信号処理装置及び信号処理方法
【課題】搬送ライン上に順次搬送される物品の動的な重量測定に有効な信号処理を行う。
【解決手段】計量部２からの物品の計量信号は、Ａ／Ｄ変換部３でＡ／Ｄ変換され、データ正規化処理部４で全体として正のデータにシフトして正規化される。正規化されたデータに対し、対数変換部５で対数変換を施し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化する。ＰＤＦ演算部６ａは、量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出する。ＡＰＤ演算部６ｂは、確率密度関数を累積加算して累積確率分布を算出する。推定値算出部７は、算出された確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は確率変数の期待値を物品の重量値の推定値として算出する。
【解決手段】計量部２からの物品の計量信号は、Ａ／Ｄ変換部３でＡ／Ｄ変換され、データ正規化処理部４で全体として正のデータにシフトして正規化される。正規化されたデータに対し、対数変換部５で対数変換を施し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化する。ＰＤＦ演算部６ａは、量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出する。ＡＰＤ演算部６ｂは、確率密度関数を累積加算して累積確率分布を算出する。推定値算出部７は、算出された確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は確率変数の期待値を物品の重量値の推定値として算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送ラインに順次搬送される物品（測定対象物）の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理が行える信号処理装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物である物品を搬送させた状態でその物品の重量を計量する計量装置は、例えば下記特許文献１に開示されるように、物品の搬送ライン中に計量コンベアを挿入する形態で重量選別機等に従来から多用されている。この種の計量装置は、通常、前段コンベア及び後段コンベアの間に位置する計量コンベアを計量器に支持させている。そして、この種の計量装置では、搬送ラインに順次搬送される物品が計量コンベア上を通過する度に、その物品の重量を計量コンベアの重量と共に計量器に負荷させ、計量器の出力信号から計量コンベアの重量分を減算する処理を行うことにより、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を測定期間中に動的に計量している。
【０００３】
上述した従来の計量装置は、一般的に生産ラインに組み込まれて設置されるため、他の生産設備等により起こる床振動や計量コンベアのローラやベルトによる低周期振動成分などが雑音成分として計量器の出力信号に重畳し計量精度の悪化を招く。
【０００４】
このため、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を計量装置によって動的に測定する場合には、ロードセルなどの計量器の出力信号から雑音成分を除去し、より真の値に近い物品の重量測定が行え、高精度高速化が図れる動的重量計測手法が要望されている。ソフトウェアの観点では、計量装置により計量され、計量装置を構成するセンサ測定系の固有振動や、床振動環境下での計量搬送系の振動雑音などに乱された計測データから、いかに物品の重量を効率よく正確に推定するかという研究課題として捉えることができる。
【０００５】
ここで、関連する動的重量計測分野の研究としては、例えば、ハカリ系を線形の状態空間表現でモデル化し質量の状態推定問題に帰着した研究、ロードセルの出力信号に含まれる雑音信号を除去した信号に対して線形システム理論とシステム同定法を適用した研究、加速度センサとカルマンフィルタを組み合わせた研究報告などがある。
【０００６】
さらに、本体セルとは別に補償セルを付加して床振動除去を対象に相対補償原理を適用した研究がある。
【０００７】
一方、振動雑音発生の事前知識を用いた研究例として、多連秤での計量測定にロードセルなどの計量器の出力信号をＡ／Ｄ変換して低域通過フィルタ（ＦＩＲ型ＬＰＦ）によるフィルタ処理を振動雑音抑圧除去に適用した報告もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２６８０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、計量器の出力信号から振動雑音成分を除去して、真の質量成分を高速高精度に抽出する研究が従来から行われてきたが、その計算手法は主に線形演算によるものであった。この線形演算を用いた信号処理として、一般的に多用されている低域通過フィルタＬＰＦでは、ＬＰＦの遮断周波数幅を低く設定することで低い周波数の雑音成分まで除去することが可能になる。
【００１０】
しかしながら、このような線形演算を用いた信号処理では、解析や評価の手順が一意的に決まる半面、処理遅延時間や時間周波数の不確定性に基づくフィルタの応答時間等には原理的な制約が伴う。具体的には、ＬＰＦの遮断周波数を低く設定した場合、センシング期間を長くする必要があり、その分だけ応答速度が遅くなるという問題があった。また、ＬＰＦの遮断周波数を制限することでＬＰＦ自らが人工雑音を発生し、計量器からの出力信号に人工雑音が重畳され、測定結果に信頼性を欠くという問題があった。そして、計量能力の限界に設定されたＬＰＦの遮断周波数より低い周波数の雑音成分については除去することができなかった。
【００１１】
このため、上記制約を取り払うひとつの考え方に、遭遇する物理現象の事前知識を有効活用する手段がある。例えば、カルマンフィルタなどは信号生成の事前知識を利用した推定手法と考えられる。
【００１２】
しかしながら、信号生成の数理モデリングを確実に実態と合致させるには、初期条件の設定や突発的事象の発生などの不確定要素があり、極めて困難な作業であった。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理が行える信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された信号処理装置は、搬送ラインに搬送される物品Ｗの重量値を含む計量信号を処理する信号処理装置１において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３と、
前記Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するデータ処理部６とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載された信号処理装置は、請求項１の信号処理装置において、
