JP2013083559A - Signal processor and signal processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、荷重センサに順次負荷される物品の重量を、簡単な構成、手法で正確に測定するための信号処理装置及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to a signal processing apparatus and a signal processing method for accurately measuring the weight of an article sequentially loaded on a load sensor with a simple configuration and technique.
物品の重量を測定する計量装置として、物品をコンベアで搬送している間に重量検出を行う計量コンベア方式のものが従来から多用されている。この種の計量装置は、荷重センサとしての計量器で支持した計量コンベアに、前段コンベアから物品を搬入し、搬入物品が計量コンベア上を搬送している間に計量器から出力される計量信号に基づいて物品重量を検出し、重量が検出された物品を後段コンベアへ搬出する。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a weighing device for measuring the weight of an article, a weighing conveyor type that performs weight detection while the article is being conveyed by a conveyor has been widely used. This type of weighing device carries an article from a preceding conveyor to a weighing conveyor supported by a weighing machine as a load sensor, and outputs a weighing signal output from the weighing instrument while the loaded article is transported on the weighing conveyor. Based on this, the weight of the article is detected, and the article whose weight has been detected is carried out to the rear conveyor.
このような計量装置は、主に食品等の製造ラインに組み込まれて設置されるため、他の生産設備等により起こる床振動や計量コンベアのローラやベルトによる低周期振動成分などが雑音成分として計量器の出力信号に重畳し計量精度の悪化を招く。 Since such weighing devices are mainly installed in food production lines, floor vibrations caused by other production facilities and low-frequency vibration components due to the rollers and belts of weighing conveyors are measured as noise components. Superimposes on the output signal of the instrument, leading to deterioration of weighing accuracy.
このため、計量器の出力信号から雑音成分を効率よく除去し、より真の値に近い物品の重量測定が行え、高精度高速化が図れる動的重量計測手法が要望されている。ソフトウェアの観点では、計量装置により計量され、計量装置を構成するセンサ測定系の固有振動や、床振動環境下での計量搬送系の振動雑音などに乱された計測データから、いかに物品の重量を効率よく正確に推定するかという研究課題として捉えることができる。 For this reason, there is a demand for a dynamic weight measurement method that can efficiently remove noise components from the output signal of the weighing instrument, perform weight measurement of articles closer to the true value, and achieve high accuracy and high speed. From a software perspective, the weight of an article can be determined from the measurement data that is measured by the weighing device and disturbed by the natural vibrations of the sensor measurement system that constitutes the weighing device and the vibration noise of the weighing and conveying system in a floor vibration environment. It can be understood as a research subject on how to estimate efficiently and accurately.
ここで、関連する動的重量計測分野の研究としては、例えば、ハカリ系を線形の状態空間表現でモデル化し質量の状態推定問題に帰着した研究、ロードセルの出力信号に含まれる雑音信号を除去した信号に対して線形システム理論とシステム同定法を適用した研究、加速度センサとカルマンフィルタを組み合わせた研究報告などがある。 Here, as a related research in the dynamic weight measurement field, for example, a study that modeled a hakari system with a linear state space representation and resulted in a mass state estimation problem, and removed the noise signal contained in the output signal of the load cell There are studies that apply linear system theory and system identification methods to signals, and research reports that combine acceleration sensors and Kalman filters.
さらに、本体セルとは別に補償セルを付加して床振動除去を対象に相対補償原理を適用した研究がある。 In addition, there is a study in which a compensation cell is added separately from the main body cell and the relative compensation principle is applied to floor vibration removal.
一方、振動雑音発生の事前知識を用いた研究例として、多連秤での計量測定にロードセルなどの計量器の出力信号をA/D変換して低域通過フィルタ(FIR型LPF)によるフィルタ処理を振動雑音抑圧除去に適用した報告もある。 On the other hand, as an example of research using prior knowledge of vibration noise generation, the output signal of a measuring instrument such as a load cell is A / D converted for weighing measurement with a multiple scale, and the filter processing is performed by a low-pass filter (FIR type LPF) There is also a report that applied to the removal of vibration noise suppression.
このように、計量器の出力信号から振動雑音成分を除去して、真の質量成分を高速高精度に抽出する研究が従来から行われてきたが、その計算手法は主に線形演算によるものであった。この線形演算を用いた信号処理として、一般的に多用されている低域通過フィルタLPFでは、LPFの遮断周波数幅を低く設定することで低い周波数の雑音成分まで除去することが可能になる。 In this way, research has been conducted to remove the vibration noise component from the output signal of the measuring instrument and extract the true mass component with high speed and high accuracy, but the calculation method is mainly based on linear calculation. there were. As signal processing using this linear operation, a low-pass filter LPF that is widely used generally can remove low-frequency noise components by setting the cutoff frequency width of the LPF low.
しかしながら、このような線形演算を用いた信号処理では、解析や評価の手順が一意的に決まる半面、処理遅延時間や時間周波数の不確定性に基づくフィルタの応答時間等には原理的な制約が伴う。具体的には、LPFの遮断周波数を低く設定した場合、センシング期間を長くする必要があり、その分だけ応答速度が遅くなるという問題があった。また、LPFの遮断周波数を制限することでLPF自らが人工雑音を発生し、計量器からの出力信号に人工雑音が重畳され、測定結果に信頼性を欠くという問題があった。そして、計量能力の限界に設定されたLPFの遮断周波数より低い周波数の雑音成分については除去することができなかった。 However, in signal processing using such linear operations, the analysis and evaluation procedures are uniquely determined, but the filter response time based on the processing delay time and time frequency uncertainty is limited in principle. Accompany. Specifically, when the cut-off frequency of the LPF is set low, there is a problem that it is necessary to lengthen the sensing period, and the response speed is slowed accordingly. Further, there is a problem in that the LPF itself generates artificial noise by limiting the cutoff frequency of the LPF, and the artificial noise is superimposed on the output signal from the measuring instrument, and the measurement result lacks reliability. In addition, a noise component having a frequency lower than the cutoff frequency of the LPF set to the limit of the weighing capacity cannot be removed.
