the pressure falls below a certain internal pressure.
しかしながら、この内圧異常警報装置では、内圧低下以外の原因で発生する故障は検知できない。例えば、そのような故障の一例として、トレッドとベルト間、ベルトを構成するコード間、及び、サイドゴムとカーカスプライ間などでの剥離、プライコードやベルトコードの破断、ならびに、トレッドゴムのチャンクアウト(例えば、トレッドに設けられたブロック陸部がもぎ取られた状態)などがある。これらのタイヤ故障が生じた状態で走行を続ければ、突然のタイヤバーストが生じて走行不能となることもある。 However, this internal pressure abnormality alarm device cannot detect a failure caused by a cause other than a decrease in internal pressure. For example, as an example of such a failure, separation between the tread and the belt, between the cords constituting the belt, between the side rubber and the carcass ply, breakage of the ply cord or the belt cord, and chunk-out of the tread rubber ( For example, there is a state in which the block land portion provided in the tread is torn off. If the vehicle continues to run with these tire failures, sudden tire bursts may occur, making it impossible to drive.
このような内圧以外の故障を検知するシステムとして、タイヤの振動や音のデータを計測し、予め求めた正常時のデータと比較することで、タイヤの異常を知る回転体の異常検知システムが知られている(例えば、特許文献1)。
近年、このような回転体の異常検知システムにおいて、実用上はリアルタイムの解析が望まれているので、ロジック内の時間遅れをなるべく短くし、ハードウェア実現に対しては、コスト面からもメモリ量をできるだけ小さくしたいという要求がある。 In recent years, in such a rotating body abnormality detection system, real-time analysis is desired in practical use. Therefore, the time delay in the logic is shortened as much as possible, and the amount of memory is also reduced in terms of hardware implementation. There is a request to make as small as possible.
本発明の目的は、検知の際の時間遅れ及びメモリ量を増大することなく検出精度を向上することができる回転体の異常検知装置及び方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a rotating body abnormality detection apparatus and method capable of improving detection accuracy without increasing the time delay and the amount of memory during detection.
本発明による回転体の異常検知装置は、回転中の回転体の各種物理量を計測する計測手段と、前記計測手段で計測したデータから回転体の回転に同期した信号を抽出する抽出手段と、前記抽出手段で抽出された信号から回転体の状態を判定する判定手段と、前記判定手段によって異常だと判定された場合に異常を警告する異常警告手段とを具え、前記抽出手段を、一つの適応デジタルフィルタが、前記計測手段で計測したデータから回転周期を算出して生成された回転次数成分の一つを解析するように複数の適応デジタルフィルタで構成し、前記適応デジタルフィルタのそれぞれから、回転に同期した信号を抽出するとともに、前記計測手段で計測したデータと前記適応デジタルフィルタで抽出した回転に同期した信号とから、抽出した残りの信号を求め、適応アルゴリズムを用いて、求めた信号により前記適応デジタルフィルタの係数を最適化することを特徴とする。 An abnormality detection device for a rotating body according to the present invention includes a measuring means for measuring various physical quantities of a rotating rotating body, an extracting means for extracting a signal synchronized with the rotation of the rotating body from data measured by the measuring means, A determination means for determining the state of the rotating body from the signal extracted by the extraction means; and an abnormality warning means for warning an abnormality when the abnormality is determined by the determination means. digital filter, said constructed from data measured by the measuring means in a plurality of adaptive digital filters to analyze one rotational order component generated by calculating the rotation period, from each of said adaptive digital filter, rotary the remaining extracts the synchronizing signals, from said and data measured by the measuring means signal synchronized with the rotation extracted by the adaptive digital filter, the extracted to Obtains a signal by using an adaptive algorithm, the signal obtained is characterized in that to optimize the coefficients of the adaptive digital filter.
