JP2014178242A - Noise reduction device of time-series measurement signal - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately reduce noise while suppressing time lag of an output signal even when a measurement signal by a load cell is rapidly changed.SOLUTION: An observation noise parameter calculation unit 13 calculates a standard deviation of a plurality of measurement signals obtained when calibrating a device having no test piece mounted thereon and stores it in a storage unit 14 as a parameter σrelating to the observation noise. During executing the measurement, a processing noise parameter calculation unit 12 acquires a gradient of the change based on a prescribed number of latest data values and assigns it to a Kalman filter 11 as a parameter σrelating to the processing noise. The Kalman filter 11 executes a correction based on an error between a state estimation using the parameters σand σand an actual measurement signal to smooth and output the measurement signal. The parameter σis dynamically changed according to a change in the measurement signal so as to appropriately reduce the noise while substantially following to the rapid change in the measurement signal.

Description

本発明は、時間経過に伴って順次得られる計測信号に重畳しているノイズを低減するノイズ低減装置に関する。本発明に係るノイズ低減装置は、例えば材料試験機に付設されたロードセル、電子天びんなどにより得られる計測信号に対して適用することができる。   The present invention relates to a noise reduction device that reduces noise superimposed on measurement signals obtained sequentially with time. The noise reduction device according to the present invention can be applied to a measurement signal obtained by, for example, a load cell attached to a material testing machine, an electronic balance, or the like.

材料試験機を用いた試験では、一般に、試験片に対し引張りや圧縮などの負荷を連続的に加え、その負荷により試験片に作用する試験力や、該試験片の伸びや縮みなどの変形を時々刻々と計測し、得られた試験力及び変形計測結果に基づいて材料の特性などを評価する。材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセルにより検出され、試験片の変形は歪み計によって検出される。このとき、例えばロードセルによる計測信号には様々な要因によるノイズが重畳するため、試験力を正確に求めるには重畳しているノイズをできるだけ除去する必要がある。   In a test using a material testing machine, generally, a load such as tension or compression is continuously applied to a test piece, and a test force acting on the test piece due to the load or a deformation such as elongation or shrinkage of the test piece is applied. Measurements are made every moment, and the characteristics of the materials are evaluated based on the test force and deformation measurement results obtained. In the material testing machine, the test force acting on the test piece is detected by a load cell, and the deformation of the test piece is detected by a strain gauge. At this time, for example, noise due to various factors is superimposed on the measurement signal from the load cell. Therefore, in order to accurately obtain the test force, it is necessary to remove the superimposed noise as much as possible.

従来一般に、ロードセル計測信号に重畳しているノイズを除去するために、移動平均を用いた平滑化処理が行われている(例えば特許文献1参照)。移動平均は移動平均長に含まれる複数の信号値の平均を計算するものであり、移動平均長が長いほど平滑化の効果は上がるものの、計測信号の急激な変化に追従できなくなる。そこで、ロードセル計測信号の急激な変化に追従するために、通常、得られた計測信号の変化の大きさに応じて移動平均長を変えるという適応的な演算処理が行われている。   Conventionally, in order to remove noise superimposed on a load cell measurement signal, a smoothing process using a moving average is performed (see, for example, Patent Document 1). The moving average is an average of a plurality of signal values included in the moving average length. Although the smoothing effect increases as the moving average length increases, it becomes impossible to follow a sudden change in the measurement signal. Therefore, in order to follow a rapid change in the load cell measurement signal, an adaptive calculation process is usually performed in which the moving average length is changed according to the magnitude of the change in the obtained measurement signal.

しかしながら、適応的に移動平均長を変えるようにしても、必ずしも適切な移動平均長が設定されるとは限らない。そのため、設定された移動平均長が適切でない場合に平滑化が十分に行われず、図9(a)に示すように、ロードセル計測信号に重畳しているノイズがかなり残ってしまうことがある。また、ノイズ除去効果を高めるために移動平均長を大きくすると、平滑化の効果は大きくなるが、急激な計測信号の変化に追従できなくなるだけでなく、図9(b)に示すように、出力信号に信号遅れが発生し計測結果に影響する。材料試験機では一般的にこの遅れを50[msec]以下に抑える必要あるが、移動平均によってノイズを十分に下げようとした場合に、信号遅れがその要求値を超えてしまうおそれがある。こうしたことから、計測信号の急激な変化に追従して、計測信号に重畳しているノイズをより的確に低減する新たな方法が求められている。   However, even if the moving average length is adaptively changed, an appropriate moving average length is not always set. Therefore, when the set moving average length is not appropriate, smoothing is not sufficiently performed, and as shown in FIG. 9A, noise superimposed on the load cell measurement signal may remain considerably. Further, if the moving average length is increased in order to enhance the noise removal effect, the smoothing effect is increased, but not only it becomes impossible to follow a sudden change in the measurement signal, but also an output as shown in FIG. 9B. A signal delay occurs in the signal and affects the measurement result. In a material testing machine, it is generally necessary to suppress this delay to 50 [msec] or less. However, when it is attempted to sufficiently reduce noise by a moving average, the signal delay may exceed the required value. For this reason, there is a need for a new method for more accurately reducing noise superimposed on the measurement signal by following a sudden change in the measurement signal.

なお、ロードセルにより得られる計測信号のみならず、例えば電子天秤などの計測装置により得られる計測信号においても同様のノイズが重畳し、同様の問題がある。   In addition to the measurement signal obtained by the load cell, the same noise is superimposed on the measurement signal obtained by a measurement device such as an electronic balance, for example, and there is a similar problem.

特開2001−330468号公報JP 2001-330468 A 特開平11−183242号公報(段落[0008]、図9等)JP-A-11-183242 (paragraph [0008], FIG. 9 etc.) 特開2002−6898号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-6898

ロードセル計測信号のノイズ低減処理にはリアルタイム性が必要である。計測信号が得られた時点における平滑化信号を略リアルタイムで推定する一手法としてカルマンフィルタが知られており、例えば特許文献2などには、カルマンフィルタを用いて計測信号に重畳している固有振動を除去することが開示されている。カルマンフィルタは、ノイズによって乱された計測信号に基づき、推定した状態量をその誤差が最小となるよう時々刻々と算出するフィルタであり、主にシステム自体で発生するプロセスノイズ(システムノイズ等ともいわれる)と計測信号に重畳される観測ノイズとに関するパラメータによって平滑化の度合いが調整される。   Real-time processing is required for noise reduction processing of load cell measurement signals. A Kalman filter is known as a method for estimating a smoothed signal at a time point when a measurement signal is obtained in substantially real time. For example, Patent Document 2 and the like remove a natural vibration superimposed on a measurement signal using the Kalman filter. Is disclosed. The Kalman filter is a filter that calculates an estimated state quantity from time to time based on a measurement signal disturbed by noise so that the error is minimized, and is mainly process noise (also referred to as system noise) generated in the system itself. The degree of smoothing is adjusted by parameters relating to the observation noise superimposed on the measurement signal.

