DE102020134605A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A TIME-VARYING CONTINUOUS MEASUREMENT AND VEHICLE - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A TIME-VARYING CONTINUOUS MEASUREMENT AND VEHICLE Download PDF

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Roland Stahn
Lars Madry
Jens Kuban
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße, bei dem die Messgröße mit einem Messsystem, beispielsweise einem optischen Sensor, wiederholend gemessen und aus einer Anzahl (Mittelungstiefe) von Messwerten der Messgröße ein gleitender Mittelwert gebildet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, (a) dass ein aktueller Messwert und mindestens ein vorhergehender Messwert bewertet werden, (b) dass abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (a) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, festgelegt wird und (c) dass der gleitende Mittelwert mit der in Schritt (b) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (b) festgelegten Gewichtung gebildet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße und ein Fahrzeug.The invention relates to a method for determining a time-varying, continuous measured variable, in which the measured variable is measured repeatedly with a measuring system, for example an optical sensor, and a moving average is formed from a number (averaging depth) of measured values of the measured variable. The method is characterized in that (a) a current measured value and at least one previous measured value are evaluated, (b) depending on the result of the evaluation in step (a), an averaging depth and/or a weighting of the measured values over which the average is made, is determined and (c) that the moving average is formed with the averaging depth determined in step (b) and/or the weighting determined in step (b). The invention also relates to a device for determining a time-varying, continuous measured variable and a vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt ein Verfahren zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße, bei dem die Messgröße mit einem Messsystem, beispielsweise einem optischen Sensor, wiederholend gemessen und aus einer Anzahl (Mittelungstiefe) von Messwerten der Messgröße ein gleitender Mittelwert gebildet wird.In a first aspect, the present invention relates to a method for determining a time-varying continuous measured variable, in which the measured variable is measured repeatedly with a measuring system, for example an optical sensor, and a moving average is formed from a number (averaging depth) of measured values of the measured variable.

In einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße, mit einem Messsystem zum wiederholenden Messen der Messgröße und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus einer Anzahl (Mittelungstiefe) von Messwerten der Messgröße einen gleitenden Mittelwert zu bilden.In a further aspect, the present invention relates to a device for determining a time-varying, continuous measured variable, with a measuring system for repeatedly measuring the measured variable and with a control and evaluation unit which is set up to calculate a sliding one from a number (averaging depth) of measured values of the measured variable to form the mean.

Bei vielen Anwendungen werden physikalische Messgrößen über Sensoren erfasst. Die Erfassung der Messgröße ist typischerweise durch Rauschen gestört. Es ist bekannt (Poisson-Statistik), dass bei wiederholenden Messungen, also solchen Messungen, bei denen in derselben Messsituation dieselbe Messung mehrfach nacheinander durchgeführt wird, durch eine gleitende Mittelwertbildung über N Messwerte das Rauschen um den Faktor √N reduziert werden kann. Die Anzahl N der Messwerte, über die gemittelt wird, wird als Mittelungstiefe bezeichnet. Ein typischer Fall für eine wiederholende Messung, bei denen gleitende Mittelwertbildungen zum Einsatz kommen, ist die Entfernungsmessung mit einem optischen Laufzeitsensor zu einem Objekt in einem Überwachungsbereich.In many applications, physical measured variables are recorded via sensors. The acquisition of the measurand is typically disturbed by noise. It is known (Poisson statistics) that in the case of repeated measurements, i.e. measurements in which the same measurement is carried out several times in succession in the same measurement situation, the noise can be reduced by a factor of √N by forming a moving average over N measured values. The number N of measured values to be averaged is referred to as the averaging depth. A typical case for a repetitive measurement, in which sliding averaging is used, is the distance measurement with an optical time-of-flight sensor to an object in a surveillance area.

In praktischen Anwendungen werden oftmals kontinuierliche Messgrößen erfasst. Solche kontinuierlichen Messgrößen zeichnen sich dadurch aus, dass sie wegen der Eigenschaften des jeweils beobachteten Systems keine sprunghaften Veränderungen ausführen. Die Messgröße als Funktion der Zeit und auch die erste und zweite Ableitung dieser Messgrößen nach der Zeit sind also im Wesentlichen stetig.In practical applications, continuous measured variables are often recorded. Such continuous measured variables are distinguished by the fact that they do not change suddenly due to the properties of the observed system. The measured variable as a function of time and also the first and second derivation of these measured variables with respect to time are therefore essentially continuous.

Durch eine digitale Verarbeitung der Messwerte entsteht naturgemäß bereits eine Quantisierung der Messwerte, die umso feiner ist, je besser die Auflösung der verwendeten Analog-Digital-Wandler ist. In den hier betrachteten Situationen ist die Messungenauigkeit bei einer Einzelmessung (Rauschen) aber in aller Regel größer als die Auflösung der verwendeten Analog-Digital-Wandler.Digital processing of the measured values naturally results in a quantization of the measured values, which is all the finer the better the resolution of the analog-to-digital converter used. In the situations considered here, however, the measurement inaccuracy in a single measurement (noise) is generally greater than the resolution of the analog-to-digital converter used.

Ein Beispiel für eine kontinuierliche Messgröße ist wieder die Messung der Entfernung eines Objekts mit einem 1 D-Entfernungsmesser. Das beobachtete Objekt kann relativ zu dem 1 D-Entfernungsmesser ruhen oder sich mit konstanter Geschwindigkeit oder beschleunigt bewegen. Wegen seiner Masse kann das Objekt aber, bei ausreichend hoher Abtastrate, keine sprunghaften Änderungen seiner Position vornehmen. Diese Eigenschaft trifft auf sehr viele praktische Anwendungen zu.An example of a continuous metric is again measuring the distance to an object with a 1D range finder. The observed object can be stationary relative to the 1D range finder or moving at constant speed or accelerated. Because of its mass, however, the object cannot make any abrupt changes in its position if the sampling rate is high enough. This property applies to many practical applications.

Mit einer hohen Mittelungstiefe kann bei langsam veränderlichen oder statischen Messgröße, beispielsweise bei einem ruhenden Objekt, das Rauschen also signifikant reduziert werden. Schwieriger ist die Situation für rasch veränderliche Messgrößen, etwa bei sich relativ zum Sensor bewegenden Objekten. Zwar wird das Rauschen umso stärker reduziert, je höher die Mittelungstiefe ist. Wegen der unterschiedlichen Zeitpunkte der Messungen, über die gemittelt wird, entsteht aber eine als Schleppverzug bezeichnete Abweichung des gemittelten Messwerts gegenüber der realen Messgröße.With a high averaging depth, the noise can be significantly reduced in the case of slowly changing or static measured variables, for example in the case of a stationary object. The situation is more difficult for rapidly changing measured variables, such as objects moving relative to the sensor. The higher the averaging depth, the more the noise is reduced. Due to the different times of the measurements, which are averaged, there is a deviation of the averaged measured value compared to the real measured variable, which is referred to as lag.

Im Stand der Technik sind sogenannte Kalman-Filter bekannt. Dabei handelt es sich um prädiktive Filter, die ausgehend von einem Systemmodell fehlerhafte Messwerte verwerfen und gegebenenfalls fehlende Messwerte extrapolieren.So-called Kalman filters are known in the prior art. These are predictive filters that, based on a system model, discard erroneous measured values and, if necessary, extrapolate missing measured values.

In der Finanzmathematik sind Verfahren bekannt, die Marktbewegungen glätten und gleichzeitig frühzeitig auf Veränderungen reagieren sollen. Ein Beispiel dafür ist „Kaufman's Adaptive Moving Average“.Methods are known in financial mathematics that smooth out market movements and at the same time are intended to react to changes at an early stage. An example of this is Kaufman's Adaptive Moving Average.

Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug anzugeben, bei denen die Qualität der Messdaten abhängig für den jeweiligen Einsatzzweck gesteigert werden.An object of the invention can be seen as specifying a method, a device and a vehicle in which the quality of the measurement data is increased depending on the respective application.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Vorrichtung mit den Merkmalen des 18 und das Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst.This object is achieved by the method having the features of claim 1, the device having the features of 18 and the vehicle having the features of claim 22.

Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Fahrzeugs werden im Folgenden, insbesondere mit Bezug auf die abhängigen Ansprüche und die Figuren erläutert.Preferred variants of the method according to the invention and advantageous refinements of the device according to the invention and of the vehicle according to the invention are explained below, in particular with reference to the dependent claims and the figures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein.The device according to the invention can be set up in particular to carry out the method according to the invention.

Das Verfahren der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, (a) dass ein aktueller Messwert und mindestens ein vorhergehender Messwert bewertet werden, (b) dass abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (a) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, festgelegt wird und (c) dass der gleitende Mittelwert mit der in Schritt (b) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (b) festgelegten Gewichtung gebildet wird.The method of the type specified above is further developed according to the invention in that (a) a current measured value and at least one previous measured value are evaluated, (b) depending on the result of the evaluation in step (a) an averaging depth and/or a weighting of the measured values being averaged is specified and (c) that the moving average is formed with the averaging depth specified in step (b) and/or the weighting specified in step (b).

Die Vorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit außerdem dazu eingerichtet ist, (A) einen aktuellen Messwert und mindestens einen vorhergehenden Messwert zu bewerten, (B) abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (A) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, festzulegen und (C) den gleitenden Mittelwert mit der in Schritt (B) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (B) festgelegten Gewichtung zu bilden.The device of the type specified above is further developed according to the invention in that the control and evaluation unit is also set up to (A) evaluate a current measured value and at least one previous measured value, (B) depending on the result of the evaluation in step (A). to determine the averaging depth and/or a weighting of the measured values that are averaged, and (C) to form the moving average with the averaging depth determined in step (B) and/or the weighting determined in step (B).

Bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorhanden.A device according to the invention is present in a vehicle according to the invention.

Als zeitveränderliche kontinuierliche Messgrößen werden solche Messgrößen bezeichnet, die über die Zeit variieren, also nicht konstant sind, und kontinuierliche Werte annehmen können (im Unterschied zu Messgrößen, die nur bestimmte, beispielsweise ganzzahlige, Werte annehmen können).Time-varying continuous measured variables are those measured variables that vary over time, i.e. are not constant, and can assume continuous values (in contrast to measured variables that can only assume certain, for example integer, values).

Unter dem Begriff des Messsystems sollen alle Komponenten verstanden werden, die zum Messen der Messgröße notwendig sind. Im Fall eines optischen Sensors sind das beispielsweise der Lichtsender, der Lichtempfänger und geeignete Mittel zum bestimmungsgemäßen Betätigen und/oder Steuern dieser Komponenten.The term measuring system should be understood to mean all components that are necessary for measuring the measurand. In the case of an optical sensor, these are, for example, the light transmitter, the light receiver and suitable means for actuating and/or controlling these components as intended.

Bei der Steuer- und Auswerteeinheit kann es sich um, insbesondere programmierbare, elektronische Komponenten bekannter Art handeln. Beispielsweise können Mikrocontroller oder vergleichbare programmierbare Komponenten mit Analog- und Digitalfunktionen zum Einsatz kommen.The control and evaluation unit can be, in particular, programmable, electronic components of a known type. For example, microcontrollers or comparable programmable components with analog and digital functions can be used.

Mit dem Begriff des aktuellen Messwerts soll der jeweils jüngste Messwert, der mit dem Messsystem gemessen wurde, bezeichnet werden.The term current measured value is intended to refer to the most recent measured value that was measured with the measuring system.

Als vorhergehende Messwerte werden Messwerte bezeichnet, die in der Vergangenheit gemessen wurden. Ein vorhergehender Messwert kann insbesondere ein unmittelbar vorhergehender Messwert, also der letzte vor dem aktuellen Messwert gemessene Messwert sein.Previous measured values refer to measured values that were measured in the past. A preceding measured value can in particular be a directly preceding measured value, ie the last measured value measured before the current measured value.

Als vorhergehende Messwerte werden nur solche Messwerte bezeichnet, die abgesehen davon, dass sich der Messwert an sich ändern kann, in derselben Messsituation wie ein aktueller Messwert erhoben werden. Darauf kommt es beispielsweise bei einem zweidimensionalen optischen Scanner an, der in unterschiedlichen Raumrichtungen Entfernungen messen kann. Es ist klar, dass bei solch einem Messgerät, nur solche Messwerte für eine Mittelwertbildung herangezogen werden und in diesem Sinn vorhergehende Messwerte sein können, die in ein und derselben Raumrichtung, mithin in derselben Messsituation, erhoben werden.Only those measured values are referred to as previous measured values which, apart from the fact that the measured value itself can change, are collected in the same measurement situation as a current measured value. This is important, for example, with a two-dimensional optical scanner that can measure distances in different spatial directions. It is clear that with such a measuring device, only those measured values are used for averaging and in this sense can be previous measured values that are collected in one and the same spatial direction, and therefore in the same measurement situation.

Unter dem Begriff des Bewertens soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jedwede Art von quantitativer Auswertung und/oder Verarbeitung der Messdaten und gegebenenfalls weiterer Daten, insbesondere zum Zweck der Bestimmung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung für die Bildung des gleitenden Mittelwerts, verstanden werden.In the context of the present description, the term “evaluation” should be understood to mean any type of quantitative evaluation and/or processing of the measurement data and possibly other data, in particular for the purpose of determining the averaging depth and/or the weighting for forming the moving average.

Unter dem Begriff eines Fahrzeugs sollen im Rahmen der vorliegenden Beschreibung alle Vorrichtungen verstanden werden, deren bestimmungsgemäßer Gebrauch darin besteht, sich in definierter und während des Fahrens steuerbarer Weise relativ zur Umwelt zu bewegen. Beispielsweise kann es sich um, insbesondere führerlose, Fahrzeuge handeln, die in der Fabrikautomation zum Einsatz kommen, etwa Regalbediengeräte.In the context of the present description, the term “vehicle” should be understood to mean all devices whose intended use consists of moving in a defined manner relative to the environment that can be controlled while driving. For example, they can be vehicles, in particular driverless vehicles, that are used in factory automation, such as stacker cranes.

Mit dem Begriff eines Sensors können im Rahmen der vorliegenden Beschreibung sowohl die Messkomponenten, also das Messsystem, als auch die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst bezeichnet werden.Within the scope of the present description, the term sensor can be used to designate both the measurement components, ie the measurement system, and the device according to the invention itself.

Als ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, bei dem gattungsgemäßen Verfahren und der gattungsgemäßen Vorrichtung die Parameter für die Bildung eines gleitenden Mittelwerts, insbesondere die Mittelungstiefe und/oder die Gewichtung, abhängig von der jeweiligen Messsituation und insbesondere abhängig von einem aktuellen Messwert und von vorhergehenden Messdaten einzustellen.As a basic idea of the present invention can be considered, in the generic method and the generic device, the parameters for the formation of a moving average, in particular the averaging depth and / or the weighting, depending on the respective measurement situation and in particular depending on a current measured value and from set previous measurement data.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Bewertung der Messgröße durchgeführt, um die Mittelungstiefe und/oder die Gewichtung insbesondere automatisiert, an eine jeweilige Anwendungssituation anzupassen.In the method according to the invention, the measured variable is evaluated in order to adapt the averaging depth and/or the weighting to a particular application situation, in particular in an automated manner.

Die Messwerte, über welche erfindungsgemäß der gleitende Mittelwert gebildet wird, können insbesondere den aktuellen Messwert und eine Anzahl von vorhergehenden Messwerten, gegebenenfalls nach Anwendung einer Gewichtungsfunktion, dazu mehr im Folgenden, enthalten.The measured values over which the moving average is formed according to the invention can contain in particular the current measured value and a number of previous measured values, optionally after application of a weighting function, more on this below.

