DE102022128703A1

DE102022128703A1 - Verfahren zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102022128703A1
Application number: DE102022128703.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Kammer
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08
Also published as: US20240142594A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Messsignal von der Positionsmessvorrichtung empfangen wird; basierend auf dem Messsignal ein Messrauschsignal geschätzt wird, basierend auf dem Messrauschsignal eine erste Varianzschätzung und eine von der ersten Varianzschätzung unterschiedliche zweite Varianzschätzung durchgeführt wird, wobei die erste Varianzschätzung einen ersten Varianzschätzwert ergibt und die zweite Varianzschätzung einen zweiten Varianzschätzwert ergibt; basierend auf einem Vergleich des ersten Varianzschätzwerts mit dem zweiten Varianzschätzwert ein endgültiger Varianzschätzwert ermittelt wird; und basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert ein Konfidenzintervall ermittelt wird, wobei das Konfidenzintervall ausgegeben und bevorzugt in einer Sicherheitsfunktion verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung sowie eine entsprechende Positionsmessvorrichtung.
Positionsmessvorrichtung, wie beispielsweise Distanzmesssensoren kommen in vielen Bereichen wie beispielsweise in der Robotik oder in industriellen Fertigungsprozessen zum Einsatz. In vielen der genannten Anwendungsgebiete und insbesondere bei der Objektlokalisierung zur Anwendung in der industriellen Sicherheitstechnik spielt vor allem die Präzision und Zuverlässigkeit der Messung eine entscheidende Rolle. Beispielsweise müssen die von den Distanzmessvorrichtungen erfassten Abstände in einer Fertigungsanlage mit ausreichender Zuverlässigkeit ermittelt werden, um beispielsweise die Sicherheit von Arbeitskräften, welche an der Maschine arbeiten, zu gewährleisten.
Für z.B. sichere Positionsmessvorrichtungen werden entsprechende Sicherheitsfunktionen beim Einsatz der Positionsmessvorrichtungen verwendet, wobei in der Regel Konfidenzintervalle ermittelt werden, in denen z.B. der wahre Distanzwert mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit liegt. Die Bestimmung derartiger Konfidenzintervalle ist jedoch oftmals ungenau und nicht an plötzliche Änderungen im Messprozess angepasst. Darüber hinaus werden die Konfidenzintervalle vor dem Betrieb eines entsprechenden Sensors in der Regel vordefiniert, sodass keine nachträglichen Anpassungen möglich sind.
Somit ist es eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung sowie eine entsprechende Positionsmessvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Positionsmessvorrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst, dass:

ein Messsignal von der Positionsmessvorrichtung empfangen wird;
basierend auf dem Messsignal ein Messrauschsignal geschätzt wird,
basierend auf dem Messrauschsignal eine erste Varianzschätzung und eine von der ersten Varianzschätzung unterschiedliche zweite Varianzschätzung durchgeführt wird, wobei die erste Varianzschätzung einen ersten Varianzschätzwert ergibt und die zweite Varianzschätzung einen zweiten Varianzschätzwert ergibt; basierend auf einem Vergleich des ersten Varianzschätzwerts mit dem zweiten Varianzschätzwert ein endgültiger Varianzschätzwert ermittelt wird; und basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert ein Konfidenzintervall ermittelt wird, wobei das Konfidenzintervall ausgegeben und bevorzugt in einer Sicherheitsfunktion verwendet wird.

Bei der Positionsmessvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Vorrichtung zur Distanzmessung und/oder zur Richtungsmessung eines zu erfassenden Objekts handeln. Das Messsignal kann dementsprechend einen oder mehrere Distanzwerte und/oder einen oder mehrere Richtungswerte umfassen. Die Distanz- und/oder Richtungsmessung kann beispielsweise optisch erfolgen, z.B. mittels eines Laserscanners. Alternativ oder zusätzlich können auch Schallsensoren oder Funksensoren (d.h. wellenbasierte Sensoren / RADAR) in der Positionsmessvorrichtung verwendet werden. Insbesondere können Funksensoren für die UWB-Technologie („Ultra Wide Band“) in der Positionsmessvorrichtung eingesetzt werden, um beispielsweise Funktransponder an Objekten zu erfassen. Insbesondere wenn die Positionsmessvorrichtung als sichere Positionsmessvorrichtung ausgebildet sein soll, kann es notwendig sein, das oben genannte Konfidenzintervall zu kennen und insbesondere in der Sicherheitsfunktion zu verwenden.
Mit anderen Worten wird also das Konfidenzintervall, d.h. ein Bereich, in dem ein tatsächlicher Distanzwert, welcher gemessen wird, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit liegt, basierend auf einem Vergleich von zumindest zwei Varianzschätzwerten ermittelt.
Da eine Zuverlässigkeit der Messung insbesondere vom Messrauschen abhängt, wird zunächst ein Messrauschsignal basierend auf dem empfangenen Messsignal ermittelt. Dieser Schritt kann auch als Vorkonditionierung bezeichnet werden. Beispielsweise kann das Messrauschsignal mittels eines Filters oder anderer Methoden aus dem Messsignal extrahiert werden, wobei insbesondere das Nutzsignal des Messsignals berücksichtigt werden kann. Ferner stellt das Messsignal beispielsweise eine kontinuierliche oder diskrete zeitliche Folge einer Vielzahl von Messwerten dar. Das Messsignal stellt somit den zeitlichen Verlauf der erfassten Messwerte dar, wobei der letzte Messwert des Messsignals beispielsweise den aktuellen bzw. den zuletzt erfassten Messwert darstellt.