しかしながら、カルマンフィルタを用いた場合でも、計測信号に重畳しているノイズを十分に除去するようにプロセスノイズに関するパラメータと観測ノイズに関するパラメータとを設定すると、計測信号が急激に変化した際にカルマンフィルタを経た出力信号が元の計測信号に追従できない、即ち、時間遅れが大きくなる、という問題が避けられない。   However, even when the Kalman filter is used, if the process noise parameter and the observation noise parameter are set so that the noise superimposed on the measurement signal is sufficiently removed, the Kalman filter passes when the measurement signal changes suddenly. The problem that the output signal cannot follow the original measurement signal, that is, the time delay becomes unavoidable.

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、計測信号が急激に変化したときでも出力の時間遅れを抑えつつ、該計測信号に重畳しているノイズを的確に除去することができる時系列計測信号のノイズ低減装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to suppress noise superimposed on the measurement signal while suppressing a time delay in output even when the measurement signal changes suddenly. An object of the present invention is to provide a noise reduction device for time-series measurement signals that can be accurately removed.

カルマンフィルタを始めとする各種フィルタでは、フィルタリングの特性(具体的にはフィルタの係数など)を入力信号の特性に応じて変化させる、いわゆる適応型制御が知られている。例えば特許文献3には、音声信号に重畳しているノイズをカルマンフィルタにより低減する装置において、ノイズを適切に除去する一方、音声信号自体の劣化をできるだけ防止することを目的として、入力音声信号の情報を判定してフィルタの強度を変更することが開示されている。本願発明者は、計測信号に重畳しているノイズを十分に除去しつつ、計測信号の急激な変化にも出力信号が良好に追従するようにするために、適応型制御を導入することに想到し、実測により得られたデータに基づくシミュレーション計算を繰り返すことで、ロードセルによる計測信号等に適用するのに適切な手法を見出し、本発明をするに至った。   In various filters including the Kalman filter, so-called adaptive control is known in which filtering characteristics (specifically, filter coefficients and the like) are changed in accordance with the characteristics of an input signal. For example, in Patent Document 3, in an apparatus for reducing noise superimposed on an audio signal by a Kalman filter, information on the input audio signal is used for the purpose of preventing noise from being appropriately removed and preventing deterioration of the audio signal itself as much as possible. And the strength of the filter is changed. The inventor of the present application has come up with the idea of introducing adaptive control in order to satisfactorily remove the noise superimposed on the measurement signal and ensure that the output signal follows the sudden change in the measurement signal. Then, by repeating the simulation calculation based on the data obtained by actual measurement, a method suitable for application to a measurement signal or the like by the load cell has been found and the present invention has been achieved.

即ち、上記課題を解決するために成された本発明は、時系列順に入力される離散化された計測信号に重畳しているノイズを低減するノイズ低減装置であって、
a)計測信号が変化しない条件の下で入力された複数の計測信号又は入力された計測信号が変化する前に得られた複数の計測信号に基づいて、後記観測ノイズに関するパラメータ値を算出する第1パラメータ算出部と、
b)時系列順に計測信号が入力される毎に、過去直近の所定個数の計測信号の変化の度合いに応じて後記プロセスノイズに関するパラメータ値を算出する第2パラメータ算出部と、
c)時系列順に計測信号が入力される毎に、該計測信号に対し前記第1パラメータ算出部により得られた観測ノイズに関するパラメータ値及び前記第2パラメータ算出部により得られたプロセスノイズに関するパラメータ値とに基づく平滑化処理を実行するカルマンフィルタと、
を備えることを特徴としている。
That is, the present invention made to solve the above problems is a noise reduction device for reducing noise superimposed on a discretized measurement signal input in time series order,
a) calculating a parameter value related to observation noise described later based on a plurality of measurement signals input under conditions where the measurement signal does not change or a plurality of measurement signals obtained before the input measurement signal changes; One parameter calculation unit;
b) a second parameter calculation unit that calculates a parameter value related to process noise, which will be described later, in accordance with the degree of change in a predetermined number of measurement signals in the past each time a measurement signal is input in chronological order;
c) Each time a measurement signal is input in chronological order, a parameter value related to observation noise obtained by the first parameter calculation unit and a parameter value related to process noise obtained by the second parameter calculation unit for the measurement signal A Kalman filter that executes a smoothing process based on
It is characterized by having.

ここで、ノイズ低減の対象である「時系列順に入力される離散化された計測信号」とは、典型的には、ロードセルによる計測信号や電子天秤などによる計測信号のように、当初、計測信号のレベルが略一定に保たれる状態から或る時点でそのレベルが一方向(大きくなる方向又は小さくなる方向)に急激に又は緩慢に変化するような計測信号をデジタル化したものである。   Here, the “discretized measurement signal input in chronological order” that is the object of noise reduction is typically a measurement signal initially such as a measurement signal from a load cell or a measurement signal from an electronic balance. The measurement signal is digitized such that the level changes abruptly or slowly in one direction (in the direction of increasing or decreasing) at a certain point from the state in which the level of is maintained substantially constant.

本発明では、カルマンフィルタを利用して計測信号を平滑化し該計測信号に重畳しているノイズを除去するが、該カルマンフィルタにおいて現時点でのシステム状態を推定し実際の観測値に基づき該推定値を補正する際に用いる少なくともプロセスノイズに関するパラメータ値を、離散化された計測信号が入力される毎に、過去直近の所定個数の計測信号の変化の度合いに応じて変更する。これにより、計測信号の変化量に応じてカルマンフィルタによる平滑化の度合いが動的に変化する。具体的には、計測信号の変化量が大きいほど、つまりは変化が急激であるほど、カルマンフィルタによる平滑化の度合いは抑えられる。その結果、計測信号が急激に変化するときでも、ノイズの除去効果を保ちつつ、計測信号に対して平滑化された出力信号の時間遅れは縮小する。   In the present invention, the Kalman filter is used to smooth the measurement signal and remove the noise superimposed on the measurement signal. The Kalman filter estimates the current system state and corrects the estimated value based on the actual observation value. The parameter value related to at least the process noise used in the process is changed according to the degree of change in the predetermined number of measurement signals in the past each time a discretized measurement signal is input. As a result, the degree of smoothing by the Kalman filter dynamically changes according to the amount of change in the measurement signal. Specifically, the greater the amount of change in the measurement signal, that is, the more rapid the change, the lower the degree of smoothing by the Kalman filter. As a result, even when the measurement signal changes abruptly, the time delay of the output signal smoothed with respect to the measurement signal is reduced while maintaining the noise removal effect.

