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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine ultraschallbasierte Zustandsüberwachung von Komponenten eines Fortbewegungsmittels.
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Aus dem Stand der Technik sind Fortbewegungsmittel bekannt, welche mit einem oder mehreren Ultraschallsensoren für eine Umfelderfassung der Fortbewegungsmittel versehen sind. Zu diesem Zweck werden mittels der Ultraschallsensoren zunächst Ultraschallwellen in einen vordefinierten Bereich eines Umfeldes der Fortbewegungsmittel ausgesendet. Anhand der durch das Umfeld zu den Ultraschallsensoren reflektierten bzw. gestreuten Ultraschallwellen wird anschließend eine Laufzeit der Ultraschallwellen bestimmt. Auf Basis der Laufzeit der Ultraschallwellen kann schließlich ein Abstand der Fortbewegungsmittel zu Objekten im Umfeld der Fortbewegungsmittel ermittelt werden. Eine auf diese Weise ermittelte Abstandsinformation zu Objekten im Umfeld der Fortbewegungsmittel wird im Stand der Technik beispielsweise von Manövrierassistenzsystemen der Fortbewegungsmittel (z. B. Spurwechselassistent, Einparkassistent, usw.) empfangen und verwendet.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Arbeitsvorrichtungen und insbesondere Fortbewegungsmittel bekannt, welche unter Verwendung von Ultraschallsensoren einen Betriebszustand der Arbeitsvorrichtungen und insbesondere der Fortbewegungsmittel bewerten, um auf Basis empfangener charakteristischer Ultraschallsignale mögliche Verschleißzustände und/oder Defekte ermitteln zu können.
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DE000010354473 B4 beschreibt eine Ultraschallmesseinrichtung für die Durchführung unterschiedlicher Messaufgaben, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. In einer Ausgestaltung ist eine Steuereinheit derart ausgebildet, dass sie hochfrequente Körperschallsignale von einem oder mehreren Ultraschallsensoren empfängt und auswertet. Auf diese Weise lassen sich über den hochfrequenten Körperschall bspw. Lager und Wellen eines Kraftfahrzeugs während des Betriebs überwachen. Bahnt sich ein Schaden an, verändert sich die Signalform der Körperschallsignale. Eine derartige Veränderung der Signalform kann in dieser Ausgestaltung von der Steuereinheit erkannt werden, so dass frühzeitig, vor dem Ausfall von Komponenten, ein Defekt erkannt und darauf reagiert werden kann.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine ultraschallbasierte Zustandsüberwachung von Komponenten eines Fortbewegungsmittels bereitzustellen, welche insbesondere in der Lage sind, eine durch eine Mehrzahl unterschiedlicher Komponenten des Fortbewegungsmittels erzeugte Mehrzahl von Ultraschallsignalen, jeweiligen Komponenten zuzuordnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für eine ultraschallbasierte Zustandsüberwachung von Komponenten eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z. B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend ein durch eine erste Komponente des Fortbewegungsmittels erzeugtes erstes Ultraschallsignal empfangen.
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Der erste Ultraschallsensor kann beispielsweise ein bestehender Ultraschallsensor oder ein explizit für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehener Ultraschallsensor des Fortbewegungsmittels sein. Darüber hinaus kann der erste Ultraschallsensor ein Teil eines Ultraschallsystems sein, welches beispielsweise ein Ultraschallsteuergerät, den ersten Ultraschallsensor und gegebenenfalls weitere Ultraschallsensoren umfasst, wobei der erste Ultraschallsensor und die gegebenenfalls weiteren vorhandenen Ultraschallsensoren informationstechnisch mit dem Ultraschallsteuergerät verbunden sein können. Die informationstechnische Anbindung der Ultraschallsensoren an das Ultraschallsteuergerät kann im Zusammenhang mit einem Ultraschallsystem insbesondere dazu genutzt werden, um die Ultraschallsensoren mittels des Ultraschallsteuergerätes zentral ansteuern und/oder mit einer gemeinsamen Betriebsspannung versorgen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann diese informationstechnische Anbindung auch genutzt werden, um durch die Ultraschallsensoren erfasste Messsignale in vorverarbeiteter und/oder in nicht vorverarbeiteter Form an das Ultraschallsteuergerät zu übertragen, in welchem diese anschließend auf geeignete Weise zentral verarbeitet werden können. Eine Anordnung und/oder eine Ausrichtung des ersten Ultraschallsensors kann derart erfolgen, dass eine Hauptempfangsachse des ersten Ultraschallsensors in Richtung eines Umfeldes des Fortbewegungsmittels und/oder in Richtung der ersten Komponente und/oder in Richtung weiterer Komponenten des Fortbewegungsmittels ausgerichtet ist und/oder dass sich der erste Ultraschallsensor in unmittelbarer Nähe der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten und/oder entfernt von diesen Komponenten angeordnet ist. Eine wichtige Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass in der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit eine Information über die Anordnung und/oder Ausrichtung des ersten Ultraschallsensors im Fortbewegungsmittel vorliegt bzw. dass diese Information der Auswerteeinheit im Zuge der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt werden kann. Die Information über die Anordnung und/oder Ausrichtung des ersten Ultraschallsensors und gegebenenfalls weiterer Ultraschallsensoren kann beispielsweise in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein.