Auf Basis des Messrauschsignals werden anschließend eine erste und eine zweite Varianzschätzung durchgeführt, wobei die beiden Varianzschätzungen, insbesondere unterschiedliche, Varianzschätzwerte ergeben. Beispielsweise werden die erste und zweite Varianzschätzung auf der Grundlage unterschiedlicher Beobachtungsfenster bzw. Beobachtungszeiträume durchgeführt, wobei ein Beobachtungszeitraum insbesondere auf eine vordefinierte Zeit und/oder eine vorbestimmte Anzahl an Messwerten festgelegt wird. Der Beobachtungszeitraum kann ferner beispielsweise ein rückblickendes Beobachtungsfenster sein, welches ausgehend von dem aktuellen Zeitpunkt einen vordefinierten Zeitraum bis zum aktuellen Zeitpunkt berücksichtigt. Beispielsweise können bei einem Beobachtungszeitraum von 5 Sekunden die letzten 5 Sekunden des Messsignals bzw. des Messrauschsignals berücksichtigt werden. Beispielsweise werden bei der Ermittlung des ersten Varianzschätzwerts und des zweiten Varianzschätzwerts sich unterscheidende Zeitfenster des Messrauschsignals berücksichtigt, sodass sich der erste Varianzschätzwert von dem zweiten Varianzschätzwert unterscheiden kann.
Mittels eines Vergleichs des ersten Varianzschätzwerts mit dem zweiten Varianzschätzwert wird der endgültige Varianzschätzwert ermittelt. Die Ermittlung des endgültigen Varianzschätzwerts kann beispielsweise basierend auf vordefinierten Regeln und/oder einer mathematischen Funktion erfolgen. Grundsätzlich ist jede Ermittlung des endgültigen Varianzschätzwerts möglich, welche auf einem Vergleich von zumindest zwei Varianzschätzwerten beruht. Der endgültige Varianzschätzwert wird anschließend dazu verwendet, das Konfidenzintervall zu ermitteln. Das Konfidenzintervall und insbesondere die Größe des Konfidenzintervalls ist somit nicht vorab festgelegt, sondern wird in Abhängigkeit des endgültigen Varianzschätzwerts festgelegt.
Beispielsweise kann das Konfidenzintervall durch den Messwert sowie den endgültigen Varianzschätzwert festgelegt werden, indem eine untere Grenze des Konfidenzintervalls als X_Mess - a * σ_end und eine obere Grenze des Konfidenzintervalls als X_Mess + a * σ_end festgelegt sein kann, wobei σ_end die Quadratwurzel des endgültigen Varianzschätzwerts darstellt und X_Mess ein aktueller Messwert, ein Durchschnittsmesswert oder ein anderer gemessener Wert sein kann. a kann ein Faktor sein, welcher insbesondere zwischen 1 und 10, bevorzugt zwischen 1 und 3 liegt (die Grenzwerte sind jeweils eingeschlossen), wie unten auch noch erläutert.
Erfindungsgemäß werden somit zwei Varianzschätzwerte durch zwei unterschiedliche Varianzschätzungen ermittelt und miteinander verglichen, um den endgültigen Varianzschätzwert zu ermitteln, welcher für die Bestimmung des Konfidenzintervalls verwendet wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Zuverlässigkeit der Messung erhöht wird, da die Bestimmung des Konfidenzintervalls adaptiv und nicht statisch erfolgt.
Hierdurch wird ein für ein entsprechendes Messsignal geeignetes Konfidenzintervall festgelegt. Zum einen wird dadurch die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht, da unvorhergesehene Störungen oder Ereignisse beispielsweise in zumindest einem der beiden Varianzschätzwerte und somit in dem Konfidenzintervall abgebildet werden. Zum anderen wird die Verfügbarkeit des Systems erhöht, da das System nicht aufgrund von beispielsweise zuvor benötigten Sicherheitszuschlägen, welche zur statistischen Komponente der Messunsicherheit hinzugefügt werden mussten, in einen Sicherheitszustand wechseln muss. Vielmehr wird durch die adaptive Anpassung des Konfidenzintervalls ein Betrieb eines entsprechenden Systems unter sicheren Bedingungen gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Konfidenzintervall erfindungsgemäß auf reinen Messdaten basierend ermittelt wird, sodass Zusatzinformationen wie beispielsweise zur Signalstärke, zum Signalrauschverhältnis, usw. nicht notwendig sind.