本発明に係るノイズ低減装置において、上記第2パラメータ算出部は例えば、過去直近の所定個数の計測信号に対する直線近似により求めた計測信号の平均的な傾斜をプロセスノイズに関するパラメータとする構成とすることができる。ここで、上記「所定個数」は予め実験的に定めておけばよい。   In the noise reduction device according to the present invention, for example, the second parameter calculation unit has a configuration in which an average inclination of a measurement signal obtained by linear approximation with respect to a predetermined number of measurement signals in the past is used as a parameter related to process noise. Can do. Here, the “predetermined number” may be experimentally determined in advance.

一方、上記第1パラメータ算出部は、計測信号が変化しない条件の下で入力された複数の計測信号又は入力された計測信号が変化する前に得られた複数の計測信号の標準偏差を計算し、得られた標準偏差を観測ノイズに関するパラメータ値とする構成とすることができる。   On the other hand, the first parameter calculation unit calculates a standard deviation of a plurality of measurement signals input under conditions where the measurement signal does not change or a plurality of measurement signals obtained before the input measurement signal changes. The obtained standard deviation can be used as a parameter value related to observation noise.

また、上記第1パラメータ算出部は、目的試料に対する計測に先立って実施される装置較正時に得られる複数の計測信号に基づいて観測ノイズに関する固定的なパラメータ値を算出する構成とすることができる。具体的に、試料に対する機械的計測を行う試験機に付設されたロードセルにより得られる計測信号のノイズを低減する場合には、上記第1パラメータ算出部は、試験機に試料を装着せずに実施される装置較正時に得られる複数の計測信号に基づいて観測ノイズに関する固定的なパラメータ値を算出する構成とすればよい。
この構成によれば、計測実行中には、観測ノイズに関するパラメータ値を時々刻々と計算する必要がないので、処理の負担を軽減することができ、例えば、比較的低性能で廉価なハードウエア(コンピュータやデジタルシグナルプロセッサなど)でも処理が可能である。
The first parameter calculation unit may be configured to calculate a fixed parameter value related to observation noise based on a plurality of measurement signals obtained at the time of device calibration performed prior to measurement of the target sample. Specifically, when the noise of the measurement signal obtained by the load cell attached to the test machine that performs mechanical measurement on the sample is reduced, the first parameter calculation unit is implemented without mounting the sample on the test machine. What is necessary is just to set it as the structure which calculates the fixed parameter value regarding observation noise based on the several measurement signal obtained at the time of the apparatus calibration performed.
According to this configuration, since it is not necessary to calculate the parameter value related to the observation noise every moment during the measurement, the processing load can be reduced. For example, relatively inexpensive and inexpensive hardware ( Processing is also possible with a computer or a digital signal processor.

他方、上記第1パラメータ算出部は、時系列順に入力された計測信号が変化を生じる前の期間中に得られた複数の計測信号に基づいて、観測ノイズに関するパラメータ値を算出する構成としてもよい。この構成では上記構成とは異なり、装置較正時等、実際の計測実行前に、観測ノイズに関する固定的なパラメータ値は算出されない。したがって、装置較正に要する時間を短縮することができる。   On the other hand, the first parameter calculation unit may be configured to calculate a parameter value related to observation noise based on a plurality of measurement signals obtained during a period before the measurement signals input in time series are changed. . In this configuration, unlike the above configuration, a fixed parameter value related to observation noise is not calculated before actual measurement execution, such as during device calibration. Therefore, the time required for apparatus calibration can be shortened.

また、本発明に係るノイズ低減装置では、
上記第2パラメータ算出部は、過去直近の所定個数の計測信号に対する直線近似により求めた計測信号の平均的な傾斜を第1のプロセスノイズに関するパラメータとし、
その平均的な傾斜の変化量に応じた第2のプロセスノイズに関するパラメータ値を算出する第3パラメータ算出部をさらに備え、
上記カルマンフィルタは、時系列順に計測信号が入力される毎に、観測ノイズに関するパラメータ値、第1のプロセスノイズに関するパラメータ値、及び、第2のプロセスノイズに関するパラメータ値に基づいて、三種類のシステム状態を推定した平滑化処理を実行する構成としてもよい。
In the noise reduction device according to the present invention,
The second parameter calculation unit uses, as a parameter relating to the first process noise, an average inclination of the measurement signal obtained by linear approximation to a predetermined number of measurement signals in the past.
A third parameter calculation unit that calculates a parameter value related to the second process noise according to the average change in inclination;
The Kalman filter has three types of system states based on a parameter value related to observation noise, a parameter value related to the first process noise, and a parameter value related to the second process noise every time measurement signals are input in time series. It is good also as a structure which performs the smoothing process which estimated this.

この構成によれば、処理は複雑になるものの、計測信号の変化量の微分値に相当する情報がカルマンフィルタの特性に反映されるので、特に計測信号が曲線的に急激に変化するときの出力信号の追従性及びノイズの低減効果が一層向上する。   According to this configuration, although the processing is complicated, the information corresponding to the differential value of the change amount of the measurement signal is reflected in the characteristics of the Kalman filter, so that the output signal particularly when the measurement signal changes abruptly in a curve Followability and noise reduction effect are further improved.

本発明に係る時系列計測信号のノイズ低減装置によれば、例えばロードセルによる試験力信号などの計測信号の変化量に応じて平滑化の度合いが動的に調整されるので、計測信号が急激に変化したときでもその変化に追従し、大きな時間遅れなく計測時間全般に亘って計測信号に重畳しているノイズを十分に低減することができる。
また、計測の実行毎にユーザが試行錯誤的に観測ノイズやプロセスノイズに関するパラメータ値を設定する必要がなくなるので、ユーザの負担が軽減されるとともに、ユーザが誤って不適切なパラメータ値を設定してしまうことによる無駄なデータ収集を防止することもできる。
According to the noise reduction device for time-series measurement signals according to the present invention, for example, the degree of smoothing is dynamically adjusted according to the amount of change in the measurement signal such as the test force signal by the load cell. Even when it changes, it is possible to follow the change and sufficiently reduce the noise superimposed on the measurement signal over the entire measurement time without a large time delay.
In addition, it is not necessary for the user to set parameter values related to observation noise and process noise by trial and error each time measurement is performed, which reduces the burden on the user and allows the user to set inappropriate parameter values by mistake. It is also possible to prevent wasteful data collection due to the error.

