專利名稱：基于dsp的不平道路檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及診斷系統，尤其是涉及一種用于區分不平道路(roughroad)和發動機點火不良(misfire)條件的系統。
背景技術：
相關申請的交叉引用本申請要求2005年6月24日提交的美國臨時申請60/693967號的權益。這里通過引用而結合上述申請的公開內容。
車輛包括產生驅動轉矩的內燃發動機。更特別地，該發動機吸入空氣并將空氣與燃料混合以形成燃燒混合物。該燃燒混合物被壓縮在氣缸內并燃燒以驅動被可滑動地設置在氣缸內的活塞。該活塞可旋轉地驅動曲軸將驅動轉矩傳送到變速箱和車輪。當發動機點火不良時，氣缸的燃料混合物在錯誤的時間燃燒，并且可能導致發動機振動和傳動系統振蕩。
發動機控制系統有時包括點火不良檢測系統，用于確定發動機點火不良的時刻。該發動機控制系統可以調節發動機工作以減少發動機點火不良，從而提高發動機性能和車輛駕駛性能。一些道路條件會引起發動機控制系統不正確地記錄并沒有實際發生的點火不良事件。例如，不平的道路會對車輪產生反饋轉矩，它會影響曲軸的旋轉。異常的曲軸旋轉是發動機點火不良事件的一個特征。
一些點火不良檢測系統基于發動機速度相對于參照值的變化而辨識點火不良事件。該參照值代表在相似條件下工作的正常發動機的預期速度變化，可以通過在不同的工作條件下不存在點火不良地行駛車輛而實驗獲得。當發生點火不良時，發動機轉矩的下降導致發動機速度的相應下降。該速度變化有時會大于參照值的變化。
不平的道路也會導致幅度上與發動機點火不良事件所產生的相似的發動機速度變化。這就對基于發動機速度變化來檢測發動機點火不良事件的發動機點火不良檢測系統提出了一個問題。為了防止該系統因為不平的道路而產生錯誤的點火不良事件，當檢測到不平道路時，可以禁用該點火不良檢測系統。當然，這是假定存在可靠的不平道路檢測系統。
在另一方法中，使用防鎖制動系統(ABS)來檢測不平的道路。更特別地，當存在不平道路時，該ABS會產生不平道路信號。當該不平道路信號被確定時，該來自ABS模塊的信號會禁用該點火不良檢測系統。
發明內容
根據本發明的用于車輛的不平道路檢測系統包括頻域模塊、發動機點火不良模塊和不平道路模塊。該頻域模塊將向量信號變換為頻域信號。發動機點火不良模塊基于該頻域信號判定發動機是否點火不良。不平道路檢測模塊基于該頻域信號判定該車輛是否在不平道路上行駛。
在其他特征中，該不平道路檢測系統包括發動機速度模塊、采樣模塊、濾波器模塊、數據縮減模塊、數據緩沖模塊、功率譜模塊和能量計算模塊。發動機速度模塊基于曲軸信號而生成發動機速度信號。采樣模塊以固定速率采樣該發動機速度信號并生成采樣信號。濾波器模塊從該采樣信號中濾除大于預定頻率的部分并生成過濾的信號。數據縮減模塊縮減該過濾的信號以與至少一個發動機循環對應，并生成縮減的數據信號。數據緩沖模塊組合該縮減的數據信號的采樣以形成向量信號。功率譜模塊計算該頻域信號的功率譜并生成功率譜信號。能量計算模塊基于該功率譜信號而生成能量信號。
在其他特征中，發動機點火不良模塊基于該功率譜信號判定發動機是否點火不良。當該能量信號大于能量閾值時，不平道路模塊判定該車輛是在不平道路上行駛。
根據下文中提供的詳細說明，本發明的應用的其他領域將會變得清楚。應當理解，該詳細說明和特定示例雖然指示了本發明的優選實施例，但是其目的僅僅是例示性的而不是要限制本發明的范圍。
根據該詳細說明和附圖，本發明將變得更容易理解，其中圖1是實施根據本發明的不平道路檢測系統的車輛的功能性框圖；圖2是本發明的不平道路檢測系統的功能性框圖；圖3是示出了由本發明的不平道路檢測系統執行的步驟的流程圖；圖4是具有點火不良的發動機的車輛和以1000RPM在不平道路上行駛而沒有點火不良的相同車輛的功率譜的曲線圖；和圖5是描述了與圖4相同的信息的曲線圖，但是發動機速度為2000RPM。
具體實施例方式
