DE102004025566A1

DE102004025566A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals

Info

Publication number: DE102004025566A1
Application number: DE102004025566A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Steurer (FH); Helmut Dipl.-Ing. Christl; Mario Dr. Götz; Robert Dipl.-Phys. Ludwig
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-10-27
Also published as: WO2005100101A2; DE112005000377D2; WO2005100101A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals. Das Signal wird durch eine orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode verarbeitet, um Kriterien für die Bewertung des Signals zu erhalten. Diese Art der Zerlegung benötigt einen geringen Rechenaufwand und ist daher kostengünstig zu implementieren, beispielsweise in einem Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs zum Beeinflussen von Auslösekriterien oder -schwellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren und Bewerten eines Signals gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 15. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 21.

Um Informationen aus einem komplexen Signal zu gewinnen, kann dieses in mehrere verschiedene einfache Grundkomponenten zerlegt werden. Durch die Fourier-Transformation wird beispielsweise ein periodisches Signal in einfache, periodische Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude, d.h. in seine Grundkomponenten zerlegt. Eine derartige Zerlegung oder Transformation ermöglicht eine einfachere Weiterverarbeitung eines komplexen Signals, wie beispielsweise des Signals eines Sensors. Die Fourier-Transformation lässt jedoch keine Analyse des zeitlichen Auftretens verschiedener spektraler Signalkomponenten zu. Um eine Aussage über die zeitlichen Veränderungen der spektralen Signalkomponenten zu erhalten, müsste die Fourier-Transformation auf verschiedene Zeitfenster eines Signals angewandt werden. Dies führt jedoch zu einem grossen Rechenaufwand. Ausserdem ist die Auswahl der Zeitfenster insbesondere bei sich schnell ändernden Sensorsignalen kritisch, wie sie beispielsweise von Beschleunigungssensoren von Insassenschutzsystemen in Automobilen bei einem Crash erzeugt werden.

Mit einer Wavelet-Transformation oder -zerlegung wird dagegen ein Signal in zeitlich eng begrenzte, d.h. endlich lange und nur sehr wenige Schwingungen umfassende Signalelemente zerlegt, die als Wavelets bezeichnet werden. Daher erlaubt die Wavelet-Transformation auch eine Aussage über den zeitlichen Verlauf von spektralen Signalkomponenten und eignet sich beispielsweise zur Analyse der zeitlichen Änderungen von Frequenzanteilen eines Beschleunigungssensorsignals eines Insassenschutzsystems. Die Anwendung der Wavelet-Zerlegung bei Insassenschutzsystemen ist im Stand der Technik umfassend beschrieben, siehe z.B. DE 100 12 434 A1 , DE 196 11 973 A1 , DE 100 42 376 C1 , EP 1 101 657 A2 oder DE 197 13 087 A1 . Sie erfordert allerdings eine hohe Rechenleistung und benötigt daher digitale Signalprozessoren zur Implementierung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals vorzuschlagen, die eine geringe Rechenleistung benötigen und damit kostengünstig implementiert werden können. Ferner soll ein Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs vorgeschlagen werden, das ein besser an einen Crash angepasstes Auslöseverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 15 sowie ein Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs mit den Merkmalen von Anspruch 21 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, zur Analyse ein Signal mittels einer orthogonalen Zerlegung oder dazu äquivalenten Methode zu transformieren, um Kriterien für eine Bewertung des Signals zu erhalten. Diese Art der Signalanalyse kann mit einem geringeren Rechenaufwand als eine diskrete Fourier- oder eine Wavelet-Transformation durchgeführt werden und eignet sich daher besonders gut zur Analyse von Signalen von Beschleunigungssensoren eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs. Vereinfacht ausgedrückt schlägt die Erfindung an Stelle der Wavelet-Zerlegung eine gesamtheitliche orthogonale oder dazu äquivalente Zerlegung eines Signals vor.

Insbesondere kann dadurch ein Signal eindeutig zerlegt und einfach rekonstruiert werden, mittels einfacher mathematischer Schemata bzw. Rechenanweisungen, während eine Wavelet-Zerlegung aufwendige Signalprozessoren (DSP) erfordert. Das erfindungsgemässe Verfahren kann beispielsweise mit handelsüblichen Mikroprozessoren bei minimalem Ressourcenbedarf an Verarbeitungslaufzeit, Code und RAM umgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der orthogonalen Zerlegung in Frequenzanteile automatisch die Integralanteile eines Signals als Nebenprodukt abfallen und beispielsweise in einem Insassenschutzsystem weiterverarbeitet werden können Die Erfindung betrifft nun konkret ein Verfahren zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals. Das Signal wird durch eine orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode verarbeitet, um Kriterien für die Bewertung des Signals zu erhalten.

Insbesondere können durch die orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode innerhalb eines Zeitfensters des Signals Koeffizienten der Zerlegung bestimmt und für die Bewertung des Signals verwendet werden. Durch die Beschränkung auf ein begrenztes Zeitfenster kann der Rechenaufwand weiter verringert werden, da nur eine bestimmte Anzahl an Signalwerten, im Falle einer digitalen Verarbeitung an Signalsamples verarbeitet werden müssen.

