用於監測或者控制引擎的方法及系統與流程

2023-10-10 08:00:49 4

本發明涉及用於監測或者控制引擎的方法及系統，引擎具體地是內燃機，並且涉及根據獨立權利要求前序部分的這種系統的用途。

背景技術：

引擎，特別是內燃機，為了正確工作和更高效率的考慮，必須受到監測和控制。特別是，將大量不同的測量值併入控制機制中。需要從傳感器到讀取器的極為可靠的通信，從而獲得魯棒性的引擎監測/引擎控制。

在相關技術中，由傳感器獲得測量值並且經由有線系統傳送到控制單元(也稱為中央單元或者計算單元)。該系統比較複雜。每個傳感器自身需要單獨的線纜，這些線纜通常需要被安裝在引擎內到傳感器放置的位置處。引擎內部和周圍的環境通常比較惡劣，並且要求必須能夠抵抗油汙或者機械應力的部件。這會導致保養的費用過高，並且由於更換器件的空閒時間過長導致部件的更換成本過高。

已經做出很多嘗試以通過用無限系統代替有線系統來克服這些缺陷。傳感器使用無線發送器將測量數據發送到讀取器裝置(或者到若干個讀取器裝置)，取裝器置使用無線接收器結構將所發送的測量數據解碼。可選地，在從讀取器到傳感器的下行鏈路是必要的情況下，讀取器裝置可以具有無線發送器從而將數據發送給傳感器，傳感器隨後需要無線接收器。在惡劣條件下，普通的無線系統不能確保可靠性，可靠性對於所考慮的應用來說卻是必要的。特別是，由於密集堆放的金屬反射體(由於多徑徑傳播引起陰影和較強衰減)導致不利環境(沿著引擎並且在其內部)，幹涉或者散射效應通常使得無法從所發送的信號評估多個適當信號或者測量值。另選的多種方法使用需要視線連接的技術，這在引擎內部或者周圍通常是不可能的。

在有線和無線兩種系統中，傳感器需要就其位置被尋址和/或需要用其提供的每個值或信號發送關於其位置的附加信息。因此，需要附加資源，例如，時間或頻率。

技術實現要素：

本發明的目的在於避免現有技術的多個缺陷。具體地，本發明的目的在於提供在惡劣環境下能夠可靠地無線傳輸信號或測量值並且優選的是在惡劣環境下對發送傳感器進行可靠定位的方法和系統。

根據獨立權利要求特徵部分獲得這些以及其他目標。進一步的有利的方案為從屬權利要求的部分。

一種用於監測或者控制引擎的方法，該方法包括如下步驟：

-提供至少一個傳感器，至少一個接收器以及計算單元。該至少一個傳感器包括UWB發送器以及優選地UWB接收器。該傳感器附接到引擎，附接到引擎內部或者非常靠近引擎而附接。

-利用至少一個傳感器來測量至少一個特定引擎值。

-藉助傳感器的UWB發送器發送所測量到的特定引擎值。

-利用至少一個接收器接收所述傳感器-UWB信號。

-由接收器接收到的所述信號按照從所述UWB信號中提取測量到的引擎值的方式由計算單元處理。另外，從所述UWB信號中提取用於確定傳感器的位置的定位值。該值通過指紋識別和/或幾何方法來提取。

因此，該值可以通過指紋識別和幾何方法、通過指紋識別、或通過幾何方法來提取。

信道的脈衝響應描繪當信號通過該信道發送的時被改變的方式。在所考慮的環境中這種改變是由於多徑傳播(其是期待的，例如由於金屬表面上引起的散射、衍射或反射)。另外，由於路徑損耗(依賴於距離的衰減)在去往接收器的路上信號衰減。

因此，通過傳播信道發送信號，並且信號被修改或改變直到在接收器處被接收為止。因此，傳播信道包括位置特定特徵。這些位置特定特徵可以用於對傳感器進行定位。通常，接收器已經在與發送器通信的過程中對其中一些特徵進行了估計。例如，接收器監測所接收的信號強度，或者相干接收器估計就。因此，當對傳送進行解碼的同時可以協同地完成定位，即不需要專用於定位的特定發送階段。

優選的是，所述引擎為內燃機，並且特別是用於船舶推進的內燃機。

引擎值可以例如為溫度，例如廢氣溫度或者連接杆軸承溫度、壓力(諸如潤滑油壓力或者冷卻水壓力)、流量(諸如潤滑油流量或者冷卻油流量)，以及位置，例如活塞位置或者曲杆位置。其他值也是可能的。通常，對於每類數值，使用特定的傳感器。

