Verfahren sowie Vorrichtung zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors.

Bekannt sind Verfahren zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors. Dies ist beispielsweise in der Schrift von J. Seewig offenbart [.Linear and robust

Gaussian regression filters", Journal of Physics: Conference Series, Volume 13, pp. 254-257]. Dort wird das erfasste Sensorsignal mittels einer Gaußfunktion gefiltert. Eine Filterung kann beispielsweise mittels eines Tiefpass-FIR- Filters oder -NR- Filters erfolgen. Dies sind jedoch bei Filterung eines Sensorsignals mit Ausreißern iterative Prozesse, welche die Stabilität und die Effizienz des

Verfahrens verschlechtern können und zudem nicht echtzeitfähig sind. Zudem ist beispielsweise aus der ISO-Norm 16610 bekannt, dass Filterfunktionen als Matrizen dargestellt werden können.

Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung mit einem Sensor und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors. Hierbei wird zu Beginn in einem Verfahrensschritt a eine Mehrzahl von Messwerten des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erfasst, um das Sensorsignal zu erhalten. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b eine erste Faltungsmatrix erzeugt und in einem Verfahrensschritt c eine

Abschätzungsfunktion in Abhängigkeit von dem Sensorsignal und der ersten Faltungsmatrix bestimmt. Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt d eine Zwischenfunktion durch Faltung der Abschätzungsfunktion mit der ersten Faltungsmatrix erzeugt. In einem anschließenden Verfahrensschritt e wird eine zweite Faltungsmatrix in Abhängigkeit von der Zwischenfunktion erzeugt. Im Anschluss erfolgt ein Verfahrensschritt f, in welchem eine Kombinationsmatrix durch Faltung der ersten Faltungsmatrix mit der zweiten Faltungsmatrix erzeugt wird. Abschließend wird in einem Verfahrensschritt g ein gefiltertes Sensorsignal durch Faltung der Kombinationsmatrix mit der Abschätzungsfunktion erzeugt. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine sehr gute und robuste Filterung des

Sensorsignals erfolgt. Die Filterung erfolgt hierbei zweidimensional und nichtiterativ und ist somit sehr schnell durchzuführen. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere für Echtzeitsysteme, bei welchen ein zeitnahes Ergebnis benötigt wird, um den Anforderungen des Systems zu genügen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine Gaußfunktion darstellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass solch eine Faltungsmatrix eine konstante

Gruppenlaufzeit im Sperr- und Durchlassbereich und kein Überschwingen in der Sprungantwort besitzt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine Splinefunktion darstellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass kaum eine Signalverzerrung am Anfang und am Ende des gefilterten Sensorsignals entsteht. Somit kann quasi das komplette

Sensorsignal für weitere Auswertungen genutzt werden und es ist keine Vor- und Nachlaufzeit zur Erfassung von Messwerten nötig, wodurch das Verfahren besonders schnell ist. Diese Lösung ist zudem besonders für diskontinuierliche und mit unterschiedlichem zeitlichem Abstand erfasste Messwerte geeignet, ohne dass dabei der Rechenaufwand gegenüber zeitlich äquidistant erfassten Messwerten wesentlich ansteigt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine asymmetrische Funktion darstellt. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein erfasstes Sensorsignal oftmals nicht symmetrisch ist und somit durch eine asymmetrische Funktion besser gefiltert werden kann. So kann die asymmetrische Funktion beispielsweise derartig ausgestaltet sein, dass sie in Bereichen des Sensorsignals, in welchen besonders häufig Ausreißer auftreten, stärker gewichtet ist und somit in diesem Bereich eine exaktere

Filterung durchgeführt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite

Faltungsmatrix einen Vektor darstellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass der Freiheitsgrad eines Vektors sehr groß ist.

Hierdurch lässt sich eine besonders gute Basis für die Filterung des

Sensorsignals wählen und somit die Effektivität und Genauigkeit des Verfahrens steigern.

Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung mit einem Sensor und einer Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Messwerten des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zu erfassen, um ein Sensorsignal zu erhalten. Zudem ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, eine erste Faltungsmatrix zu erzeugen und eine

Abschätzungsfunktion in Abhängigkeit von dem Sensorsignal und der ersten Faltungsmatrix zu bestimmen und eine Zwischenfunktion durch Faltung der Abschätzungsfunktion mit der ersten Faltungsmatrix zu erzeugen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, eine zweite Faltungsmatrix in Abhängigkeit von der Zwischenfunktion zu erzeugen und eine

Kombinationsfunktion durch Faltung der zweiten Faltungsmatrix mit der ersten Faltungsmatrix zu erzeugen. Außerdem ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein gefiltertes Sensorsignal durch die Faltung der

Kombinationsfunktion mit der Abschätzungsfunktion zu erzeugen.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine sehr gute und robuste Filterung des