このため、上記制約を取り払うひとつの考え方に、遭遇する物理現象の事前知識を有効活用する手段がある。例えば、カルマンフィルタなどは信号生成の事前知識を利用した推定手法と考えられる。 For this reason, there is a means for effectively utilizing prior knowledge of physical phenomena encountered in one way of thinking to remove the above-mentioned restrictions. For example, a Kalman filter or the like is considered as an estimation method using prior knowledge of signal generation.
しかしながら、信号生成の数理モデリングを確実に実態と合致させるには、初期条件の設定や突発的事象の発生などの不確定要素があり、極めて困難な作業であった。 However, in order to ensure that the mathematical modeling of signal generation matches the actual situation, there are uncertain elements such as setting of initial conditions and occurrence of sudden events, which is extremely difficult.
この問題を解決する有効な技術として、本願発明者は、物品が負荷されている間の一定期間内に、計量信号を所定周期でサンプリングして得られた振幅値の発生頻度を表す確率密度関数PDFを算出し、その確率密度関数PDFに基づいて物品重量を推定するシステムを提案している(非特許文献1)。 As an effective technique for solving this problem, the inventor of the present application has developed a probability density function representing the frequency of occurrence of amplitude values obtained by sampling a weighing signal at a predetermined period within a certain period while an article is loaded. A system for calculating a PDF and estimating an article weight based on the probability density function PDF has been proposed (Non-Patent Document 1).
上記の計量信号の振幅の確率密度関数を用いた重量計測手法は、荷重センサに物品が負荷されてから一定期間が経過した計量信号のある期間の信号を取り込んでその振幅確率密度を算出し、例えばその期間の期待値等を算出してこれを基に物品重量を推定するというものであって、信号生成の数理モデリングを厳密に行うという煩雑な処理が不要で簡単で且つ実用的な精度で重量推定が行えるという利点がある。 The weight measurement method using the probability density function of the amplitude of the weighing signal described above calculates the amplitude probability density by taking in a signal of a certain period of the weighing signal after a certain period of time has elapsed since the load sensor was loaded with an article, For example, the expected value of the period is calculated and the weight of the article is estimated based on the expected value. The complicated process of mathematical modeling for signal generation is not required and simple and practically accurate. There is an advantage that weight estimation can be performed.
しかし、この手法においても、多種の雑音信号の影響の除去という点でさらなる改善が望まれる。 However, even in this method, further improvement is desired in terms of eliminating the influence of various noise signals.
本発明はこの点を改善して、計量信号の振幅の確率密度関数に基づいて物品重量を推定する技術において、雑音成分による影響をより確実に除去でき、より正確な重量推定が可能な信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的としている。 The present invention improves this point, and in the technology for estimating the weight of an article based on the probability density function of the amplitude of the weighing signal, the signal processing that can more reliably remove the influence of the noise component and enable more accurate weight estimation. An object is to provide an apparatus and a signal processing method.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1の信号処理装置は、
物品が負荷された状態の荷重センサが出力する計量信号を受けて、荷重された物品の重量値を検出するための処理を行う信号処理装置において、
物品の荷重に対応する直流と該直流に重畳する雑音成分とを含む計量信号の処理対象帯域のうち、直流分およびその近傍を除く周波数範囲内で異なる複数(N)の部分帯域の信号成分(S1、S2、…、SN)を計量信号から抽出する複数(N)のフィルタ(CH1〜CHN)と、
前記荷重センサに物品が負荷されている所定期間における前記処理対象帯域全体の出力信号(S0)の振幅の確率密度関数(PDF0)を算出する全帯域データ処理部(25)と、
前記複数(N)の部分帯域の信号成分をそれぞれ受け、該各信号成分の振幅の前記所定期間における確率密度関数(PDF1〜PDFN)をそれぞれ算出する複数(N)の部分帯域データ処理部(30(1)〜30(N))と、
前記全帯域データ処理部で得られた確率密度関数と、前記部分帯域データ処理部で得られた確率密度関数に基づいて、前記物品の重量を推定する重量推定部(40)とを有していることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a signal processing device according to
In a signal processing device that receives a measurement signal output from a load sensor in a state where an article is loaded and performs processing for detecting a weight value of the loaded article,
Among the processing target bands of the measurement signal including the direct current corresponding to the load of the article and the noise component superimposed on the direct current, the signal components in a plurality of (N) subbands that are different within the frequency range excluding the direct current component and the vicinity thereof ( S 1,
An all-band data processing unit (25) that calculates a probability density function (PDF 0 ) of the amplitude of the output signal (S 0 ) of the entire processing target band during a predetermined period when an article is loaded on the load sensor;
A plurality (N) of partial band data processing units respectively receiving the plurality (N) of partial band signal components and calculating probability density functions (PDF 1 to PDF N ) of the amplitudes of the respective signal components in the predetermined period. (30 (1) -30 (N)),
A probability density function obtained by the full-band data processing unit, and a weight estimation unit (40) for estimating the weight of the article based on the probability density function obtained by the partial-band data processing unit. It is characterized by being.