本発明による回転体の異常検知方法は、本発明による回転体の異常検知装置を用い、回転中の回転体の各種物理量から、回転体の回転に同期した信号を抽出し、抽出した信号から回転体の異常を検知することを特徴とする。 The rotating body abnormality detection method according to the present invention uses the rotating body abnormality detection device according to the present invention to extract a signal synchronized with the rotation of the rotating body from various physical quantities of the rotating rotating body and rotate the extracted signal from the rotation. It is characterized by detecting abnormalities in the body.
複数段直列適応デジタルフィルタの場合、1段の適応デジタルフィルタの場合に比べて収束の精度を向上させることができる。しかしながら、各々の適応デジタルフィルタで1次〜高次(20〜30次)成分までの全周波数帯域を全て解析するために、各適応デジタルフィルタの係数の長さ(タップ数)が、全ての適応デジタルフィルタで同一長に設定されることになるので、複数段直列適応デジタルフィルタの場合、適応デジタルフィルタの段数倍の時間遅れが生じる。各適応デジタルフィルタの係数の長さは、最低周波次数である1次の波長の長さ(周波数)で決定される。 In the case of a multistage serial adaptive digital filter, the convergence accuracy can be improved as compared with the case of a single stage adaptive digital filter. However, in order to analyze all the frequency bands from the first-order to higher-order (20th to 30th) components in each adaptive digital filter, the length of the coefficient (number of taps) of each adaptive digital filter is set to Since the digital filters are set to the same length, in the case of a multistage serial adaptive digital filter, a time delay that is times the number of stages of the adaptive digital filter occurs. The length of the coefficient of each adaptive digital filter is determined by the length (frequency) of the primary wavelength which is the lowest frequency order.
例えば、回転体の周波数が10Hzの場合(タイヤの場合は約75km/hrに相当)を考えると、適応デジタルフィルタの係数長さは、一次周波数(10Hz)の1波長分を確保すると仮定すると、10Hzの周期は0.1秒なので、3段直列適応デジタルフィルタの総長は、0.1×3=0.3秒となる。 For example, when considering the case where the frequency of the rotating body is 10 Hz (corresponding to about 75 km / hr in the case of a tire), assuming that the coefficient length of the adaptive digital filter secures one wavelength of the primary frequency (10 Hz), Since the period of 10 Hz is 0.1 second, the total length of the three-stage serial adaptive digital filter is 0.1 × 3 = 0.3 seconds.
すなわち、複数段直列適応デジタルフィルタのロジックの場合、1段の適応デジタルフィルタに比べて収束の精度を向上させることができるが、段数倍のメモリが必要となり、かつ、ロジック上の時間遅れも大きくなるという不都合がある。 That is, in the case of the logic of a multistage serial adaptive digital filter, the accuracy of convergence can be improved as compared with a single-stage adaptive digital filter, but the number of stages of memory is required and there is also a time delay in the logic. There is an inconvenience of becoming larger.
本発明によれば、1段の適応デジタルフィルタ又は複数段直列適応デジタルフィルタと比べた場合、一つの次数成分を一つの適応デジタルフィルタが解析するように複数のデジタルフィルタを構成することにより、収束速度と精度の両方において更なる向上が可能となる。 According to the present invention, a plurality of digital filters are configured so that one adaptive digital filter analyzes one order component when compared with a single-stage adaptive digital filter or a multi-stage serial adaptive digital filter, thereby converging. Further improvements in both speed and accuracy are possible.
更に別の利点として、適応デジタルフィルタを必要な次数成分の個数だけ配置し、各適応デジタルフィルタの解析する次数を一つだけにすることによって、検知の際の時間遅れ及びメモリ(適応デジタルフィルタの総長さ)を短くすることができる。 As another advantage, adaptive digital filters are arranged in the number of necessary order components, and each adaptive digital filter has only one order to be analyzed. Total length) can be shortened.
好適には、前記計測手段で計測する回転体の各種物理量が、振動、音、回転数、歪又は変位であり、前記適応デジタルフィルタを少なくとも2タップで実現する。 Preferably, various physical quantities of the rotating body measured by the measuring means are vibration, sound, rotational speed, distortion or displacement, and the adaptive digital filter is realized with at least two taps.