Vorzugsweise wird eine oder mehrere Linearkombinationen einer Funktion der Koeffizienten der Zerlegung, insbesondere deren Absolutbeträge oder eine Funktion derer Absolutbeträge, bestimmt und für die Bildung von Bewertungskriterien für Oszillationen oder Schwingungen in Beschleunigungssignalen herangezogen. Wie im folgenden noch erläutert werden wird, hat es sich gezeigt, dass beispielsweise zur sicheren Unterscheidung unterschiedlicher Crashsituationen bei Fahrzeugen eine Detektion von Oszillationen oder Schwingungen im Signal eines Beschleunigungssensors sehr hilfreich ist.

Hierzu kann insbesondere mindestens ein Kriterium aus einer vollständigen oder nicht vollständigen orthogonalen Zerlegung des Signals gewonnen werden; das die im Signal enthaltenen Oszillationen bzw. Schwingungen quantifiziert.

Wie bereits erwähnt wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform das Signal von einem Beschleunigungssensor eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs erzeugt und das mindestens eine Kriterium zur Bildung oder Beeinflussung einer Auf- oder Abwertegröße für Triggerintegrale oder Auslöseschwellen des Insassenschutzsystems verwendet.

In einer bevorzugten Implementierung der Erfindung wird das Signal in eine Linearkombination von orthogonalen Basisfunktionen zerlegt und es werden anhand der Zerlegung Kriterien für die Bewertung von Oszillationen und/oder Schwingungen im Signal erzeugt.

Vorzugsweise erfolgt die Zerlegung dynamisch, in einem sich über den Zeitverlauf des Signals verschiebenden Fenster, um immer aktuelle Signalwerte zu verarbeiten bei begrenztem Rechenaufwand.

Die Zerlegung des Signals kann beispielsweise mittels einer Standard-Orthogonalisierungsmethode, insbesondere mittels des Gram-Schmidt-Verfahrens, oder mittels auf die orthogonalen Basisfunktionen angepasste Methoden oder Schemata erfolgen.

Aus den Absolutwerten der Zerlegung können dann ein oder mehrere Kriterien gebildet werden, die für eine Bewertung von Oszillationen und/oder Schwingungen im Signal eingesetzt werden.

Bevorzugtes Einsatzgebiet für die Erfindung sind Insassenschutzsysteme und hier genauer die Analyse und Bewertung von Signalen, die von Crash- oder Beschleunigungssensoren erzeugt werden. Daher ist das Sensorsignal vorzugsweise ein Beschleunigungssensorsignal und aus den in dem Signal enthaltenen Beschleunigungswerten werden fortlaufend Kenngrößen als die Kriterien ermittelt, die das Schwingungsverhalten des Signals innerhalb eines Zeitfensters quantifizieren.

Diese Kenngrößen werden dann vorzugsweise zur Generierung oder Anpassung von beschleunigungsbezogenen Auslöseschwellen oder Triggerintegralen des Insassenschutzsystems herangezogen, um das Auslöseverhalten des Insassenschutzsystems zu verbessern.

In einer konkreten bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Zerlegung eines das Signal darstellenden Datenstroms {a_n} in abzählbar viele orthogonale Basisfunktionen Ψ_i, i ∊ l, welche gegenüber einem inneren Produkt ⋖, ⋗ auf dem Raum aller Folgen {b_n} oder auf dem Raum aller Folgen {b_n} mit b ≠ 0 für höchstens endlich viele n orthogonal sind 〈Ψ_i,Ψ_j〉 = 0, j ≠ i und eine Entwicklung

mit n ∊ Z zulassen, wobei Z die Menge der ganzen Zahlen bezeichnet.

Hierbei können die orthogonalen Basisfunktionen Ψ_i so gewählt werden, dass sie aus dem Signal herauszuarbeitende Basisinformationen beschreiben.

Weiterhin können die Koeffizienten α_i der Entwicklung als Kenngrössen zur Steuerung oder Beeinflussung einer Auslöseentscheidung eines Insassenschutzsystems, welches zur Verarbeitung des Signals ausgebildet ist, gewichtet und bewertet werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals, mit einem Mikroprozessor und einem Speicher. Der Mikroprozessor ist programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert, um das Signal durch eine orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode zu verarbeiten, um Kriterien für die Bewertung des Signals zu erhalten.

Insbesondere ist der Mikroprozessor programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert, um durch die orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode innerhalb eines Zeitfensters des Signals Koeffizienten der Zerlegung zu bestimmen und für die Bewertung des Signals zu verwenden.

Der Mikroprozessor kann ferner programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert sein, um eine oder mehrere Linearkombinationen einer Funktion der Koeffizienten der Zerlegung, insbesondere deren Absolutbeträge oder eine Funktion deren Absolutbeträge, zu bestimmen und für die Bildung von Bewertungskriterien für Oszillationen oder Schwingungen in Beschleunigungssignalen heranzuziehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mikroprozessor programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert, um mindestens ein Kriterium aus einer vollständigen oder nicht vollständigen orthogonalen Zerlegung des Signals zu gewinnen; das die im Signal enthaltenen Oszillationen bzw. Schwingungen quantifiziert.

