KR101716481B1 - 이동평균 필터의 동작 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 입력값의 변화에 대한 추종 속도의 합리적 제어를 통해, 서지(surge)성 잡음에 대한 대처 능력을 상황에 따라 최적화 시킬 수 있도록 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이동평균 필터의 동작 제어 방법은, (a) 안정 기준값 및 이에 대응되는 샘플링 구간의 설정이 이루어지는 단계; (b) 측정 데이터의 입력이 이루어지는 단계; (c) 기본 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 단계 (b)의 측정 데이터를 이용한 제1 이동평균값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 이동평균값이 상기 안정 기준값 이상인 경우, 상기 단계 (a)에서 설정된 상기 안정 기준값에 대응되는 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 측정 데이터에 대한 제2 이동평균값을 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

이동평균 필터의 동작 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF MOVING AVERAGE FILTER}

본 발명은 이동평균 필터의 동작 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 입력값의 변화에 대한 추종 속도의 합리적 제어를 통해, 서지(surge)성 잡음(noise)에 대한 대처 능력을 상황에 따라 최적화 시킬 수 있도록 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법에 관한 것이다.

시간의 흐름에 따라 연속적으로 변하는 소리, 빛, 온도, 압력 또는 위치 등의 정보는 트랜스듀서(transducer)나 센서를 이용해 아날로그 전기 신호(전압이나 전류)로 변환 가능하다. 이렇게 변환된 전기 신호의 전압이나 전류, 주파수 등을 증폭, 검파 및 변환함으로써 정보를 전달하도록 구성된 전자회로를 아날로그 회로라 한다.

이러한 아날로그 회로는 잡음(noise)을 포함하게 된다. 잡음은 불규칙하게 변화하는 외부 신호로써, 원자와 같은 입자의 불규칙한 열 진동으로 발생한다. 잡음은 주로 잘못 설계된 부품의 사용이나 원거리 전송을 위한 신호의 반복 복사, 또는, 외부 전기 신호의 유입 등에 의해 발생되며, 신호에 불규칙한 변화를 증가시켜 원 신호의 레벨이 감소하는 현상 등을 유발한다.

아날로그 신호에 불규칙한 외부 잡음이 추가되면 최초 신호와의 구별이 어렵기 때문에 이의 처리를 위한 별도의 회로 또는 알고리즘을 사용함으로써 이와 같은 문제를 해결하게 된다.

잡음의 차폐를 위해서는 주로 노이즈 필터(Noise Filter)가 많이 이용되는데, 노이즈 필터 가운데 이동평균 필터의 경우 반응 속도와 차폐 성능은 상호 트레이드 오프(trade off) 관계를 갖는다. 즉, 이동평균 필터의 반응 속도가 향상될수록 잡음 차폐 성능은 감소하고, 잡음 차폐 성능을 향상시키기 위해서는 반응 속도를 감소시킬 수밖에 없다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 이동평균 필터의 반응 속도 및 잡음 차폐 성능을효율적으로 제어할 수 있도록 하기 위한 새로운 알고리즘을 제안하고자 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 입력값의 변화에 대한 추종 속도의 합리적 제어를 통해, 서지(surge)성 잡음에 대한 대처 능력을 상황에 따라 최적화 시킬 수 있도록 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 안정 기준값 및 이에 대응되는 샘플링 구간의 설정이 이루어지는 단계; (b) 측정 데이터의 입력이 이루어지는 단계; (c) 기본 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 단계 (b)의 측정 데이터를 이용한 제1 이동평균값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 이동평균값이 상기 안정 기준값 이상인 경우, 상기 단계 (a)에서 설정된 상기 안정 기준값에 대응되는 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 측정 데이터에 대한 제2 이동평균값을 산출하는 단계;를 포함하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 제공한다.

여기서, 본 발명은, 상기 단계 (a)를 통해 설정이 이루어지는 안정 기준값은 서로 다른 2 이상의 기준값을 포함할 수 있고, 이에 대응되도록 서로 다른 2 이상의 상기 샘플링 구간이 설정될 수 있다.