好適には、前記抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、前記計測手段で計測したデータのうち回転情報のデータから回転周期を算出して生成した次数成分を利用する。この場合、次数成分を生成するための次数成分生成回路を、前記計測手段からの回転情報のデータの入力部と適応デジタルフィルタとの間の信号ラインに設ける。 Preferably, when extracting a signal synchronized with rotation by the extraction unit, an order component generated by calculating a rotation period from rotation information data among data measured by the measurement unit is used. In this case, an order component generation circuit for generating an order component is provided in a signal line between the rotation information data input unit from the measurement means and the adaptive digital filter.
好適には、前記抽出手段で回転に同期した信号を抽出するにあたり、前記計測手段で計測したデータを、前記計測手段で計測したデータのうち回転速度情報のデータに応じて可変サンプリングして、見かけ上の周期を一定にする。この場合、可変サンプリングを実行するための可変サンプリング回路を、前記計測手段からのデータの入力部に設ける。これによって、車速の変化に対しても適応デジタルフィルタの追従性が向上して、安定した信号の抽出が可能になる。 Preferably, when extracting the signal synchronized with the rotation by the extraction unit, the data measured by the measurement unit is variably sampled according to the data of the rotation speed information among the data measured by the measurement unit, and the apparent value is obtained. Make the upper period constant. In this case, a variable sampling circuit for executing variable sampling is provided in the data input section from the measuring means. As a result, the followability of the adaptive digital filter is improved even when the vehicle speed changes, and stable signal extraction becomes possible.
本発明による回転体の異常検知装置及び方法の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の回転体の異常検知装置の一例を説明するための図である。図1において、1は、回転体としてのタイヤを表し、2は、各タイヤ1に装着した振動又は音を計測するためのセンサを表し、3は、各センサ2からの信号に基づいてタイヤ1の異常を検知する中央処理装置を表す。本発明の回転体の異常検知装置は、各センサ2により振動や音のような物理量を計測する計測段11と、計測段11で計測したデータからタイヤ1の回転に同期した信号を抽出する抽出段21と、抽出段21で抽出された信号からタイヤ1の状態を判定する判定段31と、判定段31によって異常だと判定された場合にドライバーに異常を警告する異常警告段41とを具える。
Embodiments of a rotating body abnormality detection apparatus and method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a rotating body abnormality detection device of the present invention. In FIG. 1, 1 represents a tire as a rotating body, 2 represents a sensor for measuring vibration or sound attached to each
計測段11は、タイヤ1周りの音若しくは振動(センサ2により測定)又はABSなどの回転数信号(センサ2は必要ない)を計測し、計測したデータをデジタル信号として抽出段21に入力する。音を計測する場合は、センサ2として、マイクロフォンなどを使用する。振動を計測する場合は、センサ2として、加速度計、速度計、変位計等を使用する。また、車両がABS(Anti-lock Brake System)を装着している場合は、ABSの回転数信号を使用することができる。この場合はセンサ2を設ける必要がなく、簡易な構成とすることができる。ABS以外でも、その他の方法で回転数を計測し、その回転数信号を使用することもできる。さらに、後に説明する次数成分生成回路及び可変サンプリング回路を用いる場合は、図示しない車輪速信号計測段によって各車輪の車輪速信号(ABS信号など)を別途計測しておく必要がある。また、歪を計測する場合は、センサ2として歪ゲージなどを使用し、変位を計測する場合は、センサ2として変位計などを使用する。
The
抽出段21としては、適応デジタルフィルタ(この場合、ノッチ型)を用いて、タイヤ1の回転に同期した周期成分を抽出する。抽出段21の例としては、図2に示すように、可変サンプリング回路32と、次数成分生成回路33と、演算器34−1,34−2,34−3,...,34−nと、適応デジタルフィルタ35−1,35−2,35−3,...,35−nとを具え、次数成分生成回路33が、1次成分成形部33−1〜N(例えば、30)次成分成形部33−nとを有してもよい。この場合、適応デジタルフィルタ35−1,35−2,35−3,...,35−nを次数ごとに割り当てている。エラー信号及び入力信号を用いて適応デジタルフィルタ25−1〜25−3の係数を変更する方法としては、従来からフィルタリングパラメータ更新アルゴリズムとして知られているLMS(Least Mean Square)法、ニュートン法あるいは最急下法などの適応アルゴリズムを用いることができる。また、その他好適に利用できる適応アルゴリズムとして、複素LMSアルゴリズム(Complex Least means Square Algorithm)、Normalized LMSアルゴリズム(Normalized Least means Square Algorithm)、射影アルゴリズム(Projection Algorithm)、SHARFアルゴリズム(Simple Hyperstable Adaptive Recursive Filter Algorithm)、RLSアルゴリズム(Recursive Least Square Algorithm)、FLMSアルゴリズム(Fast Least Mean Square Algorithm)、DCTを用いた適応フィルタ(Adaptive Filter using Discrete Cosine Transform)、SANフィルタ(Single Frequency Adaptive Notch Filter)、ニューラルネットワーク(Neural Network)、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm)を用いることができる。
