KR20160131914A - 엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

엔진, 바람직하게는 선박 추진용 내연 기관을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법은,
UWB 송신기 및 바람직하게는 UWB 수신기를 포함하고 엔진 상에 부착되거나, 엔진의 내부에 부착되거나 또는 엔진 가까이에 부착되는 적어도 하나의 센서, 적어도 하나의 수신기, 및 컴퓨팅 유닛을 제공하는 단계,
적어도 하나의 센서로 적어도 하나의 특정한 엔진 값을 측정하는 단계,
센서의 UWB 송신기를 이용하여 측정된 엔진 값을 전송하는 단계, 및
적어도 하나의 수신기로 센서 UWB-신호를 수신하는 단계를 포함하고,
수신기에 의해 수신된 신호는, 측정된 엔진 값이 UWB-신호로부터 추출되고 또한 센서의 위치를 결정하기 위한 위치 파악 값이 UWB-신호로부터 추출되도록 컴퓨팅 유닛에 의해 처리되며, 위치 파악 값은 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법으로 추출된다.

Description

엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING OR CONTROLLING AN ENGINE}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른, 엔진, 특히 내연 기관을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법 및 시스템, 그리고 이러한 시스템의 용도에 관한 것이다.

엔진, 특히 내연 기관은 정확한 기능 및 더 높은 효율을 위해 모니터링 및 제어되어야 한다. 특히, 서로 다른 많은 양의 측정 값들이 제어 기구에 입력될 수 있다. 확실한 엔진 모니터링/엔진 제어를 가능하게 하기 위해서는 센서와 판독기 사이의 아주 신뢰적인 통신이 필요하다.

종래 기술에서, 측정값이 센서에 의해 취해져 유선 시스템을 통해 제어 유닛(중앙 유닛 또는 컴퓨팅 유닛이라고도 함)에 전송된다. 이러한 시스템은 복잡하다. 모든 센서는 센서가 배치되는 지점까지 엔진 안에 설치될 필요가 종종 있는 자신의 케이블을 가질 필요가 있다. 엔진 내부와 그 주위의 조건은 가혹하고, 구성품들은 오일 또는 기계적 스트레스에 견딜 수 있어야 한다. 그래서, 구성품의 교체 중에 아이들 시간이 길기 때문에 부품의 유지 보수 및 교체에 많은 비용이 들게 된다.

유선 시스템을 무선 시스템으로 대체하여 이들 단점을 극복하려는 시도가 있어 왔다. 센서는 무선 송신기를 사용하여, 측정된 데이타를 판독기 장치(또는 여러 개의 판독기 장치)에 보내고, 이 판독기 장치는 무선 수신 구조를 사용하여 그 보내진 측정 데이타를 디코딩하게 된다. 선택적으로, 판독기로부터 센서로의 다운링크가 필요한 경우에는, 판독기 장치는 데이타를 센서에 보내는 무선 송신기를 가질 수 있는데, 그러면 센서에는 무선 수신기가 필요하게 된다.

가혹한 조건에서, 통상적인 무선 시스템은 고려되는 용례에 대해 필요한 신뢰성을 보장할 수 없다. 특히, 밀집되어 있는 금속 반사기(다경로 전파 때문에 섀도잉(shadowing) 및 강한 페이딩(fading)을 일으킴)로 인한 불리한 환경(엔진을 따라 또한 그 내부에 있는), 간섭 또는 산란 효과 때문에, 보내진 신호로부터 적절한 신호 또는 측정 값을 평가하는 것이 불가능하다. 대안적인 방안은, 시선 연결(엔진의 내부 또는 주위에서는 종종 가능하지 않음)을 필요로 하는 기술을 사용하는 것이다.

유선 및 무선 시스템 모두에서, 센서는 그의 위치에 대해 어드레스되어야 하며 그리고/또는 그 센서가 제공하는 모든 값 또는 신호와 함께 센서의 위치에 관한 추가적인 정보를 보내야 한다. 따라서, 추가적은 자원, 예컨대 시간 또는 주파수가 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 피하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 가혹환 환경에서 신호 또는 측정 값을 신뢰적으로 무선으로 전송할 수 있고 또한 가혹한 환경에서 전송 센서의 위치를 바람직하게 신뢰적으로 파악할 수 있는 방법과 시스템을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적은 독립 청구항의 특징부에 따라 달성된다. 다른 유리한 방안은 종속 청구항에 기재되어 있다.

엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법은,

- 적어도 하나의 센서, 적어도 하나의 수신기, 및 컴퓨팅 유닛을 제공하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 센서는 UWB 송신기 및 바람직하게는 UWB 수신기를 포함한다. 상기 센서는 엔진에 부착되거나, 엔진의 내부에 부착되거나 또는 엔진 가까이에 부착된다.

