DE102018203802A1

DE102018203802A1 - Verfahren, Vorrichtung und Fortbewegungsmittel zur mehrstufigen Filterung eines Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels

Info

Publication number: DE102018203802A1
Application number: DE102018203802.3A
Authority: DE
Inventors: Robert von Häfen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019175103A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels umfassend die Schritte: Filtern des ersten Signals (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') und Filtern des zweiten Signals (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S").

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Fortbewegungsmittel zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels. Insbesondere betrifft die Erfindung eine zeiteffiziente Filterung einhergehend mit einem wirkungsvollen Glättungsverhalten auf Basis eines mehrstufigen Kalman-Filters.
Im Stand der Technik sind zeitdiskrete, einstufige Kalman-Filter bekannt, die u.a. zur Positionsbestimmung in GPS-gestützten Navigationssystemen oder in Systemen zur Umfelderkennung von Fortbewegungsmitteln eingesetzt werden, um beispielsweise verrauschte Sensorsignale im Bordnetz des Fortbewegungsmittels zu filtern oder Ersatzwerte für fehlerhafte oder ausgefallene Sensorsignale zu schätzen. Mittels eines Kalman-Filters können allgemein beschrieben die Zustände eines verrauschten, technischen Prozesses optimal geschätzt werden. Dazu minimiert das Kalman-Filter den mittleren quadratischen Fehler der Schätzung. Voraussetzung für die Realisierung des Kalman-Filters ist eine hinreichend genaue, mathematische Beschreibung eines Zustandsraummodells eines technischen Prozesses bzw. Systems in Form eines zeitdiskreten Differenzengleichungssystems. Die durch das Kalman-Filter geschätzten, zukünftigen Zustände werden jeweils auf Basis aktueller, realer Messwerte korrigiert. Mit einer über die Zeit zunehmenden Anzahl berücksichtigter realer Messwerte nähert sich die Schätzung den tatsächlichen Zuständen theoretisch beliebig genau an.
Durch seine mathematische Struktur kann das Kalman-Filter darüber hinaus relativ einfach auf einem Digitalrechner realisiert werden und ist aufgrund eines in diesem Zusammenhang gemäßigten Ressourcenbedarfs, insbesondere auch für den Einsatz in Echtzeitsystemen geeignet. Zeitkontinuierliche Kalman-Filter sind ebenfalls realisierbar, sie haben aber nur eine geringe praktische Bedeutung, da sie mathematisch wesentlich komplexer sind und es nur wenige bekannte Lösungen für diese Art von Kalman-Filter gibt.
Im Zusammenhang mit einem Fortbewegungsmittel sind zeitdiskrete Kalman-Filter beispielsweise zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades des Fortbewegungsmittels geeignet. Im Stand der Technik werden zu diesem Zweck Beschleunigungssensoren eingesetzt, um dynamische/aktive Dämpfersysteme des Fortbewegungsmittels mit den erforderlichen Bewegungsgrößen zur Dämpfungsregelung und Wankstabilisierung zu versorgen. Hierzu ist ein Beschleunigungssensor im Bereich des Fahrwerks und insbesondere im Bereich der ungefederten Masse des Fahrwerks angeordnet und gibt unmittelbare Signale repräsentierend die Vertikalbeschleunigung des Rades aus. Als Vertikalbeschleunigung wird eine solche Bewegungsgröße bzw. ein korrespondierendes Signal verstanden, welches die Beschleunigung des Rades im Wesentlichen in Richtung der Fahrbahnnormalen bzw. in vertikaler Richtung beschreibt. Die Dämpferregelung kann in Abhängigkeit dieser Signale geeignete Einstellungen für die Dämpferfestigkeit vornehmen, um beispielsweise ein Einfedern des Rades zu erleichtern, wenn dieses aufgrund einer Bodenwelle einen großen Weg einfedern muss. Für die Wankstabilisierung gilt Ähnliches, nur dass sie die Räder dazu vertikal bewegt. Auf diese Weise können die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort erheblich verbessert werden.
Darüber hinaus werden aufgrund eines Erfordernisses zur Leuchtweitenregulierung und mitunter auch zur Regelung aktiver Luftfahrwerke im Stand der Technik Höhenstandssensoren verwendet, welche eine Information darüber bereitstellen, wie stark ein jeweiliges Rad eines Fortbewegungsmittels derzeit eingefedert ist. Die Informationen des Höhenstandsensors können als im Wesentlichen quasi statische Zustandsgrößen verstanden werden. In Abhängigkeit dieser Größe werden die Leuchtweite/der Winkel, im welchem der Lichtkegel ausgerichtet wird, sowie die Höhe/die Füllung des Luftfahrwerkes gesteuert bzw. geregelt. Entsprechendes gilt für Gewindefahrwerke.
Zur Einsparung des Beschleunigungssensors kann das direkt aus dem Höhenstandssensor entnommene Höhenstandssignal des Rades durch zweifaches Differenzieren nach der Zeit in ein Vertikalbeschleunigungssignal des Rades umgewandelt werden, welches das durch den Beschleunigungssensor erzeugte Signal oben genannter Systeme ersetzen kann. Das zweifache Differenzieren und die Glättung des Signals kann auf Basis einer analogen und/oder einer digitalen Filterung durchgeführt werden.
Problematisch ist in diesem Zusammenhang ein mitunter hoher Anteil unbekannter Einflüsse bzw. Störungen, welche das durch den Höhenstandssensor gemessene Höhenstandssignal überlagern können. Diese im Folgenden auch als Prozessrauschen bezeichneten Überlagerungen eines eigentlichen Nutzsignals können ohne eine Aufbereitung des verrauschten Signals ggf. zu Fehlfunktionen und/oder Funktionsausfällen im Fortbewegungsmittel führen.
In Abhängigkeit eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Höhenstandssignals können einfache Filter mit einer geringen Filterordnung ausreichen, oder es können auch komplexe Filter mit einer hohen Filterordnung erforderlich sein. So kann zum Beispiel das Höhenstandssignals in unterschiedlichen Fahrzeugtypen ein deutlich unterschiedliches Signal-Rauschverhältnis aufweisen. Das Signal-Rauschverhältnis kann beispielsweise durch eine spezifische Fahrwerkskonstruktion und/oder durch induktive und/oder kapazitive Einstreuungen aus dem Umfeld des Höhenstandssensors beeinflusst werden.
Gering verrauschte Höhenstandssignale können i.d.R. mittels einfacher analoger und/oder digitaler Filter mit relativ geringer Ordnung so aufbereitet werden, dass sich deren Ausgangssignal für das anschließende zweifache Differenzieren zur Erzeugung des Signals für die Vertikalbeschleunigung des Rades eignet. Die bei stark verrauschten Signalen erforderliche höhere Filterordnung zur Glättung des Signals kann insofern ein Problem darstellen, als dass sie üblicherweise eine höhere Laufzeitverzögerung bei der Bereitstellung des gefilterten Signals für die Vertikalbeschleunigung mit sich bringt.