また、本発明の請求項2記載の信号処理装置は、請求項1記載の信号処理装置において、
前記重量推定部は、前記全帯域データ処理部および部分帯域データ処理部で得られた確率密度関数の期待値または下限値と上限値の中間値を算出し、該算出値に基づいて前記物品の重量を推定することを特徴とする。
A signal processing device according to
The weight estimation unit calculates an expected value or an intermediate value between a lower limit value and an upper limit value of the probability density function obtained by the full band data processing unit and the partial band data processing unit, and based on the calculated value, The weight is estimated.
また、本発明の信号処理方法は、
物品が負荷された状態の荷重センサが出力する計量信号を受けて、荷重された物品の重量値を検出するための処理を行う信号処理方法において、
物品の荷重に対応する直流と該直流に重畳する雑音成分とを含む計量信号の処理対象帯域のうち、直流分およびその近傍を除く周波数範囲内で異なる複数(N)の部分帯域の信号成分(S1、S2、…、SN)を計量信号から抽出する段階と、
前記荷重センサに物品が負荷されている所定期間における前記処理対象帯域全体の出力信号(S0)の振幅の確率密度関数(PDF0)と、前記所定期間における前記各部分帯域の信号成分の振幅の確率密度関数(PDF1〜PDFN)をそれぞれ算出する段階と、
前記算出した前記処理対象帯域全体の出力信号について得られた確率密度関数(PDF0)と、各部分帯域の信号成分について得られた確率密度関数(PDF1〜PDFN)とに基づいて前記物品の重量を推定する段階とを含むことを特徴とする。
Further, the signal processing method of the present invention includes:
In a signal processing method for receiving a measurement signal output from a load sensor in a state where an article is loaded and performing processing for detecting a weight value of the loaded article,
Among the processing target bands of the measurement signal including the direct current corresponding to the load of the article and the noise component superimposed on the direct current, the signal components in a plurality of (N) subbands that are different within the frequency range excluding the direct current component and the vicinity thereof ( Extracting S 1 , S 2 ,..., S N ) from the weighing signal;
Probability density function (PDF 0 ) of the amplitude of the output signal (S 0 ) of the entire processing target band during a predetermined period when an article is loaded on the load sensor, and the amplitude of the signal component of each partial band during the predetermined period Calculating respective probability density functions (PDF 1 to PDF N ) of
The article based on the probability density function (PDF 0 ) obtained for the calculated output signal of the entire processing target band and the probability density function (PDF 1 to PDF N ) obtained for the signal components of each partial band. Estimating the weight of the.
また、本発明の請求項4記載の信号処理方法は、請求項3記載の信号処理方法において、
前記重量を推定する段階は、
前記算出された各確率密度関数の期待値または下限値と上限値の中間値を算出し、該算出値に基づいて前記物品の重量を推定することを特徴とする。
A signal processing method according to claim 4 of the present invention is the signal processing method according to
Estimating the weight comprises:
An expected value or an intermediate value between a lower limit value and an upper limit value of each calculated probability density function is calculated, and the weight of the article is estimated based on the calculated value.
上記したように、本発明は、重量計測過程の振幅変動を確率過程とみなし、荷重センサに物品が負荷されている間の所定期間に出力される計量信号に対して設定された処理対象帯域全体の振幅の確率密度関数と、その処理対象帯域のうち直流およびその近傍を除く周波数範囲内で異なる複数の部分帯域の信号についての確率密度関数とをそれぞれ算出し、これら異なる帯域について算出した確率密度関数に基づいて物品の重量値を推定している。 As described above, the present invention regards the amplitude variation of the weight measurement process as a stochastic process, and the entire processing target band set for the weighing signal output during a predetermined period while the load sensor is loaded with the article. And a probability density function for a plurality of different subband signals within the frequency range excluding the direct current and its vicinity in the processing target band, and the probability density calculated for these different bands. The weight value of the article is estimated based on the function.
このため、物品重量に対応した直流分に重畳されている減衰振動成分や床振動成分等の雑音成分を、複数の部分帯域から抽出した信号の確率密度関数に対応付けることができ、処理対象帯域全体の確率密度関数から得られる重量推定値から、各部分帯域の信号についての確率密度関数から得られる推定値分を除去することで、多種の雑音成分の影響を取り除いたより正確な重量値を求めることができる。 For this reason, noise components such as damped vibration components and floor vibration components superimposed on the DC component corresponding to the article weight can be associated with the probability density function of signals extracted from a plurality of partial bands, and the entire processing target band By removing the estimated value obtained from the probability density function for each sub-band signal from the weight estimated value obtained from the probability density function, a more accurate weight value is obtained by removing the effects of various noise components. Can do.
本発明は、物品が負荷された荷重センサから出力される計量信号の振幅を確率変数とし、その確率密度関数PDFや累積確率分布APDを求めて物品重量を推定するものであるので、始めに、確率密度関数PDF、累積確率分布APDについて簡単に説明する。 The present invention uses the amplitude of the weighing signal output from the load sensor loaded with the article as a random variable, and obtains the probability density function PDF and the cumulative probability distribution APD to estimate the article weight. The probability density function PDF and the cumulative probability distribution APD will be briefly described.
確率密度関数(確率密度分布ともいう)PDFは、図1のような時間信号を例にとると、測定時間T内において、適切なサンプリング時間で抽出された振幅値の発生頻度を必要測定精度で量子化した振幅レベルごとに計数して求められる。 A probability density function (also referred to as probability density distribution) PDF takes the time signal as shown in FIG. 1 as an example, and the occurrence frequency of amplitude values extracted at an appropriate sampling time within the measurement time T can be obtained with the required measurement accuracy. It is obtained by counting for each quantized amplitude level.
