KR20070032989A

KR20070032989A - 신호 처리 방법과 장치

Info

Publication number: KR20070032989A
Application number: KR1020077000493A
Authority: KR
Inventors: 레자 호세인네자드
Original assignee: 래비트 조인트 벤처 리미티드
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-03-23
Also published as: WO2005124487A1; JP2008503810A; CA2571403A1; EP1759253A1; US20080039957A1; CN1981251A

Abstract

예컨대 차량 관리 시스템과 같이, 프로세싱 유닛(20)과 데이터 샘플들(22)을 제공하기 위한 센서를 갖는 제어시스템은, 이전 데이터 샘플들(26)의 가중함수에 근거하여 데이터 샘플들을 예측하는 다단계 선행 예측 필터를 포함한다. 이로 인해, 예컨대 실제 데이터 샘플들(22)의 수신이 예컨대 노이즈, 통신 장애 등과 같은 원인에 의해 일시적으로 방해를 받을 때, 그 시스템은 예측된 데이터 샘플들을 이용하여 계속 기능할 수 있다. 그 필터는, 예측이 요구되는 누락 데이터 샘플 개수에 상관없이, 그 이전 데이터 샘플들(26)을 가중처리하기 위한 단일 세트의 가중치(28)를 사용하며, 그 가중치(28) 집합은 센서 신호의 특징에 의거하여 정해진다. 또한, 가중치 집합을 결정하는 다양한 방법들이 개시된다.

다단계, 선행예측, 필터, 차량관리, 제어, 누락데이터, 가중, 에러 함수, 최적화

Description

신호 처리 방법과 장치 {Signal Processing Methods and Apparatus}

본 발명은 2005년 6월 22일에 "신호 처리 방법들과 장치" 라는 제목으로출원된 호주 특허출원번호 제2004903397호에 대한 우선권을 주장하며, 그 출원 내용 전체는 이 출원의 내용으로 통합된다. 본 발명은 데이터의 다단계 선행 예측 필터링(multi-step ahead predictive filtering)을 제공하는 신호 처리 방법과 장치에 관한 것이다. 다단계 선행 예측 필터들을 이용하는 차량 관리 시스템을 포함하여, 다단계 선행 예측 필터링을 수행하는 제어시스템에 관한 것이다.

대표적으로, 제어 시스템은 하나 이상의 액츄에이터를 운전할 수 있는 제어 유닛과 그 시스템의 상태에 관한 데이터를 제공할 수 있는 센서 혹은 센서들을 포함한다. 그 제어 유닛은 센서 데이터를 이용하여 제어 결정을 하고 그 시스템 상태에 의거하여 그 액츄에이터들을 운전한다.

제어 시스템들은, 예를 들면 잉여의 센서들 및/또는 절대 안전 조건을 제공함으로써, 종종 센서 오동작에 대비한 안전 장치를 제공한다. 완전한 센서 손실 외에도, 제어 시스템들은 때때로 데이터 손실도 겪을 수 있다. 예를 들면, 센서 데이터는 가끔 제어 유닛에 도달하지 못할 수도 있다. 이러한 것은 여러 가지 이유 때문에 발생할 수 있으며, 어쩌면 센서 그 자체 및/또는 데이터 전송 경로와 관련된 일시적인 문제 때문일 수 있다. 그것은 예를 들면 순간적인 단락 회로 혹은 끊김, 통신망 고장 및/또는 노이즈의 급작스런 증가 등으로 인해 야기될 수도 있다.

단속적인 데이터 누락의 문제를 다루기 위해, 이전에 수신된 진짜 센서 데이터로부터 센서 데이터의 예측을 시도하는 예측 필터를 제공하는 것이 알려져 있다. 따라서 실제 데이터가 하나 이상의 센서 샘플 단계 동안에 비어 있을 때, 그 제어 유닛은 예측 필터를 사용하여 (이전의 진짜 데이터 샘플의 개수에 의거하여) 누락된 데이터가 무엇이어야 했는가를 결정한다.

본 발명은 실제의 센서 데이터가 누락되고 있을 때 데이터를 예측하기 위한 신규한 방법과 장치를 제공하고자 한다.

하나의 측면에서 보면, 본 발명은 프로세싱 유닛과 센서를 갖는 제어 시스템을 제공하며, 그 시스템은 그 센서 데이터를 위한 다단계 선행 예측 필터를 포함하며, 그 필터는 앞선 데이터 샘플들의 가중함수(weighted function of prior data samples)에 의거하여 데이터 샘플을 예측하는데, 여기서 그 필터는, 예측이 요구되는 누락 데이터 샘플들의 개수에 상관없이, 그 앞선 데이터 샘플들을 가중처리하기 위해 단일 세트(single set)의 가중치들을 사용하고. 그 가중치들 세트는 그 센서 신호의 특징에 의거하여 미리 결정된다.

일 측면에서 보자면, 본 발명은 유한 임펄스 응답(finite impulse response: FIR)의 형태로서 보일 수 있다. 그러나 기존의 예측 FIR 필터 시스템에서는, 다수의 다른 필터들이 적용되어야 하고, 각각은 그들 자신의 가중치 세트를 가지는데, 그것은 그 필터가 얼마나 많은 연속적 누락 데이터 샘플들이 예측에 의해 다루어져야 하는 지에 좌우되어, 예를 들어, 그 시스템이 맨 마지막 실제 데이터 샘플로부터 그 앞으로 1, 2, 3 또는 그 이상의 데이터 단계를 선행하여 쳐다볼 필요가 있는지 여부에 좌우되어 변해야 하기 때문이다. 따라서 종래기술의 필터의 경우, 필터 가중치들은 데이터가 예측되어야 하는 선행 단계의 개수에 의거하여 결정된다. 만약 데이터가 1 시간주기 동안 누락되었다면 1 세트의 계수들이 적당할 것이고, 만약 데이터가 연속적인 2 시간주기에 걸쳐서 누락되었다면, 다른 1 세트의 계수가 필요할 것이다. 만약 데이터가 3 샘플 간격에 걸쳐 누락되었다면, 또 다른 1 세트의 계수가 요구될 것이다. 4 이상의 샘플 단계를 선행하여 결정하는 능력은 가중치 세트들의 개수에 있어서 대응되는 증가를 필요로 한다.

이에 비해, 본 발명은 단지 단일한 가중치 세트만을 이용하며, 데이터가 예측되어야 하는 선행 단계의 개수는 문제가 되지 않는다. 이는 메모리를 절감시키는데, 이는 단 하나의 가중치 세트만 저장되어야 하기 때문이다. 또한 그것은 연산 시간을 절약해준다. 왜냐하면 예측 중인 샘플에 대해 적당한 가중치 세트를 고르는 데 들이는 상당한 처리 시간을 잃을 필요가 없기 때문이다. 본 발명의 시스템은 그러므로 시간 및/또는 돈이 중요한 문제가 되고 실시간 예측 필터링이 요구되는 응용분야에 특히 적용될 수 있다.