Insbesondere im Zusammenhang mit einer Steuerung und/oder Regelung der Fahrdynamik eines Fortbewegungsmittels sind meist geringe Laufzeitverzögerungen einer Signalverarbeitungskette unerlässlich, um evtl. Funktionsdegradationen und/oder Fehlfunktionen in einem der Filterung nachgelagerten Teil der Signalverarbeitungskette zu vermeiden. Aus diesem Grund können stark verrauschte Signale mit einer herkömmlichen Filterung in vielen Fällen nur eingeschränkt aufbereitet werden, da sie die Anforderung einer wirksamen Glättung des verrauschten Signals, bei einer gleichzeitig kurzen Signallaufzeit des Filters nicht oder nur unzureichend erfüllen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. auszuräumen.
Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen und insbesondere eine mehrstufige Filterung basierend auf einem mehrstufigen Kalman-Filter. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug sein.
Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filters ist im Stand der Technik hinreichend beschrieben und wird seit vielen Jahren in unterschiedlichen technischen Anwendungsgebieten erfolgreich eingesetzt, weshalb hier auf eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus und insbesondere der mathematischen Struktur des Kalman-Filters verzichtet wird.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Signal mittels eines eine erste Stufe repräsentierenden ersten Kalman-Filters zur Erzeugung eines zweiten Signals gefiltert. Das erste Signal kann beispielsweise ein Ausgangssignal eines Messsensors eines Bordnetzes eines Fortbewegungsmittels sein, wie zum Beispiel das oben beschriebene Höhenstandssignal des Höhenstandssensors. Des Weiteren kann das Ausgangssignal des Messsensors von unerwünschten Störgrößen, wie einem Rauschsignal überlagert sein. Diese Störgrößen können beispielsweise durch den Sensor selbst erzeugt und/oder in diesen eingestreut werden. Als Ursachen kommen hier u.a. ein thermisches Rauschen und/oder ein Quantisierungsrauschen des Sensors und/oder der Sensorelektronik und/oder induktive und/oder kapazitive Einstreuungen aus dem Umfeld des Sensors in Frage. Darüber hinaus können auch eine Art, eine Anordnung und eine Länge einer Kabelverbindung vom Sensor zu einer Empfangskomponente der Sensorsignale einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Art und den Anteil der Störungen im eigentlichen Messsignal haben.
Das Kalman-Filter der ersten Filterstufe kann ein aus dem Stand der Technik bekanntes, zeitdiskretes Kalman-Filter sein, welches auf Basis eines Computerprogramms realisiert ist, das mittels einer Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, analoger Signalprozessor, Mikrocontroller, elektronisches Steuergerät, o.ä., ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit an einen flüchtigen und einen nicht flüchtigen Speicher angebunden. Des Weiteren kann die Auswerteinheit ein Bestandteil eines bestehenden Fahrerassistenzsystems oder eines weiteren Steuergerätes eines Fortbewegungsmittels, oder ein eigenständiges Steuergerät sein.
Die Auswerteinheit kann über eine digitale und/oder analoge Schnittstelle für den Empfang des ersten Signals verfügen. Je nach Bereitstellungsform des ersten Signals (analog oder digital) ist zur Verarbeitung des ersten Signals ggf. zunächst eine Wandlung in ein digitales Signal erforderlich. Dies kann durch einen entsprechenden, an die Auswerteeinheit angebundenen Analog/Digital (A/D) - Wandler durchgeführt werden. Für das Beispiel des Höhenstandssignals hat sich beim Abtasten des Signals durch einen A/D-Wandler eine Bittiefe im Bereich von 8 bit bis 12 bit und insbesondere von 10 bit als hinreichend herausgestellt. Eine geeignete Abtastfrequenz des Höhenstandssignals kann beispielsweise zwischen 100 Hz und 1 kHz und insbesondere bei 400 Hz liegen.
Alternativ kann der Höhenstandssensor das Höhenstandssignal bereits in digitaler Form ausgeben und über eine entsprechende digitale Schnittstelle durch die Auswerteeinheit empfangen werden. Für ein durch den Höhenstandssensor digital ausgegebenes Höhenstandssignal gelten ebenfalls die oben bevorzugten Werte für eine Bittiefe und eine Abtastfrequenz.
Das durch die Auswerteeinheit empfangene erste Signal kann eine einzelne Eingangsgröße wie zum Beispiel einen Messwert wie das Höhenstandssignal, oder einen Vektor von Eingangsgrößen repräsentieren. In diesem Zusammenhang kann ein in der ersten Stufe vorgesehenes, erstes Element für eine Selektion und Gewichtung der Eingangsgrößen vorteilhaft sein. Das dem ersten Kalman-Filter vorgelagerte erste Element zur Selektion und Gewichtung kann in Abhängigkeit eines analogen oder digitalen ersten Signals beispielsweise mittels einer analogen Schaltung oder durch einen mittels der Auswerteeinheit ausgeführten Programmcode realisiert werden.
Durch die Selektion kann ein an die jeweilige Aufgabenstellung des mehrstufigen Kalman-Filters angepasstes, statisches Auswählen von vordefinierten Eingangsgrößen durchgeführt werden. Weiterhin denkbar ist auch ein dynamisches Auswählen zwischen einer ersten vordefinierten Kombination von Eingangsgrößen und einer zweiten, von der ersten Kombination abweichenden vordefinierten Kombination von Eingangsgrößen. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn das erste Signal Messwerte einer Mehrzahl redundanter Sensoren umfasst, um eine höhere Ausfallsicherheit eines Gesamtsystems zu gewährleisten. Darüber hinaus kann ein Auswählen einer spezifischen Kombination von Eingangsgrößen auch in Abhängigkeit vordefinierter Umweltbedingungen und/oder -ereignisse durchgeführt werden.
Eine Gewichtung der einzelnen Eingangsgrößen kann analog zur Selektion der Eingangsgrößen ebenfalls statisch oder dynamisch erfolgen, um die Eingangsgrößen beispielsweise an eine konkrete Konfiguration bzw. Aufgabenstellung des Filters anzupassen und/oder im Ansprechen auf vordefinierte Umweltbedingungen und/oder -ereignisse reagieren zu können. Für den Fall, dass die Stufe zur Selektion und Gewichtung für konkrete Anwendungsfälle des mehrstufigen Kalman-Filters nicht erforderlich sein sollte, kann diese optional entfallen oder mittels eines Gewichtungsfaktors von Eins und einer standardmäßigen Weiterleitung aller Eingangssignale deaktiviert werden.
Nach der (optionalen) Verarbeitung des ersten Signals mittels des ersten Elements zur Selektion und Gewichtung, kann das erste Signal der Filterung durch das erste Kalman-Filter zugeführt werden. Dies kann durch die Abarbeitung einzelner Programmschritte des Computerprogramms innerhalb der Auswerteeinheit erfolgen. Durch das erste Kalman-Filter wird aus dem ersten Signal ein zweites Signal erzeugt, welches ein Ausgangssignal des ersten Kalman-Filters darstellt.