- 상기 적어도 하나의 센서로 적어도 하나의 특정한 엔진 값이 측정된다.

- 상기 센서의 UWB 송신기를 이용하여 상기 측정된 엔진 값이 전송된다.

- 적어도 하나의 수신기로 상기 센서-UWB-신호가 수신된다.

- 상기 수신기에 의해 수신된 신호는, 상기 측정된 엔진 값이 상기 UWB 신호로부터 추출되도록 상기 컴퓨팅 유닛에 의해 처리된다. 또한, 상기 센서의 위치를 결정하기 위한 위치 파악 값이 상기 UWB-신호로부터 추출된다. 이 값은 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법으로 추출될 수 있다.

따라서, 상기 값은 핑거프린팅과 기하학적 방법, 핑거프린팅, 또는 기하학적 방법으로 추출될 수 있다.

채널의 임펄스 응답은, 신호가 이 채널을 통해 보내질 때 그 신호를 수정하는 방법을 규정한다. 고려되는 상항에서, 이 수정은 다경로 전파(예컨대 금속 표면에서 일어나는 산란, 회절 또는 반사 때문에 예상됨)로 인한 것이다. 추가로, 경로 손실(거리 종속 감쇠)로 인해 신호는 수신기로 가는 도중에 감쇠된다.

그래서, 신호는 전파 채널을 통해 보내지며, 수신기에서 수신될 때까지 수정되거나 변경된다. 그러므로, 전파 채널은 위치 특정적 특성(feature)을 포함한다. 이 위치 특정적 특성을 사용하여 센서의 위치를 파악할 수 있다. 일반적으로, 수신기는 송신기와의 통신 과정 중에 이들 특성 중의 일부를 이미 추정하게 된다. 예컨대, 수신기는 수신된 신호의 강도를 모니터링하거나, 코히어런트 수신기가 채널 임펄스 응답을 추정하게 된다. 그래서, 전송을 디코딩하는 중에, 즉 위치 파악 전용의 특정한 전송 단계가 필요 없이, 위치 파악이 상승적으로(synergistically) 행해질 수 있다.

바람직하게는, 상기 엔진은 내연 기관이고 특히 선박 추진용 내연 기관이다.

엔진 값은 예컨대 배기 가스 온도 또는 커넥팅 로드 베어링의 온도와 같은 온도, 윤활유 압력 또는 냉각수 압력과 같은 압력, 윤활유 유량 또는 냉각 오일 유량과 같은 유량, 피스톤 위치 또는 니(knee) 높이 위치와 같은 위치일 수 있다. 다른 값도 가능하다. 일반적으로, 모든 범주의 값에 대해, 특정한 센서가 사용된다.

UWB는 초광대역(ultra wideband)의 약자이다. 이와 관련하여, UWB는 적어도 500MHz의 대역폭을 사용하는 기술을 의미한다.

일반적으로, UWB 위치 파악 방안은 기하학적 접근법과 핑거프린팅 방법으로 분류될 수 있다. 일부 기하학적 접근법은 예컨대 전파 시간(ToF) 추정 또는 수신 신호 강도(RSS) 추정에 근거하는 다변측정 또는 삼변측정을 위한 판독기(또는 앵커)를 사용한다.

핑거프린팅 방법은 일반적으로 센서의 위치를 결정하기 위해 전파 채널의 위치 특정적 특성을 사용한다. 이들 특성을 추출한 후에, 대응하는 가설/후보 위치의 예상 값과의 매칭이 수행되는데, 이들 위치는 측정(훈련 단계에서의) 또는 모델링으로 수집될 수 있다.

이하, 본원과 관련된 위치 파악을 간략히 살펴보도록 한다.

ToF 또는 전파 시간차(TDoF)에 근거한 기하학적 방법:

삼변측정 또는 다변측정이 위치 파악을 위한 전형적인 기하학적 접근법이다. 일반적인 정의에 따르면, 삼변측정과 다변측정은 각각의 센서와 판독기 사이의 거리에 대한 전파 시간(ToF) 또는 전파 시간차(TDoF) 추정에 근거하여 센서(또는 에이전트)의 위치를 평가하는 방법인데, 이들 추정은 일반적으로 판독기(앵커) 장치에서의 각각의 도착 시간(ToA) 측정에 기반한다. 이러한 접근법은 일반적으로, 모든 판독기의 위치는 알려져 있다고 가정하고, 또한 판독기 장치는 절대 시간 기준로서 작용하는 공통 시계에 대해 동기화되어 있다고 가정한다. 이들 가정 외에도, ToF에 기반한 접근법의 경우에는 센서가 판독기와 동기화되어야 한다.

