CN105940608B - 用于传感器信号的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对传感器装置上的信号曲线进行评估的方法。首先，利用传感器装置检测时间上的信号曲线(10a)。由该信号曲线形成了时间上的区段，并且针对每个区段计算出至少一个上实际区间值(11a)和至少一个下实际区间值(11b)。随后，将每个区段的区间值与具有比较区间值(5a、5b)的所存储的模板的配属的区段进行比较，其中，针对每个区段确定在实际区间值(11a、11b)之间的区间是否处于比较区间值(5a、5b)的区间之内，并且进而确定是否存在有效的操纵信号。

Description

用于传感器信号的评估方法
技术领域
本发明涉及一种用于传感器信号的评估方法。本发明尤其涉及一种应用传感器装置的方法，这些传感器装置依赖于扫描的过程来提供随时间变化的信号。
背景技术
随时间变化的传感器信号使用在众多的应用领域中。这样的信号例如借助接近传感器来检测，接近传感器对在某一区域内物体的接近或人员的接近进行扫描。在检测操作手势(同样通过接近传感器或例如通过对触摸敏感的表面(电容式屏幕)来探测)的区域内，也检测到随时间变化的信号。
根据评估算法对传感器值的时间序列进行分析，以便允许对传感器值的解读。例如可以评估接近传感器，以便在车辆上获知对车门或车尾门的操作愿望或打开愿望。
EP 2 616 287 A1描述了这种类型的方法，其中，电容式传感器电极检测传感器值的时间序列，这些传感器值紧接着被输送给用于评估的神经网络。根据这样的评估值应确保的是，将使用者的清楚的操纵愿望或指令选定与无意的操纵或周边环境的其他变化过程进行区分。另一方面，由于人为操纵所固有的不准确性，必须考虑到在识别时有一定的容差。
在此，针对评估尤其考虑到阈值比较、偏移校正和检验信号的变化速度。
发明内容
然而，公知的方法有时对所属的技术装置(譬如处理器)的计算能力提出了很高的要求。所期望的是，以尽可能简单和可靠的计算方法执行评估。因此，本发明的任务在于提供一种改进的用于在传感器信号中进行模式识别的方法。
上述任务通过根据本发明的具有权利要求1的特征的方法来解决。
根据本发明，检测传感器装置上的时间上的信号曲线。传感器装置可以是提供能随时间变化的传感器信号的任意装置，该传感器信号可以伴随着要检测的事件而出现。传感器装置例如可以通过接近传感器、光学传感器、超声波传感器或触摸传感器来形成。
根据本发明，随时间变化的传感器信号划分成信号曲线的时间上的区段。对于技术实现而言，始终离散地、也就是以一定的时间间隔来进行传感器评估，其中，这些时间间隔可以选择得非常小。按照根据本发明的方法，沿着时间轴将一个或多个测量到的传感器值概括成时间上的区段。在该区段中，传感器信号具有值或值序列。
针对其中每个区段，现在计算出上实际区间值(IUN)和所属的下实际区间值(ILN)，其中，N表示区间的连续的脚标。也就是说，区间边界由在所考量的区段中的传感器值推导出。这些区间值确定了关系到所考量的区段中的信号值的值范围[ILN，IUN]。
重要的是，由信号序列(其中，在每个时间点都存在信号值)分区段地形成具有大小(或宽度)为IUN-ILN的区段范围[ILN，IUN]。在考量能由沿着时间轴的值形成的一维信号值时，以这种方式将通过连接这些值而形成的线扩展为宽度为IUN-ILN的二维区间带。根据本发明，执行集合比较，其中，一方面由当前信号曲线产生集合，并且另一方面将集合存储作为用于比较的模板。
如何由测量值计算出区间值可以依赖于信号值的类型。例如，可以给信号值加上或减去离散的值，以便得到区间边界。但是，也可以施行的是，区间边界依赖于信号值或信号值的变化率。在带有高信号动态的范围中，例如可以增大或减小区间边界的间距。此外，也可以通过如下方式计算出信号边界，即，首先对当前信号值进行预处理，例如形成平均值或进行其他滤波。