Gemäß dem bevorzugten Einsatzgebiet der Erfindung kann der Mikroprozessor programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert sein, um das von einem Beschleunigungssensor eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs erzeugte Signal zu verarbeiten und das mindestens eine Kriterium zur Bildung oder Beeinflussung einer Auf- oder Abwertegröße für Triggerintegrale oder Auslöseschwellen des Insassenschutzsystems zu verwenden.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs, das dadurch gekennzeichnet ist , dass es eine Vorrichtung nach der Erfindung und wie oben erläutert aufweist.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 ein Diagramm mit qualitativen Verläufen von Beschleunigungssensorsignalen bei zwei Zusammenstössen mit jeweils unterschiedlichen Fahrzeug- und Aufprallgeschwindigkeiten;
2 den qualitative Verlauf des Geschwindigkeitsverlusts bei jedem der beiden Zusammenstösse von 1;
3 eine Struktur einer Vorrichtung zum Verarbeiten des Signals eines Beschleunigungssensors einer Insassenschutzeinrichtung eines Kraftfahrzeugs durch eine Orthogonalzerlegung gemäß der Erfindung;
4 ein Diagramm mit einem Beispiel einer Orthogonalzerlegung eines Beschleunigungssensorsignals bei einem ersten Zusammenstoss mit hoher Geschwindigkeit;
5 ein Diagramm mit einem Beispiel einer Orthogonalzerlegung eines Beschleunigungssensorsignals bei einem zweiten Zusammenstoss mit niedriger Geschwindigkeit;
6 die Abschnittsintegrale der Beschleunigungssignalverläufe der beiden Zusammenstösse von 4 und 5;
7 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Analysieren von Beschleunigungssensorsignalen gemäß der Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse eines Beschleunigungssensorsignals; und
10 ein detailliertes Ablaufdiagramm des Bewertungsschrittes des Ablaufdiagramms von 9
Im folgenden sind gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen aus dem Bereich der Insassenschutzvorrichtungen bzw. -systemen für Fahrzeuge erläutert. Bei diesem Anwendungsgebiet zeigen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Orthogonalzerlegung besonders deutlich, da bereits mit einer relativ geringen Rechnerleistung eine Zerlegung in nahezu Echtzeit vorgenommen werden kann und damit für eine zuverlässige und exakte Auslöseentscheidung durch das Insassenschutzsystem wertvolle Informationen in Form der Zerlegungskomponenten zur Verfügung stehen.
Prinzipiell sind Vorrichtungen und Verfahren, die sicherheitsrelevante beschleunigungsabhängige Werte, beispielsweise die aktuelle Beschleunigung, das Beschleunigungsintegral oder die Geschwindigkeitsänderung in einem Fahrzeug messen, bekannt. Ausserdem sind Vorrichtungen bekannt, die Insassenschutzeinrichtungen von Fahrzeugen in Abhängigkeit von den gemessenen sicherheitsrelevanten Werten auslösen. Dazu werden diese Werfe oder daraus abgeleitete Triggerintegrale mit Schwellwerten zur Auslösung, sogenannten Auslöse- oder Triggerschwellen verglichen. Die Auslösung durch einen einfachen Vergleich mit einer Auslöse- oder Triggerschwelle hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht für alle Unfallszenarien gleich gut geeignet ist. Mit anderen Worten kann es zu Unfallszenarien kommen, bei denen eine Crashsignatur, also die Signale von Beschleunigungs- und/oder Crashsensoren auf eine Auslösung hinweisen, da die vorgegebenen Auslöse- oder Triggerschwellen überschritten werden, tatsächlich jedoch keine Auslösung erforderlich ist.
Vor allem erweist sich eine optimale Anpassung der herkömmlichen Verfahren zur Crashklassifizierung mittels eines Vergleichs mit einer Auslöse- oder Triggerschwelle auf einen Fahrzeugtyp als schwierig, da für gewisse Crashszenarien innerhalb von geforderten Auslösezeiten anhand von Fensterintegralen alleine keine Unterscheidung zwischen Auslöse- und Nicht-Auslösefall getroffen werden kann.
Mittels der Diagramme der 1 und 2 wird nun diese Problematik anhand eines Auslösecrashes mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h, welcher mit 40% Überdeckung gegen einen deformierbare Barriere gefahren wurde (ODB), und anhand eines Nichtauslöseversuchs mit einer Geschwindigkeit von 15 km/h gegen die starre Wand erläutert.
