DE19502797C1 - Verfahren und Schaltung zur Filterung von Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung von Signalen von vorzugsweise zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um die Bewegung eines Fahrzeugs über einer Fläche berührungslos zu erfassen, sind Verfahren und Vorrichtun­ gen bekannt (DE 40 18 189 A1, DE 32 29 343 A1), bei denen zur Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs optische Gitter zur Ermittlung von Relativbewegungen über einer stati­ stisch rauhen Oberfläche verwendet werden. Hierbei werden die von dem Sensor erzeugten Pulsfolgen gezählt und in Weginkremente umgerechnet. Die Integration der Wegin­ kremente gibt letztendlich Aufschluß über die zurückge­ legte Wegstrecke, die Geschwindigkeit und die Beschleuni­ gung des Fahrzeugs. Als Sensoren werden vorzugsweise beispielsweise Mikrowellendopplersensoren sowie korrela­ tionsoptische Geschwindigkeitssensoren mit optischen und elektronischen Gittern verwendet.

Von den Sensoren wird ein geschwindigkeitsabhängiges Sinussignal ausgegeben, dem starke Gleichtaktanteile, Oberwellen und ein Rauschen überlagert sind. Darüber hinaus ist das Signal Schwankungen in der Amplitude unterworfen. Die Amplitude kann zwischen sehr hohen Werten (Amplitudenmaxima) und Amplitudeneinschnürungen schwanken. Oftmals sind die Amplitudeneinschnürungen durch Phasensprünge begleitet, welche durch die statisti­ sche Verteilung der Bodenbeschaffenheit entstehen, beispielsweise durch eine Änderung der Hell-/Dunkel- Bereiche des Bodens und dergleichen.

Derartige Phasensprünge können beispielsweise zu Signal­ ausfällen und infolge davon zu Fehlern in der Bestimmung der Bewegungsdaten des Fahrzeugs führen.

Die Erkennung und Behebung von Pulsausfällen im Signal wird bisher durch PLL-Schaltungen bewerkstelligt.

Aus der DE-39 11 830 A1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Schaltung zur Auswertung von kontinuierlich auftretenden Zeitmarken bekannt, bei dem zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs die zeitlichen Abstände der Pulse gemessen werden und ein Zeitfenster gebildet wird, innerhalb dem das Eintreffen eines weiteren Pulses überwacht, und beim Nichteintreffen eines Pulses dieser Puls durch einen Ersatzpuls im Zeitfenster ersetzt wird. Hierzu ist eine Schaltung vorgesehen, welche eine Zeitmeßeinrichtung, eine zeitfenstergesteuer­ te Torschaltung und einen Impulsgenerator umfaßt. In­ nerhalb des Zeitfensters wird überwacht, ob Pulse am Eingang auftreten. Diese Pulse werden dann unmittelbar an den Ausgang der Schaltung weitergegeben. Treten hingegen innerhalb des Zeitfensters keine Pulse auf, so wird der nachfolgende Pulsgenerator veranlaßt, einen künstlichen Puls zu erzeugen.

Nachteilig bei diesem Verfahren und der Schaltung ist, daß sie erheblichen Regelschwankungen unterliegen, die zu Fehlern in der Bestimmung der Bewegungsdaten des Fahr­ zeugs führen können, und daß sie insbesondere durch den diesen Schaltungen zugrundeliegenden "Schwungradeffekt" träge sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Filterung von Signalen zu vermitteln, das die genannten Nachteile beseitigt und ermöglicht, aus dem Signal zum Zwecke der späteren Digitalisierung sämtliche Störanteile her­ auszufiltern. Darüber hinaus sollen Phasensprünge und Signalausfälle erkannt werden und fehlende Pulse ergänzt sowie überschüssige Pulse entfernt werden.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltung zur Filte­ rung von vorzugsweise zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu realisieren, die es ermöglicht, sämtliche Störanteile aus dem Signal herauszufiltern, um es anschließend zu digitalisieren und einem Mikroprozessor­ system zuzuführen. Hierbei sollen Phasensprünge oder Signalausfälle erkannt und die durch sie verursachten Störungen durch die Schaltung behoben werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 9 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 10 bis 14.

Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der näheren Erläuterung.

Die Figur zeigt eine Schaltung zur Filterung von Signalen von insbesondere zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren.

Das Verfahren zur Filterung von Signalen von vorzugsweise zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren läßt sich am besten in Verbindung mit der in der Figur dargestellten Schaltung verstehen.