본 발명은 얼마나 많은 단계를 선행하여 데이터가 예측되어야 하는가의 관점으로부터가 아니라 시스템-특화된 관점(a system-specific perspective)으로부터 예측 필터들을 구성하는 방식으로 접근한다. 따라서, 이러한 접근법에 있어서, 가중치의 단일 세트는 그 필터가 사용할 출력 센서 신호의 특유의 다이나믹스(dynamics: 동적인 변화)에 의거하여 정해진다. 이 점은 종래 기술과 대비되는 것이며, 여기서 가중치들은 센서 특징들의 함수가 아니다. 종래 기술에 있어서, 예측 필터들과 그들의 가중치들은 보다 만능적인 응용(universal application)을 가지는데 비해, 본 발명에서는 가중치들의 세트는 특정한 센서나 센서 타입에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명에 있어서, 보편성은(generality) 낮은 메모리 및/또는 연산 시간 오버헤드 때문에 희생된다. 본 발명은 또한 보다 높은 성능의 예측을 제공해준다.

제어 시스템은 예를 들어 차량 관리/제어 시스템을 포함할 수 있다. 이들 시스템에 있어서, 차량 상태와 운전자 표시기는 고율로 샘플처리되는 반면에 데이터 저장을 위해 가용한 메모리 양은 제한된다. 본 발명은 하나의 실시예에서 이러한 제한들에 직면하여 예측 필터링을 제공하는 우수한 방법을 제공할 수 있다. 샘플된 데이터는 예컨대 휠 속도나 편주(yaw) 등과 같은 차량 상태와 브레이크 저하(depression), 트로틀 저하, 스티어링 각도 등과 같은 운전자 표시기를 포함할 수 있다.

본 발명은 센서 다이나믹스(dynamics)가 시간에 대해 극적으로 변하지는 않을 것으로 추정하고 또한 이것이야말로 대개 그 경우가 될 것임을 가정한다. 따라서 일반적으로 센서는 시간에 대해 안정적으로 유지되거나 또는 파국적으로 고장을 일으킬 것이다. 후자의 경우에 있어서, 대안적인 제어 정책이 배치되어야 하는데, 예를 들면 여분의 센서의 제공 및/또는 셧다운과 같은 비상안전(failsafe) 조건을 촉발하는 것 등이다. 이것은 예를 들면 데이터 샘플이 한 세트 개수보다 많이 누락되었다고 결정될 때에나 생길 수 있는 것이다.

일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 가중치들이 갱신될 수 있도록 예를 들면 플래시 메모리 상에 제공되도록 구성된다. 이것은 그 가중치들이 규칙적인 간격마다 갱신되도록 해주며, 또한 필요하다면 그 가중치들이 시간에 대해 그 센서 내에서의 점진적인 변화들에 의거하여 수정되도록 해준다. 그러한 갱신은 예를 들어 차량 등의 정상적인 서비스 동안에 일어날 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 1-단계 선행 데이터 샘플은 이전에 수신된 실제 데이터 샘플들의 개수(P)의 선형 조합으로서 예측된다. 이들 P 데이터 샘플들은 메모리에 일시적으로 저장되는데, 이와 더불어, 수신된 신규 데이터 샘플들 각각은 메모리에 위치시키고 따라서 가장 오래된 데이터 샘플은 폐기한다. 1-단계 선행 데이터 샘플이 누락 샘플 때문에 예측되어야 할 때, 그 예측된 데이터 샘플은 최신 데이터 샘플로서 저장되며, 2-단계 선행 데이터 샘플이 예측되어야 할 때, 그것은 최근에 예측된 데이터 샘플과 이전의 P-1 개의 물리적 데이터 샘플들의 선형 조합이다.

상기 필터는 다음과 같은 형태를 취한다.

여기서, y'(k-i)는 이전 데이터 샘플 y(k-i)과 같거나 또는 이전에 예측된 샘플

이다.

센서를 위한 필터의 가중치를 정하기 위해, 훈련 과정이 이용될 수도 있는데, 그 과정에서 관련 센서를 위한 출력으로부터 알려진 훈련 데이터가 필터에 가해지고, 그 필터 계수들은 반복 적용되어 최적화된 에러 함수를 제공한다.

이러한 훈련 과정은 적당한 시간에 프로세싱 유닛 그 자체에 의해 수행될 수도 있고 또는 추가된 메모리 용량을 갖는 외부 프로세서 등과 같은 것에 의해 수행될 수도 있다. 그 외부 프로세서는 관련 센서 신호를 수신하기 위해 예를 들어 상기 제어 시스템 속으로 플러그 연결(plug into) 할 수 있다. 대안으로서, 그 센서 신호는, 예컨대 동일한 센서 시스템 즉, 동일한 센서와 동일한 모니터 대상을 이용하여, 그 시스템에 대해 외적으로 모델/시뮬레이터 될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 예측은 L개까지의 누락 가능한 데이터 조각들에 관하여 필요하며, N개의 훈련 데이터 조각들이 사용되며, 에러 함수는 L개의 항들의 합의 형태를 취할 수 있으며, 하나의 항은 각 가능 단계 선행 예측을 위한 것이고, 각 항은 실제 데이터 값과 그 항의 선행 단계에 관한 예측된 에러 간의 데이터의 N개의 조작 전부에 걸쳐서 존재하는 에러들의 합이다. 따라서 에러 함수는 다음의 형태일 수 있다.

이 에러 함수의 최소화는 가중치들의 세트를 제공하는데, 상기 훈련이 수행되어 온 센서와 관련하여 그 가중치는 그 센서에 관해 1부터 L 단계 선행 예측들 중 어떤 것에도 적용될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 에러 함수의 항들은 가중치가 부여되어 하나 이상의 다단계 선행 예측들의 우선순위를 매길 수도 있다.

따라서, 만약 상기 센서 시스템이 누락 데이터가 일반적으로 세 개의 샘플이 차례로 발생하는 것이라면, 그 에러 함수는 가중처리되어 3-단계 선행 항 C₃가 더 높은 가중치를 가지며, 그래서 그 가중치들의 결정에 있어서도 지배적일 것이다. 이 경우에 있어서, 결과로 얻어지는 가중치들은 3-단계 선행 예측들에 관해 최상의 예측을 제공할 것이다.

일 실시예에 있어서, 상기 에러 함수는 가중처리되어 첫 번째 단계의 선행 예측은 두 번째 보다 더 높은 가중치를 가지도록, 그리고 C₁> C₂> ...C_L이 되도록 하는데, 이는 누락 데이터가 누락 데이터의 단일 조각만큼 매우 빈번하게 발생하는 것이 종종 그 경우가 될 수 있기 때문이다. 그리고, 누락 데이터의 연속 조각들의 개수가 많으면 많을수록, 그 상황은 더 적게 발생할 것이다. 상기 에러 함수는 어떤 다른 적절한 형태 즉, 상기 예측의 양호함(goodness)을 다단계 선행 예측의 함수로서 반영하는 형태를 취할 수도 있다. 그것은 다음과 같이 일반화 될 수 있다.

여기서,

(x)는 다음과 같은 성질을 갖는 어떤 함수이다: 1)

(0)=0, 2) 모든 x에 대해,

(x)=0 이고, 3) 만약 |x₁|>|x₂| 이며,

(|x₁|) >

(|x₂|). 따라서 식 (2)와 (3)에서,

(x)=1/2 x²이다.

