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Title:
METHOD AND FILTER UNIT FOR FILTERING A DYNAMICALLY DEVIATING MEASUREMENT SIGNAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/109027
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for filtering a dynamically deviating measurement signal (22). The measurement signal (22) is first detected within a defined time period by means of a sensor unit (20) and said measurement signal (22) is picked up by a processing unit (30). A digital measurement signal (32) is subsequently generated via an analog-to-digital conversion of the detected measurement signal (22). A first transfer function (41) of the sensor unit (20) is then determined as a function of the digital measurement signal (32). Following this, a second transfer function (42) is generated in that the first transfer function (41) is substantially mirrored on the frequency axis. After the generation of the second transfer function (42), the filter coefficients of the second transfer function (42) are determined. Lastly, the digital measurement signal (32) is IIR filtered as a function of the determined filter coefficients in order to generate a filtered measurement signal (35). The invention further relates to a filter unit (10) having a sensor unit (20) and a processing unit (30), wherein the processing unit (30) is configured to implement a method according to the invention.

Inventors:
BAKUCZ, Peter (Bayernstrasse 2, Klosterlechfeld, 86836, DE)
Application Number:
EP2017/082668
Publication Date:
June 21, 2018
Filing Date:
December 13, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H03H17/04; G01D3/02; H03H17/02; H03H17/00
Foreign References:
US6019879A2000-02-01
EP1720041A12006-11-08
US6611602B12003-08-26
Other References:
STEVEN W SMITH: "The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, Custom Filters", 1 January 1997 (1997-01-01), XP002499860, Retrieved from the Internet
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zur Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals (22), aufweisend folgende Verfahrensschritte:

a. Erfassen des Messsignals (22) innerhalb einer definierten Zeitspanne mittels einer Sensoreinheit (20) und Abgreifen des Messsignals (22) durch eine Verarbeitungseinheit (30),

b. Erzeugen eines digitalen Messsignals (32) durch Analog-Digital- Wandlung des erfassten Messsignals (22),

c. Ermitteln einer ersten Übertragungsfunktion (41) der Sensoreinheit (20) in Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal (32),

d. Erzeugen einer zweiten Übertragungsfunktion (42), indem die erste Übertragungsfunktion (41) an der Frequenzachse im Wesentlichen gespiegelt wird,

e. Ermitteln von Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion (42), f. Erzeugen eines gefilterten Messsignals (35) durch II R-Filtern des

digitalen Messsignals (32) in Abhängigkeit von den ermittelten

Filterkoeffizienten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im

Verfahrensschritt d die zweite Übertragungsfunktion (42) derartig erzeugt wird, dass diese in einem Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert (51) und einem zweiten Grenzwert (52) das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der ersten Übertragungsfunktion (41) aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt f das II R-Filtern wahlweise als Tiefpassfiltern oder Hochpassfiltern oder Bandpassfiltern durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c die erste Übertragung

(41) mittels einer Methode der kleinsten Quadrate ermittelt wird. Filtereinheit (10) mit einer Sensoreinheit (20) und einer Verarbeitungseinheit (30), wobei die Verarbeitungseinheit (30) einen Analog-Digital-Wandler (31) und einen 11 R- Filter (34) aufweist, und wobei die Sensoreinheit (20) dazu eingerichtet ist, ein dynamisch abweichendes Messsignal (22) innerhalb einer definierten Zeitspanne zu erfassen, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, das erfasste Messsignal (22) von der Sensoreinheit (20) abzugreifen und mittels des Analog-Digital-Wandlers (31) aus dem erfassten Messsignals (22) ein digitales Messsignal (32) zu erzeugen, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, eine erste

Übertragungsfunktion (41) der Sensoreinheit (20) in Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal (32) zu ermitteln und eine zweite Übertragungsfunktion (42) durch wesentliche Spiegelung der ersten Übertragungsfunktion (41) an der Frequenzachse zu erzeugen, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion (42) zu ermitteln, und wobei die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, mittels des II R-Filters (34) ein gefiltertes Messsignal (35) durch II R-Filtern des digitalen Messsignals (32) in Abhängigkeit von den ermittelten

Filterkoeffizienten zu erzeugen.

Filtereinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, die zweite

Übertragungsfunktion (42) derartig zu erzeugen, dass diese in einem

Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert (51) und einem zweiten Grenzwert (52) das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der ersten Übertragungsfunktion (41) aufweist.

7. Filtereinheit (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch

gekennzeichnet, dass der N R- Filter (34) wahlweise ein Tiefpassfilter oder ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter ist.

8. Filtereinheit (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (30) dazu eingerichtet ist, die erste

Übertragungsfunktion (41) mittels einer Methode der kleinsten Quadrate zu ermitteln.

Description:
Beschreibung Titel

Verfahren und Filtereinheit zur Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals.