このPDF値を、確率変数で積分(累積)すればAPD値になるが、APD値の定義「信号振幅の包絡線信号がある閾値レベルを超える時間確率」を採用すると、信号振幅r(t)に対して信号振幅の離散値xiを確率変数とし、測定時間Tでは、信号振幅閾値Rでの占有時間Wi(xk)を累積加算し、Tで割るとxiにおけるAPD値が次式(1)のように求められる。 If this PDF value is integrated (accumulated) with a random variable, it becomes an APD value. However, if the definition of the APD value “time probability that the envelope signal of the signal amplitude exceeds a certain threshold level” is adopted, the signal amplitude r (t) the signal amplitude of the discrete values x i of the random variable, the measurement time T, the signal amplitude threshold R occupancy at time W i (x k) cumulatively adds, APD value of x i divided by T is following for It is calculated | required like Formula (1).
APD(xi)=ΣWi(xk)/T ……(1)
ただし、記号Σは、i=1〜N(xk)までの総和を表す
APD (x i ) = ΣW i (x k ) / T (1)
However, symbol Σ represents the sum total from i = 1 to N (x k ).
逆に、このAPD値を確率変数について差分演算を行えば、PDF値を求めることができる。 Conversely, if this APD value is subjected to a difference calculation with respect to a random variable, the PDF value can be obtained.
以上の準備のもとに、本発明の信号処理手法を説明する。なお、本発明では、物品の重量値に対応する直流と、それに重畳する有害な雑音成分とを含む計量信号について処理対象として設定された帯域全体を処理対象帯域とし、その処理対象帯域全体の信号についての確率密度関数と、処理対象帯域のうち直流とその近傍を除いた周波数範囲のうち異なる複数の帯域から抽出した信号についての確率密度関数に基づいて、物品重量を推定しており、この方式を「多チャネルPFD測定手法」と呼ぶことにする。 Based on the above preparation, the signal processing method of the present invention will be described. In the present invention, the entire band set as the processing target for the measurement signal including the direct current corresponding to the weight value of the article and the harmful noise component superimposed thereon is set as the processing target band, and the signal of the entire processing target band This method estimates the weight of an article based on the probability density function for, and the probability density function for signals extracted from different bands in the frequency range excluding the direct current and its vicinity in the processing target band. Will be referred to as a “multi-channel PFD measurement technique”.
図2は、本発明の多チャネルPDF測定手法の処理手順を示す図である。
前記した計量コンベア方式で用いられる荷重センサ(計量コンベアの計量器)に物品が負荷(搬入)されてからその負荷が解除(搬出)されるまでに荷重センサから出力される計量信号は、図2の(a)のような、台形波に雑音信号が重畳された波形となる。
FIG. 2 is a diagram showing a processing procedure of the multi-channel PDF measurement technique of the present invention.
The weighing signal output from the load sensor until the load is released (carrying out) after the article is loaded (carrying in) on the load sensor (the weighing conveyor weighing device) used in the above-described weighing conveyor system is shown in FIG. (A) becomes a waveform in which a noise signal is superimposed on a trapezoidal wave.
この計量信号を、測定基準タイミング(物品搬入タイミングが適切である)t=0から時間Tp(秒)毎に分割し、その各時間信号を図2の(b)のように、周波数軸上で配置したフィルタ群(CH0〜CHN)に入力し、各フィルタの出力時間信号を観測する。 This weighing signal is divided every time Tp (seconds) from measurement reference timing (appropriate article delivery timing) t = 0, and each time signal is divided on the frequency axis as shown in FIG. Input to the arranged filter group (CH 0 to CH N ), and observe the output time signal of each filter.
ここで、フィルタCH0は、処理対象帯域全体を通過させるLPF型のフィルタとし、他のフィルタCH1〜CHNはBPF型で、処理対象帯域のうち直流とその近傍を除いた周波数範囲内で異なる複数Nの部分帯域の信号を選択的に通過させるように設定されている。なお、フィルタCH0は、他のフィルタの前段で計量信号に対して帯域制限してもよく、A/D変換処理前に用いる帯域制限フィルタを兼用してもよい。 Here, the filter CH 0 is an LPF type filter that allows the entire processing target band to pass, and the other filters CH 1 to CH N are BPF type, and within the frequency range excluding the direct current and the vicinity thereof in the processing target band. Different N subband signals are set to selectively pass therethrough. The filter CH 0 may limit the band of the measurement signal before the other filter, and may also serve as a band limiting filter used before the A / D conversion process.
そして、図2の(c)のように、各フィルタ(CH0〜CHN)から出力される時間信号のPDF値をそれぞれ求め、そのPDF値から、APD値、期待値E[x]等を計算する。 Then, as shown in FIG. 2C, the PDF value of the time signal output from each filter (CH 0 to CH N ) is obtained, and the APD value, the expected value E [x], etc. are obtained from the PDF value. calculate.
フィルタCH1の出力(全帯域信号)に対して算出された期待値には、取得したい物品の重量値(直流値)に対応した成分値だけでなく、過渡振動や床振動等の周波数が異なる雑音成分の影響による成分値が含まれているが、これらの雑音成分値は、他の複数NのフィルタCH1〜CHNの出力に対する期待値に現れる。 The expected value calculated for the output of the filter CH 1 (full-band signal) is not only the component value corresponding to the weight value (DC value) of the article to be acquired, but also the frequency of transient vibration, floor vibration, etc. Although the component value by the influence of a noise component is contained, these noise component values appear in the expected value with respect to the outputs of the other N filters CH 1 to CH N.