Die Erfindung ermöglicht eine adaptive Mittelwertbildung für kontinuierliche und verrauschte Messgrößen. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Parameter für die Bildung des gleitenden Mittelwerts können für viele Anwendungen deutliche Verbesserungen der Qualität der verarbeiteten Messdaten erreicht werden.The invention enables adaptive averaging for continuous and noisy measured variables. By adapting the parameters for the formation of the sliding according to the invention mean value, significant improvements in the quality of the processed measurement data can be achieved for many applications.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil kann darin gesehen werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Anwendungen, in denen sowohl statische als auch dynamische Situationen eintreten, das Ermitteln eines zweckmäßigen Kompromisses zwischen dem Reduzieren des Rauschens einerseits und dem Reduzieren des Schleppverzug andererseits erleichtert wird.A further significant advantage can be seen in the fact that the method according to the invention and the device according to the invention make it easier to determine an appropriate compromise between reducing the noise on the one hand and reducing the tracking delay on the other for applications in which both static and dynamic situations occur .

Eine Anpassung der Parameter für die Bildung des gleitenden Mittelwerts ist spezifischer möglich bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der in Schritt (a) außerdem eine Historie der letzten M Messwerte vor dem aktuellen Messwert bewertet wird. Dabei kann jeder einzelne der letzten M Messwerte bewertet werden. Es ist aber auch möglich, die letzten M Messwerte kollektiv zu bewerten.A more specific adaptation of the parameters for the formation of the moving average is possible in a preferred variant of the method according to the invention, in which a history of the last M measured values before the current measured value is also evaluated in step (a). Each of the last M measured values can be evaluated. However, it is also possible to evaluate the last M measured values collectively.

Beispielsweise kann in Schritt (a) außerdem ein über die letzten N Messwerte vor dem aktuellen Messwert ein, insbesondere gewichteter, Mittelwert berechnet werden. N kann insbesondere gleich M sein.For example, in step (a) an, in particular weighted, mean value can also be calculated over the last N measured values before the current measured value. N can be equal to M in particular.

Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den vorhergehenden Messwerten ein Rauschen der Messwerte bestimmt und in Schritt (a) ebenfalls berücksichtigt oder bewertet. Das Rauschen liefert einen wichtigen Anhaltspunkt für die Wahl der Mittelungstiefe. Beispielsweise ist es nicht sinnvoll, die Mittelungstiefe zu steigern, wenn eine Änderung der Messwerte mit der Zeit größer ist als das Rauschen.In a further preferred variant of the method according to the invention, a noise of the measured values is determined from the previous measured values and also taken into account or evaluated in step (a). The noise provides an important guide to the choice of averaging depth. For example, there is no point in increasing the averaging depth when a change in readings over time is greater than the noise.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wenn das festgestellte Rauschen der Messwerte kleiner ist als eine bestimmte festzulegende Obergrenze, eine Ableitung des zeitlichen Verlaufs der Messwerte gebildet und in Schritt (a) berücksichtigt oder bewertet. Typischerweise kann ein Steuerungsalgorithmus qualitativ so arbeiten, dass die Mittelungstiefe umso kleiner gewählt wird, je größer die Ableitung des zeitlichen Verlaufs der Messwerte ist, je rascher sich also die Messwerte ändern. Aus einer Betrachtung der ersten Ableitung der Messgröße kann gegebenenfalls auch schon frühzeitig eine Veränderung der Messgröße erkannt werden.In a further advantageous variant of the method according to the invention, if the determined noise of the measured values is less than a specific upper limit to be defined, a derivation of the time profile of the measured values is formed and taken into account or evaluated in step (a). Typically, a control algorithm can work qualitatively in such a way that the depth of averaging is chosen to be smaller the larger the derivative of the time profile of the measured values is, ie the faster the measured values change. From a consideration of the first derivative of the measured variable, a change in the measured variable can also be detected at an early stage.

In diesem Zusammenhang wird bei einer weiteren wichtigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, aus einer Anzahl von vorhergehenden Messwerten ein Schleppverzug bestimmt und ebenfalls in Schritt (a) berücksichtigt oder bewertet. Beispielsweise kann aus einer Anzahl von vorhergehenden Messwerten ein Histogramm gebildet und aus dem Histogramm kann der Schleppverzug bestimmt werden. Interessant ist beispielsweise, ob oder inwieweit eine Verteilung der vorhergehenden Messwerte zu einem Mittelwert symmetrisch ist.In this context, in a further important variant of the method according to the invention, a lag delay is determined from a number of previous measured values and also taken into account or evaluated in step (a). For example, a histogram can be formed from a number of previous measured values and the lag can be determined from the histogram. It is interesting, for example, whether or to what extent a distribution of the previous measured values is symmetrical to a mean value.

Beispielsweise kann in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Mittelungstiefe dergestalt angepasst werden, dass ein Schleppverzug gleich groß ist wie das Rauschen der Messwerte.For example, in step (b) of the method according to the invention, the averaging depth can be adjusted in such a way that a lag is the same as the noise of the measured values.

Bei einer dynamischen Messgröße, etwa bei der Entfernung eines bewegten Objekts, kann also vorteilhaft die Mittelungstiefe so gewählt werden, dass der Schleppverzug das Rauschen nicht deutlich übersteigt. Im Fall einer sich rasch ändernden Messgröße kann das Rauschen häufig gegenüber der Veränderung der Messgröße vernachlässigt werden, so dass man in diesem Fall auf eine Mittelwertbildung verzichten kann.In the case of a dynamic measurement variable, for example the distance of a moving object, the averaging depth can advantageously be selected in such a way that the lag does not significantly exceed the noise. In the case of a rapidly changing measurand, the noise can often be neglected compared to the change in the measurand, so that an averaging can be dispensed with in this case.

Bei einer weitgehend statischen Messgröße kann demnach die Mittelungstiefe massiv erhöht werden, um das Rauschen signifikant zu reduzieren. Bei schnellen Veränderungen der Messgröße dagegen kann die Mittelungstiefe bis auf 1 reduziert werden, um den Schleppverzug zu minimieren.In the case of a largely static measured variable, the averaging depth can therefore be massively increased in order to significantly reduce the noise. In the case of rapid changes in the measured variable, on the other hand, the averaging depth can be reduced to 1 in order to minimize the lag.

Bei langsamen Veränderungen der Messgröße kann die Mittelungstiefe so angepasst, werden, dass der Schleppverzug in der Größenordnung des Rauschens der Messwerte liegt.In the case of slow changes in the measured variable, the averaging depth can be adjusted in such a way that the lag is in the order of magnitude of the noise of the measured values.

Der Begriff der Gewichtung kommt neben der Mittelungstiefe ins Spiel, wenn die einzelnen Messwerte, die für die Bildung der Mittelwerte herangezogen werden, jeweils noch mit einem bestimmten Gewichtungsfaktor multipliziert werden. Die Begriffe der Mittelungstiefe und der Gewichtung überlappen insoweit, als bei gleicher Gewichtung der Messwerte unterschiedliche Mittelungstiefen als Gewichtung der Messwerte mit Torfunktionen unterschiedlicher Breite (je breiter die Torfunktion, umso größer die Mittelungstiefe) angesehen werden können. Für die Wahl der geeigneten Gewichtung der Messwerte besteht im Grundsatz Gestaltungsfreiheit.In addition to the averaging depth, the concept of weighting comes into play when the individual measured values used to form the mean values are each multiplied by a specific weighting factor. The concepts of averaging depth and weighting overlap to the extent that, given the same weighting of the measured values, different averaging depths can be viewed as weighting of the measured values with gate functions of different widths (the broader the gate function, the greater the averaging depth). In principle, there is freedom of design when choosing the appropriate weighting of the measured values.

