DE102016224636B3

DE102016224636B3 - Verfahren zur Adaption einer elektronischen Filtereinheit, eine elektronische Filtereinheit sowie eine Vorrichtung mit einer solchen Filtereinheit

Info

Publication number: DE102016224636B3
Application number: DE102016224636.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Bakucz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-12-10
Also published as: WO2018103932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption einer elektronischen Filtereinheit (40). Hierbei wird zu Beginn eine Mehrzahl von ersten Eingangswerten (31) einer innerhalb einer ersten Zeitspanne erfasst. Anschließend werden gefilterte Ausgangswerte (36) durch Filterung der erfassten ersten Eingangswerte (31) mittels der Filtereinheit (40) erzeugt. Daraufhin wird eine Übertragungsfunktion der Filtereinheit (40) über einen bestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von den ersten Eingangswerten (31) und gefilterten Ausgangswerten (36) ermittelt. Im Anschluss werden die Filterkoeffizienten der Filtereinheit (40) in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung bestimmt. Nach der Bestimmung der Filterkoeffizienten werden zweite Eingangswerte (32) innerhalb einer zweiten Zeitspanne erfasst und die zweiten Eingangswerte (32) in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion gefiltert. Die Erfindung betrifft zudem eine elektronische Filtereinheit (40) sowie eine Vorrichtung (10) mit solch einer Filtereinheit (40) und einer Sensoreinheit (30).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption einer Filtereinheit. Hierbei werden Filterkoeffizienten der Filtereinheit bestimmt.
Solch ein Verfahren ist beispielsweise in der Schrift von J. E. Dennis Jr. und R. B. Schnabel offenbart [„Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations”, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1983]. Bei diesem Verfahren werden die Filterkoeffizienten über ein iteratives oder auch rekursives Optimierungsverfahren bestimmt, wodurch allerdings die Stabilität und die Effizienz des Verfahrens verschlechtert werden könnte und welches hierdurch beispielsweise nicht echtzeitfähig ist.
Die Erfindung betrifft zudem eine elektronische Filtereinheit sowie eine Vorrichtung mit solch einer Filtereinheit und einer Sensoreinheit.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption einer Filtereinheit. Hierbei wird zu Beginn eine Mehrzahl von ersten Eingangswerten innerhalb einer ersten Zeitspanne erfasst. Anschließend werden Ausgangswerte durch Filterung der ersten Eingangswerte mittels der Filtereinheit erzeugt. Daraufhin wird eine Übertragungsfunktion der Filtereinheit über einen bestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von den ersten Eingangswerten und Ausgangswerten ermittelt. Im Anschluss werden die Filterkoeffizienten der Filtereinheit in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung bestimmt. Nach der Bestimmung der Filterkoeffizienten werden zweite Eingangswerte innerhalb einer zweiten Zeitspanne erfasst und die zweiten Eingangswerte in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion gefiltert.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine nicht-iterativ, nicht-rekursive und somit sehr schnelle Bestimmung von Filterkoeffizienten der Filtereinheit möglich ist. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere für Echtzeitsysteme, bei welchen ein zeitnahes Ergebnis benötigt wird, um den Anforderungen des Systems zu genügen. Solch ein System kann beispielsweise ein System zur Erkennung des Belegungs-Zustands eines Parkplatzes sein, bei welchem die Filtereinheit des Systems adaptiv angepasst werden kann. Anhand der Filterkoeffizienten kann dann anschließend eine Filterung von weiteren Eingangswerten im Zeitraum erfolgen, ohne dass eine Fourier-Transformation durchgeführt werden muss. Dies vereinfacht wiederum das Verfahren und beschleunigt den Filterungsschritt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Filterkoeffizienten durch Transferieren der Übertragungsfunktion von einem Frequenzraum in einen Zeitraum in Abhängigkeit von der Parsevalschen Gleichung bestimmt werden, indem die Übertragungsfunktion über den bestimmten Frequenzbereich in eine Mehrzahl von gleichbreiten Frequenzabschnitten unterteilt wird und in Abhängigkeit von den Frequenzabschnitten zugehörige Zeitabschnitte im Zeitraum bestimmt werden, wobei der Kehrwert einer Frequenzabschnittsbreite im Frequenzraum eine Zeitabschnittsbreite im Zeitraum darstellt, und für jeden Zeitabschnitt eine Phase in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts und der Parsevalschen Gleichung bestimmt wird, und anschließend für jeden der Frequenzabschnitte ein Filterkoeffizient in Abhängigkeit von der bestimmten Phase des zugehörigen Zeitabschnitts und der Übertagungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts bestimmt wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Filterkoeffizienten möglichst einfach und schnell bestimmt werden können.
