CN111107771A - 用于咖啡胶囊识别的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的方法和系统，其中，振动传感器被布置在胶囊咖啡机内以检测在咖啡饮料的冲泡期间与装在机器内的咖啡胶囊刚性连接的机器部件(例如，泵或胶囊保持器或将泵与胶囊保持器连接的液压回路)的振动。在冲泡开始时，振动传感器检测机器部件(以及在冲泡期间与其刚性连接的所有其他机器部件)所经受的振动，并生成与其对应的振动信号。然后振动信号被处理以用于确定其至少一个参数。咖啡胶囊随后基于所确定的(一个或多个)参数的值被识别。

Description

用于咖啡胶囊识别的方法和系统

技术领域

本发明涉及咖啡机领域，或者更一般地，涉及注入冲泡机。具体地，本发明涉及用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的方法和系统。

背景技术

众所周知，咖啡胶囊基本上是单份容器，其中装有咖啡粉，具有硬质壁(通常由塑料或铝制成)和两个基座，加压的热水可以通过这两个基座。

胶囊咖啡机通常包括胶囊保持器，该胶囊保持器适合于在必须冲泡单份咖啡饮料(例如浓缩咖啡)时容纳并紧密密封咖啡胶囊。该机器还包括一个泵，该泵从锅炉汲取热水，并在压力下将其通过液压回路引入胶囊保持器。压力下的热水渗透通过胶囊中的咖啡粉，并且咖啡饮料最终通过与胶囊保持器液压连接的分配管道被分配到杯子中。

胶囊咖啡机，或更一般而言是压力注入冲泡机，通常能够与由一供应商在市场上提供的不同类型的胶囊(例如，包含不同类型粉末(不同的咖啡混合物或调味剂，茶，凉茶，汤，巧克力)的胶囊)一起使用，或者甚至与由不同供应商(例如咖啡供应商)在市场上提供的胶囊一起使用。在后一种情况下，对于希望他们的咖啡胶囊与某种胶囊咖啡机兼容的所有咖啡供应商，咖啡胶囊的形状和尺寸应基本相同。但是胶囊内粉末的性质(例如，咖啡混合物，粉末研磨度，粉末压缩度等)可根据供应商而不同。

已知用于自动识别由胶囊咖啡机所使用的咖啡胶囊的技术。

US2003/0066431描述了一种用于囊包的咖啡机，囊包的后端基于囊包内包含什么物质而具有不同形状(例如，具有一种风味咖啡的囊包可以具有一种后端形状，而具有另一种风味咖啡或咖啡和人造甜味剂或非乳制奶精的囊包可能有不同的后端形状)。该咖啡机包括一个传感器，该传感器适合于感测囊包后端的形状并向控制器发送信号，该控制器相应地确定存在哪种类型的囊包，并且-基于此确定-可以选择预定的咖啡冲泡设置来将水送入囊包。

WO2015/091301公开了一种具有消耗品识别系统的饮料分配器，该消耗品识别系统用于识别包含用于制备饮料的食品物质的消耗品的类型。该系统包括光传感器，该光传感器用于在消耗品和光传感器之间的相对运动期间感测从消耗品的反射元件反射的光，以获得取决于反射元件的位置，反射率和/或图案的传感器信号。

WO2009/098392描述了一种饮料分配机，其设有囊包识别装置，用于识别包含用于制备不同类型的饮料的配料的囊包。囊包包括具有至少两个彩色识别区域的壳体。识别装置包括用于检测囊包的两个彩色识别区域的颜色的装置。

发明内容

申请人已经注意到，上述识别技术具有一些缺点。

实际上，所有上述已知技术基本上都要求在每个待识别的囊包的外表面上提供一个特殊特征(后端的形状，反射元件或彩色识别区域)，该特征可由咖啡机的合适传感器感测为囊包已插入其中。然而，提供这种特殊特征不利地增加了囊包的制造成本。

此外，在咖啡机内实现识别咖啡囊包的这种特殊特征所需的传感器增加了咖啡机的成本和复杂性。

此外，考虑到咖啡机内的环境通常表现出不利于适当的传感器操作的条件(高湿度和黑暗)，在咖啡机内实现这种传感器(尤其是光传感器)可能非常困难。这可能会导致不可靠的识别结果。

鉴于此，申请人解决了提供一种用于识别由咖啡胶囊机使用的咖啡胶囊的方法和系统的问题，该方法和系统克服了上述缺点。

具体地，申请人已经解决了提供用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的方法和系统的问题，该方法和系统不需要出于识别目的而要求咖啡胶囊设有任何特殊特征，这不需要对胶囊咖啡机的任何高成本或复杂的修改并且提供可靠的结果。