In 1 ist der Verlauf des Signals eines Beschleunigungssensors eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs dargestellt, einmal für den Fall des Auslösecrashes (Bezugszeichen 10) und das andere Mal für den Fall des Nichtauslöseversuchs (Bezugszeichen 12). Anhand des in 1 dargestellten zeitlichen Verlaufs des Sensorsignals ist zu erkennen, dass der Signalverlauf 10 beim Auslösecrash relativ starke Oszillationsanteile aufweist. Dagegen weist der Signalverlauf 12 beim Nichtauslöseversuch nur schwache oder gar keine Oszillationsanteile auf.
Anhand von 2, in welcher der Geschwindigkeitsverlust, also das Integral der Beschleunigung dargestellt ist, ist zu erkennen; dass in dem Zeitbereich bis zur geforderten Auslösung des ODB-Versuchs (in 2 durch die gestrichelte senkrechte Linie bei etwa 35 ms dargestellt) die durch Integration der Beschleunigungen erhaltenen Geschwindigkeiten für den ODB-Versuch (Verlauf 14) wesentlich kleiner sind als für den Nicht-Auslöseversuch (Verlauf 16). Gleichzeitig weist der ODB-Versuch signifikant größere Oszillationen bzw. Schwingungen im Beschleunigungssignal auf (siehe 1).
Ähnliche Phänomene treten im Vergleich von Pfahl und Unterfahrversuchen mit Nichtauslöseversuchen auf. Gleichzeitig zeichnen sich Auslösecrashes generell durch starke Oszillationen in den Beschleunigungssignalen aus. Es hat sich gezeigt, dass die Oszillationsanteile im Signalverlauf daher eine relativ sichere Unterscheidung zwischen einer Situation ermöglichen, bei der die Auslösung eines Insassenschutzsystems erforderlich ist, und einer Situation, bei der keine Auslösung erforderlich ist. Eine Detektion von Oszillationen durch eine Analyse des Beschleunigungssensorsignals kann also wertvolle Informationen für eine Auslösung eines Insassenschutzsystems liefern.
Im folgenden wird nun ein mathematisch fundiertes Verfahren zur Bildung von Kriterien für die Quantifizierung der durch die physikalischen Merkmale des Crashes bedingten Oszillationen gemäß der Erfindung aufgezeigt. Dieses Verfahren kann für die Beeinflussung der Auslöseentscheidung verwendet werden, etwa durch eine Anpassung von Schwellen oder Triggerintegralen. Nach der Erfindung wird hierzu eine Zerlegung der Beschleunigungs(sensor)signale in eine Linearkombination von Orthogonalen Basisfunktionen vorgenommen. Diese Zerlegung erfolgt nicht starr, d.h. auf das ganze Beschleunigungssignal bezogen, sondern dynamisch; d.h. in einem sich über den Zeitverlauf verschiebenden Fenster. Diese Art der Orthogonalen Zerlegung wird hier als gleitende Orthogonalzerlegung bezeichnet.
Die Absolutwerte der Koeffizienten dieser Zerlegung quantifizieren das Ausmaß, mit dem die der orthogonalen Basisfunktion entsprechende Schwingungsstruktur im entsprechenden Frequenzband innerhalb des Fensters in das Beschleunigungssignal eingeht. Durch die Verwendung geeigneter Basisfunktionen können die notwendigen Berechnungen einfach gehalten und auf Additionen, Subtraktionen und Bit-Shift-Operationen im Byte- oder Word-Bereich reduziert werden. Dies ist inbesondere deshalb von Bedeutung, weil Rechnerressourcen in Insassenschutzsystemen knapp sind und daher eine Gleitkommaarithmetik nur eingeschränkt zur Verfügung steht. Aus den Absolutwerten der Zerlegungskoeffizienten können schließlich, etwa durch Summation oder Bildung eines Fensterintegrals, ein oder mehrere Kriterien gebildet werden; die für eine Bewertung der Oszillationen und Beeinflussung von Auslöseentscheidungen eingesetzt werden können.
Im folgenden werden nun kurz theoretische Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Hintergrund der konkreten Anwendung bei einem Auslösealgorithmus eines Insassenschutzsystems erläutert. Einem Auswertealgorithmus eines Systems zum Insassenschutz werden ein oder mehrere Sensorsignale in Form eines diskreten Datenstromes {a_n} zugeführt. Dies können z.B. Beschleunigungen, Drücke, Geschwindigkeitsänderungen in einem Zeitfenster oder daraus abgeleitete Größen wie z.B. Mittelwerte; Richtungsgrößen, gefilterte Werte als Digitalinformation durch äquidistante oder nicht äquidistante Tastung sein. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nun die Zerlegung des Datenstroms {a_n} in abzählbar viele Basisfunktionen Ψ_i, i ∊ l, welche gegenüber einem inneren Produkt ⋖, ⋗ auf dem Raum aller Folgen {b_n} oder auf dem Raum aller Folgen {b_n} mit b ≠ 0 für höchstens endlich viele n orthogonal sind 〈Ψi, Ψj〉 = 0, j ≠ i (1), und eine Entwicklung