As the
適応デジタルフィルタ35−1,35−2,35−3,...,35−nは、それぞれ1周期の周期信号(サイン波又はコサイン波)に適応すればよいので、最低2タップで実現することができ、総タップ数は、1〜30次の場合はが60となり、ハード面(メモリ量の低減)からも非常に有利になる。また、適応デジタルフィルタ35−1,35−2,35−3,...,35−nはそれぞれ、一つの次数(サイン波)のみを担当するので、収束精度及び収束速度の面でも有利となる。 Adaptive digital filters 35-1, 35-2, 35-3,. . . , 35-n can be realized with a minimum of 2 taps as long as each of them can be applied to a periodic signal (sine wave or cosine wave) of one period, and the total number of taps is 60 in the case of 1 to 30th order. Therefore, it is very advantageous from the viewpoint of hardware (reduction of memory amount). The adaptive digital filters 35-1, 35-2, 35-3,. . . , 35-n are responsible for only one order (sine wave), which is advantageous in terms of convergence accuracy and convergence speed.
判定段31は、抽出段21の各適応デジタルフィルタの出力信号の値を用いて、各タイヤ1において正常状態の値と比較する方法又はタイヤ1のうち2輪(前後、左右)若しくは4輪の値を比較する方法を行うことによって、異常値を示すタイヤ1を異常と判断する。そのためには、タイヤ1の正常時のデータをメモりしたデータベース部を持つコンピュータや、2輪又は4輪の抽出データを比較してそれらの差から異常を判定する段を具えることが好ましい。
The
異常警告段41は、判定段31で異常だと判定された場合にドライバーに警告を与える。異常警告段41としては、警告灯や警告アラームを使用することが好ましい。また、異常という情報を車両制御にフィードバックして、タイヤの異常に応じた車両の制御(ABS,VSC等)に切り替えることもできる。
The
これまで説明した構成の本発明の回転体の異常検知装置では、正確なタイヤの回転数の信号がなくても、簡単かつ効果的にタイヤ1の回転に相関のある信号のみを出力信号として抽出することができる。すなわち、バーストなどのタイヤ1の回転に相関のある信号のみが出力信号に含まれ、縁石にのりあげるなどの一回のみの事象でタイヤ1の回転に相関のない信号は出力信号に含まれない。そのため、正確な異常判定を行うことができる。なお、本実施の形態では、入力信号としてセンサ2で測定した振動、音の信号を利用した例を説明している。
In the rotating body abnormality detection device of the present invention having the configuration described so far, only a signal correlated with the rotation of the tire 1 is easily and effectively extracted as an output signal, even if there is no accurate tire rotation number signal. can do. That is, only a signal correlated with the rotation of the tire 1 such as a burst is included in the output signal, and a signal uncorrelated with the rotation of the tire 1 due to a single event such as climbing on the curb is not included in the output signal. . Therefore, accurate abnormality determination can be performed. In this embodiment, an example is described in which vibration and sound signals measured by the
次に、本発明の回転体の異常検知装置における実際の波形について説明する。図3(a)、(b)に示すように、前輪(左)1−1、前輪(右)1−2、後輪(左)1−3、後輪(右)1−4を有する車両において、異常を模擬したタイヤ(1mmの突起を付けたタイヤ)を作製して左前輪に取り付けるとともに、正常タイヤを右前輪及び左右後輪に取り付け、実路にて実車走行試験を行った。 Next, actual waveforms in the rotating body abnormality detection apparatus of the present invention will be described. As shown in FIGS. 3A and 3B, a vehicle having a front wheel (left) 1-1, a front wheel (right) 1-2, a rear wheel (left) 1-3, and a rear wheel (right) 1-4. In FIG. 1, a tire (a tire with a 1 mm protrusion) simulating an abnormality was prepared and attached to the left front wheel, and a normal tire was attached to the right front wheel and left and right rear wheels, and an actual vehicle running test was performed on an actual road.