상기 반복은 어떤 적절한 형태를 취할 수 있고, 일 실시예에서, 그 에러 함수는 최대 급경사 방법(steepest gradient method)을 이용하여 최적화된다. 이 실시예에서, 상기 계수의 가중치 벡터에 관한 에러 함수의 기울기가 결정되고, 그 가중치 벡터는 그 기울기를 따라 아래 방향으로 이동하게 된다.

모멘텀 항목은 상기 가중치 벡터 반복을 결정하는 데 포함될 수 있는데, 이는 그 반복이 로컬 최소값에 붙잡히는 것을 피하도록 하기 위함이다.

반복은 영차 홀드 필터(zero order hold filter)에 의해 초기화될 수 있다. 즉, 그 필터 가중치의 첫 번째를 제외한 모든 것이 초기에 0으로 설정될 수도 있다. 만약, 재조율(re-tuning)한다면, 그 반복은 현재 세트의 계수들을 가지고 시작할 수도 있다.

일단 에러 함수가 최적화되면, 그 결과물 가중치들은 고려중인 그 센서의 필터 가중치로서 사용된다. 이들 계수들은 그 후에는 그 제어 시스템의 운전 동안 누락 데이터를 예측하는 정상적인 실시간 처리에 이용된다.

다른 최적화 알고리즘들 역시 가능하다. 따라서 그 문제는 에러 또는 비용 함수 (2) 또는 (3)의 절대 최소값을 찾는 것이고, 최적화 문제이다. 다른 최적화 탐색 알고리즘은 예컨대, 동적인(dynamic) 프로그래밍, 유전적(genetic) 알고리즘, 진화론적 컴퓨터 알고리즘을 포함할 수 있다.

그 센서 신호의 다이나믹스(dynamics) 가 계속 안정하게 남는 것으로 가정하면서 상기 반복되는 가중치들이 계속 사용될 수도 있을 것이다. 그렇지만 그 센서 신호 다이나믹스가 어떤 이유로 변한다면, 그 가중치들은 재조율(re-tuned)될 필요가 있을 것이다. 앞서 말한 것처럼, 이것은 그 장비를 일상적으로 돌보는 동안에 그 가중치를 재시험하고 재결정하는 것에 의해 달성될 수 있을 것이다. 그것은 또한 적응적으로 실시간으로 수행될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 처리 유닛은 예를 들어 센서가 그 제어 과정에서 사용되고 있지 않는 시간에 가중치를 조율(tune) 하기 위한 루틴을 포함할 수도 있다. 다른 방안으로서, 가중치 조율은 그 시스템에 플러그 연결되거나 예컨대 동일한 센서 시스템을 가지고 하는 시뮬레이션의 일부인 것 중 어느 하나인 외부 프로세서에 의해 수행될 수도 있다.

사용되는 훈련 데이터 샘플의 개수 N은 센서 신호의 다이나믹스에 따라 변할 수도 있다. 그것은 또한 그것이 사용되는 응용분야에 좌우될 수도 있다. 예를 들어, 센서가 브레이크 페달내의 변위 혹은 힘 센서라면, 그 N개의 훈련 데이터 샘플은, 예를 들어 브레이크 해제, 부드럽게 점증하는 브레이킹(soft and graduated braking), 강하고 급한 브레이킹(hard and sudden braking) 등과 같은 것을 포함하여, 모든 가능한 브레이킹 상태들에 관한 센서 신호들을 포함해야 한다. 따라서 바람직하게는, 그 훈련 데이터들은 그 센서가 모니터할 그 시스템 내에서 일어날 수 있는 시스템 상태의 모든 주요한 유형들을 시뮬레이트 한다.

모델화 된 다단계 선행 예측의 개수 L 역시 변할 수 있다. 일반적으로, L은 그 예측 필터가 적용될 시스템에 의해 용인될 수 있는 연속 누락 데이터의 최대값이다. 그 시스템에서 누락 연속 데이터 샘플이 L개 이상이 되면, 대안적인 조치, 예컨대 데이터를 무시하는 것, 잉여 센서들을 사용하는 것 및/또는 셧다운과 같은 고장안전 조건으로 들어가는 것 등을 필요로 할 것이다.

가중치들 및 사용된 이전 데이터 샘플의 개수가 많으면 많을수록, 일반적으로 예측은 더 우수하게 될 것인 바, 이는 비록 사용되는 메모리를 더 많게 하고 그러한 예측을 결정하는 데 더 많은 처리 시간을 필요로 하더라도 그러하다.

본 발명은 여러 가지 다른 유형의 제어 시스템에 사용될 수도 있다. 센서와 프로세싱 유닛 간의 연결은 어떤 적절한 형태를 취할 수도 있고, 그 연결은 예를 들어 직접 연결 또는 통신 버스나 다른 네트워크를 따라 이루어진 연결일 수 있는데 그 경우 케이블이나 무선이 될 수 있다, 그 프로세싱 유닛은 센서로부터 데이터의 이산 샘플들을 수신할 수도 있고 또는 그 프로세싱 유닛이 나중에 샘플하는 연속 신호를 수신할 수도 있을 것이다. 어느 경우에서나, 그 센서 신호는 누락되거나 오래된 것이 되어 데이터 샘플이 전혀 얻어질 수 없게 되면, 예측 필터는 그 누락 데이터를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

누락 데이터 샘플의 검출은 어떤 적절한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛은 그 센서로부터 어떠한 통신도 수신되지 않았다거나 수신된 데이터/신호는 그 센서에 관한 정상적인 데이터 범위 밖이다 든가 혹은 그 데이터는 시간이 오래 지나 이미 쓸모 없게 되었다(corrupted)는 것을, 예를 들어 체크섬 디지트(checksum digit) 등과 같은 에러 검출 알고리즘의 처리를 통하여, 결정할 수도 있다.

앞서 언급한 것처럼, 본 발명의 제어시스템은 차량 제어에 사용될 수 있다. 그것은 또한 다른 분야에도 이용될 수도 있다. 예를 들어 한 개 이상의 센서들이 주요한 역할을 하는 시스템들과 누락 센서 데이터가 시스템 고장을 일으키거나 및/또는 안전에 관한 엄중한 이슈를 제기할 수 있는 시스템에서 사용될 수 있을 것이다. 이것은 예를 들어 일반적으로 브레이크 시스템에 적용될 수 있다. 다른 예들로는 우주항공 제어 시스템, 군사 제어 시스템, 위성 운동 제어 시스템, 공간 로보틱 제어 시스템, 특히 자체의 센서들에 의해 주로 독자적으로 제어되는 것들을 포함할 수 있다. 그것은 예를 들어 센서 데이터 스트림이 지피에스(GPS) 데이터인 시스템에 관련될 수 있다. 그것은 특히 메모리 양 및/또는 가용 프로세서 시간이 한정적인 응용처에 유용하다.