根据本发明的实施例，上述问题通过一种用于识别咖啡胶囊的方法和系统来解决，该方法和系统依赖于发明人的洞见，即在使用中的胶囊咖啡机中，具有紧紧地安装在其中的咖啡胶囊的胶囊保持器与刚性连接到其上的任何机械部件(通常是泵和将泵与胶囊保持器相连的液压回路)一起构成一个具有可变质量m(t)的独特的刚性机械系统。在冲泡咖啡饮料时，由于咖啡胶囊内的咖啡粉吸收了热水，这种机械系统的质量m(t)随时间增加。具体地，质量m(t)从初始值m₀(咖啡胶囊中没有水)开始，并且在冲泡过程中渐近地趋于饱和值m_SAT(咖啡粉被水饱和)。

当泵被启动以开始冲泡时，其开始以与市电相同的频率f_MAIN(例如，在欧洲50Hz)振动。如上所述，由于泵是该独特的刚性机械系统的一部分，因此整个机械系统都以相同的频率f_MAIN振动。根据已知的动力学定律，振动的幅度取决于随时间变化的质量m(t)。

具体地，申请人已经将振动机械系统的行为进行建模，如图1所示，即具有可变质量m(t)的物体O，该物体O受具有弹性模量k的弹簧约束并承受外力。

在图1中，外力F_V(t)是具有频率f和恒定峰值幅度F_max(物体O的自然振动)的谐波分量，等于：

在图1中，F_H(t)是施加到物体O的力的弹性分量，它考虑到物体O受约束，因此其平均位置应是固定的(物体O围绕相同的位置振动，但不会换位)。为了对此方面建模，可以使用已知的胡克定律，即：

其中，△x(t)是物体O的位置相对于平均位置的偏移量。通过忽略由于粘胶摩擦(已知与物体O的速度成正比)而造成的耗散分量，可以得到以下方程式：

由于物体O的质量m(t)不是恒定的，因此无法应用牛顿定律F＝m·a。取而代之的是，应使用第二动力学定律的更一般形式，根据该形式，物体O的动量

的时间变化等于施加在其上的总力。由于众所周知，动量

定义为质量与速度的乘积，因此可以得到以下运动方程：

通过组合以上等式，可以得出振动振幅从初始值(主要取决于m₀和施加到泵的力)开始，并通过趋于渐近值呈指数下降。因此，某个咖啡胶囊的振动幅度可以通过一个或多个参数来描述，例如，通过以下一个或多个参数：

·振动幅度的渐近值；和

·饱和时间，即自开始冲泡以来经过的时间，在此之后，振动幅度必定会降至某个预定阈值以下。

申请人进行了几次测试，发现同一胶囊咖啡机与不同类型的咖啡胶囊(例如，不同供应商的咖啡胶囊)一起使用时，会根据所使用的咖啡胶囊的类型，提供具有不同渐近值和/或不同饱和时间的振动幅度。这样的参数可以相应地用于识别由咖啡机使用的不同类型的咖啡胶囊。

根据本公开的实施例，以上问题因此通过用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的方法和系统来解决，其中，振动传感器被布置在胶囊咖啡机内以检测在咖啡饮料的冲泡期间与装在机器内的泵刚性连接的机器部件(例如，泵或胶囊保持器或将泵与胶囊保持器连接的液压回路)的振动。在冲泡开始时，振动传感器检测机器部件(以及在冲泡期间与其刚性连接的所有其他机器部件，包括可变质量的咖啡胶囊本身)所经受的振动，并生成与其对应的振动信号。然后振动信号被处理以用于确定其至少一个参数。咖啡胶囊随后基于所确定的(一个或多个)参数的值被识别。

本发明的方法和系统有利地不需要为了识别目的而为咖啡胶囊提供任何特殊特征。胶囊的识别实际上基于咖啡胶囊固有的并且完全取决于咖啡在冲泡过程中的行为的特征(即振动信号的(一个或多个)参数的值)的识别。因此，有利地，不需要额外的制造成本来使咖啡胶囊可识别。

此外，有利地，本发明的方法和系统基本上不需要对胶囊咖啡机的任何高成本或复杂的修改。振动传感器实际上是便宜的组件，可以很容易地将其安装在咖啡机上，而其成本和复杂性的增加却可以忽略不计。

此外，与光传感器不同，振动传感器可以即使不直接位于咖啡胶囊和胶囊保持器附近也可以执行其识别功能。实际上，将振动传感器定位在咖啡胶囊和胶囊保持器是其部分的独特的刚性机械系统的任何位置上就足够了。因此，振动传感器可以方便地定位为远离咖啡胶囊和胶囊保持器的潮湿区域的地方，而定位在其中振动传感器可以以更适当和可靠的方式操作的更有利的环境中(例如在泵上)。

根据第一方面，本发明提供一种用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的方法，所述方法包括：

a)在所述胶囊咖啡机使用安装在其中的所述咖啡胶囊冲泡咖啡饮料的同时，检测所述胶囊咖啡机的部件的振动并产生与其对应的振动信号v(t)，所述部件与在所述机器内的咖啡胶囊刚性连接；

b)确定所述振动信号v(t)的至少一个参数的值；和

c)根据所述至少一个参数的所述值识别所述咖啡胶囊。

优选地，所述步骤a)包括在所述胶囊咖啡机的泵由市电供电的同时检测所述泵的振动，所述泵通过液压回路刚性连接到所述胶囊咖啡机的胶囊保持器，所述咖啡胶囊装在所述胶囊保持器中。