前記データ処理部６で算出された前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品Ｗの重量値の推定値として算出する推定値算出部７と、
前記推定値算出部が算出した推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出する交流成分抽出部８と、
前記交流成分抽出部が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出する補正差分演算処理部９とを更に備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載された信号処理方法は、搬送ラインに搬送される物品Ｗの重量値を含む計量信号を処理する信号処理方法において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するステップと、
前記Ａ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載された信号処理方法は、請求項３の信号処理方法において、
前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品Ｗの重量値の推定値として算出するステップと、
前記推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出するステップと、
前記抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出するステップとを更に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、重量計測過程の振幅変動を確率過程とみなし、計量信号の測定期間だけを選択してリアルタイム処理で推定誤差の少ない物品の重量値の推定値を求めることができ、物品の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理を行うことができる。また、従来のような専門知識による難しい理論の数理モデルを必要とせず、物品の真の重量値を得るのに有効な信号処理が行え、搬送ラインに搬送される物品の重量測定の高精度高速化が図れる動的重量計測手法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る信号処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】搬送ライン上での重量計測形態の一例を示す図であって、本発明に係る信号処理装置を含む物品計量システムの概略構成及び各部の信号波形図である。
【図３】累積確率分布ＡＰＤ（Amplitude Probability Distribution）の説明図である。
【図４】図２の物品計量システムの計量部に３個の物品（測定対象物）が搬送されたときの計量部の出力信号を示す波形図である。
【図５】本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法によって求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を示す図である。
【図６】計量部の出力信号に重畳される雑音成分の一例を示す図である。
【図７】所定の測定期間毎に算出される累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示す図である。
【図８】所定の測定期間における確率密度関数ＰＤＦ及び累積確率分布ＡＰＤの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る信号処理装置の概略構成を示すブロック図、図２は搬送ライン上での重量計測形態の一例を示す図であって、本発明に係る信号処理装置を含む物品計量システムの概略構成及び各部の信号波形図、図３は累積確率分布ＡＰＤの説明図、図４は図２の物品計量システムの計量部に３個の物品（測定対象物）が搬送されたときの計量部の出力信号を示す波形図、図５は本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法によって求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を示す図、図６は計量部の出力信号に重畳される雑音成分の一例を示す図、図７は所定の測定期間毎に算出される累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示す図、図８は所定の測定期間における確率密度関数ＰＤＦ及び累積確率分布ＡＰＤの特性を示す図である。
【００２１】
本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法は、秤測定の知識を利用する情報処理であるが、計量部の出力信号（センシング信号）が持つ振幅変動の時間特性に着目し、時間で径路つけた確率過程を利用する動的計測手法を提供するものである。
【００２２】
まず、本発明で用いられる累積確率分布ＡＰＤ及び確率密度関数ＰＤＦについて簡単に説明する。
【００２３】
累積確率分布ＡＰＤは、図３に示すように、「信号振幅の包絡線信号がある閾値レベルを超える時間確率」と定義される。下記式（１）はその定義式であり、信号振幅ｒ（ｔ）を対象にすると、信号振幅の離散値ｘi を確率変数として採用した場合、測定時間Ｔに対して、信号振幅が振幅閾値Ｒを維持する時間Ｗi （ｘk ）が確率密度関数ＰＤＦとなり、その累積加算値がｘi におけるＡＰＤ値となる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
連続値ｘを確率変数にすると、積分変数をｙ、その確率密度関数をｐ（ｙ）とすると、ＡＰＤは下記式（２）で定義される。信号振幅ｘのＡＰＤ確率分布は、確率密度関数ＰＤＦをｘから＋∞方向に積分する。
【００２６】
【数２】
【００２７】
尚、計量部の出力信号（センシング信号）の振幅確率密度関数ＰＤＦとその累積確率分布ＡＰＤは、センサ系の過去からの情報を含む統計的情報であるが、高速高精度化と測定値の確からしさを含む測定として有効な手法である。
【００２８】
上述した手法を採用した本例の信号処理装置１は、例えば図２に示すような物品計量システム２１の一部として構成される。物品計量システム２１は、前段コンベア２２、計量コンベア２３、後段コンベア２４からなる搬送部２５を備えており、前段コンベア２２には上流側で計量対象となる物品Ｗが順次投入され積載される。計量コンベア２３は、前段コンベア２２から所定の投入間隔で搬送ラインに順次投入して物品Ｗを個々に搬送するとともに、後段コンベア２４に搬出する。後段コンベア２４には、選別手段２６が装着されており、物品Ｗの計量結果に応じて、例えば正常重量の良品と重量の過不足がある不良品とに選別されて搬送先が振り分けられる。
【００２９】