Die Erfindung betrifft zudem eine elektronische Filtereinheit mit einer Verarbeitungseinheit, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von ersten Eingangswerten innerhalb einer ersten Zeitspanne zu erfassen und durch Filterung der ersten Eingangswerte mittels der Filtereinheit Ausgangswerte zu bestimmen. Zudem ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der Ausgangswerte und der ersten Eingangswerte eine Übertragungsfunktion über einen bestimmte Frequenzbereich zu ermitteln und Filterkoeffizienten der Filtereinheit in Abhängigkeit von der ermittelten Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von zweiten Eingangswerten innerhalb einer zweiten Zeitspanne zu erfassen und diese zweiten Eingangswerte in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion zu filtern. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine nicht-iterativ, nicht-rekursive und somit sehr schnelle Bestimmung von Filterkoeffizienten der Filtereinheit möglich ist. 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. Anhand der Filterkoeffizienten kann dann anschließend eine Filterung von weiteren Eingangswerten im Zeitraum erfolgen, ohne dass eine Fourier-Transformation durchgeführt werden muss. Dies vereinfacht und beschleunigt den Filterungsschritt und spart somit Systemressourcen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Filterkoeffizienten durch Transferieren der Übertragungsfunktion von einem Frequenzraum in einen Zeitraum in Abhängigkeit von der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen, indem die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Übertragungsfunktion über den bestimmten Frequenzbereich in eine Mehrzahl von gleichbreiten Frequenzabschnitten zu unterteilen und in Abhängigkeit von den Frequenzabschnitten zugehörige Zeitabschnitte im Zeitraum zu bestimmen, wobei der Kehrwert einer Frequenzabschnittsbreite im Frequenzraum eine Zeitabschnittsbreite im Zeitraum darstellt, und wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, für jeden Zeitabschnitt eine Phase in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts und der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen und für jeden der Frequenzabschnitte einen Filterkoeffizienten in Abhängigkeit von der bestimmten Phase des zugehörigen Zeitabschnitts und der Übertagungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts zu bestimmen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Filterkoeffizienten möglichst einfach und schnell bestimmbar sind.
Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Filtereinheit sowie mit einer Sensoreinheit, wobei die ersten Eingangswerte oder auch die zweiten Eingangswerte mittels der Sensoreinheit erfassbar sind.
Zeichnungen
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Adaption einer elektronischen Filtereinheit.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Filterkoeffizienten einer Filtereinheit. Zuerst wird in einem Verfahrensschritt a einer Mehrzahl von ersten Eingangswerten 31 innerhalb einer ersten Zeitspanne erfasst.
Anschließend werden in einem Verfahrensschritt b Ausgangswerte 36 durch Filterung der erfassten Eingangswerte 31 mittels der Filtereinheit 40 erzeugt. Die Filtereinheit 40 ist hierbei eine elektronische Filtereinheit und beispielsweise als FIR-Filter ausgestaltet.
Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt c eine Übertragungsfunktion der Filtereinheit 40 über einen bestimmten Frequenzbereich ermittelt. Dies erfolgt typischerweise, indem in Abhängigkeit von den gefilterten Ausgangswerten 36 und den erfassten ersten Eingangswerten 31 die Übertragungsfunktion der Filtereinheit bestimmt wird. Die Bestimmung der Übertragungsfunktion erfolgt beispielsweise, indem ein Quotient von den gefilterten Ausgangswerten 36 und den erfassten ersten Eingangswerten 31 im Frequenzraum gebildet wird. Die Übertragungsfunktion setzt sich hierbei üblicherweise aus Amplitude und Phase jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz zusammen.