优选地，步骤a)由布置在所述泵处的振动传感器执行。

优选地，步骤b)包括确定作为所述振动信号v(t)的包络的振动幅度V(t)。

优选地：

-步骤b)包括确定所述振动幅度V(t)的第一参数和第二参数的值；和

-步骤c)包括基于所述振动幅度V(t)的所述第一参数和所述第二参数的值来识别所述咖啡胶囊。

优选地，所述第一参数包括所述振动幅度V(t)的渐近值V_∞，并且所述第二参数包括所述振动幅度V(t)的饱和时间τ。

优选地，步骤c)包括：

-将第一咖啡胶囊类型定义为第一咖啡胶囊组，所述第一咖啡胶囊组具有包含在第一范围内的所述至少一个参数；

-将第二咖啡胶囊类型定义为第二咖啡胶囊组，所述第二咖啡胶囊组具有包含在第二范围内的所述至少一个参数；和

-基于为所述咖啡胶囊确定的所述至少一个参数的所述值是否包含在所述第一范围或所述第二范围中，确定所述咖啡胶囊属于所述第一咖啡胶囊类型还是所述第二咖啡胶囊类型。

优选地，步骤c)包括：

-计算得分，该得分指示为所述咖啡胶囊确定的所述至少一个参数的所述值向所述第一范围或所述第二范围倾斜的程度，如果所述至少一个参数的所述值向所述第一范围倾斜，则得分为正，如果至少一个参数的所述值向所述第二范围倾斜，则得分为负；和

-基于所述得分的符号确定所述咖啡胶囊是属于所述第一咖啡胶囊类型还是所述第二咖啡胶囊类型。

优选地，所述计算所述分数包括基于所述第一参数的值来计算第一部分得分，基于所述第二参数的值计算第二部分得分，以及通过组合所述第一部分得分和所述第二部分得分来计算所述得分。

优选地，组合所述第一部分得分和所述第二部分得分包括计算所述第一部分得分和所述第二部分得分的线性组合。

优选地，步骤c)还包括计算可靠性得分，该可靠性得分基于所述得分的所述符号提供对所述咖啡胶囊的咖啡胶囊识别的可靠性的定量指示。

优选地，所述可靠性得分是基于所述得分的绝对值来计算。

优选地，在所述胶囊咖啡机处执行所述步骤b)，并且所确定的所述振动信号v(t)的至少一个参数的值由胶囊咖啡机借助于所述胶囊咖啡机的网络接口发送给远程处理器。

优选地，所述网络接口是移动无线电接口。

根据第二方面，本发明提供一种用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的系统，所述系统包括：

-振动传感器，该振动传感器被构造为在由所述胶囊咖啡机使用装在其中的所述咖啡胶囊冲泡咖啡饮料的同时，检测所述胶囊咖啡机的部件的振动，所述部件在所述咖啡机内与所述咖啡胶囊刚性连接，并产生与其对应的振动信号v(t)；

-预处理器，被配置为确定所述振动信号v(t)的至少一个参数的值；和

-处理器，被配置为基于所述至少一个参数的所述值来识别所述咖啡胶囊。

附图说明

通过以下以示例而非限制的方式给出的详细描述，本发明将变得更加清楚，该详细描述将参考附图进行阅读，其中：

图1(已经描述)示意性地示出了已经用于预测包括待识别的咖啡胶囊的振动机械系统的行为的模型；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的用于识别由胶囊咖啡机使用的咖啡胶囊的系统；

图3示出了通过对胶囊咖啡机内的振动机械系统的行为进行建模而获得的振动信号v(t)的曲线图(仅正半波)；

图4是根据本发明实施例的由图1的系统实现的识别方法的第一部分的流程图；

图5以示意图的方式示出了图2的系统可以配置为识别的两种不同类型的咖啡胶囊的示例性定义；

图6是根据本发明实施例的由图2的系统实现的识别方法的第二部分的流程图；

图7示出了由经过测试的识别系统的振动传感器提供的实验振动信号(仅正半波)；和

图8示出了由测试识别系统的振动传感器提供的其他实验振动信号(仅正半波)。

本发明的优选实施例的详细描述

图2示意性地示出了根据本发明实施例的用于识别由胶囊咖啡机2使用的咖啡胶囊的系统1。

胶囊咖啡机2包括锅炉20、泵21、胶囊保持器22，将泵21与胶囊保持器22连接的液压回路23和与胶囊保持器22液压连接的分配管道24。泵21优选设有具有电开关26的电源电路25。胶囊保持器21被构造为容纳并紧密密封具有与自身尺寸和形状匹配的尺寸和形状的咖啡胶囊3。