搬送部２５を構成する各コンベア２２，２３，２４は、搬送方向の前後に配置されたローラに巻回された無端状の搬送ベルトで物品Ｗを搬送している。不図示の搬送駆動機構により同期してローラが回転駆動し、物品Ｗが前段コンベア２２から計量コンベア２３に所定の投入間隔で順次投入され、計量コンベア２３から後段コンベア２４に搬出される。
【００３０】
前段コンベア２２から計量コンベア２３に物品Ｗが受け渡されて投入される位置、すなわち、前段コンベア２２と計量コンベア２３との間には、計量コンベア２３に投入される物品Ｗを順次検知する投入検知センサ（物品検知手段）２７が設置されている。投入検知センサ２７は、計量コンベア２３上に物品Ｗが存在するか否かを判断している。
【００３１】
そして、上記物品計量システム２１の一部である信号処理装置１は、図１に示すように、計量部２、Ａ／Ｄ変換部３、データ正規化処理部４、対数変換部５、データ処理部６、推定値算出部７、交流成分抽出部８、補正差分演算処理部９、重量値換算部１０を備えて概略構成される。
【００３２】
計量部２は、例えば公知の歪ゲージロードセル、差動トランス式や電磁平衡式の秤で構成され、計量コンベア２３の重量と計量コンベア２３上に投入された物品Ｗの重量が負荷される。計量部２は、投入検知センサ（物品検知手段）２６で検知された物品Ｗの重量を計量コンベア２３の重量とともに計量し、その重量に応じた計量信号を出力している。
【００３３】
ここで、計量部２の出力信号（計量信号）の振幅変動は、時間で経路つけた確率過程と解釈できる。本発明では、この確率過程の信号振幅を確率変数として定義している。この確率変数は、計量対象荷重信号、計量系の非線形振動、搬送系（コンベヤベルトなど）の振動雑音、システム系の振動雑音や設置条件で決まる床振動雑音などがセンシングされた結果の信号振幅である。
【００３４】
図２に示すような物品計量システム２１における高速計量の技術課題は、測定対象物である物品Ｗが計量部２に搬送され、物品Ｗの重量情報をいかに速やかに計量するかという課題である。図２の物品計量システム２１における前提条件として、計量部２に物品Ｗが少なくとも一定時間は安定に荷重される時間があり、完全に高速高精度に短時間で計量できれば、この安定にセンシングする時間を短縮すること、つまり、一定時間に測定できる物品Ｗの数量を増すことができる。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換部３は、物品Ｗの重量値を含む計量部２からの計量信号を所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換している。
【００３６】
データ正規化処理部４は、Ａ／Ｄ変換部３でＡ／Ｄ変換されたデータにおいて、負のデータなどが生じたときに、全体として正のデータにシフトし、データを正規化処理している。
【００３７】
対数変換部５は、データ正規化処理部４で正規化処理されたデータに対して対数変換を施し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化している。なお、対数変換部５は、多数のデータの処理を円滑にするためであり、この構成を省くこともできる。
【００３８】
データ処理部６は、対数変換部５により量子化されたデータを処理するもので、ＰＤＦ演算部６ａとＡＰＤ演算部６ｂを有する。ＰＤＦ演算部６ａは、対数変換部５で量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦを算出している。さらに説明すると、ＰＤＦ演算部６ａは、対数変換部５による量子化精度をアドレス間の単位とするアドレス値カウンタを有している。このＰＤＦ演算部６ａは、実際の重量計測での所定の測定期間において、出現した対数値に対応するアドレス値を参照する毎に、該当するアドレス値カウンタの値を＋１加算している。ＰＤＦ演算部６ａのアドレスは、確率変数値に対応しているため、範囲分けした確率変数軸上のヒストグラムが生成される。そして、ＰＤＦ演算部６ａは、ヒストグラムを生成した一定時間のデータ総数で割る演算処理により、正規化された確率密度関数ＰＤＦを算出している。
【００３９】
ＡＰＤ演算部６ｂは、ＰＤＦ演算部６ａで算出された確率密度関数ＰＤＦを所定の測定期間で累積加算して累積確率分布ＡＰＤを算出している。尚、確率密度関数ＰＤＦと累積確率分布ＡＰＤは、継続して求めても良く、測定期間として１箇所又は複数箇所、さらに回数として１回又は複数回を任意に選択することができる。また、測定期間としては、雑音成分の振動周波数の１周期が好ましい。
【００４０】
ここで、累積確率分布ＡＰＤを算出するのに必要なサンプリング数は、現象を把握する上で大きいほどよいが、計算面からはその逆である。このため、計量部２の出力信号の帯域が有する最大周波数の１０倍以上の時間でサンプリングしたデータを用いる。
【００４１】
上記累積確率分布ＡＰＤの測定例として、図２の物品計量システム２１の計量部２の出力信号に対し、図１の信号処理装置１を用いて求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を図５に示す。
【００４２】
図４は図２の計量コンベア２３に３個の物品Ｗ（測定対象物）が搬送されたときの計量部２の出力信号であり、物品Ｗの重量値に振動雑音が重畳している。尚、図４において、横軸の単位は時間、縦軸はグラムである。
【００４３】
図５の横軸は対数振幅レベル値（ｄＢ）、縦軸が確率を示す。ＰＤＦ値は１０倍して表示している。累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦ値の算出には、図４の１．０５秒から１．１秒の間の計量部２の出力信号を使用している。
【００４４】
測定対象物である物品Ｗの真の重量値（直流成分）は累積確率分布ＡＰＤ値が０−１の間にある対数振幅値のどこかに存在するはずである。このように、振幅雑音（交流成分）がある場合において、累積確率分布ＡＰＤ値による真の重量値を求める動的計量を行うには、重量値の推定を行う必要が生じる。
【００４５】
推定値算出部７は、上記重量値の推定を行うにあたって、ＰＤＦ演算部６ａで算出された所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦが存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は所定の測定期間の確率変数ｘの期待値を物品Ｗの重量値の推定値として算出している。
【００４６】
交流成分抽出部８は、一次差分フィルタで構成され、推定値算出部７が算出した所定の測定期間の推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出している。
【００４７】
補正差分演算処理部９は、推定値算出部７で算出された物品Ｗの重量値の推定値に重畳されている振動振幅の交流成分による偏りを補正するべく、交流成分抽出部８が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を推定値算出部７が算出した物品Ｗの重量値の推定値から差し引いた補正推定値（ｄＢ値）を算出している。なお、交流成分の平均値は、交流成分抽出部８で演算してもよい。