Im Falle des Höhenstandssignals als zu filterndes erstes Signal, können aus dem Höhenstandssignal durch eine geeignete Dimensionierung des ersten Kalman-Filters ein geglättetes Vertikalgeschwindigkeitssignal und ein geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal des Rades berechnet werden. Das durch die erste Stufe berechnete Vertikalbeschleunigungssignal weist aufgrund der Laufzeitverzögerung durch das erste Kalman-Filter eine ähnliche Verzögerung auf, wie eine auf einem herkömmlichen Filterverfahren basierende Filterung z.B. mittels eines zweifachen Differenzierers in Kombination mit einem FIR-Filter. Die jeweiligen Laufzeitverzögerungen der ersten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters und des herkömmlichen Filterverfahrens bei einem jeweils ausreichenden Glättungsverhalten, liegen im Vergleich zu einem direkt gemessenen Vertikalbeschleunigungssignals durch einen Vertikalbeschleunigungssensors in einer Größenordnung von etwa 10 ms bis 20 ms Verzögerungszeit. Diese Werte können im Zusammenhang mit Regelungs- bzw. Steuerungssystemen für die Fahrdynamik in vielen Fällen zu hoch sein, um ausreichend schnelle Eingriffe in die Fahrdynamik zu ermöglichen. Dies kann sich beispielsweise negativ auf die Fahrsicherheit und/oder den Fahrkomfort auswirken.
Das durch die erste Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters gefilterte Vertikalgeschwindigkeitssignal weist dagegen eine deutlich kürzere Laufzeitverzögerung im Vergleich zum Vertikalbeschleunigungssignal der ersten Stufe auf, weshalb in diesem Fall bevorzugt das in der ersten Stufe erzeugte Vertikalgeschwindigkeitssignal am Ausgang der ersten Stufe als zweites Signal bereitgestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem zweiten Schritt vor, das zweite Signal mittels eines eine zweite Stufe repräsentierenden, zweiten Kalman-Filters zur Erzeugung eines dritten Signals zu filtern. Die Filterstruktur der zweiten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters kann identisch oder unterschiedlich zur Filterstruktur der ersten Stufe sein. Dies gilt auch für ein dem zweiten Kalman-Filter vorgelagertes zweites Element zur Selektion und Gewichtung, welches ebenfalls identisch oder unterschiedlich zum ersten Element zur Selektion und Gewichtung sein kann. Eine identische oder unterschiedliche Auslegung der Filterstrukturen und/oder eine identische oder unterschiedliche Auslegung des Elements zur Selektion und Gewichtung kann in Abhängigkeit einer entsprechenden Realisierungsvariante (z.B. analog, digital, schaltungstechnisch, programmatisch) und insbesondere in Abhängigkeit einer durch das mehrstufige Kalman-Filter zu erfüllenden Aufgabenstellung festgelegt werden.
Es sind grundsätzlich auch beliebige Mischformen hinsichtlich der Realisierung der ersten und der zweiten Stufe denkbar. So können die erste Stufe beispielsweise ein auf einer analogen Schaltungstechnik basierendes Kalman-Filter und die zweite Stufe ein auf einem Computerprogramm eines Mikrocontrollers basierendes Kalman-Filter sein, sofern zwischen der ersten und der zweiten Stufe eine A/D-Wandlung durchgeführt wird.
Das zweite Signal, welches das Vertikalgeschwindigkeitssignal der ersten Stufe repräsentiert, kann durch das zweite Kalman-Filter wiederum mit einer geringen Laufzeitverzögerung in ein geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal überführt werden, welches am Ausgang der zweiten Stufe das dritte Signal repräsentiert. Die Aufteilung der Filterung des Höhenstandssignals auf mehrere Filterstufen führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil einer Filterung mit einer deutlich geringeren Laufzeitverzögerung im Vergleich zu einer Filterung mit einem herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filter oder einer Kombination aus einem herkömmlichen zweifachen Differenzierer mit einem FIR-Filter bei jeweils ähnlichem Glättungsverhalten.
Im Falle der Filterung des Höhenstandssignals durch das mehrstufige Kalman-Filter lässt sich eine Laufzeitverzögerung von einigen wenigen Millisekunden erzielen, so dass sich die, im Kontext einer Regelung und/oder Steuerung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels, maximal zulässigen Laufzeitverzögerungen von etwa 4 ms bis 5 ms erreichen, bzw. auch unterschreiten lassen.
Das mittels des zweiten Kalman-Filters aus dem zweiten Signal erzeugte dritte Signal kann wiederum aus einer das dritte Signal repräsentierenden Einzelgröße oder aus einem Vektor von Einzelgrößen bestehen. Das dritte Signal kann anschließend am Ausgang der zweiten Stufe für eine nachfolgende Verarbeitung bereitgestellt werden.
Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße, mehrstufige Kalman-Filter nicht auf eine Kaskadierung eines ersten und eines zweiten Kalman-Filters beschränkt ist. Vielmehr kann eine beliebige Anzahl von Kalman-Filtern kaskadiert werden, um in Abhängigkeit eines konkreten Anwendungsfalls eine für diesen Anwendungsfall optimierte Signalglättung mit einer möglichst geringen Laufzeitverzögerung zu erzielen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann in die Filterung des zweiten Signals zusätzlich das erste Signal in das zweite Kalman-Filter einfließen, indem dieses in der ersten Stufe zum einen durch das erste Kalman-Filter verarbeitet und zum anderen in unveränderter Form an den Ausgang der ersten Stufe weitergeleitet bzw. durchgeschleift wird. D.h., dass die nachfolgende zweite Stufe auf diese Weise sowohl auf das erste Signal, als auch auf das zweite Signal zurückgreifen kann, was je nach Anwendungsfall für eine Filterung in der zweiten Stufe vorteilhaft sein kann. Da das erste Signal aus einem Vektor von Eingangsgrößen bestehen kann, kann durch eine entsprechende Konfiguration des zweiten Elements zur Selektion und Gewichtung entweder der gesamte Vektor von Eingangsgrößen des ersten Signals, oder ein geeigneter Teilvektor von Eingangsgrößen des ersten Signals in das zweite Kalman-Filter eingespeist werden.
Alternativ zu einem Durchschleifen des ersten Signals durch die erste Stufe kann das erste Signal auf Basis einer analogen und/oder digitalen schaltungstechnischen Umsetzung auch mittels einer parallelen Signalführung außerhalb der ersten Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters an die zweite Stufe übertragen werden.