从机械的观点来看，泵21、液压回路23、胶囊保持器22和紧密密封在其中的咖啡胶囊3被刚性地连接，从而形成独特的刚性机械系统。

机器2通常包括其他组件，由于它们与本说明书不相关，因此在此不再详细描述。

系统1优选地包括布置在胶囊咖啡机2内的振动传感器10，以在冲泡咖啡饮料期间检测与安装在咖啡机2中的咖啡胶囊3刚性连接的机械部件的振动。根据图2所示的实施例，振动传感器10布置在泵21处，以检测其振动。这不是限制性的。实际上，根据未在附图中示出的其他实施例，振动传感器10可以布置在与安装在胶囊保持器22中的咖啡胶囊3刚性连接的任何部件上，例如，布置在液压回路23或胶囊保持器22本身上。

系统1还优选地包括处理器11，该处理器11被配置为与振动传感器10以及可由远程处理器11访问的中央数据库15协作。

根据一些实施例(在附图中未示出)，处理器11可以在咖啡机2内实现。

根据其他有利实施例，系统1的处理器11被实现为振动传感器10连接到的远程处理器，如图2所示。在后一种情况下，远程处理器11优选地例如通过云计算技术以分布式方式实现在通信网络4内。

优选地，为了实现振动传感器10与远程处理器11之间的连接，系统1优选地包括布置在胶囊咖啡机2内并且能够连接到通信网络4的网络接口12。

网络接口12优选地是被配置为在机器2(具体是传感器10)和通信网络4(具体是远程处理器11)之间实现自主且基本永久的无线连接的无线网络接口。网络接口12优选地是移动无线电接口(例如3G接口)。在这种情况下，网络接口12优选地配备有SIM卡(例如，eSIM)，该SIM卡允许在远程处理器11处唯一地标识咖啡机2。

备选地，网络接口12可以是短程无线接口，诸如能够经由安装在用户房屋处的对应的Wi-Fi路由器连接至所述通信网络4的Wi-Fi接口，或者能够经由用户的个人移动设备连接到所述通信网络4的蓝牙接口，该个人移动设备设有对应的蓝牙接口和到通信网络4的移动无线电连接。

如图2所示，系统1还优选地包括ADC(模数转换器)13和预处理器14。ADC13和预处理器14两者优选地布置在咖啡机2内、振动传感器10和网络接口12之间。

为了冲泡单份咖啡饮料(例如，浓缩咖啡)，用户将咖啡胶囊3装入胶囊支架22中，并通过作用在开关26上启动咖啡机2。

当泵21经由电源电路25由市电供电时，其开始从锅炉20中汲取热水，并在压力下将其通过液压回路23引入到胶囊保持器22中。压力下的热水渗透胶囊3内的咖啡粉，并且咖啡饮料最终通过分配管道24分配到杯子5中。

此外，由于泵21经由电源电路25由市电供电，所以泵21开始以与市电相同的频率f_MAIN振动(例如在欧洲为50Hz)。如上所述，由于泵21是至少包括胶囊保持器22的独特的刚性机械系统的一部分，因此液压回路23将泵21与胶囊保持器22和紧密安装在胶囊保持器22中的咖啡胶囊3连接起来，振动的幅度取决于整个机械系统的质量，如上所述，该质量是一个在冲泡期间随时间增大的可变质量m(t)，这是因为咖啡胶囊3内的咖啡粉吸收了热水。具体地，如上所述，振动幅度从初始值(主要取决于m₀和施加到泵21的力)开始，并且通过趋于渐近值而呈指数减小。

在咖啡机2如上所述地操作的同时，在咖啡饮料的冲泡期间，系统1执行用于识别咖啡胶囊3的许多步骤。

参考图4的流程图，当泵21如上所述开始振动时，振动传感器10检测到这种振动并提供指示这种振动的相应的振动信号v(t)(步骤400)。振动信号v(t)优选是模拟电信号。

图3示出了通过如上面参考图1所述对咖啡机2中振动机械系统的上述行为进行建模而获得的振动信号v(t)的曲线图(相对于其初始值进行标准化-为简单起见，仅显示正半波)。图3还示出了振动幅度v(t)，其被定义为振动信号v(t)的包络。

从图3中可以看出，振动信号v(t)基本是正弦波，其振幅V(t)根据以下方程式呈指数下降：

V(t)＝V_∞+(V₀-V_∞)*e^-t/τ [5]

其中V₀是起始值，V_∞是渐近值，τ是饱和时间，即从冲泡开始经过的时间，之后，振动振幅V(t)必定降至阈值V_th＝V_∞+△V以下，其中△V具有预定值。△V优选包含在1.05V_∞和1.5V_∞,之间，例如可以等于1.1V_∞。

然后，ADC 13优选地将振动信号v(t)从模拟转换为数字(步骤401)。

然后，在咖啡饮料的冲泡完成之后，预处理器14优选地处理数字化的振动信号v(t)以确定其包络，其对应于振动幅度V(t)(步骤402)。

然后，预处理器14优选地处理振动幅度V(t)以提供以下参数中的一个或多个(步骤403)：

·振动幅度V(t)的渐近值V_∞；

·振动幅度V(t)的饱和时间τ；和

·冲泡持续时间T_B，即总冲泡时间。

然后，网络接口12优选地将预处理器14提供的(一个或多个)参数发送到远程处理器11(步骤404)。优选地，将所述(一个或多个)参数与咖啡机2的标识符一起发送。如果网络接口2是移动无线电接口，则咖啡机2的标识符可以是例如与网络接口2的SIM卡相关联的IMSI/ICCID。远程处理器11优选将接收到的数据存储在中央数据库15中。