本発明の一実施例であるロードセル計測信号ノイズ低減装置の概略構成図。The schematic block diagram of the load cell measurement signal noise reduction apparatus which is one Example of this invention. カルマンフィルタに用いられるパラメータ設定の概念図。The conceptual diagram of the parameter setting used for a Kalman filter. 本実施例のノイズ低減装置における事前処理のフローチャート。The flowchart of the pre-processing in the noise reduction apparatus of a present Example. 本実施例のノイズ低減装置におけるリアルタイムで実行されるノイズ低減処理のフローチャート。The flowchart of the noise reduction process performed in real time in the noise reduction apparatus of a present Example. 本実施例によるノイズ低減処理を実行した場合の計測信号(試験力)と処理後の出力との一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement signal (test force) at the time of performing the noise reduction process by a present Example, and the output after a process. 本実施例によるノイズ低減処理を実行した場合の計測信号(試験力)と処理後の出力との一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement signal (test force) at the time of performing the noise reduction process by a present Example, and the output after a process. 本実施例によるノイズ低減処理を実行した場合の計測信号(試験力)と処理後の出力との一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement signal (test force) at the time of performing the noise reduction process by a present Example, and the output after a process. 本実施例によるノイズ低減処理を実行した場合の出力と従来法による出力との比較の一例を示す図。The figure which shows an example of the comparison with the output at the time of performing the noise reduction process by a present Example, and the output by a conventional method. 従来の移動平均を用いた場合の計測信号(試験力)と処理後の出力との一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement signal (test force) at the time of using the conventional moving average, and the output after a process.

以下、本発明の一実施例であるロードセル計測信号ノイズ低減装置について添付図面を参照して説明する。
図示しない引張試験機等に装備されているロードセル2の出力であるアナログ計測信号(試験力)はアナログ-デジタル変換器(ADC)3に入力され、アナログ-デジタル変換器3において所定時間間隔でサンプリングされてデジタルデータに変換される。このデジタルデータがノイズ低減装置1に入力され、原計測信号に重畳しているランダム性のノイズが低減されて出力される。ノイズ低減装置1は、カルマンフィルタ11、プロセスノイズパラメータ計算部12、観測ノイズパラメータ計算部13、観測ノイズパラメータ記憶部14などから構成される。カルマンフィルタ11は予測演算部111、補正演算部112などを含む。
Hereinafter, a load cell measurement signal noise reduction apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
An analog measurement signal (test force) that is an output of the load cell 2 equipped in a tensile tester (not shown) is input to an analog-digital converter (ADC) 3 and sampled at a predetermined time interval in the analog-digital converter 3. And converted into digital data. This digital data is input to the noise reduction device 1, and random noise superimposed on the original measurement signal is reduced and output. The noise reduction apparatus 1 includes a Kalman filter 11, a process noise parameter calculation unit 12, an observation noise parameter calculation unit 13, an observation noise parameter storage unit 14, and the like. The Kalman filter 11 includes a prediction calculation unit 111, a correction calculation unit 112, and the like.

本実施例のロードセル計測信号ノイズ低減装置の動作を説明するに先立って、まず、カルマンフィルタを用いた平滑化処理の概要について説明する。   Prior to describing the operation of the load cell measurement signal noise reduction apparatus of the present embodiment, first, an outline of smoothing processing using a Kalman filter will be described.

カルマンフィルタはノイズによって乱された観測値に基づいて、ガウス白色ノイズを受ける線形システムの状態ベクトルの最小二乗推定値を逐次的に、つまりは新たな観測値が得られる毎に算出するアルゴリズムである。
いま、或る測定時点kにおける真のシステム状態xkが、一測定時点前(これをk−1とする)のシステム状態xk-1を用いて次の状態方程式で表されるものとする。
k=Fkk-1+wk …(1)
ここで、Fkはシステムの時間遷移に関する線形モデル、wkは時間遷移に関するノイズ(プロセスノイズ)であってその近似値はN(0,Qk)である。後述するが、Qkはプロセスノイズ共分散行列である。
The Kalman filter is an algorithm that calculates a least-square estimation value of a state vector of a linear system that receives Gaussian white noise sequentially, that is, every time a new observation value is obtained, based on an observation value disturbed by noise.
Now, it is assumed that the true system state x k at a certain measurement time point k is expressed by the following state equation using the system state x k-1 one time before the measurement time point (this is k−1). .
x k = F k x k-1 + w k (1)
Here, F k is a linear model related to the time transition of the system, w k is noise (process noise) related to the time transition, and an approximate value thereof is N (0, Q k ). As will be described later, Q k is a process noise covariance matrix.

時刻kにおいて、観測値zkは真のシステム状態xkと次の関係にある。
k=Hkk+vk …(2)
ここで、Hkは状態空間から観測空間への写像モデル、vkは観測値に重畳している観測ノイズである。なお、(2)式は一般に観測方程式と呼ばれる。
At time k, the observed value z k has the following relationship with the true system state x k .
z k = H k x k + v k (2)
Here, H k is a mapping model from the state space to the observation space, and v k is an observation noise superimposed on the observation value. Equation (2) is generally called an observation equation.

カルマンフィルタでは、通常、二種類のシステム状態の推定値、即ち、測定時点k−1における測定時点kの状態推定値(事前状態推定値)である<xk|k-1>、及び、測定時点kにおける観測値zkを元に事前状態推定値<xk|k-1>を補正して得られる測定時点kでの状態推定値(事後状態推定値)である<xk|k>、を扱う。この二種類のシステム状態の推定値は次のような式で関係付けることができる。
<xk|k>=<xk|k-1>+Kk(zk−Hk<xk|k-1>) …(3)
ここで、Kkはカルマンゲインである。
In the Kalman filter, two kinds of estimated values of the system state, that is, <x k | k-1 >, which is a state estimated value (prior state estimated value) at the measurement time k at the measurement time k−1 , and the measurement time <x k | k > which is a state estimated value (post-state estimated value) at a measurement time point k obtained by correcting the prior state estimated value <x k | k-1 > based on the observed value z k at k . Handle. These two types of system state estimates can be related by the following equations.
<x k | k > = <x k | k-1 > + K k (z k −H k <x k | k−1 >) (3)
Here, K k is the Kalman gain.