したがって、図2の(d)のように、フィルタCH0の出力についての処理帯域全体における期待値E0[x]から、フィルタCH1〜CHNの出力について得られる各期待値E1[x]〜EN[x]の成分を除去し、その除去後の値から物品重量を推定することで、多種の雑音成分の影響下での重量推定を正確に行うことができる。なお、フィルタCH1〜CHNの出力について得られる期待値E1[x]〜EN[x]に関しては、その全てを採用する必要はなく、測定精度に応じて設定したしきい値と比較し、しきい値以下の期待値を無視することも可能である。 Therefore, as shown in (d) of FIG. 2, each expected value E 1 [x obtained for the outputs of the filters CH 1 to CH N from the expected value E 0 [x] in the entire processing band for the output of the filter CH 0. ] To E N [x] are removed, and the weight of the article is estimated from the value after the removal, thereby accurately estimating the weight under the influence of various noise components. Note that it is not necessary to employ all of the expected values E 1 [x] to E N [x] obtained for the outputs of the filters CH 1 to CH N , and they are compared with the threshold values set according to the measurement accuracy. It is also possible to ignore expected values below the threshold.
また、後述するように、物品の重量値検出の目的だけでなく、測定対象の物品の種類毎に、全帯域および部分帯域についての確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等を記憶しておき、次に測定対象となる物品について新たに求めた確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等のデータと、その物品について過去の測定で得られた確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等のデータとを比較することで、計量部の動作(例えばモータの回転ムラ等)や運転環境の変化(床振動の増減)等を把握することができ、それらに影響されて測定結果に大きな誤差が含まれることを未然に防止する状態管理目的で用いることも可能である。 As will be described later, not only the purpose of detecting the weight value of an article, but also the probability density function PDF, cumulative probability density APD, and expected value E [x] for all bands and partial bands for each type of article to be measured. , Etc., and the data such as the probability density function PDF, cumulative probability density APD, expected value E [x] newly obtained for the article to be measured, and the article were obtained by past measurement. By comparing the data such as probability density function PDF, cumulative probability density APD, expected value E [x], etc., the operation of the measuring unit (eg, motor rotation unevenness), the operating environment change (increase / decrease in floor vibration), etc. It is also possible to use for the purpose of state management to prevent a measurement result from containing a large error by being influenced by them.
なお、上記方式において、計量信号のどのタイミングの信号をどの長さで取り込むかによって、算出される各期待値が異なってくるが、その取得タイミングを変えながらサンプル品の計量を繰り返し、必要な精度で重量推定が行える時間帯を求めてから、実際の計量運転を開始すればよい。 In the above method, each expected value calculated varies depending on which timing signal of the weighing signal is captured and at which length, but the sample product is repeatedly weighed while changing the acquisition timing to obtain the required accuracy. It is only necessary to start the actual weighing operation after obtaining a time period during which the weight can be estimated by.
図3は、上記原理を用いた信号処理装置20の全体構成を示している。この信号処理装置20は、図4に示す計量部10からの計量信号を処理対象とする。
FIG. 3 shows the overall configuration of the
計量部10は、荷重センサ11で支持された計量コンベア12に対して前段コンベア13から物品Wを搬入し、計量コンベア12を搬送された物品Wを後段コンベア14に搬出する構造を有しており、計量コンベア12に対する物品Wの搬入タイミングは、搬入センサ15によって検知される。また、ここでは説明を簡単にするために、計量コンベア12から出力される計量信号s(t)は、コンベア重量分が差し引かれたものとして扱うが、コンベア重量分を後述処理のいずれかの段階で差し引いて物品重量を求めてもよい。
The weighing
計量部10からの計量信号s(t)は、図3に示しているように、A/D変換部21に入力され、デジタルのデータ列に変換されてフィルタブロック22に入力される。
As shown in FIG. 3, the weighing signal s (t) from the weighing
フィルタブロック22は、処理対象帯域全体を通過させるLPF型のフィルタCH0と、その全帯域のうち直流およびその近傍を除く周波数範囲内で複数Nの異なる部分帯域に対応した信号成分を抽出するBPF型のフィルタCH1〜CHNによって構成されており、フィルタCH0から出力される全帯域信号S0は、全帯域データ処理部25に入力される。
The filter block 22 extracts an LPF type filter CH 0 that allows the entire processing target band to pass through, and a BPF that extracts signal components corresponding to a plurality of N different partial bands within the frequency range excluding the direct current and the vicinity thereof in the entire band. is constituted by the type of
全帯域データ処理部25は、計量部10の搬入センサ15からの信号を受けてから、予め設定された時間Ta経過後の一定期間TpにフィルタCH0から出力される全帯域信号S0についての確率密度関数PDF等を算出する。
The all-band
より具体的に説明すると、全帯域信号S0を正規化処理部26に入力し、負のデータなどが生じた時は全体として正のデータにするシフト処理などを行い、その正規化した値を対数変換部27によって対数変換し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化する。なお、対数変換部27は、多数のデータの処理を円滑にするためであり、この構成を省くこともできる。
More specifically, the full bandwidth signal S 0 is input to the
そして、この対数値をPDF演算部28に入力する。PDF演算部28は、入力される対数値の各出現頻度(ヒストグラム)を求め、これを一定時間Tpに入力されたデータ総数で割ることで、正規化された確率密度関数PDF0を算出する。
The logarithmic value is input to the
また、APD演算部29は、算出された確率密度関数PDF0を累積加算して、累積確率分布APD0を求める。なお、確率密度関数PDFと累積確率分布APDは継続して求めても良く、測定期間として1箇所又は複数箇所、さらに回数として1回又は複数回を任意に選択することができる。また、測定期間としては雑音成分のうち、測定に影響を与えると予測される最も低い周波数成分の1周期分(またはそれ以上)が好ましい。
Further, the
一方、フィルタCH1〜CHNから出力される部分帯域信号S1〜SNは、それぞれ部分帯域データ処理部30(1)〜30(N)に入力される。
Meanwhile,
これら複数Nの部分帯域データ処理部30(1)〜30(N)は、全帯域データ処理部25と同一構成であり、前記一定期間TpにそれぞれのフィルタCH1〜CHNから出力される部分帯域信号S1〜SNについての確率密度関数PDF1〜PDFN等を求める。
These N partial band data processing units 30 (1) to 30 (N) have the same configuration as the full band
即ち、各部分帯域信号S1〜SNをそれぞれ正規化処理部31に入力し、負のデータなどが生じた時は全体として正のデータにするシフト処理などを行い、その正規化した値をそれぞれ対数変換部32によって対数変換し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化する。 That is, each of the partial band signals S 1 to S N is input to the normalization processing unit 31, and when negative data or the like is generated, a shift process or the like is performed to make the data positive as a whole. Each logarithmic conversion unit 32 performs logarithmic conversion, and the logarithmic value is quantized in units of accuracy to be measured.
