實施例涉及檢測傳感器故障并校正傳感器信號的狀態(tài)。

背景技術(shù)：

車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)的診斷監(jiān)視包括監(jiān)視車輛的各種動態(tài)狀況的各種傳感器。這種系統(tǒng)利用各種類型的傳感器來識別操作的狀態(tài)條件。例如，側(cè)翻穩(wěn)定性控制系統(tǒng)利用滾動率傳感器和俯仰率傳感器來檢測車輛的不穩(wěn)定性。響應(yīng)于檢測到車輛不穩(wěn)定性，可以通過致動一個或多個車輛操作(例如，驅(qū)動、制動、速度控制)來克服不穩(wěn)定性狀況，由車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)部署校正動作。

當傳感器用于感測有助于不穩(wěn)定性狀況時，這種傳感器通常被認為是關(guān)鍵的。因此，必須知道這些傳感器何時發(fā)生故障。通常，為了確保功能的連續(xù)操作以使操作者能夠拉動或檢查汽車，這種系統(tǒng)通常利用冗余傳感器。冗余傳感器是執(zhí)行與主傳感器相同功能但在主傳感器故障的情況下用于備份的同一組傳感器，使得備份傳感器可被立即用于提供可靠的測量。雖然硬件冗余(即，多個傳感器測量特定變量)可以確保車輛子系統(tǒng)的可靠操作，盡管有傳感器故障，但是由于其成本和安裝挑戰(zhàn)，它不是汽車工業(yè)中的優(yōu)選解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實施例的優(yōu)點是通過將車輛運動學(xué)和動態(tài)模型與未知輸入觀測器和估計的車輛狀態(tài)組合以檢測和重建故障，來檢測滾動傳感器的故障并且重建故障信號。對道路梯度和道路坡度干擾的魯棒性是所提出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。本文描述的技術(shù)利用模型、觀測器和自適應(yīng)故障閾值來確保更快和更可靠的性能。通過利用自適應(yīng)故障閾值，減少了使用諸如干擾、非線性和不確定性的固定閾值的問題，其可以觸發(fā)尖峰或者甚至在沒有傳感器故障存在時大于正常殘差?？梢哉{(diào)節(jié)自適應(yīng)閾值以考慮基于在車輛中發(fā)生的動態(tài)狀況來檢測大故障和小故障二者。

實施例設(shè)想了一種重建檢測到的故障信號的方法。滾動傳感器故障由處理器檢測。檢測到的故障滾動傳感器的信號由處理器使用間接傳感器數(shù)據(jù)重建。重建信號輸出到控制器以保持穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1示出裝備有穩(wěn)定性控制傳感器的車輛的圖示。

圖2是車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的框圖。

圖3是一般的過程流程技術(shù)的流程圖。

圖4是檢測故障的傳感器并重建信號的詳細過程的流程圖。

圖5是車輛滾動模型的示例性圖示。

圖6示出了簧載質(zhì)量懸掛運動學(xué)模型。

圖7a-d表示在非故障狀況期間的各種時刻獲取的滾動數(shù)據(jù)的示例性集合。

圖8表示示出非故障狀況的故障狀態(tài)曲線圖。

圖9是比較車輛的實際滾動率、測量信號和重建信號的曲線圖。

圖10a-d表示在故障狀況期間的各種時刻獲取的滾動數(shù)據(jù)的示例性集合。

圖11表示示出整個采樣周期期間的故障狀況的故障狀態(tài)曲線圖。

圖12是比較車輛的實際滾動率、故障信號和重建信號的曲線圖。

圖13a-d表示在故障狀況期間的各種時刻所取的滾動數(shù)據(jù)的示例性集合。

圖14表示示出在采樣周期的一部分期間的故障狀況的故障狀態(tài)曲線圖。

圖15是比較實際信號、故障信號和重建信號的曲線圖。

具體實施方式

以下詳細描述意在說明性地理解實施例的主題，并且不旨在限制主題的實施例或這些實施例的應(yīng)用和用途。詞語“示例性”的任何使用旨在被解釋為“用作示例、實例或說明”。本文闡述的實施方式是示例性的，并且不意味著被解釋為比其它實施方式優(yōu)選或有利。本文的描述不意味著受前述背景技術(shù)、詳細描述或描述、簡要概述或以下詳細描述中所呈現(xiàn)的任何明示或暗示的理論的約束。