Es versteht sich, dass für unterschiedliche Werte in dem Messsignal (z.B. für Richtungs- und Distanzwerte) jeweils eigene Konfidenzintervalle gemäß der hierin erläuterten Art und Weise ermittelt werden können.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind der Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird der endgültige Varianzschätzwert auf den ersten Varianzschätzwert oder den zweiten Varianzschätzwert, insbesondere den betragsmäßig Größeren des ersten oder des zweiten Varianzschätzwerts, festgelegt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der endgültige Varianzschätzwert stets auf den größeren der beiden Varianzschätzwerte festgelegt wird, wodurch eine Unterschätzung der Varianz verhindert wird. Entsprechend kann das Konfidenzintervalls zuverlässige bestimmt werden, wodurch die Sicherheit des Systems weiter erhöht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die erste Varianzschätzung basierend auf einer Vielzahl von Abtastwerten des Messrauschsignals, wobei für die erste Varianzschätzung weniger Abtastwerte verwendet werden als für die zweite Varianzschätzung.
Insbesondere werden ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt die letzten N Werte des Messrauschsignals abgetastet, wobei sich die Anzahl N für die erste Varianzschätzung und für die zweite Varianzschätzung unterscheiden kann. Dementsprechend repräsentiert die erste Varianzschätzung beispielsweise einen kürzeren Beobachtungszeitraum, sodass plötzliche Änderungen im Messprozess, z.B. durch Abschattungen von Funksignalen oder Fremdlichteinfluss bei optischen Systemen, erfasst und berücksichtigt werden, während hingegen die zweite Varianzschätzung einen im Vergleich zur ersten Varianzschätzung längeren Beobachtungszeitraum repräsentiert, sodass ein genereller Trend der Varianz berücksichtigt wird und drastische Einbrüche der Varianz verhindert werden. Die Schätzung der Varianz basierend auf unterschiedlichen Beobachtungszeiträumen, d.h. basierend auf einer unterschiedlichen Anzahl an Abtastwerten des Messrauschsignals, hat den Vorteil, dass eine schnelle Reaktionszeit auf plötzliche Änderungen bzw. eine kurze Einschwingzeit gewährleistet wird, sodass sich der Einsatz des Verfahrens insbesondere für den Einsatz in Sicherheitsanwendungen eignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die erste Varianzschätzung basierend auf weniger als 20, weniger als 10 oder weniger als 5 Abtastwerten des Messrauschsignals.
Wie bereits vorstehend beschrieben wird hierdurch ein entsprechend kurzer Beobachtungszeitraum sichergestellt, um kurzfristige große Varianzsprünge zu identifizieren. Die Anzahl des Abtastwerte kann beispielsweise, insbesondere anwendungsspezifisch, vorbestimmt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Anzahl der Abtastwerte für die erste Varianzschätzung auch relativ zur Anzahl der Abtastwerte für die zweite Varianzschätzung bestimmt werden, sodass die Anzahl der abzutastenden Werte der ersten und zweiten Varianzschätzung beispielsweise in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander steht, z.B. 1:3, 1:5 oder 1:10.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die zweite Varianzschätzung basierend auf mehr als 20, 50 oder 100 Abtastwerten des Messrauschsignals.
Wie bereits vorstehend beschrieben wird hierdurch ein entsprechend langer Beobachtungszeitraum sichergestellt, um den generellen Trend der Varianz zu identifizieren. Ferner wird verhindert, dass die endgültige Varianzschätzung starken Schwankung unterliegt, welche aus der ersten Varianzschätzung resultieren können, welche einen kurzen Beobachtungszeitraum zugrunde legt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der endgültige Varianzschätzwert auf den höchsten Wert der N letzten Abtastwerte des Messrauschsignals festgelegt. Insbesondere wird auch hierdurch eine Unterschätzung der Varianz verhindert. Ferner kann gewährleistet werden, dass starken Schwankungen des Messrauschsignals bzw. der Varianzschätzung, wie sie beispielsweise bei der ersten Varianzschätzung vorkommen können, entgegengewirkt wird. N kann beispielsweise mehr als 5, 10, 20 oder 50 Abtastwerte umfassen. Insbesondere kann N basierend auf der Anzahl an Abtastwerten für die erste und/oder zweite Varianzschätzung und/oder dem ersten und/oder zweiten Varianzschätzwert bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Konfidenzintervall und/oder der endgültige Varianzschätzwert ferner basierend auf einem Prozessmodell begrenzt. Beispielsweise kann das Prozessmodell Informationen zu einem Prozess umfassen, welcher in Zusammenhang mit der Positionsmessung steht. Beispielsweise kann eine Distanz und/oder Richtung von der Positionsmessvorrichtung zu einem, insbesondere sich bewegenden, Objekt gemessen werden, wobei basierend auf den kinematischen Eigenschaften des Objekts der geschätzte Varianzwert, d.h. der endgültige Varianzschätzwert, und/oder das Konfidenzintervall begrenzt werden kann. Dies ist besonders bei nicht-statischen Messungen vorteilhaft. Die Informationen zu dem Prozessmodell können ferner beispielsweise von einem Benutzer definiert werden oder bereits bekannt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der endgültige Varianzschätzwert basierend auf einer Plausibilitätsprüfung ermittelt, wobei die Plausibilitätsprüfung umfasst, dass der endgültige Varianzschätzwert zunächst auf den zweiten Varianzschätzwert gesetzt wird, wobei bei einer Feststellung, dass der aktuelle Wert des Messrauschsignals größer als ein Schwellenwert ist, der erste Varianzschätzwert mit dem zweiten Varianzschätzwert verglichen wird und wobei bei einer Feststellung, dass der erste Varianzschätzwert betragsmäßig größer ist als der zweite Varianzschätzwert, der endgültige Varianzschätzwert auf den ersten Varianzschätzwert festgelegt wird. Der Schwellenwert mit welchem das Messrauschsignal verglichen wird, kann insbesondere ein Vielfaches (z.B. das 1,5-, 2- oder 3-fache) des zweiten Varianzschätzwerts sein.