UWB是超寬帶的簡稱。這種背景下，UWB意味著使用至少500兆赫茲帶寬的技術。

通常，UWB定位方案可以歸類為幾何方法和指紋識別方法。幾何方法中的一些使用針對多邊測量或者三邊測量術的多個讀取器(或者錨)，例如基於飛行時間(ToF)估計或者接收信號強度(RSS)估計。

指紋識別方法通常使用傳播信道的位置特定特徵來確定傳感器的位置。在提取這些特徵後，執行與相應的假設/候選位置期望值的匹配；這些位置或者通過測量(在訓練階段內)或者建模來採集。

下面，提供與該文件相關的定位方法的簡要概述。

基於ToF或飛行時間差(TDoF)的幾何方法：

三邊測量法或者多邊測量法是典型的幾何定位方法。根據通常的定義，三邊測量法和多邊測量法是，基於針對相應傳感器和讀取器之間的距離的飛行時間(ToF)估計或者飛行時間差(TDoF)估計來評估傳感器(或代理)的位置；這些估計通常是基於讀取器(錨)裝置處相應的到達時間(ToA)測量結果。這些方法通常假定所有的讀取器位置是已知的，並且讀取器裝置關於作為絕對時間基準使用的公共時鐘同步。根據這些假設，對於基於ToF的方法，傳感器與讀取器必須同步。

基於多徑分量增益的幾何方法：

該方法可以認為是一種用於降低信號處理複雜性的方法。不是試著從ToF或ToA測量結果中提取位置信息，該計劃使用接收信號強度度量執行三邊測量/多邊測量。

這兩種方法只有當傳感器和讀取器之間存在視線(LOS)連接的時候才能精確工作。然而，仔細考慮手邊的環境，即，引擎內部或者引擎上暗示全部或者特定視線連接極有可能被阻擋了。這樣由於扭曲了測量到的到達時間值或者LOS多徑分量增益，會嚴重影響定位。因此，這兩種方法看起來對所要求的應用不可靠。

下面，描述執行根據本發明方法的兩種方法。

基於多徑功率增益的指紋識別：

由給定無線信道引起的多徑功率增益，發送信號的接收信號強度的測量結果是適合非視線(NLOS)情況的傳播信道的位置特定特徵的固有選擇。該方法利用基於一組增益值確定的分類區域，該組增益值已經在訓練階段確定了。所提取的傳感器功率增益與對應於每個區域的功率增益進行比較。具有與所提取的功率增益接近的功率增益的區域此後被選擇作為傳感器所屬區域。

基於相關係數度量的指紋識別(基於信道脈衝響應)：

另一種方式針對特徵提取利用包含在UWB信道脈衝響應記錄內的固有衰落信息的方式是直接形成度量，該度量將所觀測到的和訓練脈衝響應記錄的小尺度衰落特性進行比較。這樣做的便捷方法是計算觀測中所包含的信道脈衝響應記錄的經驗相關係數，以及來自訓練觀測的一組之前記錄的訓練脈衝響應。

該計算單元可以是處理器，其可以集成在接收器中。另選地，計算單元可以是獨立單元或者可以集成在針對該引擎的專用控制系統內。

這種方法使得在沒有附加信息(正如前面提到的，相干接收器估計信道脈衝響應從而對所發送的數據進行解碼)的情況下確定傳感器的位置。因此一個接收到的信號能夠提供超過一種信息。例如，發送溫度信號，並且提取溫度和附加的位置信息。

該方法還能夠使得在引擎內部，例如曲軸箱向內，以及引擎外部進行通信和傳感器定位。

該方法還包括工作模式和訓練模式。在訓練模式下，採集基準值。

因此，該方法獨立可調並且適於不同的環境或引擎的構造。

使用指紋識別方法對傳感器定位通常包括兩個階段：訓練階段和定位階段。

對於基於信道脈衝響應相關性的指紋識別的示例，在訓練階段中，發送器必須被設置在很多潛在的位置處，並且必須針對每個讀取器的每個位置記錄信道脈衝響應。當要使用不同特徵來執行指紋識別的時候，需要對於每個潛在的傳感器位置處存儲這一其他特徵。還可能替代的是存儲每個位置上的完整信息(即，發送的和接收的信號的採樣版本)，並且針對不同指紋識別度量計算多個特徵(例如，RMS延遲傳播，LOS路徑延遲等)。