Bei einer einfachen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle vorhergehenden Messwerte, die für den gleitenden Mittelwert verwendet werden, bei der Bildung des Mittelwerts gleich stark gewichtet.In a simple variant of the method according to the invention, all previous measured values that are used for the sliding mean value are weighted equally when the mean value is formed.

In Schritt (b) des Verfahrens wird dann nur die für die Bildung des gleitenden Mittelwerts zu verwendende Anzahl N von vorhergehenden Messwerten festgelegt.In step (b) of the method, only the number N of previous measured values to be used for forming the moving average is then specified.

Grundsätzlich kann eine Funktion, mit welcher die Messwerte, die für die Bildung des gleitenden Mittelwerts verwendet werden, gewichtet werden, weitgehend beliebiger Natur sein.In principle, a function with which the measured values that are used to form the moving average are weighted can be of a largely arbitrary nature.

Bei Varianten des Verfahrens können Messwerte umso stärker gewichtet werden, je jünger sie sind, je kürzer also der Zeitpunkt zurückliegt, in dem die betreffenden Messzeitpunkten gewonnen werden. Beispielsweise können die Messwerte, die für den gleitenden Mittelwert verwendet werden, bei der Bildung des Mittelwerts mit einer Funktion gewichtet werden, die mit der Zeit, die die Messzeitpunkte der zu gewichtenden Messwerte zurückliegen, abnimmt.In variants of the method, measured values can be weighted all the more heavily the younger they are, ie the shorter the time since the relevant measurement times were obtained. For example, the measured values that are used for the sliding mean value can be weighted with a function when the mean value is formed, which function decreases with the time since the measuring times of the measured values to be weighted.

Noch stärker werden die jüngeren Messwerte bevorzugt, wenn die Messwerte mit einer Funktion gewichtet werden, die mit der Zeit, die die Messzeitpunkte der zu gewichtenden Messwerte zurückliegen, exponentiell abnimmt.The more recent measured values are preferred even more if the measured values are weighted with a function which decreases exponentially with the time since the measurement times of the measured values to be weighted.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nicht alle Messwerte aus einem zurückliegenden Zeitintervall für die Bildung des gleitenden Mittelwerts verwendet, sondern nur eine Auswahl, beispielsweise jeder zweite, dritte oder n-te Messwert; n ist eine natürliche Zahl. Dadurch können Systemressourcen, wie Speicherplatz oder Rechenkapazität, gespart werden. Diese Auswahl kann auch so gestaltet werden, dass der zeitliche Abstand zwischen den für die Mittelwertbildung verwendeten Messwerten variiert, beispielsweise größer wird, je länger die Messwerte zurückliegen. Aus praktischen Gründen werden die Messwerte in aller Regel in zueinander äquidistanten Zeitpunkten, d. h. mit einer bestimmten Taktfrequenz, erhoben. Die Auswertung und Bewertung der Daten ist dann vergleichsweise einfach. In a further variant of the method according to the invention, not all measured values from a previous time interval are used to form the moving average, but only a selection, for example every second, third or nth measured value; n is a natural number. This saves system resources such as storage space or computing capacity. This selection can also be designed in such a way that the time interval between the measured values used for the averaging varies, for example increases the longer the measured values are in the past. For practical reasons, the measured values are generally taken at times that are equidistant from one another, i. H. with a certain clock frequency. The evaluation and evaluation of the data is then comparatively simple.

Zeitlich äquidistante Messzeitpunkte sind aber nicht unbedingt notwendig. Grundsätzlich können die Messwerte nacheinander zu Zeitpunkten erhoben werden, die voneinander variierende Zeitabstände aufweisen. Dieses kann dann bei der Auswertung, beispielsweise bei der Gewichtung der Messwerte mit einer Gewichtungsfunktion, die von der Zeit abhängt, die ein Messzeitpunkt zurückliegt, berücksichtigt werden.Equidistant measurement times are not absolutely necessary, however. In principle, the measured values can be collected one after the other at points in time that have time intervals that vary from one another. This can then be taken into account in the evaluation, for example in the weighting of the measured values with a weighting function that depends on the time since a measurement point in time.

Für viele Anwendungen kann in guter Näherung angenommen werden, dass die Messgröße kontinuierlich und das Rauschen des Messsystems symmetrisch ist und dass ein oberer Grenzwert des Rauschens bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere jeweils den aktuellen Messwert, eine Historie der letzten M Messwerte und einen über N Messwerte berechneten Mittelwert, bewerten, um über eine Veränderung der Mittelungstiefe (beibehalten, erhöhen, reduzieren) zu entscheiden.For many applications it can be assumed as a good approximation that the measurand is continuous and the noise of the measurement system is symmetrical and that an upper limit of the noise can be determined. The method according to the invention can in particular evaluate the current measured value, a history of the last M measured values and a mean value calculated over N measured values in order to decide on a change in the averaging depth (retain, increase, reduce).

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrenswird die Mittelungstiefe auf einen Maximalwert festgelegt, wenn sich der Messwert um weniger als einen unteren festzulegenden Differenzwert von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten unterscheidet. Der untere festzulegende Differenzwert kann dabei bevorzugt so groß gewählt werden, wie eine Obergrenze des Rauschens. Diese Variante des Verfahrens entspricht einer einfachen Schwellwertbetrachung.In a preferred variant of the method according to the invention, the averaging depth is set to a maximum value if the measured value differs by less than a lower difference value to be defined from a, in particular immediately, previous measured value, several previous measured values or a function, in particular an average value, from several previous measured values . The lower difference value to be defined can preferably be selected to be as large as an upper limit of the noise. This variant of the method corresponds to a simple threshold value analysis.

Alternativ oder zusätzlich kann die Mittelungstiefe bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Minimalwert, insbesondere auf 1, festgelegt wird, wenn sich der Messwert um mehr als einen oberen festzulegenden Differenzwert von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten unterscheidet. Eine Mittelungstiefe von 1 bedeutet, dass der aktuelle Messwert so wie er ist, ausgegeben und kein eigentlicher Mittelwert gebildet wird.Alternatively or additionally, in a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the averaging depth can be set to a minimum value, in particular to 1, if the measured value has changed by more than an upper difference value to be defined from one, in particular immediately, previous measured value, several previous measured values or one Function, in particular an average value, differs from several previous measured values. An averaging depth of 1 means that the current measured value is output as is and no actual mean value is formed.

Alternativ oder zusätzlich kann die Mittelungstiefe variabel eingestellt werden, je nachdem wie schnell die Messwerte variieren. Bevorzugt sind also weiterhin Varianten des Verfahrens, bei denen die Mittelungstiefe variabel in Abhängigkeit einer Differenz des Messwerts von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten festgelegt wird, wenn die Differenz größer ist als der untere Differenzwert und kleiner als der obere Differenzwert, wobei die Mittelungstiefe dabei zweckmäßig mit zunehmender Differenz sinkt. Mit anderen Worten kann die Mittelungstiefe umso größer eingestellt werden, je weniger sich der Messwert von den vorhergehenden Messwerten unterscheidet.Alternatively or additionally, the averaging depth can be set variably, depending on how quickly the measured values vary. Variants of the method are therefore also preferred in which the averaging depth is determined variably depending on a difference in the measured value from one, in particular immediately, previous measured value, several previous measured values or a function, in particular an average value, from several previous measured values if the difference is greater is than the lower differential value and smaller than the upper differential value, the averaging depth expediently decreasing as the difference increases. In other words, the averaging depth can be set to be greater, the less the measured value differs from the previous measured values.