基于从预处理器14接收的数据，处理器11优选地识别咖啡胶囊3。具体地，处理器11优选地基于渐近值V_∞和/或基于饱和时间τ识别咖啡胶囊3。

原则上，识别可以仅基于V_∞或τ。例如，处理器11可以通过应用聚类技术(例如，已知的K-means技术)来识别咖啡胶囊3，从而将咖啡胶囊分组为两种或更多种不同的类型，每种类型由针对V_∞的一定范围的值或针对τ的一定范围的值定义。

例如，可以定义以下类型的咖啡胶囊：

·类型T1，包括渐近值V_∞高于某个阈值V_∞,TH或饱和时间τ低于某个阈值τ_TH的咖啡胶囊；和

·类型T2，包括渐近值V_∞低于阈值V_∞,TH或饱和时间τ高于阈值τ_TH的咖啡胶囊。

例如，类型T1可能对应于来自某个供应商的咖啡胶囊，而类型T2可能对应于来自任何其他供应商的咖啡胶囊，或来自另一个特定供应商的咖啡胶囊。在任何情况下，在应用识别方法之前的校准步骤期间，优选通过针对两种类型T1和类型T2的若干咖啡胶囊测量V_∞或τ的值来凭经验执行基于V_∞或τ的值和阈值V_∞,TH或τ_TH的值对咖啡胶囊的每种类型T1、T2的定义。

然而，申请人已经注意到，仅通过在一个维度(V_∞或τ)上应用聚类技术来执行咖啡胶囊的识别可能导致不可靠的结果。实际上，噪声和其他干扰因素可能在阈值V_∞,TH和τ_TH周围创建不确定区域，如图5示意性所示。

在图5的曲线图中，V_∞,max和V_∞,min指示最大和最小考虑的渐近值，而τ_,max和τ_,min指示最大和最小考虑的饱和时间。可以理解，如果咖啡胶囊3具有的例如渐进值V_∞落在将T1与T2分开的不确定区域内，就不可能得出关于咖啡胶囊3的任何结论。另一方面，同一咖啡胶囊3具有的饱和时间τ肯定落在例如T1的区域内。因此(还)基于饱和时间τ的识别将导致对咖啡胶囊3的正确识别。

因此，根据一个特别优选的实施例，处理器11基于渐近值V_∞和饱和时间τ两者来识别咖啡胶囊3。具体地，如上所述，处理器11优选地将上述聚类技术应用于渐近值V_∞和饱和时间τ。然后，处理器11组合两个聚类结果，如将在下文中参考图6的流程图详细描述的。

首先，处理器11优选地在接收到触发时开始处理从咖啡机2接收的数据。可以在以下一种或多种情况下提供触发：

(i)检测到某个事件(例如，接收到一定数量的待处理样品，每个样品包括为特定咖啡胶囊确定的上述参数V_∞，τ，T_B)；

(ii)计时器届满；

(iii)由操作员手动触发。

在接收到触发时，处理器11优选地开始两个独立的过程(下文中称为“第一过程”和“第二过程”)，这两个独立的过程可以由处理器11并行地执行。

第一过程包括为每个样本计算第一部分得分S_V∞，其指示样本的渐近值V_∞向T1的范围或T2的范围倾斜的程度(步骤601a)。

为此，处理器11首先优选确定渐近值V_∞是否高于阈值V_∞,TH。如果V_∞高于阈值V_∞,TH，则在步骤601a中，优选地根据以下等式计算第一部分得分S_V∞：

如果相反，V_∞不高于阈值V_∞,TH，则在步骤601a中，优选地根据以下等式来计算第一部分得分S_V∞：

因此，如果V_∞高于V_∞,TH，则第一部分得分S_V∞为正，否则为负。它的绝对值越高，V_∞向T1或T2的范围之一倾斜得越多(即，由V_∞提供的胶囊类型的指示越强)。

此外，第二过程包括为每个样本计算第二部分得分S_τ，该第二部分得分S_τ指示饱和时间τ向T1的范围或T2的范围倾斜的程度(步骤601b)。

为此，处理器11首先优选确定饱和时间τ是否小于阈值τ_TH。如果τ小于阈值τ_TH，则在步骤601b中，优选地根据以下等式计算第二部分得分S_τ：

相反，如果τ不小于阈值τ_TH，则在步骤601b中，优选地根据以下等式计算第二部分得分S_τ：

因此如果τ小于τ_TH，则第二部分得分S_τ为正，否则为负。它的绝对值越高，τ越倾向于T1和T2的范围之一(即由τ所提供的胶囊类型指示越强)。

然后，处理器11优选通过组合在步骤601a中计算出的第一部分得分S_V∞和在步骤601b中计算出的第二部分得分S_τ来计算总得分S_tot(步骤602)。

具体地，步骤602优选包括计算部分得分S_V∞和S_τ,的线性组合，即：

S_tot'＝W_V∞·S_V∞+W_τ·S_τ [7]

