JP5607347B2 - 誤りのあるセンサ出力を特定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本開示はセンサデータを得ることに関し、より詳細には、センサデータを評価することに関する。

現実世界の物理量を測定するセンサから受信されるデータは、正確な測定データと、誤りのあるデータとを含む可能性がある。センサは多くの場合に、測定環境内の雑音、及びセンサ測定値に影響を及ぼす他の変数に起因して、誤りのあるデータを生成する。

誤りのあるデータ出力を生成する傾向がある１つのタイプのセンサは、音波近接センサである。音波近接センサは、センサから物体までの距離に関連する出力データを与える。音波近接センサは、音波パルスを生成し、その音波パルスが送信される時刻から戻りパルス（エコー）が受信される時刻までの時間を測定することによって動作する。送信されると、その音波パルスは、固体に達するまで、空気、水又は他の液状媒体を通って、センサから離れるように伝搬する。パルスが固体に衝突するとき、そのパルスは反射され、戻りパルスがセンサに向かって戻される。初期パルスが送信される時刻と、戻りパルスが受信される時刻との間の時間を用いて、センサから物体までの距離が求められる。

戻りパルスと共に、センサは、マルチパス信号及び雑音も受信する。マルチパス信号は、距離が測定されている物体以外の表面から音波パルスが反射するときに引き起こされる。たとえば、音波パルスの一部は物体から反射してセンサに直に戻されるが、その音波パルスの中には、物体から、センサに向かって直に戻されない方向に反射する部分もある。その後、センサ以外の方向に反射したこれらの信号は、他の物体から反射して、センサに戻る場合がある。これらの信号は、マルチパス信号と呼ばれる。マルチパス信号はセンサによって検出されるが、音波パルスが送信される時刻と、マルチパス信号（複数可）が受信される時刻との間の時間は、物体までの正確な距離を表さない。したがって、受信したマルチパス信号に基づいてセンサから出力されるデータは誤りのあるデータであり、物体までの正確な距離を表さない。さらに、環境雑音も、センサによって戻り信号と解釈される場合がある。したがって、環境雑音によっても、センサから誤りのあるデータが出力される場合がある。さらに、他の要因も、誤りのあるセンサ出力を引き起こす場合がある。

一実施の形態では、誤りのあるセンサ出力を特定するための方法が提供される。本方法は、或る時間にわたって、センサから第１の複数のサンプルを得ることを含む。複数のサンプルの平均を求める。第１の複数のサンプルが得られた時刻より後の時刻においてセンサから第１のさらなるサンプルも受信する。第１のさらなるサンプルと平均との相違を求める。相違が或るしきい値よりも大きいときに、第１のさらなるサンプルを誤りがあると特定する。

誤りのあるセンサ出力を特定するためのシステムの一実施形態のブロック図である。 誤りのあるセンサ出力を特定するための方法の一実施形態を示す流れ図である。 センサからの複数のサンプルの一実施形態を示すタイミング図である。 誤りのあるセンサ出力を特定するためのシステムの一実施形態のブロック図である。

一般的な慣例に従って、種々の示される特徴は縮尺どおりに描かれるのではなく、本発明の例示的な実施形態に関連する具体的な特徴を強調するように描かれる。
本開示は、誤りのあるセンサ出力を特定するための方法及びシステムを対象とする。誤りのある出力は、出力データを、先行する出力データの一部の平均と比較することによって特定される。スライディングウインドウを用いて、平均が求められる先行する出力データが選択される。たとえば、一実施形態では、センサから出力データが得られると、現在得られている出力データが、直前の出力データの平均と比較される。現在の出力データが、しきい値よりも大きな値だけ平均から異なる場合には、現在の出力データは誤りがあると特定される。現在の出力データが、しきい値以下の値だけ異なる場合には、その出力データは有効である可能性が高く、誤りがあるとは特定されない。出力データとしきい値との間の相違、及びしきい値の決定は、後にさらに詳細に検討される。その後、センサからの出力信号はコントローラに送信され、コントローラはそのデータを用いて、或る機構を制御する。コントローラにおいて、又はコントローラに先行する処理において、データに誤りがあることが考慮に入れられる。たとえば、一実施形態では、出力データが誤りがあると特定されると、誤りのある出力データが後続のデータ処理において用いられないように、その出力データは捨てられる場合がある。他の実施形態では、誤りのある出力データを考慮に入れるために、他の動作（後にさらに詳細に検討される）が取られる場合もある。