zulassen. Dabei bezeichnet Z die Menge der ganzen Zahlen. Aufgrund von (1) haben die Koeffizienten die einfache Darstellung
Aus der Orthogonalität folgt, dass diese Zerlegung eindeutig ist. Insbesondere tritt kein Informationsverlust und keine Informationsredundanz auf. Die orthogonalen Basisfunktionen Ψ_i werden nun so gewählt, dass sie aus dem Signal herauszuarbeitende Basisinformationen beschreiben. Dann geben die Koeffizienten a_i an, in welchem Ausmaß die zu Ψ_i gehörige Basisinformation im Signal {a_n} enthalten ist.
Zur Steuerung oder Beeinflussung einer Auslöseentscheidung für Rückhaltemittel können diese Koeffizienten gewichtet und bewertet werden. Die Zerlegung des Signals kann zum Beispiel, aber nicht ausschließlich durch Standard-Orthogonalisierungsmethoden (z.B. Gram-Schmidt-Verfahren) oder auf die Basisfunktionen angepasste effiziente Methoden oder Schemata erfolgen.
Im folgenden wird nun ein typisches Anwendungsbeispiel der Erfindung in Zusammenhang mit dem in 8 dargestellten Ablaufdiagramm erläutert. Einem Auslösealgorithmus für die Generierung einer Auslöseentscheidung für Rückhaltemittel liegt ein diskretes Beschleunigungssignal a = {a_n} vor (Schritt S1). Die orthogonale Zerlegung wird zum Zeitpunkt n = n₀ durchgeführt. Als inneres Produkt wird die Bilinearform
verwendet. Die orthogonalen Basisfunktionen sind für k ≥ 0 und i ∊ 2^k+1 Z gegeben durch
Danach gilt:
Das Beschleunigungssignal a = {a_n} kann nun vollständig in die orthogonalen Basisfunktionen entwickelt werden gemäß
wobei die Koeffizienten dieser orthogonalen Zerlegung gegeben sind durch
Insbesondere erhält man hieraus durch Einsetzen der speziellen Funktionen Ψ_i,k aus Gleichung (2) die Gleichheiten
und allgemein
Vom Standpunkt der numerischen Berechnung handelt es sich bei den Koeffizienten um spezielle Signalmittelwerte entsprechender Ordnung. Für den Einsatz in Echtzeitanwendungen von Auslösealgorithmen im Insassenschutz erlaubt dies einfache Schemata für die Koeffizientenberechnung.
Nun sei 0 ≤ p < ∞. Nach einer unvollständigen Zerlegung des Signals a bis zur Ordnung p ist
mit dem Restglied
Eine Betrachtung der Koeffizienten c_i,k (R_p(a, ·)) der orthogonalen Entwicklung des Restes R_p(a, ) ergibt
Die Reste R_p(a, ·) sind also orthogonal zu den Basisfunktionen niedriger Ordnung. Formel (4) beschreibt somit das Ergebnis nach dem Vorgang, dass alle durch die Funktionen Ψ_i,k mit k ≤ p repräsentierten Signalanteile aus dem Signal herausfaktorisiert wurden.
Die Ergebnisse dieser Anwendung können folgendermaßen festgehalten werden:
Die Koeffizienten c_i,k (a), k ≥ 0,i ∊ 2^k+1 Z, beschreiben den eindeutigen Anteil der Bausteine der Form Ψ_i,k im Signal a. Dieser Anteil ist lokalisiert auf das Zeitfenster [i, i – 2^k+1 + 1]. Eine Größe für die Bewertung des Anteils dieser Signalbausteine einer festen Ordnung kann zum Beispiel eine lokale L¹-Norm
oder jede andere sinnvolle Funktion der zugehörigen Koeffizienten sein.
Die Reste R_p(a, ·) beschreiben die Gleichanteile der Ordnung ≥ p nach Ausfaktorisierung der Zerlegungen niedrigerer Ordnung.
Zur Bewertung der Signalanteile muss die Zerlegung nicht vollständig durchgeführt werden; sondern nur im betrachteten Zeitfenster bis zur betrachteten Ordnung.
Die Zerlegung in orthogonale Signalbausteine ist eindeutig, d.h. Informationsredundanz tritt nicht auf.
Die Zerlegung in orthogonale Signalbausteine ist umkehrbar, d.h. durch eine effiziente Methode lässt sich aus den Koeffizienten bzw. aus den Koeffizienten bis zu einer gegebenen Ordnung und dem Rest das Signal vollständig rekonstruieren.
Beim in 8 dargestellten Verfahren wird nun in einem Schritt S2 zuerst ein Zeitfenster [i, i-2^k+1 + 1] ausgewählt, für welches die orthogonale Zerlegung des diskreten Signals {a_n} durchgeführt werden soll. Nach Auswahl des Zeitfensters werden in einem darauffolgenden Schritt S4 die Koeffizienten c_i,k(a) im Zeitfenster gemäß der oben angegebenen Gleichung berechnet. Anschliessend wird in einem Schritt S4 entweder eine lokale L1-Norm oder eine andere Funktion aus den im Zeitfenster berechneten Koeffizienten c_i,k(a) gebildet. Schließlich wird in einem Schritt S5 der Anteil der Oszillationen oder Schwingungen im Signal a anhand der gebildeten Norm oder anderen Funktion bewertet.
