用于监测或者控制引擎的方法及系统与流程

本发明涉及用于监测或者控制引擎的方法及系统，引擎具体地是内燃机，并且涉及根据独立权利要求前序部分的这种系统的用途。

背景技术：

引擎，特别是内燃机，为了正确工作和更高效率的考虑，必须受到监测和控制。特别是，将大量不同的测量值并入控制机制中。需要从传感器到读取器的极为可靠的通信，从而获得鲁棒性的引擎监测/引擎控制。

在相关技术中，由传感器获得测量值并且经由有线系统传送到控制单元(也称为中央单元或者计算单元)。该系统比较复杂。每个传感器自身需要单独的线缆，这些线缆通常需要被安装在引擎内到传感器放置的位置处。引擎内部和周围的环境通常比较恶劣，并且要求必须能够抵抗油污或者机械应力的部件。这会导致保养的费用过高，并且由于更换器件的空闲时间过长导致部件的更换成本过高。

已经做出很多尝试以通过用无限系统代替有线系统来克服这些缺陷。传感器使用无线发送器将测量数据发送到读取器装置(或者到若干个读取器装置)，取装器置使用无线接收器结构将所发送的测量数据解码。可选地，在从读取器到传感器的下行链路是必要的情况下，读取器装置可以具有无线发送器从而将数据发送给传感器，传感器随后需要无线接收器。在恶劣条件下，普通的无线系统不能确保可靠性，可靠性对于所考虑的应用来说却是必要的。特别是，由于密集堆放的金属反射体(由于多径径传播引起阴影和较强衰减)导致不利环境(沿着引擎并且在其内部)，干涉或者散射效应通常使得无法从所发送的信号评估多个适当信号或者测量值。另选的多种方法使用需要视线连接的技术，这在引擎内部或者周围通常是不可能的。

在有线和无线两种系统中，传感器需要就其位置被寻址和/或需要用其提供的每个值或信号发送关于其位置的附加信息。因此，需要附加资源，例如，时间或频率。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免现有技术的多个缺陷。具体地，本发明的目的在于提供在恶劣环境下能够可靠地无线传输信号或测量值并且优选的是在恶劣环境下对发送传感器进行可靠定位的方法和系统。

根据独立权利要求特征部分获得这些以及其他目标。进一步的有利的方案为从属权利要求的部分。

一种用于监测或者控制引擎的方法，该方法包括如下步骤：

-提供至少一个传感器，至少一个接收器以及计算单元。该至少一个传感器包括UWB发送器以及优选地UWB接收器。该传感器附接到引擎，附接到引擎内部或者非常靠近引擎而附接。

-利用至少一个传感器来测量至少一个特定引擎值。

-借助传感器的UWB发送器发送所测量到的特定引擎值。

-利用至少一个接收器接收所述传感器-UWB信号。

-由接收器接收到的所述信号按照从所述UWB信号中提取测量到的引擎值的方式由计算单元处理。另外，从所述UWB信号中提取用于确定传感器的位置的定位值。该值通过指纹识别和/或几何方法来提取。

因此，该值可以通过指纹识别和几何方法、通过指纹识别、或通过几何方法来提取。

信道的脉冲响应描绘当信号通过该信道发送的时被改变的方式。在所考虑的环境中这种改变是由于多径传播(其是期待的，例如由于金属表面上引起的散射、衍射或反射)。另外，由于路径损耗(依赖于距离的衰减)在去往接收器的路上信号衰减。

因此，通过传播信道发送信号，并且信号被修改或改变直到在接收器处被接收为止。因此，传播信道包括位置特定特征。这些位置特定特征可以用于对传感器进行定位。通常，接收器已经在与发送器通信的过程中对其中一些特征进行了估计。例如，接收器监测所接收的信号强度，或者相干接收器估计就。因此，当对传送进行解码的同时可以协同地完成定位，即不需要专用于定位的特定发送阶段。

优选的是，所述引擎为内燃机，并且特别是用于船舶推进的内燃机。

引擎值可以例如为温度，例如废气温度或者连接杆轴承温度、压力(诸如润滑油压力或者冷却水压力)、流量(诸如润滑油流量或者冷却油流量)，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，对于每类数值，使用特定的传感器。