In einem mehrstufigen Kalman-Filter, welches beispielsweise über drei, vier oder mehr Filterstufen verfügt, kann nach diesem Prinzip für jede Folgestufe verfahren werden. D.h. konkret, dass in eine dritte Stufe neben dem dritten Signal (als Ausgangssignal der zweiten Stufe) zusätzlich auch das zweite und/oder das erste Signal eingespeist werden und dort einer Selektion und/oder Gewichtung zugeführt werden können.
Das durch die zweite Stufe erzeugte dritte Signal, das ein aus dem Höhenstandssignal des Rades abgeleitetes, geglättetes Vertikalbeschleunigungssignal des Rades repräsentieren kann, kann anschließend über das Bordnetz an ein System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels übertragen und dort entsprechend weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass neben dem dritten Signal zusätzlich auch das zweite und/oder das erste Signal an das System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik übertragen werden kann.
Darüber hinaus ist auch eine Rückführung eines Ausgangssignals einer jeweiligen Stufe zum Eingang einer oder mehrerer vorangegangener Stufen denkbar, indem das jeweilige Ausgangsignal, bzw. eine spezifische Kombination von das jeweilige Ausgangssignal repräsentierenden Einzelgrößen, in ein jeweiliges Element zur Selektion und Gewichtung einer oder mehrerer vorangegangener Stufen eingespeist wird.
Des Weiteren kann zwischen zwei Stufen des mehrstufigen Kalman-Filters eine zusätzliche Verarbeitung des Signals stattfinden, welches von einer jeweiligen Stufe in eine weitere Stufe eingespeist wird (in Form einer vorwärts gerichteten Verbindung zwischen zwei Stufen und/oder in Form einer rückgeführten Verbindung). Das heißt konkret, dass beispielsweise das durch die erste Stufe erzeugte zweite Signal vor der Verarbeitung durch die zweite Stufe einer entsprechenden Verarbeitung unterzogen werden kann. Eine solche Verarbeitung kann beispielsweise durch ein zusätzliches Filter wie ein Rauschunterdrückungsfilter und/oder weitere Filter und/oder weitere Signalverarbeitungseinheiten erfolgen. Darüber hinaus können in diese zusätzliche Verarbeitung auch zusätzliche Eingangsgrößen einfließen, die keine Eingangsgrößen der jeweiligen Stufen des mehrstufigen Kalman-Filters darstellen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Laufzeitverzögerung der zusätzlichen Signalverarbeitung bevorzugt gering gehalten wird, um insbesondere den erfindungsgemäßen Vorteil einer kurzen Verarbeitungszeit durch das mehrstufige Kalman-Filter zu erhalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein erster Parametersatz des ersten Kalman-Filters und/oder ein zweiter Parametersatz des zweiten Kalman-Filters im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation adaptiert. Eine bevorzugte Realisierung dieser Ausgestaltung kann wiederum auf einer Auswerteeinheit basieren, welche ein entsprechendes Computerprogramm zur Umsetzung der Funktionalität ausführt.
Unter dem ersten und zweiten Parametersatz wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein jeweils vollständiger Satz von Filterparametern für das erste und zweite Kalman-Filter verstanden. Durch sie werden die Filtereigenschaften des ersten und zweiten Kalman-Filters vollständig beschrieben.
Der erste und der zweite Parametersatz können beispielsweise durch einen ersten und zweiten Datensatz repräsentiert sein, welche im nicht flüchtigen Speicher der Auswerteeinheit persistent abgelegt sind. Das auf der Auswerteeinheit ausgeführte Computerprogramm zur Berechnung der mehrstufigen Kalman-Filterung, kann die im nicht-flüchtigen Speicher abgelegten Datensätze zum Beispiel in einer Initialisierungsphase der Auswerteeinheit aus dem nicht-flüchtigen Speicher laden, um die Filterstrukturen des ersten und zweiten Kalman-Filters für die nachfolgende Berechnung zu initialisieren. Zu diesem Zweck können die Parameter des ersten und zweiten Parametersatzes für einen schnellen Datenzugriff bevorzugt in eine erste und zweite Datenstruktur des an die Auswerteinheit angebundenen, flüchtigen Speichers geladen werden. Ein auf diese Weise initialisiertes, mehrstufiges Kalman-Filter ist nun in der Lage, die durch den ersten und den zweiten Parametersatz festgelegte Funktion des Filters auszuführen.
Im Ansprechen auf sich verändernde Randbedingungen (z.B. Umwelteinflüsse auf ein zu filterndes erstes und/ oder zweites Signal) kann es vorteilhaft sein, wenn die zu erfüllende Funktion des mehrstufigen Kalman-Filters im Ansprechen auf diese veränderten Randbedingungen adaptiert werden kann. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem zusätzlich zum ersten und zweiten Parametersatz ein alternativer erster und ein alternativer zweiter Parametersatz im nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden, die sich jeweils vom ersten und zweiten Parametersatz unterscheiden. Am Beispiel der Regelung und/oder Steuerung einer Fahrdynamik des Fortbewegungsmittels auf Basis des Höhenstandssignals kann eine veränderte Randbedingung beispielsweise eine Veränderung eines durch das Fortbewegungsmittel überfahrenen Straßenbelags sein. Während der erste und zweite Parametersatz für die mehrstufige Kalman-Filterung des Höhenstandssignals an die Oberfläche eines durchschnittlichen Straßenbelags angepasst sein können, kann eine davon abweichende Oberfläche eines Straßenbelags (beispielsweise aufgrund einer sehr rauen, welligen oder beschädigten Oberfläche) zu deutlich schlechteren Filterergebnissen durch die mehrstufige Kalman-Filterung führen. Dies kann sich entsprechend negativ auf die Steuerung und/oder Regelung der Fahrdynamik auswirken.
Um diesem Problem entgegenzuwirken können der erste alternative und der zweite alternative Parametersatz entsprechende Konfigurationen umfassen, die eine Anpassung der mehrstufigen Kalman-Filterung an beispielsweise einen veränderten Straßenbelag ermöglichen. Sobald eine solche Veränderung von Randbedingungen festgestellt wird, die sich negativ auf das Filterverhalten auswirken können, kann durch die Auswerteinheit der alternative erste und/oder zweite Parametersatz aus dem nicht-flüchtigen Speicher an die Stelle der ersten und zweiten Datenstruktur im flüchtigen Speicher geladen werden, wodurch der erste und zweite Parametersatz ersetzt werden. Die nachfolgenden Berechnungen durch das mehrstufige Kalman-Filter basieren entsprechend auf den alternativen Parametersätzen und ermöglichen somit eine an die jeweiligen Randbedingungen angepasste Filterung.
Auf diese Weise lassen sich weitere alternative Parametersätze für eine Vielzahl von denkbaren veränderten Randbedingungen erstellen, die im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation entsprechend adaptiert werden können. Das Adaptieren der Parametersätze kann beispielsweise im Ansprechen auf eine durch einen weiteren Sensor erfasste Umweltsituation und/oder Fahrsituation erfolgen und/oder durch eine Bewertung der Qualität des Ausgangssignals des mehrstufigen Kalman-Filters selbst. Eine veränderte Umweltsituation kann sich zum Beispiel auf den Erfassungsbereich eines Umfeldsensors des Fortbewegungsmittels auswirken, wenn dieser beispielsweise durch auftretenden Regen oder Nebel eingeschränkt und/oder gestört wird.