そして、この対数値をそれぞれPDF演算部33に入力し、入力される対数値の各出現頻度(ヒストグラム)を求め、これを一定時間Tpに入力されたデータ総数で割ることで、正規化された確率密度関数PDF1〜PDFNをそれぞれ算出し、それをAPD演算部34によって累積加算して、累積確率分布APD1〜APDNをそれぞれ求める。
Then, the logarithmic values are respectively input to the PDF calculation unit 33, the appearance frequencies (histograms) of the input logarithmic values are obtained, and normalized by dividing this by the total number of data input at a certain time Tp. calculating a
このようにして得られた各情報は、重量推定部40に入力される。重量推定部40は、全帯域データ処理部25で得られた確率密度関数PDF0と、各部分帯域データ処理部30(1)〜30(N)で得られた確率密度関数PDF1〜PDFNとに基づいて、物品Wの重量を推定する。
Each information obtained in this way is input to the
具体的には、前記したように、各確率密度関数からそれぞれ求めた期待値E0[x]、E1[x]〜EN[x]を用い、例えば、次の演算によって物品重量に対応した期待値EW[x]を求める。なお、ここで期待値とは、一定時間Tpに出現する全ての確率変数(この場合振幅値)について、その値と頻度の積の累計を出現総数で除算した値であり、簡単に言えば、一定時間Tpに出力される信号振幅の単純平均に対応している。 Specifically, as described above, the expected values E 0 [x] and E 1 [x] to E N [x] obtained from each probability density function are used, for example, corresponding to the weight of the article by the following calculation. The expected value E W [x] is obtained. Here, the expected value is a value obtained by dividing the total of the product of the value and the frequency by the total number of appearances for all random variables (in this case, amplitude values) appearing at a certain time Tp. This corresponds to a simple average of signal amplitudes output at a certain time Tp.
EW[x]=E0[x]−ΣEi[x]
ただし、記号Σはi=1〜Nの総和を示す
E W [x] = E 0 [x] −ΣE i [x]
The symbol Σ indicates the sum of i = 1 to N.
そして、この期待値EW[x]を重量換算することで、物品Wの重量値を得ることができる。 The weight value of the article W can be obtained by converting the expected value E W [x] by weight.
一方、データ管理部50は、過去に測定したときの全帯域および部分帯域についての確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等を物品の種別情報等とともに記憶しておき、次に測定対象となる物品について新たに求めた確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等のデータと、その物品について過去の測定で得られた確率密度関数PDF、累積確率密度APD、期待値E[x]等のデータとを比較する。
On the other hand, the
ここで、例えば、計量部10の動作変調(例えばモータの回転ムラ等)や、運転環境変化(床振動の増減)等があると、全帯域および部分帯域についての確率密度関数PDFの期待値や中間値、累積確率密度APDのパターンに変化が現れるので、その変化の度合いに応じて、重量推定部40に対して重量推定処理の許可、不許可の指示を与え、計量部10の状態変化に影響されて大きな測定誤差が生じることを未然に防止する。
Here, for example, when there is an operation modulation of the measuring unit 10 (for example, uneven rotation of the motor) or a change in the operating environment (increase / decrease in floor vibration), the expected value of the probability density function PDF for all bands and partial bands, Since a change appears in the pattern of the intermediate value and the cumulative probability density APD, the
以下、上記構成の信号処理装置20の動作について、3チャネルフィルタ(N=2)でシミュレーションした結果について説明する。
Hereinafter, the result of simulating the operation of the
APD確率分布を算出するために必要なサンプリング数は現象を把握する上では大きいほどよいが、それに応じて計算時間も長くなってしまうので、ここでは、センサ信号帯域が有する最大周波数の10倍程度の時間でサンプリングしたデータを用いる。 The larger the number of samplings necessary for calculating the APD probability distribution, the better for grasping the phenomenon. However, the calculation time also increases accordingly, and here, about 10 times the maximum frequency of the sensor signal band. Data sampled at the time is used.