Die Anwendung der Erfindung im Auslösealgorithmus wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels als Rechenanweisung näher erläutert. Eine Struktur des im folgenden beschriebenen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Ein entsprechendes Ablaufdiagramm ist in 9 dargestellt.
Gegeben sei eine Folge {a_n} von Beschleunigungswerten 18, die einem Crashklassifizierungsalgorithmus als digitales Signal vorliegen (Schritt S6). Herkömmlicherweise liegt die Tastrate dieser Beschleunigungswerte bei z.B. etwa 1 ms, etwa 0.5 ms oder etwa 0.25 ms. Das vorliegende Verfahren ist jedoch von dieser Tastrate unabhängig. Zudem ist es möglich, statt der Beschleunigungswerte aus den Beschleunigungswerten gebildete Größen zu analysieren.
Als Fensterlänge für die Analyse wird 2^m gewählt (Schritt S7). Typischerweise wird man sich für m = 3, m = 4, m = 5 oder m = 6 entscheiden. Das im folgenden vorgestellte Verfahren ist jedoch von dem speziellen Wert für m unabhängig.
Zur Ermittlung von Kenngrößen für die Bewertung der Oszillationen des Signals zum Zeitpunkt n in einem dem Zeitpunkt n vorangehenden Fenster der Länge 2^m wird folgende Vorgehensweise verwendet: Die Koeffizienten c[1,0], c[1,1], ..., c[1,2^m-1 – 1] erster Ordnung werden als Differenz aufeinanderfolgender Paare von Beschleunigungswerten gebildet und normalisiert mittels Teilung durch 2 (Schritt S8): c[1,i] ≔ (an-2i – an-2i-1)/2 (i = 0, ..., 2m-1 – 1).
Gleichzeitig werden die Mittelwerte μ[1,i] ≔ (a2-2i + an-2i-1)/2 (i = 0, ... 2m-1 – 1)der Beschleunigungspaare bestimmt (Schritt S9).
Aus diesen Mittelwerten werden durch Differenzenbildung die Koeffizienten zweiter Ordnung (Schritt S11) c[2,i] ≔ (μ[1,2i] – μ[1,2i – 1])/2 (i = 0, ..., 2m-2 – 1),sowie die Mittelwerte berechnet (Schritt S12) μ[2,i] ≔ (μ[1,2i] + μ[1,2i – 1])/2 (i = 0, ..., 2m-2 – 1).
Dieses Verfahren der sukzessiven Differenzen- und Summenbildung mit Division durch 2 wird solange fortgesetzt (Schleife mit den Schritten S11-S14), bis der Koeffizient c[m, 0] der Ordnung m und der Mittelwert μ[m, 0] =
bestimmt ist.
Die Koeffizienten c[l, j] entsprechen damit einer gleitenden Entwicklung nach orthogonalen Basisfunktionen gemäß Gleichung (2). Demzufolge können die Beschleunigungen innerhalb des betrachteten Fensters durch Gleichung (3) rekonstruiert werden. Zwar wird diese Formel in einer expliziten Umsetzung des Verfahrens nicht verwendet, zeigt aber, dass die Koeffizienten c[l, s] den Signalanteil der Oszillationen vom Typ der Gleichung (2) (siehe 5) umkehrbar eindeutig beschreiben. Es sei hier erwähnt; dass die Koeffizienten c[l, s] vom Analysezeitpunkt n abhängen, also c[l, s] = c[l, s] (n). Hat man das Ziel, diese Koeffizienten c[l, s] (n) in einem Crash-Klassifizierungsalgorithmus bei jedem Takt fortlaufend zu berechnen, so lassen sich die Formeln für c[l, s] auf einfachste Weise auch über first-in-first-out Ringpuffer verwalten. Die Division durch 2 entspricht einer Normalisierung dieser Größen. Sie kann je nach Zielsetzung in einer praktischen Umsetzung der Kriterien etwa zur Laufzeiteinsparung vernachlässigt werden. Als Nebenprodukt fallen die Abschnittsintegrale (Fensterintegrale) verschiedener Fensterlänge ab: Sie bilden sozusagen die homokinetischen Anteile, welche bei der Analyse aus den Frequenzanteilen abgespalten werden.
Aus den Beträgen |c[l, s](n)| werden in einem zweiten Schritt Kriterien zur Quantifizierung der Schwingungen entwickelt (Schritt S15 in 9 und Schritte S151 bis S155 in 10). Unter anderem bietet es sich an, gewichtete Mittel
zu bilden, wobei die nichtnegativen Gewichte b[k, s] als dyadische Zahlen gewählt werden können, um die auszuführende Multiplikation über Bit-Shift Operationen realisieren zu können. Um die Kriterien flexibel und parametrisierbar zu halten, ist es mitunter möglich, die Zahlen b[k, s] in einem programmierbaren ROM-Speicher zu halten, so dass die Kriterien auf verschiedene Fahrzeugtypen kalibriert werden können. Bei Bedarf können dann die Zahlen aus dem Speicher geladen (Schritt S151) und die gewichteten Mittel mit den geladenen Zahlen berechnet werden (Schritt S152). Ist speziell b[k, s] = 0 für k ≠ k₀ gewählt, so bedeutet dies, dass in s(n) nur Oszillationen des zu k₀ gehörigen Frequenzbereiches eingehen. Auf diese Weise kann man einen oder mehrere Frequenzbereiche für die Analyse isolieren.
