CN104280050B - 一种信号值融合装置、系统、方法及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号值融合装置、系统、方法及工程机械，其中，所述信号值融合装置包括：接收器，用于接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；以及处理器，用于：根据每个传感器的信号值和/或标准值是否故障及该传感器的信号值的误差计算每个信号值的权重，及基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值，由于引入了信号值的权重，使得误差越高的信号值对有效值的影响越小，从而提高了最终所确定的信号值的准确度。

Description

一种信号值融合装置、系统、方法及工程机械

技术领域

本发明涉及一种信号值融合装置、系统、方法及工程机械。

背景技术

在某些运动控制系统中，如果系统运行存在异常，则会影响到人身安全或者牵涉较大的经济效益，一般会将这种系统设计为冗余的系统。在这种系统中经常使用冗余传感器的方法。

目前，对于冗余传感器采集到多个信号值以后的数据融合处理方法，各有不同。一般地，采用对多个传感器或者取均值或者通过函数等方法进行融合以降低噪声干扰等带来的误差。图1给出了现有技术的信号值融合方法的流程图，如图1所示，在步骤101处，采集冗余传感器的信号值，在步骤102处，判断信号值是否有效，无效则抛弃，在步骤103处，使对剩余信号值取均值来进行融合。

对于某些传感器没有发生故障但是却不是很稳定的情况，例如，传感器安装松动或者线路接触不好等，如果通过数值超限的方法对传感器传输来的信号值进行筛选掉，用一般的滤波和均方误差方法进行数据融合，确定的最终信号值准确度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种信号值融合装置、系统、方法及工程机械，其中该设备提高了信号值的准确性，使得系统可以带病工作，提高了系统的容错性。

为了实现上述目的，本发明提供一种信号值融合装置，该信号值融合装置包括：接收器，用于接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；以及处理器，用于：根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，及基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值。

相应地，本发明还提供一种信号值融合系统，该信号值融合系统包括：所述信号值融合装置；以及多个传感器，与所述接收器连接，用于执行检测并输出所述信号值。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括所述信号值融合系统。

相应地，本发明还提供一种信号值融合方法，该信号值融合方法包括：接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；以及根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，及基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值。

通过上述技术方案，根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，并基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值，由于引入了信号值的权重，使得误差越高的信号值对有效值的影响越小，从而提高了最终所确定的信号值的准确度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1给出了现有技术的信号值融合方法的流程图；

图2是本发明提供的一种信号值融合系统的结构示意图；以及

图3是根据本发明的信号值融合方法的流程图。

附图标记说明

10 多个传感器 20 信号值融合装置

210 接收器 220 处理器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图2是本发明提供的一种信号值融合系统的结构示意图。如图2所示，本发明提供一种信号值融合系统，该系统可以包括：多个传感器10，用于执行检测并输出信号值；以及信号值融合装置20，该信号值融合装置20可以包括：接收器210和处理器220，接收器210用于接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期，处理器220用于根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，并基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值。其中，多个传感器10与接收器210连接。如此，通过计算每个信号值的权重，降低准确性差的信号值的权重，从而提高最终确定的有效值的准确性。

具体地，以下将详细介绍处理器220计算传感器信号值的权重的方法。处理器220对每次采用后所获得的传感器的信号值进行判断，以确定传感器是否故障和/或信号值是否存在误差。处理器220首先根据以下公式来计算每个传感器的故障率F(n)：

$F{\left(n\right)}_i=\left({\mathrm{\Σ}}_0^{n}P\left(n\right)\right)/n;$

然后确定每个传感器的信号值的权重W(n)_i＝1-F(n)_i，其中i为传感器的编号，n表示第n个信号采集处理周期，P(n)基于以下情况进行取值：当一传感器故障时，该传感器的P(n)为1；当多个传感器10中的任意两个非故障传感器之间差值的绝对值超过预设的最大允许差值时，所有非故障传感器的P(n)可以为大于0小于1的设定值，例如该设定值可以为但不限于0.4、0.6、0.7等，由于此种情况中无法判定传感器的信号值的准确性情况，因此，优选地，该设定值可以为0.5，即取中间值，以尽量减少由于信号值的权重的偏差而对最终确定的有效值的准确性带来的影响；否则，传感器的P(n)为0。

具体地，在传感器存在以下情况中的至少一者时，处理器220确定该传感器故障：所述传感器的信号值超出该传感器的正常测量范围；所述传感器的信号值相对于该传感器在上一测量周期输出的信号值的变化率超过预设的最大允许变化率。其中，传感器的正常测量范围可以根据不同的传感器型号进行设置，最大允许变化率可以通过实验等方式获得。

以上给出了基于故障率计算每个传感器信号值的权重的方法，由于引入了故障率，使得如果有某个传感器故障率越高，那么该传感器的信号值在有效值计算中的权重会越小，而偶发的故障不会使得传感器被报错或被停止使用。例如当某个传感器的性能不稳定(如间断地发生故障但是并没有达到无法使用的程度)时，该次采样的有效值会更加趋向于正常的传感器的信号值，使得系统可以带病工作，提高了容错性。

但是应该理解的是，本发明并不限制于基于故障率计算信号值的权重，本领域技术人员可以通过其它任何合适的方法来计算权重。例如，通过误差来计算权重。首先，处理器220可以计算每个传感器的信号值与其标准值之间差值的绝对值a₁、a₂、……、a_m；然后针对每个传感器来计算其信号值的权重，例如第i个传感器信号值的权重为其中，标准值是一个校准值，是可以真实且精确地表现被测量对象的实际值的数值，例如可采用精确定位的传感器来校准位置传感器的数值，该精确定位的传感器的输出值即可作为标准值。