UWB是超宽带的简称。这种背景下，UWB意味着使用至少500兆赫兹带宽的技术。

通常，UWB定位方案可以归类为几何方法和指纹识别方法。几何方法中的一些使用针对多边测量或者三边测量术的多个读取器(或者锚)，例如基于飞行时间(ToF)估计或者接收信号强度(RSS)估计。

指纹识别方法通常使用传播信道的位置特定特征来确定传感器的位置。在提取这些特征后，执行与相应的假设/候选位置期望值的匹配；这些位置或者通过测量(在训练阶段内)或者建模来采集。

下面，提供与该文件相关的定位方法的简要概述。

基于ToF或飞行时间差(TDoF)的几何方法：

三边测量法或者多边测量法是典型的几何定位方法。根据通常的定义，三边测量法和多边测量法是，基于针对相应传感器和读取器之间的距离的飞行时间(ToF)估计或者飞行时间差(TDoF)估计来评估传感器(或代理)的位置；这些估计通常是基于读取器(锚)装置处相应的到达时间(ToA)测量结果。这些方法通常假定所有的读取器位置是已知的，并且读取器装置关于作为绝对时间基准使用的公共时钟同步。根据这些假设，对于基于ToF的方法，传感器与读取器必须同步。

基于多径分量增益的几何方法：

该方法可以认为是一种用于降低信号处理复杂性的方法。不是试着从ToF或ToA测量结果中提取位置信息，该计划使用接收信号强度度量执行三边测量/多边测量。

这两种方法只有当传感器和读取器之间存在视线(LOS)连接的时候才能精确工作。然而，仔细考虑手边的环境，即，引擎内部或者引擎上暗示全部或者特定视线连接极有可能被阻挡了。这样由于扭曲了测量到的到达时间值或者LOS多径分量增益，会严重影响定位。因此，这两种方法看起来对所要求的应用不可靠。

下面，描述执行根据本发明方法的两种方法。

基于多径功率增益的指纹识别：

由给定无线信道引起的多径功率增益，发送信号的接收信号强度的测量结果是适合非视线(NLOS)情况的传播信道的位置特定特征的固有选择。该方法利用基于一组增益值确定的分类区域，该组增益值已经在训练阶段确定了。所提取的传感器功率增益与对应于每个区域的功率增益进行比较。具有与所提取的功率增益接近的功率增益的区域此后被选择作为传感器所属区域。

基于相关系数度量的指纹识别(基于信道脉冲响应)：

另一种方式针对特征提取利用包含在UWB信道脉冲响应记录内的固有衰落信息的方式是直接形成度量，该度量将所观测到的和训练脉冲响应记录的小尺度衰落特性进行比较。这样做的便捷方法是计算观测中所包含的信道脉冲响应记录的经验相关系数，以及来自训练观测的一组之前记录的训练脉冲响应。

该计算单元可以是处理器，其可以集成在接收器中。另选地，计算单元可以是独立单元或者可以集成在针对该引擎的专用控制系统内。

这种方法使得在没有附加信息(正如前面提到的，相干接收器估计信道脉冲响应从而对所发送的数据进行解码)的情况下确定传感器的位置。因此一个接收到的信号能够提供超过一种信息。例如，发送温度信号，并且提取温度和附加的位置信息。

该方法还能够使得在引擎内部，例如曲轴箱向内，以及引擎外部进行通信和传感器定位。

该方法还包括工作模式和训练模式。在训练模式下，采集基准值。

因此，该方法独立可调并且适于不同的环境或引擎的构造。

使用指纹识别方法对传感器定位通常包括两个阶段：训练阶段和定位阶段。

对于基于信道脉冲响应相关性的指纹识别的示例，在训练阶段中，发送器必须被设置在很多潜在的位置处，并且必须针对每个读取器的每个位置记录信道脉冲响应。当要使用不同特征来执行指纹识别的时候，需要对于每个潜在的传感器位置处存储这一其他特征。还可能替代的是存储每个位置上的完整信息(即，发送的和接收的信号的采样版本)，并且针对不同指纹识别度量计算多个特征(例如，RMS延迟传播，LOS路径延迟等)。