本文中可以關(guān)于功能和/或邏輯塊組件，并且參考可由各種計算組件或裝置執(zhí)行的操作、處理任務(wù)和功能的符號表示來描述工藝和技術(shù)。這種操作、任務(wù)和功能有時被稱為計算機執(zhí)行、計算機化、軟件實現(xiàn)或計算機實現(xiàn)。應(yīng)當理解，附圖中所示的各種塊組件可以由被配置為執(zhí)行指定功能的任何數(shù)量的硬件、軟件和/或固件組件來實現(xiàn)。例如，系統(tǒng)或組件的實施例可以利用各種集成電路組件(例如，存儲器元件、數(shù)字信號處理元件、邏輯元件、查找表等)，其可以在一個或多個微處理器或其它控制裝置的控制下執(zhí)行以下各種功能。

當在軟件中實現(xiàn)時，本文描述的系統(tǒng)的各種元件基本上是執(zhí)行各種任務(wù)的代碼段或計算機可執(zhí)行指令。在某些實施例中，程序或代碼段被存儲在有形的處理器可讀介質(zhì)中，其可以包括可以存儲或傳送信息的任何介質(zhì)。非暫時性和處理器可讀介質(zhì)的示例包括電子電路、微控制器、專用集成電路(asic)、半導(dǎo)體存儲器裝置、rom、閃存、可擦除rom(erom)、軟盤、cd-rom、光盤、硬盤等。

本文描述的系統(tǒng)和方法可以用于識別傳感器中的故障，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，汽車應(yīng)用僅僅是示例性的，并且本文公開的概念也可以應(yīng)用于利用滾動速率感測裝置的任何其它系統(tǒng)。

本文所描述的術(shù)語“車輛”可以被廣義地解釋為不僅包括客車，而且包括但不限于軌道系統(tǒng)、飛機、越野運動車輛、機器人車輛、摩托車、卡車、運動型多用途車(suv)、娛樂車(rv)、船舶、航空器、農(nóng)用車輛和建筑車輛。

車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)利用多個傳感器來感測車輛操作狀況并利用一個或多個控制系統(tǒng)來抵消或最小化不穩(wěn)定性狀況。參考圖1和圖2，車輛可以配備有以下傳感器，包括但不限于俯仰率傳感器12、滾動率傳感器14和偏航率傳感器16、輪速傳感器18、轉(zhuǎn)向傳感器20、懸掛傳感器22和其它傳感器24。俯仰率傳感器12、滾動率傳感器14和偏航率傳感器16以及其它傳感器可以與單個模塊26集成。

處理器28從一個或多個傳感器接收感測的輸入，用于處理感測的輸入數(shù)據(jù)并確定不穩(wěn)定性狀況。處理器28可以是現(xiàn)有系統(tǒng)的一部分，諸如牽引控制系統(tǒng)或其它系統(tǒng)，或者可以是專用于分析來自一個或多個感測裝置的數(shù)據(jù)的獨立處理器。

處理器28可以耦合到一個或多個輸出裝置，諸如控制器30，用于基于由處理器28應(yīng)用的分析來啟動或致動控制動作。

控制器30可以控制制動系統(tǒng)32，其中可以使用車輛制動來最小化或消除不穩(wěn)定性的影響。

控制器30可以控制牽引控制系統(tǒng)34，所述牽引控制系統(tǒng)34將動力單獨地分配到每個相應(yīng)的車輪，以通過相應(yīng)的車輪來減少車輪滑移。

控制器30可以控制巡航控制系統(tǒng)36，當檢測到不穩(wěn)定性時，所述巡航控制系統(tǒng)36可以停用巡航控制或限制巡航控制的激活。

控制器30可以控制駕駛員信息系統(tǒng)40，用于向車輛的駕駛員提供關(guān)于不穩(wěn)定性狀況的警告。應(yīng)當理解，如本文所描述的，控制器30可以包括控制單獨功能或可以控制功能組合的一個或多個控制器。

控制器30可以進一步控制無線通信裝置38的致動，用于利用車對車或車對基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)將不穩(wěn)定性狀況自主地傳達給其它車輛。

控制器30可以耦合到各種其它控制系統(tǒng)或其它系統(tǒng)。

如前所述，系統(tǒng)依賴于獲得無故障的感覺信息，并且更重要的是當傳感器故障發(fā)生時。雖然利用冗余傳感器可能是魯棒的，但是冗余傳感器是昂貴的并且需要增加的封裝空間。因此，以下技術(shù)允許系統(tǒng)不必利用冗余傳感器并且根據(jù)虛擬傳感器數(shù)據(jù)重建傳感器信號。例如，滾動率傳感器測量車輛繞其縱向軸線的旋轉(zhuǎn)速度。如果滾動率傳感器發(fā)生故障，則可以利用不正確的數(shù)據(jù)來確定車輛的不穩(wěn)定性。如果檢測到故障，并且如果沒有可用的冗余傳感器，則系統(tǒng)必須能夠重新配置正確的信號。因此，第一步驟是確定信號是否發(fā)生故障。其次，如果檢測到故障，則必須確定感測信號的重新配置。