カルマンフィルタは、次の(4)式による真のシステム状態xkと事後状態推定値<xk|k>との誤差の共分散(事後誤差共分散)を最小にするようにシステム状態量の推定を行う手法であるといえる。
k|k=E[(xk−<xk|k>)(xk−<xk|k>)T] …(4)
The Kalman filter estimates the system state quantity so as to minimize the error covariance (posterior error covariance) between the true system state x k and the posterior state estimate <x k | k > according to the following equation (4). It can be said that this is a technique for performing.
P k | k = E [(x k − <x k | k >) (x k − <x k | k >) T ] (4)

実際には、カルマンフィルタでは測定時点毎に、つまり時系列順に入力される新たな計測データが得られる毎に、以下の予測及び更新の演算を実行し、それによって平滑化処理結果を得る。
[予測演算]
或る測定時点から一つ前の測定時点におけるシステム推定状態に基づき、現測定時点のシステム推定状態として、システム状態の推定値<xk|k>及びシステム状態の誤差Pk|k-1を推定する。
<xk|k-1>=Fk<xk-1|k-1> …(5)
k|k-1=Fkk-1|k-1k T+Qk …(6)
ここで、Qkは次式によるプロセスノイズ共分散行列である。
k=[σa 2(Δt)2]
Actually, the Kalman filter performs the following prediction and update calculations at each measurement time point, that is, whenever new measurement data input in time series is obtained, thereby obtaining a smoothing process result.
[Prediction calculation]
Based on the system estimation state at the previous measurement time from a certain measurement time point, the system state estimation value <x k | k > and the system state error P k | k−1 are used as the system estimation state at the current measurement time point. presume.
<x k | k-1 > = F k <x k-1 | k-1 > (5)
P k | k−1 = F k P k−1 | k−1 F k T + Q k (6)
Here, Q k is a process noise covariance matrix according to the following equation.
Q k = [σ a 2 (Δt) 2 ]

[更新演算]
現測定時点における観測値を用い、上記のように求めたシステム状態の推定値を補正することでその値を更新する。即ち、最適カルマンゲインKk
k=(Pk|k-1k T)/(Hkk|k-1k T+Rk) …(7)
である。ここで、Rkは次式による観測ノイズ共分散行列である。
k=[σz 2]
上記カルマンゲインを持つカルマンフィルタを適用することで更新されたシステム状態の推定値は、次の(8)式となる。
<xk|k>=<xk|k-1>+Kk(zk−Hk<xk|k-1>) …(8)
また、更新されたシステム状態の誤差は(9)式となる。
k|k=(I−Kkk)Pk|k-1 …(9)
[Update calculation]
Using the observed value at the time of the current measurement, the value is updated by correcting the estimated value of the system state obtained as described above. That is, the optimal Kalman gain K k is K k = (P k | k -1 H k T) / (H k P k | k-1 H k T + R k) ... (7)
It is. Here, R k is an observation noise covariance matrix according to the following equation.
R k = [σ z 2 ]
The estimated value of the system state updated by applying the Kalman filter having the Kalman gain is expressed by the following equation (8).
<x k | k > = <x k | k−1 > + K k (z k −H k <x k | k−1 >) (8)
Further, the error of the updated system state is expressed by equation (9).
P k | k = (I−K k H k ) P k | k−1 (9)

上記予測演算及び更新演算を測定時点毎に繰り返すことで、観測値は平滑化され、該観測値に重畳しているノイズは低減されることになる。   By repeating the prediction calculation and update calculation for each measurement time point, the observed value is smoothed, and the noise superimposed on the observed value is reduced.

上述したようなカルマンフィルタを用いた平滑化アルゴリズムをロードセル計測信号(試験力)の平滑化に適用するために、カルマンフィルタの状態方程式として、試験力xを要素とするシステム状態xkについて、隣接する一つの測定時点k−1と次の測定時点kとの間に速度x'が与えられる運動式を設定した。即ち、状態方程式は上記(1)式と同じ(10)式である。
k=Fkk-1+wk …(10)
ここで、システム状態xkは[x]であってxは試験力(N)、システムの時間遷移変換Fkは[I]、プロセスノイズwkはx'Δtであってx'はその近似値がN(0,σa 2)である試験力の時間微分(N/sec)、Δtは各測定時点の時間間隔(sec)である。
In order to apply the smoothing algorithm using the Kalman filter as described above to the smoothing of the load cell measurement signal (test force), the system state x k having the test force x as an element as the state equation of the Kalman filter A kinematic equation that gives a velocity x ′ between one measurement time point k−1 and the next measurement time point k was set. That is, the equation of state is the same as equation (10) above (1).
x k = F k x k-1 + w k (10)
Here, the system state x k is [x], x is the test force (N), the time transition transformation F k of the system is [I], the process noise w k is x′Δt, and x ′ is an approximation thereof. The time derivative (N / sec) of the test force whose value is N (0, σ a 2 ), Δt is the time interval (sec) at each measurement time point.

一方、観測方程式は上記(2)式と同じ(11)式である。
k=Hkk+vk …(11)
ここで、zkは観測した試験力(N)、状態空間から観測空間への変換Hkは[I]、観測ノイズvkはおおよそN(0,σz 2)である。
On the other hand, the observation equation is the same equation (11) as the above equation (2).
z k = H k x k + v k (11)
Here, z k is the observed test force (N), the transformation H k from the state space to the observation space is [I], and the observation noise v k is approximately N (0, σ z 2 ).

即ち、このカルマンフィルタにおける平滑化処理を行うには、プロセスノイズに関するパラメータσaと観測ノイズに関するパラメータσzという二つのパラメータが必要である。ロードセル計測信号をリアルタイムで平滑化するためには、その二つのパラメータを事前に(つまりは計測前に)又は計測実行中に設定する必要がある。観測ノイズは本来計測信号が一定であるべき状態において観測されるノイズであり、一方、プロセスノイズは時間遷移に関するノイズであるから計測信号が変動するときに顕著になる。そこで、ここでは、プロセスノイズに関するパラメータσaと観測ノイズに関するパラメータσzとを次のように設定することとした。 That is, in order to perform the smoothing process in the Kalman filter, two parameters, a parameter σ a relating to process noise and a parameter σ z relating to observation noise, are necessary. In order to smooth the load cell measurement signal in real time, the two parameters need to be set in advance (that is, before measurement) or during measurement execution. The observation noise is noise that is observed in a state where the measurement signal should be constant. On the other hand, the process noise is noise related to time transition, and thus becomes prominent when the measurement signal fluctuates. Therefore, here, the parameter σ a relating to the process noise and the parameter σ z relating to the observation noise are set as follows.

図2はカルマンフィルタにおけるパラメータ設定の概念図である。
プロセスノイズに関するパラメータσaは、図2に示すように、現測定時点kから直近の過去の一定時間内に得られた複数の試験力の原信号(補正された信号ではない)に基づいて算出する。具体的には、直近の過去の100個の計測データ値を用いた直線近似を行い、その測定時点における平均的な信号の傾斜(N/sec)を求め、これをプロセスノイズに関するパラメータσaとした。計測実行中に新たな計測データが得られる毎に直近の過去の100個の計測データが1個ずつ入れ替わるから、その度毎に、プロセスノイズに関するパラメータσaは更新されることになる。
FIG. 2 is a conceptual diagram of parameter setting in the Kalman filter.
As shown in FIG. 2, the parameter σ a relating to process noise is calculated based on a plurality of original test force signals (not corrected signals) obtained within a certain past period from the current measurement time point k. To do. Specifically, linear approximation using the last 100 measured data values is performed, an average signal slope (N / sec) at the time of the measurement is obtained, and this is set as a parameter σ a relating to process noise. did. Each time new measurement data is obtained during measurement execution, the latest 100 measurement data are replaced one by one, so that the parameter σ a relating to process noise is updated each time.