In einem Verfahrensschritt d werden daraufhin die Filterkoeffizienten der Filtereinheit 40 in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung bestimmt. Die Parsevalsche Gleichung besagt, dass die Energie eines Signals im Frequenzraum der Energie eines Signals im Zeitraum entspricht:
Die Bestimmung der Filterkoeffizienten erfolgt, indem die Übertragungsfunktion über den bestimmten Frequenzbereich in eine Mehrzahl von gleichbreiten Frequenzabschnitten unterteilt wird und in Abhängigkeit von den Frequenzabschnitten zugehörige Zeitabschnitte im Zeitraum bestimmt werden, wobei der Kehrwert einer Frequenzabschnittsbreite df im Frequenzraum eine Zeitabschnittsbreite dt im Zeitraum darstellt: dt = 1 / df
Daraufhin wird für jeden Zeitabschnitt eine Phase im Zeitraum in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts und mittels der Parsevalschen Gleichung bestimmt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Fläche der Übertragungsfunktion nach der Parsevalschen Gleichung im Zeitraum gleich der Fläche im Frequenzraum sein muss. Anschließend wird für jeden der Frequenzabschnitte ein Filterkoeffizient in Abhängigkeit von der bestimmten Phase des zugehörigen Zeitabschnitts und der Übertagungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts bestimmt. Hierfür wird die im Zeitraum bestimmte Phase des jeweiligen Zeitabschnitts mit dem Winkel der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts im Frequenzraum addiert und anschließend der Cosinus dieser Summe gebildet. Das Ergebnis wird daraufhin noch mit dem absoluten Wert der Übertragungsfunktion für den jeweiligen Frequenzabschnitt multipliziert, wobei das Ergebnis der zum Frequenzabschnitt zugehörige Filterkoeffizient ist.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt e eine Mehrzahl von zweiten Eingangswerten 32 innerhalb einer zweiten Zeitspanne erfasst und diese zweiten Eingangswerte 32 in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion gefiltert. Diese Filterung erfolgt hierbei im Zeitraum.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung welche dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dargestellt ist eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist eine Verarbeitungseinheit 20 und eine Sensoreinheit 30 auf. Die Sensoreinheit 30 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 der Sensoreinheit 20 verbunden, dass eine Mehrzahl von ersten Eingangswerten 31 innerhalb einer bestimmten Zeitspanne sowie eine Mehrzahl von zweiten Eingangswerten 32 innerhalb einer zweiten Zeitspanne erfassbar sind. Unter Erfassen ist beispielsweise das Abgreifen der ersten Eingangswerte 31 bzw. zweiten Eingangswerte 32 von der Sensoreinheit 30 durch die Verarbeitungseinheit 20 sowie das zumindest zeitweise Abspeichern dieser erfassten ersten Eingangswerte 31 bzw. zweiten Eingangswerte 32 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 Vorrichtung 10 weist zudem noch eine elektronische Filtereinheit 40 auf. Diese Filtereinheit 40 kann beispielsweise als elektronischer FIR-Filter ausgestaltet sein. Die Verarbeitungseinheit 20 ist bidirektional mit der Filtereinheit 40 verbunden und dazu eingerichtet, die erfassten ersten Eingangswerte 31 an die Filtereinheit 40 zu senden und gefilterte Ausgangswerte 36 von der Filtereinheit 40 zu empfangen. Hierbei ist die Filtereinheit 40 dazu eingerichtet, die erfassten ersten Eingangswerte 31 zu filtern und in Abhängigkeit von den erfassten ersten Eingangswerten 31 gefilterte Ausgangswerte 36 auszugeben. Die Verarbeitungseinheit 20 ist zudem dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der gefilterten Ausgangswerte 36 und der erfassten ersten Eingangswerte 31 eine Übertragungsfunktion über einen bestimmte Frequenzbereich zu ermitteln und Filterkoeffizienten der Filtereinheit 40 in Abhängigkeit von der ermittelten Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen. Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 20 dazu eingerichtet, die zweiten Eingangswerte 32 in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion zu filtern.

