Wave-based sensor, actuator and optimizer

Abstract

A presente tese explora a utilização de ondas para abordar dois desafios significativos na indústria automóvel. O primeiro desafio consiste no desenvolvimento de um sistema de cancelamento ativo de ruído (ANC) que possa reduzir os ruídos não estacionários no compartimento de passageiros de um veículo. O segundo desafio é criar uma metodologia de conceção ótima para sensores de posição indutivos capazes de medir deslocamentos lineares, rotacionais e angulares. Para abordar o primeiro desafio, foi desenvolvido de um sistema ANC onde wavelets foram combinadas com um banco de filtros adaptativos. O sistema foi implementado em uma FPGA, e testes demonstraram que o sistema pode reduzir o ruído não estacionário em um ambiente acústico aberto e não controlado em 9 dB. O segundo desafio foi abordado através de uma metodologia que combina um algoritmo genético com um método numérico rápido para otimizar um sensor de posição indutivo. O método numérico foi usado para simular o campo eletromagnético associado à geometria do sensor, permitindo a maximização da corrente induzida nas bobinas recetoras e a minimização da não-linearidade no sensor. A minimização da não-linearidade foi conseguida através do desenho (layout) das bobinas que compõem o sensor. Sendo este otimizado no espaço de Fourier através da adição de harmónicos apropriados na geometria. As melhores geometrias otimizadas apresentaram uma não-linearidade inferior a 0,01% e a 0,25% da escala total para os sensores de posição angular e linear, respetivamente, sem calibração por software. O sistema ANC proposto tem o potencial de melhorar o conforto dos ocupantes do veículo, reduzindo o ruído indesejado dentro do compartimento de passageiros. Isso poderia reduzir o uso de materiais de isolamento acústico no veículo, levando a um veículo mais leve e, em última análise, a uma redução no consumo de energia. A metodologia desenvolvida para sensores de posição indutivos contribui para o estado da arte de sensores de posição eficientes e económicos, o que é crucial para os requisitos complexos da indústria automóvel. Essas contribuições têm implicações para o desenho de sistemas automotivos, com requisitos de desempenho e considerações ambientais e económicas.

This thesis explores the use of waves to tackle two major engineering challenges in the automotive industry. The first challenge is the development of an Active Noise Cancelling (ANC) system that can effectively reduce non-stationary noise inside a vehicle’s passenger compartment. The second challenge is the optimization of an inductive position sensor design methodology capable of measuring linear, rotational, and angular displacements. To address the first challenge, this work designs an ANC system that employs wavelets combined with a bank of adaptive filters. The system was implemented in an FPGA, and field tests demonstrate its ability to reduce non-stationary noise in an open and uncontrolled acoustic environment by 9 dB. The second challenge was tackled by proposing a new approach that combines a genetic algorithm with a fast and lightweight numerical method to optimize the geometry of an inductive position sensor. The numerical method is used to simulate the sensor’s electromagnetic field, allowing for the maximization of induced current on the receiver coils while minimizing the sensor’s non-linearity. The non-linearity minimization was achieved through its unique sensor’s coils design optimized in the Fourier space by adding the appropriate harmonics to the coils’ geometry. The best optimized geometries exhibited a non-linearity of less than 0.01% and 0.25% of the full scale for the angular and linear position sensors, respectively. Both results were achieved without the need for signal calibration or post-processing manipulation. The proposed ANC system has the potential to enhance the comfort of vehicle occupants by reducing unwanted noise inside the passenger compartment. Moreover, it has the potential to reduce the use of acoustic insulation materials in the vehicle, leading to a lighter vehicle and ultimately reducing energy consumption. The developed methodology for inductive position sensors represents a state-of-the-art contribution to efficient and cost-effective position sensor design, which is crucial for meeting the complex requirements of the automotive industry.