Darüber hinaus kann auch ein vordefiniertes Ereignis, wie eine über ein Bedienelement getätigte Benutzereingabe, zu einem Adaptieren der Parametersätze führen. So kann beispielsweise eine auf diese Weise durch den Benutzer ausgelöste Fahrmodusänderung (z.B. Wechsel von einem Komfort- zu einem Sport-Modus) des Fortbewegungsmittels eine Anpassung der Parametersätze bewirken, um den gewählten Fahrmodus zu realisieren oder zu unterstützen.
Die das erste und zweite Element zur Selektion und Gewichtung beschreibenden Parameter zur Gewichtung und Selektion können ebenfalls Bestandteil des ersten und/oder zweiten Parametersatzes bzw. des alternativen ersten und zweiten Parametersatzes sein. Durch einen geeigneten Zugriff auf die Datenstrukturen, welche die Parametersätze im Speicher repräsentieren, können die Parameter zur Gewichtung und/oder Selektion und/oder zur Anpassung der Konfiguration der Kalman-Filter einzeln oder in beliebigen Kombinationen adaptiert werden.
Das Adaptieren der Parametersätze kann im laufenden Betrieb der Auswerteeinheit und der mit ihr über das Bordnetz verbundenen Komponenten im Fortbewegungsmittel erfolgen. Eine Veränderung des ersten und zweiten Parametersatzes des ersten und zweiten Kalman-Filters ist üblicherweise mit einer Einschwingphase des mehrstufigen Kalman-Filters verbunden, wodurch das Ausgangssignal des Filters für einen gewissen Zeitraum nach dem Adaptieren der Parametersätze, ungenaue oder unbrauchbare Werte liefert. Die Dauer der Einschwingphase ist abhängig von der Ausgestaltung des mehrstufigen Kalman-Filters. Im Zusammenhang mit der Berechnung des Vertikalbeschleunigungssignals aus dem Höhenstandssignal des Fortbewegungsmittels liegt diese ungefähr in einem Bereich von 1 ms bis 3 ms. Bevorzugt ist ein Empfänger des Ausgangssignals des mehrstufigen Kalman-Filters so eingerichtet, dass er eine solche auftretende Einschwingphase des mehrstufigen Kalman-Filters hinsichtlich einer unterbrechungsfreien Aufrechterhaltung einer bestimmten Funktionalität berücksichtigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das erste Signal durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen, mehrstufigen Kalman-Filtern parallel gefiltert, und weiter umfassend erfolgt ein Auswählen des dritten Signals aus einer Mehrzahl parallel erzeugter dritter Signale anhand vordefinierter Kriterien. Mit anderen Worten kann das erste Signal in eine Mehrzahl von parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filtern eingespeist werden, die basierend auf dem ersten Signal und ihrer jeweiligen Konfiguration der Filterparameter unterschiedliche Filterungen des ersten Signals durchführen. „Parallel angeordnet“ bedeutet im Zusammenhang mit einer prozessorgestützten Realisierung der Kalman-Filterung, dass die mittels eines Computerprogramms durchgeführten Filterungen basierend auf dem jeweiligen ersten Signal quasiparallel nacheinander berechnet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Berechnung für die Mehrzahl von parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filtern auch auf mehrere Kerne eines Mehrprozessorsystems im Sinne einer echten parallelen Berechnung aufgeteilt werden.
Mittels eines der Mehrzahl mehrstufiger Kalman-Filter nachgelagerten Elements für eine Signalselektion kann zwischen den jeweiligen dritten Signalen der Mehrzahl der mehrstufigen Kalman-Filter umgeschaltet werden. So können beispielsweise die an einen jeweiligen Fahrmodus des Fortbewegungsmittels angepassten, unterschiedlichen Parametersätze jeweils auf die Mehrzahl der parallel angeordneten, mehrstufigen Kalman-Filter verteilt werden, um die jeweiligen dritten Signale gleichzeitig zu erzeugen. In Abhängigkeit einer Benutzereingabe für einen gewünschten Fahrmodus kann das nachgelagerte Element zur Selektion das für den gewünschten Fahrmodus geeignete dritte Signal aus der Mehrzahl der dritten Signale auswählen und an eine dem mehrstufigen Kalman-Filter nachgelagerte Komponente im Bordnetz des Fortbewegungsmittels übertragen. Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Parametersätze der parallel angeordneten Kalman-Filter den Filtern nicht dauerhaft fest zugeordnet sein müssen. Stattdessen ist auch hier die Möglichkeit gegeben, die Parametersätze eines oder mehrerer parallel angeordneter Kalman-Filter durch zusätzliche alternative Parametersätze auszutauschen.
Ein weiterer Vorteil der parallel angeordneten Kalman-Filter liegt darin, dass das nachgelagerte Element zur Selektion des dritten Signals über eine erweiterte Funktionalität verfügen kann, die es erlaubt, im Zuge eines Umschaltens von einem der Mehrzahl von dritten Signalen zu einem anderen der Mehrzahl von dritten Signalen eine geeignete Verrechnung der beiden dritten Signale zu einem resultierenden dritten Signal durchzuführen. Auf diese Weise kann innerhalb eines vordefinierten Umschaltzeitraums ein gleitender Übergang von einem der Mehrzahl von dritten Signalen zu einem anderen der Mehrzahl von dritten Signalen realisiert werden. Dies kann für einen nachgelagerten Empfänger des resultierenden dritten Signals von Vorteil sein, falls ein abruptes Umschalten zwischen zwei dritten Signalen im Empfänger zu Funktionseinschränkungen führt.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das nachgelagerte Element zur Selektion des dritten Signals ein resultierendes, drittes Signal in Form eines Multiplexsignals aus einer Mehrzahl von dritten Signalen erstellt und dem Empfänger des dritten Signals auf diese Weise eine Mehrzahl unterschiedlicher Filterergebnisse auf Basis des ersten Signals zur Verfügung stellt.
Eine Realisierung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen des mehrstufigen Kalman-Filters auf Basis eines Prozessors, eines digitalen Signalprozessors, oder eines Mikrocontrollers, kann stets so umgesetzt werden, dass sie die Anforderungen an ein Echtzeit-System erfüllen, da die für das Kalman-Filter notwendigen Berechnungsschritte deterministisch sind.