針對未知傳感器位置所觀測的關注信道特徵與該特徵的所有之前存儲的值匹配，每個值對應訓練階段的唯一位置。這種匹配可以是任意切合實際的函數，例如，方差，互相關等。依賴於所選擇的匹配函數，獲得未知位置的估計作為訓練位置(或者多個訓練位置的任意切合實際的插值)，其與使得所選擇的度量最大化(例如，對於相關)或者最小化(例如，對於方差)的記錄值相對應。

當然，知道現有關於可能傳感器位置的先驗知識使得簡單的多和/或魯棒的方法。作為示例，可以考慮只有一個傳感器放在引擎每個氣缸上的情況。這種情況下，沒有必要確定傳感器的精確位置，反而對於每個傳感器識別相應氣缸就足夠了-將定位問題轉化為更容易解決的分類問題。

傳感器的定位可以通過將所觀測到的信道脈衝響應的衰落特性和基準值比較來確定。

不是使用完整的信道脈衝響應，利用特定信道衰落特性來定位傳感器就足夠了。

另一種實施所描述的方法的方案可以是根據與基準值的特定相關性、特別是互相關來確定傳感器的定位，所述基準值優選為通信信道的位置特定特徵。

該方法方案可以是用於指紋識別的匹配步驟的典型示例。其是針對未知位置的所觀測到的信道脈衝響應(CIR)與多個候選位置的CIR之間的互相關係數的最大化。可以用於指紋識別的位置特定特徵可以是信道脈衝響應、路徑延遲、功率延遲曲線、接收能量/功率增益(例如，在最強路徑/第一到達路徑中，或者在所有重要路徑中)、平均過度時延、最大時延擴展等。

指紋識別可以基於多徑功率增益。

該定位方法屬於指紋識別方案，其中多徑功率增益(或者發送信號的接收強度)作為指紋特徵，並且所觀測到的和候選的多徑功率增益之間的差值作為匹配函數。例如，可以按照如下實施：訓練模式期間，發送器被運動到不同的可能的位置，並且接收到的信號的相應的多徑功率增益被記錄並且被存儲在資料庫中。此後工作模式下，接收到的信號的多徑功率增益與該資料庫中的記錄比較並且將示出最大匹配度的位置選為發送器的位置。

指紋識別可以基於信道脈衝響應的相關係數，其與先前在訓練模式期間記錄的一組記錄的訓練脈衝響應進行比較。

信道脈衝響應描繪信道的所有相關屬性，特別是包括可以用於發送器的定位的位置依賴特徵。由於無論如何相干接收器結構需要估計信道脈衝響應，基於這些估計可以非常有效地完成定位。

所接收到的信號可以被順序處理，從而提取測量值和定位值。

對於這兩種值，可以使用完整信號，並且考慮全部帶寬以確定所要求的值。

另選地或附加地，所述信號可以被拆分和/或過濾成為獨立部分，以及被並行處理從而提取測量值和定位值。

這使得能夠單獨考慮所接收到的信號的相關部分從而確定相應值。在計算功率方面，例如，處理器功率，確定會更快更輕。

信號的發送可以被實現為脈衝無線電調製或者擴展頻譜調製。

利用諸如脈衝無線電和擴展頻譜系統的寬帶系統，能夠進行可靠的通信和精準的定位。另外，這些系統具有在低功耗低複雜性實施的潛力，從而使得對於所考慮的應用來說有吸引力。

有利地，所述信號通過多個天線接收。

這使得能夠通過比較各個天線接收的相應信號來分析信號。多個天線還能得到提高的空間解析度。

增加針對每個讀取器的天線數量或增加接收器的數量兩者都可以增加通信可靠性和定位準確性。通常來講，如果所有其他系統參數(讀取器數量，接收功率等)與根據現有技術的無線系統比較都保持相同，增加信號帶寬可以通過頻率分集增加通信魯棒性，通過所接收到的信號的較好的時間解析度來增加定位性能，由此潛在地允許在保持現有技術系統所能達到的相同的通信和/或定位性能的同時，減少接收器數量。

傳感器在4.9Ghz以上使用最小10dBm的連續發送功率，可能在5Ghz以上最小13dBm。

優選的是，這裡所描述的實現方式中，附加目標為利用最小的發送功率的非常可靠的通信，同時不會超過關於發送功率的給定限值(例如，由FFC(聯邦通信委員會)標準確定的相應限值)。