以下對優選實施例的說明實質上僅僅是示范性的，而決不是用于限制本發明、其應用、或用途。為了清楚起見，在附圖中使用相同的參考數字標識相似的元件。如這里所使用的，術語模塊是指特殊應用集成電路(ASIC)、電子電路、用于執行一個或多個軟件或固件程序的處理器(通用、專門或一組)和存儲器、組合邏輯電路、和/或提供所述功能的其他適當部件。
參照圖1，示出了車輛10，其中包括發動機12。發動機12包括具有相關聯的燃料注入器18和火花塞20的氣缸16。雖然示出了單個氣缸16，但是可以理解，發動機12可以包括多個具有相關聯的燃料注入器18、火花塞20以及進氣和排氣門(未示出)的氣缸16。例如，發動機12可以包括4、5、6、8、10或12個氣缸16?？諝馔ㄟ^注入口23被吸入到發動機12的進氣歧管22中。節氣門24調節進入進氣歧管22的空氣流。燃料和空氣在氣缸16中混合并且被火花塞20點燃。進氣和排氣門(未示出)分別控制該空氣/燃料混合物和排出氣體的進入和排出。推桿和/或一個或多個具有凸角的上凸輪可以用于打開和關閉該進氣和排氣門。
控制器26與曲軸位置傳感器30通信，該曲軸位置傳感器30基于曲軸的旋轉而生成曲軸位置信號?？刂破?6還分別與生成MAF和MAP信號的質量氣流(MAF，mass air flow)傳感器32和歧管絕對壓力(MAP)傳感器34通信。控制器26還與生成TPS信號的節氣門位置傳感器(TPS)36通信。
曲軸位置傳感器30可以響應于隨曲軸旋轉的齒輪(未示出)。該齒輪包括放射狀延伸的多個等間隔的齒。至少一個齒可以缺失以形成缺口。例如，該齒輪可以包括足夠大小和間隔的齒以容納60個齒。然而，有兩個齒缺失以使得實際總共有58個齒設置在該齒輪周圍。該缺失的齒形成缺口。在本例子中，每個齒對應于曲軸旋轉6°(即360°/60個齒)。該缺口對應于曲軸相對于氣缸內活塞位置的旋轉位置。例如，該缺口的末端可以表示特定的活塞位于其氣缸內的上止點(TDC，top-dead-center)。
當各個齒旋轉經過該曲軸位置傳感器30時產生脈沖串。該脈沖串內的每個脈沖對應于該齒輪的一個齒。對于上述的示例性齒輪，每個脈沖對應于曲軸旋轉6°?；谠撁}沖串確定以每分鐘轉數(RPM)表示的發動機速度。雖然僅描述了一個特定方法，但是本領域技術人員將會認識到，也可以使用其他用于感知發動機速度的系統和方法。
控制器26實施本發明的不平道路檢測系統以基于頻域成分來判定車輛10是否處于不平道路條件下(即在不平道路上行駛)。更特別地，該系統確定事件域(event-domain)瞬時發動機速度，其被定義為曲軸旋轉一個特定周期(例如30°，60°，90°，120°)所需的時間量。例如，如果使用30°的周期，則控制器確定與該脈沖串中5個脈沖相關的時間量(即5個脈沖×6°/脈沖＝30°)。
該系統采樣該事件域發動機速度，并且低通濾波器濾除不平道路頻率范圍之外的頻率成分。數據縮減模塊可以用于再采樣該濾波的發動機速度以減少發動機速度采樣的數量。數據緩沖模塊組合該發動機速度信號的采樣以形成給定維數的向量。頻域模塊使用快速傅里葉變換將該時域數據轉化為頻域數據。該頻域成分的能量被計算并且與來自預先測試的值相比較，以判定是否存在不平道路或者是否發生發動機點火不良。如果車輛10正處于不平道路條件下，則控制器26禁用發動機點火不良檢測系統。以這種方式，減少了由于不平道路條件導致的錯誤的點火不良指示。
現在參照圖2，基于數字信號處理(DSP)的不平道路檢測系統100包括發動機速度模塊102、采樣模塊104、濾波器模塊106、數據縮減模塊108、數據緩沖模塊110、頻域模塊112、功率譜模塊114、能量計算模塊116、不平道路模塊118和發動機點火不良模塊120。
發動機速度模塊102基于目標輪的齒之間的時間間隔而計算發動機速度，并生成發動機速度信號。該發動機速度信號可以由下式表示ES=60N*dt]]>其中N是該目標輪的齒數，dt是該齒之間的時間間隔。
采樣模塊104使用固定采樣率采樣該計算的發動機速度并生成采樣信號。該采樣信號是具有等間隔采樣的時域離散發動機速度信號。例如，如果采樣頻率是1000采樣點/秒，則采樣點之間的間距是采樣周期，Ts＝1/fs＝1毫秒。該采樣信號可以由下式表示ys=Σk=0NsES(kTs)]]>其中ys是該采樣信號，ES是發動機速度信號，Ts是采樣周期，Ns是采樣點總數。對在采樣模塊104輸入的估計發動機速度的采樣會需要發動機速度采樣之間的插值。