図１は、誤りのあるセンサ出力を特定するためのシステム１００の一実施形態を示す。システム１００は、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０６に通信可能に結合され、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０６は処理デバイス１０４に通信可能に結合される。処理デバイスは、誤りのあるセンサ出力を特定するためのプログラムコード１１０を収容する、関連するメモリ１０８に結合される。センサ１０２は、周囲環境からの測定値を入手し、そのデータを処理デバイス１０４に出力する。処理デバイス１０４は、プログラムコード１１０によって与えられる命令に従ってデータを解析し、センサ１０２からの誤りのあるデータを特定する。

図１に示される実施形態では、センサ１０２は、センサ１０２によって得られた測定値に比例する電圧を出力するアナログセンサである。ＡＤＣ１０６が、そのアナログ電圧をデジタルサンプルに変換し、そのデジタルサンプルは処理デバイス１０４に送られる。別の実施形態では、センサ１０２は、処理デバイス１０４にデジタルサンプルを直に出力するデジタルセンサである。

処理デバイス１０４は、センサ１０２によって得られたサンプルを受信し、誤りのあるサンプルを特定する。図２は、誤りのあるサンプルを特定するための方法２００の一実施形態を示す。方法２００において、処理デバイス１０４は、各サンプルを、センサ１０２がその比較されるサンプルを得た時刻よりも時間的に先行してセンサ１０２によって得られた複数のサンプルの平均と比較する。

最初に、センサ１０２によってサンプル内のデータを取得する。サンプル内のデータは、センサ１０２の周囲環境からセンサ１０２によって得られた測定値を含む。これらの測定値を、センサ１０２によって直に、又は上記のようにＡＤＣ１０６を通して、処理デバイス１０４にデジタルサンプルとして出力する（２０２）。システム１００の通常動作中に、センサ１０２は絶えずデータを入手し、サンプルが絶えず処理システム１０４に与えられる。一実施形態では、サンプルは、１０分の１秒毎に処理システム１０４に与えられる。サンプル毎に、処理システム１０４は、先行して得られたサンプルの一部の平均を求める（２０４）。その後、処理システム１０４は、その平均を、現在のサンプルと比較して、現在のサンプルと平均との相違を求める（２０６）。現在のサンプルと平均との相違が、相違しきい値よりも大きいとき、処理システム１０４は、現在のサンプルを誤りがあると特定する（２０８）。現在のサンプルが、相違しきい値以下であるとき、処理システム１０４は、現在のサンプルを誤りがあると特定しない。

一実施形態では、しきい値は実験データに基づいて選択される。しきい値は、十分に少ない数の正確なサンプルが間違って誤りがあると特定されないようにするほど十分に高く選択される。また、しきい値は、十分に多くの数の実際に誤りのあるサンプルが、誤りがあると特定されるようにするほど十分に低く選択される。

一実施形態では、サンプルと平均との間の相違は、平均に対するサンプルの変動係数（coefficient of variance）として計算される。変動係数はサンプルの相対的なばらつきの無次元指標であり、異なる平均サイズを有するサンプルのための偏差を比較できるように設計される。変動係数は、「ｎ」個のサンプルにわたる標準偏差を取り、「ｎ」個のサンプルの平均によって正規化することによって計算される。ここで、しきい値は、選択された変動係数であり、それは実験データから求められる。一実施形態では、変動係数は５と選択される。別の実施形態では、サンプルと平均との間の単純な差がしきい値として用いられる。