除了監管標準，發送功率受限於使傳感器的電池壽命最大化的需要。因此找到針對期望的可靠性水平的最小發送功率對傳感器很重要。

在船舶引擎內和上的多個典型區域執行的基於測量結果的仿真示出相對於所考慮的應用，具有極高的可靠性通信和定位的可行性。

優選的是，傳感器被更換的情況下，由計算單元基於指紋識別和/或幾何方法來識別新的傳感器。

這使得無線自動定位特徵成為可能，其可用於某種「即插即用」配置：系統基於其位置自動識別新的傳感器；從而大大減少了將新的傳感器關聯到網絡的系統開銷，並且維護也便捷了。具有非常多的傳感器的傳感器網絡很大程度上得益於該特徵。

優選的是，安裝在引擎可運動部件上的傳感器基於定位值而被跟蹤。

因此，運動部件，例如在船舶引擎內部，可以通過多個傳感器發送來跟蹤。

本發明的另一方面涉及一種用於監測或控制引擎的系統，優選利用這裡所描述的方法。該系統包括至少一個傳感器，該至少一個傳感器包括用於發送信號並且具體地測量值的UWB發送器。該系統包括用於接收從傳感器發送的信號的至少一個接收器。另外，該系統包括計算單元，優選如這裡所描述的並且用於處理所接收到的信號。

計算單元(或者中央單元/控制單元)包括用於解碼和處理所接收到的數據的通信單元以及用於基於相對於方法所描述的相關方法。指紋識別和/或幾何方法來定位該至少一個傳感器的定位單元。

系統可以包括至少一個廢氣溫度傳感器。

另選地，至少一個傳感器可以被設置在引擎內，用於測量機曲軸杆軸承的溫度。因此，利用根據這裡所述方法工作的僅一個傳感器，現有的系統就能更有效的工作，並且因此，利用這裡所描述的系統更換單一傳感器是值得的。因此，最小的配置為一個溫度傳感器，一個接收器和一個計算單元。

典型地，用於監測和/或控制引擎的網絡包括至少一個溫度傳感器，諸如廢氣溫度傳感器、冷卻水傳感器、潤滑油傳感器、燃料油傳感器、氣體溫度傳感器、軸承溫度傳感器；以及流量傳感器，諸如冷卻水流量傳感器、潤滑油流量傳感器、廢氣流量傳感器、伺服油流量傳感器、燃料油流量傳感器或氣體流量傳感器；以及壓力傳感器，諸如冷卻水壓力傳感器、潤滑油壓力傳感器、伺服油壓力傳感器、燃料油壓力傳感器或氣體壓力傳感器；以及位置傳感器，諸如活塞位置傳感器、曲軸位置傳感器、轉動齒輪位置傳感器、進氣閥位置傳感器或廢氣門閥位置傳感器。

系統可以包括可安裝在運動引擎部件上並且由定位單元跟蹤的至少一個傳感器。

因此，可運動部件的運動可以被跟蹤。

本發明的另一方面涉及內燃機，該內燃機包括這裡所描述的系統。

這種引擎很容易被監測並且具有這裡所描述的系統和方法的優點。

本發明的另一方面涉及這裡所描述的系統的用於控制和/或監測內燃機的用途，並且該內燃機優選為船舶中的內燃機。

該用途使得提供用於控制和監測內燃機的可靠的系統成為可能。

有利地，期望將向傳感器發送信號，例如，用於控制或調節例如閥門。採用這裡所描述的方法和系統，這同樣也是可能的。

根據優選配置，靜態傳感器可以每5秒鐘被讀取一次。浮動變化的值可以被每兩秒鐘或者更短的時間間隔內讀出。實時時間讀數也是可能的。

另外，可能僅採用每隔一個測量結果，或者每第十個測量結果或者另選地，每小時或每天一次的測量結果來確定傳感器的位置。這樣可以降低系統複雜性。

引入無線傳感器網絡降低了安裝、引入和替換其他傳感器的成本，其可以促進開發新型傳感器種類。除此之外，UWB使得可靠、低複雜性和自組織傳感器網絡成為可能，這還能促成採用密集和大尺度傳感器的新的應用。