본 발명은 위에서 논의된 예측 필터를 이용한 신호처리 방법에까지 확장된다. 따라서, 다른 측면에서 보면, 본 발명은 센서 데이터를 예측하는 단계를 포함하는 센서 시스템 제어 방법을 제공하며, 상기 방법은 이전 데이터 샘플들의 가중 함수에 의거하여 데이터 샘플을 예측하는 단계를 포함하고, 가중치들의 단일 세트는 다른 개수의 연속적인 누락 데이터 샘플들 여러 개에 관한 예측을 위한 예측 함수를 가중처리 하는 데 사용되고, 그 가중치들의 세트는 센서 출력의 특징들에 의거하여 미리 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 위에서 논의된 것처럼 예측 필터의 가중치들을 조율하는(tuning) 방법에까지 확장된다. 따라서 또 다른 측면에서 보면, 본 발명은 센서에 관한 다단계 선행 예측 필터의 가중치들을 결정하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 다수의 상기 예측들을 위한 가중치들의 단일 세트를 결정하는 단계를 포함하고, 그 가중치 세트는 센서 출력의 특징들에 의거하여 결정된다.

본 발명은 본 발명을 실행하기 위한 컴퓨터 소프트웨어에까지 확장된다. 따라서 또 다른 측면에서 보면, 본 발명은 센서로부터 나온 데이터에 의거하여 시스템을 제어하는 컴퓨터 소프트웨어를 제공하며, 상기 소프트웨어는:

센서 데이터가 불가용(unavailable)함을 검출하는 요소; 및

불가용일 때 그 센서를 추정하기 위한 요소를 포함하며, 상기 센서 데이터는 이전 데이터 샘플들의 가중 함수에 의거하여 추정되고, 가중치들의 단일 세트는 모든 추정치들에 관한 이전 데이터 샘플을 가중처리하는 데 이용되며, 그 가중치들은 센서 출력의 특징들에 의거하는 것을 특징으로 한다.

그 컴퓨터 소프트웨어는 어떤 적절한 컴퓨터 가독형 저장 매체상에 제공될 수 있으며, 본 발명은 컴퓨터 소프트웨어를 담고 있는 컴퓨터 가독형 저장매체에까지 확대된다. 그것은 또한 소프트웨어 코드가 임베디드 되어 있는 하드웨어와 펌웨어에까지 확대된다.

나아가 본 발명은 본 발명에 따른 제어시스템을 서비스하는 방법에까지 확대되며, 그 필터 가중치들은 센서 신호의 동적인 특징들 내의 어떤 변화들에 따라서 테스트되고 재조율 된다.

본 발명은 특히 차량 제어 시스템들에 적용될 수 있고, 다른 측면에서 보면 제어 유닛과 센서를 포함하는 차량 제어 시스템을 제공하며, 그 시스템은 센서 데이터에 관한 다단계 선행 예측 필터를 포함하며, 그 필터는 이전 데이터 샘플들의 가중 함수에 의거하여 데이터 샘플을 예측하며, 그 필터는, 그 예측이 필요로 하는 누락 데이터 샘플들의 개수에 상관없이, 이전 데이터 샘플들을 가중처리 하기 위한 가중치들의 단일 세트를 이용하며, 그 가중치들 세트는 센서 신호의 특징들에 의거하여 미리 결정된다.

또 다른 측면에서 보면, 본 발명은 제어 유닛과 센서를 포함하는 제어 시스템을 제공하며, 그 시스템은 누락 센서 데이터를 결정하는 예측 필터를 포함하며, 그 필터는 다음과 같은 형태를 취하는데:

여기서, y'(k-i)는 이전 데이터 샘플 y(k-i)과 이전 예측 샘플

중 어느 하나이며, a_i는 센서 신호의 특징들에 의거하여 결정되어 a_i의 동일한 세트가 모든 누락 데이터 예측을 위해 사용된다.

위에서 언급된 여러 측면들 중의 어느 하나는 위에서 언급한 다른 측면들의 어느 것과 관련되어 언급된 어떤 특징들을 포함할 수도 있다.

이제부터 본 발명의 실시예들이, 단지 예시로서, 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들의 특정성이 본 발명에 관한 앞서의 설명의 일반성을 대신하지 는 않는다는 점이 이해되어야 한다.

도면에 있어서,

도 1은 본 발명의 실시예에 따라서 예측 필터를 통합한 차량용 제어 시스템의 개략적인 다이어그램이며;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예측 필터를 통합한 일반적인 제어 시스템의 개략적인 블록 다이어그램이며;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예측 필터용 가중치들의 최적 세트를 결정하기 위한 훈련 방법에 관련된 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 차량 관리 시스템이 개략적인 형태로 도시된다. 이 관리 시스템은 차량의 상태와 운전자의 집중상태들(intensions)에 관련된 여러 가지 센서들로부터 신호를 수신하고 그 차량의 운전을 제어하기 위한 여러 가지 액츄에이터들에게 신호를 출력하는 전자 제어 유닛(프로세싱 유닛)(1)을 포함한다.

차량 센서들은 차량 바퀴들(3)의 회전 속도를 결정하기 위한 바퀴 속도 센서들(2)과 예컨대 온도 등을 결정하기 위한 엔진 센서들(4)을 포함할 수 있다.

운전자 표시기 센서들은, 브레이킹에 관한 운전자의 요구에 비례하는 신호, 예를 들어 페달의 운동량 또는 운전자의 발이 그 페달에 가하는 힘에 의해 결정되는 신호를 제공하는 예컨대 브레이크 페달 센서(5)를 포함할 수도 있다.

다른 운전자 요구 센서들(인간 기계 상호작용(HMI) 센서들)과 차량 및 엔지 상태 센서들이 또한 포함될 수 있고, 이들은 일반적으로 6번이 부여된다. 그것들은 예를 들어 편주(yaw) 센서들, NOX와 O₂ 센서와 같은 배기가스 센서들, 스티어링 휠을 운전자가 조정한 것에 의거하는 스티어링 각도 센서, 그리고 운전자의 스롯틀 페달(throttle pedal)용 센서를 포함한다. 여러 가지 다른 유선 제어센서들이 포함될 수 있다. 예로서, 가능한 브레이크 유선 센서들은 크램프 힘 센서들, 전류 센서들(브레이크 캘리퍼스 내 전기 모터의 전류를 측정하는), 그리고 로터 엔코더(그 모터들의 로터의 각도 변위를 측정하는) 등을 포함할 수 있다.

제어 유닛(1)은 센서들로부터 나온 데이터를 분석하고, 그 데이터에 의거하여 다양한 액츄에이터들에 대한 제어신호를 적용하는 것에 의해 다양한 차량 관리 기능들을 수행한다.

이들 액츄에이터들은 예를 들어 바퀴(3) 상에 브레이크 액츄에이터들(7)를 포함하며, 또한 예를 들어 연료 주입기들, 스파크 점화기들, 배출 피드백 제어 등과 같은 엔진 제어 액츄에이터(8)를 포함할 수 있다.