针对未知传感器位置所观测的关注信道特征与该特征的所有之前存储的值匹配，每个值对应训练阶段的唯一位置。这种匹配可以是任意切合实际的函数，例如，方差，互相关等。依赖于所选择的匹配函数，获得未知位置的估计作为训练位置(或者多个训练位置的任意切合实际的插值)，其与使得所选择的度量最大化(例如，对于相关)或者最小化(例如，对于方差)的记录值相对应。

当然，知道现有关于可能传感器位置的先验知识使得简单的多和/或鲁棒的方法。作为示例，可以考虑只有一个传感器放在引擎每个气缸上的情况。这种情况下，没有必要确定传感器的精确位置，反而对于每个传感器识别相应气缸就足够了-将定位问题转化为更容易解决的分类问题。

传感器的定位可以通过将所观测到的信道脉冲响应的衰落特性和基准值比较来确定。

不是使用完整的信道脉冲响应，利用特定信道衰落特性来定位传感器就足够了。

另一种实施所描述的方法的方案可以是根据与基准值的特定相关性、特别是互相关来确定传感器的定位，所述基准值优选为通信信道的位置特定特征。

该方法方案可以是用于指纹识别的匹配步骤的典型示例。其是针对未知位置的所观测到的信道脉冲响应(CIR)与多个候选位置的CIR之间的互相关系数的最大化。可以用于指纹识别的位置特定特征可以是信道脉冲响应、路径延迟、功率延迟曲线、接收能量/功率增益(例如，在最强路径/第一到达路径中，或者在所有重要路径中)、平均过度时延、最大时延扩展等。

指纹识别可以基于多径功率增益。

该定位方法属于指纹识别方案，其中多径功率增益(或者发送信号的接收强度)作为指纹特征，并且所观测到的和候选的多径功率增益之间的差值作为匹配函数。例如，可以按照如下实施：训练模式期间，发送器被运动到不同的可能的位置，并且接收到的信号的相应的多径功率增益被记录并且被存储在数据库中。此后工作模式下，接收到的信号的多径功率增益与该数据库中的记录比较并且将示出最大匹配度的位置选为发送器的位置。

指纹识别可以基于信道脉冲响应的相关系数，其与先前在训练模式期间记录的一组记录的训练脉冲响应进行比较。

信道脉冲响应描绘信道的所有相关属性，特别是包括可以用于发送器的定位的位置依赖特征。由于无论如何相干接收器结构需要估计信道脉冲响应，基于这些估计可以非常有效地完成定位。

所接收到的信号可以被顺序处理，从而提取测量值和定位值。

对于这两种值，可以使用完整信号，并且考虑全部带宽以确定所要求的值。

另选地或附加地，所述信号可以被拆分和/或过滤成为独立部分，以及被并行处理从而提取测量值和定位值。

这使得能够单独考虑所接收到的信号的相关部分从而确定相应值。在计算功率方面，例如，处理器功率，确定会更快更轻。

信号的发送可以被实现为脉冲无线电调制或者扩展频谱调制。

利用诸如脉冲无线电和扩展频谱系统的宽带系统，能够进行可靠的通信和精准的定位。另外，这些系统具有在低功耗低复杂性实施的潜力，从而使得对于所考虑的应用来说有吸引力。

有利地，所述信号通过多个天线接收。

这使得能够通过比较各个天线接收的相应信号来分析信号。多个天线还能得到提高的空间分辨率。

增加针对每个读取器的天线数量或增加接收器的数量两者都可以增加通信可靠性和定位准确性。通常来讲，如果所有其他系统参数(读取器数量，接收功率等)与根据现有技术的无线系统比较都保持相同，增加信号带宽可以通过频率分集增加通信鲁棒性，通过所接收到的信号的较好的时间分辨率来增加定位性能，由此潜在地允许在保持现有技术系统所能达到的相同的通信和/或定位性能的同时，减少接收器数量。

传感器在4.9Ghz以上使用最小10dBm的连续发送功率，可能在5Ghz以上最小13dBm。

优选的是，这里所描述的实现方式中，附加目标为利用最小的发送功率的非常可靠的通信，同时不会超过关于发送功率的给定限值(例如，由FFC(联邦通信委员会)标准确定的相应限值)。