또한, 상기 단계 (a)의 안정 기준값 및 샘플링 구간은 현재의 노이즈 상황을 포함하는 필터링 환경에 따라 자동 설정되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 본 발명은, 상기 단계 (d)에 있어서, 상기 제2 이동평균값이 규정된 기준 시간 이상 상기 안정 기준값 미만 상태를 유지하는 경우, 상기 단계 (c)로 복귀하도록 구성될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 입력 조건의 변화에 대응되도록 이동평균 필터의 반응 속도와 잡음 차폐 성능이 효율적으로 변동될 수 있다는 장점이 있다.

이에 따라, 빠른 반응 속도 및 향상된 잡음 차폐 성능을 모두 제공할 수 있는 이동평균 필터의 제공이 가능할 수 있다는 등의 장점이 있다.

도 1은 이동평균값의 의미 및 산출 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 내지 도 3b는 종래 기술에 따른 이동평균 필터의 동작 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예가 적용된 이동평균 필터의 반응 속도를 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 이동평균값의 의미 및 산출 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

이동평균값은 일정 개수(평균 개수)의 입력값에 대한 실시간 평균값을 의미하며, 도 1을 참조하면, 평균 개수(l)가 4로 설정된 상황에서는 이동평균값을 산출하기 위해 매 샘플링 시점 마다 최근 4개의 입력값에 대한 평균값이 계산됨을 확인할 수 있다.

이동평균 필터는 이와 같은 이동평균값을 이용하여 잡음 등에 대한 필터링을 수행하게 되는데, 즉, 입력값을 평균 개수(l)만큼 누적하여 그 합에 대한 평균값을 매 샘플링 시점 마다 출력하는 알고리즘을 갖는다. 다시 말해, 입력되는 아날로그 전기 신호를 AD 컨버터 등을 이용해 변환시킨 AD 변환값(디지털 값)을 입력으로 하여, 이에 대응되는 출력값을 생성하게 된다. 여기서, 평균 개수(l)를 이동평균 필터 값이라 하며, 따라서, 도 1의 경우 이동평균 필터 값은 4가 된다.

다음의 <수학식 1>은 이동평균 필터가 이동평균 필터 값(l)을 이용해 출력값(이동평균값)을 산출하는 이동평균 처리 식을 나타내고 있다.

상기 <수학식 1>과 같은 이동평균 처리 식에 따르면, 현재 입력값(AD변환값(n))에 직전 (l - 1)개의 입력값을 모두 합한 후, 이를 이동평균 필터 값(평균개수(l))으로 나누어 줌으로써 출력값이 산출됨을 확인할 수 있다.

도 2a 내지 도 3b는 종래 기술에 따른 이동평균 필터의 동작 과정을 설명하기 위한 그래프로써, y축은 전압이나 무게 등과 같은 측정 데이터를 나타내며, x축은 일정한 간격 단위로 분할된 시간을 나타낸다. 가령, 전압이나 무게 등과 같은 입력 데이터에 대한 측정 주기가 1초일 경우, x축의 각각의 눈금 단위는 1초의 시간을 의미할 수 있으며, 이를 '샘플링 주기'로 표현할 수 있다.

즉, 도 2a 및 도 2b는, 어느 시점에서 입력값(푸른색 신호)이 0에서 100으로 순간적으로 변화할 때, 이동평균 필터 값이 100인 경우 및 50인 경우의 출력값(붉은색 신호)을 각각 도시하고 있으며, 도 3a 및 도 3b는 서지(surge)성 노이즈와 같은 외부 전기 신호가 8 샘플링 구간 동안 입력되었을 때(푸른색 신호) 이동평균 필터 값이 100인 경우 및 50인 경우의 출력값(붉은색 신호)을 각각 나타내고 있다.

먼저 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 입력값이 0에서 100으로 순간적으로 변화할 때, 이에 대한 반응 속도(추종 속도)는 이동평균 필터 값이 작을수록 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 이동평균 필터 값이 100인 도 2a의 경우, 거의 120 샘플링 시점에서 필터의 출력값이 입력값과 동일한 100으로 나타나지만, 이동평균 필터 값이 50인 도 2b의 경우에는 거의 70 샘플링 시점에서 필터의 출력값이 입력값과 동일한 100으로 나타난다. 즉, 이동평균 필터의 반응 속도는 이동평균 필터 값에 반비례함을 확인할 수 있다.

