CN111332227B - 用于机动车的集成传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的集成传感器装置(10)，该集成传感器装置包括电路板(3)以及布置在电路板(3)上的第一单元(1)和第二单元(2)，第一单元包括第一传感器(11)和主处理器(13)，第二单元包括第二传感器(21)和从处理器(23)，其中，第一单元和第二单元被设计成针对相同的参量进行数据采集和处理，其中，主处理器(13)被构造成能对由第一传感器(11)采集的数据进行处理以生成主传感器数据，从处理器(23)被构造成能对由第二传感器(21)采集的数据进行处理以生成从传感器数据，其中，所述集成传感器装置(10)被构造成，能对主传感器数据和从传感器数据进行比较，并根据比较结果确定该集成传感器装置的最终的输出数据。

Description

用于机动车的集成传感器装置

技术领域

本发明涉及一种高安全等级的用于机动车的集成传感器装置。本发明还涉及一种机动车。

背景技术

当今的机动车通常装备有传感器装置，以用于为机动车的控制装置或其它车辆系统提供对于控制机动车运行所需的数据。尤其是在至少部分地自主行驶的机动车中，控制装置基于由传感器装置提供的数据例如做出有关危急情况的判断，并产生相应的控制信号以控制相应车辆系统做出反应，例如紧急制动或拐弯避让。在此，传感器装置所提供的数据的正确性对于车辆安全非常重要。

目前，机动车上应用的传感器装置通常只集成有一个传感器和一个处理器，传感器用于采集与机动车或其周围环境有关的数据，而处理器用于对由传感器采集的数据进行处理，例如滤波、标定、归一化等，以便输出所检测的参量的值，例如机动车的位置、速度、加速度、车轮转速、横摆角速度(Yaw Rate)、侧倾角速度(Roll Rate)、俯仰角、车内温度等。每个传感器装置一般只能采集处理一个传感器的数据。

因此，现有的传感器装置的功能安全等级要求没有覆盖汽车领域，产品功能安全无法保证。例如，惯性测量单元(IMU)属于车辆稳定系统(ESP)专用的传感器装置，其用于采集和输出横摆角速度、X方向加速度和Y方向加速度，侧翻(Rollover)传感器属于翻滚保护系统专用的传感器装置，其用于采集和输出侧倾角速度、Y方向加速度和Z方向加速度，它们均属于重要的车辆安全保护系统，要求达到安全等级ASIL D的标准。但只使用一个传感器的现有的传感器装置仅具有安全等级ASIL B，无法达到该要求。

此外，传感器装置的功能单一化，每个车辆功能需要集成独立的传感器资源。例如，ESP系统需要集成专用的惯性测量单元(IMU)，车辆翻滚保护系统需要集成专用的侧翻传感器。由于机动车往往具有多个车辆功能，通常需要在机动车中安装许多传感器装置，因此成本高，造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高安全等级的用于机动车的集成传感器装置，其能至少部分地克服现有技术的上述缺陷。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求、下面的描述以及附图来给出。

因此，通过本发明提供了一种用于机动车的集成传感器装置，该集成传感器装置包括电路板以及布置在电路板上的第一单元和第二单元，第一单元包括第一传感器和主处理器，第二单元包括第二传感器和从处理器，其中，第一单元和第二单元被设计成针对相同的参量进行数据采集和处理，其中，主处理器被构造成能对由第一传感器采集的数据进行处理以生成主传感器数据，从处理器被构造成能对由第二传感器采集的数据进行处理以生成从传感器数据，其中，所述集成传感器装置被构造成，能对主传感器数据和从传感器数据进行比较，并根据比较结果确定该集成传感器装置最终的输出数据。

根据本发明的集成传感器装置是一个整体部件，并且一件式地在机动车中安装和使用。与具有仅一个传感器和一个处理器的现有的传感器装置不同，根据本发明的集成传感器装置集成了两个传感器和两个处理器协同工作，其中分别一个传感器和处理器构成一个数据采集处理单元。这两个单元是冗余的，即，具有相同的构造，对相同的参量进行相同的数据采集和处理，并分别给出一路传感器数据。因此，在对所述参量进行检测时，根据本发明的集成传感器装置可以采用这两路传感器数据进行安全性验证，从而提高输出数据的安全性。由于集成了两个独立的传感器，因此利用冗余的硬件和软件配置实现了ASIL D安全等级的需求。显然可以设想，当两个单元中的一个出现故障时，还能利用另一个单元承担检测任务，因此根据本发明的集成传感器装置具有较大的容错性。或者，也可根据需求仅使用其中一个单元来进行检测。即，可将机动车的安全等级选择性地配置为安全等级ASIL B或ASIL D。由此，可根据需求灵活调整软件和硬件的配置，软硬件是可裁减的。