一方、観測ノイズに関するパラメータσzは、図2に示すように試験力が略一定である期間中の計測データから求めた標準偏差を用いればよいが、これは実質的に事前に無負荷で行った結果を用いても大差ないので、事前に装置較正の一環として求めておくものとする。なお、事後状態推定値の初期値<x0|0>は[0]、システム状態の誤差の初期値P0|0は[1]とした。 On the other hand, the parameter σ z related to the observation noise may be a standard deviation obtained from measurement data during a period in which the test force is substantially constant as shown in FIG. Since there is no great difference even if the results are used, it is determined in advance as part of the calibration of the device. The initial value <x 0 | 0 > of the posterior state estimated value is [0], and the initial value P 0 | 0 of the system state error is [1].

図3は上記のようなアルゴリズムを用いた本実施例のノイズ低減装置における事前の処理のフローチャート、図4は計測実行中にリアルタイムで実行されるノイズ低減処理のフローチャートである。これらフローチャートに従って、本実施例のノイズ低減装置の具体的な動作を説明する。   FIG. 3 is a flowchart of prior processing in the noise reduction apparatus of the present embodiment using the algorithm as described above, and FIG. 4 is a flowchart of noise reduction processing executed in real time during measurement execution. The specific operation of the noise reduction apparatus of this embodiment will be described according to these flowcharts.

[観測ノイズに関するパラメータの事前設定]
引張試験機での試験対象である試験片に対する試験に先立って、準備試験として、試験片を試験機に装着せずに、つまり無負荷の状態で所定時間、試験力を計測する(ステップS1)。このときにロードセル2から出力された計測信号をアナログ-デジタル変換器3で変換して得られた計測データは、観測ノイズパラメータ計算部13に入力され一旦保持される。このときには、負荷変動がないので理想的には計測信号は一定となる筈であるが、種々のノイズの影響により、計測信号は微妙に変動する。観測ノイズパラメータ計算部13は、所定個数の計測データの変動量として標準偏差を計算し(ステップS2)、これを観測ノイズパラメータ記憶部14に格納する(ステップS3)。
[Pre-setting parameters for observation noise]
Prior to the test on the test piece to be tested with the tensile tester, as a preparatory test, the test force is measured for a predetermined time without mounting the test piece on the tester, that is, in an unloaded state (step S1) . At this time, measurement data obtained by converting the measurement signal output from the load cell 2 by the analog-to-digital converter 3 is input to the observation noise parameter calculation unit 13 and temporarily held. At this time, since there is no load fluctuation, the measurement signal should ideally be constant, but the measurement signal fluctuates slightly due to the influence of various noises. The observation noise parameter calculation unit 13 calculates a standard deviation as a fluctuation amount of a predetermined number of measurement data (step S2), and stores this in the observation noise parameter storage unit 14 (step S3).

[計測実行中の平滑化処理]
試験片を試験機に装着し、ユーザが図示しないボタン等により試験開始を指示すると、カルマンフィルタ11及びプロセスノイズパラメータ計算部12はそれぞれ、プロセスノイズのパラメータ値や試験力の初期値などを初期設定する(ステップS11)。
[Smoothing during measurement]
When the test piece is mounted on the tester and the user instructs the start of the test using a button or the like (not shown), the Kalman filter 11 and the process noise parameter calculation unit 12 respectively initialize the process noise parameter value and the initial value of the test force. (Step S11).

次に、カルマンフィルタ11において予測演算部111は、プロセスノイズに関するパラメータ値を用い、一つ前の測定時点におけるシステム推定状態から現測定時点におけるシステム状態及び試験力を推定する(ステップS12)。ただし、起動直後に実行される推定では、プロセスノイズに関するパラメータ値や一つ前の測定時点におけるシステム推定状態、試験力などは初期値が用いられる。   Next, in the Kalman filter 11, the prediction calculation unit 111 estimates the system state and the test force at the current measurement time from the system estimated state at the previous measurement time, using the parameter value related to the process noise (step S12). However, in the estimation performed immediately after startup, initial values are used for the parameter values related to process noise, the system estimation state at the previous measurement time, the test force, and the like.

次に、カルマンフィルタ11の補正演算部112及びプロセスノイズパラメータ計算部12は、アナログ-デジタル変換器3から出力された現測定時点における計測データ(試験力)を読み込む(ステップS13)。プロセスノイズパラメータ計算部12は現測定時点から過去の一定時間に得られバッファに蓄積しておいた複数(ここでは100個)の計測データから、上述したように現測定時点における平均的な信号の傾斜を求め、これをプロセスノイズに関するパラメータ値σaとしてカルマンフィルタ11へ引き渡す(ステップS14)。なお、上記説明から明らかなように、試験開始から一定時間が経過するまでは実測による計測データはバッファ内に貯まらないので、信号の傾斜がないものとしてプロセスノイズに関するパラメータ値σaを出力してもよい。 Next, the correction calculation unit 112 and the process noise parameter calculation unit 12 of the Kalman filter 11 read the measurement data (test force) output from the analog-digital converter 3 at the current measurement time (step S13). The process noise parameter calculation unit 12 obtains an average signal at the current measurement time from a plurality of (in this case, 100) measurement data obtained in the past fixed time from the current measurement time and accumulated in the buffer, as described above. The inclination is obtained and transferred to the Kalman filter 11 as a parameter value σ a relating to process noise (step S14). As is clear from the above description, measurement data obtained by actual measurement is not stored in the buffer until a certain time has elapsed from the start of the test. Therefore, the parameter value σ a relating to process noise is output assuming that there is no signal inclination. Also good.

次に、カルマンフィルタ11において補正演算部112は、現測定時点で得られた計測データ(試験力信号)と観測ノイズパラメータ記憶部14から読み出された値が固定された観測ノイズに関するパラメータσzを用い、ステップS12において推定された現測定時点におけるシステム状態及び試験力を補正する(ステップS15)。そして、補正演算部112はステップS15において補正された試験力をカルマンフィルタ適用結果として出力する(ステップS16)。 Next, in the Kalman filter 11, the correction calculation unit 112 sets the measurement data (test force signal) obtained at the time of the current measurement and the parameter σ z related to the observation noise to which the value read from the observation noise parameter storage unit 14 is fixed. The system state and test force at the current measurement time estimated in step S12 are corrected (step S15). And the correction | amendment calculating part 112 outputs the test force corrected in step S15 as a Kalman filter application result (step S16).