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Das Empfangen des ersten Messsignals kann beispielsweise in einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit des Fortbewegungsmittels erfolgen, welche informationstechnisch (z. B. über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels) mit dem ersten Ultraschallsensor verbunden sein kann. Die Auswerteeinheit kann zudem ein Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes, ein Bestandteil des ersten Ultraschallsensors selbst, ein Bestandteil des beschriebenen Ultraschallsteuergerätes, oder ein Bestandteil eines eigens für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehenen Steuergerätes sein. Das durch die Auswerteeinheit empfangene erste Messsignal kann für eine nachgelagerte Verarbeitung beispielsweise in einer intern und/oder extern informationstechnisch an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden.
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Die erste Komponente kann grundsätzlich eine beliebige Komponente des Fortbewegungsmittels und bevorzugt eine Komponente sein, die eingerichtet ist, bei einem vorliegenden Verschleiß und/oder Defekt Ultraschallsignale zu erzeugen, welches sich von Ultraschallsignalen unterscheiden, die in einem Sollzustand (Gutzustand) der ersten Komponente erzeugt werden. Weiter bevorzugt kann die erste Komponente eine Komponente eines Antriebstrangs des Fortbewegungsmittels (z. B. ein Motor) und/oder eine sicherheitskritische Komponente (z. B. eine Bremse) des Fortbewegungsmittels sein. Die erste Komponente kann beispielsweise ein Motorventil, eine Drossel- oder eine Abgasrückführklappe, eine Pumpe, eine Turbine, ein Lader, ein Getriebe, ein Fahrwerksgelenk, ein Stoßdämpfer, ein Türscharnier usw. sein.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Auswerteeinheit ein zweites Messsignal eines zweiten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend das durch die erste Komponente erzeugte erste Ultraschallsignal empfangen. Mit anderen Worten kann das durch die erste Komponente des Fortbewegungsmittels erzeugte Ultraschallsignal sowohl durch den ersten Ultraschallsensor, als auch durch den zweiten Ultraschallsensor empfangen werden. Eine Information über eine Anordnung und/oder Ausrichtung des zweiten Ultraschallsensors im Fortbewegungsmittel kann ebenfalls in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein. Eine Anordnung bzw. Ausrichtung des zweiten Ultraschallsensors in Bezug zum ersten Ultraschallsensor kann grundsätzlich beliebig erfolgen, bevorzugt kann der zweite Ultraschallsensor jedoch derart angeordnet sein, dass die durch den ersten Ultraschallsensor und durch den zweiten Ultraschallsensor zu überwachende erste Komponente des Fortbewegungsmittels zuverlässig ermittelt werden kann. D. h., dass beispielsweise eine Anordnung des ersten Ultraschallsensors in unmittelbarer Nähe (z. B. einige Zentimeter) zum zweiten Ultraschallsensor i. d. R. vermieden werden sollte, obwohl auch eine solche Anordnung der beiden Ultraschallsensoren innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens potentiell möglich ist.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Auswerteeinheit ein Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal ermittelt. Konkret wird ein Laufzeitunterschied zwischen dem Eintreffen des ersten Ultraschallsignals am ersten Ultraschallsensor und dem Eintreffen des ersten Ultraschallsignals am zweiten Ultraschallsensor ermittelt, da das erste und das zweite Messsignal jeweils das durch die jeweiligen Ultraschallsensoren empfangene erste Ultraschallsignal umfassen. Der Laufzeitunterschied kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass das erste Messsignal mit dem zweiten Messsignal korreliert wird und eine maximale Übereinstimmung zwischen den beiden Messsignalen für eine Bestimmung eines zeitlichen Versatzes zwischen den beiden Messsignalen herangezogen wird.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die erste Komponente zum Beispiel eine einzige zu überwachende Komponente und/oder eine (zum Messzeitpunkt oder generell) einzige ultraschallsignalerzeugende Komponente oder eine Komponente einer Mehrzahl von Komponenten sein kann, welche zeitlich gesehen unter der Mehrzahl von Komponenten als erste Komponente Ultraschallsignale erzeugt oder Ultraschallsignale mit einem höchsten Pegel im Vergleich zu den weiteren Komponenten erzeugt.