다음, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 약 8 샘플링 구간 동안 노이즈의 입력이 발생되는 경우, 이동평균 필터 값이 100이면(도 3a) 약 90 내지 100 샘플링 구간 동안 약 8 정도의 출력값을 나타내는데 반해, 이동평균 필터 값이 50이면(도 3b) 약 40 내지 50 샘플링 구간 동안 약 16 정도의 출력값을 나타냄을 확인할 수 있다.

다시 말해, 이와 같은 이동평균 필터를 채용한 시스템이 출력값 10(가령, 10v나 10dB 등)을 기준으로 노이즈 등에 대한 오차 허용 여부를 결정한다면, 이동평균 필터 값이 100인 경우(도 3a)에는 어느 구간에서도 출력값이 10을 초과하지 않기 때문에 문제가 발생되지 않지만, 이동평균 필터 값이 50인 경우(도 3b)에는 일부 구간에서의 오차 범위를 초과하는 출력값(16)으로 인해 시스템 정지 등과 같은 문제가 발생될 수 있다. 즉, 서지 등에 의해 발생되는 노이즈에 대한 이동평균 필터의 차폐 성능은 이동평균 필터 값의 크기에 비례함을 확인할 수 있다.

따라서, 이동평균 필터 값이 작을수록 이동평균 필터의 반응 속도는 향상되지만 반대로 노이즈 차폐 성능은 감소하기 때문에, 적절한 이동평균 필터 값을 결정하기가 쉽지 않다는 문제가 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 신속한 반응 속도와 향상된 노이즈 차폐 성능을 모두 제공하기 위한 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 제안하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 따른 이동평균 필터의 동작 과정을 설명하기 위한 그래프이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 제어 방법은, 안정 기준값 및 이에 따른 이동평균 필터 값의 설정 단계(S410), 측정 데이터 입력 단계(S420), 기본 이동평균 필터 값을 적용하여 출력값을 산출하는 단계(S430), 출력값과 안정 기준값의 비교 단계(S440) 및 출력값이 안정 기준값 이상인 경우, 상기 단계 S410의 이동평균 필터값을 적용해 출력값을 산출하는 단계(S450) 등을 포함함을 확인할 수 있다.

안정 기준값 및 이에 따른 이동평균 필터 값의 설정 단계(S410)는, 이동평균 필터의 출력값이 일정 기준값 이상으로 나타나는 경우, 기본 이동평균 필터 값이 이에 대응하여 제1 이동평균 필터 값으로 조정되도록 설정이 이루어지는 과정을 나타낸다. 즉, 상기 단계(S410)는, 이동평균 필터가 평상시의 안정된 출력값에 비해 상대적으로 변동 폭이 큰 출력값을 나타내는 경우, 이동평균 필터 값을 평상시의 기본 설정값에 비해 축소 설정함으로써 이동 평균 필터의 출력값이 입력값에 대해 빠르게 반응할 수 있도록 설정이 이루어지는 과정을 의미한다. 따라서, 안정 기준값이란 이동평균 필터의 반응 속도에 변화를 주기 위하여, 시스템의 설계 기준 등에 따른 노이즈 허용 범위 등을 고려하여 설정되는 일정 기준값일 수 있으며, 특정 수치나 한정 범위를 의미하는 것은 아니다.

가령, 도 5a에는 안정 기준값이 8로 설정된 경우가, 도 5b에는 안정 기준값이 16으로 설정된 경우가 각각 도시되어 있다. 즉, 도 5a는 기본 이동평균 필터 값이 100, 안정 기준값이 8, 이에 따른 제1 이동평균 필터 값이 50인 경우를 나타내고 있으며, 도 5b는 기본 이동평균 필터 값이 100, 안정 기준값이 16, 이에 따른 제1 이동평균 필터 값이 50인 경우를 나타내고 있다. 여기서, 각각의 그래프의 y축이 전압이나 무게 등과 같은 측정 데이터를 나타내고, x축이 일정한 간격 단위로 분할된 시간을 나타냄은 앞서의 경우와 같다.