Dementsprechend kann die Varianz grundsätzlich mit der zweiten Varianzschätzung geschätzt werden, d.h. der endgültige Varianzschätzwert wird auf den zweiten Varianzschätzwert festgelegt, sodass die Varianz basierend auf einem langen Beobachtungszeitraum geschätzt wird. Falls der aktuelle Wert des Messrauschsignals stark von der geschätzten Verteilung abweicht, dann ist davon auszugehen, dass es unwahrscheinlich ist, dass der aktuell bzw. zuletzt geschätzte Varianzwert, d.h. der endgültige Varianzschätzwert, noch gültig ist. Um schnell auf eine mögliche Erhöhung der Varianz zu reagieren, wird somit der endgültige Varianzschätzwert auf den ersten Varianzschätzwert aus der ersten Varianzschätzung (mit kurzem Beobachtungszeitraum) festgelegt - jedoch nur unter der Bedingung, dass der erste Varianzschätzwert größer als der zweite Varianzschätzwert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Schwellenwert abhängig von der endgültigen Varianzschätzung ermittelt, insbesondere wobei der vordefinierte Schwellenwert auf ein Vielfaches der Quadratwurzel des endgültigen Varianzschätzwerts festgelegt wird. Somit kann der Schwellenwert einem Vielfachen der Standardabweichung des Messsignals entsprechen. Wenn also festgestellt wird, dass der aktuelle Wert des Messrauschsignals größer als der Schwellenwert ε = α · σ ist, wobei α einen beliebigen Faktor, z.B. 1, 1.5, 2 oder 3, und σ die Standardabweichung des Messsignals bzw. die Quadratwurzel des endgültigen Varianzschätzwerts darstellt, so kann ein Vergleich zwischen dem ersten und zweiten Varianzschätzwert initiiert werden, wobei der größere Wert des ersten und zweiten Varianzschätzwerts als endgültiger Varianzschätzwert festgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass grundsätzlich der allgemeine Trend der Varianz als Grundlage für die Varianzschätzung verwendet wird und nur bei starken Abweichungen, welche beispielsweise ein Sicherheitsrisiko für eine entsprechende Anwendung darstellen, die erste Varianzschätzung und damit potenziell höhere Varianzschätzwerte berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der endgültige Varianzschätzwert basierend auf einer Gewichtung des ersten und zweiten Varianzschätzwert ermittelt, wobei die Gewichtung in Abhängigkeit davon bestimmt wird, welcher von dem ersten und zweiten Varianzschätzwert der betragsmäßig Größere ist. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass sowohl die generelle Tendenz der Varianz sowie schnelle Änderungen der Varianz, welche beispielsweise durch plötzliche Ereignisse hervorgerufen werden, in die Varianzschätzung mit einflie-ßen. Somit kann eine verbesserte Varianzschätzung erreicht werden. Beispielsweise kann der endgültige Varianzschätzwert basierend auf einer Addition des gewichteten ersten und zweiten Varianzschätzwerts ermittelt werden, wobei: $X_{e n d g ü l t i g} = b \cdot X_{1} + (1 - b) \cdot X_{2}$
wobei X_endgültig den endgültigen Varianzschätzwert, b einen Gewichtungsfaktor, z.B. zwischen 0 und 1, X₁ den ersten Varianzschätzwert und X₂ den zweiten Varianzschätzwert darstellt. Grundsätzlich kann der endgültige Varianzschätzwert basierend auf jeder beliebigen Funktion berechnet werden, welche den ersten und zweiten Varianzschätzwert als Eingangsgrößen aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schätzung des Messrauschsignals, dass ein dem Messsignal zugehöriges Nutzsignal geschätzt wird und das geschätzte Messrauschsignal basierend auf dem Messignal und dem geschätzten Nutzsignal ermittelt wird. Insbesondere wird das Messrauschsignal aus dem Messsignal extrahiert, indem das geschätzte Nutzsignal vom Messsignal subtrahiert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass ein erstes Messrauschsignal sowie ein zweites Messrauschsignal basierend auf unterschiedlichen, insbesondere der ersten und zweiten Varianzschätzung entsprechenden, Beobachtungszeiträumen des Messsignals geschätzt werden. Beispielsweise kann dann das erste Messrauschsignal als Grundlage für die erste Varianzschätzung verwendet werden und das zweite Messrauschsignal als Grundlage für die zweite Varianzschätzung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Nutzsignal basierend auf einer Polynomregression und/oder basierend auf einem Prädiktionsfilter geschätzt. Beispielsweise kann das Nutzsignal bei kurzen Beobachtungszeiträumen basierend auf einem aktuellen Trend des Messsignals geschätzt werden. Das Nutzsignal kann beispielsweise mittels einer linearen oder polynomialen Regression ermittelt bzw. geschätzt werden. Ferner kann das Nutzsignal bei komplexeren Verläufen des Messsignals und/oder bei längeren Beobachtungszeiträumen mittels eines Prädiktionsfilters geschätzt