Auch wenn sich die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die vorteilhaften Ausgestaltungen im Sinne der Übersichtlichkeit vorwiegend auf den Einsatzbereich einer Filterung eines Höhenstandssignals eines Rades beziehen, ist das Verfahren nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt. Vielmehr ist das mehrstufige Kalman-Filter geeignet, eine Vielzahl von Anwendungen im Stand der Technik zu verbessern, indem ein dort eingesetztes herkömmliches Kalman-Filter durch das erfindungsgemäße mehrstufige Kalman-Filter ersetzt wird. Die in Abhängigkeit einer konkreten Aufgabenstellung erzielbaren, deutlich kürzeren Laufzeitverzögerungen des mehrstufigen Kalman-Filters im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden, sind insbesondere im Zusammenhang mit zeitkritischen Anwendungen von besonderem Vorteil. So kann beispielsweise die Reaktionszeit bestehender Systeme zur Filterung von Bildsignalen und/oder Radarsignalen und/oder Ultraschallsignalen und/oder LIDAR-Signalen und/oder GPS-Tracking-Daten in einem Fortbewegungsmittel durch den Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters deutlich verbessert werden. Insbesondere im Zusammenhang mit Fahrerassistenzsystemen für ein automatisiertes Fahren und/oder für eine Kollisionsvermeidung kann der Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters somit eine Verbesserung der durch diese Systeme angestrebten Fahrsicherheit bzw. des Fahrkomforts bewirken.
Darüber hinaus sind, wie das Beispiel des Vertikalbeschleunigungssensors zeigt, Kosteneinsparungen durch den Einsatz des mehrstufigen Kalman-Filters möglich, da durch dessen Filtereigenschaften mitunter ein Entfall oder eine Vereinfachung bestehender Komponenten ermöglicht wird.
Ferner ist ein Ersetzen eines herkömmlichen Kalman-Filters durch das erfindungsgemäße mehrstufige Kalman-Filter in vielen Fällen auf einfache Art und Weise möglich, insbesondere, wenn das herkömmliche Kalman-Filter mittels eines auf einem Prozessor ausgeführten Computerprogramms eines Steuergeräts bzw. Systems umgesetzt ist. In einem solchen Fall lässt sich das herkömmliche Kalman-Filter durch ein im Vergleich zu einem Hardware-Tausch i.d.R. kostengünstiges Software-Update ersetzen, um die Leistungsfähigkeit eines bestehenden Steuergeräts bzw. Systems zu verbessern.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Filterung eines ersten Signals im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteinheit, die beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, analoger Signalprozessor, Mikrocontroller, elektronisches Steuergerät, o.ä., ausgestaltet sein und Teil eines Steuergerätes des Fortbewegungsmittels sein kann. Die Auswerteeinheit verfügt über einen Dateneingang und einen Datenausgang, welche bevorzugt in Form einer digitalen Schnittstelle ausgestaltet sind. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, in Verbindung mit dem Dateneingang das erste Signal mittels eines eine erste Stufe repräsentierenden Kalman-Filters zur Erzeugung eines zweiten Signals zu filtern und das zweite Signal mittels eines eine zweite Stufe repräsentierenden, zweiten Kalman-Filters zur Erzeugung eines dritten Signals zu filtern. Das erste und das zweite Kalman-Filter können beispielsweise in Form eines auf der Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms realisiert werden, das die einzelnen, für die Filterung erforderlichen Berechnungsschritte durchführt. Darüber hinaus kann an die Auswerteeinheit ein nicht flüchtiger Speicher u.a. zur Speicherung der Filterparametersätze des mehrstufigen Kalman-Filters angebunden sein. Ferner kann an die Auswerteeinheit auch ein flüchtiger Speicher u.a. für einen schnellen Zugriff auf die Filterparameter angebunden sein, die beispielsweise in einer Initialisierungsphase der Auswerteeinheit vom nicht-flüchtigen in den flüchtigen Speicher übertragen werden können. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit eingerichtet, das dritte Signal über den Datenausgang auszugeben.
Die Ausführungen zu den obigen Merkmalen können sinngemäß auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen werden, weshalb bezüglich der Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen der Vorrichtung auf die oben Ausführungen verwiesen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst- und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel;
3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen ersten Stufe eines mehrstufigen Kalman-Filters;
4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters;
5 ein Beispiel eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Berechnung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades aus einem Höhenstandssignal des Rades;
6 ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen Filterung mit einem zweifachen Differenzierer in Kombination mit einem FIR-Filter 14-ter Ordnung; und
7 ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filterung.

1 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals S im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels 80. Dabei wird im ersten Schritt 100 ein erstes Signal S mittels eines Höhenstandssensors 30 eines Rades des Fortbewegungsmittels 80 erzeugt und mittels eines eine erste Stufe 42 repräsentierenden ersten Kalman-Filters 46 zur Erzeugung eines zweiten Signals S' gefiltert. Das erste Kalman-Filter 46 verfügt über einen ersten Parametersatz, der die Eigenschaften bzw. die Funktionsweise des ersten Kalman-Filters 46 vollständig beschreibt. Der erste Parametersatz ist derart dimensioniert, dass durch die Filterung des Höhenstandssignals durch das erste Kalman-Filter 46 ein geglättetes Signal einer Vertikalgeschwindigkeit des Rades erzeugt wird, die das zweite Signal S' repräsentiert. Eine erfindungsgemäße Eigenschaft des auf diese Weise erzeugten zweiten Signals S' ist eine im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden deutlich reduzierte Laufzeitverzögerung des zweiten Signals S'. Im zweiten Schritt 200 wird das zweite Signal S' mittels eines eine zweite Stufe 44 repräsentierenden zweiten Kalman-Filters 48 zur Erzeugung eines dritten Signals S" gefiltert. Das zweite Kalman-Filter 48 verfügt über einen zweiten Parametersatz, der die Eigenschaften bzw. die Funktionsweise des zweiten Kalman-Filters 48 vollständig beschreibt. Der zweite Parametersatz ist derart dimensioniert, dass durch die Filterung des Vertikalgeschwindigkeitssignals durch das zweite Kalman-Filter 48, ein geglättetes Signal einer Vertikalbeschleunigung des Rades erzeugt wird, welches das dritte Signal S" repräsentiert. Eine erfindungsgemäße Eigenschaft des auf diese Weise erzeugten dritten Signals S" ist eine im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden abermals deutlich reduzierte Laufzeitverzögerung des dritten Signals S".