在本发明的集成传感器装置的优选的设计方案中，第一传感器和第二传感器分别被构造成惯性传感器、尤其是5轴惯性传感器。5轴惯性传感器是一种新近研发的惯性传感器，其可同时采集和输出机动车的横摆角速度、侧倾角速度以及X、Y、Z方向的加速度。因此，代替开头所述的使用惯性测量单元(IMU)来采集有关横摆角速度、X方向加速度和Y方向加速度的数据并且使用侧翻传感器来采集有关侧倾角速度、Y方向加速度和Z方向加速度的数据，一个5轴惯性传感器就能满足ESP和车辆翻滚保护系统这两个系统的需求。由此，相对于需要使用惯性测量单元(IMU)和侧翻传感器的现有机动车相比，不但减少了需要使用的传感器装置的数量，节省了资源，而且大大提高了检测结果的可靠性和安全性。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，第一传感器和第二传感器以十字交叉的方式上下叠置地分别布置在电路板的两侧上。在此，“十字交叉”意味着两个传感器的x轴彼此垂直，当然，y轴也彼此垂直。“上下叠置”意味着，第一传感器和第二传感器在同一位置布置在电路板的上、下两侧上，即背对背。两个相同的传感器的十字交叉的布置方式能有利地补偿由于传感器本身的设计问题(例如在x轴和y轴方向上不同的灵敏度)而造成的对传感器所采集的数据的影响。优选地，在集成传感器装置安装在机动车上的状态下，第一传感器的x轴平行于车辆纵轴，而第二传感器的x轴平行于车辆横轴。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，第一传感器和第二传感器分别以2000Hz的采集频率进行数据采集。即，每个传感器每隔500μS得到一个采集数据。但是，视所使用的传感器而定，一个采集数据可以包含多个参量。例如，对于5轴惯性传感器，一个采集数据包含五个参量，即横摆角速度、侧倾角速度以及X、Y、Z方向的加速度。由于较高的采集频率，所采集到的参量的值在由于运行情况突变(例如行驶在颠簸路面上时)而剧烈变化时也能展现出一定的连续性和线性度。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，为生成相应的传感器数据，主、从处理器对由第一、第二传感器采集的数据进行滤波、标定、归一化。通过滤波、标定和归一化，可减少所得到的传感器数据中的噪声。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，所述集成传感器装置被构造成，能通过主处理器对主传感器数据和从传感器数据进行比较，为此，把从传感器数据传送到主处理器。当然也可设想，所述集成传感器装置具有单独的比较器以对主传感器数据和从传感器数据进行比较，该比较器安装在集成传感器装置的电路板上。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，所述集成传感器装置被构造成，在对主传感器数据和从传感器数据进行比较时，确定主传感器数据与从传感器数据的偏差，并且如果所述偏差的最大值不超过可预先规定的第一阈值，则选择主传感器数据作为最终的输出数据。如前面提到过的，一个传感器数据可包含多个参量。在比较时，分别对主、从传感器数据的每个参量求偏差，并将绝对值最大的那个偏差与可预先规定的第一阈值相比较。如果不超过第一阈值，则表明主、从传感器数据是正确的、可信的，因此任选主、从传感器数据中的一个作为最终的检测结果输出即可。

进一步地，如果主传感器数据与从传感器数据的偏差的最大值大于该第一阈值，则检查主、从传感器数据自身的可信度。在此基于的考虑是，当传感器正常工作时，由同一传感器采集并输出的传感器数据在时间上的变化曲线应满足一定的连续性和线性度，游离于该变化曲线之外的孤立的数值点可能意味着传感器数据不正常。为此，将主传感器数据与之前的主传感器数据进行比较，如果主传感器数据与之前的主传感器数据的偏差的最大值不超过可预先规定的第二阈值，则选择主传感器数据作为最终的输出数据，否则，选择从传感器数据作为最终的输出数据。

在本发明的集成传感器装置的进一步有利的设计方案中，如果主传感器数据与之前的主传感器数据的偏差的最大值大于所述第二阈值，不是直接选择从传感器数据作为最终的输出数据，而是也将从传感器数据与之前的从传感器数据进行比较，并且如果从传感器数据与之前的从传感器数据的偏差的最大值不超过可预先规定的第三阈值时，选择从传感器数据作为最终的输出数据。由此进一步确保了输出数据的安全性。有利地，第二阈值可等于第三阈值。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，所述集成传感器装置还被构造成：可对最终的输出数据进行加密。在一种设计方案中，所述加密可通过主处理器调用数据加密模块来进行。数据加密模块可以是主处理器的一部分，也可以作为单独的部件安装在集成传感器装置的电路板上。通过对输出数据进行加密，进一步提高了安全性。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，所述集成传感器装置还被构造成：将最终的输出数据输出到车辆CAN总线。通过使用CAN总线输出，数据经处理后发送到整车CAN网络上，可靠性高，兼容性好。