【００４８】
重量値換算部１０は、補正差分演算処理部９からの補正推定値（ｄＢ値）を物品Ｗの重量値（ｇ値）に換算している。
【００４９】
次に、上述した本例の信号処理装置１による重量値の推定手法について説明する。測定対象を明確にして推定値を評価するために、図２の計量部２の出力信号をもとにシミュレーションを行った。使用した模擬データは計量部２として１自由度バネマスダンパ系に１秒周期の０．８秒の矩形波を入力した応答波形で、固有振動周波数は約３０Ｈｚ程度で、真値は６５５３５／２である（図６参照）。図７，図８はＰＤＦ演算部６ａが算出した確率密度関数ＰＤＦ及びＡＰＤ演算部６ｂが算出した累積確率分布ＡＰＤ値を示している。図７は２５０ｍｓｅｃから１００ｍｓｅｃ毎、５０ｍｓｅｃ間の累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示している。図８は２５０−３００ｍｓｅｃ間の確率密度関数ＰＤＦ値を示している。
【００５０】
図２の物品計量システム２１のように、測定対象物である物品Ｗを搬送させながら計量部２に搭載する搬送系では、計量部２への物品Ｗの搭載時に物品Ｗの重量以外の荷重等が生み出す再現性のない不確定な物理現象が現れる。その時間帯は測定対象期間から除外する。その後に現れる安定期間内で、計量部２の出力信号に重畳する非線形振動や床振動などを含む信号雑音環境において真の重量値を推定することになる。
【００５１】
この推定手法として、真の重量値に計量部２の出力信号に重畳する雑音の確率統計的性質に応じて最適な推定法を考える必要がある。例えば、累積確率分布ＡＰＤ値の時間推移に、もしも一定のトレンドがあり、最終の目標値（重量値が状態として定義できれば）に収束するようなモデル推移式が定められる場合は、状態推定問題などに帰着させることができる。
【００５２】
図７は累積確率分布ＡＰＤ値の時間推移特性で、横軸はｄＢで表された重量値、縦軸は確率である。固有振動雑音が無い場合は、図７のように、縦軸に垂直な直線、すなわち、一定の重量値に収束するが、垂直線に収束するまでの規則性は単純に見定められず、状態推定モデルを定式化するためには、現象を構成する要因を絞る前処理が必要で、時間を要することから、測定時間が長くなるために困難となる。
【００５３】
そこで、ＰＤＦ演算部６ａが算出した図８のＰＤＦ特性を利用する。振動雑音が白色性な雑音であれば周波数軸上では一様分布とみなせる。有色性の雑音とした場合は振動系では正弦波状の雑音と仮定できる。これらの２種類の雑音が重畳した場合、数学的には連続関数と仮定すると、下記式（３）のように、その結合確率密度関数は個々の確率密度関数ｐ１，ｐ２の畳み込み積分として記述される。
【００５４】
【数３】
【００５５】
確率密度関数ＰＤＦの分布は、図８に示すように、真の重量振幅値の周りに発生する一様な雑音分布とみなされるので、下記式（４）のように、確率密度関数ＰＤＦが存在する確率変数の下限値と上限値の中間値を推定値とする。
【００５６】
【数４】
【００５７】
また、下記式（５）のように、連続関数の表現であるが、確率変数ｘの期待値を推定値とする。
【００５８】
【数５】
【００５９】
そして、この推定値の確からしさは、ＡＰＤ演算部６ｂが算出した累積確率分布ＡＰＤ値を使用すると、選択した推定値の推定精度の範囲で下記式（６）から計算できる。確率変数ｘ１＞ｘ２の間の推定値が、本測定期間における測定値の確からしさを示していると考えられる。
【００６０】
【数６】
【００６１】
以上の推定手法をもとに、図４に示す計量部２の出力信号に対して、推定式（４），（５）を適用計算した結果が下記表１である。表１において、時間は出力信号の横軸の時間と同じであり、その時間までの５０ｍｓｅｃ間のデータを用いた確率密度関数ＰＤＦ値を利用し計算している。測定時間の５０ｍｓｅｃは、固有振動周波数３０Ｈｚの一周期分を包含する時間として設定している。
【００６２】
【表１】
【００６３】
式（４）の推定法をＩｎｔｅｒｖａｌ、式（５）の推定法をＥｘｐｅｃｔｅｄの欄に示し、重量値はｄＢ表示を用いている。
【００６４】
両者の推定式間の差はほとんどないが、Ｅｘｐｅｃｔｅｄの方が真の重量値９０．３０８８ｄＢにより近い。
【００６５】
ここで、Ｅｘｐｅｃｔｅｄと真値との推定誤差を見ると、０．００８ｄＢの差が１／１０００の精度に相当していることも含め、実用的には、振動雑音振幅の減衰が少ない期間帯でも更なる精度向上を図ることが望まれる。
【００６６】
式（５）の推定式は、測定時間内の重畳振幅の平均値の推定であり、推定誤差が不偏推定量となっていないということを意味している。これは、図８の真の重量値を軸にしてみると、振幅確率分布が左右対称でなく偏っているためである。この振幅分布の偏りの補正は、振幅雑音のパターンが減衰振動であることから生じる偏りであるので、振動振幅の交流成分を交流成分抽出部８で抽出し、その偏りを補正差分演算処理部９で補正すればよい。
【００６７】
ここで、表１のＵｎｂｉａｓｅｄ欄は、上述した偏りの補正を施した補正推定値の結果であり、測定時間２５０ｍｓｅｃの時点で、１／１０００精度以内の推定値が得られている。追加した補正処理の遅延時間は７．５ｍｓｅｃであった。また、表１のＥｒｒｏｒ欄はＵｎｂｉａｓｅｄ欄と真値との推定誤差を示している。この結果はＥｘｐｅｃｔｅｄ推定の測定時間６００ｍｓｅｃあたりの推定誤差に相当している。補正処理による不偏推定値化により、測定時間の短縮化を図ったことになる。
【００６８】
このように、本例の信号処理装置１は、図２の物品計量システム２１に採用し、計量部２の出力信号の振幅変動を確率過程とみた場合に、モデリングを意識せずとも、確率変数に対する統計的性質が得られる。そして、図２において、測定時間をＴとすると、Ｔ時間の毎の確率密度関数ＰＤＦとそれを累積した確率分布ＡＰＤの計算を実行すれば、それぞれ短期的、長期的な確率変数の統計的性質を把握できる。その際、計量部２の出力信号の振幅範囲や周波数帯域などの累積確率分布ＡＰＤを計算するのに必要な事前知識だけでよく、詳細なモデリングを準備する必要がない。
【００６９】
すなわち、本例の信号処理装置１によれば、計量信号の測定期間だけを選択してリアルタイム処理で測定推定処理が可能であり、従来のような専門知識による難しい理論の数理モデルを必要とせず、物品の真の重量値を得るのに有効な信号処理が行え、搬送ラインに順次搬送される物品の重量測定の高精度高速化が図れる動的重量計測手法として有効である。
【００７０】
そして、本例の信号処理装置及び信号処理方法を図２の物品計量システム２１のような物品の重量測定に採用することにより、数理モデルが陽に必要なく、重量計測過程の振幅変動を確率過程とみなすことで、振幅確率密度関数ＰＤＦと振幅確率分布ＡＰＤから推定誤差の少ない物品の重量値の推定値が求められ、その推定値の確からしさを示す確率値も付与できる利点がある。
【００７１】