一個の計測データに対する補正後の試験力信号が出力されると、試験終了であるか否かが判定され(ステップS17)、未だ試験終了でなければステップS12へと戻る。ステップS12〜S16の処理を測定時点毎、つまりは新たな計測データが入力される毎に繰り返すことによって、原試験力信号が平滑化された試験力信号を示すデータが順次出力される。例えば図2に示すように、試験力信号がノイズを除けばほぼ一定である期間中は、プロセスノイズに関するパラメータσaはほぼ一定であるが、試験力信号が変化すると、それに応じてプロセスノイズに関するパラメータσaが変化する(大きくなる)。即ち、原試験力信号の変化に追従するようにプロセスノイズに関するパラメータσaが変化する。それによって、原試験力信号が急激に変化するときでも、出力信号の時間遅れを抑えながらノイズを十分に低減することができる。 When the corrected test force signal for one piece of measurement data is output, it is determined whether or not the test is finished (step S17), and if the test is not finished yet, the process returns to step S12. By repeating the processing of steps S12 to S16 for each measurement time point, that is, each time new measurement data is input, data indicating the test force signal obtained by smoothing the original test force signal is sequentially output. For example, as shown in FIG. 2, the parameter σ a relating to the process noise is substantially constant during a period in which the test force signal is substantially constant except for noise, but when the test force signal is changed, the process noise is correspondingly changed. The parameter σ a changes (becomes larger). That is, the parameter σ a related to the process noise changes so as to follow the change in the original test force signal. Thereby, even when the original test force signal changes abruptly, the noise can be sufficiently reduced while suppressing the time delay of the output signal.

[実測結果及びその評価]
本実施例のロードセル計測信号ノイズ低減装置を実際のロードセル計測信号に適用した実測結果について説明する。
図5は試験片として金属を用いて引張試験(試験速度:1mm/min)を実行したときの原信号(試験力)と平滑化処理後の出力との一例を示す図である。図6は試験片としてゴムを用いて引張試験(試験速度:100mm/min)を実行したときの原信号(試験力)と平滑化処理後の出力との一例を示す図である。図7は試験片としてゴムを用いて引張試験(試験速度:500mm/min)を実行したときの原信号(試験力)と平滑化処理後の出力との一例を示す図である。これら結果から、計測信号に重畳していたノイズは十分に低減され、しかも、計測信号の変化に対して出力信号が十分に追従していることが定性的に理解できる。
[Measurement results and evaluation]
An actual measurement result obtained by applying the load cell measurement signal noise reduction device of the present embodiment to an actual load cell measurement signal will be described.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an original signal (test force) and an output after smoothing processing when a tensile test (test speed: 1 mm / min) is performed using metal as a test piece. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an original signal (test force) and an output after smoothing processing when a tensile test (test speed: 100 mm / min) is performed using rubber as a test piece. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an original signal (test force) and an output after smoothing processing when a tensile test (test speed: 500 mm / min) is performed using rubber as a test piece. From these results, it can be qualitatively understood that the noise superimposed on the measurement signal is sufficiently reduced, and that the output signal sufficiently follows the change of the measurement signal.

図8は上述した本実施例によるノイズ低減方法と従来の移動平均によるノイズ低減方法とでの信号の時間遅れの比較を示す図であり、(a)は試験片がゴム、(b)は試験片が金属である場合の実測結果である。図8には原信号(平均値)からの50[msec]の時間遅れの範囲も併せて示してある。従来法では信号が変化するときに出力信号の時間遅れが50[msec]を超えてしまっているのに対し、本実施例による方法では出力信号の時間遅れが50[msec]に十分に収まっていることが分かる。これにより、本実施例によるノイズ低減方法は従来方法に比べて十分に高い追従性を示しているということができる。   FIG. 8 is a diagram showing a comparison of signal time delay between the above-described noise reduction method according to the present embodiment and the conventional noise reduction method based on moving average, in which (a) shows a test piece made of rubber, and (b) shows a test. It is an actual measurement result when a piece is a metal. FIG. 8 also shows a time delay range of 50 [msec] from the original signal (average value). In the conventional method, the time delay of the output signal exceeds 50 [msec] when the signal changes, whereas in the method according to this embodiment, the time delay of the output signal is sufficiently reduced to 50 [msec]. I understand that. Thereby, it can be said that the noise reduction method according to the present embodiment exhibits sufficiently high followability as compared with the conventional method.

また、原試験力信号の標準偏差と平滑化後の信号の標準偏差とを計算し、その比をノイズ低減効果を示す指標として求めたところ、原信号に重畳されているノイズは1/25〜1/35程度に低減されることが確認できた。これは、従来方法とほぼ遜色ない結果であり、本発明によるノイズ低減効果及び出力信号の高い追従性は定量的にも十分に確認することができた。   Further, when the standard deviation of the original test force signal and the standard deviation of the signal after smoothing are calculated and the ratio is obtained as an index indicating the noise reduction effect, the noise superimposed on the original signal is 1/25. It was confirmed that it was reduced to about 1/35. This is almost the same result as the conventional method, and the noise reduction effect and the high followability of the output signal according to the present invention can be sufficiently confirmed quantitatively.

なお、上記実施例によるノイズ低減装置では、観測ノイズに関するパラメータを事前に求め固定値としてカルマンフィルタに与えていたが、プロセスノイズに関するパラメータと同様に、計測実行中に得られた計測信号に基づいて観測ノイズに関するパラメータを求めるようにしてもよい。   In the noise reduction device according to the above embodiment, the parameter related to the observation noise is obtained in advance and given to the Kalman filter as a fixed value. However, similarly to the parameter related to the process noise, the observation is performed based on the measurement signal obtained during measurement You may make it obtain | require the parameter regarding noise.

また、上記実施例によるノイズ低減装置では、カルマンフィルタにおいて事前状態推定と事後状態推定値との二種のシステム状態を推定するようにしていたが、或る測定時点から一つ前の測定時点及び二つ前の測定時点のシステム状態を推定するようにし、その推定のために、計測信号の変化の度合いを示す信号の傾斜の変化量、つまりは該傾斜の微分値を第2のプロセス雑音に関するパラメータを用いる構成としてもよい。この構成では、当然のことながら、上記実施例の構成に比べて処理は複雑になるものの、特に計測信号が曲線状に変化する付近における出力信号の追従性をさらに改善することができる。   In the noise reduction device according to the above embodiment, the Kalman filter estimates the two types of system states, the prior state estimation and the posterior state estimation value. The system state at the time of the previous measurement is estimated, and for this estimation, the amount of change in the slope of the signal indicating the degree of change in the measurement signal, that is, the differential value of the slope is used as a parameter for the second process noise. It is good also as a structure using. In this configuration, as a matter of course, although the processing is complicated as compared with the configuration of the above-described embodiment, it is possible to further improve the followability of the output signal especially in the vicinity where the measurement signal changes in a curved shape.