除了监管标准，发送功率受限于使传感器的电池寿命最大化的需要。因此找到针对期望的可靠性水平的最小发送功率对传感器很重要。

在船舶引擎内和上的多个典型区域执行的基于测量结果的仿真示出相对于所考虑的应用，具有极高的可靠性通信和定位的可行性。

优选的是，传感器被更换的情况下，由计算单元基于指纹识别和/或几何方法来识别新的传感器。

这使得无线自动定位特征成为可能，其可用于某种“即插即用”配置：系统基于其位置自动识别新的传感器；从而大大减少了将新的传感器关联到网络的系统开销，并且维护也便捷了。具有非常多的传感器的传感器网络很大程度上得益于该特征。

优选的是，安装在引擎可运动部件上的传感器基于定位值而被跟踪。

因此，运动部件，例如在船舶引擎内部，可以通过多个传感器发送来跟踪。

本发明的另一方面涉及一种用于监测或控制引擎的系统，优选利用这里所描述的方法。该系统包括至少一个传感器，该至少一个传感器包括用于发送信号并且具体地测量值的UWB发送器。该系统包括用于接收从传感器发送的信号的至少一个接收器。另外，该系统包括计算单元，优选如这里所描述的并且用于处理所接收到的信号。

计算单元(或者中央单元/控制单元)包括用于解码和处理所接收到的数据的通信单元以及用于基于相对于方法所描述的相关方法。指纹识别和/或几何方法来定位该至少一个传感器的定位单元。

系统可以包括至少一个废气温度传感器。

另选地，至少一个传感器可以被设置在引擎内，用于测量机曲轴杆轴承的温度。因此，利用根据这里所述方法工作的仅一个传感器，现有的系统就能更有效的工作，并且因此，利用这里所描述的系统更换单一传感器是值得的。因此，最小的配置为一个温度传感器，一个接收器和一个计算单元。

典型地，用于监测和/或控制引擎的网络包括至少一个温度传感器，诸如废气温度传感器、冷却水传感器、润滑油传感器、燃料油传感器、气体温度传感器、轴承温度传感器；以及流量传感器，诸如冷却水流量传感器、润滑油流量传感器、废气流量传感器、伺服油流量传感器、燃料油流量传感器或气体流量传感器；以及压力传感器，诸如冷却水压力传感器、润滑油压力传感器、伺服油压力传感器、燃料油压力传感器或气体压力传感器；以及位置传感器，诸如活塞位置传感器、曲轴位置传感器、转动齿轮位置传感器、进气阀位置传感器或废气门阀位置传感器。

系统可以包括可安装在运动引擎部件上并且由定位单元跟踪的至少一个传感器。

因此，可运动部件的运动可以被跟踪。

本发明的另一方面涉及内燃机，该内燃机包括这里所描述的系统。

这种引擎很容易被监测并且具有这里所描述的系统和方法的优点。

本发明的另一方面涉及这里所描述的系统的用于控制和/或监测内燃机的用途，并且该内燃机优选为船舶中的内燃机。

该用途使得提供用于控制和监测内燃机的可靠的系统成为可能。

有利地，期望将向传感器发送信号，例如，用于控制或调节例如阀门。采用这里所描述的方法和系统，这同样也是可能的。

根据优选配置，静态传感器可以每5秒钟被读取一次。浮动变化的值可以被每两秒钟或者更短的时间间隔内读出。实时时间读数也是可能的。

另外，可能仅采用每隔一个测量结果，或者每第十个测量结果或者另选地，每小时或每天一次的测量结果来确定传感器的位置。这样可以降低系统复杂性。

引入无线传感器网络降低了安装、引入和替换其他传感器的成本，其可以促进开发新型传感器种类。除此之外，UWB使得可靠、低复杂性和自组织传感器网络成为可能，这还能促成采用密集和大尺度传感器的新的应用。