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In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Information über die erste Komponente auf Basis eines vordefinierten Datensatzes und auf Basis des Laufzeitunterschieds zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal ermittelt. Hierfür kann der Datensatz beispielsweise Informationen über typische Laufzeitunterschiede im ersten Messsignal und im zweiten Messsignal für sämtliche zu überwachende und/oder vorhandene Komponenten im Fortbewegungsmittel umfassen, so dass auf Basis der ermittelten Laufzeitunterschiede zum Beispiel eine Identifikation der ersten Komponente ermöglicht wird. Da bei einer Verwendung eines Laufzeitunterschieds von nur zwei Messsignalen von zwei Ultraschallsensoren beim Ermitteln der Information über die erste Komponente Mehrdeutigkeiten beim Bestimmen der ersten Komponente auftreten können (d. h., dass der ermittelte Wert für den Laufzeitunterschied auch für weitere Ultraschallsignale weiterer Komponenten gelten kann), kann es sinnvoll bzw. erforderlich sich, den ersten Ultraschallsensor und den zweiten Ultraschallsensor derart am Fortbewegungsmittel anzuordnen, dass mehrdeutige Ergebnisse bei der Bestimmung der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten vermieden werden können. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine „a priori“-Information über Anordnungspositionen jeweiliger Komponenten und/oder eine Geometrie des Fortbewegungsmittels und/oder über Aktivierungszeiträume usw. jeweiliger Komponenten verwendet werden, um potentielle Mehrdeutigkeiten anhand der „a priori“-Information ausschließen zu können. Diese „a priori“-Information kann bevorzugt ebenfalls im vordefinierten Datensatz abgelegt sein. Im Zuge der Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird auf eine Verwendung zusätzlicher Ultraschallsensoren für eine exakte Bestimmung der ersten Komponente oder auch weiterer Komponenten näher eingegangen.
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In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aktueller Zustand der ersten Komponente auf Basis der Information über die erste Komponente und auf Basis des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals ermittelt. Auf Basis des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals kann beispielsweise ein aktuell vorhandener Pegel des durch die erste Komponente erzeugten Ultraschallsignals mit einem vordefinierten Schwellenwert abgeglichen werden. Für den Fall, dass der Pegel den vordefinierten Schwellenwert überschreitet, kann beispielsweise von einer Zustandsverschlechterung der ersten Komponente ausgegangen werden. In diesem Zusammenhang kann es sinnvoll sein, für jede zu überwachende Komponente des Fortbewegungsmittels, in Abhängigkeit jeweiliger Entfernungen zum ersten und zweiten Ultraschallsensor und/oder in Abhängigkeit jeweiliger Soll-Pegel der jeweiligen Komponenten usw., individuelle Schwellenwerte vorzusehen. Alternativ oder zusätzlich zur Auswertung jeweiliger Pegel des Ultraschallsignals kann der Zustand der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten auf Basis einer Vielzahl weiterer Kriterien ermittelt werden, welche im Zuge der Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben werden.