Claims

Verfahren zur Adaption einer elektronischen Filtereinheit (40) mit folgenden Verfahrensschritten: a. Erfassen einer Mehrzahl von ersten Eingangswerten (31) innerhalb einer ersten Zeitspanne, b. Erzeugen von Ausgangswerten (36) durch Filterung der ersten Eingangswerte (31) mittels der Filtereinheit (40), c. Ermitteln einer Übertragungsfunktion der Filtereinheit (40) über einen bestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von den ersten Eingangswerten (31) und den Ausgangswerten (36), d. Bestimmen der Filterkoeffizienten der Filtereinheit (40) in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung. e. Erfassen einer Mehrzahl von zweiten Eingangswerten (32) innerhalb einer zweiten Zeitspanne, f. Filtern der zweiten Eingangswerte (32) in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkoeffizienten durch Transferieren der Übertragungsfunktion von einem Frequenzraum in einen Zeitraum in Abhängigkeit von der Parsevalschen Gleichung bestimmt werden, indem die Übertragungsfunktion über den bestimmten Frequenzbereich in eine Mehrzahl von gleichbreiten Frequenzabschnitten unterteilt wird und in Abhängigkeit von den Frequenzabschnitten zugehörige Zeitabschnitte im Zeitraum bestimmt werden, wobei der Kehrwert einer Frequenzabschnittsbreite im Frequenzraum eine Zeitabschnittsbreite im Zeitraum darstellt, und für jeden Zeitabschnitt eine Phase in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts und der Parsevalschen Gleichung bestimmt wird, und anschließend für jeden der Frequenzabschnitte ein Filterkoeffizient in Abhängigkeit von der bestimmten Phase des zugehörigen Zeitabschnitts und der Übertagungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts bestimmt wird.
Elektronische Filtereinheit (40) mit wenigstens einer Verarbeitungseinheit (20), wobei die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von ersten Eingangswerten (31) innerhalb einer ersten Zeitspanne zu erfassen und durch Filterung der ersten Eingangswerte (31) mittels der Filtereinheit (40) Ausgangswerte (36) zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Ausgangswerte (36) und der ersten Eingangswerte (31) eine Übertragungsfunktion über einen bestimmte Frequenzbereich zu ermitteln, und wobei die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, Filterkoeffizienten der Filtereinheit (40) in Abhängigkeit von der ermittelten Übertragungsfunktion und der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen, und wobei die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von zweiten Eingangswerten (32) innerhalb einer zweiten Zeitspanne zu erfassen und diese zweiten Eingangswerte (32) in Abhängigkeit von den bestimmten Filterkoeffizienten und der bestimmten Übertragungsfunktion zu filtern.
Elektronische Filtereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, die Filterkoeffizienten durch Transferieren der Übertragungsfunktion von einem Frequenzraum in einen Zeitraum in Abhängigkeit von der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen, indem die Verarbeitungeinheit (20) dazu eingerichtet ist, die Übertragungsfunktion über den bestimmten Frequenzbereich in eine Mehrzahl von gleichbreiten Frequenzabschnitten zu unterteilen und in Abhängigkeit von den Frequenzabschnitten zugehörige Zeitabschnitte im Zeitraum zu bestimmen, wobei der Kehrwert einer Frequenzabschnittsbreite im Frequenzraum eine Zeitabschnittsbreite im Zeitraum darstellt, und wobei die Verarbeitungseinheit (20) dazu eingerichtet ist, für jeden Zeitabschnitt eine Phase in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts und der Parsevalschen Gleichung zu bestimmen und für jeden der Frequenzabschnitte einen Filterkoeffizienten in Abhängigkeit von der bestimmten Phase des zugehörigen Zeitabschnitts und der Übertagungsfunktion des zugehörigen Frequenzabschnitts zu bestimmen.
Vorrichtung mit einer elektronischen Filtereinheit nach Anspruch 3 oder 4 sowie mit einer Sensoreinheit (30), wobei die ersten Eingangswerte (31) und/oder zweiten Eingangswerte (32) mittels der Sensoreinheit (30) erfassbar sind.