werden. Beispielsweise wird das Nutzsignal mittels zumindest eines der folgenden Filter geschätzt: MA-Filter (Moving-Average-Filter), AR-Filter (Autoregressive-Filter) oder Kalman-Filter. Grundsätzlich kann das Nutzsignal mit jedem geeigneten Filter oder Verfahren geschätzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die erste Varianzschätzung unter Einsatz eines nichtlinearen FIR-Filters (engl. finite impulse response filter) durchgeführt. Der nichtlineare FIR-Filter kann beispielsweise mittels eines gleitenden Zeitfensters realisiert werden, welcher einem vorbestimmten Beobachtungszeitraum entspricht. Beispielsweise kann der erste Varianzschätzwert zu einem Zeitpunkt i durch folgende Gleichung berechnet werden: $X_{1} (i) = \frac{1}{N - 1} \sum_{k = i - N + 1}^{i} x {(k)}^{2}$
wobei i der Index des Werts des Messrauschsignals ist, x(k) der Wert des Messrauschsignals zum Zeitpunkt k ist, N die Anzahl der Werte des Messrauschsignals pro Zeitfenster ist und X₁(i) der erste Varianzschätzwert ist, der zum Zeitpunkt i geschätzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Varianzschätzung unter Einsatz eines rekursiven Filters durchgeführt. Beispielsweise kann die zweite Varianzschätzung mittels einer rekursiven Berechnung mit exponentiellem Gedächtnis erfolgen, wobei beispielsweise Werte des Messrauschsignals, welche näher am aktuellen Wert des Messrauschsignals liegen, stärker bei der Varianzschätzung gewichtet werden (auch genannt Exponential-Moving-Variance). Der zweite Varianzschätzwert kann beispielsweise wie folgt berechnet werden: $X_{2} (i) = c \cdot x {(i)}^{2} + (1 - c) \cdot X_{2} (i - 1)$
wobei i der Index bzw. Zeitpunkt des Werts des Messrauschsignals ist, x(i) der Wert des Messrauschsignals zum Zeitpunkt i ist, X₂(i) der zweite Varianzschätzwert ist, der zum Zeitpunkt i geschätzt wird, X₂(i- 1) der zweite Varianzschätzwert ist, der zum Zeitpunkt i - 1 geschätzt wird, und c ein Glättungskoeffzient zur Einstellung der Gedächtnistiefe ist.
Vorteilhaft bei dieser Berechnung des ersten und/oder zweiten Varianzschätzwerts ist, dass die Berechnung der ersten Varianzschätzung und/oder der zweiten Varianzschätzung und somit die Ermittlung des endgültigen Varianzschätzwerts bzw. des Konfidenzintervall vergleichsweise effizient, d.h. mit wenig Rechenoperationen, erfolgt, sodass Rechenleistung eingespart wird. Grundsätzlich ist die Berechnung des ersten und/oder zweiten Varianzschätzwerts auf beliebige Weise möglich. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die für die erste Varianzschätzung erwähnten Berechnungsmöglichkeiten für die Berechnung des zweiten Varianzschätzwerts verwendet werden und vice versa, wobei jeweils die Gedächtnistiefe angepasst oder eingestellt werden kann.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Positionsmessvorrichtung, insbesondere zur Steuerung eines industriellen Prozesses, umfassend:

einen Sensor zur Erzeugung eines Messsignals; und
ein Schätzmodul, das dazu ausgebildet ist:
- basierend auf dem Messsignal ein Messrauschsignal zu schätzen,
- basierend auf dem Messrauschsignal eine erste Varianzschätzung und eine von der ersten Varianzschätzung unterschiedliche zweite Varianzschätzung durchzuführen, wobei die erste Varianzschätzung einen ersten Varianzschätzwert ergibt und die zweite Varianzschätzung einen zweiten Varianzschätzwert ergibt, basierend auf einem Vergleich des ersten Varianzschätzwerts mit dem zweiten Varianzschätzwert einen endgültigen Varianzschätzwert zu ermitteln; und basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert ein Konfidenzintervall zu ermitteln, wobei das Konfidenzintervall von dem Schätzmodul ausgegeben und bevorzugt in einer Sicherheitsfunktion verwendet und/oder zur Steuerung des industriellen Prozesses verwendet wird.

Die Positionsmessvorrichtung kann beispielsweise Teil einer Steuerung sein, wobei der Betriebszustand der Steuerung basierend auf dem Konfidenzintervall verändert werden kann.
Bei der Positionsmessvorrichtung kann es sich um eine sichere Positionsmessvorrichtung handeln, beispielsweise nach SIL 2 oder SIL 3 (SIL für Safety Integrety Level). Insbesondere in einem sicherheitskritischen Umfeld kann das ausgegebene Konfidenzintervall für eine Sicherheitsfunktion verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, einen Prozess zu stoppen oder ein Fahrzeug anzuhalten, wenn sich aus dem Konfidenzintervall ergibt, dass eine Position des erfassten Objekts z.B. in einem Sicherheitsbereich liegen könnte (d.h. wenn sich das Konfidenzintervall in den Sicherheitsbereich erstreckt), obwohl der momentane konkrete Messwert des Messsignals eine Position außerhalb des Sicherheitsbereichs angibt.