Wie in der Figur dargestellt, umfaßt die Schaltung ein Mikroprozessorsystem 1, einen A/D-Wandler 3, einen Grobdigitalisierer 5, einen regelbaren Bandpaß 7, einen Feindigitalisierer 9 sowie einen regelbaren Verstärker 11.

Von einem Sensor 13 wird ein geschwindigkeitsabhängiges Sinussignal erzeugt, welchem starke Gleichtaktanteile, Oberwellen und Rauschanteile überlagert sind. Das Signal ist außerdem Schwankungen in der Amplitude unterworfen, die zwischen sehr großen Werten der Amplitude und Amplitudeneinschnürungen variieren. Die Amplitudenein­ schnürungen sind oftmals von Phasensprüngen begleitet, welche im wesentlichen durch die statistische Beschaffen­ heit einer Bezugsfläche 15 hervorgerufen werden. Der Mittelwert der Signalamplitude kann um wenigstens einen Faktor 100 variieren, was ebenfalls mit der statistischen Verteilung auf der Bezugsfläche 15 zusammenhängt.

Das von dem Sensor 13 ausgegebene Signal wird einem regelbaren Verstärker 11 zugeführt, dessen Einstell­ geschwindigkeit vom Mikroprozessorsystem 1 der Signal­ frequenz angepaßt wird. Die Einstellgeschwindigkeit ist bei niedrigen Frequenzen kleiner, bei hohen Frequenzen dagegen größer. Der regelbare Verstärker 11 dient dazu, den Mittelwert der Amplitude des Signals konstant zu halten. Die frequenzabhängige Regelung begegnet der Tatsache, daß die Amplitudenschwankungen des Signals frequenzabhängig sind, sie ermöglicht eine dynamische Anpassung des Verstärkers 11 an das Signal.

Das vom regelbaren Verstärker 11 ausgegebene Signal wird nun einerseits einem Analog-/Digital-Wandler 3 zugeführt, der im wesentlichen in Verbindung mit dem Mikroprozessor­ system 1 zur Bestimmung und Bewertung der Signalamplitude dient, andererseits wird es einem Grobdigitalisierer 5 zugeführt, welcher in Verbindung mit dem Mikroprozessor­ system 1 zur groben Bestimmung der Frequenz des Signals dient. Die Bestimmung der Amplitude mittels des A/D- Wandlers 3 in Verbindung mit dem Mikroprozessorsystem 1 dient zum einen der Einstellung des regelbaren Verstär­ kers 11, zum anderen zur Erfassung der Signalgüte.

Schließlich wird das vom regelbaren Verstärker 11 ausgegebene Signal auch einem regelbaren Bandpaß 7 zugeführt, der beispielsweise ein Switch-Capacity-Filter (SC-Filter) oder ein einstellbares zeitkontinuierliches Filter sein kann. Der regelbare Bandpaß 7 wird vom Mikroprozessorsystem 1 auf die mit Hilfe des A/D-Wandlers 3 und des Grobdigitalisierers 5 sowie des Mikroprozessor­ systems 1 bestimmte Frequenz des Signals eingestellt. Dabei ist die Einstellgeschwindigkeit des regelbaren Bandpasses 7 ebenfalls frequenzabhängig, sie ist bei niedrigen Frequenzen schneller, bei hohen Frequenzen langsamer. Im wesentlichen wird sie der Meßaufgabe angepaßt. Dem regelbaren Bandpaß 7 ist ein Feindigitali­ sierer 9 nachgeschaltet, der eine sehr feine Digitalisie­ rung des von dem regelbaren Bandpaß 7 ausgegebenen Signals, welches von im wesentlichen sämtlichen Stör­ anteilen befreit ist, vornimmt.

Das mittels des Feindigitalisierers 9 digitalisierte Signal wird nun ebenfalls dem Mikroprozessorsystem 1 zugeführt.

Die Frequenz des feindigitalisierten Signals wird von dem Mikroprozessorsystem 1 mit der Frequenz des grobdigi­ talisierten Signals verglichen. Hierdurch wird vermieden, daß sich das Filter auf Störfrequenzen einstellt.

Im Mikroprozessorsystem 1 wird des weiteren der gleitende Mittelwert vorhergehender Signalperioden des von dem Feindigitalisierer 9 ausgegebenen Signals und eine Interpolation gebildet. Hierdurch ist das Mikroprozessor­ system 1 in der Lage, Impulsausfälle zu erkennen. Dies wird durch die Bewertung der Signalamplitude unterstützt.