In der Patentschrift US 6611602 Bl ist ein solches Verfahren offenbart. Hierbei wird ein Messsignal eines Sensors erfasst und mittels eines FI R-Filters, welcher nicht-rekursiv und stabil ist, eine Zentrumsfrequenz ermittelt. Anschließend wird mittels eines Notchfilters in Abhängigkeit von der ermittelten Zentrumsfrequenz das erfasste Messsignal gefiltert und somit ein gefiltertes Messsignal erzeugt.

Die Erfindung betrifft zudem eine Filtereinheit, welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals.

Hierbei wird zu Beginn das Messsignal innerhalb einer definierten Zeitspanne mittels einer Sensoreinheit erfasst und durch eine Verarbeitungseinheit abgegriffen. Anschließend wird ein digitales Messsignal erzeugt, indem das erfasste Messsignal analog-digital-gewandelt wird. Daraufhin wird eine erste Übertragungsfunktion der Sensoreinheit in Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal ermittelt. Im Anschluss wird eine zweite Übertragungsfunktion erzeugt, indem die erste Übertragungsfunktion an der Frequenzachse im Wesentlichen gespiegelt wird. Nach der Erzeugung der zweiten

Übertragungsfunktion werden Filterkoeffizienten der zweiten

Übertragungsfunktion ermittelt. Abschließend wird das digitale Messsignal in Abhängigkeit von den ermittelten Filterkoeffizienten II R-gefiltert, um ein gefiltertes Messsignal zu erzeugen.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine dynamische Abweichung aus dem Messsignal herausgefiltert wird. Solch eine dynamische Abweichung kann beispielsweise ein resonantes Verhalten der Sensoreinheit sein, welches sich beispielsweise in einem Überschwingen des erfassten Messsignals äußert. Dynamische

Abweichungen bei Messungen lassen sich zudem auf sich ändernde externe Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur oder Luftfeuchtigkeit zurückführen. Mittels des offenbarten Verfahrens lassen sich also insbesondere Störsignale aus dem erfassten Messsignal herausfiltern, sodass sich das gefilterte

Messsignal möglichst proportional zu der zu erfassenden Messgröße der Sensoreinheit verhält. Des Weiteren ist von Vorteil, dass für eine N R- Filterung weniger Filterkoeffizienten benötigt werden als beispielsweise für eine Fl R- Filterung, wodurch der Rechenaufwand des Verfahrens verringert und folglich Energie eingespart werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt d die zweite Übertragungsfunktion derartig erzeugt wird, dass diese in einem Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert und einem zweiten Grenzwert das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der ersten Übertragungsfunktion aufweist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Wahl des ersten und zweiten Grenzwerts bestimmt werden kann, in welchem Bereich die erste Übertragungsfunktion gespiegelt werden soll, um die zweite Übertragungsfunktion zu erzeugen.

Hierdurch kann der Frequenzbereich, welchen die dynamische Abweichung hauptsächlich aufweist, möglichst gut gefiltert werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Verfahrensschritt f das N R- Filtern wahlweise als Tief passfiltern oder Hochpassfiltern oder Bandpassfiltern durchgeführt wird.

Vorteilhaft ist hierbei, dass je nach Anwendungsfall auf eine unterschiedliche Filterung zurückgegriffen werden kann. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Verfahrensschritt c die erste Übertragungsfunktion mittels einer Methode der kleinsten Quadrate ermittelt wird.

Vorteilhaft ist hierbei, dass nur geringe Ressourcen benötigt werden, um die erste Übertragungsfunktion zu ermitteln. Hierdurch ist das Verfahren schneller und es wird weniger Energie benötigt.

Die Erfindung betrifft zudem eine Filtereinheit, welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Die Filtereinheit weist eine Sensoreinheit und einer Verarbeitungseinheit auf, wobei die Verarbeitungseinheit einen Analog-Digital-Wandler und einen II R-Filter aufweist. Die Sensoreinheit ist dazu eingerichtet, ein dynamisch abweichendes Messsignal zu erfassen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, das erfasste Messsignal von der Sensoreinheit abzugreifen und mittels des Analog-Digital-Wandlers aus dem erfassten Messsignals ein digitales

Messsignal zu erzeugen. Zudem ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, eine erste Übertragungsfunktion der Sensoreinheit in Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal zu ermitteln und eine zweite Übertragungsfunktion durch wesentliche Spiegelung der ersten Übertragungsfunktion an der Frequenzachse zu erzeugen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet,

Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion zu ermitteln und mittels des II R-Filters ein gefiltertes Messsignal durch II R-Filtern des digitalen Messsignals in Abhängigkeit von den ermittelten Filterkoeffizienten zu erzeugen.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine dynamische Abweichung aus dem Messsignal herausgefiltert wird. Solch eine dynamische Abweichung kann beispielsweise ein resonantes Verhalten der Sensoreinheit sein, welches sich beispielsweise in einem Überschwingen des erfassten Messsignals äußert. Dynamische