在确定了每个信号值的权重之后，处理器220根据以下公式对有效的数据进行冗余传感器信号值的数据融合，最终获得有效值S(n)：

S(n)＝[W(n)₁*S(n)₁+W(n)₂*S(n)₂+W(n)₃*S(n)₃+…+W(n)_m*S(n)_m]/[W(n)₁+W(n)₂+W(n)₃+…+W(n)_m)]。

上面给出了通过算数平均值来计算有效值的方法，但是也可以通过其它任意合适的方法来计算有效值，例如均方误差等。

另外，在系统重新启动后，P(n)值和n值均被进行清零，以使得系统维修后，不会将之前的故障累积到新的好的系统里。当然，在系统运行中，也可以通过人机界面进行手动清零。

本发明还提供一种机械，该工程机械包括上述信号值融合系统。

相应地，本发明还提供一种信号值融合方法。图3给出了根据本发明的信号值融合方法的流程图，如图3所示，在步骤301处，接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，其中m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；在步骤302处，根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重；以及在步骤303处，基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值。有关该方法的具体细节及益处与上述针对信号值融合系统的细节及益处相同，于此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种信号值融合装置，其特征在于，该信号值融合装置包括：

接收器，用于接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；以及

处理器，用于：

根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，及

基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值；

其中，所述处理器计算传感器信号值的权重包括：

根据以下公式计算每个传感器的故障率F(n)：

$F{\left(n\right)}_i=\left({\mathrm{\Σ}}_0^{n}P\right(n\left)\right)/n;$

每个传感器的信号值的权重W(n)_i＝1-F(n)_i，

其中，i为所述传感器的编号，n表示第n个信号采集处理周期，P(n)基于以下情况进行取值：

当传感器故障时，该传感器的P(n)为1，当所述多个传感器中的任意两个非故障传感器之间差值的绝对值超过预设的最大允许差值时，所有非故障传感器的P(n)为大于0小于1的设定值，否则，传感器的P(n)为0。

2.根据权利要求1所述的信号值融合装置，其特征在于，当所述多个传感器中的任意两个非故障传感器之间差值的绝对值超过预设的最大允许差值时，所有非故障传感器的P(n)为0.5。

3.根据权利要求1所述的信号值融合装置，其特征在于，在所述传感器存在以下情况中的至少一者时，所述处理器确定该传感器故障：

所述传感器的信号值超出该传感器的正常测量范围；

所述传感器的信号值相对于该传感器在上一测量周期输出的信号值的变化率超过预设的最大允许变化率。

4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的信号值融合装置，其特征在于，所述处理器根据以下公式确定有效信号值：

S(n)＝[W(n)₁*S(n)₁+W(n)₂*S(n)₂+W(n)₃*S(n)₃+…+W(n)_m*S(n)_m]/[W(n)₁+W(n)₂+W(n)₃+…+W(n)_m)]。

5.一种信号值融合系统，其特征在于，该信号值融合系统包括：

权利要求1-4中任一项所述的信号值融合装置；以及

多个传感器，与所述接收器连接，用于执行检测并输出所述信号值。

6.根据权利要求5所述的信号值融合系统，其特征在于，在所述信号值融合系统重启后，对所述信号值融合装置中的数据清零。

7.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括权利要求5或6所述的信号值融合系统。

8.一种信号值融合方法，其特征在于，该信号值融合方法包括：

接收多个传感器的信号值S(n)₁、S(n)₂、……、S(n)_m，m为传感器的数量，n表示第n个信号采集处理周期；以及

根据每个传感器的信号值和/或标准值计算每个信号值的权重，及

基于每个信号值的权重和每个信号值确定有效信号值；

其中，计算传感器信号值的权重包括：

根据以下公式计算每个传感器的故障率F(n)：

$F{\left(n\right)}_i=\left({\mathrm{\Σ}}_0^{n}P\right(n\left)\right)/n;$

每个传感器的信号值的权重为W(n)_i＝1-F(n)_i，

其中，i为所述传感器的编号，n表示第n个信号采集处理周期，P(n)基于以下情况进行取值：

当传感器故障时，该传感器的P(n)为1，当所述多个传感器中的任意两个非故障传感器之间差值的绝对值超过预设的最大允许差值时，所有非故障传感器的P(n)为大于0小于1的设定值，否则，传感器的P(n)为0。

9.根据权利要求8所述的信号值融合方法，其特征在于，当所述多个传感器中的任意两个非故障传感器之间差值的绝对值超过预设的最大允许差值时，所有非故障传感器的P(n)为0.5。

10.根据权利要求8所述的信号值融合方法，其特征在于，在传感器存在以下情况中的至少一者时，确定该传感器故障：

所述传感器的信号值超出该传感器的正常测量范围；

所述传感器的信号值相对于该传感器在上一测量周期输出的信号值的变化率超过预设的最大允许变化率。

11.根据权利要求8-10中任意一项权利要求所述的信号值融合方法，其特征在于，根据以下公式确定有效信号值：

S(n)＝[W(n)₁*S(n)₁+W(n)₂*S(n)₂+W(n)₃*S(n)₃+…+W(n)_m*S(n)_m]/[W(n)₁+W(n)₂+W(n)₃+…+W(n)_m)]。