また、シミュレーション条件として、全帯域用のフィルタCH0は1kHzの信号帯域矩形フィルタ、部分帯域用のフィルタCH1は、遮断周波数が20Hz(低域)と400Hz(高域)のBPF、フィルタCH2は400Hz〜600Hzの直線位相特性のBPFである。また、計量信号としては、図5に示す計量信号の実測データ(重量真値を90.3409dBと見積もっている)を用いている。 Further, as simulation conditions, the filter CH 0 for the entire band is a 1 kHz signal band rectangular filter, the filter CH 1 for the partial band is a BPF having a cutoff frequency of 20 Hz (low band) and 400 Hz (high band), and a filter CH 2. Is a BPF with a linear phase characteristic of 400 Hz to 600 Hz. As the measurement signal, the measurement data of the measurement signal shown in FIG. 5 (the true weight value is estimated to be 90.3409 dB) is used.
測定対象時間Tpは、計量信号に含まれる固有振動周波数30Hzの一周期分を包含するのに必要な50m秒とし、物品の負荷開始タイミングから700〜750m秒の期間を測定するものとする。
The measurement target time Tp is 50 milliseconds required to include one period of the
各フィルタCH0、CH1、CH2の出力に対するPDF/APDの測定結果を、図6、図7、図8に示す。各図で横軸は対数振幅レベル値(dB)、縦軸が確率を示す。PDF値は10倍して表示している。また、フィルタCH1、CH2の出力は振動雑音などの交流成分であるが、比較し易いように定数α(65535/2=90.3088dB表示)を加算して表示している。 The measurement results of PDF / APD for the outputs of the filters CH 0 , CH 1 , and CH 2 are shown in FIGS. In each figure, the horizontal axis indicates the logarithmic amplitude level value (dB), and the vertical axis indicates the probability. The PDF value is displayed 10 times larger. The outputs of the filters CH 1 and CH 2 are alternating current components such as vibration noise, but are added and displayed with a constant α (65535/2 = 90.3088 dB display) for easy comparison.
図6、図7のフィルタCH0、CH1の結果から、測定期間内の振動成分の周波数挙動を微視的/巨視的に観測することができる。つまり、この例では図6の全帯域のPDF特性は、図7のCH1のPDF特性と類似(高い相関性をもつ)していることから、全帯域の特性の分散(つまり雑音成分)は、CH1の成分が支配的であり、CH2の振動雑音成分は観測できないほど小さいレベルであることが明確に容易に把握できる。 From the results of the filters CH 0 and CH 1 in FIGS. 6 and 7, the frequency behavior of the vibration component within the measurement period can be observed microscopically / macroscopically. That is, in this example, the PDF characteristic of the entire band in FIG. 6 is similar (has high correlation) to the PDF characteristic of CH 1 in FIG. , CH 1 components are dominant, and it can be clearly and easily understood that the vibration noise components of CH 2 are so small that they cannot be observed.
図6のCH0の成分は、振動成分CH1、CH2の成分を含んでいるため、重量推定値としては、線形性を前提にすると、前記したように、CH0の期待値E0[x]からCH1、CH2の期待値E1[x]、E2[x]を除去することで、精度の高い推定値が得られることがわかる。
Component of CH 0 in FIG. 6, because it contains components of
その計算結果を以下に示す。ただし、CH1、CH2の計算結果には、前記定数αが加算されている。
CH0の期待値E0[x]=90.3064dB
CH1の期待値E1[x]+α=90.2475dB
CH2の期待値E2[x]+α=90.3103dB
物品重量推定値EW[x]=90.3659dB
The calculation results are shown below. However, the constant α is added to the calculation results of CH 1 and CH 2 .
Expected value E 0 [x] of CH 0 = 90.3064 dB
Expected value E 1 [x] + α = 90.2475 dB of CH 1
Expected value of CH 2 E 2 [x] + α = 90.3103 dB
Article weight estimated value E W [x] = 90.3659 dB
この結果から、複数の部分帯域の期待値分を除去して得られた物品重量推定値EW[x](=90.3659dB)は、全帯域について得られた期待値E0[x](=90.3064dB)よりも真値R(=90.3409dB)に近いことが確認された。 From this result, the estimated product weight E W [x] (= 90.3659 dB) obtained by removing the expected values of the plurality of partial bands is the expected value E 0 [x] ( It was confirmed that it was closer to the true value R (= 90.3409 dB) than = 90.3064 dB).
なお、上記実施形態では、全帯域および部分帯域について求めた確率密度関数PDFからその期待値を求めて重量推定を行っていたが、確率密度関数PDFの分布が、真の重量振幅値の周りに発生する一様な雑音分布で、その分布形状が対称性を有しているとみなされるときには、前記各期待値の代わりに、確率密度関数PDFが存在する確率変数の下限値min(x)と上限値max(x)の中間値、
C={max(x)−min(x)}/2
を用い、これに基づいて重量推定を行うようにしてもよい。
In the above embodiment, the expected value is obtained from the probability density function PDF obtained for the entire band and the partial band, and weight estimation is performed, but the distribution of the probability density function PDF is around the true weight amplitude value. When the generated uniform noise distribution is considered to have symmetry in the distribution shape, the lower limit value min (x) of the random variable in which the probability density function PDF exists is used instead of each expected value. Intermediate value of the upper limit value max (x),
C = {max (x) −min (x)} / 2
The weight may be estimated based on this.