2 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, welche wiederum einen Prozessor zur Ausführung eines Computerprogramms umfasst. Das auf dem Prozessor ausgeführte Computerprogramm realisiert eine erste Stufe 42 und eine zweite Stufe 44 eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Filterung eines Höhenstandssignals eines Höhenstandssensors 30 eines Rades des Fortbewegungsmittels 80. Des Weiteren verfügt die Auswerteinheit 10 über einen Dateneingang 12, über den sie das Höhenstandssignal des Höhenstandssensors 30 über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels 80 in Form eines digitalen Signals empfängt. Darüber hinaus sind an die Auswerteeinheit 10 ein flüchtiger Speicher 20 und ein nicht-flüchtiger Speicher 22 angebunden. Der nicht-flüchtige Speicher umfasst u.a. einen das erste Kalman-Filter 46 beschreibenden ersten Parametersatz und einen das zweite Kalman-Filter 48 beschreibenden zweiten Parametersatz. Diese werden in einer Initialisierungsphase der Auswerteinheit 10 in den flüchtigen Speicher 22 übertragen und von dort aus durch das Computerprogramm für die Berechnung der Filterung des ersten Kalman-Filters 46 und des zweiten Kalman-Filters 48 verwendet. Ferner umfasst die Auswerteeinheit 10 einen Datenausgang 14, über den sie das durch das mehrstufige Kalman-Filter gefilterte Höhenstandsignal in Form eines Vertikalbeschleunigungssignals des Rades an ein Steuerungssystem für eine Fahrdynamik 35 des Fortbewegungsmittels 80 ausgibt.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen n-ten Stufe 45 eines mehrstufigen Kalman-Filters, in welchem die n-te Stufe 45 ein zu filterndes Eingangssignal S_E empfängt. Der Aufbau der dargestellten n-ten Stufe 45 steht beispielhaft für eine beliebige Stufe des mehrstufigen Kalman-Filters, da der grundsätzliche Aufbau der unterschiedlichen Stufen bevorzugt identisch ist. Die erfindungsgemäße n-te Stufe 45 setzt sich aus einem n-ten Kalman-Filter 49, einem Element zur Selektion und Gewichtung 74 und einer Ausgangsmatrix Ỹ_n zusammen. Das Eingangssignal S_E setzt sich aus einem Messvektor ${\vec{z}}_{\cdot 0}$
und einem Steuerungsvektor $\vec{u}$
zusammen, welche von einem technischen Prozess 70 stammen. Der Index k kennzeichnet die Werte der Variablen zum Zeitpunkt t_k. Die weiteren Eingangsgrößen ${\vec{z}}_{\cdot 1} \dots {\vec{z}}_{\cdot n - 2}, {\vec{z}}_{\cdot n - 1}$
sind Ausgangsgrößen vorangegangener n-1 Kalman-Stufen. Mittels des Elements zur Selektion und Gewichtung 74 wird aus den verfügbaren Eingangsgrößen eine Auswahl tatsächlich benötigter Eingangsgrößen für die Kalman-Filterung getroffen. Die ausgewählten Eingangsgrößen werden anschließend durch das Element zur Selektion und Gewichtung 74 gewichtet und zum Vektor ${\vec{z}}_{\cdot n*}$
kombiniert, welcher anschließend dem n-ten Kalman-Filter 49 zugeführt wird. Der Messvektor ${\vec{z}}_{\cdot 0},$
der Steuerungsvektor $\vec{u}$
und die Vektoren ${\vec{z}}_{\cdot 1} \dots {\vec{z}}_{\cdot n - 2}, {\vec{z}}_{\cdot n - 1}$
werden in der n-ten Kalman-Stufe 45 sowohl durch das n-te Kalman-Filter 49 verarbeitet, als auch an den Ausgang der n-ten Stufe 45 unverändert durchgeschleift und bilden in Kombination mit dem in der n-ten Stufe 45 erzeugten Vektor ${\vec{z}}_{\cdot n}$
das Ausgangssignal S_A der n-ten Stufe 49.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters, welches sich aus mehreren kaskadierten Stufen der in 3 beschriebenen n-ten Stufe 45 zusammensetzt. Eine erste Stufe 42 des mehrstufigen Kalman-Filters umfasst ein erstes Kalman-Filter 46 und ein (nicht dargestelltes) Element zu Selektion und Gewichtung 49 und empfängt ein erstes Signal S. Das erste Signal S setzt sich aus einem Messvektor ${\vec{z}}_{\cdot 0}$
und einem Steuerungsvektor $\vec{u}$
zusammen, welches nach einer Selektion und Gewichtung des Messvektors durch das erste Kalman-Filter 46 gefiltert wird. Das Signal S resultiert nach der Filterung in einem zweiten Signal S', welches sowohl die Eingangsgrößen der ersten Stufe 42, als auch den durch das erste Kalman-Filter 46 erzeugten Vektor ${\vec{z}}_{\cdot 1}$
enthält. Das zweite Signal S' wird anschließend einer zweiten Stufe 44 des mehrstufigen Kalman-Filters zugeführt und dort analog zur ersten Stufe durch das zweite Kalman-Filter 48 gefiltert. Das zweite Signal S' resultiert nach der Filterung durch das zweite Kalman-Filter 48 in einem dritten Signal S", welches sowohl die Eingangsgrößen der zweiten Stufe, als auch den durch das zweite Kalman-Filter 48 erzeugten Vektor ${\vec{z}}_{\cdot 2}$
enthält. Analog zur Verarbeitung in der ersten Stufe 42 und der zweiten Stufe 44 des erfindungsgemäßen, mehrstufigen Kalman-Filters, kann das dritte Signal S" zur Filterung in eine weiter, n-te Stufe 45 mit einem n-ten Kalman-Filter 49 und ggf. weiteren kaskadierten Stufen zugeführt werden.
5 zeigt ein Beispiel eines mehrstufigen Kalman-Filters zur Berechnung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades aus einem Höhenstandssignal des Rades. Ein von einem Rauschen 72 überlagerter technischer Prozess 70 ist hier eine vertikale Bewegung des Rads eines Fortbewegungsmittels. Auf das Rad wirkt eine unbekannte, vertikale Kraft F_Rad . Diese Kraft ändert die vertikalen Bewegungsgrößen des Rades, wie den zurückgelegten Weg, dessen Geschwindigkeit und Beschleunigung. Da die Kraft F_Rad in diesem Beispiel unbekannt ist und somit nicht als eigenständiges Messsignal vorliegt, kann sie auch nicht als ein die Kalman-Filterung unterstützender Steuerungsvektor $\vec{u}$
einfließen. Aus diesem Grund umfasst ein in die erste Stufe 42 des mehrstufigen Kalman-Filters einfließendes erstes Signal S hier ausschließlich den durch den Höhenstandssensor 30 ermittelten, verrauschten Messwert für einen durch das Rad in vertikaler Richtung zurückgelegten Weg s_HSS . Nach der Filterung des ersten Signals S durch die erste Stufe 42 stehen am Ausgang der ersten Stufe 42 die gefilterten Größen für den zurückgelegten Weg des Rades s₁ , die Vertikalgeschwindigkeit v₁ und die Vertikalbeschleunigung a₁ des Rades in Form eines zweiten Signals S' zur Verfügung. Durch die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften des mehrstufigen Kalman-Filters steht des Vertikalgeschwindigkeitssignal v₁ am Ausgang der ersten Stufe 42 mit einer sehr geringen Laufzeitverzögerung zur Verfügung. Aus diesem Grund wird ausschließlich das Vertikalgeschwindigkeitssignal v₁ des Signals S' in die zweite Stufe 44 eingespeist. Dies wird mittels eines Elements zur Selektion und Gewichtung 74 in der zweiten Stufe 44 erreicht, das nur das Vertikalgeschwindigkeitssignal v₁ zum zweiten Kalman-Filter 48 der zweiten Stufe 44 passieren lässt. In der zweiten Stufe 44 erfolgt nun die Filterung des Vertikalgeschwindigkeitssignals v₁ . Am Ausgang der zweiten Stufe 44 stehen anschließend die gefilterten Größen für den zurückgelegten Weg des Rades s₂ , die Vertikalgeschwindigkeit v₂ und die Vertikalbeschleunigung a₂ in Form eines dritten Signals S" zur Verfügung. Das gewünschte Signal a₂ , welches mit hinreichender Genauigkeit der tatsächlichen bzw. einer direkt gemessenen Vertikalbeschleunigung des Rades a_RBS entspricht, wird anschließend an ein Steuerungs- und/oder Regelungssystem für eine Fahrdynamik 35 des Fortbewegungsmittels 80 zur weiteren Verarbeitung übertragen.