根据本发明，针对检测到的信号曲线，在实施这些步骤之后存在时间上的区间范围曲线(IUN)N、(ILN)N。现在根据本发明设置的是，将该区间范围与所存储的模板的区间范围曲线(VIUN)N、(VILN)N进行比较。该模板范围由模式信号形成相应的区间范围。例如以如下方式形成这种模板范围，即，应用与针对测量数据所进行的计算相同的计算来确定区间。然而为此，必要时可以应用另外的参数。比较信号，例如传感器在要检测的操纵的情况下的信号，随后引向所存储的被考虑用于与实际测量值附近的区间进行比较的模板。在此检验的是，计算出的区间范围是否可以与其在存储的模板范围中的时间曲线相匹配。如下面在实施例中进一步示出的那样，这并不等同于检验原始信号曲线或原始信号曲线的已滤波的样本是否处于模板之内。通过将测量值扩大到至少一个另外的维度中，也就是将信号线曲线转换成信号带，并且通过将该信号带与模板进行比较，可以执行改善的比较分析。这是因为，在比原始信号维度更高的维度中执行比较。即使在实际区间的区间边界由原始信号曲线推导出时，根据本发明的比较运算也优于与原始信号曲线进行的比较。例如，以这种方式也可以将特定的信号区段比其他的信号区段更多地进行加权或者例如可以对信号带上的另外的对象进行运算。
在本发明的优选实施方式中，时间上的信号曲线被划分成使得每个区段包括至少一个信号测量值。
虽然原则上可行的是，与信号检测之间的间距相比，区段划分更小地选择，并且随后通过内插值或外插值得出区间边界。然而优选的是，在其中每个区段中存在至少一个信号值。在例如由于干扰过程或由于传感器装置的为了节能而减小的周期而存在无信号的区域的时间中，会导致区段范围的增大。
在本发明的有利实施方式中，针对每个信号区段，以如下方式来选择推导出的区间，即，使信号值处于在计算出的区间值之间的所考量的区段中。获知的区间于是形成针对信号值的间隔开的、包络的轮廓。
在本发明的改进方案中还考虑的是，信号值依赖于随时间变化的周边环境条件，例如传感器装置或环境条件的变化的布局和变化的受污程度。
在这个实施方式中，由信号曲线或由信号曲线和模板计算出用于变换的至少分段的至少连续的函数。例如，可以计算出用于变换的分段的仿射函数，其表现为偏移校正。在该示例的范围内，计算出用于偏移校正的分段的至少连续的函数，并且将其从时间上的信号曲线中减去，以便实现偏移校正。分段的仿射函数的支持点的数量可以依赖于预计的信号曲线来选择。例如，使用两个或三个支持点就可以足以补偿例如在测量持续时间上的线性的偏移变化。这例如由于在测量持续时间信号的下降或上升而是必需的。例如具有在信号范围的起始处和结束处的支持点的分段的仿射函数相应于以线性函数对信号曲线的校正。
于是，紧接着使用所变换的数据(其中，变换在所说明的实例中是校正)，以便根据与之适配的数据计算出区间值。以这种方式，所存储的比较模板随时可供适当的、已转换的数据来应用，并且可以施行更具体的评估。
附加或替选地也可行的是，在计算区间边界之前，对信号曲线进行滤波。滤波例如可以在平滑装置中进行，但是也能使用另外的滤波装置，例如用于抑制噪声的滤波器(例如维纳滤波器)。在替选的构造方案中，附加或替选地对区间边界应用滤波。
在本发明的改进方案中，可以在集合和区间的比较之前对在区间边界中的由测量值产生的集合进行标准化。
在此，标准化涉及将由测量值产生的区间的宽度与模式模板的宽度进行比较。该比较可以区段式地进行，也可以按在整个测量持续时间上进行平均的方式进行。通过标准化，减小了在当前测量中可能存在但是在产生模板时不存在的干扰效应，尤其是噪声。在简单的构造方案中，计算出如下用来与区间边界相乘的因数，其中，该因数通过模板的平均宽度被以测量值计算出的区间宽度的平均宽度相除来实现。标准化可以按与滤波和/或偏移校正相组合的方式来应用。
附图说明
下面结合附图详细阐述本发明。其中：
图1示例性示出传感器装置的示意性的信号曲线；
图2以示意性的方式示出根据本发明的无效信号曲线的区域比较；
图3以示意性的方式示出设置用于根据本发明的评估的信号曲线；
图4以示意性的方式示出根据本发明的有效信号响应的比较区域。
具体实施方式
在图1中，以示意性的方式示出信号曲线1，其沿着时间轴表现出不同的信号强度。在此，图1示例性地示出根据现有技术的对这样的信号曲线的评估。
为了研究信号曲线，以阈值S1和S2执行阈值比较。也就是说，监视信号曲线1，直至其在时间点t1超过阈值S1。此外，监视信号值是否再次下降到阈值S1以下，这也就是在时间点t2的情况。在这些时间点之间，信号值还必须超过阈值S2。如果时间点t1和t2处于预定的区间之内并且因此满足所有条件，就识别为正的且有效的信号。这就是根据现有技术的示例性的评估方法，其中，考虑信号曲线本身，用以以不同的比较运算进行评估。