濾波器模塊106用于濾除不平道路頻率范圍之外的成分并生成過濾的信號。該不平道路頻率范圍典型地為0-5Hz。因此，可以使用數字低通濾波器來去除不想要的高頻成分。濾波器模塊106可以由下式表示y=Σn=0mbnys(k-n)]]>其中y是過濾的信號，ys是采樣信號，m是濾波器階數或抽頭數，k是采樣點序號(1，2，3...)，an和bn是濾波器系數。
數據縮減模塊108使用低于采樣模塊104中所用采樣率的采樣率(fr)再采樣該過濾的信號并生成縮減的數據信號。其目的是減少采樣數量以使得該縮減的數據信號中的數據對應于至少一個發動機循環。因此，fr＝fs/n，其中n是大于1的整數。由數據縮減模塊108生成的縮減的數據信號可以由下式表示ydr=Σk=0Nsy(kTr)]]>其中ydr是縮減的數據信號，Tr是采樣周期，Ns是采樣總數。為了優化該算法，可以將上述的兩個采樣模塊(采樣模塊104和數據縮減模塊108)組合到采樣模塊104中。
數據緩沖模塊110組合該縮減的數據信號的采樣以形成N維向量并生成向量信號。該向量信號可以由下式表示yb＝[y0y1...yN]其中yb是該向量信號，y0y1...yN是該縮減的數據信號的數據分量，N是要組合的采樣數量。從而該向量信號是由該縮減的數據信號的采樣構成的N維向量。
頻域模塊112使用快速傅里葉變換(FFT)將該N維向量信號轉化為頻域復數對(complox pairs)并生成頻域信號。該FFT函數可以由下式表示Yf＝FFT(yb)其中Yf是該頻域信號，yb是該向量信號。Yr和yb都是向量，然而，Yr是由下式獲得的復向量Yf=Σi=1Nyb(i)wN(i-1)(k-1)]]>其中wN＝e(-2∏j)/N，N是數據緩沖模塊中的采樣數，k是頻率成分的數量，j=-1.]]>向量Yf的每個分量是一對實數和虛數。這些復數對可以由下式表示ReYf[k]=Σi=1Nyb(i)cos(2πki/N)]]>ImYf[k]=-Σi=1Nyb(i)sin(2πki/N)]]>其中Re Yf[k]和Im Yf[k]是向量Yf的實數和虛數部分。
功率譜模塊114確定該頻率信號的功率譜并生成功率譜信號。該代表向量Yf(該頻率信號)的每個分量的功率譜信號可以由下式表示PYf＝Yf*conj(Yf)/N其中PYf是Yf的功率譜，Yf是該頻率信號，conj(Yf)是Yf的復共軛。復數(a+jb)的復共軛被定義為(a-jb)。
能量計算模塊116通過對其所有的各個分量的功率積分(或者在離散信號的情形下為求和)而確定該功率譜信號的能量，并基于其生成能量信號。該能量是對一個窄頻率窗而確定的，對于不平道路檢測來說，該頻率窗通常在1到5Hz之間變化。該頻率范圍依賴于發動機工作條件例如速度和負載。還可以使用不同的頻率范圍，只要在點火不良和不平道路跟蹤的頻譜之間存在足夠的差別即可。
不平道路模塊118用于檢測不平道路。該功率譜信號在一個頻率范圍上(例如1-5Hz)的能量用于指示不平道路。然而，使用該功率譜信號或者同時使用該功率譜和能量信號也可以獲得相似的結果。不平道路檢測模塊118比較該能量信號和能量閾值。當該能量信號超過能量閾值時，不平道路模塊118檢測到不平道路。該能量閾值是發動機速度和負載的函數，可以通過實驗獲得。在一些應用中，希望該不平道路檢測模塊118禁用現有技術的點火不良檢測系統以防止檢測到錯誤的點火不良。
發動機點火不良模塊120使用該功率譜信號檢測發動機點火不良。然而，也可以使用在一個窄頻率窗中的能量信號或者同時使用該功率譜和能量信號來檢測發動機點火不良。為了驗證所檢測到的異常是真的點火不良，可以將該功率譜成分的頻率與發動機工作條件例如所計算的發動機速度相比較。如果該點火不良導致的功率譜信號成分的頻率與所計算的發動機速度不一致，則可以采集其他的采樣(例如發動機循環)并且使用統計分析來判定該異常是否是發動機點火不良的結果。