다경로 요소 이득에 근거한 기하학적 방법:

이 방법은 신호 처리의 복잡성을 줄이는 접근법이라고 생각할 수 있다. ToF 또는 ToA 측정으로부터 위치 파악 정보를 추출하려고 하는 대신에, 이 체계는 수신 신호 강도 메트릭스를 사용하여 삼변측정/다변측정을 수행하게 된다.

이들 두 방법은 센서와 판독기 사이의 시선(LOS) 연결이 존재할 때에만 유효하다. 그러나, 가까이 있는, 즉 엔진의 내부 또는 그 엔진 상의 환경에 대한 주의깊은 고려는 모든 또는 특정한 시선 연결이 차단될 가능성이 높다는 것을 암시한다. 이는 측정된 도착 시간 값 또는 LOS 다경로 요소 이득를 왜곡하여 위치 파악에 심하게 영향을 줄 수 있다. 그래서, 이들 두 방법은 요구되는 적용에는 신뢰적이지 않은 것 같다.

이하, 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 두가지 방법을 설명한다.

다경로 파워 이득에 기반한 핑거프린팅:

주어진 무선 채널로 얻어지는 다경로 파워 이득(전송된 신호의 수신 신호 강도의 척도)는 비시선(NLOS)의 경우에도 적합한 전파 채널의 위치 특정 특징에 대한 자연스러운 선택이다. 이 방법은 훈련 단계에서 결정된 일 세트의 이득 값에 근거하여 결정되는 분류 영역을 시용한다. 센서의 추출된 파워 이득은 각각의 이득에 대응하는 파워 이득과 비교된다. 그리고, 추출된 파워 이득에 가까운 파워 이득을 갖는 영역이 센서가 속하는 영역으로서 선택된다.

연관 계수 메트릭에 근거한(채널 임펄스 응답에 근거한) 핑거프린팅:

특징 추출을 위해 UWB 채널 임펄스 응답 기록에 포함되어 있는 고유한 페이딩 정보를 이용하는 다른 방법은, 관찰된 임펄스 응답 기록과 훈련 임펄스 응답 기록의 작은 스케일 페이딩 특성들을 비교하는 메트릭을 직접 형성하는 것이다. 이렇게 하는 일 편리한 방법은, 관찰에 포함되는 채널 임펄스 응답 기록의 경험적 연관 계수 및 훈련 관찰로부터 미리 기록되는 일 세트의 훈련 임펄스 응답을 계산하는 것이다.

상기 컴퓨팅 유닛은 수신기에 통합될 수 있는 프로세서일 수 있다. 대안적으로, 컴퓨팅 유닛은 별도의 유닛이거나, 엔진 전용의 제어 시스템 내에 통합될 수 있다.

이러한 방법으로, 추가적인 정보 없이 센서의 위치를 결정할 수 있다((앞에서 언급한 바와 같이, 코히어런트 수신기는 채널 임펄스 응답을 추정하여, 보내진 데이타를 디코딩한다 ). 따라서, 하나의 수신 신호는 하나 보다 많은 종류의 정보를 제공할 수 있다. 예컨대, 온도 신호가 보내지고 온도 및 추가적인 위치 정보가 추출될 수 있다.

또한 상기 방법으로, 엔진 내부에서, 예컨대 크랭크케이스 내부에서 그리고 엔진 외부에서도 통신 및 센서 위치 파악이 가능하게 된다.

상기 방법은 작업 모드와 훈련 모드를 포함할 수 있다. 훈련 모드에서 기준 값이 수집된다.

따라서, 상기 방법은 엔진의 다른 환경 또는 구성에 맞게 개별적으로 조절될 수 있고 적응될 수 있다.

상기 핑거프린팅 방법을 사용하는 센서의 위치 파악은 일반적으로 두 단계, 즉 훈련 단계 및 위치 파악 단계를 포함한다.

채널 임펄스 응답 연관에 근거한 핑거프린팅의 예의 경우, 훈련 단계에서 송신기는 많은 가능한 위치에 배치되어야 하고, 채널 임펄스 응답은 각각의 판독기에서 각각의 위치에 대해 기록되어야 한다. 다른 특징을 사용하여 핑거프린팅을 수행하고자 할 때는, 이 다른 특징은 각각의 가능한 센서 위치에 대해 저장될 필요가 있다. 대신에, 위치 마다 왼전한 정보(즉, 전송되어 수신된 신호의 샘플링된 버젼)를 저장하고 다른 핑거프린팅 메트릭스에 대한 많은 특징(예컨대, RMS 지연 확산, LOS 경로 지연 등)을 계산하는 것도 가능하다.