図4は一般的乾燥路面における各タイヤの入力信号、出力信号、エラー信号の一例を示す図である。本例では、100km/hの速度で直線路を定常走行して、前輪2輪の突起部の加速度振動を計測した。
図4において、突起部に起因する振動(入力信号)を、入力振動信号(1)(前輪左)及び(2)(前輪右)でそれぞれ示し、適応デジタルフィルタの出力信号を、抽出信号(ADF信号)(3)(前輪左)及び(4)(前輪右)でそれぞれ示し、エラー信号を、エラー信号(5)(前輪左)及び(6)(前輪右)でそれぞれ示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an input signal, an output signal, and an error signal of each tire on a general dry road surface. In this example, the vehicle steadily traveled on a straight road at a speed of 100 km / h, and the acceleration vibration of the protrusions of the two front wheels was measured.
In FIG. 4, vibrations (input signals) caused by the protrusions are indicated by input vibration signals (1) (front wheel left) and (2) (front wheel right), respectively, and the output signal of the adaptive digital filter is extracted signal (ADF). Signal) (3) (front wheel left) and (4) (front wheel right) respectively, and error signals are indicated by error signals (5) (front wheel left) and (6) (front wheel right), respectively.
抽出信号(3)と抽出信号(4)とを比較すると、異常輪(抽出信号(3))の方が振幅が大きく、時間波形からタイヤの異常判定ができることがわかる。さらに、適応デジタルフィルタの出力信号を高速フーリエ変換すると、各次数に対応したピークが出現する。この各次数ごとのピークについて、図5において実線aで示した異常輪(前輪左)の高速フーリエ変換結果(抽出信号(3)のフーリエ変換)と、図5において破線bで示した正常輪(前輪右)の高速フーリエ変換結果(抽出信号(4)のフーリエ変換)のピークレベル差をとり、2〜30次までの平均のピークレベル差を計算すると、5〜6dBとなる。すなわち、この結果からもタイヤの異常判定ができることがわかる。なお、図4の抽出信号(ADFの出力信号)を高速フーリエ変換分析したグラフを図5に示す。 Comparing the extracted signal (3) and the extracted signal (4), it can be seen that the abnormal wheel (extracted signal (3)) has a larger amplitude, and the tire abnormality can be determined from the time waveform. Furthermore, when the output signal of the adaptive digital filter is fast Fourier transformed, peaks corresponding to the respective orders appear. With respect to the peak for each order, the fast Fourier transform result (Fourier transform of the extracted signal (3)) of the abnormal wheel (front wheel left) indicated by the solid line a in FIG. When the peak level difference of the fast Fourier transform result of the front wheel right) (Fourier transform of the extracted signal (4)) is taken and the average peak level difference from the 2nd to the 30th order is calculated, it becomes 5 to 6 dB. That is, it can be seen from this result that tire abnormality can be determined. FIG. 5 shows a graph obtained by fast Fourier transform analysis of the extracted signal (ADF output signal) in FIG.