Für einige Anwendung kann es wichtig sein, dass ein durch die Mittelung verursachter Schleppverzug konstant ist, selbst wenn sich die Mittelungstiefe verändert. Dieses kann man erreichen, indem man das Mittelungsfenster mit dynamischer Breite (dynamische Mittelungstiefe) immer symmetrisch um einen festen Zeitpunkt in der Messwert-Historie platziert. Bei einer Mittelung über maximal M Werte (max. Messwertfenster) bei einer Erfassungsrate von F (n Messwerte pro Zeiteinheit), können die Messwerte mit der konstanten Verzögerung (M/2)/F ausgegeben werden. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelungsfenster mit variabler Breite symmetrisch um einen festen Zeitpunkt in der Mittelwerthistorie platziert wird.For some applications it may be important that a tracking error caused by averaging is constant even if the averaging depth changes. This can be achieved by always placing the averaging window with a dynamic width (dynamic averaging depth) symmetrically around a fixed point in time in the measured value history. When averaging over a maximum of M values (max. measurement value window) at an acquisition rate of F (n measurement values per time unit), the measurement values can be measured with the constant delay (M/2)/F from are given. This variant of the method according to the invention is therefore characterized in that an averaging window with a variable width is placed symmetrically around a fixed point in time in the averaging history.

Eine weitere Gruppe von Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass für die Einstellung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung zusätzliche Informationen oder Daten über das System, welche die Messgröße direkt oder indirekt beschreiben, mit herangezogen werden. Dabei kann es sich insbesondere um Messdaten von weiteren Sensoren handeln, die für die Messung derselben Messgröße (beispielsweise in einer redundanten Anordnung von mehreren identischen Sensoren) oder anderer Messgrößen, z.B. Beschleunigung, Drehposition, zum Einsatz kommen. Typische praktische Anwendungsfälle sind Situationen, bei denen sich die betreffenden Sensoren auf einen bewegten Teil der Anwendung beziehen, beispielsweise ein sich bewegendes Target, ein sich bewegender Sensor, zum Beispiel auf einem erfindungsgemäßen Fahrzeug. Diese vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass Messdaten von einem weiteren Messsystem, insbesondere einem weiteren Sensor, beispielsweise einem Beschleunigungssensor oder einem Drehgeber, für die Einstellung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung der vorhergehenden Messwerte, über die gemittelt wird, herangezogen werden.A further group of variants of the method according to the invention is characterized in that additional information or data about the system, which directly or indirectly describe the measured variable, is used to set the averaging depth and/or the weighting. In particular, this can be measured data from other sensors that are used to measure the same measured variable (e.g. in a redundant arrangement of several identical sensors) or other measured variables, e.g. acceleration, rotational position. Typical practical applications are situations in which the sensors in question relate to a moving part of the application, for example a moving target, a moving sensor, for example on a vehicle according to the invention. These advantageous variants of the method according to the invention are characterized in that measurement data from another measurement system, in particular another sensor, for example an acceleration sensor or a rotary encoder, is used to set the averaging depth and/or the weighting of the previous measured values, which are used for averaging will.

Beispielsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug mindestens ein weiterer Sensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehgeber, vorhanden sein, dessen oder deren Messdaten für die Bestimmung der Mittelungstiefe mit herangezogen werden.For example, a vehicle according to the invention can have at least one additional sensor, in particular an acceleration sensor and/or a rotary encoder, whose measurement data is/are also used to determine the averaging depth.

Zweckmäßig können auch Steuersignale, die die Messgröße beeinflussen, beispielsweise Steuersignale an einen in dem System montierten Aktor, in die Entscheidungsfindung über die Mittelungstiefe und/oder Gewichtung einbezogen werden. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens in diesem Zusammenhang sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivität von, insbesondere mechanisch wirksamen Komponenten, die in einem beweglichen Objekt, an oder in dem auch das Messsystem angeordnet ist, vorhanden sind, insbesondere von Aktoren, bei der Festlegung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung der für den gleitenden Mittelwert zu verwendenden Messwerte gemäß Schritt (b) berücksichtigt oder bewertet wird.Expediently, control signals that influence the measured variable, for example control signals to an actuator installed in the system, can also be included in the decision-making process regarding the averaging depth and/or weighting. Preferred embodiments of the method in this context are characterized in that an activity of, in particular mechanically active components, which are present in a moving object on or in which the measuring system is also arranged, in particular actuators, when determining the averaging depth and /or the weighting of the measured values to be used for the moving average according to step (b) is taken into account or evaluated.

In der Praxis kann es auch bei an sich kontinuierlichen Messgrößen sporadisch, insbesondere externen Einwirkungen, zu unstetigen Änderungen, also zu Sprüngen, des Messwerts kommen. Beispielsweise ist das bei 1 D-Entfernungsmessern der Fall, wenn das beobachtete Objekt durch ein sich in den Messstrahl bewegendes Objekt verdeckt wird. Solche Sprünge können durch geeignete Programmierung als Sonderfall erkannt und behandelt werden. Wird ein solcher Sprung festgestellt, kann die Mittelwertbildung neu aufgesetzt werden, gegebenenfalls unter Anpassung der Mittelungstiefe. Der letzte Messwert kann beispielsweise so lange gehalten werden, bis ein neuer Mittelwert von dem Ziel verfügbar ist.In practice, discontinuous changes, i.e. jumps, in the measured value can occur sporadically, in particular due to external influences, even in the case of continuous measured variables. For example, this is the case with 1D rangefinders when the observed object is covered by an object moving into the measuring beam. Such jumps can be recognized and treated as a special case by suitable programming. If such a jump is detected, the averaging can be restarted, if necessary with adjustment of the averaging depth. For example, the last reading can be held until a new mean value from the target is available.

Weiterhin kann es in realen Systemen durch externe Störquellen zu einzelnen fehlerhaften Messungen kommen (bei Entfernungssensoren z.B. Regen, Staub, etc.). Furthermore, external sources of interference can lead to individual incorrect measurements in real systems (in the case of distance sensors, e.g. rain, dust, etc.).

Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Mittelungstiefe beispielsweise nur erst dann angepasst werden, wenn eine Änderung der Messwerte hinreichend zuverlässig und stabil erkannt wird (z.B. für eine gewisse Anzahl von aufeinanderfolgenden Messungen). Einzelne Ausreißer der Messwerte können bevorzugt herausgefiltert werden.In advantageous variants of the method according to the invention, the averaging depth can, for example, only be adjusted when a change in the measured values is detected with sufficient reliability and stability (e.g. for a certain number of consecutive measurements). Individual outliers of the measured values can be preferably filtered out.

Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für die Messwerte eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt und für Messwerte, die als nicht plausibel erkannt werden, kann der letzte vorhergehende und als plausibel erkannte Mittelwert ausgegeben werden.In advantageous variants of the method according to the invention, a plausibility check can be carried out for the measured values and for measured values that are recognized as implausible, the last preceding mean value recognized as plausible can be output.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können im Grundsatz für beliebige zeitveränderliche und kontinuierliche Messgrößen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als optischer Sensor zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt in einem Überwachungsbereich ausgebildet sein, mit einem Sender zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich und mit einem Empfänger zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich zurückgestrahltem Licht, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Ansteuern des Senders und des Empfängers und zum Auswerten des vom Empfänger nachgewiesenen Lichts und zum Ermitteln einer Entfernung des Objekts von dem Sensor als Messgröße.In principle, the method according to the invention and the device according to the invention can be used for any time-variable and continuous measured variables. The device according to the invention can advantageously be designed as an optical sensor for determining a distance to an object in a monitored area, with a transmitter for emitting transmitted light into the monitored area and with a receiver for detecting light reflected back from the monitored area, the control and evaluation unit is set up to control the transmitter and the receiver and to evaluate the light detected by the receiver and to determine a distance of the object from the sensor as a measured variable.

Als Sender können alle Lichtquellen verwendet werden, welche das einzusetzende Licht mit der gewünschten Wellenlänge und der gewünschten Intensität bereitstellen. Bevorzugt werden Halbleiterkomponenten, insbesondere Leuchtdioden, VCSELS oder Halbleiterlaser, im sichtbaren Bereich oder Infrarotbereich verwendet.All light sources that provide the light to be used with the desired wavelength and the desired intensity can be used as transmitters. Semiconductor components, in particular light-emitting diodes, VCSELS or semiconductor lasers, are preferably used in the visible range or infrared range.