Des weiteren kann zur Erfassung von Signalausfällen zusätzlich ein an sich bekannter Beschleunigungssensor 17 vorgesehen sein, dessen Ausgang über einen Analog- Digital-Wandler 19 mit einem weiteren Eingang des Mikro­ prozessorsystems 1 verbunden ist. Der Beschleunigungs­ sensor 17 erfaßt die Beschleunigungsdaten des bewegten Fahrzeugs, welche nach ihrer Digitalisierung in dem A/D- Wandler 19 dem Mikroprozessorsystem 1 zugeführt werden. Im Mikroprozessorsystem 1 findet daraufhin ein Vergleich der vom Feindigitalisierer 9 ausgegebenen Daten und der vom Beschleunigungssensor 17 erfaßten Daten statt. Die zusätzliche Messung der Beschleunigung des bewegten Fahrzeugs ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Beschaffenheit der Bezugsfläche 15, d. h. beispielsweise der Fahrbahnoberfläche, sehr kontrastarm ist, so daß infolge davon keine Pulsfolge vorhanden ist, oder wenn sich das Fahrzeug mit einer sehr geringen Geschwindigkeit bewegt - beispielsweise beim Anfahren oder kurz vor seinem Stillstand. In diesem Fall dienen die zusätzlich erfaßten Beschleunigungsdaten des Fahrzeugs dem nachfol­ gend beschriebenen, vom Mikroprozessorsystem 1 vor­ genommenen Datenabgleich.

Wenn für eine oder mehrere Perioden Pulse des digitali­ sierten Signals ausfallen, so errechnet das Mikroprozes­ sorsystem 1, wieviel Pulse ausgefallen sind und ersetzt diese unmittelbar ("on-line"). Wenn bei einem späteren Vergleich der erfaßten Daten von dem Mikroprozessorsystem 1 festgestellt wird, daß zu wenig oder zu viele Impulse ausgegeben wurden, weil sich beispielsweise die Frequenz geändert hat oder durch einen Phasensprung eine nicht ganzzahlige Anzahl von Perioden entstehen müßte, so werden nun entsprechend noch weitere Pulse ersetzt oder weggelassen.

Darüber hinaus können vom Mikroprozessorsystem 1 die mittels des. Beschleunigungssensors 17 erfaßten Beschleu­ nigungsdaten des Fahrzeugs herangezogen werden, um Pulsausfälle zu erkennen, und gegebenenfalls auf die oben beschriebene Weise fehlende Pulse erzeugt oder über­ flüssige Impulse entfernt werden.

Als Ausgangssignal wird schließlich vom Mikroprozessor­ system 1 das vom Feindigitalisierer 9 ausgegebene Signal zuzüglich der vom Mikroprozessorsystem 1 eingefügten Pulse abzüglich der vom Mikroprozessorsystem 1 entfernten Pulse ausgegeben. Die Frequenz des ausgegebenen puls­ förmigen Signals ist der Geschwindigkeit des Fahrzeugs direkt proportional. Die Summe der Pulse ist dem zurück­ gelegten Weg des Fahrzeugs direkt proportional.

Vorteilhaft bei dem dargestellten Verfahren und der Schaltung zur Durchführung des Verfahrens ist, daß ohne Verzögerung und ohne den bei üblichen PLL-Schaltungen vorhandenen "Schwungradeffekt" unmittelbar fehlende oder überflüssige Impulse erkannt und ersetzt bzw. weggelassen werden. Hierdurch wird gewissermaßen "online" eine sehr genaue Bestimmung der von dem Sensor erfaßten Frequenz unter Ausschluß jeglicher Störanteile im Sensorsignal ermöglicht und als Folge davon eine präzise Bestimmung des zurückgelegten Wegs und der Geschwindigkeit eines bewegten Fahrzeugs.

Claims (14)

1. Verfahren zur Filterung von Signalen von vorzugs­ weise zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren, bei dem