In einem dritten Schritt kann über eine Speicherung der zum Zeitpunkt n ermittelten Größe s(n) in einem Ringpuffer und Bildung von Fensterintegralen die zeitliche Entwicklung der Oszillationen näher erfasst werden (Schritte S153 und S154). Diese Fensterintegrale über die Größen s(n) können zum Beispiel als Aufwertungen zu Triggerintegralen addiert werden (Schritt S155), um bei gehäuftem Auftreten von Oszillationen in Auslösecrashes (wie ODB, Pfahl- oder Unterfahrversuche) eine Auslösung der Rückhaltemittel zu beschleunigen (Gurtstraffer, Luftsäcke) oder zu verlangsamen (Gurtkraftbegrenzer). Sie können aber auch – gegen Schwellen verglichen – zur Herauf- oder Herabschaltung von herkömmlichen Triggerschwellen verwendet werden. Gleichzeitig besteht die Option, die aus den Koeffizienten c[k, s] gebildeten Kriterien während des Crashverlaufs über einen Crashfortschrittszähler gesteuert variabel einzusetzen oder eine Beeinflussung der Auslöseentscheidung nur dann zuzulassen, wenn die herkömmlichen Triggerintegrale eine gewisse untere Schwellenführung überschritten haben. Letztere Methode verhindert, dass Nichtauslösesituationen aus sogenannten Misuse-Tests wie Bordstein- oder Schwellenüberfahrten, welche in ihren Beschleunigungssignaturen niedrige Beschleunigungsintegrale, aber starke Oszillationen aufweisen, zur Auslösung führen können.
Die 4 und 5 zeigen den Wert von Koeffizienten in einer abstrakten Größenordnung (z.B. in LSB) als Ergebnis einer Orthogonalzerlegung eines typischen ODB-Auslöseversuchs (4) und eines typischen Nichtauslöseversuchs (5). In beiden Fig. Sind die Graphen von jeweils drei Koeffizienten als Funktion der Zeit, d.h. drei Kurven dargestellt. Die bei dem ODB-Auslöseversuch auftretenden Oszillationen erzeugen wesentlich mehr Wert der Koeffizienten als beim Nichtauslöseversuch.
Schließlich zeigt 6 die Abschnittsintegrale 20 und 22 über die Grösse s(t) = |c[1, 0](t)| + |c[2, 0](t)| + |c[3, 0](t)|. Bereits ab einem Zeitpunkt von etwa 6 ms divergieren die Abschnittsintegrale 20 und 22 so deutlich, dass eine sichere Unterscheidung des ODB-Auslöseversuchs und des Nichtauslöseversuchs möglich ist.
7 zeigt eine mögliche Implementierung der Erfindung in einem Steuergerät für eine Insassenschutzsystem für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Zwei Beschleunigungssensoren 24 und 26 sind im Steuergerät zur Messung von Beschleunigungen vorgesehen, die im Falle eines Crashes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt auftreten. Den Beschleunigungssensoren sind Analog-Digital-Wandler 28 bzw. 30 nachgeschaltet, welche erzeugte analoge Signale der Beschleunigungssensoren 24 und 26 mit einer vorgegebenen Taktrate abtasten und digitalisieren. An einen Mikroprozessor 32 im Steuergerät werden dann die digitalisierten Sensorsignale als Folgen {a_n} von Beschleunigungswerten zur weiteren Verarbeitung übertragen. Der Mikroprozessor kann ein handelsüblicher Prozessor sein, wie er in Steuergeräten für Insassenschutzsysteme eingesetzt wird. Der Prozessor 32 führt ein Programm aus, welches das erfindungsgemäße Verfahren implementiert und in einem Speicher 34, beispielsweise einem ROM oder einem programmierbaren Speicher wie einem EEPROM oder Flash-PROM, abgelegt ist. Im Speicher 34 befinden sich auch die oben erwähnten dyadischen Zahlen b[k, s], die auf das Kraftfahrzeug kalibriert sind. Als Ergebnis der Verarbeitung des Beschleunigungssensorsignale erzeugt der Mikroprozessor 32 eine Auslösesignal 36 für Schutzmittel wie beispielsweise Airbags, automatische Gurtstraffer oder dergleichen Rückhaltemittel. Zur Verarbeitung der Beschleunigungssensorsignale implementiert der Mikroprozessor 32 insbesondere die in der 3 dargestellte Struktur.
Eine Erweiterung des hier anhand der orthogonalen Basisfunktionen gemäß Gleichung (2) erläuterten Verfahrens besteht im Einsatz anderer Basisfunktionen-Typen, welche andere Signalbausteine aus dem Signal faktorisieren und auf andere Formeln für die Berechnung der entsprechenden Koeffizienten führen, auf welche die oben vorgestellten Methoden zur Generierung von Kriterien angewendet werden können. Für die praktische Umsetzung in einem Auslösealgorithmus sollten die hierzu verwendeten orthogonalen Basisfunktionen möglichst einfach gehalten werden und möglichst einen endlichen Wertebereich aus dyadischen Zahlen besitzen.