이어서, 측정 데이터 입력 단계(S420)를 통해, 별도의 측정 수단 등을 통해 측정이 이루어진 무게, 전압 등과 같은 측정 데이터의 입력이 이루어지면, 기본 이동평균 필터 값을 적용하여 각각의 이동평균 필터는 출력값을 산출(S430)한다.

또한, 상기 출력값과 안정 기준값의 비교 단계(S440)를 통해 출력값이 안정 기준값 이상인 것으로 판단되는 경우, 제1 이동평균 필터값을 적용해 출력값을 산출하도록 제어(S450)할 수 있다. 그리고 이와 같은 출력값의 산출(S430, S450)은, 더 이상 측정 데이터 입력 단계(S420)를 통해 입력되는 데이터가 존재하지 않을 때까지 반복적으로 이루어질 수 있다.

다시 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 측정 데이터 입력 단계(S420)를 통해 서지성 노이즈의 입력이 이루어지면, 먼저, 도 5a의 이동평균 필터는, 기본 이동평균 필터 값(100)을 이용해 출력값을 산출하다가, 출력값이 안정 기준값(8)에 이르는 순간(P1) 제1 이동평균 필터 값(50)을 이용해 출력값을 산출함을 확인할 수 있다. 이후, 다시 출력값이 안정 기준값(8) 미만이 되는 순간(P2) 기본 이동평균 필터 값(100)을 이용해 출력값을 산출하게 됨은 도면에 도시된 바와 같다.

이때, 이동평균 필터의 출력값이 안정 기준값(8) 미만으로 변동되어 나타나는 경우, 일정 기준 샘플링 구간 동안 연속적으로 안정 기준값 미만의 출력값을 산출하는 경우에 한해 이동평균 필터 값의 조정이 이루어지도록 하는 등의 구성이 추가 제공 가능할 수 있다. 여기서, 상기 일정 기준 샘플링 구간의 설정은 시스템 관리자 등의 입력에 의해 이루어질 수 있으나, 시스템 환경 등에 따라 자동 설정되도록 구성되는 것이 보다 바람직할 수 있을 것이다.

다음, 도 5b의 이동평균 필터는, 계속적으로 기본 이동평균 필터 값(100)을 이용해 출력값을 산출함을 확인할 수 있다. 즉, 도 5b의 이동평균 필터의 경우 안정 기준값(16)에 이르는 출력값에 도달한 적이 없으므로, 제 1이동평균 필터 값(50)을 이용해 출력값을 산출할 필요가 없이 기본 이동평균 필터 값(100)만으로 출력값을 산출할 수 있다.

가령, 도 5a와 도 5b의 이동평균 필터에 대해 각각 출력값 10(가령, 10v나 10dB 등)을 기준으로 노이즈 등에 대한 허용 여부를 결정하도록 시스템의 설계가 이루어진다면, 도 5a의 이동평균 필터의 경우에는 약 15 샘플링 구간 정도에서 허용 범위를 초과하는 출력값(16)이 나타나지만, 도 5b의 경우에는 전 구간에서 적절한 노이즈 차폐가 이루어짐을 확인할 수 있다.

다시 말해, 도 3a 및 도 3b와 동일한 입력 신호에 대해, 도 5a 및 도 5b의 이동평균 필터는 똑같이 안정적으로 노이즈의 차폐를 수행하거나, 노이즈에 대한 허용 범위 초과 구간을 축소시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 제어 방법에서는, 안정 기준값과 이에 대응되는 제1 이동평균 필터 값의 설정 수준에 따라 노이즈 차폐 성능이 결정될 수 있다. 그리고, 이와 같은 안정 기준값 및 이에 따른 제1 이동평균 필터 값 등은, 필드 테스트 등을 통해 결정된 일정 값을 시스템 관리자가 직접 입력하여 설정하는 것도 가능할 수 있으나, 시스템의 설치 환경이나 이에 따른 노이즈 상황 등에 대응하여 자동 설정되도록 구성되는 것이 보다 바람직할 수 있다.

이 경우, 노이즈 상황 등이 변화하면 이에 따라 안정 기준값 및 제1 이동평균 필터 값이 변경되는 등의 구성 제공도 가능할 수 있으며, 나아가, 추가적인 여러 단계의 안정 기준값과 이에 대응되는 제2, 제3 이동평균 필터 값의 설정을 통해, 이동평균 필터의 반응 속도와 노이즈 차폐 기능이 최적의 균형 상태를 유지하도록 기능할 수 있다.