圖3示出了用于檢測故障和重建來自故障傳感器的信號的過程的廣義概覽的流程圖。在步驟50中，將傳感器輸入提供給處理器以分析感測數(shù)據(jù)。直接從專用于感測相應(yīng)狀況的傳感器獲得信息。例如，滾動率傳感器直接負責(zé)檢測車輛的滾動率。除了來自這些裝置的測量之外，處理器還接收來自可以用于估計虛擬滾動率信號的其它傳感器裝置的數(shù)據(jù)。這里使用的術(shù)語虛擬是指數(shù)據(jù)不是直接從專用感測裝置接收的事實，而是從可以間接估計相應(yīng)信號的其它裝置接收數(shù)據(jù)。

在步驟51中，確定虛擬傳感器值和殘差。來自非專用感測裝置的數(shù)據(jù)連同車輛模型一起用于計算虛擬傳感器值和殘差。殘差在本文中定義為直接從專用傳感器裝置獲得的測量值與虛擬傳感器值之間的差。例如，滾動率的殘差將是來自滾動率傳感器的測量值和滾動率的虛擬傳感器值計算之間的差。

在步驟52中，生成故障閾值。雖然可以利用固定閾值，但是優(yōu)選地利用自適應(yīng)閾值。在利用固定閾值時，干擾、非線性和不確定性可以觸發(fā)尖峰或大于正常殘差，即使當不存在傳感器故障時。如果大的固定故障閾值用于考慮問題，則檢測技術(shù)將不能檢測更小的故障和/或?qū)㈦S著更高的激勵和更多的時間需要使殘差通過大的閾值而更慢。如果利用小的固定閾值，則閾值可能太小而不能檢測故障。因此，當使用固定故障閾值時的這種殘差可能產(chǎn)生假陽性。

結(jié)果，使用自適應(yīng)閾值來檢測故障。自適應(yīng)閾值確保在非線性區(qū)域中和在粗糙操縱期間避免假陽性。此外，除了更小的故障的增強的可靠檢測之外，還可以利用自適應(yīng)閾值來更快地檢測線性區(qū)域中和正常操縱期間的故障。

使用當前車輛模型和感覺數(shù)據(jù)，基于當前駕駛狀況和動態(tài)區(qū)域來估計自適應(yīng)故障閾值。時間窗口用于計算用于提高瞬態(tài)驅(qū)動狀況下的可靠性的自適應(yīng)閾值。

在步驟53中，基于所計算的超過自適應(yīng)故障閾值的殘差來檢測故障。該技術(shù)檢查標準以拒絕短期異常值并避免假陽性。離群值可能來自突然的激勵和突然的擾動。離群值也可以產(chǎn)生短期殘差異常。該標準監(jiān)視時間窗口以拒絕異常值并確?？煽康墓收蠙z測性能。

在步驟54中，響應(yīng)于檢測到故障，重建相應(yīng)的信號。該技術(shù)使用虛擬傳感器值重建故障信號。虛擬傳感器的加權(quán)平均函數(shù)用于重建滾動率?；诋斍榜{駛狀況來自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)重。利用自適應(yīng)權(quán)重，對于由于各種因素(包括但不限于高滑移、車輪鎖)的虛擬傳感器不準確的情況，可以實現(xiàn)更準確的重建。

在步驟55中，將重建信號與關(guān)于故障的信息一起輸出到車輛控制系統(tǒng)。

圖4是用于檢測故障并重建故障信號的更詳細的流程圖。分析故障檢測方法依賴于系統(tǒng)模型、約束等式和來自所有可用傳感器以檢測傳感器故障的集合信息。系統(tǒng)的傳感器容錯設(shè)計涉及滿足三個主要要求，包括故障檢測、故障隔離和故障緩解。故障檢測是對系統(tǒng)中的感覺故障的及時和可靠的檢測。故障隔離是故障傳感器的識別/定位。故障緩解是使用系統(tǒng)模型和其它非故障傳感器的故障感覺信號的重建。

在步驟60中，為所監(jiān)視的系統(tǒng)構(gòu)建模型。使用滾動率的模型表示如下：

其中φv是簧載質(zhì)量的滾動角，是車輛滾動角，hrc表示重心和所述滾動中心之間的距離；ix表示關(guān)于身體坐標系的x軸的慣性矩；是橫向速度的變化率；vx表示縱向速度；是偏航率；φr是道路坡度；ms是簧載質(zhì)量；g是重力加速度；cφ是滾動阻尼；并且kφ是滾動的剛度系數(shù)。用于滾動模型的相應(yīng)圖示在圖5中示出。