Als Empfänger können alle Komponenten verwendet werden, welche das aus dem Überwachungsbereich zurückgestrahlte Licht hinreichend empfindlich nachweisen. Bevorzugt werden wiederum Halbleiterkomponenten, insbesondere Photodioden beispielsweise in CMOS oder CCD-Technologie, eingesetzt.All components can be used as receivers, which sufficient sensitivity to detect the reflected light in the area. In turn, semiconductor components, in particular photodiodes, for example in CMOS or CCD technology, are preferably used.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere als optischer Sensor nach dem Laufzeitprinzip ausgebildet sein, mit dem Sender zum Aussenden von Lichtpulsen in den Überwachungsbereich und mit dem Empfänger zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich zurückgestrahlten Lichtpulsen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Auswerten der vom Empfänger nachgewiesenen Lichtpulse und zum Ermitteln der Entfernung des Objekts von dem Sensor aus einer Laufzeit der von dem Objekt zurückgestrahlten Lichtpulse.The device according to the invention can be designed in particular as an optical sensor according to the transit time principle, with the transmitter for emitting light pulses into the monitored area and with the receiver for detecting light pulses reflected back from the monitored area, with the control and evaluation unit being set up to evaluate the signals from the receiver detected light pulses and for determining the distance of the object from the sensor from a transit time of the light pulses reflected back from the object.

Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft bei optischen 1D-Entfernungsmessern nach dem Laufzeitprinzip zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist außerdem eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optischer 2D-Scanner mit einem Rotor und einem Stator ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich um einen 2D-Scanner der in EP 2237063 A1 Art handeln. Die Inhalte dieser Schrift sollen insoweit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gehören.In principle, the present invention can advantageously be used in optical 1D range finders based on the transit time principle. Also advantageous is an embodiment of the device according to the invention, which is designed as an optical 2D scanner with a rotor and a stator. For example, it can be a 2D scanner that EP 2237063 A1 kind of act. In this respect, the contents of this document are intended to form part of the subject matter of the present application.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren beschrieben. Darin zeigt:

  • 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
  • 3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Further advantages and features of the present invention are described in connection with the accompanying figures. It shows:
  • 1 : a schematic representation of a first exemplary embodiment of a device according to the invention;
  • 2 : a schematic representation of a second embodiment of a device according to the invention and
  • 3 : a schematic representation of a third exemplary embodiment of a device according to the invention.

Gleiche und gleichwirkende Komponenten sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Components that are the same and have the same effect are generally identified in the figures with the same reference symbols.

Das in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße weist als wesentliche Komponenten ein Messsystem 20, 40 zum wiederholenden Messen der Messgröße d und eine Steuer- und Auswerteeinheit 50 auf, die dazu eingerichtet ist, aus einer Anzahl von vorhergehenden Messwerten der Messgröße einen gleitenden Mittelwert zu bilden. This in 1 The schematically illustrated first exemplary embodiment of a device 100 according to the invention for determining a time-varying, continuous measured variable has, as essential components, a measuring system 20, 40 for repeatedly measuring the measured variable d and a control and evaluation unit 50, which is set up to calculate from a number of previous measured values of the measure to form a moving average.

Konkret ist die Vorrichtung 100 als optischer Sensor zum Bestimmen einer Entfernung d (Messgröße) zu einem Objekt 10 in einem Überwachungsbereich 30 ausgebildet und das Messsystem weist einen Sender 20 zum Aussenden von Sendelicht 22 in den Überwachungsbereich 30 und einem Empfänger 40 zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich 30 zurückgestrahltem Licht 24 auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet zum Ansteuern des Senders 20 und des Empfängers 40, zum Auswerten des vom Empfänger 40 nachgewiesenen Lichts und zum Ermitteln einer Entfernung d des Objekts 10 von dem Sensor als Messgröße.Specifically, device 100 is embodied as an optical sensor for determining a distance d (measured variable) from an object 10 in a monitored area 30, and the measuring system has a transmitter 20 for emitting transmitted light 22 into the monitored area 30 and a receiver 40 for detecting from the Monitoring area 30 reflected light 24 on. The control and evaluation unit 50 is set up to control the transmitter 20 and the receiver 40, to evaluate the light detected by the receiver 40 and to determine a distance d of the object 10 from the sensor as a measured variable.

Insbesondere kann die Vorrichtung 100 ein optischer Sensor nach dem Laufzeitprinzip sein. Der Sender 20 dient dann zum Aussenden von Lichtpulsen 26 in den Überwachungsbereich 30 und aus dem Überwachungsbereich 30, insbesondere von dem Objekt 10, zurückgestrahlte Lichtpulse werden mit dem Empfänger 40 nachgewiesen.In particular, the device 100 can be an optical sensor based on the transit time principle. The transmitter 20 is then used to emit light pulses 26 into the monitored area 30 and light pulses reflected back from the monitored area 30 , in particular by the object 10 , are detected with the receiver 40 .

Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 ist dann zusätzlich dazu eingerichtet, die vom Empfänger 40 nachgewiesenen Lichtpulse, insbesondere deren Empfangszeitpunkt, auszuwerten und die Entfernung d des Objekts 10 von dem Sensor aus der Laufzeit der von dem Objekt 10 zurückgestrahlten Lichtpulse zu ermitteln. Die Laufzeit ist dabei die Differenz zwischen dem Empfangszeitpunkt t2 eines Lichtpulses und dem Aussendezeitpunkt t1 dieses Lichtpulses. Die Entfernung d des Objekts kann dann mit der Lichtgeschwindigkeit c berechnet werden: d = c(t2-t1)/2. Die Technologien, die hierbei zum Einsatz kommen, sind grundsätzlich bekannt.The control and evaluation unit 50 is then additionally set up to evaluate the light pulses detected by the receiver 40, in particular their time of receipt, and to determine the distance d of the object 10 from the sensor from the propagation time of the light pulses radiated back from the object 10. The transit time is the difference between the time t2 when a light pulse is received and the time t1 when it is emitted. The distance d of the object can then be calculated using the speed of light c: d = c(t2-t1)/2. The technologies that are used here are basically known.

Der Sender 20, der Empfänger 40 und die Steuer- und Auswerteeinheit 50 sind in dem in 1 gezeigt Beispiel in einem Gehäuse 60 untergebracht. Schematisch dargestellte Anschlussleitungen 52 können zum Datenaustausch, insbesondere also zur Ausgabe der Messwerte und/oder des gleitenden Mittelwerts der Messwerte und auch zur Energiezufuhr dienen.The transmitter 20, the receiver 40 and the control and evaluation unit 50 are in the in 1 example shown housed in a housing 60. Connection lines 52 shown schematically can be used for data exchange, ie in particular for outputting the measured values and/or the sliding mean value of the measured values and also for supplying energy.

Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit 50 außerdem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Konkret ist die Steuer- und Auswerteeinheit 50 dazu eingerichtet (A) einen aktuellen Messwert und mindestens einen vorhergehenden Messwert zu bewerten, (B) abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (A) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der vorhergehenden Messwerte, über die gemittelt wird, festzulegen und (C) den gleitenden Mittelwert mit der in Schritt (B) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (B) festgelegten Gewichtung zu bilden.According to the invention, the control and evaluation unit 50 is also set up to carry out a method according to the invention. Specifically, control and evaluation unit 50 is set up to (A) evaluate a current measured value and at least one previous measured value, (B) depending on the result of the evaluation in step (A), an averaging depth and/or a weighting of the previous measured values via which is averaged, and (C) forming the moving average with the averaging depth specified in step (B) and/or the weight specified in step (B).