附圖說明

附圖表示優選實施例。附圖表示：

圖1：具有多個讀取器的UWB傳感器網絡的框圖；

圖2：UWB TX節點的框圖；

圖3：引擎上的測量情形；

圖4：引擎上的另一個測量情形，用於自動定位；

圖5：聯合通信和定位流程圖。

具體實施方式

圖1示出了示例性的簡單傳感器網絡。若干個發送(TX)節點與連接到中央單元的若干個讀取器裝置通信。讀取器裝置將其從傳感器接收到的數據解碼。中央單元採集所有來自讀取器的數據。傳感器發送可以被實現為脈衝無線電調製，或者實現為擴展頻譜調製。圖1的UWB發送器的示例性實現方式在圖2中作為框圖示出。這種模式可以包括數字基帶UWB發送器，在該UWB發送器中，若干輸入信號，諸如傳感器數據、用戶I/O(輸入/輸出)和/或來自編程接口的編程輸入可以按照基帶調製處理。所述信號可以在模擬RF前端中被處理和放大。在該模式中可以包括電池。發送節點包括布置在內燃機中用於確定引擎狀態的傳感器(參見圖3)。

對於通信範圍測試，測試情形中的一個包括接收被定位成沿著測試引擎的外殼距讀取器距離逐漸增加的兩個同時發送節點的信號，如圖3所示。這些測量結果已經示出對於所有記錄的位置，可靠通信是可能的，指示至少10米的可用通信範圍，即使傳感器和讀取器之間的信號路徑被遮擋。

基於信道脈衝響應的指紋識別也表現出非常可靠的結果。其被應用於安裝在引擎氣缸蓋上的氣體溫度傳感器的定位，如圖4所示。這引起可以被非常可靠和有效的解決得到的特定分類問題。我們研究了可用的關於傳感器放置先驗知識以及讀取器之間配合的先驗知識等的作用。將定位方法和可用先驗知識(例如，潛在的傳感器位置或引擎的幾何形狀)組合允許得到對馬上面臨的定位問題的有效解決方案。

圖5示出聯合通信和定位過程的大致概覽。當在讀取器處接收到數據信號時，第一相關信號度量被提取。這些度量此後被傳遞給通信單元和定位單元，其中基於這些度量，所發送的數據和位置估計被提取。最後，位置估計與相應的數據相關聯，從而使得能夠進行如所描述的進一步後處理，例如，基於自動定位、節點識別和跟蹤的即插即用傳感器置換。

因此，通過執行聯合的通信和定位，所有傳遞的遠程數據可以與相應傳感器的對應位置相關聯，例如在引擎上。這在傳感器被安裝在引擎的運動部件上的情況下特別有用，或者對於傳感器需要規律地被替換或者即興安裝在非指定位置的情況下特別有用。提供受益於聯合通信和定位的三個示例性使用示例。

一組廢氣溫度傳感器安裝在引擎的氣缸蓋上。假設在每個氣缸上安裝一個傳感器，讀取器可以將所接收的溫度值與相應的氣缸相關聯，而無需實施尋址機制來區分傳感器(例如，發送唯一的硬體標識ID)。

跟蹤安裝在引擎內部的運動部件上的曲柄銷軸承溫度傳感器，從而增加了提供用於監測引擎狀態的次級數據的優點。

對於由若干個無線節點組成的整個無線遙感網絡，讀取器可維持所有傳感器位置的資料庫。這允許傳感器的即插即用功能：新的傳感器很容易被安裝在其期望位置上並被打開；然後網絡從其自身位置檢測傳感器功能並且自動地執行所有必要配置。

除了這些應用，還存在利用關於傳感器在馬達上布置的先驗信息以改善(或者，對於某些情況，使得)對傳感器的定位。

特定值的詳細算法，即，對於上面提到的廢氣溫度傳感器按照如下示例性方法提供。

作為示例，廢氣溫度傳感器和具有並行執行數據檢測和基於定位的指紋識別的讀取器處的相干接收器已經被考慮。

-廢氣溫度傳感器確定溫度並且量化該值。

-用多個比特將數字溫度編碼以被發送。

-將比特映射為符號波形並且被發送。

-所接收到的信號以發送器和接收器的位置特定的方式受到無線信道的幹擾。

-使用發送信號波形的知識，獲得信道脈衝響應(CIR)的估計。

-該CIR估計被傳遞到表示數據檢測和定位的兩個函數，i)對於數據檢測，根據發送脈衝波形和CIR估計來計算信道匹配濾波器。所接收到的信號和信道匹配濾波器用於提取發送的數據。ii)對於定位，估計的CIR與之前在針對潛在候選位置的訓練階段獲得的所有所存儲的CIR相關聯。對應於使該互相關最大化的所存儲的CIR的候選位置被選擇作為發送傳感器的估計位置。