図３は、方法２００において説明されるように処理される複数のサンプルを示すタイミング図の一例を示す。この例の場合、処理デバイスはサンプル１〜１０を受信し（２０２）、サンプル１のデータは時刻＝０．１ｓにおいてセンサ１０２によって測定され、サンプル２のデータは０．２ｓにおいて測定され、サンプル３のデータは０．３ｓにおいて測定され、同じようにして、サンプル１２のデータが測定される時刻１．２ｓまで続けられる。サンプルに誤りがあるか否かを判断するために、処理デバイス１０４によってサンプル１０が解析されているものと仮定する。この例示的な実施形態では、処理デバイス１０４は、サンプル１０を、時間的にサンプル１０の直前にある３つのサンプルの平均と比較する。したがって、処理デバイス１０４は、サンプル７、８及び９の平均を求める。図３に示されるように、サンプル７、８及び９はそれぞれ値４、４及び３を表す。したがって、サンプル７、８及び９の平均は３と３分の２である。

先行するサンプルの平均が得られると、サンプル１０が平均と比較され、サンプル１０と平均との相違が求められる。この平均との相違は、相違しきい値と比較され、サンプル１０が誤りのあるサンプルであるか否かが判断される。

上記のように、センサ１０２から受信される各サンプルを解析して、サンプルに誤りがあるか否かが判断される。後続の各サンプルが解析されるのに応じて、処理デバイス１０４は、スライディングウインドウ内の複数のサンプルに基づいて平均を求める。たとえば、再び図３を参照して、上記のように、処理システム１０４はサンプル１０の解析を終了しており、処理システム１０４はスライディングウインドウを用いて、平均が求められるサンプルを決定するものと仮定する。サンプル１０の処理中に、スライディングウインドウはサンプル７、８及び９を含む。上記のようにサンプル１０が解析された後に、処理デバイス１０４によってサンプル１１が受信され、解析される。サンプル１１に関して、スライディングウインドウは、サンプル１０に対して用いられたサンプル７、８及び９を含む場所から、サンプル８、９及び１０を含む場所まで「スライド」する。それゆえ、処理デバイス１０４は、サンプル８、９及び１０から平均を求め、サンプル１１をこの平均と比較する。その後、サンプル１１とこの平均との相違が、しきい値と比較され、サンプル１１が誤りのあるデータを含むか否かが判断される。この例で続けると、処理デバイス１０４は、このようにして、各サンプルが時間的に直前にある３つのサンプルの平均と比較されるように各サンプルを解析する。

一実施形態では、処理デバイス１０４は、センサ１０２の起動中にサンプルを解析しない。これは、最初のサンプルには、平均を求めるための先行するサンプルが存在しないためであり、且つ／又はセンサ１０２が初期化手順を行なっている場合があるためである。

サンプルが誤りがあると特定されると、誤りがあるという判断に基づいて、１つ又は複数の動作を取ることができる。たとえば、一実施形態では、誤りのある各サンプルが処理デバイス１０４によってフラグを立てられる。誤りのあるサンプルにフラグを立てることによって、それらのサンプルを、後続の処理中に捨てることができるか、又は誤りのないサンプルとは別に他の態様で処理できるようになる。たとえば、フラグを立てられたサンプルは、後続の処理中に、フラグを立てられていないサンプルよりも小さな重みを与えられる場合がある。別の実施形態では、サンプルが誤りがあると特定されると、そのサンプルは捨てられる。ここで、たとえば、そのサンプルは、先行するサンプルの平均に等しいサンプルで置き換えられる。一実施形態では、誤りがあると特定されたサンプルは、後続のサンプルに誤りがあるか否かを判断するための平均の計算を除いて、後続の処理のために捨てられる。したがって、そのサンプルは、一連のサンプルに関する平均を求めるためにスライディングウインドウにおいて用いられるが、それ以降のいかなるサンプル処理においても用いられない。

さらに別の実施形態では、誤りのある各サンプルが置き換えられる。たとえば、一実施形態では、サンプル・アンド・ホールドアルゴリズムを用いて、誤りのあるサンプルが、直前に得られた有効な（誤りのない）サンプルで置き換えられる。別の実施形態では、誤りのあるサンプルが、先行して得られたｎ個の有効なサンプルの勾配に基づいて予測される値で置き換えられる。