優選地，上述基于DSP的不平道路檢測系統100被校準和優化以獲得點火不良和不平道路之間的最大差別。可以被調節的參數包括，采樣頻率，發動機速度信號的采樣數(例如采樣模塊104和數據縮減模塊108)，濾波器模塊106的參數(例如系數)，和能量閾值。
現在參照圖3，該基于DSP的不平道路檢測系統100執行了在200中概括示出的步驟。當車輛10開動時，該過程在步驟202開始。
在步驟204，發動機速度模塊102基于曲軸位置傳感器30而確定發動機速度。更特別地，發動機速度模塊102基于目標輪的齒之間的時間間隔計算發動機速度，并且在此基礎上生成發動機速度信號。因而，發動機速度信號是事件域信號。
在步驟206，采樣模塊104以固定速率采樣發動機速度并生成采樣信號。該生成的采樣信號是具有等間隔采樣的時域離散發動機速度。
在步驟208，濾波器模塊106濾除比由在不平道路上行駛的車輛10所產生的更高的頻率成分。由不平道路產生的頻率典型地為5Hz或更小。因而，可以在濾波器模塊106中采用低通濾波器。
在步驟210，數據縮減模塊108減少采樣數以與至少一個發動機循環對應，并生成數據縮減信號。為了達到這個目的，該數據縮減模塊的采樣速率應當小于采樣模塊104中所使用的速率。
在步驟212，數據緩沖模塊110組合來自數據縮減模塊108的采樣并生成向量信號。該向量信號是由來自數據縮減信號的采樣構成的N維向量。
在步驟214，頻域模塊112將來自數據緩沖模塊110的N維向量信號轉換到頻域并生成頻域信號。該頻域模塊112使用快速傅里葉變換將向量信號轉換為頻域信號。
在步驟216，功率譜模塊114確定該頻域信號的功率譜并生成功率譜信號。該功率譜信號表示該頻域信號的每個成分的功率。
在步驟218，發動機點火不良模塊120通過將功率譜信號中的成分的頻率與發動機工作條件例如所計算的發動機速度相比較而判定是否為發動機點火不良。如果該點火不良導致的功率譜信號成分的頻率與所計算的發動機速度不一致，則可以采集其他的采樣(例如發動機循環)并且使用統計分析來判定該異常是否是發動機點火不良的結果。如果發動機點火不良模塊120判定發動機點火不良，則在步驟220報告點火不良，并且該過程在步驟222結束。如果發動機點火不良模塊120判定發動機沒有點火不良，則該過程在步驟222結束。
在步驟224，能量計算模塊116計算該功率譜信號在一個頻率范圍內的能量(典型地為1-5Hz)，并生成能量信號。如果該能量信號大于能量閾值，則在步驟226，不平道路模塊118確定存在不平道路條件。在步驟228，該不平道路模塊118向控制器26報告該不平道路條件，并且控制在步驟222結束。如果該不平道路模塊確定該能量不大于該能量閾值，則控制在步驟222結束。
現在參照圖4，示出了基于DSP性能的不平道路檢測系統100。圖4中的實線代表在不平道路上行駛的車輛10，虛線代表在平滑道路上行駛但具有點火不良的發動機的相同車輛10。車輛10的發動機速度在兩個測試下均為大約1000RPM。如圖4所示，不平道路產生具有比與平滑道路和發動機點火不良相關的功率更高的功率的低頻(0到5Hz)成分。對該功率積分以獲得由不平道路所產生信號在預定頻率范圍中的能量，從而得到比來自平滑道路和/或發動機點火不良的信號更高的能量。
現在參照圖5，該結果與圖4所示類似，但是該相同車輛10是以不同的發動機速度和在更不平的道路上行駛。圖4中在氣缸一中的點火不良產生在8Hz附近的頻率成分，因為發動機是以大約1000RPM運轉。由于圖5中所示數據是來自以該速度的兩倍(即2000RPM)運轉的相同發動機，所以該相同的發動機點火不良產生在圖4所示兩倍頻率(即16Hz)附近的頻率成分。因此，不平道路產生具有比由平滑道路和發動機點火不良事件所產生信號的相應頻率成分更高功率的低頻信號成分。從而，該系統能夠檢測發動機點火不良并預測由發動機點火不良在功率譜信號中所產生的成分的頻率。該由氣缸點火不良事件產生的成分的頻率是發動機速度的函數，并且通過功率譜信號而自動獲得。