ところで、本例の信号処理装置１は、図１の構成に限定されるものではない。特に図示はしないが、対数変換部５の後段に対し、対数変換部５で量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦを演算するＰＤＦ演算部６ａと、対数変換部５で量子化された計量信号の交流成分を抽出する交流成分抽出部８とを分岐して設け、交流成分抽出部８で抽出された交流成分の確率密度関数ＰＤＦを演算するＰＤＦ演算部を交流成分抽出部８の後段に別途設け、さらにＰＤＦ演算部で演算された交流成分の確率密度関数ＰＤＦを平均処理する平均処理部をＰＤＦ演算部の後段に設ける構成とすることもできる。
【００７２】
また、上述した信号処理の構成及び手法による推定法の手順や考え方に関しては、振動雑音の異なる動的計測にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 信号処理装置
２ 計量部
３ Ａ／Ｄ変換部
４ データ正規化処理部
５ 対数変換部
６ データ処理部
６ａ ＰＤＦ計算部
６ｂ ＡＰＤ演算部
７ 推定値算出部
８ 交流成分抽出部
９ 補正差分演算処理部
１０ 重量値換算部
２１ 物品計量システム
２２ 前段コンベア
２３ 計量コンベア
２４ 後段コンベア
２５ 搬送部
２６ 選別手段
２７ 投入検知センサ（物品検知手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送ラインに順次搬送される物品（測定対象物）の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理が行える信号処理装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物である物品を搬送させた状態でその物品の重量を計量する計量装置は、例えば下記特許文献１に開示されるように、物品の搬送ライン中に計量コンベアを挿入する形態で重量選別機等に従来から多用されている。この種の計量装置は、通常、前段コンベア及び後段コンベアの間に位置する計量コンベアを計量器に支持させている。そして、この種の計量装置では、搬送ラインに順次搬送される物品が計量コンベア上を通過する度に、その物品の重量を計量コンベアの重量と共に計量器に負荷させ、計量器の出力信号から計量コンベアの重量分を減算する処理を行うことにより、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を測定期間中に動的に計量している。
【０００３】
上述した従来の計量装置は、一般的に生産ラインに組み込まれて設置されるため、他の生産設備等により起こる床振動や計量コンベアのローラやベルトによる低周期振動成分などが雑音成分として計量器の出力信号に重畳し計量精度の悪化を招く。
【０００４】
このため、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を計量装置によって動的に測定する場合には、ロードセルなどの計量器の出力信号から雑音成分を除去し、より真の値に近い物品の重量測定が行え、高精度高速化が図れる動的重量計測手法が要望されている。ソフトウェアの観点では、計量装置により計量され、計量装置を構成するセンサ測定系の固有振動や、床振動環境下での計量搬送系の振動雑音などに乱された計測データから、いかに物品の重量を効率よく正確に推定するかという研究課題として捉えることができる。
【０００５】
ここで、関連する動的重量計測分野の研究としては、例えば、ハカリ系を線形の状態空間表現でモデル化し質量の状態推定問題に帰着した研究、ロードセルの出力信号に含まれる雑音信号を除去した信号に対して線形システム理論とシステム同定法を適用した研究、加速度センサとカルマンフィルタを組み合わせた研究報告などがある。
【０００６】
さらに、本体セルとは別に補償セルを付加して床振動除去を対象に相対補償原理を適用した研究がある。
【０００７】
一方、振動雑音発生の事前知識を用いた研究例として、多連秤での計量測定にロードセルなどの計量器の出力信号をＡ／Ｄ変換して低域通過フィルタ（ＦＩＲ型ＬＰＦ）によるフィルタ処理を振動雑音抑圧除去に適用した報告もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２６８０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、計量器の出力信号から振動雑音成分を除去して、真の質量成分を高速高精度に抽出する研究が従来から行われてきたが、その計算手法は主に線形演算によるものであった。この線形演算を用いた信号処理として、一般的に多用されている低域通過フィルタＬＰＦでは、ＬＰＦの遮断周波数幅を低く設定することで低い周波数の雑音成分まで除去することが可能になる。
【００１０】
しかしながら、このような線形演算を用いた信号処理では、解析や評価の手順が一意的に決まる半面、処理遅延時間や時間周波数の不確定性に基づくフィルタの応答時間等には原理的な制約が伴う。具体的には、ＬＰＦの遮断周波数を低く設定した場合、センシング期間を長くする必要があり、その分だけ応答速度が遅くなるという問題があった。また、ＬＰＦの遮断周波数を制限することでＬＰＦ自らが人工雑音を発生し、計量器からの出力信号に人工雑音が重畳され、測定結果に信頼性を欠くという問題があった。そして、計量能力の限界に設定されたＬＰＦの遮断周波数より低い周波数の雑音成分については除去することができなかった。
【００１１】
このため、上記制約を取り払うひとつの考え方に、遭遇する物理現象の事前知識を有効活用する手段がある。例えば、カルマンフィルタなどは信号生成の事前知識を利用した推定手法と考えられる。
【００１２】
しかしながら、信号生成の数理モデリングを確実に実態と合致させるには、初期条件の設定や突発的事象の発生などの不確定要素があり、極めて困難な作業であった。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、搬送ラインに順次搬送される物品の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理が行える信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された信号処理装置は、搬送ラインに搬送される物品Ｗの重量値を含む計量信号を処理する信号処理装置１において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３と、
前記Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するデータ処理部６とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載された信号処理装置は、請求項１の信号処理装置において、
前記データ処理部６で算出された前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品Ｗの重量値の推定値として算出する推定値算出部７と、
前記推定値算出部が算出した推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出する交流成分抽出部８と、