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In einem sechsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ergebnis des Bewertens im Fortbewegungsmittel und/oder in einem externen Server verwendet. Das Ergebnis kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem aus dem Stand der Technik bekannten „predictive maintenance“-Verfahren oder einem ähnlichen Verfahren verwendet werden, um Verschleiß- und/oder Alterungserscheinungen und/oder Defekte bewerten und/oder vorhersagen zu können. Auf dieser Basis können wiederum zahlreiche Maßnahmen wie eine Ausgabe eines Hinweises an einen Benutzer des Fortbewegungsmittels und/oder ein automatisches Übermitteln einer Information über einen Service-Bedarf des Fortbewegungsmittels an eine Reparaturwerkstatt usw. ausgeführt werden. Im Fall einer Übermittlung des Ergebnisses des Verfahrens an einen externen Server kann entsprechend über den Server eine geeignete Maßnahme für das Fortbewegungsmittel bzw. dessen betroffene Komponente definiert werden. Alternativ oder zusätzlich können im Server auf Basis einer Mehrzahl solcher Ergebnisse einer Mehrzahl von Fortbewegungsmitteln, eine Produktqualität zukünftiger Fortbewegungsmittel verbessert werden und/oder Verschleißerscheinungen und/oder Defekte aufgrund einer dadurch gegebenen Plausibilisierungsmöglichkeit besser vorhergesagt werden. Darüber hinaus können sowohl im Fortbewegungsmittel, als auch auf dem Server zahlreiche weitere davon abweichende Maßnahmen umgesetzt werden. Das erste Messsignal und das zweite Messsignal können alternativ oder zusätzlich zur Bewertung des Zustandes der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten durch die Auswerteeinheit des Fortbewegungsmittels, auch direkt an den Server übertragen werden, so dass der Server in die Lage versetzt wird, den aktuellen Zustand der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten selbst zu bewerten.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Position der ersten Komponente im Fortbewegungsmittel auf Basis des Laufzeitunterschieds zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal und auf Basis einer Information über die Position des ersten Ultraschallsensors und des zweiten Ultraschallsensors im Fortbewegungsmittel ermittelt. Anschließend wird die Position beim Ermitteln der Information über die erste Komponente verwendet. Das Ermitteln der Information über die erste Komponente kann entsprechend alternativ oder zusätzlich auf Basis der Position erfolgen. Da eine solche Positionsbestimmung auf Basis von Messsignalen von nur zwei Ultraschallsensoren und einem zwischen den beiden Ultraschallsensoren liegenden Abstand zunächst kein eindeutiges Ergebnis für die Position der ersten Komponente liefern kann, kann eine Eindeutigkeit bevorzugt unter Zuhilfenahme der oben beschriebenen „a priori“-Information über die Geometrie des Fortbewegungsmittels und/oder jeweiliger Positionen zu überwachender Komponenten des Fortbewegungsmittels hergestellt werden, indem potentiell mögliche Positionen außerhalb des Fortbewegungsmittels oder Positionen, an welchen sich keine zu überwachenden Komponenten befinden, mittels der Auswerteeinheit ausgeschlossen werden können. Solche Mehrdeutigkeiten aufgrund einer Verwendung von nur zwei Sensoren können, wie oben bereits erwähnt, bevorzugt bei der Anordnung des ersten Ultraschallsensors und des zweiten Ultraschallsensors derart berücksichtigt werden, dass in einem späteren Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine zuverlässige Positionsbestimmung der ersten Komponente ermöglicht wird. Im Zuge der nachfolgenden Beschreibung weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wird auf eine Verwendung zusätzlicher Ultraschallsensoren für eine exakte Positionsbestimmung der ersten Komponente oder auch weiterer Komponenten auf Basis eines Triangulations- und/oder Multiangulationsverfahrens im Fortbewegungsmittel näher eingegangen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der vordefinierte Datensatz eine Information über einen Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal und/oder eine Position und/oder eine Bezeichnung und/oder eine Art und/oder über Aktivierungsbedingungen (z. B. ein Fahrzeugstillstand usw.) und/oder ein Aktivierungszustand und/oder Zustandsbewertungsbedingungen (z. B. eine Bewertung der Komponente nur dann durchführen, wenn alle anderen Komponenten inaktiv sind) und/oder Referenzwerte von Verschleißparametern und/oder eine Ultraschallsignatur und insbesondere charakteristische Ultraschallsignalverläufe bzw. Frequenzmuster (z. B. zur eindeutigen Unterscheidung jeweiliger Komponenten) der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten des Fortbewegungsmittels. Auf diese Weise lassen sich mittels des vordefinierten Datensatzes im Anschluss an das Ermitteln der Position der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten, der jeweiligen Komponente zahlreiche Informationen zuordnen, welche für eine eindeutige Identifikation und/oder Bewertung eines Zustandes der jeweiligen Komponente vorteilhaft verwendet werden können. Darüber hinaus kann auf Basis der Information über den Laufzeitunterschied im ersten Messsignal und im zweiten Messsignal für jeweilige Komponenten des Fortbewegungsmittels, die jeweilige