제어 유닛(1)은 많은 다른 방식으로 차량을 제어할 수 있다. 이들은 예를 들어 역-잠금 브레이킹 시스템(ABS)은 잠금 반대 브레이킹 시스템(anti-lock braking systems: ABS), 정지 마찰 센서(traction control: TC), 차량 안전도, 크루저 제어 기능들 그리고 급브레이킹(panic braking) 제어들을 포함한다. 그것들은 일반적인 엔진 관리, 예를 들어, 최적의 연료 효율을 위한 타이밍 및 연료 분사량, 가속도 등을 포함할 수 있다. 제어 유닛(1)은 정상적인 운전 기능들, 예컨대, 유선 차량 제어 방식으로 제어하여, 속도를 증가시키고자 하는 요구 또는 브레이크를 밟으려 는 요구 등과 같은 운전자의 요구가 그 제어 유닛에 의해 알아내지고, 그 결과 필요한 명령을 수행하여 원하는 동작을 가져오게 할 수 있다.

제어 유닛(1), 센서들(2, 4, 5, 6), 및 액츄에이터들(7, 8)은 어떤 적절한 방식으로 통신을 할 수 있다. 그들은 개별적으로 함께 연결될 수 있거나 및/또는 하나 이상의 통신 버스를 통하여 함께 연결될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제어 유닛(1)이 한 개 이상의 여러 가지 센서들 예를 들어 휠 센서들(2) 혹은 브레이크 센서(5)로부터 데이터 샘플을 수신하지 못하면, 그 제어유닛(1)은 이전 데이터 샘플들에 의거하여 이들 누락 데이터 샘플을 예측하기 위해 다단계 선행 예측 필터를 실행한다. 이것은, 일시적인 회로 단락이나 연결불량 혹은 노이즈 레벨의 스파이크 등에 의해 센서 데이터가 누락되는 때조차도, 그 차량의 적합한 제어가 유지되는 것을 보장해준다.

제어 유닛(1)은 연관된 메모리(9)를 보유하는데, 그것은 센서로부터 샘플링 시간 (k-1)T_s 부터 (k-P)T_s까지에서 수신한 마지막 P개의 데이터 샘플 y(k-i) (i=1 에서 P까지)을 저장하며, 여기서 k는 현재 샘플 번호이고 T_s는 샘플링 시간이다. 그러므로, 일단 신규 데이터 샘플이 수신되면, 가장 오랫동안 저장된 데이터 기록이 폐기되고, 현재 저장된 데이터 값들 각각이 하나의 메모리 단위만큼 뒤로 이동되어 데이터 조가 y(k-(i+1))이 되고, 그 신규 데이터 샘플이 데이터 위치 y(k-1 )에 기록된다.

단일 데이터 샘플이 누락될 때, 그 예측 필터는 1-단계 선행 예측을 제공하 기 위해 저장되어온 이전의 P개의 데이터 샘플을 이용할 것이다. 그 필터는 P개의 가중치 a_i (i=1 부터 P까지) 세트를 사용하는 FIR 필터에 의거하며, 그 가중치 a_i 는 이 메모리(9)에 또한 저장되어 있고 그리고 이하에서 논의될 훈련 과정에서 그 센서를 위해 미리 결정된다. 상기 저장된 이전의 데이터 샘플들 y(k-i) 각각에 관한 하나의 계수 a_i가 있으며, 그 예측 데이터 샘플은 그러므로 상기 이전의 P개의 실제 데이터 샘플의 가중처리된 선형 조합이다.

일단 그 누락 데이터 샘플이 예측되면, 그것은 실제 데이터 값으로서 취급되며 차량 제어 과정에 사용된다. 그것은 또한 메모리(9)에 최신 데이터 샘플로서 저장되며, 이러한 예측 데이터 샘플과 센서로부터 실제로 수신된 데이터 샘플 간에는 어떠한 구별도 만들어지지 않는다.

만약 두 개의 연속 데이터 샘플이 누락되면, 첫 번째 누락 데이터 조각을 검출하였을 때 그 예측 필터는 위에서와 동일한 절차를 사용하여 그 누락 데이터의 첫 번째 조각에 해당하는 예측된 데이터 샘플을 제공할 것이다. 그런 다음, 그것은 그 과정을 반복하여 누락 데이터의 두 번째 조각에 해당하는 예측 데이터 샘플을 제공할 것이다. 그러나 이 경우에, 그 두 번째 예측 데이터 샘플은 첫 번째 예측 데이터 샘플과 그 첫 번째 누락 데이터 샘플 이전에 수신된 P-1개의 실제 데이터 샘플들의 가중처리된 선형 조합이다.

이러한 절차는 세 개, 네 개, 다섯 개 혹은 그 이상(L개까지)의 누락 데이터 샘플들에 관해 적절하게 반복된다. 그 시스템은 동일한 절차를 항상 반복할 것이므 로, 그 시스템은 얼마나 많은 데이터 샘플들이 누락되었는지를 알 필요가 없다는 점에 주목할 필요가 있다. 프로세서(1)는 누락 데이터 부분들의 개수와 그 적정한 필터를 결정하는 데 소중한 연산 시간을 이용할 필요가 없다. 데이터가 누락된 회수를 여전히 카운트 할 수 있고, 그래서 예를 들어 설정된 수 이상의 연속적인 데이터 포인트들이 누락될 때, 그 센서는 오동작하는 것으로 결정되고, 그런 다음 그 프로세서(1)는 다른 상황(regime)으로 전환되며, 그런 상황에서 다른 센서들로부터 나온 데이터들은 대체물로서 사용되거나 혹은 비상안전(failsafe) 조건이 들어간다.

누락된 데이터의 결정은 어떤 형태를 띨 수 있으며 예를 들어 어떤 시간 주기 동안 혹은 불량 데이터 수신 동안에 그 센서로부터의 신호가 부족한 것에 의해 결정될 수도 있다. 불량 데이터는 예를 들어 정상적인 작동 파라미터들과 일치하지 않는 데이터 값, 예를 들어 너무 높거나 또는 너무 낮은 전압 등과 같은 것일 수 있다. 그 데이터는 또한 에러 체크 절차 예컨대 체크섬 등과 같은 절차를 통해 불량으로 결정될 수 있다.

그 데이터는 센서로부터 수신된 디지털 데이터 혹은 그 프로세서 자신이 샘플할 수 있는 아날로그 데이터일 수 있다.

본 발명의 특징은 동일한 가중치들 {a₁,...,a_p}이 모든 다단계 선행 예측들을 위해 이용될 수 있다는 것이다. 이는 알려진 FIR 필터들과 대비되는데, 여기서 그 가중치들 a_i은 그 데이터 샘플이 예측될 선행 단계들의 개수의 함수이다. 즉, 그 가중치 a_i는 누락하는 데이터 샘플들의 개수에 종속될 것이다.

본 발명은 단일 세트의 가중치들만을 이용할 수 있으므로, 메모리 공간이 절약된다. 연산시간 역시 줄어든다. 왜냐하면 제어 유닛(1)이 그 필터 가중치들 중 어느 것이 누락 데이터의 특정 부분을 위해 요구되는 지를 결정할 필요가 없기 때문이다. 이들 속성들은 특히 차량/엔진 관리 시스템들에 유용한데, 그런 시스템의 경우 가용 메모리가 한정되어 있고 연산시간 오버헤드가 중요하다.