Sensorsignals erfolgt. Die Filterung erfolgt hierbei zweidimensional und nichtiterativ und ist somit sehr schnell durchzuführen. Daher eignet sich die entsprechend dazu eingerichtete Vorrichtung insbesondere für Echtzeitsysteme, bei welchen ein zeitnahes Ergebnis benötigt wird, um den Anforderungen des Systems zu genügen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste

Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine Gaußfunktion darstellt. Vorteilhaft ist hierbei, dass solch eine Faltungsmatrix eine konstante

Gruppenlaufzeit im Sperr- und Durchlassbereich und kein Überschwingen in der Sprungantwort besitzt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine Splinefunktion darstellt. Vorteilhaft ist hierbei, dass kaum eine Signalverzerrung am Anfang und am Ende des gefilterten Sensorsignals entsteht. Somit kann quasi das komplette

Sensorsignal für weitere Auswertungen genutzt werden und es ist keine Vor- und Nachlaufzeit zur Erfassung von Messwerten nötig, wodurch das Verfahren besonders schnell ist. Diese Lösung ist zudem besonders für diskontinuierliche und mit unterschiedlichem zeitlichem Abstand erfasste Messwerte geeignet, ohne dass dabei der Rechenaufwand gegenüber zeitlich äquidistant erfassten Messwerten wesentlich ansteigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix eine asymmetrische

Funktion darstellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass ein erfasstes Sensorsignal oftmals nicht symmetrisch ist und somit durch eine asymmetrische Funktion besser gefiltert werden kann. So kann die asymmetrische Funktion beispielsweise derartig ausgestaltet sein, dass sie in Bereichen des Sensorsignals, in welchen besonders häufig Ausreißer auftreten, stärker gewichtet ist und somit in diesem Bereich eine exaktere Filterung durchgeführt werden kann..

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Faltungsmatrix oder auch die zweite Faltungsmatrix einen Vektor darstellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass der Freiheitsgrad eines Vektors sehr groß ist.

Hierdurch lässt sich eine besonders gute Basis für die Filterung des

Sensorsignals wählen und somit die Effektivität und Genauigkeit des Verfahrens steigern. Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors.

Fig. 3 zeigt ein erstes Magnetfeld-Zeit-Diagramm, in welchem erfasste

Messwerte dargestellt sind.

Fig. 4 zeigt ein zweites Magnetfeld-Zeit- Diagramm, in welchem gefilterte

Messwerte dargestellt sind. Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dargestellt ist eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist einen Sensor 20 und eine Verarbeitungseinheit 30 auf. Der Sensor 20 kann beispielsweise ein

Magnetfeldsensor, ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor oder eine beliebige andere Art von Sensor sein. Die Verarbeitungseinheit 30 ist beispielsweise ein Mikrocontroller und derartig mit dem Sensor 20 verbunden, dass eine Mehrzahl von Messwerten 22 innerhalb einer bestimmten Zeitspanne Tx erfassbar sind. Unter Erfassen ist dabei das Abgreifen der Messwerte 22 sowie das zumindest zeitweise Abspeichern dieser Messwerte 22 zu verstehen. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 30 hierfür einen nicht dargestellten internen Speicher oder auch die Vorrichtung 10 eine nicht dargestellte

Speichereinheit aufweisen, welche dann mit der Verarbeitungseinheit 30 bidirektional verbunden ist. Die erfassten Messwerte 22 stellen ein

zeitabhängiges Sensorsignal 23 dar. Dieses Sensorsignal 23 kann insbesondere als Vektor dargestellt werden, indem die erfassten Messwerte 22 als einzelne Elemente eines Vektors aufgefasst werden. Beispielsweise wird ein erster Messwert xl als erstes Element des Vektors, ein zweiter Messwert x2 als zweites Element des Vektors und ein dritter Messwert x3 als drittes Element des Vektors herangezogen, welcher sich dann ergibt zu:

Werden weitere Messwerte erfasst, werden diese entsprechend als weitere Elemente des Vektors aufgefasst. Die zeitliche Reihenfolge der erfassten Messwerte 22 wird hierbei im Vektor beibehalten. Der erste Messwert xl wurde beispielsweise zuerst erfasst und anschließend wurde der zweite Messwert x2 erfasst. Daraufhin wurde dann der dritte Messwert x3 und gegebenenfalls noch weitere Messwerte erfasst.

Die Verarbeitungseinheit 30 ist dazu eingerichtet, das erfasste Sensorsignal 23 zu filtern, um somit ein gefiltertes Sensorsignal 25 zu erhalten.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Filterung eines Sensorsignals eines Sensors.

Zuerst werden in einem Verfahrensschritt a eine Mehrzahl von Messwerten 22 innerhalb einer bestimmten Zeitspanne Tx erfasst. Diese Messwerte 22 stellen ein Sensorsignal 23 dar, welches wie zuvor beschrieben als Vektor darstellbar ist, in dem die erfassten Messwerte 22 als einzelne Elemente eines Vektors aufgefasst werden.