このように、本発明の信号処理装置20は、計量信号に対して設定された処理対象帯域全体の信号についての確率密度関数PDFと、処理対象帯域から直流およびその近傍を除いた周波数範囲内の異なる複数の部分帯域から抽出した信号について確率密度関数PDFとを求め、それらに基づいて物品の重量を推定するようにしているから、詳細なモデリングを準備する必要がなく、多種の雑音成分の影響を確実に除去した精度の高い測定が行える。
As described above, the
なお、ここでは、計量コンベア方式の計量部からの計量信号に対する処理について説明したが、本発明は、荷重センサに対して物品の負荷とその解除を繰り返し行う計量装置であれば、同様に適用できる。例えば、計量器で支持され計量ホッパを複数設け、それらの計量ホッパに物品を投入して、その重量を求め、重量が求められた物品の組合せの中から、組合せ重量が目標範囲に入る組合せを選定してそれらをひとまとめに排出する組合せ計量装置においても本発明を適用できる。 Here, the processing for the weighing signal from the weighing conveyor type weighing unit has been described, but the present invention can be similarly applied to any weighing device that repeatedly loads and releases an article with respect to a load sensor. . For example, a plurality of weighing hoppers supported by a weighing instrument are provided, articles are put into these weighing hoppers, the weights thereof are obtained, and combinations in which the combined weight falls within the target range are determined from the combinations of articles for which the weights are obtained. The present invention can also be applied to a combination weighing device that selects and discharges them collectively.
10……計量部、11……計量器(荷重センサ)、12……計量コンベア、15……搬入センサ、20……信号処理装置、21……A/D変換部、22……フィルタブロック、25……全帯域データ処理部、30(1)〜30(N)……部分帯域データ処理部、26、31……正規化処理部、27、32……対数変換部、28、33……PDF演算部、29、34……APD演算部、40……重量推定部、50……管理部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
物品の荷重に対応する直流と該直流に重畳する雑音成分とを含む計量信号の処理対象帯域のうち、直流分およびその近傍を除く周波数範囲内で異なる複数(N)の部分帯域の信号成分(S1、S2、…、SN)を計量信号から抽出する複数(N)のフィルタ(CH1〜CHN)と、
前記荷重センサに物品が負荷されている所定期間における前記処理対象帯域全体の出力信号(S0)の振幅の確率密度関数(PDF0)を算出する全帯域データ処理部(25)と、
前記複数(N)の部分帯域の信号成分をそれぞれ受け、該各信号成分の振幅の前記所定期間における確率密度関数(PDF1〜PDFN)をそれぞれ算出する複数(N)の部分帯域データ処理部(30(1)〜30(N))と、
前記全帯域データ処理部で得られた確率密度関数と、前記部分帯域データ処理部で得られた確率密度関数に基づいて、前記物品の重量を推定する重量推定部(40)とを有していることを特徴とする信号処理装置。 In a signal processing device that receives a measurement signal output from a load sensor in a state where an article is loaded and performs processing for detecting a weight value of the loaded article,
Among the processing target bands of the measurement signal including the direct current corresponding to the load of the article and the noise component superimposed on the direct current, the signal components in a plurality of (N) subbands that are different within the frequency range excluding the direct current component and the vicinity thereof ( S 1, S 2, ..., a filter (CH 1 ~CH N) of the plurality (N) to be extracted from the weighing signal S N),
An all-band data processing unit (25) that calculates a probability density function (PDF 0 ) of the amplitude of the output signal (S 0 ) of the entire processing target band during a predetermined period when an article is loaded on the load sensor;
A plurality (N) of partial band data processing units respectively receiving the plurality (N) of partial band signal components and calculating probability density functions (PDF 1 to PDF N ) of the amplitudes of the respective signal components in the predetermined period. (30 (1) -30 (N)),
A probability density function obtained by the full-band data processing unit, and a weight estimation unit (40) for estimating the weight of the article based on the probability density function obtained by the partial-band data processing unit. A signal processing device.
物品の荷重に対応する直流と該直流に重畳する雑音成分とを含む計量信号の処理対象帯域のうち、直流分およびその近傍を除く周波数範囲内で異なる複数(N)の部分帯域の信号成分(S1、S2、…、SN)を計量信号から抽出する段階と、
前記荷重センサに物品が負荷されている所定期間における前記処理対象帯域全体の出力信号(S0)の振幅の確率密度関数(PDF0)と、前記所定期間における前記各部分帯域の信号成分の振幅の確率密度関数(PDF1〜PDFN)をそれぞれ算出する段階と、
前記算出した前記処理対象帯域全体の出力信号について得られた確率密度関数(PDF0)と、各部分帯域の信号成分について得られた確率密度関数(PDF1〜PDFN)とに基づいて前記物品の重量を推定する段階とを含むことを特徴とする信号処理方法。 In a signal processing method for receiving a measurement signal output from a load sensor in a state where an article is loaded and performing processing for detecting a weight value of the loaded article,
Among the processing target bands of the measurement signal including the direct current corresponding to the load of the article and the noise component superimposed on the direct current, the signal components in a plurality of (N) subbands that are different within the frequency range excluding the direct current component and the vicinity thereof ( Extracting S 1 , S 2 ,..., S N ) from the weighing signal;
Probability density function (PDF 0 ) of the amplitude of the output signal (S 0 ) of the entire processing target band during a predetermined period when an article is loaded on the load sensor, and the amplitude of the signal component of each partial band during the predetermined period Calculating respective probability density functions (PDF 1 to PDF N ) of
The article based on the probability density function (PDF 0 ) obtained for the calculated output signal of the entire processing target band and the probability density function (PDF 1 to PDF N ) obtained for the signal components of each partial band. Estimating the weight of the signal processing method.
前記算出された各確率密度関数の期待値または下限値と上限値の中間値を算出し、該算出値に基づいて前記物品の重量を推定することを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。 Estimating the weight comprises:
4. The signal processing method according to claim 3, wherein the expected value of each calculated probability density function or an intermediate value between a lower limit value and an upper limit value is calculated, and the weight of the article is estimated based on the calculated value. .
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