前記交流成分抽出部が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出する補正差分演算処理部９とを更に備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載された信号処理方法は、搬送ラインに搬送される物品Ｗの重量値を含む計量信号を処理する信号処理方法において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するステップと、
前記Ａ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載された信号処理方法は、請求項３の信号処理方法において、
前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品Ｗの重量値の推定値として算出するステップと、
前記推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出するステップと、
前記抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出するステップとを更に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、重量計測過程の振幅変動を確率過程とみなし、計量信号の測定期間だけを選択してリアルタイム処理で推定誤差の少ない物品の重量値の推定値を求めることができ、物品の重量を動的に測定するにあたって有効な信号処理を行うことができる。また、従来のような専門知識による難しい理論の数理モデルを必要とせず、物品の真の重量値を得るのに有効な信号処理が行え、搬送ラインに搬送される物品の重量測定の高精度高速化が図れる動的重量計測手法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る信号処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】搬送ライン上での重量計測形態の一例を示す図であって、本発明に係る信号処理装置を含む物品計量システムの概略構成及び各部の信号波形図である。
【図３】累積確率分布ＡＰＤ（Amplitude Probability Distribution）の説明図である。
【図４】図２の物品計量システムの計量部に３個の物品（測定対象物）が搬送されたときの計量部の出力信号を示す波形図である。
【図５】本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法によって求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を示す図である。
【図６】計量部の出力信号に重畳される雑音成分の一例を示す図である。
【図７】所定の測定期間毎に算出される累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示す図である。
【図８】所定の測定期間における確率密度関数ＰＤＦ及び累積確率分布ＡＰＤの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る信号処理装置の概略構成を示すブロック図、図２は搬送ライン上での重量計測形態の一例を示す図であって、本発明に係る信号処理装置を含む物品計量システムの概略構成及び各部の信号波形図、図３は累積確率分布ＡＰＤの説明図、図４は図２の物品計量システムの計量部に３個の物品（測定対象物）が搬送されたときの計量部の出力信号を示す波形図、図５は本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法によって求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を示す図、図６は計量部の出力信号に重畳される雑音成分の一例を示す図、図７は所定の測定期間毎に算出される累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示す図、図８は所定の測定期間における確率密度関数ＰＤＦ及び累積確率分布ＡＰＤの特性を示す図である。
【００２１】
本発明に係る信号処理装置及び信号処理方法は、秤測定の知識を利用する情報処理であるが、計量部の出力信号（センシング信号）が持つ振幅変動の時間特性に着目し、時間で径路つけた確率過程を利用する動的計測手法を提供するものである。
【００２２】
まず、本発明で用いられる累積確率分布ＡＰＤ及び確率密度関数ＰＤＦについて簡単に説明する。
【００２３】
累積確率分布ＡＰＤは、図３に示すように、「信号振幅の包絡線信号がある閾値レベルを超える時間確率」と定義される。下記式（１）はその定義式であり、信号振幅ｒ（ｔ）を対象にすると、信号振幅の離散値ｘi を確率変数として採用した場合、測定時間Ｔに対して、信号振幅が振幅閾値Ｒを維持する時間Ｗi （ｘk ）が確率密度関数ＰＤＦとなり、その累積加算値がｘi におけるＡＰＤ値となる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
連続値ｘを確率変数にすると、積分変数をｙ、その確率密度関数をｐ（ｙ）とすると、ＡＰＤは下記式（２）で定義される。信号振幅ｘのＡＰＤ確率分布は、確率密度関数ＰＤＦをｘから＋∞方向に積分する。
【００２６】
【数２】
【００２７】
尚、計量部の出力信号（センシング信号）の振幅確率密度関数ＰＤＦとその累積確率分布ＡＰＤは、センサ系の過去からの情報を含む統計的情報であるが、高速高精度化と測定値の確からしさを含む測定として有効な手法である。
【００２８】
上述した手法を採用した本例の信号処理装置１は、例えば図２に示すような物品計量システム２１の一部として構成される。物品計量システム２１は、前段コンベア２２、計量コンベア２３、後段コンベア２４からなる搬送部２５を備えており、前段コンベア２２には上流側で計量対象となる物品Ｗが順次投入され積載される。計量コンベア２３は、前段コンベア２２から所定の投入間隔で搬送ラインに順次投入して物品Ｗを個々に搬送するとともに、後段コンベア２４に搬出する。後段コンベア２４には、選別手段２６が装着されており、物品Ｗの計量結果に応じて、例えば正常重量の良品と重量の過不足がある不良品とに選別されて搬送先が振り分けられる。
【００２９】
搬送部２５を構成する各コンベア２２，２３，２４は、搬送方向の前後に配置されたローラに巻回された無端状の搬送ベルトで物品Ｗを搬送している。不図示の搬送駆動機構により同期してローラが回転駆動し、物品Ｗが前段コンベア２２から計量コンベア２３に所定の投入間隔で順次投入され、計量コンベア２３から後段コンベア２４に搬出される。
【００３０】
前段コンベア２２から計量コンベア２３に物品Ｗが受け渡されて投入される位置、すなわち、前段コンベア２２と計量コンベア２３との間には、計量コンベア２３に投入される物品Ｗを順次検知する投入検知センサ（物品検知手段）２７が設置されている。投入検知センサ２７は、計量コンベア２３上に物品Ｗが存在するか否かを判断している。