在本发明的集成传感器装置的有利的设计方案中，集成传感器装置可布置在机动车的底盘中、中央通道(副仪表板)下方。

本发明还包括一种机动车，其具有根据本发明的集成传感器装置。

属于本发明的还有根据本发明的机动车的改进方案，其具有如已经结合本发明的集成传感器装置的改进方案描述过的特征。出于该原因，在此不再赘述根据本发明的机动车的相应的改进方案。

附图说明

下面借助实施例参照附图详细阐述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的用于机动车的集成传感器装置的示意性框图。

具体实施方式

下文阐述的实施例是本发明的优选的实施方式。在所述实施例中，实施方式的所说明的部件相应为本发明的可彼此独立地看待的单个特征，这些特征还相应彼此独立地改进本发明，并因此还可单独地或者以不同于所示组合的组合看作本发明的组成部分。此外，所说明的实施方式还可通过本发明的已经说明的特征中的其他特征来补充。

图1示出了根据本发明的用于机动车的集成传感器装置10的示意性框图，该集成传感器装置10用于为机动车的多个车辆系统提供所需的数据，例如车辆稳定系统(ESP)、车辆翻滚保护系统、电动助力转向系统(ESAS)、电子空气悬架系统(EAS)等。在此，集成传感器装置10包括电路板3，在该电路板上布置有第一单元1和第二单元2。第一单元1包括第一传感器11和主处理器13，第二单元2包括第二传感器21和从处理器23。在此，第一传感器11和第二传感器21相同地设计，但彼此十字交叉地分别布置在电路板3的两侧。也就是说，在集成传感器装置10安装在机动车中的情况下，第一传感器11和第二传感器21背对背地上下叠置，并且在俯视图中看呈一个“十”字。优选地，第一传感器11的x轴平行于机动车的纵轴X，第二传感器21的x轴平行于机动车的横轴Y。

尤其是，第一传感器11和第二传感器21为惯性传感器，优选为5轴惯性传感器。5轴惯性传感器是大陆汽车公司新近研发的一种新型惯性传感器，其能同时采集并输出机动车的横摆角速度ω_z、侧倾角速度ω_x、X方向加速度a_x、Y方向加速度a_y和Z方向加速度a_z这五个行驶参量的值。横摆角速度ω_z表示机动车绕车辆竖轴Z转动的角速度。侧倾角速度ω_x表示机动车绕车辆纵轴X转动的角度。因此，对于ESP系统和翻滚保护系统，原本需要惯性测量单元(IMU)来提供横摆角速度ω_z和X、Y方向的加速度a_x、a_y，需要侧翻传感器来提供机动车的侧倾角速度ω_x和Y、Z方向的加速度a_y、a_z，现在使用一个5轴惯性传感器就能达到目的。

主、从处理器13、23分别可对由第一、第二传感器11、21采集的相应数据进行处理，例如滤波、标定、归一化等，以得到主传感器数据和从传感器数据。由于该冗余的设计结构，单个单元1、2自身就能实现为车辆系统提供所需的传感器数据的功能，此时为ASIL B安全等级。

为了实现更高的安全等级ASIL D，在此两个单元1、2协同工作。为此，从处理器23将从传感器数据传送给主处理器13，在该主处理器中对主传感器数据和从传感器数据进行比较。在比较时，确定主传感器数据与从传感器数据的偏差。视传感器而定，主、从传感器数据例如可包含一个或多个参量。例如，以5轴惯性传感器为例，主传感器数据包含ω_z1、ω_x1、a_x1、a_y1、a_z1，从传感器数据包含ω_z2、ω_x2、a_x2、a_y2、a_z2。相应地，主传感器数据与从传感器数据的偏差也包含五个值Δω_z、Δω_x、Δa_x、Δa_y、Δa_z。在最简单的情况下，所述偏差可以是主、从传感器数据中相应参量的差，即：

Δψ＝ψ₁–ψ₂，其中ψ分别表示参量ω_z、ω_x、a_x、a_y、a_z，但也可以是其它形式，例如Δψ＝(ψ₁–ψ₂)/ψ₁，其中ψ分别表示参量ω_z、ω_x、a_x、a_y、a_z。

如果这五个偏差中绝对值最大的那个都不超过预先规定的第一阈值，则可认为主、从传感器数据是正确的，因此可将主、从传感器数据中的任一个、例如主传感器数据选择为最终的输出数据(即测量结果)。