In einem Verfahrensschritt b wird daraufhin eine erste Faltungsmatrix erzeugt. Eine Faltungsmatrix wird typischerweise auch als Kern bezeichnet. Die erste Faltungsmatrix c gibt die geometrische Beziehung zwischen benachbarten Messwerten an und kann beispielsweise eine Gaußfunktion darstellen:

Hierbei \st Ä _c eine Grenzwellenlänge. Die Grenzwellenlänge verhält sich invers zur Grenzfrequenz und stellt somit einen Wert da, ab welchem die Filterung abgeschnitten werden soll. Eine typische Grenzfrequenz liegt beispielsweise bei etwa 50 Hz. Des Weiteren ist a eine Konstante, welche sich folgendermaßen zusammensetzt:

Anschließend wird in einem Verfahrensschritt c eine Abschätzungsfunktion in Abhängigkeit von dem erfassten Signal 23 und der ersten Faltungsmatrix bestimmt. Die Abschätzungsfunktion kann beispielsweise bestimmt werden, indem das Sensorsignal 23, welches als Vektor vorliegt, mit der ersten

Faltungsmatrix gefaltet wird. Dies ist in folgender Gleichung mathematisch dargestellt:

m(x) =

Nach dem Bestimmen der Abschätzungsfunktion im Verfahrensschritt c erfolgt ein Verfahrensschritt d. Im Verfahrensschritt d wird die im Verfahrensschritt c bestimmte Abschätzungsfunktion mit der ersten Faltungsmatrix gefaltet. Die Abschätzungsfunktion wird hierfür wiederum als Vektor aufgefasst, welcher mit der ersten Faltungsmatrix gefaltet wird. Aus dieser Faltung ergibt sich eine Zwischenfunktion, welche ebenfalls als eine Matrix dargestellt ist.

Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt e eine zweite Faltungsmatrix in Abhängigkeit von der Zwischenfunktion erzeugt. Diese zweite Faltungsmatrix beschreibt die Gemeinsamkeiten der beiden Dimensionen der Messwerte und bildet beispielsweise folgende Gaußfunktion ab:

In einem Verfahrensschritt f wird anschließend die erste Faltungsmatrix mit der zweiten Faltungsmatrix gefaltet, um eine Kombinationsfunktion zu erhalten, wobei die Kombinationsfunktion wiederum als Matrix dargestellt ist. Zuletzt wird dann in einem Verfahrensschritt g die Abschätzungsfunktion mit der Kombinationsfunktion gefaltet, um ein gefiltertes Sensorsignal 25 zu erzeugen. Durch die Faltung der Abschätzungsfunktion mit der Kombinationsfunktion wird ein Vektor erzeugt, welcher das entsprechende gefilterte Sensorsignal 25 darstellt. Die einzelnen Elemente dieses Vektors stellen dabei die gefilterten Messwerte 24 dar, welche wiederum in ihrer zeitlichen Reihenfolge sortiert sind.

Die mathematische Berechnung des gefilterten Signals 25 kann

zusammengefasst wie folgt dargestellt werden: /(fl c(f, *)s( (q m(*)).if

wobei e(x) das gefilterte Sensorsignal 25 ist.

Fig. 3 zeigt ein erstes Magnetfeld-Zeit- Diagramm, in welchem erfasste

Messwerte dargestellt sind.

Dargestellt ist eine mittels eines Magnetfeldsensors als Sensor 20 erfasste Mehrzahl an Messwerten 22. Diese Messwerte 22 wurden hierbei innerhalb einer bestimmten Zeitspanne Tx erfasst und bilden ein Sensorsignal 23. Die bestimmte Zeitspanne Tx beträgt hier beispielsweise einige Sekunden. Der Sensor 20 ist beispielsweise Teil einer Vorrichtung zur Überwachung eines Belegungs- Zustands eines Parkplatzes. Diese Vorrichtung ist dazu eingerichtet anhand des erfassten Magnetfelds zu erkennen, ob ein Parkplatz belegt ist oder nicht.

Typischerweise ist das Sensorsignal eines solchen Magnetfeldsensors rechteckförmig. Das erfasste Sensorsignal 23 weist jedoch deutliche Ausreißer 27 auf, welche durch Messfehler wie beispielsweise ein Überschwingen auftreten können.

Fig. 4 zeigt ein zweites Magnetfeld-Zeit- Diagramm, in welchem gefilterte

Messwerte dargestellt sind.

Dargestellt sind gefilterte Messwerte 24, welche sich aus den erfassten

Messwerten 22 nach Fig. 3 durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Fig. 2 ergeben. Diese gefilterten Messwerte 24 bilden dann das gefilterte Signal 25. Es ist deutlich zu erkennen, dass die in Fig. 3 vorhandenen Ausreißer 27 durch die erfindungsgemäße Filterung verschwunden sind.