Komponente identifiziert werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass nachfolgend beschriebene vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auf beide Varianten des Ermittelns der Information (d. h. entweder direkt über jeweilige Laufzeitunterschiede oder über die auf Basis der Laufzeitunterschiede ermittelte Position) über die erste Komponente angewendet werden können, auch wenn diese in der nachfolgenden Beschreibung nicht in allen Fällen explizit für beide Varianten erläutert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Bewerten des Zustandes der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten auf Basis einer Änderung einer Höhe von Pegeln und/oder charakteristische Signalverläufe und/oder charakteristische Frequenzen innerhalb des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals. Hierfür können beispielsweise in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit unterschiedliche Schwellenwerte und oder Referenzwerte abgelegt sein, welche mit Signalwerten des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals abgeglichen werden können. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise auch unterschiedliche Abstufungen von Degradationen einer jeweiligen Komponente ermitteln.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die erste Komponente und/oder weitere Komponenten im Zuge der Ausführung des Verfahrens zu vordefinierten Zeitpunkten aktiviert bzw. deaktiviert. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, eine potentielle gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig aktiver Komponenten untereinander zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Im Idealfall können auf diese Weise die Komponenten jeweils einzeln im Fortbewegungsmittel aktiviert werden, um anschließend gezielt den Zustand der jeweils aktiven Komponente bewerten zu können. Da eine Einzelaktivierung jeweiliger Komponenten im Fortbewegungsmittel in den meisten Fällen nur eingeschränkt möglich sein dürfte, kann mittels dieser vorteilhaften Ausgestaltung zumindest eine Reduzierung einer Anzahl gleichzeitig aktiver Komponenten erreicht werden, wodurch eine Zuverlässigkeit der Bewertung der Zustände jeweiliger Komponenten entsprechend erhöht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren nur im Ansprechen auf erfüllte vordefinierte Randbedingungen ausgeführt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die jeweiligen Messsignale der jeweiligen Ultraschallsensoren einmalige oder wiederkehrende impulsartige Signale. Der impulsartige Charakter ist insbesondere deshalb von Vorteil, da auf Basis solcher Signale die vorstehend beschriebenen Laufzeitunterschiede zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal besonders zuverlässig ermittelt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich die Schritte: Empfangen eines dritten Messsignals eines dritten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend das durch die erste Komponente erzeugte erste Ultraschallsignal, Ermitteln eines Laufzeitunterschieds zwischen dem ersten Messsignal und dem dritten Messsignal und/oder zwischen dem zweiten Messsignal und dem dritten Messsignal, Verwenden des Laufzeitunterschieds zwischen dem ersten Messsignal und dem dritten Messsignal und/oder zwischen dem zweiten Messsignal und dem dritten Messsignal beim Ermitteln der Information über die erste Komponente und Bewerten des aktuellen Zustandes der ersten Komponente auf Basis des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals und/oder des dritten Messsignals.
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Das dritte Messsignal kann alternativ oder zusätzlich verwendet werden, um die Position der ersten Komponente zusätzlich auf Basis des dritten Messsignals zu ermitteln. Unter Einbeziehung des dritten Messsignals bzw. des dritten Ultraschallsensors können oben beschriebene Mehrdeutigkeiten bei der Ermittlung der Position und/oder der Information über die erste Komponente auf Basis von nur zwei Ultraschallsensoren weiter reduziert werden. Konkret können im Fall einer Verwendung von drei Ultraschallsensoren unter Anwendung eines Trilaterationsverfahrens zwei mögliche Positionen für die erste Komponente identifiziert werden. Durch oben beschriebenen Abgleich mit einer jeweiligen Fahrzeuggeometrie und/oder einer Information über jeweilige Positionen von Komponenten, kann die tatsächliche Position der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten auf diese Weise mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt werden (z. B. durch Ausschluss einer möglichen Position, die außerhalb der Fahrzeugkarosserie liegt). Es sei darauf hingewiesen, dass das Ermitteln der Position der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten hier stets nur innerhalb einer gedachten Ebene (z.B. parallel zu einem Karosserieboden des Fortbewegungsmittels und/oder einer Anordnungsebene der Ultraschallsensoren usw.) erfolgen kann. Durch eine Verwendung eines vierten Ultraschallsensors kann wiederum eine eindeutige Bestimmung der Position der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten innerhalb der gedachten Ebene auch ohne eine zusätzliche „a priori“-Information über die Fahrzeuggeometrie und/oder die Anordnung der jeweiligen Komponenten erfolgen. Durch