一実施形態では、センサ１０２からの誤りのあるサンプルの特定は、センサ１０２から出力される生データに対して実行される。したがって、センサ１０２から出力されるデータは、処理デバイス１０４によって解析される前に、フィルタリングもされず、それ以外の変更も加えられていない。さらに、一実施形態では、センサ１０２からデータが出力されると、処理システム１０４によって１つのサンプルが受信され、データが受信されるのに応じて処理システム１０４がデータを解析するように、処理システム１０４によってサンプルがリアルタイムに解析される。

処理システム１０４によってサンプルが処理されると、それらのサンプルは、或る機構の動作を制御するためのコントローラ（図示せず）に与えられる。コントローラは、サンプル内で受信されるデータに基づいて、その機構を物理的に動かす。上記のように、一実施形態では、処理システム１０４は誤りのある全てのデータを捨てるので、コントローラからのコマンド及びその機構の動作は、誤りのないデータだけに基づく。他の実施形態では、誤りのあるデータは小さな重みを与えられ、それにより、コントローラは、誤りのあるデータポイントに基づいて機構を動かすのに、誤りのないデータポイント内の同じ値と比べて異なるコマンドを与えることができる。一実施形態では、その機構は、航空機のためのスラスタである。別の実施形態では、その機構は、車両のためのブレーキである。さらに別の実施形態では、その機構は、航空機のためのフラップである。

上記の例では、３つのサンプルを用いて平均を求めるが、他の実施形態では、他の数のサンプルを用いて平均を求める。たとえば、一実施形態では、２５サンプルを用いて、平均が求められる。平均を求めるために用いられるサンプルの数は、システム及びアプリケーションの判定基準に基づいて選択される。たとえば、センサ１０２によって測定される物理量が急速に変化する状況においてセンサ１０２が用いられるとき、より少ない数のサンプルを用いて平均を求めることが好都合である場合がある。これは、サンプルが急速に変化するときに、サンプルの数が多くなると、センサが異なる物理量を測定していたときからのサンプルを含む場合があり、それゆえ、その平均が、最新の測定値の実際の平均を反映しない場合があるためである。同様に、センサ１０２が、センサ１０２によって測定される物理量が急速に変化しない状況において用いられるとき、より多くの数のサンプルを用いて、平均を計算することが好都合である場合がある。これは、サンプルの数が多いほど、より正確な平均を与えることができるためである。

さらに、上記のように、平均を求めるために用いられるサンプルは、比較されているサンプルの時間的に直前にあるサンプルであるが、他の実施形態では、さらに前のサンプルが用いられる。たとえば、一実施形態では、サンプル１０に誤りがあるか否かを判断するときに、サンプル５、６及び７を用いて、平均が求められる。さらに、上記のように、平均を求めるために用いられるサンプルは時間的に連続しているが、他の実施形態では、連続していないサンプルを用いて、平均が求められる。

ここで図４を参照すると、誤りのあるセンサ出力を特定するためのシステム４００の一実施形態のブロック図が与えられる。システム４００は、センサ４０２と、サンプル・アンド・ホールド回路４０６と、処理デバイス４０４と、メモリ４０８と、図１に関して説明されたのと概ね同じようなプログラムコード４１０とを備える。システム４００は、デジタルフィルタのためのプログラムコード４１２、コントローラ４１４、及び航空機着陸機構４１６も備える。

この実施形態では、システム４００は航空機４１８内に取り付けられ、航空機４１８を着陸させるのを支援するために用いられる。この実施形態では、センサ４０２は、音波近接センサであり、航空機４１８上に取り付けられ、航空機４１８から地面までの距離を求めるために用いられる。したがって、航空機４１８を着陸させるのを支援するために、誤りがあるか否かを判断するために処理された後のサンプルが、航空機制御システム４１４によって用いられ、航空機着陸機構４１６が制御される。