Im Einzelnen können dabei alle vorstehend beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommen.In detail, all variants of the method according to the invention described above can be used.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200. Der einzige Unterschied zu der Vorrichtung 100 in 1 ist, dass in dem Gehäuse 60 zusätzlich ein Beschleunigungssensor 70 vorhanden ist, dessen Messdaten für die Bestimmung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung der Messwerte für die Bildung des gleitenden Mittelwerts mit herangezogen werden. 2 shows a second embodiment of a device 200 according to the invention. The only difference to the device 100 in 1 is that in the housing 60 there is also an acceleration sensor 70 whose measurement data are also used to determine the averaging depth and/or the weighting of the measurement values for the formation of the moving average.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 400. Das erfindungsgemäße Fahrzeug 400 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 300 auf, bei der es sich im gezeigten Beispiel um einen 2D-Scanner mit einem Rotor 90 und einem Stator 94 handelt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 300 kann zum Schutz des Fahrzeugs 400 vor Kollisionen dienen. Auf dem Rotor 90 sind der Sender 20 und der Empfänger 40 angeordnet. Auf dem Stator 94 befindet sich, schematisch dargestellt, außerdem ein Drehgeber 80, mit welchem die Drehposition des Rotors 90 relativ zu dem Stator 94 gemessen werden kann. Der Sender 20 und der Empfänger 40 sind zum Daten- und Energieaustausch mit der Steuer- und Auswerteeinheit 50 verbunden. Dieses kann beispielsweise über optische Strecke erfolgen, die in einer zur Drehachse koaxialen Hohlwelle 92 gebildet ist. Die hierbei zum Einsatz kommenden Technologien sind bekannt. In dem Gehäuse 60 befindet sich außerdem, wie in 2, ein Beschleunigungssensor 70, der ebenso wie der Drehgeber 80 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 50 verbunden ist. 3 shows an exemplary embodiment of a vehicle 400 according to the invention. The vehicle 400 according to the invention has a device 300 according to the invention, which is a 2D scanner with a rotor 90 and a stator 94 in the example shown. The device 300 according to the invention can be used to protect the vehicle 400 from collisions. The transmitter 20 and the receiver 40 are arranged on the rotor 90 . Also located on the stator 94, shown schematically, is a rotary encoder 80, with which the rotary position of the rotor 90 relative to the stator 94 can be measured. The transmitter 20 and the receiver 40 are connected to the control and evaluation unit 50 for data and energy exchange. This can be done, for example, via an optical path that is formed in a hollow shaft 92 that is coaxial with the axis of rotation. The technologies used here are known. In the housing 60 there is also, as in 2 , an acceleration sensor 70 which, like the rotary encoder 80, is connected to the control and evaluation unit 50.

Im Betrieb rotiert der Rotor 90 in grundsätzlich bekannter Weise rasch um die zur Hohlwelle 92 koaxiale Drehachse. Dabei werden jeweils die Entfernungen zu den in unterschiedlichen Richtungen vorhandenen Objekten gemessen. In der in 3 dargestellten Situation zielen der Sender 20 und der Empfänger 40 unter einem Winkel φ (Azimutalwinkel) gegen die Horizontale auf ein Objekt 10 im Überwachungsbereich 30.During operation, the rotor 90 rotates rapidly in a basically known manner about the axis of rotation which is coaxial with the hollow shaft 92 . The distances to the objects present in different directions are measured in each case. in the in 3 In the situation shown, the transmitter 20 and the receiver 40 aim at an object 10 in the surveillance area 30 at an angle φ (azimuth angle) to the horizontal.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 ermittelt gemäß einem der erfindungsgemäßen Verfahren anhand der Messdaten des optischen Sensors 300 eine Mittelungstiefe und gibt die gemittelten Messwerte aus. Dabei können insbesondere die Messdaten 70 des Beschleunigungssensors 70 und/oder des Drehgebers 80 für die Bestimmung der Mittelungstiefe /oder der Gewichtung der Messwerte mitherangezogen werden.According to one of the methods according to the invention, the control and evaluation unit 50 determines an averaging depth based on the measurement data of the optical sensor 300 and outputs the averaged measurement values. In particular, the measurement data 70 from the acceleration sensor 70 and/or the rotary encoder 80 can also be used to determine the averaging depth/or the weighting of the measured values.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Objektobject
2020
Lichtsenderlight transmitter
3030
Überwachungsbereichsurveillance area
4040
Empfängerrecipient
5050
Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
5252
Ausgang/Eingang der Steuer- und Auswerteeinheit 50Output/input of the control and evaluation unit 50
6060
GehäuseHousing
7070
Beschleunigungssensoraccelerometer
8080
Drehgeberencoder
9090
Rotorrotor
9292
Hohlwelle/Drehachse des Rotors 90Hollow shaft/axis of rotation of the rotor 90
9494
Statorstator
100100
erfindungsgemäße Vorrichtungdevice according to the invention
200200
erfindungsgemäße Vorrichtungdevice according to the invention
300300
erfindungsgemäße Vorrichtungdevice according to the invention
400400
erfindungsgemäßes Fahrzeugvehicle according to the invention
di.e
Abstand Objekt - SensorDistance object - sensor
φφ
Azimutalwinkelazimuthal angle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 2237063 A1 [0064]EP 2237063 A1 [0064]

Claims (23)