以下觀測器用于估計連同未知輸入一起的滾動狀態(tài)。用于滾動狀態(tài)的觀測器如下：

其中eφ和fφ是滾動觀測器的觀測器增益矩陣，其中bφ和dφ是約束增益參數(shù)，其中xφ[k]是估計滾動狀態(tài)，以及其中是未知輸入的估計。

以下觀測器用于估計滾動狀態(tài)的道路坡度(φr)如下：

在模型中使用通過簧載質(zhì)量運動學(xué)模型導(dǎo)出的以下輸入?；奢d質(zhì)量運動學(xué)用于使用來自安裝在車輛的其它三個拐角的傳感器的測量來估計車輛的每個拐角處的懸掛高度，如圖6)所示。使用每個拐角的懸掛高度的模型和位置的簧載質(zhì)量，可使用安裝在其它三個拐角上的傳感器估計懸掛高度為：

其中使用拐角位置計算幾何函數(shù)d-ij，和。下標ij∈{fl，fr，rl，rr}表示前左(fl)、前右(戶)、后左(rl)和右后(rr)拐角，并且是估計的懸掛高度。下標-ij表示其中在計算中不使用由傳感器ij提供的懸掛高度的情況。此外，當懸架高度傳感器ij未被使用時的滾動角可以寫為：

在步驟61中，讀取或估計感覺輸入。感覺輸入包括但不限于懸掛高度(δzij)、滾動率、偏航率、縱向和橫向加速度分量(ax，ay)以及車輪角速度(ωij)。

在步驟62中，確定是否需要重新初始化，諸如車輛是靜止的。如果車輛靜止，則例程回到步驟60；否則，例程進行到步驟63。

在步驟63中，基于前面描述的滾動率模型確定滾動率

在步驟64中，確定虛擬滾動率。使用以下公式確定虛擬滾動率：

其中是以虛擬傳感器的形式的估計車輛滾動率，是使用未由ij下標索引的相應(yīng)車輛傳感器計算的估計車體滾動率，r是旋轉(zhuǎn)矩陣，描述車輛簧載質(zhì)量相對于框架參考坐標系的定向；是估計的車輛俯仰角，是估計的車輛滾動角，并且是估計的道路坡度變化率，所有使用未由ij下標索引的車輛傳感器來計算。

使用間接測量來確定虛擬滾動率。也就是說，可以使用來自專用于確定滾動的傳感器的直接測量的輸入來確定實際滾動，而虛擬滾動率利用不一定專用于檢測滾動的間接傳感器數(shù)據(jù)，但是可以與其它數(shù)據(jù)協(xié)作地使用以確定滾動。

在步驟65中，基于所測量的滾動率和虛擬滾動率來確定殘差。也就是說，用于滾動率的殘差被確定為所測量的滾動率和虛擬滾動率之間的差。虛擬滾動率的殘差由以下公式確定：

在步驟66中，確定瞬時自適應(yīng)故障閾值。利用以下公式確定滾動率的瞬時自適應(yīng)故障閾值：

其中ay是橫向加速度，確定用于閾值的固定靜態(tài)界限，其中常數(shù)將橫向激勵的函數(shù)添加到閾值。

在步驟67中，為了使得該技術(shù)對于瞬時區(qū)域中的假陽性是魯棒的，在時間窗口上執(zhí)行瞬時自適應(yīng)故障閾值的評估。滾動率隨時間的自適應(yīng)閾值由以下等式表示：

其中tφ是動態(tài)自適應(yīng)故障閾值，并且其中wφ是在滾動感測操作期間的時間窗口的長度以計算閾值。

在步驟68中，基于殘差是否大于動態(tài)自適應(yīng)故障閾值來確定增量故障狀態(tài)計數(shù)是否應(yīng)當增加。滾動率的該狀態(tài)的確定由以下等式確定：

如果確定殘差大于動態(tài)自適應(yīng)故障閾值，則例程進行到步驟69；否則，例程進行到步驟72。

在步驟69中，當殘差超過動態(tài)自適應(yīng)故障閾值時，遞增初始設(shè)定為0的故障狀態(tài)計數(shù)器以下公式表示遞增公式：

在步驟70中，雖然跨越適配器閾值的每個單次事件可以被視為故障，但故障應(yīng)該持續(xù)一段時間以被識別為故障。因此，確定故障是否持續(xù)。這通過確定殘差是否高于動態(tài)自適應(yīng)故障閾值持續(xù)連續(xù)次數(shù)nz來執(zhí)行。該確定可以由以下公式表示：