미지의 센서 위치를 위해 관찰되는 관심 채널 특징은 이 특징의 미리 저장되어 있는 모든 값에 매칭되며, 각각은 훈련 단계에서 고유 위치에 대응한다. 매칭은 어떤 합당한 함수라도 될 수 있는데, 예컨대 차의 제곱, 교차 연관 등일 수 있다. 선택된 매칭 함수에 따라, 미지의 위치에 대한 추정치가, 선택된 메트릭를 최대화하거나(예컨대, 연관의 경우) 또는 최소화하는(예컨대, 차의 제곱의 경우) 기록 값에 대응하는 훈련 위치(또는 복수의 훈련 위치의 합당한 보간)로서 얻어진다.

물론, 가능한 센서 위치에 대한 선험적인 지식이 있으면, 훨씬 더 간단하고/간단하거나 훨씬 더 확고한 접근법이 얻어질 수 있다. 일 예로, 엔진의 각 실린더에 단지 하나의 센서만 배치되는 경우를 생각할 수 있다. 이 경우, 센서의 정확한 위치를 결정할 필요는 없고, 각각의 센서에 대해 대응 실린더를 확인하는 것으로 충분한데, 이로써, 위치 파악 문제가 해결이 훨씬 더 간단할 수 있는 분류 문제로 전환된다.

센서의 위치 파악은 관찰된 채널 임펄스 응답의 페이딩 특성을 기준 값과 비교하여 결정될 수 있다.

완전한 채널 임펄스 응답을 사용하는 대신에, 센서의 위치를 파악하는 데에는 채널의 특정한 페이딩 특성을 이용하는 것으로 충분할 수 있다.

전술한 방법를 실시하기 위한 다른 접근법로서, 센서의 위치 파악은 기준 값과의 특정한 연관, 특히 교차 연관에 따라 결정되며, 상기 기준 값은 바람직하게는 통신 채널의 위치 특정적 특성이다.

이 접근법은 핑거프린팅의 매칭 단계에 대해 전형적인 예이다. 이는 미지의 위치에 대한 관찰된 채널 임펄스 응답(CIR)과 후보 위치의 CIR 사이의 교차 연관 계수를 최대화하는 것이다. 핑거프린팅에 사용될 수 있는 위치 특정 특징은, 채널 임펄스 응답, 경로 지연, 파워 지연 프로파일, 받은 에너지/파워 이득(예컨대, 가장 강한 경로/최초 도착 경로 또는 모든 중요한 경로에서), 평균 잉여 지연, 최대 지연 확산 등일 수 있다.

핑거프린팅은 다경로 파워 이득에 기반할 수 있다.

이 위치 파악 방법은, 다경로 파워 이득(또는 송신 신호의 수신 강도)이 핑거프린트 특징이고 관찰된 다경로 파워 이득과 후보 다경로 파워 이득 사이의 차가 매칭 함수가 되는 핑거프린팅 접근법에 속한다. 예컨대, 다음과 같이 실행될 수 있는데, 훈련 모드 동안에, 송신기는 다른 가능한 위치로 움직이고 수신 신호의 대응하는 다경로 파워 이득은 데이타베이스에 기록되어 저장된다. 그리고, 작업 모드에서는, 수신 신호의 다경로 파워 이득은 데이타베이스내의 기록과 비교되며, 최대 매칭을 나타내는 위치가 송신기의 위치로서 선택된다.

핑거프린팅은 채널 임펄스의 연관 계수에 기반할 수 있고, 이 연관 계수는 훈련 모드 중에 미리 기록된 일 세트의 훈련 임펄스 응답과 비교된다.

채널 임펄스 응답은, 특히 송신기의 위치 파악에 사용될 수 있는 위치 종속 특징을 포함하여 통신 채널의 모든 관련 특성을 규정한다. 어쨋든 코히어런트 수신기는 채널 임펄스 응답을 추정할 필요가 있기 때문에, 위치 파악은 이들 추정치에 근거하여 매우 효율적으로 행해질 수 있다.

측정 값과 위치 파악 값을 추출하기 위해 수신 신호는 연속적으로 처리될 수 있다.

양 값을 위해, 완전한 신호가 사용될 수 있고, 요구되는 값을 결정하기 위해 전체 대역폭이 고려될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 측정 값과 위치 파악 값을 추출하기 위해 상기 신호는 개별인 부분으로 분할 및/또는 필터링되어 병렬적으로 처리될 수 있다.

이리하여, 각각의 값을 결정하기 위해 수신 신호의 관련된 부분만 고려할 수 있다. 계산 능력, 예컨대 프로세서 능력을 감안할 때 결정은 더 빠르고 더 수월할 수 있다.