反之，如果主传感器数据与从传感器数据的偏差的最大值大于该第一阈值，则进一步检查主、从传感器数据自身的可信度。在此，将主传感器数据与所采集到的上一个主传感器数据相比较，如果主传感器数据与之前采集的主传感器数据的偏差的最大值不超过预先规定的第二阈值，则选择主传感器数据作为最终的输出数据，否则，选择从传感器数据作为最终的输出数据。更安全起见，还进一步也将从传感器数据与所采集到的上一个从传感器数据相比较，如果从传感器数据与之前采集的从传感器数据的偏差的最大值不超过预先规定的第三阈值，则选择从传感器数据作为最终的输出数据。在此，第三阈值可等于第二阈值。

在此基于的考虑是，当传感器正常工作时，由同一传感器采集并输出的传感器数据的时间变化曲线应具备一定的连续性和线性度，游离于该变化曲线之外的孤立的数值点可能意味着传感器故障或工作不正常，其数据不予采信。

在确定了最终的输出数据之后，可选地，主处理器13还调用数据加密模块14对输出数据进行加密。在此，数据加密模块14可以是主处理器的一部分，也可以作为单独的部件安装在集成传感器装置的电路板上。之后，加密后的数据被输出到车辆CAN总线，以传送给相应的车辆系统。

此外，代替在主处理器中进行两路传感器数据的比较，也可设想，集成传感器装置还包括单独的比较器，主传感器数据和从传感器数据均被传送到该比较器中以进行比较。

Claims (12)

1.一种用于机动车的集成传感器装置（10），该集成传感器装置包括电路板（3）以及布置在电路板（3）上的第一单元（1）和第二单元（2），第一单元（1）包括第一传感器（11）和主处理器（13），第二单元（2）包括第二传感器（21）和从处理器（23），其中，第一单元（1）和第二单元（2）被设计成针对相同的参量进行数据采集和处理，其中，主处理器（13）被构造成能对由第一传感器（11）采集的数据进行处理以生成主传感器数据，从处理器（23）被构造成能对由第二传感器（21）采集的数据进行处理以生成从传感器数据，其中，所述集成传感器装置（10）被构造成，能对主传感器数据和从传感器数据进行比较，并根据比较结果确定该集成传感器装置（10）最终的输出数据，在对主传感器数据和从传感器数据进行比较时，确定主传感器数据与从传感器数据的偏差，并且如果所述偏差的最大值不超过预先规定的第一阈值，则选择主传感器数据作为最终的输出数据；而如果主传感器数据与从传感器数据的偏差的最大值大于所述第一阈值，则将主传感器数据与之前的主传感器数据进行比较，并且如果主传感器数据与之前的主传感器数据的偏差的最大值不超过预先规定的第二阈值，则选择主传感器数据作为最终的输出数据。

2.根据权利要求1所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述集成传感器装置（10）被构造成，如果主传感器数据与之前的主传感器数据的偏差的最大值大于所述第二阈值，则将从传感器数据与之前的从传感器数据进行比较，并且如果从传感器数据与之前的从传感器数据的偏差的最大值不超过预先规定的第三阈值，则选择从传感器数据作为最终的输出数据。

3.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，第一传感器（11）和第二传感器（21）分别被构造成惯性传感器。

4.根据权利要求3所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述惯性传感器是5轴惯性传感器，所述5轴惯性传感器用于同时采集和输出机动车的横摆角速度、侧倾角速度以及X方向加速度、Y方向加速度和Z方向加速度。

5.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），第一传感器（11）和第二传感器（21）以十字交叉的方式上下叠置地分别布置在电路板（3）的两侧上。

6.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，第一传感器（11）和第二传感器（21）分别以2000Hz的采集频率进行数据采集。

7.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，为生成主传感器数据，主处理器（13）对由第一传感器（11）采集的数据进行滤波、标定、归一化；为生成从传感器数据，从处理器（23）对由第二传感器（21）采集的数据进行滤波、标定、归一化。

8.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述集成传感器装置（10）被构造成，为对主传感器数据和从传感器数据进行比较，将从传感器数据传送到主处理器（13）。

9.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述集成传感器装置（10）还被构造成，能对最终的输出数据进行加密。

10.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述集成传感器装置（10）还被构造成，将最终的输出数据输出到车辆CAN 总线。

11.根据权利要求1或2所述的集成传感器装置（10），其特征在于，所述集成传感器装置（10）在中央通道下方布置在机动车的底盘中。

12.一种机动车，其具有根据权利要求1至11中任一项所述的集成传感器装置（10）。

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