모든 다단계 선행 예측을 위해 이용될 수 있는 적절한 가중치 세트를 결정하기 위해, 그 가중치들 a_i은 센서 신호의 특정한 동적인 특징들에 의거하여 최적화 된다. 따라서 가중치 계수 {a₁,...,a_p}의 특정 세트는, 그 센서의 출력의 동적 특징들에 의거하여, 브레이크 페달 센서(6)용으로 선택되고, 계수들의 다른 세트는 바퀴 센서(2)용으로 선택될 것이다.

하나의 센서에 관한 가중치들을 결정하기 위하여, 하나의 센서에 관한 알려진 훈련 데이터 세트가 이용되어 관련된 센서 필터를 조율한다. 그리하여, 알려진 데이터 샘플들의 N 조각들이 그 필터 안으로 주입되고, 실제 데이터와 예측된 데이터 간의 에러 함수를 최적화 하도록 그 가중치들 a_i이 반복된다. 그런 다음, 최적 결과를 제공하는 계수들이 실시간 계산 계수로서 이용된다. 에러 함수용 형태와 그 반복 방법이 이하에서 더욱 자세하게 논의된다.

센서 신호 다이나믹스는 센서 그 자체의 특징과 감지되고 있는 그 목적물/주안점 (object/feature)의 특징들 양자에 의존할 수도 있음이 인식될 것이다. 그리 하여, 회전 속도 센서는 바퀴의 회전을 모니터하는 바퀴 속도 센서 (2)로 사용될 때 하나의 신호 다이나믹을 가질 수도 있고, 만약 캠축 등의 회전을 모니터 하는 데 이용되면 다른 신호 다이나믹을 을 가질 수도 있다. 그러므로, 동일한 센서가 각 상황에서 사용될 수 있지만, 다른 필터 가중치들이 필요로 할 것이다. 센서와 모니터된 아이템이 동일한 경우, 동일한 가중치들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 네 개의 바퀴 속도 센서들 모두에 대하여 동일한 가중치들이 이용될 수 있다. 그러나 그것은 엔진에 의해 직접 구동되는 바퀴들, 예를 들어 뒷바퀴들 혹은 앞바퀴들은 비구동 종동 바퀴(non-driven follower wheels)로부터 유래된 다른 신호 다이나믹을 가질 수 있는 경우일 수 있으며, 그러한 경우에 별개 세트의 가중치들이 필요할 수도 있다. 또한, 같은 유형의 센서들이 제조 상의 허용오차들이나 시간의 경과에 따른 마모 때문에 다른 특징들을 가질 수도 있으며, 그러한 경우에 동일한 주안점들(features)을 모니터하기 위해 이용되는 동일한 센서유형들은 다른 가중치를 필요로 할 수도 있다.

일반적으로, 그 센서 특징들은 규정된 시간을 넘어서까지 안정을 유지할 수 있을 것이며, 일단 그 가중치가 최초로 결정되면, 그 필터는 그것의 수명 동안에 양호한 결과를 계속 제공할 것이다. 그러나 만약 센서의 특징에 있어서 변화가 발생하게 되면, 새로운 가중치들이 정해질 수도 있다. 이러한 변화들은 예컨대 차량을 정상적으로 서비스 하는 동안과 같은 어떤 적절한 시간에 그 가중치들을 재조율 함으로써 보상될 수도 있다. 재조율은 그 시스템 안으로 플러그 연결되는 외부 장치에 의해 수행될 수도 있거나 혹은 프로세서 그 자체에 의해 수행될 수도 있다. 제어 유닛(1)은 사용시간 동안 예를 들어 그 센서 출력이 필요로 하지 않고 그 제어 유닛이 여분의 가용 연산 시간을 가지는 시간 동안에 그 바퀴들을 재조율 하도록 프로그램될 수도 있다.

본 발명의 필터 프로세서의 배경 이론이 이하에서 논의된다.

프로세싱 유닛이 예컨대 네트워크를 통하여 센서로부터 데이터 샘플을 수신하는 경우에, 그 데이터 샘플들의 몇몇은 순간적인 단락회로, 네트워크 결함 등의 이유 때문에 누락될 수도 있다. 그 프로세싱 유닛은 그 누락 샘플들을 예측된 값으로 대체하여야 한다. 최대로 L개의 연속적인 누락 데이터 샘플들을 취급하는 경우를 가정한다. 만약 L개의 연속 샘플보다 많이 누락되면, 그럴 경우에는 그 프로세싱 유닛은 다른 제어 정책으로, 예를 들어 제어명령이 다른 가용한 센서 데이터 혹은 잉여 센서들에 의거하여 결정되거나 또는 그 시스템이 그 문제가 해결될 때까지 비상안전(failsafe) 상태로 들어가는 경우로 전환될 수도 있다.

최근에 누락된 샘플들의 개수에 의거하여, 누락 샘플은 1-단계 선행, 2-단계 선행, 혹은 L-단계 선행 예측에 의해 처리된다. 각 누락 샘플의 예측 값은 다음에서 보이는 바와 같이, 가장 최근의 P개의 데이터 값의 선형 조합이다.

여기서, y'(k-i)는 이전 데이터 샘플 y(k-i)나 이전 예측 샘플

중 어느 하나와 같다. 메모리, 복잡도와 코드 실행 지연에 있어서 관한 가용한 제한 때문에, 1-단계 선행, 2-단계 선행, ..., 그리고 L-단계 선행 예측에 관한 다른 a_i 가중치들을 찾을 필요는 없다. 그러므로, 그 필터는 모든 경우에 있어서 예측을 위해 동일한 a_i값들을 사용하도록 조율된다.

1-단계 선행 예측의 경우에 있어서, 첫 번째 누락 샘플은 다음과 같이 P개의 이전 실제 샘플들의 선형 조합에 의해 추정된다.

2-단계 선행 예측의 경우에 있어서, 두 번째 누락 샘플은 다음과 같이 최근에 예측된 샘플과 P-1 개의 이전 데이터 샘플들의 동일한 선형 조합에 의해 추정된다.

식 (7)에서 (6)으로부터 y₁(k-1)을 대체하면 다음과 같은 식을 얻는다.

3-단계 선행 예측의 경우에, 그 예측된 샘플은 다음과 같이 비슷하게 공식화된다.

그리고 식 (6)으로부터 y₁(k-2)과 식 (8)의 y₂(k-1)를 대체하면 다음과 같은 공식이 얻어진다.

일반적으로, j-번째 누락 데이터 샘플은 다음과 같은 식에 의해 주어질 수 있다.

여기서, 2 ≤ j ≤ L 이고 a₀=0 이다. P ≥ L이라고 가정하자. 이는 합리적인데, 누락 데이터 샘플의 최대 허용 개수 L은 대개 실시간 제어 시스템들에 있어서는 작기 때문이다. 식 (11)에서 이전에 예측된 y_j _-i 값들을 반복적으로 치환하면, 다음과 같은 일반적인 공식이 도출될 수 있다.

여기서, A_i ^j 곱셈자들은 다음 식들에 의해 재귀적으로(recursively) 연산될 수 있다.

여기서, 2 ≤ j ≤ L ≤ P 이다. 식 (12)는 제안된 예측 필터가 다음과 같은 전달함수를 갖는 FIR 필터임을 보여준다.