如果確定故障持續(xù)，則例程進行到步驟71；否則，例程進行到步驟77。

在步驟71中，響應(yīng)于例程斷定故障持續(xù)，故障狀態(tài)設(shè)定為1。

在步驟72中，確定故障狀態(tài)是否設(shè)定為1。如果故障狀態(tài)設(shè)定為1，則例程進行到步驟73；否則，例程進行到步驟74。

在步驟73中，響應(yīng)于故障狀態(tài)設(shè)定為1，重建故障信號。滾動率信號的重建由以下公式表示：

其中是重建的滾動信號；w-ij表示權(quán)重因子。響應(yīng)于重建故障信號，例程前進到步驟75。

再次參考步驟72，其中響應(yīng)于未設(shè)定為1的故障狀態(tài)，做出設(shè)定為1的故障狀態(tài)的確定，例程進行到步驟74。在步驟74中，故障狀態(tài)計數(shù)響應(yīng)于未設(shè)定為1的故障狀態(tài)來重置。

在步驟75中，將無故障信號(例如，無降落滾動率信號)提供給估計和控制模塊。

在步驟76中，故障狀態(tài)傳遞到估計和控制模塊。

在步驟77中，例程等待下一組樣本數(shù)據(jù)。在接收到下一組樣本數(shù)據(jù)之后，例程返回到步驟61，在那里獲得并記錄感覺估計輸入。

圖7a-d表示在不同時刻獲取的一組樣本數(shù)據(jù)。殘差和閾值繪制在曲線圖上。豎直軸以弧度/秒測量，而水平軸以秒為單位測量。在每個曲線圖中，殘差由線80表示，并且閾值由線82表示。如果殘差80保持低于閾值，則不確定故障。這由圖8中所示的故障狀態(tài)曲線圖示出。“0”信號指示非故障狀態(tài)，而“1”信號指示檢測到的故障。故障狀態(tài)信號通常由指示沒有故障存在的線84表示。

圖9示出了示出實際信號86、故障(測量)信號88和重建信號90的曲線圖。由于不存在故障，所以相應(yīng)信號86、88和90中的每一個是相同的并且彼此重疊。

圖10a-d表示在不同時刻取得的另一組樣本數(shù)據(jù)。如圖10a-10d中所示，通常由80表示的殘差在數(shù)據(jù)采樣的開始處超過閾值82。結(jié)果，故障傳感器在采樣開始時產(chǎn)生偏置信號。

圖11示出故障狀態(tài)圖。如在圖11中所示，在數(shù)據(jù)采樣開始時檢測到故障，并且故障立即設(shè)定為“1”，如由故障狀態(tài)(線)84所表示的。

圖12示出了示出實際信號86、故障(測量)信號88和重建信號90的曲線圖。故障信號88相對于實際信號86顯著偏離。利用本文所述技術(shù)的重建信號90直接從采樣周期的開始重建故障信號88，因為故障發(fā)生在開始。結(jié)果，重建信號90基本上類似于實際信號86。重建信號90可以進一步被其它控制器和系統(tǒng)所依賴。

圖13a-d表示在不同時刻取得的另一組樣本數(shù)據(jù)。如圖13a-d中所示，在數(shù)據(jù)采樣期間，殘差80超過閾值82。如圖13a-d中所示，在采樣數(shù)據(jù)的各個時刻期間，殘差80信號的各個部分超過閾值82。結(jié)果，當殘差80持續(xù)地超過閾值82的時間期間發(fā)生故障。

圖14示出故障狀態(tài)曲線圖。如圖14中所示，在采樣周期的中間(例如，7秒)檢測到故障。故障信號84在采樣周期開始時未設(shè)定，并且然后在采樣周期的7秒標記處設(shè)定為“1”，并在采樣周期的其余部分繼續(xù)發(fā)生故障。

圖15示出了示出實際信號86、故障(測量)信號88和重建信號90的曲線圖。故障信號88相對于實際信號86顯著偏離。利用本文所述技術(shù)的重建信號90重建當檢測到故障信號時在7秒標記處的故障信號88。結(jié)果，利用本文所描述的技術(shù)在故障時(7秒)重建故障信號88。重建信號88基本上反映實際信號86，其隨后可以被其它控制器或其它系統(tǒng)使用和依賴。

雖然已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明的某些實施例，但是本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到用于實施由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的各種替代設(shè)計和實施例。