【００３１】
そして、上記物品計量システム２１の一部である信号処理装置１は、図１に示すように、計量部２、Ａ／Ｄ変換部３、データ正規化処理部４、対数変換部５、データ処理部６、推定値算出部７、交流成分抽出部８、補正差分演算処理部９、重量値換算部１０を備えて概略構成される。
【００３２】
計量部２は、例えば公知の歪ゲージロードセル、差動トランス式や電磁平衡式の秤で構成され、計量コンベア２３の重量と計量コンベア２３上に投入された物品Ｗの重量が負荷される。計量部２は、投入検知センサ（物品検知手段）２６で検知された物品Ｗの重量を計量コンベア２３の重量とともに計量し、その重量に応じた計量信号を出力している。
【００３３】
ここで、計量部２の出力信号（計量信号）の振幅変動は、時間で経路つけた確率過程と解釈できる。本発明では、この確率過程の信号振幅を確率変数として定義している。この確率変数は、計量対象荷重信号、計量系の非線形振動、搬送系（コンベヤベルトなど）の振動雑音、システム系の振動雑音や設置条件で決まる床振動雑音などがセンシングされた結果の信号振幅である。
【００３４】
図２に示すような物品計量システム２１における高速計量の技術課題は、測定対象物である物品Ｗが計量部２に搬送され、物品Ｗの重量情報をいかに速やかに計量するかという課題である。図２の物品計量システム２１における前提条件として、計量部２に物品Ｗが少なくとも一定時間は安定に荷重される時間があり、完全に高速高精度に短時間で計量できれば、この安定にセンシングする時間を短縮すること、つまり、一定時間に測定できる物品Ｗの数量を増すことができる。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換部３は、物品Ｗの重量値を含む計量部２からの計量信号を所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換している。
【００３６】
データ正規化処理部４は、Ａ／Ｄ変換部３でＡ／Ｄ変換されたデータにおいて、負のデータなどが生じたときに、全体として正のデータにシフトし、データを正規化処理している。
【００３７】
対数変換部５は、データ正規化処理部４で正規化処理されたデータに対して対数変換を施し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化している。なお、対数変換部５は、多数のデータの処理を円滑にするためであり、この構成を省くこともできる。
【００３８】
データ処理部６は、対数変換部５により量子化されたデータを処理するもので、ＰＤＦ演算部６ａとＡＰＤ演算部６ｂを有する。ＰＤＦ演算部６ａは、対数変換部５で量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦを算出している。さらに説明すると、ＰＤＦ演算部６ａは、対数変換部５による量子化精度をアドレス間の単位とするアドレス値カウンタを有している。このＰＤＦ演算部６ａは、実際の重量計測での所定の測定期間において、出現した対数値に対応するアドレス値を参照する毎に、該当するアドレス値カウンタの値を＋１加算している。ＰＤＦ演算部６ａのアドレスは、確率変数値に対応しているため、範囲分けした確率変数軸上のヒストグラムが生成される。そして、ＰＤＦ演算部６ａは、ヒストグラムを生成した一定時間のデータ総数で割る演算処理により、正規化された確率密度関数ＰＤＦを算出している。
【００３９】
ＡＰＤ演算部６ｂは、ＰＤＦ演算部６ａで算出された確率密度関数ＰＤＦを所定の測定期間で累積加算して累積確率分布ＡＰＤを算出している。尚、確率密度関数ＰＤＦと累積確率分布ＡＰＤは、継続して求めても良く、測定期間として１箇所又は複数箇所、さらに回数として１回又は複数回を任意に選択することができる。また、測定期間としては、雑音成分の振動周波数の１周期が好ましい。
【００４０】
ここで、累積確率分布ＡＰＤを算出するのに必要なサンプリング数は、現象を把握する上で大きいほどよいが、計算面からはその逆である。このため、計量部２の出力信号の帯域が有する最大周波数の１０倍以上の時間でサンプリングしたデータを用いる。
【００４１】
上記累積確率分布ＡＰＤの測定例として、図２の物品計量システム２１の計量部２の出力信号に対し、図１の信号処理装置１を用いて求めた累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦの測定結果を図５に示す。
【００４２】
図４は図２の計量コンベア２３に３個の物品Ｗ（測定対象物）が搬送されたときの計量部２の出力信号であり、物品Ｗの重量値に振動雑音が重畳している。尚、図４において、横軸の単位は時間、縦軸はグラムである。
【００４３】
図５の横軸は対数振幅レベル値（ｄＢ）、縦軸が確率を示す。ＰＤＦ値は１０倍して表示している。累積確率分布ＡＰＤと確率密度関数ＰＤＦ値の算出には、図４の１．０５秒から１．１秒の間の計量部２の出力信号を使用している。
【００４４】
測定対象物である物品Ｗの真の重量値（直流成分）は累積確率分布ＡＰＤ値が０−１の間にある対数振幅値のどこかに存在するはずである。このように、振幅雑音（交流成分）がある場合において、累積確率分布ＡＰＤ値による真の重量値を求める動的計量を行うには、重量値の推定を行う必要が生じる。
【００４５】
推定値算出部７は、上記重量値の推定を行うにあたって、ＰＤＦ演算部６ａで算出された所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦが存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は所定の測定期間の確率変数ｘの期待値を物品Ｗの重量値の推定値として算出している。
【００４６】
交流成分抽出部８は、一次差分フィルタで構成され、推定値算出部７が算出した所定の測定期間の推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出している。
【００４７】
補正差分演算処理部９は、推定値算出部７で算出された物品Ｗの重量値の推定値に重畳されている振動振幅の交流成分による偏りを補正するべく、交流成分抽出部８が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を推定値算出部７が算出した物品Ｗの重量値の推定値から差し引いた補正推定値（ｄＢ値）を算出している。なお、交流成分の平均値は、交流成分抽出部８で演算してもよい。
【００４８】
重量値換算部１０は、補正差分演算処理部９からの補正推定値（ｄＢ値）を物品Ｗの重量値（ｇ値）に換算している。
【００４９】