6 zeigt ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen Filterung mit einem zweifachen Differenzierer in Kombination mit einem FIR-Filter 14-ter Ordnung. Die mittels einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das basierend auf der herkömmlichen Filterung aus einem Höhenstandssignals eines Rades eines Fortbewegungsmittels 80 ermittelt wurde. Die mittels einer gepunkteten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das basierend auf dem mehrstufigen Kalman-Filter aus demselben Höhenstandssignals ermittelt wurde. Zwischen den beiden Signalen ist ein deutlicher Unterschied hinsichtlich ihrer Laufzeitverzögerungen erkennbar. Die herkömmliche Filterung weist bei einem mit dem zweistufigen Kalman-Filter vergleichbaren Glättungsverhalten im Vergleich zum zweistufigen Kalman-Filter eine deutliche Laufzeitverzögerung auf.
7 zeigt ein Zeitdiagramm zum Vergleich einer zweistufigen Kalman-Filterung mit einer herkömmlichen, einstufigen Kalman-Filterung. Die mittels einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve entspricht einem durch einen Beschleunigungssensor gemessenen Vertikalbeschleunigungssignal eines Rades eines Fortbewegungsmittels. Die mittels einer gepunkteten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen, zweistufigen Kalman-Filters aus einem gemessenen Höhenstandssignal des Rades ermittelt wurde. Die mittels einer gestrichelten Linie dargestellte Kurve entspricht einem Vertikalbeschleunigungssignal, das unter Verwendung eines herkömmlichen Kalman-Filters aus dem gemessenen Höhenstandssignal des Rades ermittelt wurde. Aus dem Diagramm ist weiter ersichtlich, dass das gemessene Vertikalbeschleunigungssignal und das durch das zweistufige Kalman-Filter ermittelte Vertikalbeschleunigungssignal im Vergleich zum Vertikalbeschleunigungssignal, dass durch das herkömmliche Kalman-Filter ermittelt wurde, nur minimale zeitliche Abweichungen in ihren Kurvenverläufen aufweisen. Aufgrund einer dem Kalman-Filter zugrundeliegenden Signalprädiktion ist es darüber hinaus möglich, dass der Signalverlauf des zweistufigen Kalman-Filters zu manchen Zeitpunkten dem gemessenen Signal vorauseilt.
Bezugszeichenliste

10: Auswerteeinheit
12: Dateneingang
14: Datenausgang
20: flüchtiger Speicher
22: nicht flüchtiger Speicher
30: Höhenstandssensor
35: Steuerungs- und/oder Regelungssystem für eine Fahrdynamik
40: mehrstufiges Kalman-Filter
42: erste Stufe
44: zweite Stufe
45: n-te Stufe
46: erstes Kalman-Filter
48: zweites Kalman-Filter
49: n-tes Kalman-Filter
70: technischer Prozess
72: Rauschen
74: Element zur Selektion und Gewichtung
80: Fortbewegungsmittel
S: erstes Signal
S': zweites Signal
S": drittes Signal
S_E: Eingangssignal
S_A: Ausgangssignal
s₁, s₂: Weg
v₁, v₂: Geschwindigkeit
a₁, a₂: Beschleunigung
100, 200: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur mehrstufigen Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend die Schritte: • Filtern des ersten Signals (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') und • Filtern des zweiten Signals (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S").
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterstrukturen des ersten Kalman-Filters (46) und des zweiten Kalman-Filters (48) identisch oder verschieden sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Stufen (42, 44, 45) des mehrstufigen Kalman-Filters (46, 48, 49) in analoger und/oder digitaler Form umgesetzt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in die Filterung des zweiten Signals (S') zusätzlich das erste Signal (S) in das zweite Kalman-Filter (48) einfließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • das erste Signal (S) ein Höhenstandssignal eines Rades des Fortbewegungsmittels (80) ist, • das zweite Signal (S') ein Signal einer Vertikalgeschwindigkeit des Rades ist, und • das dritte Signal (S") ein Signal einer Vertikalbeschleunigung des Rades ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Signal (S) und/oder das zweite Signal (S') und/oder das dritte Signal (S") in ein System zur Steuerung und/oder Regelung einer Fahrdynamik (35) des Fortbewegungsmittels (80) einfließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend ein Adaptieren eines ersten Parametersatzes des ersten Kalman-Filters (46) und/oder eines zweiten Parametersatzes des zweiten Kalman-Filters (48) im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ereignis und/oder eine Fahrsituation und/oder eine Umweltsituation.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Signal (S) durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen, mehrstufigen Kalman-Filtern parallel gefiltert wird, und weiter umfassend ein Auswählen des dritten Signals (S") aus einer Mehrzahl parallel erzeugter dritter Signale anhand vordefinierter Kriterien.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kalman-Filterung in einem Echtzeit-System berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehrstufige Kalman-Filterung zur Filterung von Signalen im Bordnetz des Fortbewegungsmittels (80) und insbesondere zur Filterung von Bildsignalen und/oder Radarsignalen und/oder Ultraschallsignalen und/oder LIDAR-Signalen und/oder GPS-Tracking-Daten des Fortbewegungsmittels (80) eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Filterung eines ersten Signals (S) im Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (80) umfassend: • einen Dateneingang (12), • eine Auswerteeinheit (10), und • einen Datenausgang (14), wobei die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, • in Verbindung mit dem Dateneingang (12) das erste Signal (S) mittels eines eine erste Stufe (42) repräsentierenden ersten Kalman-Filters (46) zur Erzeugung eines zweiten Signals (S') zu filtern, • das zweite Signal (S') mittels eines eine zweite Stufe (44) repräsentierenden zweiten Kalman-Filters (48) zur Erzeugung eines dritten Signals (S") zu filtern, und • das dritte Signal (S") über den Datenausgang (14) auszugeben.
Fortbewegungsmittel (80) umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 10.