상기 신호의 전송은 임펄스 무선 변조 또는 확산 스펙트럼 변조로 실현될 수 있다.

임펄스 무선 및 확산 스펙트럼 시스템과 같은 광대역 시스템으로 신뢰적인 통신 및 정확한 위치 파악이 가능하다. 더욱이, 이들 시스템은 낮은 파워를 사용하고 또한 덜 복잡하여, 고려되는 용도에 매력적이게 된다.

유리하게, 상기 신호는 복수의 안테나에 의해 수신된다.

이리하여, 각 안테나에 의해 수신된 각각의 신호를 비교하여 신호를 분석할수 있다. 복수의 안테나에 의해 또한 공간 해상도가 개선될 수 있다.

판독기 당 안테나의 수를 증가시키거나 수신기의 수를 증가시키면, 통신의 신뢰성과 위치 확인 정확도가 커지게 될 것이다. 일반적으로, 모든 다른 시스템 파라미터(판독기의 수, 받는 파워 등)이 종래 기술에 따른 무선 시스템과 비교하여 동일하게 유지되는 경우, 신호의 대역폭을 증가시키면, 주파수 다양성을 통해 통신의 강건성이 증가될 수 있고 또한 수신 신호의 더 양호한 시간 해상도를 통해서는 위치 파악 성능이 증가될 수 있으며, 그래서 종래 기술의 시스템으로 얻어지는 것과 동일한 통신 및/또는 위치 파악 성능을 유지하면서 수신기의 수를 감소시킬 수 있다.

센서는 4.9 GHz에 대해 min. 10 dBm, 가능하다면 5 GHz에 대해 min. 13 dBm의 연속적인 전송 파워를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 이하 설명하는 구성에서, 추가적인 목적은, 전송 파워에 대한 주어진 제한(예컨대, FCC(Federal Communication Commission) 표준에 의해 규정된 대응하는 한계)을 초과하지 않으면서 최소의 전송 파워로 매우 신뢰적인 통신을 이루는 것이다.

규제적인 표준 외에, 송신 파워는 센서의 배터리 수명을 최대화할 필요성에 의해 제한된다. 따라서, 원하는 신뢰성 수준을 얻을 수 있게 해주는 최소 송신 파워를 찾는 것이 센서에 중요하다.

선박 엔진의 내부 및 그 엔진 상의 대표적인 위치에서 측정치에 기반하여 수행되는 시뮬레이션에 의하면, 고려되는 용도에 대해 매우 높은 신뢰성으로 통신 및 위치 파악이 이루어질 수 있는 것으로 나타났다.

바람직하게는, 센서가 교체되는 경우, 새로운 샌서는 상기 컴퓨팅 유닛에 의해 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법에 근거하여 확인된다.

이리하여, 어떤 종류의 "플러그 앤드 플레이(plug and play)" 구성에 대해 사용될 수 있는 무선 자동 위치 파악이 가능하게 된다. 시스템은 새로운 센서의 위치에 근거하여 그 새로운 센서를 자동적으로 확인하고, 그래서, 새로운 센서를 네트워크에 관련시키는 경상비가 실질적으로 감소되고 유지 보수도 용이하게 된다. 매우 많은 센서를 갖는 센서 네트워크는 이러한 점으로부터 큰 이득을 얻을 수 있다.

바람직하게는, 엔진의 가동 부품에 장착되는 센서가 위치 파악에 근거하여 추적된다.

따라서, 예컨대 선박 엔진의 내부에 있는 가동 부품은 센서 송신에 의해 추적될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 바람직하게는 전술한 방법으로 엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 신호 및 특히 측정 값을 전송하기 위한 UWB-송신기를 포함하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 상기 시스템은 센서로부터 전송된 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 수신기를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 수신된 신호를 처리하기 위한, 바람직하게는 여기서 설명한 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 이 컴퓨팅 유닛(또는 중앙 유닛/제어 유닛)은 수신된 데이타를 디코딩하고 처리하기 위한 통신 유닛, 및 상기 방법과 관련하여 설명한 바와 같은 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법에 근거하여 적어도 하나의 센서의 위치를 파악하기 위한 위치 파악 유닛을 포함한다.

상기 시스템은 적어도 하나의 배기 가스 온도 센서를 포함한다.

대안적으로, 크랭크축 로드 베어링의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 센서가 엔진에 배치될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 방법에 따라 기능하는 단지 하나의 센서로, 기존의 시스템은 더 효율적으로 기능하고, 그래서, 단일의 센서를 전술한 바와 같은 시스템으로 대체할 만한 가치가 있는 것이다. 따라서, 최소의 구성은 하나의 온도 센서, 하나의 수신기 및 하나의 컴퓨팅 유닛으로 될 수 있다.