Ebenso ist es möglich, dass die Steuerung im Normalbetrieb arbeitet, solange die ermittelten Konfidenzintervalle und insbesondere die Größe der ermittelten Konfidenzintervalle einen vordefinierten Wert nicht überschreiten, d.h. ein Messwert mit hoher Wahrscheinlichkeit dem tatsächlichen Distanzmesswert entspricht oder nur leicht von diesem abweicht. Ferner kann die Steuerung in einen sicheren Zustand wechseln, indem beispielsweise nur eine Grundfunktion ausgeführt wird oder die Steuerung abgeschaltet wird, wenn die Positionsmessvorrichtung Konfidenzintervalle ermittelt, deren Größe beispielsweise einen vordefinierten Wert überschreiten. Dies kann beispielsweise andeuten, dass die Zuverlässigkeit der Messung nicht mit ausreichender Sicherheit gewährleistet ist. Durch die adaptive Anpassung der Konfidenzintervalle kann eine hohe Verfügbarkeit der Steuerung bei erhöhter oder zumindest gleichbleibender Sicherheit gewährleistet werden, da die Konfidenzintervalle adaptiv bestimmt werden können und nicht vorab Sicherheitszuschläge zur statistischen Komponente der Messunsicherheit hinzugefügt werden müssen.
Die Positionsmessvorrichtung kann beispielsweise eine Funkortungsvorrichtung, insbesondere für UWB (Ultra Wide Band), umfassen. Die Funkortungsvorrichtung kann Funksignale mit einer Bandbreite von >500 MHz aussenden und von einem zu erfassenden Objekt (z.B. einem Transponder) rückgesandte Funksignale erfassen. Anhand der rückgesandten Funksignale kann eine Entfernungs-/Distanzmessung (insbesondere über eine Laufzeitmessung der Funksignale) sowie eine Richtungsmessung erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Positionsmessvorrichtung auch eine optische Distanzmessvorrichtung und/oder einen Laserscanner umfassen, welcher optische Signale nacheinander in verschiedene Raumrichtungen aussendet und anhand von rückgestrahlten Signalen die Richtung und/oder Entfernung zu zu erfassenden Objekten ermittelt. Die Werte für die Richtung und/oder die Entfernung können dann das Messsignal bilden.
Für die Positionsmessvorrichtung gelten die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend, dies gilt insbesondere hinsichtlich Vorteilen und Ausführungsformen (und umgekehrt).
Ferner ist, soweit nicht anders angegeben, jede Kombination der vorstehenden Ausführungsformen möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Sicherheitsfunktion für eine Positionsmessvorrichtung
2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform mit Maximierer
3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform mit Haltefilter
4 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform mit Plausibilitätsprüfung
5 ein Diagramm von unterschiedlichen Varianzsignalen

1 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens 2 zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung 1, wobei das Verfahren ein Bereitstellen einer Sicherheitsfunktion für die Positionsmessvorrichtung 1 umfasst.
1 zeigt die Positionsmessvorrichtung 1 und ein Objekt 3, wobei die Positionsmessvorrichtung 1 insbesondere Distanzwerte zu dem Objekt 3 misst. Diese Distanzwerte werden zu einem Messsignal 4 verarbeitet.
Gemäß 1 wird basierend auf dem Messsignal 4, welches von der Positionsmessvorrichtung 1 erzeugt wird und mehrere Messwerte über einen vorbestimmten Zeitraum umfasst, mittels einer Vorkonditionierung 6 ein Messrauschsignal 8 aus dem Messsignal 4 extrahiert, wobei das Messrauschsignal 8 das dem Messsignal 4 zugehörige Messrauschen darstellt. Die Vorkonditionierung 6 umfasst dabei, dass ein Nutzsignal basierend auf dem Messsignal 4 geschätzt wird und das geschätzte Nutzsignal von dem Messsignal 4 subtrahiert wird, um das Messrauschsignal 8 zu erhalten. Im vorliegenden Fall wird das Nutzsignal beispielsweise mittels eines Prädiktionsfilters geschätzt.
Basierend auf dem Messrauschsignal 8 wird eine erste Varianzschätzung 10 und eine zweite Varianzschätzung 12 durchgeführt, wobei die erste Varianzschätzung 10 einen ersten Varianzschätzwert 14 und die zweite Varianzschätzung 12 einen zweiten Varianzschätzwert 16 liefert. Die erste Varianzschätzung 10 wird basierend auf den letzten fünf Werten des Messrauschsignals mittels eines FIR-Filters durchgeführt, um den ersten Varianzschätzwert 14 zu erhalten. Die zweite Varianzschätzung 12 hingegen wird basierend auf den letzten 50 Werten des Messrauschsignals mittels eines rekursiven Filters durchgeführt, um den zweiten Varianzschätzwert 16 zu erhalten. Die erste Varianzschätzung 10 beruht somit auf einem kurzen Beobachtungszeitraum, sodass schnelle, plötzliche Änderungen des Messrauschsignals 8 erfasst werden, während die zweite Varianzschätzung 12 auf einem langen Beobachtungszeitraum beruht, sodass sich der insgesamte Trend des Messrauschsignals 8 in dem zweiten Varianzschätzwert 16 abzeichnet.