본 발명에 따르면 a_i 가중치들이 그 얻어진 필터(resulting filter)가 사용되어 L개 까지 중에서 어떤 필요로 하는 개수만큼의 누락 데이터 샘플들의 누락 값들을 식 (6), (7), (9) 또는 (11 )에 의해 예측할 수 있다.

본 발명의 튜닝 알고리즘에 있어서, a_i 값들이 다음의 에러 함수를 최소화 하기 위해 탐색된다.

여기서, N은 오프라인 조율을 위해 사용되는 샘플들의 전체 개수이고 C_j은 1에서 L-단계까지의 선행 예측의 수행에 관한 우선권에 의거하여, 예를 들어, 각 다단계 예측의 예상되는 주파수에 의거하여 선택된 상수들이다. 이와 같은 우선순위 매김은 응용처에 의존한다. 대부분의 실시간 응용처에 있어서는, 예측하는 선행 단 계의 개수가 낮을수록 더 높은 우선권을 갖는다. 즉, C₁ > C₂ >... > C_L 이다. 그렇지만, 다른 우선권들이 설정될 수도 있는데, 예를 들어 만약 샘플들이 세 개의 세트에서 더 자주 누락되는 것이 보이면, C₃이 우선순위가 부여될 수도 있다.

에러 함수를 최적화 하기 위해, 최대 급경사 방법(steepest gradient method)이 이용될 수 있다. 이 방법에 있어서, 가중치 벡터 Θ= [a₁ a₂ _…a_p]^T 는 그 가중치 벡터에 관하여 그 에러 함수의 기울기 벡터의 역방향으로 반복적으로 이동한다. 그러므로 이러한 기울기의 계산이 필요하며, 그것은 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 (8), (10) 그리고 (12-14)는 ∂y_i(k)/∂a_j의 직접 계산과 그것의 공식화가 i >1에 관해서는 복잡하게 될 수 있음을 보여준다. 그러므로, 식 (6), (7), (9) 및 (11)에 의거하여 간접적인 반복 계산이 대신 행해질 수도 있는데, 이것이 공식화하고 계산하는 데 더 쉽기 때문이다. a_j에 관한 식 (6)의 부분 미분에서 다음을 얻는다.

a_j에 관한 식 (7)의 부분미분과 식 (19)로부터 ∂y₁(k)/∂a_j를 대체하면 다음을 얻는다.

a_j에 관한 식 (9)의 부분미분과 식 (19)와 (20)으로부터 ∂y₁/∂a_j 과 ∂y₂/∂a_j 를 대체하면 다음을 얻는다.

유사한 접근에 의해, ∂y_i(k)/∂a_j에 관하여 다음의 일반적인 공식이 얻어질 수 있다.

여기서, 1 ≤ j ≤ P, 2 ≤ i ≤ L이고 곱셈자 B_l는 다음의 식들에 의해 재귀적으로 계산될 수 있다.

식 (17)과 (18)에서 기울기 벡터는 식 (19-23)에 의해 재귀적으로 계산될 수 있으며, 그 후 다음의 규칙에 의해 가중치 적응화(weight adaptation)에 인가된다.

여기서 l은 N개의 샘플들 전체 앙상블에 관한 탐색 과정의 반복 회수이고, -η∇V_ΘE(l)은 최대 급경사 항(the steepest gradient term)이고, αΔΘ(l-1)는 모멘텀 항이고, 국부적인 최소값(local minima)을 피하기 위해 부가된다.

탐색 알고리즘에 있어서, 필터 가중치 벡터는 [1 0 0 ... 0]^T으로 초기화 될 수 있어 그 필터는 영차원 홀드(zero order hold) 시스템에 대응되고, 그것은 단순하고 일반적인 예측자(predictor)이다. 가중치들은 식 (17-24)에 의해 오프라인에 서 조율되고 실시간 응용처에서 누락 데이터 처리를 위해 사용된다.

만약 어떤 이유로 센서 신호의 동적인 특징들이 변하면, 그 필터 가중치들은 식 (17-24)를 실시간으로 이용하여 즉, 식 (18)에서의 합계가 무시되고 식 (24)에서 /가 신호 샘플링 시간 k로 대체되는 것에 의해, 적응적으로 조율될 수 있다.

위에서는 주로 차량 관리 시스템들에 관해서 논의되었지만, 본 발명은 일반적으로 제어 시스템들에 적용될 수 있고, 일반적인 제어 시스템은 도 2에서 블록 형태로 도시되어 있다

프로세서(20)는 센서로부터 입력 데이터 샘플(22)을 수신하고 액츄에이터(24)를 제어하거나 혹은 그에 따라 적절한 동작을 취한다. 프로세서 (20)은 관련 메모리들(26과 28)을 포함하는데, 그것들은 이전의 P개의 데이터 샘플 y(k-1)이나 예측된 데이터 y'(k-i) (1 ≤ i ≤ P), 그리고 필터 가중치 {a₁, ... , a_p}을 저장한다.

프로세서(20)는 데이터(22)가 시의적절한 방식으로 수신되는 것을 결정할 때, 그것은 위에서 논의한 바와 같이 필터를 이용하여 예측 알고리즘을 실행하는데, 거기서 동일한 필터 가중치들 {a₁, ... , a_p} 연속적인 누락 데이터들의 어떤 개수만큼을 위해 사용될 수 있고, 그 필터 가중치들은 특정의 센서 시스템, 예를 들어 센서와 감지되는 주안점/대상물에 관해 조율되는데, 센서로부터 데이터가 수신된다.

프로세서(20)은 도 3의 흐름도에 도시된 바와 같은 가중치 조율 과정을 실행 할 수도 있다. 오프라인이면서 훈련 모드일 때 이를 실행한다. 다른 방안으로는, 그 절차는, 그 프로세서 시스템 안으로 플러그 연결되거나 또는 센서 신호 다이나믹스를 시뮬레이트하는 즉, 동일한 센서 시스템으로부터 데이터를 얻는 외부 장치 위에서 실행될 수 있다.

프로세서 (20)은 단계 S10에서 알려진 훈련 데이터를 수신하고, 단계 S20에서는 필터 가중치 {a₁, ... , a_p}를 단순한 영차원 홀더 필터에 [1 0 0 ... 0]으로 설정하거나, 혹은 만약 그 센서가 이전에 조율된 것이라면 현재 저장되는 가중치 설정값들을 이용한다. 그 프로세서는 그런 다음, 예를 들어 위에서 논의된 것과 같이 실제 데이터 값과 단계 S30에서 여러 가지 다단계 선행 예측들에 관한 예측된 값들 간의 에러 함수 E의 값을 정한다. 그런 다음, 프로세서(20)은, 예를 들어 그 에러 함수가 여러 번의 반복에 걸쳐서 의미 있게 변하지 않았음을 결정하거나 혹은 그 에러가 특정 문턱값 이하에 이르렀는지를 결정하는 것에 의해, S40 단계에서 그 가중치들이 최적화 되었는지 여부를 결정할 것이다. 만약 최적화 되지 않았다면, 그 프로세서는 S50 단계에서 가중치 a_i를 수정할 것이고 S30 단계에서 그 에러 함수를 재결정할 것이다. 이러한 반복은 그 에러 함수E가 최적인 것으로 결정될 때까지 계속 된다. 그리고 그 때, S 60 단계에서, 그 현재시점에서 저장되는 그 가중치a_i는 S60 단계에서 실시간 사용을 위한 필터 가중치로서 설정된다.