其中W_V∞和W_τ是权重，其值可以根据识别决策中应赋予每个参数V_∞和τ的权重进行调整。

然后，优选地将部分得分S_V∞和S_τ的线性组合S_tot'标准化在范围[-1；1]中，从而提供总得分S_tot。具体地，如果S_tot'的绝对值小于1，则总得分S_tot最好设置为等于S_tot'。相反，如果Stot'的绝对值等于或大于1，则最好将总分数S_tot设置为等于SGN(S_tot')，其中SGN(x)是如下定义的符号函数：

然后，处理器11优选地基于总得分S_tot，尤其是基于S_tot的符号来确定所考虑的咖啡胶囊是T1类型还是T2类型。

更具体地，处理器11优选地检查S_tot的符号(步骤603)。如果符号为正，则处理器11得出咖啡胶囊为T1类型的结论(步骤604a)，否则，处理器11得出咖啡胶囊为T2类型的结论(步骤604b)。

例如，如果咖啡胶囊3具有V_∞>V_∞,TH且τ<τ_TH，则部分得分S_V∞和S_τ均为正，从而提供总得分S_tot的正值，这将导致识别出咖啡胶囊3属于T1型。相反，如果咖啡胶囊3具有V_∞<V_∞,TH且τ>τ_TH，则部分得分S_V∞和S_τ均为负，从而提供总得分S_tot的负值，这将导致识别出咖啡胶囊3属于T2型。

例如，如果咖啡胶囊3具有V_∞>V_∞,TH且τ>τ_TH，则第一部分得分S_V∞为正(指示咖啡胶囊3显然是T1类型)，而第二部分得分S_τ为负(指示咖啡胶囊3显然是T2型)。总得分S_tot可以相应地为正或负，这取决于部分得分S_V∞和S_τ的绝对值以及所施加的权重W_V∞和W_τ。举例来说，假设权重W_V∞和W_τ具有相同的值，|S_V∞|>|S_τ|提供一个正的S_tot值，这将导致识别咖啡胶囊3属于T1类型。|S_V∞|<|S_τ|则反之提供负的S_tot值，这将导致识别咖啡胶囊3属于类型T2。在任何情况下，识别的可靠性都低于上述情况，在上述情况下，V_∞和τ对咖啡胶囊的类型提供相同指示。

为了基于总得分S_tot的符号提供对咖啡胶囊3的咖啡胶囊识别的可靠性的定量指示，处理器11优选地计算可靠性得分RS(步骤605)。

优选地，基于总得分S_tot的绝对值来计算可靠性得分RS。实际上，可以理解的是，当V_∞和τ在咖啡胶囊的类型上提供相同的指示时(例如V_∞>V_∞,TH和τ<τ_TH)，识别标识更加可靠-并且与V_∞和τ提供不同指示时相比，如上所述计算的S_tot的绝对值更高，并且可靠性和如上所述计算的S_tot的绝对值随着V_∞和τ与相应阈值V_∞,TH和τ_TH之间的距离增大而增大。

根据本发明的实施例，根据以下等式计算可靠性分数RS：

RS＝100·α·|S_tot'|％ [9]

其中α是为避免可靠性评分RS＝1而引入的校正因子(0<α<1,例如α＝0.99)，这将不切实际地指示咖啡胶囊识别的绝对可靠性。

优选地，识别结果然后被馈送到中央数据库15，在中央数据库15中，识别结果被用作实施自动学习过程的反馈，由此咖啡胶囊的类型T1和T2的定义(具体地，阈值V_∞,TH和τ_TH)基于过去的结果进行调整，因此变得更加准确。

因此，根据本发明的实施例的用于识别咖啡胶囊的系统1具有多个优点。

首先，系统1有利地不需要咖啡胶囊3提供用于识别目的的任何特殊特征。胶囊识别实际基于咖啡胶囊3固有并且完全取决于咖啡在冲泡期间的行为的特征(即V_∞和/或τ)的识别。因此，有利地，不需要额外的制造成本来使咖啡胶囊3可识别。

此外，有利地，系统1基本上不需要对胶囊咖啡机2进行任何高成本或复杂的修改。振动传感器10实际是便宜的部件，其可以容易地安装在咖啡机2中，而其成本和复杂性的增加可以忽略不计。

此外，与光传感器不同，振动传感器10即使不位于咖啡胶囊3和胶囊保持器22的附近也可以执行其识别功能。实际上，将振动传感器10定位在咖啡胶囊3和胶囊保持器22是其组成部分的独特的刚性系统的任何位置都足够。因此，振动传感器10可以方便地定位在远离咖啡胶囊3和胶囊保持器22的潮湿区域的地方，定位在其中振动传感器10可以以更适当和可靠的方式操作的更有利的环境中(例如在泵21上)。