Hinzunahme eines fünften Ultraschallsensors kann darüber hinaus eine Bestimmung der Position der jeweiligen Komponenten im dreidimensionalen Raum durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es denkbar, sechste, siebte oder weitere Ultraschallsensoren für die Positionsbestimmung und/oder für die Bewertung des Zustandes der jeweiligen Komponenten heranzuziehen, da hiermit jeweilige Genauigkeiten beim Ermitteln erhöht werden können. Die vorteilhaften Auswirkungen auf die Bestimmung der Position der ersten Komponente unter Einbeziehung zusätzlicher Ultraschallsensoren lassen sich entsprechend auch bei einer direkten Verwendung jeweiliger Laufzeitunterschiede beim Ermitteln der Information über die erste Komponente nutzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Bewerten des aktuellen Zustandes der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten auf Basis eines maschinellen Lernverfahrens durchgeführt. Auf Basis des maschinellen Lernverfahrens kann beispielsweise ein neuronales Netzwerk in einer Entwicklungsphase des Fortbewegungsmittels derart trainiert werden, dass für jede zu überwachende Komponente relevante Zustände bzw. Degradationen angelernt werden. Im Zuge einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung des maschinellen Lernverfahrens, kann anschließend eine Klassifizierung eines jeweiligen Zustandes der jeweiligen Komponente erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die durch die erste Komponente und/oder durch weitere Komponenten erzeugte Ultraschallsignale konstruktionsbedingt implizit und/oder mittels eines eigens für die Ultraschallsignalerzeugung vorgesehenen Elementes der jeweiligen Komponenten explizit erzeugt. In einem Fall, in dem eine jeweilige Komponente in ihrem ursprünglich konzipierten Zustand bereits in der Lage ist, Ultraschallsignale zu erzeugen (z. B. eine Fahrzeugbremse), welches sich bevorzugt im Zuge einer Verschlechterung der Komponente auf charakteristische Weise verändern, können diese Komponenten entsprechend ohne weitere Maßnahmen direkt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden. Für den Fall, dass eine jeweilige Komponente nicht in der Lage ist, geeignete Ultraschallsignale zu erzeugen, kann diese entsprechend mittels des ultraschallsignalerzeugenden Elementes konstruktiv erweitert werden. Vorteilhaft kann dieses Element derart ausgestaltet sein, dass es für jede zu überwachende Komponente des Fortbewegungsmittels ein komponentenspezifisch eindeutiges Ultraschallsignal erzeugt. Konkrete Beispiele für eine Ausgestaltung eines solchen Elementes werden im Zuge der Beschreibung der Figuren näher erläutert, ohne das Element auf diese konkreten Ausführungsformen einzuschränken.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzeugt das Element für die Ultraschallsignalerzeugung das Ultraschallsignal im Wesentlichen zeitgleich mit einem Auftreten einer hörbaren Zustandsänderung und/oder mit einem vordefinierten zeitlichen Abstand vor dem Auftreten einer hörbaren Zustandsänderung der ersten Komponente und/oder weiterer Komponenten. Indem das Element für die Ultraschallsignalerzeugung derart ausgelegt wird, dass es in einem vordefinierten zeitlichen Abstand vor dem Auftreten einer hörbaren Zustandsänderung zu wirken beginnt, kann Beispielsweise vermieden werden, dass während der Verwendung des Fortbewegungsmittels ein dauerhaftes Störgeräusch erzeugt wird. Beispielsweise kann eine mit einem solchen Element versehene Bremsanlage des Fortbewegungsmittels derart eingerichtet sein, dass das Ultraschallsignal bereits vor Erreichen eines kritischen Bremsbelagabriebs erzeugt wird, sodass ein Benutzer des Fortbewegungsmittels bereits vor einer Erzeugung eines hörbaren Störgeräuschs durch einen abgenutzten Bremsbelag mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens über den Verschleiß informiert werden kann, ohne dass ein Verschleißsensor usw. für die Bremsanlage eingesetzt werden muss.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für eine ultraschallbasierte Zustandsüberwachung von Komponenten eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet und informationstechnisch mit einer internen und/oder extern angebundenen Speichereinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auf Basis eines Computerprogramms die vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen. Konkret ist die Auswerteeinheit in Verbindung mit dem Dateneingang eingerichtet, ein erstes Messsignal eines ersten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend ein durch eine erste Komponente des Fortbewegungsmittels erzeugtes erstes Ultraschallsignal zu empfangen, ein zweites Messsignal eines zweiten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend das durch die erste Komponente erzeugte erste Ultraschallsignal zu empfangen. Darüber hinaus ist die Auswerteinheit eingerichtet, einen Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal zu ermitteln, eine Information über die erste Komponente auf Basis eines vordefinierten Datensatzes und auf Basis des Laufzeitunterschieds zu ermitteln, und einen aktuellen Zustand der ersten Komponente auf Basis der Information über die erste Komponente und auf Basis des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals zu bewerten. In Verbindung mit dem Datenausgang ist die Auswerteeinheit zusätzlich eingerichtet, ein Ergebnis des Bewertens im Fortbewegungsmittel und/oder in einem externen Server zu verwenden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist allgemein eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren noch obiger Beschreibung auszuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel;