본 발명은 주로 차량 관리 시스템들에 적용될 수 있지만, 일반적으로 제어 시스템들에 널리 적용될 수 있다.

다른 제어 시스템들이 예컨대 한 개 이상의 센서들이 그 시스템에서 주요한 역할을 하는 그런 시스템과 누락 센서 데이터가 시스템 고장을 야기하거나 및/또는 안전에 관한 엄중한 이슈를 야기할 그런 시스템을 포함할 수 있다. 이것은 예를 들어 일반적으로 브레이크 시스템에 적용된다. 다른 예들은 우주항공 제어 시스템, 군사용 제어 시스템, 인공위성 운동 제어 시스템, 그리고 우주 로보트 제어 시스템을 포함할 수 있으며, 특히 그들 자신의 센서들에 의해 주로 자동으로 제어되는 그런 것들을 포함할 수 있다. 예컨대 그것은 센서 데이터 스트림이 GPS 데이터인 그런 시스템에 관련될 수 있다. 그것은 메모리 양 및/또는 가용 프로세서 시간이 제한적인 응용처에 특히 유용하다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 위에서 설명된 부분에 대하여, 위에서 제시한 가르침에 비추어, 다양한 개조, 부가 및/또는 변경 등이 이루어질 수 있음은 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 당업자가 이해할 수 있는 것처럼 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어적으로 다양한 방법으로 실행될 수 있다.

Claims

프로세싱 유닛과 센서를 갖는 제어 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 센서 데이터를 위한 다단계 선행 예측 필터(multi-step ahead predictive filter)를 포함하며, 상기 필터는 이전 데이터 샘플들(prior data samples)의 가중함수에 의거하여 데이터 샘플을 예측하며, 특히 상기 필터는, 예측이 요구되는 누락 데이터 샘플들의 개수에 상관없이, 상기 이전 데이터 샘플들을 가중처리하기 위해 가중치들의 단일 세트를 사용하며, 상기 가중치들의 세트는 상기 센서 신호의 특징들에 의거하여 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 가중치들은 상기 센서에 관한 알려진 출력 신호와 예측된 출력 신호 간의 에러 함수를 최적화하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 최적화 처리는 항들을 합한 형태를 취하는 에러 함수에 의거하여 이루어지며, 그 에러 함수는 항들의 합의 형태를 취하며, 하나의 항은 각 가능 단계 선행 예측을 위한 것이고, 각 항은 실제 데이터 값과 그 항의 선행 단계에 관한 예측된 에러 간의 모든 데이터 샘플들에 걸쳐서 존재하는 에러들의 합인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 에러 함수는 가중처리되어 한 개 이상의 다단계 선행 예측들의 우선순위를 매기기는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 3항에 있어서, 예측을 위한 누락 단계들의 개수가 낮을수록 우선권 가중치는 더 높은 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 2, 3, 4 또는 5항에 있어서, 상기 최적화 처리는 반복적인 처리에 의거하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 반복적인 처리는 최대급경사하강법(steepest gradient descent method)에 의거하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
선행 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 시스템은 차량 관리 시스템인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
선행 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 시스템은 차량 브레이크 시스템인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
선행 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 센서는 바퀴 속도 센서 또는 예를 들어 브레이크 페달 센서와 같은 발을 사용하는 페달(foot pedal) 센서인 것을 특징 으로 하는 제어 시스템.
선행 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 가중치들은 갱신가능한 것인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제어 유닛과 센서를 포함하는 제어 시스템으로서, 상기 시스템은 누락 센서 데이터를 결정하기 위한 예측 필터를 포함하며, 상기 필터는 아래 식과 같은 형태를 취하고,

여기서, y'(k-i)는 이전 데이터 샘플 y(k-i)과 같거나 이전에 예측된 샘플
중 어느 하나이고, a_i는 센서 신호의 특징들에 의거하여 결정되어 a_i의 동일 세트는 모든 누락 데이터 예측들을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 가중치 a_i는 아래 식과 같은 형태의 에러 함수의 최적화에 의거하여 결정되며,

여기서 L은 예측되어야 하는 연속 누락 데이터 샘플들의 최대값이고, C_j는 연속 누락 데이터 샘플들의 개수에 한 개 더 많은 우선순위를 매기기 위한 가중치들이며,
(x)는 1)
(0)=0, 2) 모든 x에 대하여,
(x) ≥0, 3) 만약 |x₁| > |x₂| 이면,
(|x₁|) >
(|x₂|) 의 성질을 갖는 어떤 함수인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 가중치 a_i는 아래 식과 같은 형태의 에러 함수의 최적화에 의거하여 결정되며,

여기서 L은 예측되어야 하는 연속 누락 데이터 샘플들의 최대값이고, C_j는 연속 누락 데이터 샘플들의 개수에 한 개 더 많은 우선순위를 매기기 위한 가중치들인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
센서 데이터를 예측하는 단계를 포함하는 센서 시스템 제어방법으로서, 상기 방법은 이전 데이터 샘플들의 가중 함수에 의거하여 데이터 샘플을 예측하는 단계를 포함하며, 가중치들의 단일 세트는 복수 개의 다른 개수의 연속 누락 데이터 샘플들에 관한 예측을 위한 예측 함수를 가중처리 하는 데 이용되며, 그 가중치들 세 트는 센서 출력의 특징들에 의거하여 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
센서를 위한 다단계 선행 예측의 가중치들을 결정하는 방법으로서, 상기 방법은 복수의 예측들을 위한 단일 센트의 가중치들을 결정하는 단계를 포함하며, 그 가중치들의 세트는 상기 센서의 출력의 특징들에 의거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
센서의 데이터에 의거하여 시스템을 제어하기 위한 컴퓨터 소프트웨어로서, 상기 소프트웨어는,

센서 데이터가 가용하지 않음을 검출하는 요소와,

가용하지 않을 때 그 센서 데이터를 추정하는 요소를 포함하며, 상기 센서 데이터는 이전 데이터 샘플들(prior data samples)의 가중 함수에 의거하여 추정되며, 단일 세트의 가중치들은 모든 추정들에 관하여 이전 데이터 샘플들에 가중치를 부여하는 데 이용되며, 상기 가중치들은 센서 출력의 특징들에 의거하여 정해지는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 소프트웨어.
제어 유닛과 센서를 포함하는 차량 제어 시스템으로서, 상기 시스템은 센서 데이터를 위한 다단계 선행 예측 필터를 포함하며, 상기 필터는 앞선 데이터 샘플들의 가중 함수에 의거하여 데이터 샘플을 예측하고, 상기 필터는, 예측이 요구되 는 누락 데이터 샘플들의 개수에 상관없이, 상기 이전 데이터 샘플들을 가중처리하기 위한 가중치들의 단일 세트를 이용하며, 상기 가중치 세트는 센서 신호의 특징들에 의거하여 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 제어 시스템.