ここで、センサ４０２は、音波パルスを送信し、送信されるパルスからの戻りエコーパルスを検出する音波センサである。音波センサは、音波パルスが送信される時刻から、戻りパルスが受信される時刻までに経過した時間の長さを測定する。その際、音波センサは、この時間測定値を表す電圧レベルを出力する。たとえば、一実施形態では、時間測定値が５マイクロ秒である場合に、結果として３ボルトが出力され、時間測定値が１０マイクロ秒である場合に、結果として４ボルトが出力される。この時間測定値は、（おそらく、サンプル・アンド・ホールド回路によって変換された後に）デジタルサンプルとして処理システム４０４に与えられる。サンプルを（たとえば、処理デバイス４０４において）処理して、センサ４０２から、戻りパルスが反射された物体までの距離が求められる。一実施形態では、通常動作中に、処理システム４０４は、周期的にサンプルを受信し、たとえば、１０分の１秒毎に１サンプルを受信する。

一実施形態では、処理デバイス４０４によってサンプルが処理され、サンプルに誤りがあるか否かが判断された後に、センサ４０２のアプリケーションに応じてサンプルがさらに処理される。たとえば、一実施形態では、それらのサンプルは、デジタルフィルタ４１２によってフィルタリングすることによってさらに処理される。デジタルフィルタ４１２の例は、単純な平均化タイプのフィルタ、及びさらに複雑なカルマンタイプのフィルタを含む。デジタルフィルタ４１２は、サンプリングされたデータを平滑化し、検知される実際の値のさらに現実的な描写を与える。

デジタルフィルタによって処理されたデータは、その後、コントローラ４１４によって用いられ、航空機着陸機構４１６が制御される。この実施形態では、後続の処理は処理デバイス１０４によって実行されるが、別の実施形態では、後続の処理は、１つ又は複数の別個の処理デバイス（図示せず）によって実行される。デジタルフィルタ４１２、及び航空機着陸機構を制御するコントローラ４１４の例は、２００８年１２月１１日に出願され、本譲受人によって所有される米国特許出願第１２／３３２，４８１号において提供される。

上記のように、一実施形態では、処理デバイス４０４は、センサ４０２からの誤りのあるデータを特定することに加えて、多数の機能を実行する。ここでは、誤りのあるサンプルを特定する機能は、処理デバイス４０４の他の機能と共に、処理デバイス４０４上で動作するソフトウエアによって実行される。この実施形態では、処理デバイス４０４は汎用プロセッサを含み、汎用プロセッサは、そのプロセッサ上で動作するソフトウエアを含むメモリデバイスに結合される。別の実施形態では、処理デバイス４０４は、センサ４０２からの誤りのあるサンプルを特定するためだけにプログラムされるマイクロプロセッサである。

いずれの場合でも、一実施形態では、方法２００は、処理デバイスによって実行される、プログラムモジュール又はアプリケーションのような、プロセッサ読取り可能命令において実施される。一般的に、プログラムモジュール又はアプリケーションは、特定のタスクを実行するか、又は特定の抽象データ型を実現する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、データコンポーネント、データ構造、アルゴリズム等を含む。これらは、本明細書において開示される方法のステップを実行するためのプログラムコードの例を表す。そのような実行可能命令又は関連するデータ構造の特定のシーケンスは、そのようなステップにおいて記述される機能を実施するための対応する動作の例を表す。

誤りのあるデータを特定することは、後続の処理中に誤りのあるデータを考慮に入れることによって、それ以降に処理されるデータの精度を改善する点で好都合である。さらに、スライディングウインドウを用いることによって、しきい値は、センサ出力の変化を考慮に入れることができるようになる。したがって、或る特定のデータポイントに固定されるしきい値を有するのではなく、しきい値は平均からの相違に基づく。平均が単一の値に固定されるのではなく、代わりに、時間と共に変化する複数の先行するサンプルに基づいて求められるので、その平均はサンプルデータの変化を考慮に入れる。これは、平均がそのウインドウ内のサンプルだけに基づくためである。センサが異なる物理量を測定している場合があるときに取られる古いサンプルは、スライディングウインドウによって平均計算から自動的に除外される。