タイヤの異常の種類により、ピークレベル差が出る次数の傾向が異なるので、各次数の変化を見ることによって、異常の警報に加えて異常の種類も概略的に判定することができる。なお、1次成分は、タイヤの異常以外の要因で変動する、例えば、タイヤホイールバランスの影響が非常に大きいため、異常判定から除外するのが好ましい。 Since the order of the order in which the peak level difference differs depending on the type of abnormality of the tire, the type of abnormality can be roughly determined in addition to the abnormality alarm by looking at the change of each order. The primary component varies due to factors other than tire abnormality, for example, because the influence of tire wheel balance is very large, it is preferable to exclude the primary component from abnormality determination.
これまで説明したように、本発明による適応デジタルフィルタ(ノッチ型)の場合、直列適応デジタルフィルタに比べて収束精度が向上し、全体的(1次〜高次成分)な収束時間が短くなり、リアルタイム性の向上につながる。また、適応デジタルフィルタの総長さに相当する適応デジタルフィルタの総メモリ量を大幅に低減することができ、ハードウェアの低コスト化及び簡易化につながり、実用化にも有利となる。 As described above, in the case of the adaptive digital filter (notch type) according to the present invention, the convergence accuracy is improved as compared with the serial adaptive digital filter, and the overall (first to higher order components) convergence time is shortened. It leads to improvement of real-time property. Further, the total memory amount of the adaptive digital filter corresponding to the total length of the adaptive digital filter can be greatly reduced, leading to cost reduction and simplification of hardware, which is advantageous for practical use.
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、図1に示す例では、回転体として車両に装着されるタイヤを例にとって本発明を説明するが、回転中の回転体の異常を検知する目的であれば、タイヤ以外の回転体にも同様に本発明を適用できる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and many changes and modifications can be made.
For example, in the example shown in FIG. 1, the present invention will be described by taking a tire mounted on a vehicle as a rotating body as an example. However, for the purpose of detecting an abnormality of a rotating rotating body, the rotating body other than a tire may be used. Similarly, the present invention can be applied.
上記実施の形態では、入力信号としてセンサで測定した振動、音の信号を利用した例を説明したが、入力信号としてABSの回転数信号を利用した場合も、同様に本発明を適用することができる。例えば、所定の周期のサイン波から構成される回転数信号には、既に説明したようにバースト及び縁石にのりあげた際の信号を含んでおり、そのような場合でも、その回転数信号を入力信号として抽出段を通過させることで、タイヤの回転に相関がある信号のみを含む出力信号を得ることができる。 In the above-described embodiment, the example using the vibration and sound signals measured by the sensor as the input signal has been described. However, the present invention can be similarly applied to the case where the ABS rotation speed signal is used as the input signal. it can. For example, the rotation speed signal composed of a sine wave of a predetermined period includes a signal when the signal is lifted up on a burst and a curb as described above. Even in such a case, the rotation speed signal is input. By passing the extraction stage as a signal, an output signal including only a signal correlated with the rotation of the tire can be obtained.
本発明の回転体の異常検知装置は、回転中では周期的な信号として捉えることができる回転体の異常、特に、タイヤのバースト、トレッドの剥離等の異常を初期段階で検知する全ての用途に適応することができる。 The rotating body abnormality detection device of the present invention is suitable for all applications that detect abnormalities of a rotating body, particularly abnormalities such as tire bursts and tread peeling, at an initial stage, which can be captured as periodic signals during rotation. Can adapt.
1 タイヤ
1−1 前輪(左)
1−2 前輪(右)
1−3 後輪(左)
1−4 後輪(右)
2 センサ
3 中央処理装置
11 計測段
21 抽出段
32 可変サンプリング回路
33,62,72 次数成分生成回路
33−1,33−2,33−3,...,33−n 合成波形成形部
34−1,34−2,34−3,...,34−n 演算器
35−1,35−2,35−3,...,35−n 適応デジタルフィルタ
31 判定段
41 異常警告段
51 バースト部
1 Tire 1-1 Front wheel (left)
1-2 Front wheel (right)
1-3 Rear wheel (left)
1-4 Rear wheel (right)
2
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