- 3 einen ersten Zustand eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elementes für eine Ultraschallsignalerzeugung;
- 4 einen zweiten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels des Elementes für eine Ultraschallsignalerzeugung;
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elementes für eine Ultraschallsignalerzeugung; und
- 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Elementes für eine Ultraschallsignalerzeugung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 100 wird ein erstes Messsignal eines ersten Ultraschallsensors eines Fortbewegungsmittels repräsentierend ein durch ein Motorventil des Fortbewegungsmittels erzeugtes erstes Ultraschallsignal in einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit empfangen, welche hier ein Mikrocontroller ist. Im Schritt 200 wird ein zweites Messsignal eines zweiten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend das durch das Motorventil erzeugte erste Ultraschallsignal in der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit empfangen. Im Schritt 250 wird ein drittes Messsignal eines dritten Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels repräsentierend das durch das Motorventil erzeugte erste Ultraschallsignal in der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit empfangen. Der erste, zweite und dritte Ultraschallsensor sind hier jeweils in einer Frontschürze des Fortbewegungsmittels angeordnete und in ein Umfeld des Fortbewegungsmittels ausgerichtete Umfeldsensoren des Fortbewegungsmittels. Im Schritt 300 wird jeweils ein Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Messsignal, dem zweiten Messsignal und dem dritten Messsignal ermittelt. Im Schritt 400 wird eine Information über das Motorventil auf Basis eines vordefinierten Datensatzes und auf Basis der jeweiligen Laufzeitunterschiede ermittelt. Die Information umfasst hier eine Kennung für das Motorventil und ein Referenzsignal repräsentierend einen Sollzustand des durch das Motorventil erzeugten Ultraschallsignals. Im Schritt 500 wird ein aktueller Zustand des Motorventils auf Basis der Information über das Motorventil und auf Basis des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und des dritten Messsignals bewertet. Aufgrund einer hier vorliegenden geringen Abweichung einer Intensität und einer Signalform des Ultraschallsignals in Bezug auf das Referenzsignal, wird entsprechend ein verschleiß- und defektfreier Zustand des Motorventils ermittelt. Im Schritt 600 wird ein Ergebnis des Bewertens im Fortbewegungsmittel verwendet, indem eine Information über den aktuellen verschleiß- und defektfreien Zustand in Verbindung mit einem aktuellen Kilometerstand des Fortbewegungsmittels in einer an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit als Referenzwert für einen späteren Abgleich abgelegt wird.
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2 zeigt eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Das Fortbewegungsmittel 80 umfasst eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10, welche hier ein ASIC ist und welche über einen Dateneingang 12 und einen Datenausgang 14 verfügt. Mittels des Dateneingangs 12 ist die Auswerteeinheit 10 über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels 80 informationstechnisch mit einem ersten Ultraschallsensor 30, einem zweiten Ultraschallsensor 32 und einem dritten Ultraschallsensor 34 verbunden. Mittels des Datenausgangs 14 ist die Auswerteeinheit 10 über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels 80 informationstechnisch mit einer Mobilfunkvorrichtung 90 verbunden, mittels derer die Auswerteeinheit 10 eingerichtet ist, eine Mobilfunkverbindung 95 zu einem externen Server 70 herzustellen. Die Auswerteeinheit 10 ist zudem informationstechnisch mit einer externen Speichereinheit 20 verbunden, in welcher durch die Auswerteeinheit 10 empfangene und/oder erzeugte Daten für eine nachgelagerte Verarbeitung durch die Auswerteeinheit 10 abgelegt werden können. Darüber hinaus umfasst die Speichereinheit 20 ein Computerprogramm, welches Verfahrensschritte eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert. Das Fortbewegungsmittel 80 umfasst darüber hinaus eine erste Komponente 40, welche hier ein Anlasser des Fortbewegungsmittels 80 ist und eine zweite Komponente 45, welche hier eine Bremsanlage des Fortbewegungsmittels 80 ist. Die erste Komponente 40 ist eingerichtet, ein komponentenspezifisches (d. h. von Ultraschallsignalen anderer Komponenten unterscheidbares) erstes Ultraschallsignal 60 zu erzeugen, während die zweite Komponente 45 eingerichtet ist ein komponentenspezifisches zweites Ultraschallsignal 65 im Betrieb des Fortbewegungsmittels 80 zu erzeugen, welche jeweils durch die Ultraschallsensoren 30, 32, 34 empfangen werden. Auf Basis dieser Konfiguration ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahrensschritte auszuführen.