在一些應用中，當檢測到不平道路條件時，該基于DSP的不平道路檢測系統100會禁用現有技術的點火不良檢測系統(未示出)以防止報告錯誤的發動機點火不良。當車輛10開始在平滑道路上行駛時，該基于DSP的不平道路檢測系統100會重新啟動現有技術的點火不良檢測系統(未示出)。
現在，根據前述說明，本領域普通技術人員可以理解，本發明的寬泛教導可以以各種形式實現。因而，雖然本發明是結合其特定示例進行說明的，但是本發明的真實范圍不應當僅限于此，因為在學習附圖、說明書和所附權利要求的基礎上，其他修改對于熟練技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
1.一種用于車輛的不平道路檢測系統，包括頻域模塊，將向量信號變換為頻域信號；發動機點火不良模塊，基于所述頻域信號判定發動機是否點火不良；和不平道路模塊，基于所述頻域信號判定該車輛是否在不平道路上行駛。
2.如權利要求1所述的不平道路檢測系統，還包括發動機速度模塊，基于曲軸信號而生成發動機速度信號；和與所述發動機速度模塊通信的采樣模塊，以固定速率采樣所述發動機速度信號并生成采樣信號。
3.如權利要求2所述的不平道路檢測系統，還包括與所述采樣模塊通信的濾波器模塊，用于從所述采樣信號中濾除大于預定頻率的成分并生成過濾的信號。
4.如權利要求3所述的不平道路檢測系統，還包括與所述濾波器模塊通信的數據縮減模塊，用于縮減所述過濾的信號以與至少一個發動機循環對應，并生成縮減的數據信號。
5.如權利要求4所述的不平道路檢測系統，還包括與所述數據縮減模塊通信的數據緩沖模塊，用于組合所述縮減的數據信號的采樣以形成所述向量信號。
6.如權利要求5所述的不平道路檢測系統，還包括與所述頻域模塊通信的功率譜模塊，用于計算所述頻域信號的功率譜并生成功率譜信號。
7.如權利要求6所述的不平道路檢測系統，還包括與所述功率譜模塊通信的能量計算模塊，用于基于所述功率譜信號而生成能量信號。
8.如權利要求6所述的不平道路檢測系統，其中所述發動機點火不良模塊基于所述功率譜信號判定發動機是否點火不良。
9.如權利要求7所述的不平道路檢測系統，其中當所述能量信號大于一個能量閾值時，所述不平道路模塊判定該車輛是在不平道路上行駛。
10.一種用于檢測車輛的不平道路條件的方法，包括將向量信號變換為頻域信號；基于所述頻域信號判定發動機是否點火不良；和基于所述頻率信號判定該車輛是否在不平道路上行駛。
11.如權利要求10所述的方法，還包括確定發動機速度并生成發動機速度信號；和以固定速率采樣所述發動機速度信號并生成采樣信號。
12.如權利要求11所述的方法，還包括從所述采樣信號中濾除大于預定頻率的成分并生成過濾的信號。
13.如權利要求12所述的方法，還包括縮減所述過濾的信號以與至少一個發動機循環對應，并生成縮減的數據信號。
14.如權利要求13所述的方法，還包括組合所述縮減的信號的采樣以形成所述向量信號。
15.如權利要求14所述的方法，還包括計算所述頻域信號的功率譜并生成功率譜信號。
16.如權利要求15所述的方法，還包括基于所述功率譜信號而計算能量信號。
17.如權利要求15所述的方法，還包括基于所述功率譜信號判定發動機是否點火不良。
18.如權利要求16所述的方法，還包括當所述能量信號大于一個能量閾值時，判定該車輛是在不平道路上行駛。
全文摘要
根據本發明的一種用于車輛的不平道路檢測系統，包括頻域模塊、發動機點火不良模塊和不平道路模塊。該頻域模塊將向量信號變換為頻域信號。發動機點火不良模塊基于該頻域信號判定發動機是否點火不良。不平道路檢測模塊基于該頻域信號判定該車輛是否在不平道路上行駛。
文檔編號G01M15/11GK1884993SQ20061009082
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月26日 優先權日2005年6月24日
發明者C·A·埃爾南德斯 申請人:通用汽車環球科技運作公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