일반적으로, 엔진을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 네트워크는, 배기 가스 온도 센서, 냉각수 센서, 윤활유 센서, 연료 오일 세서, 가스 온도 센서, 베어링 온도 센서와 같은 온도 센서, 및 냉각수 유량 센서 윤활유 유량 센서, 배기 가스 유량 센서, 서보 오일 유량 센서, 연료 오일 유량 센서 또는 가스 유량 센서와 같은 유동 센서, 및 냉각수 압력 센서, 윤활유 압력 센서, 서보 오일 압력 센서, 연료 압력 센서 또는 가스 압력 센서와 같은 압력 센서, 그리고 피스톤 위치 센서, 크랭크축 위치 센서, 터닝 기어 위치 센서, 가스 유입 밸브 위치 센서 또는 웨이스트 게이트 위치 센서와 같은 위치 센서 중의 적어도 하나를 포함한다.

상기 시스템은, 엔진의 가동 부품에 장착될 수 있고 상기 위치 파악 유닛에 의해 추적될 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다.

따라서, 가동 부품의 운동이 추적될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 전술한 바와 같은 시스템을 포함하는 내연 기관에 관한 것이다.

이러한 내연 기관은 모니터링이 쉽고 전술한 바와 같은 시스템과 방법의 이점을 갖게 된다.

본 발명의 다른 양태는, 내연 기관, 바람직하게는 선박용 내연 기관을 제어 및/또는 모니터링하기 위한 전술한 바와 같은 시스템의 용도에 관한 것이다.

이러한 용도 때문에, 내연 기관을 제어하고 모니터링하기 위한 신뢰적인 시스템이 제공될 수 있다.

유리하게는, 예컨대 밸브를 제어하거나 조절하기 위한 신호를 센서에 보내는 것이 바람직할 수 있다. 이는 전술한 방법과 시스템으로 가능하다.

바람직한 구성에 따르면, 정적 센서가 매 5초 마다 읽혀질 수 있다. 변동하는 값 또한 매 2초 마다 또는 더 짧은 기간 내에 읽혀질 수 있다. 실시간 판독이 또한 가능하다.

또한, 매 두번째 또는 매 열번째 측정으로 또는 대안적으로 한시간 당 또는 하루당 한번으로 센서의 위치를 결정할 수 있다. 이러면 시스템의 복잡성이 감소될 수 있다.

무선 센서 네트워크의 도입으로 추가적인 센서의 설치, 도입 및 교체 비용이 줄어들며, 이는 신규한 센서 등급의 동기가 될 수 있다. 그 외에, UWB는 신뢰적이고 복잡성이 낮고 자기 조직적인 센서 네트워크를 가능하게 하는데, 이러한 센서 네트워크는 추가적으로 큰 스케일의 밀집된 센서를 갖는 신규한 용도의 동기가 될 수 있다.

도면에는 바람직한 실시 형태가 나타나 있다.

도 1 은 복수의 판독기를 갖는 UWB 센서 네트워크의 블럭도이다.
도 2 는 UWB TX 노드의 블럭도이다.
도 3 은 엔진에서의 측정 경우를 나타낸다.
도 4 는 자동 위치 파악에 사용되는, 엔진에서의 다른 측정 경우를 나타낸다.
도 5 는 공동 통신 및 위치 파악 흐름도를 나타낸다.

도 1 은 일 예시적인 간단한 센서 네트워크를 나타낸다. 여러 개의 송신(TX) 노드가 여러 개의 판독기 장치와 통신하며, 이 판독기 장치는 중앙 유닛에 연결되어 있다. 판독기 장치는 센서로부터 받는 데이타를 디코딩한다. 중앙 유닛은 판독기로부터 모든 데이타를 수집한다. 센서 송신은 임펄스 무선 변조 또는 확산 스펙트럼 변조로 실현될 수 있다. 도 1 의 UWB 송신기의 예시적인 구성이 도 2 에서 블럭도로 나타나 있다. 이러한 모드는 디지털 기저대역 UWB 송신기를 포함할 수 있고, 이 UWB 송신기 내에서, 센서 데이타, 사용자 I/O (입력/출력) 및/또는 프로그래밍 인터페이스로부터의 프로그래밍 입력과 같은 여러 입력 신호가 기저대역 변조로 처리될 수 있다. 상기 신호는 아날로그 RF 전단부에서 처리 및 증폭될 수 있다. 배터리가 이러한 모드에 포함될 수 있다. 송신 노드는 엔진의 상태를 판단하기 위해 내연 기관에 배치되는 센서를 포함한다(도 3 참조).