Abweichungen bei Messungen lassen sich zudem auf sich ändernde externe Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur oder Luftfeuchtigkeit zurückführen. Mittels der offenbarten Filtereinheit lassen sich also insbesondere Störsignale aus dem erfassten Messsignal herausfiltern, sodass sich das gefilterte

Messsignal möglichst proportional zu der zu erfassenden Messgröße der Sensoreinheit verhält. Des Weiteren ist von Vorteil, dass für eine IIR-Filterung weniger Filterkoeffizienten benötigt werden als beispielsweise für eine FI R- Filterung, wodurch der Rechenaufwand verringert und folglich Energie eingespart werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die

Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die zweite Übertragungsfunktion derartig zu erzeugen, dass diese in einem Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert und einem zweiten Grenzwert das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der ersten Übertragungsfunktion aufweist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Wahl des ersten und zweiten Grenzwerts bestimmt werden kann, in welchem Bereich die erste Übertragungsfunktion gespiegelt werden soll, um die zweite Übertragungsfunktion zu erzeugen.

Hierdurch kann der Frequenzbereich, welchen die dynamische Abweichung hauptsächlich aufweist, möglichst gut gefiltert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der II R-

Filter wahlweise ein Tiefpassfilter oder ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass je nach Anwendungsfall auf eine unterschiedliche Filterung zurückgegriffen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die erste Übertragungsfunktion mittels einer Methode der kleinsten Quadrate zu ermitteln.

Vorteilhaft ist hierbei, dass nur geringe Ressourcen benötigt werden, um die erste Übertragungsfunktion zu ermitteln. Hierdurch kann die Filterung des erfassten Messsignals schneller erfolgen und es wird weniger Energie benötigt.

Zeichnungen Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinheit, welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Fig. 3 zeigt ein Amplituden-Frequenz-Diagramm, in welchem eine erste

Übertragungsfunktion, eine zweite Übertragungsfunktion sowie eine

kompensierte Übertragungsfunktion dargestellt sind.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Filterung eines dynamisch abweichenden Messsignals.

Zuerst wird in einem Verfahrensschritt a ein dynamisch abweichendes

Messsignal 22 innerhalb einer definierten Zeitspanne mittels einer Sensoreinheit 20 erfasst und durch eine Verarbeitungseinheit 30 abgegriffen.

Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b ein digitales Messsignal 32 erzeugt, indem das erfasste Messsignal 22 analog-digital-gewandelt wird.

Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt c eine erste Übertragungsfunktion 41 der Sensoreinheit 30 in Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal 32 ermittelt. Eine Übertragungsfunktion stellt hierbei die Amplitude der Eingangsgröße bezogen auf die Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Die erste Übertragungsfunktion 41 kann beispielsweise mittels einer Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden.

In einem Verfahrensschritt d wird daraufhin eine zweite Übertragungsfunktion 42 erzeugt, indem die erste Übertragungsfunktion 41 an der Frequenzachse im Wesentlichen gespiegelt wird. Die Frequenzachse ist hierbei die

Abszissenachse. Die Spiegelung erfolgt insbesondere, indem die Amplitude der zweiten Übertragungsfunktion 42 derartig erzeugt wird, dass diese in einem Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert 51 und einem zweiten Grenzwert 52 das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der Amplitude der ersten Übertragungsfunktion 41 aufweist.

Anschließend werden in einem Verfahrensschritt e Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion 42 ermittelt.

Abschließend wird in einem Verfahrensschritt f ein gefiltertes Messsignal 35 erzeugt, indem das digitale Messsignal 32 in Abhängigkeit von den ermittelten Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion 42 II R-gefiltert wird. Unter N R- Filterung ist dabei die Filterung des digitalen Messsignals mittels eines Filters mit infinite impulse response zu verstehen. Solch eine II R-Filterung kann beispielsweise wahlweise als Tiefpass- oder Hochpass- oder Bandpassfilterung durchgeführt werden.

Optional läuft nach dem Verfahrensschritt f noch ein Verfahrensschritt g ab, in welchem das gefilterte Messsignal 35 ausgegeben wird. Dieses gefilterte

Messsignal 35 kann dann für weitere Auswertungen genutzt werden.