Der erste Varianzschätzwert 14 und der zweite Varianzschätzwert 16 werden anschließend in einem Maximierer 18 miteinander verglichen, wobei der Maximierer 18 den Größeren des ersten und zweiten Varianzschätzwerts 14, 16 als endgültiger Varianzschätzwert 20 ausgibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Varianzwert nicht unterschätzt wird und im Zweifel überschätzt wird. Somit wird teilweise auf eine präzisere Schätzung der Varianz verzichtet, um die Sicherheit zu steigern. Basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert 20 wird abschließend in einer Konfidenzintervallermittlung 22 das Konfidenzintervall bestimmt, in dem der tatsächliche Positionswert, welcher hier beispielsweise ein Distanzwert ist, mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit liegt. Das Konfidenzintervall wird beispielsweise basierend auf einer Quadratwurzel des endgültigen Varianzschätzwerts 20 ermittelt, indem das Konfidenzintervall durch eine untere Grenze $U = D - \sqrt{X_{e n d g ü l t i g}}$

und durch eine obere Grenze $U = D + \sqrt{X_{e n d g ü l t i g}}$
definiert wird, wobei D der aktuelle Distanzmesswert und X_endgültig der endgültige Varianzschätzwert 20 ist.
In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei der im Vergleich zu der Ausführungsform der 1 eine der ersten Varianzschätzung 10 zugehörige erste Vorkonditionierung 24 und einer der zweiten Varianzschätzung 12 zugehörige zweite Vorkonditionierung 26 durchgeführt wird, wobei die erste Vorkonditionierung 24 ein erstes Messrauschsignal 25 und die zweite Vorkonditionierung 26 ein zweites Messrauschsignal 27 zum Ergebnis hat. Die erste Vorkonditionierung 24 und die erste Varianzschätzung 10 werden ferner basierend auf dem gleichen Beobachtungszeitraum durchgeführt. Entsprechendes gilt auch für die zweite Vorkonditionierung 26 und die zweite Varianzschätzung 12. Somit ist sowohl die Vorverarbeitung des Messsignals 4 als auch die anschließende Schätzung des ersten und/oder zweiten Varianzschätzwerts 14, 16 auf einen spezifischen Beobachtungszeitraum angepasst.
3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein (Maximum-)Haltefilter 28 zum Einsatz kommt, welcher dafür sorgt, dass der endgültige Varianzschätzwert 20 auf den höchsten Wert der 5 letzten von dem Maximierer 18 ausgegebenen Werte festgelegt bzw. gehalten wird. Diese zusätzliche Sicherheitsfunktion hat den Effekt, dass das Risiko einer Unterschätzung des Varianzwerts weiter verringert wird und der ausgegebene endgültige Varianzschätzwert 20 stabilisiert wird.
Gemäß einer weiteren in 4 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird der endgültige Varianzschätzwert 20 mittels einer zusätzlichen Plausibilitätsprüfung 30 ermittelt. Gemäß dieser Ausführungsform wird der endgültige Varianzschätzwert 20 vorab auf den zweiten Varianzschätzwert 16 festgelegt. Bei einer Feststellung, dass ein aktueller Wert des Messrauschsignals 8, genauer gesagt also des Werts 27 nach der zweiten Vorkonditionierung 26, größer als ein vordefinierter Schwellenwert ε ist, wird der erste Varianzschätzwert 14 mit dem zweiten Varianzschätzwert 16 verglichen und bei einer Feststellung, dass der erste Varianzschätzwert 14 betragsmäßig größer als der zweite Varianzschätzwert 16 ist, wird der endgültige Varianzschätzwert 20 auf den ersten Varianzschätzwert 14 festgelegt. Der vordefinierte Schwellenwert ε ist dabei beispielhaft durch die Gleichung ε = 2 · σ definiert, wobei σ die Quadratwurzel des zweiten Varianzschätzwerts 16 darstellt. Grundsätzlich kann der Schwellenwert auch durch eine andere Gleichung berechnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Positionsmessvorrichtung
2: Verfahren
3: Objekt
4: Messsignal
6: Vorkonditionierung
8: Messrauschsignal
10: erste Varianzschätzung
12: zweite Varianzschätzung
14: erster Varianzschätzwert
16: zweiter Varianzschätzwert
18: Maximierer
20: endgültiger Varianzschätzwert
22: Konfidenzintervallermittlung
24: erste Vorkonditionierung
25: erstes Messrauschsignal
26: zweite Vorkonditionierung
27: zweites Messrauschsignal
28: Haltefilter
30: Plausibilitätsprüfung

Claims

Verfahren (2) zum Betreiben einer Positionsmessvorrichtung (1), wobei das Verfahren (2) umfasst, dass: ein Messsignal (4) von der Positionsmessvorrichtung (1) empfangen wird; basierend auf dem Messsignal (4) ein Messrauschsignal (8) geschätzt wird, basierend auf dem Messrauschsignal (8) eine erste Varianzschätzung (10) und eine von der ersten Varianzschätzung unterschiedliche zweite Varianzschätzung (12) durchgeführt wird, wobei die erste Varianzschätzung (10) einen ersten Varianzschätzwert (14) ergibt und die zweite Varianzschätzung (12) einen zweiten Varianzschätzwert (16) ergibt; basierend auf einem Vergleich des ersten Varianzschätzwerts (14) mit dem zweiten Varianzschätzwert (16) ein endgültiger Varianzschätzwert (20) ermittelt wird; und basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert (20) ein Konfidenzintervall ermittelt wird, wobei das Konfidenzintervall ausgegeben und bevorzugt in einer Sicherheitsfunktion verwendet wird.