申请人已经将识别系统实现为系统1，表明其特别可靠且鲁棒。

经过测试的识别系统包括：由MEAS Deutschland GmbH(德国)出售的振动传感器LDT0-028K(放置在胶囊咖啡机的泵上)，作为咖啡机中的预处理器的Raspberry Pi 2B板，由Microchip技术公司(美国亚利桑那州)出售的ADC MCP3008，并具有容纳Wi-Fi无线电接口或3G接口的能力。

首先，已经对识别系统进行了测试，基于已知的动力学方程式验证了包括泵、胶囊保持器和咖啡胶囊的刚性可变质量机械系统的行为的以上数学模型(请参见图1和相关描述)。

图7示出了由测试识别系统的振动传感器为示例性咖啡胶囊提供的振动信号v_ex(t)的一部分的实验曲线图(为简单起见，仅示出正半波)。可以理解，与上述模型一致，v_ex(t)基本上是与市电相同频率(即50Hz)的正弦波。如图7所示(灰色圆圈)，由于咖啡胶囊和胶囊保持器是其一部分的刚性机械系统的固有角频率，振动信号v_ex(t)的每个峰都分裂成两部分。通过图1所示和如上所述的模型也预测了峰的分裂。

然后对识别系统进行了校准，以使其能够区分来自特定供应商的咖啡胶囊(T1型)和来自其他供应商的咖啡胶囊(T2型)。

为此，已经针对两种类型T1和T2的若干咖啡胶囊测量了渐近值V_∞、饱和时间τ和冲泡时间T_B。图8示出了在四个不同条件下获得的示例性振动信号v(t)(为简单起见，仅显示了正半波)：

-曲线图(a1)和(a2)：分别用于冲泡浓咖啡饮料(25-35ml)的两个T1和T2型示例性咖啡胶囊的振动信号v₁(t)、v₂(t)；和

-曲线图(b1)和(b2)：分别用于冲泡淡咖啡饮料(＞35ml)的两个T1和T2型的示例性咖啡胶囊的振动信号v₁'(t)和v₂'(t)。

对于每个曲线图，还示出了振动幅度V₁(t)、V₂(t)、V₁'(t)、V₂'(t)。可以理解，对于所有曲线图，振动幅度V₁(t)、V₂(t)、V₁'(t)、V₂'(t)表现出预期的行为，即，它在一定的饱和时间内从初始值减小到渐近值。

通过分析针对若干T1和T2型咖啡胶囊测得的渐近值和饱和时间，已经观察到在冲泡浓咖啡饮料时，T1型咖啡胶囊的渐近值V_∞通常比T2型咖啡胶囊高，饱和时间τ比T2型咖啡胶囊短(请参见图8中的曲线图(a1)和(a2))。

具体地，T1型咖啡胶囊的渐近值通常高于0.62V，而T2型咖啡胶囊的渐近值通常低于0.62V。此外，T1类型的咖啡胶囊的饱和时间通常少于5秒，而T2型咖啡胶囊的渐近值通常高于5秒(△V等于1.1·V_∞)。

如从示例性曲线图(b1)和(b2)可以看出的，当冲泡淡咖啡饮料时，也观察到相同的情况。

根据上述测量结果，然后通过如下设置算法参数来执行识别系统的校准：表I

V<sub>∞,TH</sub>	0.62V
		V<sub>∞,MIN</sub>	0.2V
V<sub>∞,MAX</sub>	0.9V
		τ<sub>TH</sub>	5秒
τ<sub>MIN</sub>	2秒
		τ<sub>MAX</sub>	16秒
W<sub>V∞</sub>	1
		W<sub>τ</sub>	1

然后，通过尝试识别多个T1型和T2型胶囊来测试识别系统。下表中列出了一些获得的结果：

表II

以上结果表明，该识别系统是可靠且鲁棒的。所有咖啡胶囊均已正确识别。

可以理解的是，在V_∞和τ都提供了对咖啡胶囊类型的相同的、强有力的指示(例如参见ID 3、5和6)的情况下，部分得分S_V∞和S_τ具有相同的符号并且两者都具有相对较高的绝对值，因此获得的可靠性得分RS高(99％)。

在V_∞和τ都对咖啡胶囊类型提供了相同指示但两个参数中的至少一个的指示较弱的情况下(ID 4就是这种情况，其中由τ提供的T2类型的指示非常弱，或ID 7，其中V_∞和τ二者所提供的T1类型指示都相当弱)，尽管可靠性评分RS较低(72-73％)，但咖啡胶囊被正确识别。实际上，在这种情况下，即使部分得分S_V∞和S_τ具有相同的符号，二者中的至少一个也具有相对较低的绝对值。

同样在V_∞和τ提供对咖啡胶囊类型的相反指示的情况下(例如参见ID 1和2)，该系统仍然能够正确识别该类型。然而，在这种情况下，部分得分S_V∞和S_τ具有不同的符号，因此可靠性得分RS较低(分别为35％和59％)。