통신 범위 시험을 위해, 한 측정 경우에 따르면, 도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 시험 엔진의 덮개를 따라 판독기로부터 점점 멀어지게 위치되어 있는 2개의 동시 전송 노드의 신호가 수신된다. 이들 측정에 의하면, 센서와 판독기 사이의 신호 경로가 방해를 받더라도, 모든 기록된 위치에 대해 신뢰적인 통신이 가능했으며, 이는 적어도 10 미터의 사용가능한 통신 범위를 나타낸다.

채널 임펄스 응답에 기반한 핑거프린팅도 매우 신뢰적인 결과를 보여준다. 그것은 도 4 에 나타나 있는 바와 같이 엔진의 실린더 커버에 설치되는 가스 온도 센서의 위치 파악에 적용되었다. 이는 매우 신뢰적으로 또한 효율적으로 해결된 특정한 분류 문제를 야기한다. 센서 배치, 판독기들 사이의 협력 등에 대해 이용가능한 선험적인 지식의 역할을 조사하였다. 이 위치 파악 방법 및 이용가능한 선험적인 지식(예컨대, 가능한 센서 위치 또는 엔진의 기하학적 구조)의 조합에 의해, 위치 파악 문제의 효율적인 해결책이 얻어질 수 있다.

도 5 는 공동 통신 및 위치 파악 절차를 요약하여 개괄적으로 나타낸 것이다. 데이타 신호가 파독기에 수신되면, 먼저 관련 신호 메트릭스가 추출된다. 그런 다음 이 메트릭스는 통신 유닛 및 위치 파악 유닛에 전달되고, 거기서 전송된 테이타 및 위치 추정치가 이들 메트릭스에 근거하여 각각 추출된다. 마지막으로, 위치 추정치는 대응하는 데이타와 관련되어, 자동 위치 파악, 노드 식별 및 추적에 기반하여 예컨대 플러그 앤드 플레이(plug and play) 센서와 같은 전술한 추가 후처리가 가능하게 된다.

따라서, 공동 통신 및 위치 파악을 수행하여, 모든 통신되는 텔레메트리(telemetry) 데이타가 예컨대 엔진에 있는 각 센서의 대응하는 위치와 관련될 수 있다. 이는 센서가 엔진의 가동 부품에 설치되는 경우에 또는 특별하게 비특정 위치에 규칙적으로 배치되어 있거나 설치되어 있는 센서에 대해 특히 유용하다. 공동 통신 및 위치 파악의 이점을 얻을 수 있는 3개의 예시적인 사용 경우가 제공된다.

일 그룹의 배기 가스 온도 센서가 엔진의 실린더 커버에 설치된다. 각 실린더에 하나의 센서가 설치된다고 가정하면, 센서들을 구별하기 위한 어드레싱 기구(예컨대, 송신 고유 하드웨어 ID)를 구성할 필요 없이, 판독기(들)는 받은 온도 값을 대응하는 실린더와 관련시킬 수 있다.

엔진 내부의 가동 부품에 장착되는 크랭크핀 베어링 온도 센서가 추적될 수 있어, 엔진 상태를 모니터링하기 위한 보조 데이타를 제공하는 이점을 추가로 얻을 수 있다.

여러 무선 노드로 이루어진 전체 무선 텔레메트리 네트워크의 경우, 판독기는 모든 센서 위치의 데이타베이스를 유지할 수 있다. 이리하여, 센서의 플러그 앤드 플레이 가능성을 얻을 수 있는데, 새로운 센서는 그의 요망되는 위치에 간단히 설치되고 스위치 온되며, 그러면 네트워크는 센서의 위치로부터 그 센서의 기능성을 검출하고 모든 필요한 구성을 자동적으로 수행하게 된다.

이들 용례 외에도, 센서의 위치 파악을 개선하기 위해(또는 어떤 경우에는 그 위치 파악을 가능하게 하기 위해) 모터 상의 센서 배치에 대한 선험적인 정보를 이용할 수 있다.

특정한 값, 즉 위에서 언급한 배기 가스 온도 센서를 위한 상세한 알고리즘이 아래에 예시적으로 제공된다.

일 예로서, 데이타 검출 및 핑거프린팅 기반 위치 파악을 병렬적으로 실행하는 판독기에 있는 코히어런트 수신기 및 배기 가스 온도 센서가 고려된다:

- 배기 가스 온도 센서는 온도를 결정하고 이 값을 양자화한다.

- 디지털 온도가 다수의 비트로 인코딩되어 전송된다.

- 상기 비트는 기호 파형에 맵핑되어 전송된다.