附图说明

附图表示优选实施例。附图表示：

图1：具有多个读取器的UWB传感器网络的框图；

图2：UWB TX节点的框图；

图3：引擎上的测量情形；

图4：引擎上的另一个测量情形，用于自动定位；

图5：联合通信和定位流程图。

具体实施方式

图1示出了示例性的简单传感器网络。若干个发送(TX)节点与连接到中央单元的若干个读取器装置通信。读取器装置将其从传感器接收到的数据解码。中央单元采集所有来自读取器的数据。传感器发送可以被实现为脉冲无线电调制，或者实现为扩展频谱调制。图1的UWB发送器的示例性实现方式在图2中作为框图示出。这种模式可以包括数字基带UWB发送器，在该UWB发送器中，若干输入信号，诸如传感器数据、用户I/O(输入/输出)和/或来自编程接口的编程输入可以按照基带调制处理。所述信号可以在模拟RF前端中被处理和放大。在该模式中可以包括电池。发送节点包括布置在内燃机中用于确定引擎状态的传感器(参见图3)。

对于通信范围测试，测试情形中的一个包括接收被定位成沿着测试引擎的外壳距读取器距离逐渐增加的两个同时发送节点的信号，如图3所示。这些测量结果已经示出对于所有记录的位置，可靠通信是可能的，指示至少10米的可用通信范围，即使传感器和读取器之间的信号路径被遮挡。

基于信道脉冲响应的指纹识别也表现出非常可靠的结果。其被应用于安装在引擎气缸盖上的气体温度传感器的定位，如图4所示。这引起可以被非常可靠和有效的解决得到的特定分类问题。我们研究了可用的关于传感器放置先验知识以及读取器之间配合的先验知识等的作用。将定位方法和可用先验知识(例如，潜在的传感器位置或引擎的几何形状)组合允许得到对马上面临的定位问题的有效解决方案。

图5示出联合通信和定位过程的大致概览。当在读取器处接收到数据信号时，第一相关信号度量被提取。这些度量此后被传递给通信单元和定位单元，其中基于这些度量，所发送的数据和位置估计被提取。最后，位置估计与相应的数据相关联，从而使得能够进行如所描述的进一步后处理，例如，基于自动定位、节点识别和跟踪的即插即用传感器置换。

因此，通过执行联合的通信和定位，所有传递的远程数据可以与相应传感器的对应位置相关联，例如在引擎上。这在传感器被安装在引擎的运动部件上的情况下特别有用，或者对于传感器需要规律地被替换或者即兴安装在非指定位置的情况下特别有用。提供受益于联合通信和定位的三个示例性使用示例。

一组废气温度传感器安装在引擎的气缸盖上。假设在每个气缸上安装一个传感器，读取器可以将所接收的温度值与相应的气缸相关联，而无需实施寻址机制来区分传感器(例如，发送唯一的硬件标识ID)。

跟踪安装在引擎内部的运动部件上的曲柄销轴承温度传感器，从而增加了提供用于监测引擎状态的次级数据的优点。

对于由若干个无线节点组成的整个无线遥感网络，读取器可维持所有传感器位置的数据库。这允许传感器的即插即用功能：新的传感器很容易被安装在其期望位置上并被打开；然后网络从其自身位置检测传感器功能并且自动地执行所有必要配置。

除了这些应用，还存在利用关于传感器在马达上布置的先验信息以改善(或者，对于某些情况，使得)对传感器的定位。

特定值的详细算法，即，对于上面提到的废气温度传感器按照如下示例性方法提供。

作为示例，废气温度传感器和具有并行执行数据检测和基于定位的指纹识别的读取器处的相干接收器已经被考虑。

-废气温度传感器确定温度并且量化该值。

-用多个比特将数字温度编码以被发送。

-将比特映射为符号波形并且被发送。

-所接收到的信号以发送器和接收器的位置特定的方式受到无线信道的干扰。

-使用发送信号波形的知识，获得信道脉冲响应(CIR)的估计。

-该CIR估计被传递到表示数据检测和定位的两个函数，i)对于数据检测，根据发送脉冲波形和CIR估计来计算信道匹配滤波器。所接收到的信号和信道匹配滤波器用于提取发送的数据。ii)对于定位，估计的CIR与之前在针对潜在候选位置的训练阶段获得的所有所存储的CIR相关联。对应于使该互相关最大化的所存储的CIR的候选位置被选择作为发送传感器的估计位置。