图2示出根据本发明的设计，其施行对不同面积模板比较形式。评估模板通过上区间边界5a和下区间边界5b来限定。在这两个区间边界之间限界出限定了有效的响应区域的面积。同样示出了示例性的信号响应6，但是它并非有效的信号响应。信号响应6本身处于通过区间边界5a和5b限定的区间之中。然而根据本发明，并不考虑信号曲线6用于评估。针对信号曲线6，根据计算规则同样计算出包围出一个面积的区间边界。属于信号曲线6的区间边界是曲线7a和7b。能识别出的是，通过归纳多个测量值和进而是来自信号函数6的平滑函数分区段地产生区间边界7a和7b。同样能识别出的是，通过由信号曲线6产生的区间边界7a和7b包围的区域并非完全处于通过5a和5b限定的模板范围之内。因为由信号曲线6推导出的面积在这个实施例中不是模板面积的子集，因此信号响应被识别为无效。
重要的是，评估通过比较来进行，其中，比较区域比原始信号在维数上高了至少一阶。原则上，在二维数据的情况下也能想到在三维评估空间中的等效数据。
图3示出了如下信号曲线，其也应当如图2中所示的那样被引向同样的示意图边界。但是能识别到的是，信号曲线在检测持续时间上下降。这例如可能由于周边环境条件的变化或不良的检测情况而引起。
如图3中示出那样，针对信号曲线10计算出分段的仿射函数11，该仿射函数在示例中仅具有三个支持点。这种分段的仿射函数11被考虑用于信号曲线10的偏移校正，以便形成信号曲线10a。针对这种校正的信号曲线10a，还计算出分段的区间边界11a和11b，如图4中所示那样。如图2中的信号曲线6那样，通过分段的仿射函数11校正的信号曲线10a同样处于信号模板边界5a与5b之间。但是在这种情况下，包围在区间边界11a与11b之间的面积也处于模板边界之中，从而在这里可以识别为效操纵信号。
下面结合实施例说明了对模式信号曲线的区间边界进行的实际计算。在该示例中，电容式传感器假定为供值器。电容式传感器基于传感器在周边环境变化时的电容变化提供随时间变化的信号。在电子仪器中，尤其也在车辆锁系统中已知有这样的电容式传感器被使用。在那里，“无钥匙进入”系统中的电容式传感器使用在车辆的车门把手或车尾区域中，以便检测操作者的接近。如果操作者将他的手(车门把手的情况下)或他的脚(在车尾区域中的用于打开车尾门的所谓的踢脚传感器的情况下)接近电容式传感器，那么检测到的电容发生变化并且由信号的随时间的变化推导出操作愿望。在现有技术中，已知有许多用于对进入系统的区域中的电容式传感器的信号响应进行评估的方法。例如，也参考图1阐述的方法。
根据本发明的实施例，以电容式传感器检测传感器信号sk的时间序列。在此，脚标k表示按时间检测到的离散的值。于是，值的时间序列是s0、s1、……、sk-1、sk、sk+1、……
根据下面的示例性的规则，由测量值推导出区间边界：
LB((sn)n,k；m,c1,λ)＝sk+(1-λ)·min(L((sn)n；k,0),c1)+λ·min(L((sn)n；k,m),c1)
UB((sn)n,k；m,c2,λ)＝sk+(1-λ)·max(L((sn)n；k,0),c2)+λ·max(L((sn)n；k,m,c2)。
LB在此表示测量值的下区间边界。
UB在此表示测量值的上区间边界。
c1、c2、λ表示平滑参数。λ例如可以选择为0.5的幂。
表达式L(..,..,..)表示由测量数据的曲线获知的有限差分。
视如何选择参数k、m和λ而定，区间边界不仅依赖于所考量的测量值sk，而且还要将另外的、尤其是先前的测量值计算在内，并施行对区间边界的平滑。
但是在简单考量的情况下选择了λ＝0，因此不进行平滑(取消最后的被加数)。如果例如参数选择为k、m＝0，c1＝-0.5，c2＝0.5、λ＝0，那么区间边界的计算简化为：
LB＝sk+min(sk-sk-1,-0.5)
UB＝sk+max(sk-sk-1,0.5)。
区间边界从当前测量值出发来计算，其中，使用测量值的斜率的负分量与缓镇算子(Mollifier)来形成下区间边界，并且使用斜率的变化的正分量与正缓镇算子来计算出上区间边界。因此，测量值sk的下区间边界LB以在sk之下的至少0.5单位延伸，而上边界UB处于sk之上至少0.5单位。然而在高斜率和动态的区域中(在那里sk-sk-1<-0.5或sk-sk-1>0.5)，这些边界与测量值sk更远地间隔开。