즉, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 안정 기준값과 상이한 또 다른 안정 기준값을 설정하고, 이에 대응되도록 제1 이동평균 필터 값과 다른 제2 이동평균 필터 값을 지정함으로써, 이동평균 필터의 출력값 수준에 따라 다양한 이동평균 필터 값의 적용이 가능하도록 하는 구성이 적용될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예가 적용된 이동평균 필터의 반응 속도를 설명하기 위한 그래프로써, 도 6a는 도 5a와 마찬가지로 기본 이동평균 필터 값이 100, 안정 기준값이 8, 이에 따른 제1 이동평균 필터 값이 50인 경우를 나타내고 있고, 도 6b는 도 5b와 같이, 기본 이동평균 필터 값이 100, 안정 기준값이 16, 이에 따른 제1 이동평균 필터 값이 50인 경우를 나타내고 있다.

즉, 도 6a를 참조하면, 이동평균 필터의 출력값이 안정 기준값인 8에 이르는 순간(P1) 이동평균 필터 값이 50으로 변경되어 보다 빠른 반응 속도를 나타내게 되며, 도 6b의 경우, 이동평균 필터의 출력값이 안정 기준값인 16에 이르는 순간(P2) 이동평균 필터 값이 50으로 변경되어 보다 빠른 반응 속도를 나타냄을 확인할 수 있다.

따라서, 도 6a 및 도 6b를 종래 이동평균 필터의 동작에 따른 도 2a 및 도 2b의 그래프와 비교해 보면, 본 발명의 이동평균 필터의 동작 제어 방법이 적용되는 경우, 이동평균 필터의 반응 속도가 크게 향상됨을 쉽게 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 이동평균 필터의 동작 제어 방법을 적용하는 경우, 이동평균 필터의 반응 속도는 이동평균 필터 값이 작은 경우(50)와 유사한 결과를 나타내며, 잡음 차폐 기능은 이동평균 필터 값이 큰 경우(100)와 유사한 결과를 나타냄을 알 수 있다.

다시 말해, 본 발명은, 빠른 반응 속도 및 향상된 잡음 차폐 성능을 모두 제공할 수 있는 이동평균 필터의 제공이 가능할 수 있도록 한다는 등의 효과를 제공한다.

전술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (4)

1. (a) 안정 기준값 및 이에 대응되는 샘플링 구간의 설정이 이루어지는 단계;
   (b) 측정 데이터의 입력이 이루어지는 단계;
   (c) 기본 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 단계 (b)의 측정 데이터를 이용한 제1 이동평균값을 산출하는 단계; 및
   (d) 상기 제1 이동평균값이 상기 안정 기준값 이상인 경우, 상기 단계 (a)에서 설정된 상기 안정 기준값에 대응되는 샘플링 구간의 적용을 통해 상기 측정 데이터에 대한 제2 이동평균값을 산출하는 단계;를 포함하고,
   상기 제2 이동평균값을 산출하는 단계는
   상기 제1 이동평균값이 상기 안정 기준값 이상인 경우, 상기 안정 기준 값과 상이한 또 다른 안정 기준값을 추가 설정하고 상기 추가 설정된 안정 기준값에 대응되도록 상기 제2 이동평균값을 지정 및 산출하는 것을 특징으로 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (a)를 통해 설정이 이루어지는 안정 기준값은 서로 다른 2 이상의 기준값을 포함할 수 있고, 이에 대응되도록 서로 다른 2 이상의 상기 샘플링 구간이 설정되는 것을 특징으로 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 단계 (a)의 안정 기준값 및 샘플링 구간은 현재의 노이즈 상황을 포함하는 필터링 환경에 따라 자동 설정되는 것을 특징으로 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (d)에 있어서, 상기 제2 이동평균값이 규정된 기준 시간 이상 상기 안정 기준값 미만 상태를 유지하는 경우, 상기 단계 (c)로 복귀하는 것을 특징으로 하는 이동평균 필터의 동작 제어 방법.
   

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