- 수신된 신호는 송신기 및 수신기위 위치에 대해 특정한 방식으로 무선 통신 채널에 의해 교란된다.

- 송신 신호 파형의 지식을 이용하여, 채널 임펄스 응답(CIR)의 추정치를 얻는다.

- 이 CIR 추정치는 데이타 검출과 위치 파악을 나타내는 2개의 함수에 전달된다. ⅰ) 데이타 검출을 위해, 채널 매칭된 필터가 송신 펄스 파형 및 CIR 추정치로부터 계산된다. 수신된 신호 및 채널 매칭된 필터를 사용하여, 전송된 데이타를 추출한다. ⅱ) 위치 파악을 위해, 추정된 CIR은 가능한 후보 위치에 대한 훈련 단계에서 사전에 얻어진 모든 저장된 CIR과 연관된다. 이 교차 연관을 최대화하는 저장된 CIR에 대응하는 후보 위치가 송신 센서의 추정 위치로서 선택된다.

Claims (17)

1. 엔진, 바람직하게는 선박 추진용 내연 기관을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법으로서,
   UWB 송신기 및 바람직하게는 UWB 수신기를 포함하고 엔진 상에 부착되거나, 엔진의 내부에 부착되거나 또는 엔진 가까이에 부착되는 적어도 하나의 센서, 적어도 하나의 수신기, 및 컴퓨팅 유닛을 제공하는 단계,
   상기 적어도 하나의 센서로 적어도 하나의 특정한 엔진 값을 측정하는 단계,
   상기 센서의 UWB 송신기를 이용하여 상기 측정된 엔진 값을 전송하는 단계, 및
   적어도 하나의 수신기로 상기 센서 UWB-신호를 수신하는 단계를 포함하고,
   상기 수신기에 의해 수신된 신호는, 상기 측정된 엔진 값이 상기 UWB-신호로부터 추출되고 또한 상기 센서의 위치를 결정하기 위한 위치 파악 값이 상기 UWB-신호로부터 추출되도록 상기 컴퓨팅 유닛에 의해 처리되며, 상기 위치 파악 값은 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법으로 추출되는, 엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 작업 모드 및 훈련 모드를 포함하고, 훈련 모드에서 기준 값이 수집되는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 센서의 위치 파악은 관찰된 채널 임펄스 응답의 페이딩(fading) 특성을 기준 값과 비교하여 결정되는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서의 위치 파악은 기준 값과의 특정한 연관, 특히 교차 연관에 따라 결정되며, 상기 기준 값은 바람직하게는 통신 채널의 위치 특정적 특성(feature)인 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 핑거프린팅은 다경로 파워 이득에 기반하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   핑거프린팅을 위해 채널 임펄스 응답의 연관 계수가 훈련 모드 중에 미리 기록된 일 세트의 훈련 임펄스 응답과 비교되는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   측정 값과 위치 파악 값을 추출하기 위해 상기 신호는 연속적으로 처리되는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   측정 값과 위치 파악 값을 추출하기 위해 상기 신호는 개별인 부분으로 분할 및/또는 필터링되어 병렬적으로 처리되는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 신호의 전송은 임펄스 무선 변조 또는 확산 스펙트럼 변조로 실현되는 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호는 복수의 안테나에 의해 수신되는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서가 교체되는 경우, 새로운 샌서는 상기 컴퓨팅 유닛에 의해 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법에 근거하여 확인되는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진의 가동 부품에 장착되는 센서가 위치 파악에 근거하여 추적되는 방법.
13. 엔진, 바람직하게는 선박 추진용 내연 기관을 바람직하게는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 모니터링하거나 제어하기 위한 시스템으로서,
    UWB 송신기를 포함하는 적어도 하나의 센서, 이 센서로부터 전송된 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 수신기, 및 수신된 신호를 처리하기 위한 컴퓨팅 유닛을 포함하고,
    상기 컴퓨팅 유닛은 수신된 데이타를 디코딩하고 처리하기 위한 통신 유닛, 및 핑거프린팅 및/또는 기하학적 방법에 근거하여 상기 적어도 하나의 센서의 위치를 파악하기 위한 위치 파악 유닛을 포함하는, 엔진을 모니터링하거나 제어하기 위한 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 시스템은 적어도 하나의 배기 가스 온도 센서를 포함하는 시스템.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 엔진의 가동 부품에 장착될 수 있고 상기 위치 파악 유닛에 의해 추적될 수 있는 시스템.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는 내연 기관.
17. 내연 기관, 바람직하게는 선박용 내연 기관을 제어 및/또는 모니터링하기 위한, 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 시스템의 용도.
    

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