在任何情况下，根据本发明的识别系统对于噪声和其他干扰因素而言都是可靠且鲁棒的。

尽管已经具体参照咖啡机和咖啡胶囊描述了本发明，但是本发明可以更广泛地应用于压力注入机和压力注入胶囊，以从注入不同于咖啡的粉末开始或将咖啡与其他一些物质混合来冲泡饮料。

Claims (15)

1.一种用于识别由胶囊咖啡机(2)使用的咖啡胶囊(3)的方法，所述方法包括：

a)在所述胶囊咖啡机(2)使用装在其中的所述咖啡胶囊(3)冲泡咖啡饮料的同时，检测所述胶囊咖啡机(2)的部件(21)的振动并产生与其对应的振动信号v(t)，所述部件(21)在所述胶囊咖啡机(2)内与所述咖啡胶囊(3)刚性连接；

b)确定所述振动信号v(t)的至少一个参数(V_∞,τ)的值；和

c)基于所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值识别所述咖啡胶囊(3)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤a)包括在所述胶囊咖啡机(2)的泵(21)由市电供电的同时检测所述泵(21)的振动，所述泵(21)通过液压回路(23)刚性连接到所述胶囊咖啡机(2)的胶囊保持器(22)，所述咖啡胶囊(3)装在所述胶囊保持器(22)中。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤a)由布置在所述泵(21)处的振动传感器(10)执行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤b)包括确定作为所述振动信号V(t)的包络的振动幅度V(t)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

-步骤b)包括确定所述振动幅度V(t)的第一参数(V_∞)和第二参数(τ)的值；和

-步骤c)包括基于所述振动幅度V(t)的所述第一参数(V_∞)和所述第二参数(τ)的值来识别所述咖啡胶囊(3)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一参数(V_∞)包括所述振动幅度V(t)的渐近值V_∞，并且所述第二参数(τ)包括所述振动幅度V(t)的饱和时间τ。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤c)包括：

-将第一咖啡胶囊类型定义为第一咖啡胶囊组，所述第一咖啡胶囊组具有包含在第一范围内的所述至少一个参数(V_∞,τ)；

-将第二咖啡胶囊类型定义为第二咖啡胶囊组，所述第二咖啡胶囊组具有包含在第二范围内的所述至少一个参数(V_∞,τ)；和

-基于为所述咖啡胶囊(3)确定的所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值是否包含在所述第一范围或所述第二范围中，确定所述咖啡胶囊(3)属于所述第一咖啡胶囊类型还是所述第二咖啡胶囊类型。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤c)包括：

-计算得分(S_tot)，该得分指示为所述咖啡胶囊(3)确定的所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值向所述第一范围或所述第二范围倾斜的程度，如果所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值向所述第一范围倾斜，则所述得分(S_tot)为正，如果所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值向所述第二范围倾斜，则所述得分为负；和

-基于所述得分(S_tot)的符号确定所述咖啡胶囊(3)是属于所述第一咖啡胶囊类型还是所述第二咖啡胶囊类型。

9.根据权利要求5和8所述的方法，其中，所述计算所述分数(S_tot)包括基于所述第一参数(V_∞)的值来计算第一部分得分(S_V∞)，基于所述第二参数(τ)的值计算第二部分得分(S_τ)，以及通过组合所述第一部分得分(S_V∞)和所述第二部分得分(S_τ)来计算所述得分(S_tot)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述组合所述第一部分得分(S_V∞)和所述第二部分得分(S_τ)包括计算所述第一部分得分(S_V∞)和所述第二部分得分(S_τ)的线性组合。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，步骤c)还包括计算可靠性得分(RS)，该可靠性得分基于所述得分(S_V∞)的所述符号提供对所述咖啡胶囊(3)的咖啡胶囊识别的可靠性的定量指示。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可靠性得分(RS)是基于所述得分(S_tot)的绝对值来计算。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述胶囊咖啡机(2)处执行所述步骤b)，并且所确定的所述振动信号v(t)的所述至少一个参数(V_∞,τ)的值由所述胶囊咖啡机(2)借助于所述胶囊咖啡机(2)的网络接口(12)发送给远程处理器(11)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述网络接口(12)是移动无线电接口。

15.一种用于识别由胶囊咖啡机(2)使用的咖啡胶囊(3)的系统(1)，所述系统(1)包括：

-振动传感器(10)，该振动传感器(10)被构造为在由所述胶囊咖啡机(2)使用装在其中的所述咖啡胶囊(3)冲泡咖啡饮料的同时，检测所述胶囊咖啡机(2)的部件(21)的振动并产生与其对应的振动信号v(t)，所述部件(21)在所述胶囊咖啡机(2)内与所述咖啡胶囊(3)刚性连接；

-预处理器(14)，被配置为确定所述振动信号v(t)的至少一个参数(V_∞,τ)的值；和

-处理器(11)，被配置为基于所述至少一个参数(V_∞,τ)的所述值来识别所述咖啡胶囊(3)。

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