Verfahren zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße, bei dem die Messgröße mit einem Messsystem, beispielsweise einem optischen Sensor, wiederholend gemessen und aus einer Anzahl (Mittelungstiefe) von Messwerten der Messgröße ein gleitender Mittelwert gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, (a) dass ein aktueller Messwert und mindestens ein vorhergehender Messwert bewertet werden, (b) dass abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (a) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, festgelegt wird und (c) dass der gleitende Mittelwert mit der in Schritt (b) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (b) festgelegten Gewichtung gebildet wird.A method for determining a time-varying, continuous measured variable, in which the measured variable is repeatedly measured using a measuring system, for example an optical sensor, and a moving average is formed from a number (averaging depth) of measured values of the measured variable, characterized in that (a) a current measured value and at least one previous measured value are evaluated, (b) that depending on the result of the evaluation in step (a), an averaging depth and/or a weighting of the measured values, over which the averaging is carried out, is determined and (c) that the moving average with the in Step (b) specified averaging depth and / or the in step (b) specified weighting is formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) außerdem eine Historie der letzten M Messwerte vor dem aktuellen Messwert bewertet wird.procedure after claim 1 , characterized in that in step (a) a history of the last M measured values before the current measured value is also evaluated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) außerdem ein über die letzten N Messwerte vor dem aktuellen Messwert ein, insbesondere gewichteter, Mittelwert berechnet wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that in step (a) an, in particular weighted, mean value is also calculated over the last N measured values before the current measured value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rauschen der Messwerte bestimmt und in Schritt (a) berücksichtigt oder bewertet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a noise of the measured values is determined and taken into account or evaluated in step (a). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ableitung des zeitlichen Verlaufs der Messwerte gebildet und in Schritt (a) berücksichtigt oder bewertet wird, wenn das Rauschen kleiner ist als eine festzulegende Obergrenze.procedure after claim 4 , characterized in that a derivation of the time profile of the measured values is formed and taken into account or evaluated in step (a) if the noise is less than an upper limit to be defined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Anzahl von Messwerten ein Schleppverzug bestimmt und in Schritt (a) bewertet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a lag delay is determined from a number of measured values and evaluated in step (a). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Messwerte, die für den gleitenden Mittelwert verwendet werden, bei der Bildung des Mittelwerts gleich stark gewichtet werden.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that all measured values that are used for the sliding mean value are weighted equally when the mean value is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte, die für den gleitenden Mittelwert verwendet werden, mit einer Funktion gewichtet werden, die mit der Zeit, die die Messzeitpunkte der zu gewichtenden Messwerte zurückliegen, insbesondere linear oder exponentiell, abnimmt.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the measured values that are used for the moving average are weighted with a function that decreases, in particular linearly or exponentially, with the time that the measurement times of the measured values to be weighted are in the past. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von den in einem zurückliegenden Zeitintervall gewonnenen Messwerten nur eine Auswahl, insbesondere nur jeder zweite, dritte oder n-te Messwert, für die Bildung des gleitenden Mittelwerts verwendet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that only a selection of the measured values obtained in a previous time interval, in particular only every second, third or nth measured value, is used for forming the moving average. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die Mittelungstiefe dergestalt angepasst wird, dass ein Schleppverzug gleich groß ist wie das Rauschen der Messwerte.Procedure according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that in step (b) the averaging depth is adjusted in such a way that a lag is equal to the noise of the measured values. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelungstiefe auf einen Maximalwert festgelegt wird, wenn sich der aktuelle Messwert um weniger als einen unteren festzulegenden Differenzwert von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten unterscheidet.Procedure according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the averaging depth is set to a maximum value if the current measured value differs by less than a lower difference value to be defined from one, in particular directly, previous measured value, several previous measured values or a function, in particular an average value, from several previous measured values . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelungstiefe auf einen Minimalwert, insbesondere auf 1, festgelegt wird, wenn sich der aktuelle Messwert um mehr als einen oberen festzulegenden Differenzwert von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten unterscheidet.Procedure according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that the averaging depth is set to a minimum value, in particular to 1, if the current measured value differs by more than an upper difference value to be defined from one, in particular immediately, previous measured value, several previous measured values or a function, in particular an average value, differs from several previous readings. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelungstiefe variabel in Abhängigkeit einer Differenz des aktuellen Messwerts von einem, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Messwert, mehreren vorhergehenden Messwerten oder einer Funktion, insbesondere einem Mittelwert, von mehreren vorhergehenden Messwerten festgelegt wird, wenn die Differenz größer als der untere Differenzwert und kleiner als der obere Differenzwert ist, wobei die Mittelungstiefe mit zunehmender Differenz sinkt.Procedure according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that the averaging depth is set variably depending on a difference between the current measured value and a, in particular immediately, previous measured value, several previous measured values or a function, in particular an average value, from several previous measured values if the difference is greater than the lower difference value and is less than the upper difference value, with the averaging depth decreasing as the difference increases. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelungsfenster mit variabler Breite symmetrisch um einen festen Zeitpunkt in der Mittelwerthistorie platziert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 13 , characterized in that an averaging window with variable width is placed symmetrically around a fixed point in time in the averaging history. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Messdaten von einem weiteren Messsystem, insbesondere einem weiteren Sensor, beispielsweise einem Beschleunigungssensor (70) oder einem Drehgeber (80), für die Einstellung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, herangezogen werden.Procedure according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that measurement data from a further measuring system, in particular a further sensor, for example an acceleration sensor (70) or a rotary encoder (80), for setting the averaging depth and / or the weighting of the measured values that are averaged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivität von, insbesondere mechanisch wirksamen Komponenten, die in einem beweglichen Objekt (200, 400), an oder in dem auch das Messsystem (20, 40) angeordnet ist, vorhanden sind, insbesondere von Aktoren, bei der Festlegung der Mittelungstiefe und/oder der Gewichtung der für den gleitenden Mittelwert zu verwendenden Messwerte gemäß Schritt (b) berücksichtigt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 15 , characterized in that an activity of, in particular mechanically effective components, which are present in a moving object (200, 400) on or in which the measuring system (20, 40) is also arranged, in particular of actuators, when determining the averaging depth and/or the weighting of the measurements to be used for the moving average according to step (b). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messwerte eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird und dass für Messwerte, die als nicht plausibel erkannt werden, der letzte vorhergehende und als plausibel erkannte Mittelwert ausgegeben wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that a plausibility check is carried out for the measured values and in that for measured values which are recognized as implausible, the last preceding mean value recognized as plausible is output. Vorrichtung zum Bestimmen einer zeitveränderlichen kontinuierlichen Messgröße, mit einem Messsystem (20, 40) zum wiederholenden Messen der Messgröße und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (50), die dazu eingerichtet ist, aus einer Anzahl (Mittelungstiefe) von Messwerten der Messgröße einen gleitenden Mittelwert zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit außerdem dazu eingerichtet ist, (A) einen aktuellen Messwert und mindestens einen vorhergehenden Messwert zu bewerten, (B) abhängig vom Ergebnis der Bewertung in Schritt (A) eine Mittelungstiefe und/oder eine Gewichtung der Messwerte, über die gemittelt wird, festzulegen und (C) den gleitenden Mittelwert mit der in Schritt (B) festgelegten Mittelungstiefe und/oder der in Schritt (B) festgelegten Gewichtung zu bilden.Device for determining a time-varying continuous measured variable, with a measuring system (20, 40) for repeatedly measuring the measured variable and with a control and evaluation unit (50) which is set up to calculate a moving average from a number (averaging depth) of measured values of the measured variable to form, characterized in that the control and evaluation unit is also set up to (A) evaluate a current measured value and at least one previous measured value, (B) depending on the result of the evaluation in step (A) an averaging depth and / or to determine the weighting of the measured values to be averaged and (C) to form the moving average with the averaging depth determined in step (B) and/or the weighting determined in step (B). Vorrichtung nach Anspruch 18, der als optischer Sensor zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt (10) in einem Überwachungsbereich (30) ausgebildet ist, mit einem Sender (20) zum Aussenden von Sendelicht (22) in den Überwachungsbereich (30) und mit einem Empfänger (40) zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich (30) zurückgestrahltem Licht (24), wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (50) eingerichtet ist zum Ansteuern des Senders (20) und des Empfängers (40) und zum Auswerten des vom Empfänger (40) nachgewiesenen Lichts und zum Ermitteln einer Entfernung (d) des Objekts (10) von dem Sensor als Messgröße.device after Claim 18 , which is designed as an optical sensor for determining a distance to an object (10) in a monitored area (30), with a transmitter (20) for emitting transmitted light (22) into the monitored area (30) and with a receiver (40) for detecting light (24) reflected back from the monitored area (30), the control and evaluation unit (50) being set up to control the transmitter (20) and the receiver (40) and to evaluate the light detected by the receiver (40). and for determining a distance (d) of the object (10) from the sensor as a measured variable. Vorrichtung nach Anspruch 19, der als optischer Sensor nach dem Laufzeitprinzip ausgebildet ist, mit dem Sender (20) zum Aussenden von Lichtpulsen (26) in den Überwachungsbereich (30) und mit dem Empfänger (40) zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich (30) zurückgestrahlten Lichtpulsen (28), wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (50) eingerichtet ist zum Auswerten der vom Empfänger (40) nachgewiesenen Lichtpulse und zum Ermitteln der Entfernung (d) des Objekts (10) von dem Sensor aus einer Laufzeit der von dem Objekt (10) zurückgestrahlten Lichtpulse.device after claim 19 which is designed as an optical sensor based on the transit time principle, with the transmitter (20) for emitting light pulses (26) into the monitored area (30) and with the receiver (40) for detecting light pulses (28 ), wherein the control and evaluation unit (50) is set up to evaluate the light pulses detected by the receiver (40) and to determine the distance (d) of the object (10) from the sensor from a transit time of the object (10) reflected back light pulses. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, die als 2D-Scanner mit einem Rotor (90) und einem Stator (94) ausgebildet ist.device after claim 19 or 20 , which is designed as a 2D scanner with a rotor (90) and a stator (94). Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21.Vehicle with a device according to one of claims 18 until 21 . Fahrzeug nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Sensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor (70) und/oder ein Drehgeber (80), vorhanden ist, dessen oder deren Messdaten für die Bestimmung der Mittelungstiefe mit herangezogen werden.vehicle after Claim 22 , characterized in that there is at least one further sensor, in particular an acceleration sensor (70) and/or a rotary encoder (80), whose measurement data is/are also used to determine the averaging depth.
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