• - aus dem Signal sämtliche Störanteile herausge­ filtert werden und das Signal digitalisiert wird,
• - das digitalisierte Signal einem Mikroprozes­ sorsystem (1) zugeführt wird, welches zur Erfassung von Pulsausfällen den gleitenden Mittelwert und eine Interpolation vorhergehen­ der Signalperioden des digitalisierten Signals bildet und unmittelbar ausgefallene Pulse durch ausgegebene Pulse ersetzt, und bei dem
• - fälschlich ersetzte bzw. noch fehlende Pulse von dem Mikroprozessorsystem (1) erkannt werden und aus dem digitalisierten Signal wieder entfernt bzw. durch weitere, vom Mikroprozes­ sorsystem (1) ausgegebene Impulse ersetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herausfilterung der Störanteile aus dem Signal und zur Digitalisierung des Signals das Signal einem regelbaren Verstärker (11) zugeführt wird, der abhängig von der Signalfrequenz vom Mikroprozessorsystem (1) ansteuerbar ist und der Konstanthaltung des Mittelwertes der Signalamplitu­ de dient,daß das vom regelbaren Verstärker (11) ausgegebene Signal (Verstärkersignal) zur Bestimmung seiner Amplitude einem A/D-Wandler (3) und von diesem dem Mikroprozessorsystem (1) sowie gleichzei­ tig zur groben Bestimmung seiner Frequenz einem Grobdigitalisierer (5) und von diesem dem Mikro­ prozessorsystem (1) zugeführt wird, und daß das Verstärkersignal simultan dazu einem regelbaren Bandpaß (7) und schließlich über einen nachgeschal­ teten Feindigitalisierer (9) dem Mikroprozessorsy­ stem (1) zugeführt wird, wobei der regelbare Bandpaß (7) abhängig von der Signalfrequenz vom Mikroprozes­ sorsystem (1) ansteuerbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bestimmung der Signalamplitude mit Hilfe des A/D-Wandlers (3) und deren Bewertung mit Hilfe des Mikroprozessorsystems (1) einerseits zur Regelung des Verstärkers und andererseits zur Über­ prüfung des von dem Grobdigitalisierer (5) ausgege­ benen Signals dient.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Signalausfällen zusätzlich gleichzeitig die Be­ schleunigung des bewegten Fahrzeugs mittels eines Beschleunigungssensors (17) erfaßt wird, und daß die Beschleunigungsdaten anschließend mittels eines A/D- Wandlers (19) digitalisiert und dem Mikroprozes­ sorsystem (1) zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Mikroprozessor­ system (1) die von dem Beschleunigungssensor (17) ausgegebenen Beschleunigungsdaten zur Erfassung von Pulsausfällen mit dem digitalisierten Signal ver­ glichen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Bandpaß (7) ein Switch-Capacity- Filter ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Bandpaß (7) ein regelbares, zeitkontinuierliches Filter ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Feindigita­ lisierer (9) ausgegebene Signal mit dem von dem Grobdigitalisierer (5) ausgegebenen Signal ver­ glichen wird.

9. Schaltung zur Filterung von Signalen von vorzugs­ weise zur Ermittlung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche verwendeten Sensoren, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tung umfaßt:

• - ein Mikroprozessorsystem (1),
• - zur Konstanthaltung des Mittelwertes der Signalamplitude einen regelbaren Verstärker (11), der abhängig von der Signalfrequenz durch das Mikroprozessorsystem (1) ansteuerbar ist,
• - zur Bestimmung der Signalamplitude einen dem regelbaren Verstärker (11) nachgeschalteten A/D-Wandler (3), dessen Ausgang zu einem Eingang des Mikroprozessorsystems (1) führt,
• - zur Bestimmung der Signalfrequenz einen dem regelbaren Verstärker (11) parallel zu dem A/D-Wandler (3) nachgeschalteten Grobdigitali­ sierer (5), dessen Ausgang zu einem Eingang des Mikroprozessorsystems (1) führt,
• - einen dem regelbaren Verstärker (11) parallel sowohl zu dem A/D-Wandler (3) als auch zu dem Grobdigitalisierer (5) nachgeschalteten regel­ baren Bandpaß (7), der abhängig von der Si­ gnalfrequenz von dem Mikroprozessorsystem (1) ansteuerbar ist, und
• - einen dem regelbaren Bandpaß (7) nachgeschal­ teten Feindigitalisierer (9), dessen Ausgang zu einem weiteren Eingang des Mikroprozessor­ systems (1) führt.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mikroprozessorsystem (1) ein Vergleich zwischen dem von dem Grobdigitalisierer (5) ausgege­ benen Signal und dem von dem Feindigitalisierer (9) ausgegebenen Signal stattfindet.

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der regelbare Bandpaß (7) ein Switch- Capacity-Filter ist.

12. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der regelbare Bandpaß (7) ein regel­ bares zeitkontinuierliches Filter ist.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Steigerung der Meßpräzision ein Beschleunigungssensor (15) vor­ gesehen ist, dessen Ausgang über einen nachgeschal­ teten A/D-Wandler (17) mit einem Eingang des Mikro­ prozessorsystems (1) verbunden ist.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Pulsausfällen in dem Mikro­ prozessorsystem (1) ein Vergleich der von dem Be­ schleunigungssensor (17) ausgegebenen Beschleuni­ gungsdaten mit dem digitalisierten Signal statt­ findet.