这样的对区间边界进行的计算在对测量值的真正评估之前施行，用于以值的模式曲线形成模板。为此，例如对电容式传感器施行模式操纵用于产生数据序列，并且对模式曲线的区间边界进行存储。区间边界的这种模板可以以与在随后的评估中使用的参数不同的参数来建立。例如在上述情况下，为了建立和存储模板，可以使用具有k、m＝0，c1＝-0.7、c2＝0.7、λ＝0的参数组。于是，与随后的评估中的区间相比，模板被扩展。
代替上述示例，可以实现区间边界的复杂适配，其方式是：例如选择参数为m＝15，c1＝-0.1，c2＝0.1、λ＝0.75。
LB＝sk+(0.25)min(L((sn)n；k,0),-0.1)+0.75min(L((sn)n；k,15),-0.1)
UB＝sk+(0.25)max(L((sn)n；k,0),0.1)+0.75max(L((sn)n；k,15),0.1)
在这种情况下，参数的选择用于将更多的来自时间曲线的测量值纳入区间边界的计算中。以这种方式，很强的信号动态或先前的强噪声也继续对后续的测量值的区间边界产生影响。
λ＝0.75的选择用于平滑，从而区间边界又以一定“阻尼”来适配时间上的动态。
重要的是，根据本发明的模板由模式值来形成，其中，模板遵循计算规则并且限定了区间边界。在测量值评估中，针对当前测量值同样确定了区间边界，并且检验当前区间边界是否位于模板的区间边界之中。用于建立模板的计算规定和用于计算区间边界的计算规定可以是相同的，但是也可以使用在结构上相同或类似的具有不同的参数组的计算规则，从而以与当前测量值的区间边界的参数不同的参数计算出模板。

Claims (8)

1.一种用于利用传感器装置对信号曲线进行评估的方法，所述方法具有以下步骤：
利用所述传感器装置检测至少一个时间上的信号曲线(6；10a)(sn)，
确定所述信号曲线(6；10a)的时间上的区段，其中，通过处理器由所述时间上的信号曲线计算出分段的仿射函数，用以进行偏移校正，其中，经偏移校正的信号数据由处理器通过从所述时间上的信号曲线中减去所述分段的仿射函数而计算出，
针对其中每个时间上的区段，根据计算规则，通过处理器来计算出至少一个上实际区间值(IUN)(7a；11a)和至少一个下实际区间值(ILN)(7b；11b)，其中，所述计算规则将配属的信号区段的经偏移校正的信号数据计算在内，
将其中每个区段的计算出的上实际区间值(IUN)(7a；11a)和下实际区间值(ILN)(7b；11b)与所存储的比较区间值(VIUN、VILN)(5a、5b)的配属的区段进行比较，并且针对每个区段确定在实际区间值(IUN、ILN)之间的区间是否处于比较区间值(VIUN、VILN)的区间之内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个区段包含至少一个信号测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，针对信号值的其中每个时间上的区段，所述至少一个上实际区间值(IUN)和至少一个下实际区间值(ILN)以如下方式计算出，即，使得在各个区段中，经偏移校正的信号数据值处于上实际区间值(IUN)与下实际区间值(ILN)之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在生成经偏移校正的信号数据之前，首先对所述时间上的信号曲线进行滤波。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所存储的比较区间值(VIUN、VILN)由模式信号曲线来计算并且被长期存储。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述滤波包括使用平滑滤波。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器装置包括至少一个接近传感器、超声波传感器、光学传感器或触摸传感器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述传感器装置检测操作手势。
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