Nach dem Beenden des Verfahrens kann dieses jederzeit wieder neu gestartet werden. Es ist auch denkbar, dass das Verfahren bereits wieder neu gestartet wird, wenn ein zuvor gestartetes Verfahren noch nicht beendet ist, sodass sich die Verfahren überlappen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinheit, welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dargestellt ist eine Filtereinheit 10. Die Filtereinheit 10 weist eine Sensoreinheit 20 und eine Verarbeitungseinheit 30 auf. Die Sensoreinheit 20 kann

beispielsweise ein Magnetfeldsensor, ein Beschleunigungssensor, ein

Drehratensensor oder eine beliebige andere Art von Sensor sein, welche auf eine physikalische Größe 18 wie beispielsweise Magnetfeld oder Beschleunigung reagiert. Die Sensoreinheit 20 ist dazu eingerichtet, ein dynamisch abweichendes Messsignal 22 innerhalb einer definierten Zeitspanne zu erfassen. Die

Verarbeitungseinheit 30 ist beispielsweise ein Mikrocontroller und derartig mit der

Sensoreinheit 20 verbunden, dass das Messsignal 22, welches sich aus einer Mehrzahl von Messwerten zusammensetzt, abgreifbar ist. Unter Abgreifen des Messsignals 22 von der Sensoreinheit 20 durch die Verarbeitungseinheit 30 ist insbesondere auch das zumindest zeitweise Abspeichern dieses erfassten Messsignals 22 zu verstehen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 30 hierfür einen nicht dargestellten internen Speicher oder auch die Filtereinheit 10 eine nicht dargestellte Speichereinheit aufweisen, welche dann mit der

Verarbeitungseinheit 20 bidirektional verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 20 weist zudem einen Analog-Digital-Wandler 31 und einen 11 R- Filter 34 auf. Die Verarbeitungseinheit 30 ist dazu eingerichtet, durch Analog-Digital-Wandlung des erfassten Messsignals 22 mittels des Analog-Digital-Wandlers 31 ein digitales Messsignal 32 zu erzeugen. Zudem ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, eine erste Übertragungsfunktion 41 der Sensoreinheit 20 in

Abhängigkeit von dem digitalen Messsignal 32 zu ermitteln und eine zweite Übertragungsfunktion 42 durch wesentliche Spiegelung der ersten Übertragungsfunktion 41 an der Frequenzachse zu erzeugen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 30 dazu eingerichtet, Filterkoeffizienten der zweiten Übertragungsfunktion 42 zu ermitteln und mittels des II R-Filters 34 ein gefiltertes Messsignal 35 durch II R-Filtern des digitalen Messsignals 32 in Abhängigkeit von den ermittelten Filterkoeffizienten zu erzeugen. Der Analog-Digital-Wandler 31 oder auch der N R- Filter 34 sind jeweils entweder hardware-technisch oder software-technisch realisierbar. Bei einer software-technischen Realisierung wird die Verarbeitungseinheit 30 entsprechend programmiert, bei einer hardwaretechnischen Lösung weist die Verarbeitungseinheit 30 dagegen die

entsprechende nötigen elektronischen Bauteile auf. Optional ist die

Verarbeitungseinheit 30 noch dazu eingerichtet, das gefilterte Messsignal 35 auszugeben. Alternativ kann das gefilterte Messsignal 35 zusätzlich oder auch ausschließlich intern von der Verarbeitungseinheit 30 weiterverarbeitet werden. Fig. 3 zeigt ein Amplituden-Frequenz-Diagramm, in welchem eine erste

Übertragungsfunktion, eine zweite Übertragungsfunktion sowie eine

kompensierte Übertragungsfunktion dargestellt sind.

Dargestellt ist ein Diagramm bei welchem die Abszissenachse eine Frequenz f in kHz und die Ordinatenachse eine Amplitude in dB darstellt. In diesem Diagramm ist eine erste Übertragungsfunktion 41 der Sensoreinheit 20 dargestellt. Des

Weiteren ist eine zweite Übertragungsfunktion 42 dargestellt. Die zweite

Übertragungsfunktion 42 ist im Wesentlichen die Spiegelung der ersten

Übertragungsfunktion 41 an der Abszissenachse. Insbesondere ist hier dargestellt, dass die Amplitude der ersten Übertragungsfunktion 41 in einem Frequenzbereich zwischen einem ersten Grenzwert 51 und einem zweiten

Grenzwert 52, hier beispielsweise zwischen 0kHz und 60kHz, das umgekehrte Vorzeichen aber den gleichen Betrag der Amplitude der zweiten

Übertragungsfunktion 42 aufweist. Zudem ist eine kompensiert

Übertragungsfunktion 43 dargestellt, welches die Filtereinheit 10, aufweisend die Sensoreinheit 20 und die Verarbeitungseinheit 30, durch die erfindungsgemäße

Filterung aufweist. Dabei ist zusehen, dass die kompensierte

Übertragungsfunktion 42 zwischen dem ersten Grenzwert 51 und dem zweiten Grenzwert 52 eine Frequenzunabhängigkeit aufweist, sprich die Amplitude der kompensierten Übertragungsfunktion 43 den Wert Null annimmt.