Verfahren (2) nach Anspruch 1, wobei der endgültige Varianzschätzwert (20) auf den ersten Varianzschätzwert (14) oder den zweiten Varianzschätzwert (16), insbesondere den betragsmäßig Größeren des ersten oder des zweiten Varianzschätzwerts (14, 16), festgelegt wird.
Verfahren (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Varianzschätzung (10) basierend auf einer Vielzahl von Abtastwerten des Messrauschsignals (8) erfolgt, wobei für die erste Varianzschätzung (10) weniger Abtastwerte verwendet werden als für die zweite Varianzschätzung (12).
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Varianzschätzung (10) basierend auf weniger als 20, weniger als 10 oder weniger als 5 Abtastwerten des Messrauschsignals (8) erfolgt.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Varianzschätzung (12) basierend auf mehr als 20, 50 oder 100 Abtastwerten des Messrauschsignals (8) erfolgt.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der endgültiger Varianzschätzwert (20) auf den höchsten Wert der N letzten Abtastwerte des Messrauschsignals (8) festgelegt wird.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konfidenzintervall und/oder der endgültige Varianzschätzwert (20) ferner basierend auf einem Prozessmodell begrenzt wird.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei der endgültige Varianzschätzwert (20) basierend auf einer Plausibilitätsprüfung (30) ermittelt wird, wobei die Plausibilitätsprüfung (30) umfasst, dass: der endgültige Varianzschätzwert (20) auf den zweiten Varianzschätzwert (16) gesetzt wird; bei einer Feststellung, dass ein aktueller Wert des Messrauschsignal (8)s größer als ein vordefinierter Schwellenwert ist, der erste Varianzschätzwert (14) mit dem zweiten Varianzschätzwert (16) verglichen wird und bei einer Feststellung, dass der erste Varianzschätzwert (14) betragsmäßig größer ist als der zweite Varianzschätzwert (16), der endgültige Varianzschätzwert (20) auf den ersten Varianzschätzwert (14) festgelegt wird.
Verfahren (2) nach Anspruch 8, wobei der Schwellenwert abhängig von der endgültigen Varianzschätzung ermittelt wird, insbesondere wobei der vordefinierte Schwellenwert auf ein Vielfaches der Quadratwurzel des endgültigen Varianzschätzwerts (20) festgelegt wird.
Verfahren (2) nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 oder 7, wobei der endgültige Varianzschätzwert (20) basierend auf einer Gewichtung des ersten und zweiten Varianzschätzwert (16) ermittelt wird, wobei die Gewichtung in Abhängigkeit davon bestimmt wird, welcher von dem ersten und zweiten Varianzschätzwert (16) der betragsmäßig Größere ist.
Verfahren (2) einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schätzung des Messrauschsignals (8) umfasst, dass ein dem Messsignal (4) zugehöriges Nutzsignal geschätzt wird und das geschätzte Messrauschsignal (8) basierend auf dem Messignal und dem geschätzten Nutzsignal ermittelt wird.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Nutzsignal basierend auf einer Polynomregression und/oder basierend auf einem Prädiktionsfilter geschätzt wird.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Varianzschätzung (10) unter Einsatz eines nichtlinearen FIR-Filters durchgeführt wird.
Verfahren (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Varianzschätzung (12) unter Einsatz eines rekursiven Filters durchgeführt wird.
Positionsmessvorrichtung (1), insbesondere zur Steuerung eines industriellen Prozesses, umfassend: einen Sensor zur Erzeugung eines Messsignal (4); und ein Schätzmodul, das dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Messsignal (4) ein Messrauschsignal (8) zu schätzen, basierend auf dem Messrauschsignal (8) eine erste Varianzschätzung (10) und eine von der ersten Varianzschätzung unterschiedliche zweite Varianzschätzung (12) durchzuführen, wobei die erste Varianzschätzung (10) einen ersten Varianzschätzwert (14) ergibt und die zweite Varianzschätzung (12) einen zweiten Varianzschätzwert (16) ergibt, basierend auf einem Vergleich des ersten Varianzschätzwerts (14) mit dem zweiten Varianzschätzwert (16) einen endgültigen Varianzschätzwert (20) zu ermitteln; und basierend auf dem endgültigen Varianzschätzwert (20) ein Konfidenzintervall zu ermitteln, wobei das Konfidenzintervall von dem Schätzmodul ausgegeben und bevorzugt in einer Sicherheitsfunktion verwendet und/oder zur Steuerung des industriellen Prozesses verwendet wird.