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3 zeigt einen ersten Zustand eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elementes 50 für eine Ultraschallsignalerzeugung. Das Element 50, welches hier als Verschleißwarnsystem für eine Bremse eines Fortbewegungsmittels eingesetzt wird, umfasst eine erste Schicht E10, welche Bestandteil eines Bremsbelags der Bremse ist und eine Verschleißschicht E20, welche ebenfalls Bestandteil des Bremsbelages ist. Das Element 50 umfasst darüber hinaus eine zweite Schicht E30, welche ein Bestandteil einer Bremsscheibe der Bremse ist. Mittels des Pfeils in 3 ist eine Bewegungsrichtung der Bremsscheibe bzw. der zweiten Schicht E30 in Bezug zum Bremsbelag bzw. der ersten Schicht E10 und der Verschleißschicht E20 angedeutet. D. h., dass sich die zweite Schicht E30 in einem Fahrbetrieb des Fortbewegungsmittels relativ zur ersten Schicht E10 und zur Verschleißschicht E20 bewegt. Während der Durchführung eines Bremsvorgangs stehen die zweite Schicht E30 und die Verschleißschicht E20 an einer Reibfläche 50 in Kontakt miteinander. Unterhalb der Verschleißschicht E20 ist durch Aussparungen in der ersten Schicht E10 ein Schwingstab E40 ausgebildet, welcher im angeregten Zustand in der Lage ist, ein Ultraschallsignal zu erzeugen. In dem hier dargestellten Zustand befindet sich der Bremsbelag in einem neuwertigen Zustand, sodass der Schwingstab E40 nicht mit der zweiten Schicht E30 in Berührung kommt und somit in diesem Zustand nicht zum Schwingen angeregt wird.
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4 zeigt einen zweiten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels des Elementes 50 für eine Ultraschallsignalerzeugung. Aufgrund von Ähnlichkeiten zu 3 werden zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur die Unterschiede zu 3 beschrieben. In dem in 4 dargestellten Zustand der Bremse des Fortbewegungsmittels ist die Verschleißschicht E20 des Bremsbelags vollständig abgetragen, so dass die erste Schicht E10 mit dem darin ausgebildeten Schwingstab E40 während eines Bremsvorgangs in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht E30 steht. Durch die Relativbewegung der beiden Schichten E10, E30 zueinander, wird der Schwingstab E40 in diesem Zustand während eines Bremsvorgangs zum Schwingen angeregt. Durch eine geeignete Festlegung einer Länge und/oder einer Stärke und/oder eines Materials für den Schwingstab E40, erzeugt dieser in einer solchen Situation überwiegend Schallwellen im Ultraschallbereich, welche durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren für eine Zustandsbewertung des Bremsbelags ausgewertet werden können.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elementes 50 für eine Ultraschallsignalerzeugung. Aufgrund von Ähnlichkeiten zu 4 werden zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur die Unterschiede zu 4 beschrieben. In 5 sind in der zweiten Schicht E30 im Bereich der Reibfläche E50 mehrere Aussparungen E60 der zweiten Fläche E30 vorgesehen. Mittels dieser Aussparungen E60 können gezielte Unterbrechungen bei der Anregung des Schwingstabes E40 erzielt werden. Ein hieraus resultierendes Ultraschallsignalweist somit eine wiederkehrende impulsförmige Signalform auf, welche mittels des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft verwendet werden kann.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Elementes 50 für eine Ultraschallsignalerzeugung. Aufgrund von Ähnlichkeiten zu 5 werden zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur die Unterschiede zu 5 beschrieben. In 6 sind die sich wiederholenden Aussparungen E60 in jeweils zwei dicht beieinanderliegende einzelne Aussparungen E60 unterteilt, so dass diese eine komponentenspezifische Impulsfolge innerhalb des Ultraschallsignals erzeugen können. Durch eine Verwendung unterschiedlicher Anzahlen und/oder Längen und/oder Abstände jeweiliger Aussparungen E60 in jeweiligen Elementen 50 für eine Ultraschallerzeugung in jeweiligen Komponenten eines Fortbewegungsmittels, lassen sich auf diese Weise erzeugte, voneinander abweichende Ultraschallsignale, eindeutig jeweiligen erzeugenden Komponenten zuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000010354473 B4 [0004]