また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。   Further, the above-described embodiments are merely examples of the present invention, and it is obvious that changes, modifications, and additions are appropriately included in the scope of the claims of the present application within the scope of the present invention.

1…ノイズ低減装置
11…カルマンフィルタ
111…予測演算部
112…補正演算部
12…プロセスノイズパラメータ計算部
13…観測ノイズパラメータ計算部
14…観測ノイズパラメータ記憶部
2…ロードセル
3…アナログ-デジタル変換器(ADC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Noise reduction apparatus 11 ... Kalman filter 111 ... Prediction calculating part 112 ... Correction calculating part
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Process noise parameter calculation part 13 ... Observation noise parameter calculation part 14 ... Observation noise parameter memory | storage part 2 ... Load cell 3 ... Analog-digital converter (ADC)

Claims (7)

時系列順に入力される離散化された計測信号に重畳しているノイズを低減するノイズ低減装置であって、
a)計測信号が変化しない条件の下で入力された複数の計測信号又は入力された計測信号が変化する前に得られた複数の計測信号に基づいて、後記観測ノイズに関するパラメータ値を算出する第1パラメータ算出部と、
b)時系列順に計測信号が入力される毎に、過去直近の所定個数の計測信号の変化の度合いに応じて後記プロセスノイズに関するパラメータ値を算出する第2パラメータ算出部と、
c)時系列順に計測信号が入力される毎に、該計測信号に対し前記第1パラメータ算出部により得られた観測ノイズに関するパラメータ値及び前記第2パラメータ算出部により得られたプロセスノイズに関するパラメータ値とに基づく平滑化処理を実行するカルマンフィルタと、
を備えることを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
A noise reduction device for reducing noise superimposed on a discretized measurement signal input in chronological order,
a) calculating a parameter value related to observation noise described later based on a plurality of measurement signals input under conditions where the measurement signal does not change or a plurality of measurement signals obtained before the input measurement signal changes; One parameter calculation unit;
b) a second parameter calculation unit that calculates a parameter value related to process noise, which will be described later, in accordance with the degree of change in a predetermined number of measurement signals in the past each time a measurement signal is input in chronological order;
c) Each time a measurement signal is input in chronological order, a parameter value related to observation noise obtained by the first parameter calculation unit and a parameter value related to process noise obtained by the second parameter calculation unit for the measurement signal A Kalman filter that executes a smoothing process based on
A noise reduction device for time-series measurement signals, comprising:
請求項1に記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であって、
前記第2パラメータ算出部は、過去直近の所定個数の計測信号に対する直線近似により求めた計測信号の平均的な傾斜をプロセスノイズに関するパラメータとすることを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
It is the noise reduction device of the time series measurement signal according to claim 1,
The second parameter calculation unit is a noise reduction device for time-series measurement signals, wherein an average slope of the measurement signal obtained by linear approximation with respect to a predetermined number of measurement signals in the past is used as a parameter relating to process noise.
請求項1又は2に記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であって、
前記第1パラメータ算出部は、計測信号が変化しない条件の下で入力された複数の計測信号又は入力された計測信号が変化する前に得られた複数の計測信号の標準偏差を計算し、得られた標準偏差を観測ノイズに関するパラメータ値とすることを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
A noise reduction device for a time-series measurement signal according to claim 1 or 2,
The first parameter calculation unit calculates a standard deviation of a plurality of measurement signals input under a condition in which the measurement signal does not change or a plurality of measurement signals obtained before the input measurement signal changes. A noise reduction device for time-series measurement signals, wherein the obtained standard deviation is used as a parameter value relating to observation noise.
請求項1〜3のいずれかに記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であって、
前記第1パラメータ算出部は、目的試料に対する計測に先立って実施される装置較正時に得られる複数の計測信号に基づいて観測ノイズに関する固定的なパラメータ値を算出することを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
A noise reduction device for a time-series measurement signal according to any one of claims 1 to 3,
The first parameter calculation unit calculates a fixed parameter value related to observation noise based on a plurality of measurement signals obtained at the time of device calibration performed prior to measurement of a target sample. Noise reduction device.
請求項4に記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であり、試料に対する機械的計測を行う試験機に付設されたロードセルにより得られる計測信号のノイズを低減する装置であって、
前記第1パラメータ算出部は、前記試験機に試料を装着せずに実施される装置較正時に得られる複数の計測信号に基づいて観測ノイズに関する固定的なパラメータ値を算出することを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
The apparatus for reducing noise of a time series measurement signal according to claim 4, wherein the apparatus reduces noise of a measurement signal obtained by a load cell attached to a test machine that performs mechanical measurement on a sample,
The first parameter calculation unit calculates a fixed parameter value related to observation noise based on a plurality of measurement signals obtained during apparatus calibration performed without mounting a sample on the test machine. Series measurement signal noise reduction device.
請求項1〜3のいずれかに記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であって、
前記第1パラメータ算出部は、時系列順に入力された計測信号が変化を生じる前の期間中に得られた複数の計測信号に基づいて、観測ノイズに関するパラメータ値を算出することを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
A noise reduction device for a time-series measurement signal according to any one of claims 1 to 3,
The first parameter calculation unit calculates a parameter value relating to observation noise based on a plurality of measurement signals obtained during a period before a measurement signal input in time series changes. Series measurement signal noise reduction device.
請求項1〜6のいずれかに記載の時系列計測信号のノイズ低減装置であって、
前記第2パラメータ算出部は、過去直近の所定個数の計測信号に対する直線近似により求めた計測信号の平均的な傾斜を第1プロセスノイズに関するパラメータとし、
前記平均的な傾斜の変化量に応じた第2プロセスノイズに関するパラメータ値を算出する第3パラメータ算出部をさらに備え、
前記カルマンフィルタは、時系列順に計測信号が入力される毎に、前記観測ノイズに関するパラメータ値、前記第1プロセスノイズに関するパラメータ値、及び前記第2プロセスノイズに関するパラメータ値に基づいて、三種類のシステム状態を推定した平滑化処理を実行することを特徴とする時系列計測信号のノイズ低減装置。
A noise reduction device for a time-series measurement signal according to any one of claims 1 to 6,
The second parameter calculation unit uses the average slope of the measurement signal obtained by linear approximation with respect to the predetermined number of measurement signals in the past as a parameter related to the first process noise,
A third parameter calculating unit that calculates a parameter value related to the second process noise according to the average amount of change in inclination;
The Kalman filter has three types of system states based on a parameter value related to the observation noise, a parameter value related to the first process noise, and a parameter value related to the second process noise every time measurement signals are input in chronological order. A noise reduction apparatus for a time-series measurement signal, characterized by executing a smoothing process for estimating the time series measurement signal.
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