10: Beschleunigungssensorsignal bei einem ODB-Crash
12: Beschleunigungssensorsignal bei einem Nichtauslöseversuch
14: Geschwindigkeitsverlust bei einem ODB-Crash
16: Geschwindigkeitsverlust bei einem Nichtauslöseversuch
18: Datenstroms {a_n}
20: Abschnittsintegral über die Grösse s(t) = |c[1, 0](t)| + |c[2, 0](t)|
: + |c[3, 0](t)| beim ODB-Auslöseversuch
22: Abschnittsintegral über die Grösse s(t) = |c[1, 0](t)] + |c[2, 0](t)|
: + |c[3, 0](t)| beim Nichtauslöseversuch
24, 26: Beschleunigungssensor
28, 30: Analog-Digital-Wandler
32: Mikroprozessor
34: Speicher
36: Auslösesignal

Claims

Verfahren zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal durch eine orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode verarbeitet wird, um Kriterien für die Bewertung des Signals zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode innerhalb eines Zeitfensters des Signals Koeffizienten der Zerlegung bestimmt und für die Bewertung des Signals verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Linearkombinationen einer Funktion der Koeffizienten der Zerlegung, insbesondere deren Absolutbeträge oder eine Funktion deren Absolutbeträge, bestimmt und für die Bildung von Bewertungskriterien für Oszillationen oder Schwingungen in Beschleunigungssignalen herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kriterium aus einer vollständigen oder nicht vollständigen orthogonalen Zerlegung des Signals gewonnen wird; das die im Signal enthaltenen Oszillationen bzw. Schwingungen quantifiziert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal von einem Beschleunigungssensor eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs erzeugt und das mindestens eine Kriterium zur Bildung oder Beeinflussung einer Auf- oder Abwertegröße für Triggerintegrale oder Auslöseschwellen des Insassenschutzsystems verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in eine Linearkombination von orthogonalen Basisfunktionen zerlegt wird (S2-S4; S7-S14) und anhand der Zerlegung Kriterien für die Bewertung von Oszillationen und/oder Schwingungen im Signal erzeugt werden (S5; S15, S151-S155).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung dynamisch erfolgt, in einem sich über den Zeitverlauf des Signals verschiebenden Fenster(S2; S7).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung des Signals mittels einer Standard-Orthogonalisierungsmethode, insbesondere mittels des Gram-Schmidt-Verfahrens, oder mittels auf die orthogonalen Basisfunktionen angepasste Methoden oder Schemata erfolgt (S3-S4; S8-S14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Absolutwerten der Zerlegung ein oder mehrere Kriterien gebildet werden, die für eine Bewertung von Oszillationen und/oder Schwingungen im Signal eingesetzt werden (S5; S15, S151-S155).
Verfahren nach 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal ein Beschleunigungssensorsignal ist und aus den in dem Signal enthaltenen Beschleunigungswerten fortlaufend Kenngrößen als die Kriterien ermittelt werden, die das Schwingungsverhalten des Signals innerhalb eines Zeitfensters quantifizieren
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngrößen zur Generierung oder Anpassung von beschleunigungsbezogenen Auslöseschwellen oder Triggerintegralen des Insassenschutzsystems herangezogen werden (S155).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die Zerlegung eines das Signal darstellenden Datenstroms {a_n} in abzählbar viele orthogonale Basisfunktionen Ψ_i, i ∊ l umfasst, welche gegenüber einem inneren Produkt ⋖, ⋗ auf dem Raum aller Folgen {b_n} oder auf dem Raum aller Folgen {b_n} mit b ≠ 0 für höchstens endlich viele n orthogonal sind 〈Ψ_i , Ψ_j〉 = 0, j ≠ i und eine Entwicklung
mit n ∊ Z zulassen, wobei Z die Menge der ganzen Zahlen bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die orthogonalen Basisfunktionen Ψ_i so gewählt werden, dass sie aus dem Signal herauszuarbeitende Basisinformationen beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten α_i der Entwicklung als Kenngrössen zur Steuerung oder Beeinflussung einer Auslöseentscheidung eines Insassenschutzsystems, welches zur Verarbeitung des Signals ausgebildet ist, gewichtet und bewertet werden.
Vorrichtung zum Analysieren und Bewerten eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals, mit einem Mikroprozessor (32) und einem Speicher (34), dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert ist, um das Signal durch eine orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode zu verarbeiten, um Kriterien für die Bewertung des Signals zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert ist, um durch die orthogonale Zerlegung oder zu dieser äquivalenten Methode innerhalb eines Zeitfensters des Signals Koeffizienten der Zerlegung zu bestimmen und für die Bewertung des Signals zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert ist, um eine oder mehrere Linearkombinationen einer Funktion der Koeffizienten der Zerlegung, insbesondere deren Absolutbeträge oder eine Funktion deren Absolutbeträge, zu bestimmen und für die Bildung von Bewertungskriterien für Oszillationen oder Schwingungen in Beschleunigungssignalen heranzuziehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert ist, um mindestens ein Kriterium aus einer vollständigen oder nicht vollständigen orthogonalen Zerlegung des Signals zu gewinnen; das die im Signal enthaltenen Oszillationen bzw. Schwingungen quantifiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch eingerichtet bzw. programmiert ist, um das von einem Beschleunigungssensor eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs erzeugte Signal zu verarbeiten und das mindestens eine Kriterium zur Bildung oder Beeinflussung einer Auf- oder Abwertegröße für Triggerintegrale oder Auslöseschwellen des Insassenschutzsystems zu verwenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (32) programmtechnisch ferner eingerichtet bzw. programmiert ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14 ausführen zu können.
Steuergerät für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeugs dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20 aufweist.