最後に、その出力に誤りがあるか否かの判断が以前に得られたデータだけに基づいており、今後のデータには基づかないので、先行するサンプルの平均に基づいて誤りのあるセンサ出力を特定することによって、センサからのサンプルストリームの中に遅れは生じない。

一実施形態では、種々のプロセスタスクを実行するための命令、及び上記の方法の動作において用いられる他のデータの計算は、ソフトウエア、ファームウエア又は他のプロセッサ読取り可能命令を含む、プログラム製品において実施される。これらの命令は、プロセッサ読取り可能命令又は他のデータ構造を記憶するために用いられる任意の適切なプロセッサ読取り可能媒体上に格納される。そのようなプロセッサ読取り可能媒体は、汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータ若しくはプロセッサによって、又は任意のプログラム可能論理デバイスによってアクセスすることができる市販されている任意の媒体である。

適切なプロセッサ読取り可能媒体、たとえば、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）又はフラッシュメモリデバイスのような半導体メモリデバイス；内部ハードディスク若しくは取出し可能ディスクのような磁気ディスク；光磁気ディスク；コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途（又はビデオ）ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光記憶ディスク；不揮発性読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び他の類似の媒体；又はプロセッサ実行可能命令若しくはデータ構造の形の所望のプログラムコードを実行若しくは格納するために用いることができる任意の他の媒体を含む、不揮発性メモリデバイスを含む。上記のことはいずれも、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって補うことができるか、又はその中に組み込むことができる。情報がネットワーク又は別の通信接続（有線、無線又は有線及び無線の組み合わせのいずれか）を介してプロセッサに転送又は提供されるとき、そのプロセッサは当然、その接続をプロセッサ読取り可能媒体と特定する。したがって、任意のそのような接続は当然、プロセッサ読取り可能媒体と呼ばれる。上記の組み合わせも、プロセッサ読取り可能媒体の範囲内に含まれる。

Claims (3)

1. 誤りのあるセンサ出力を特定するための方法であって、該方法は、
   或る期間にわたって、センサから第１の複数のサンプルを得るステップと、
   処理デバイスによって、前記第１の複数のサンプルの第１の平均を求めるステップと、
   前記第１の複数のサンプルが得られた時点より後の時点において前記センサから第１のさらなるサンプルを得るステップと、
   前記第１のさらなるサンプルと前記第１の平均との相違を求めるステップと、
   前記相違が或るしきい値よりも大きいときに、前記第１のさらなるサンプルを誤りがあると特定するステップと、
   前記第１のさらなるサンプルが誤りがあると特定された場合に、前記第１の複数のサンプルのうちの少なくとも１つの誤りのないサンプル及び前記第１のさらなるサンプルを含む第２の複数のサンプルの第２の平均を求めるステップと、
   前記センサから得られた誤りのないサンプルのみに基づいて、或る機構を制御するステップとを含む、誤りのあるセンサ出力を特定するための方法。
2. 前記相違を求めるステップは、前記第１の平均に対する前記第１のさらなるサンプルに関する変動係数を求めるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. センサと、
   前記センサと通信するように結合される処理デバイスであって、
   或る期間にわたって前記センサから得られるデータを各々が含む第１の複数のサンプルの第１の平均を求め、
   前記期間より後の時点において前記センサにより得られる第１のさらなるサンプルと前記第１の平均との相違を求め、
   前記相違が或るしきい値よりも大きいときに、前記第１のさらなるサンプルを誤りがあると特定し、
   前記第１のさらなるサンプルが誤りがあると特定された場合に、前記第１の複数のサンプルのうちの少なくとも１つの誤りのないサンプル及び前記第１のさらなるサンプルを含む第２の複数のサンプルの第２の平均を求め、
   前記センサから得られた誤りのないサンプルのみに基づいて、或る機構を制御する
   ように構成される処理デバイスと
   を備えるシステム。

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