次に、上述した本例の信号処理装置１による重量値の推定手法について説明する。測定対象を明確にして推定値を評価するために、図２の計量部２の出力信号をもとにシミュレーションを行った。使用した模擬データは計量部２として１自由度バネマスダンパ系に１秒周期の０．８秒の矩形波を入力した応答波形で、固有振動周波数は約３０Ｈｚ程度で、真値は６５５３５／２である（図６参照）。図７，図８はＰＤＦ演算部６ａが算出した確率密度関数ＰＤＦ及びＡＰＤ演算部６ｂが算出した累積確率分布ＡＰＤ値を示している。図７は２５０ｍｓｅｃから１００ｍｓｅｃ毎、５０ｍｓｅｃ間の累積確率分布ＡＰＤの時間推移特性を示している。図８は２５０−３００ｍｓｅｃ間の確率密度関数ＰＤＦ値を示している。
【００５０】
図２の物品計量システム２１のように、測定対象物である物品Ｗを搬送させながら計量部２に搭載する搬送系では、計量部２への物品Ｗの搭載時に物品Ｗの重量以外の荷重等が生み出す再現性のない不確定な物理現象が現れる。その時間帯は測定対象期間から除外する。その後に現れる安定期間内で、計量部２の出力信号に重畳する非線形振動や床振動などを含む信号雑音環境において真の重量値を推定することになる。
【００５１】
この推定手法として、真の重量値に計量部２の出力信号に重畳する雑音の確率統計的性質に応じて最適な推定法を考える必要がある。例えば、累積確率分布ＡＰＤ値の時間推移に、もしも一定のトレンドがあり、最終の目標値（重量値が状態として定義できれば）に収束するようなモデル推移式が定められる場合は、状態推定問題などに帰着させることができる。
【００５２】
図７は累積確率分布ＡＰＤ値の時間推移特性で、横軸はｄＢで表された重量値、縦軸は確率である。固有振動雑音が無い場合は、図７のように、縦軸に垂直な直線、すなわち、一定の重量値に収束するが、垂直線に収束するまでの規則性は単純に見定められず、状態推定モデルを定式化するためには、現象を構成する要因を絞る前処理が必要で、時間を要することから、測定時間が長くなるために困難となる。
【００５３】
そこで、ＰＤＦ演算部６ａが算出した図８のＰＤＦ特性を利用する。振動雑音が白色性な雑音であれば周波数軸上では一様分布とみなせる。有色性の雑音とした場合は振動系では正弦波状の雑音と仮定できる。これらの２種類の雑音が重畳した場合、数学的には連続関数と仮定すると、下記式（３）のように、その結合確率密度関数は個々の確率密度関数ｐ１，ｐ２の畳み込み積分として記述される。
【００５４】
【数３】
【００５５】
確率密度関数ＰＤＦの分布は、図８に示すように、真の重量振幅値の周りに発生する一様な雑音分布とみなされるので、下記式（４）のように、確率密度関数ＰＤＦが存在する確率変数の下限値と上限値の中間値を推定値とする。
【００５６】
【数４】
【００５７】
また、下記式（５）のように、連続関数の表現であるが、確率変数ｘの期待値を推定値とする。
【００５８】
【数５】
【００５９】
そして、この推定値の確からしさは、ＡＰＤ演算部６ｂが算出した累積確率分布ＡＰＤ値を使用すると、選択した推定値の推定精度の範囲で下記式（６）から計算できる。確率変数ｘ１＞ｘ２の間の推定値が、本測定期間における測定値の確からしさを示していると考えられる。
【００６０】
【数６】
【００６１】
以上の推定手法をもとに、図４に示す計量部２の出力信号に対して、推定式（４），（５）を適用計算した結果が下記表１である。表１において、時間は出力信号の横軸の時間と同じであり、その時間までの５０ｍｓｅｃ間のデータを用いた確率密度関数ＰＤＦ値を利用し計算している。測定時間の５０ｍｓｅｃは、固有振動周波数３０Ｈｚの一周期分を包含する時間として設定している。
【００６２】
【表１】
【００６３】
式（４）の推定法をＩｎｔｅｒｖａｌ、式（５）の推定法をＥｘｐｅｃｔｅｄの欄に示し、重量値はｄＢ表示を用いている。
【００６４】
両者の推定式間の差はほとんどないが、Ｅｘｐｅｃｔｅｄの方が真の重量値９０．３０８８ｄＢにより近い。
【００６５】
ここで、Ｅｘｐｅｃｔｅｄと真値との推定誤差を見ると、０．００８ｄＢの差が１／１０００の精度に相当していることも含め、実用的には、振動雑音振幅の減衰が少ない期間帯でも更なる精度向上を図ることが望まれる。
【００６６】
式（５）の推定式は、測定時間内の重畳振幅の平均値の推定であり、推定誤差が不偏推定量となっていないということを意味している。これは、図８の真の重量値を軸にしてみると、振幅確率分布が左右対称でなく偏っているためである。この振幅分布の偏りの補正は、振幅雑音のパターンが減衰振動であることから生じる偏りであるので、振動振幅の交流成分を交流成分抽出部８で抽出し、その偏りを補正差分演算処理部９で補正すればよい。
【００６７】
ここで、表１のＵｎｂｉａｓｅｄ欄は、上述した偏りの補正を施した補正推定値の結果であり、測定時間２５０ｍｓｅｃの時点で、１／１０００精度以内の推定値が得られている。追加した補正処理の遅延時間は７．５ｍｓｅｃであった。また、表１のＥｒｒｏｒ欄はＵｎｂｉａｓｅｄ欄と真値との推定誤差を示している。この結果はＥｘｐｅｃｔｅｄ推定の測定時間６００ｍｓｅｃあたりの推定誤差に相当している。補正処理による不偏推定値化により、測定時間の短縮化を図ったことになる。
【００６８】
このように、本例の信号処理装置１は、図２の物品計量システム２１に採用し、計量部２の出力信号の振幅変動を確率過程とみた場合に、モデリングを意識せずとも、確率変数に対する統計的性質が得られる。そして、図２において、測定時間をＴとすると、Ｔ時間の毎の確率密度関数ＰＤＦとそれを累積した確率分布ＡＰＤの計算を実行すれば、それぞれ短期的、長期的な確率変数の統計的性質を把握できる。その際、計量部２の出力信号の振幅範囲や周波数帯域などの累積確率分布ＡＰＤを計算するのに必要な事前知識だけでよく、詳細なモデリングを準備する必要がない。
【００６９】
すなわち、本例の信号処理装置１によれば、計量信号の測定期間だけを選択してリアルタイム処理で測定推定処理が可能であり、従来のような専門知識による難しい理論の数理モデルを必要とせず、物品の真の重量値を得るのに有効な信号処理が行え、搬送ラインに順次搬送される物品の重量測定の高精度高速化が図れる動的重量計測手法として有効である。
【００７０】
そして、本例の信号処理装置及び信号処理方法を図２の物品計量システム２１のような物品の重量測定に採用することにより、数理モデルが陽に必要なく、重量計測過程の振幅変動を確率過程とみなすことで、振幅確率密度関数ＰＤＦと振幅確率分布ＡＰＤから推定誤差の少ない物品の重量値の推定値が求められ、その推定値の確からしさを示す確率値も付与できる利点がある。
【００７１】
ところで、本例の信号処理装置１は、図１の構成に限定されるものではない。特に図示はしないが、対数変換部５の後段に対し、対数変換部５で量子化された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数ＰＤＦを演算するＰＤＦ演算部６ａと、対数変換部５で量子化された計量信号の交流成分を抽出する交流成分抽出部８とを分岐して設け、交流成分抽出部８で抽出された交流成分の確率密度関数ＰＤＦを演算するＰＤＦ演算部を交流成分抽出部８の後段に別途設け、さらにＰＤＦ演算部で演算された交流成分の確率密度関数ＰＤＦを平均処理する平均処理部をＰＤＦ演算部の後段に設ける構成とすることもできる。
【００７２】
また、上述した信号処理の構成及び手法による推定法の手順や考え方に関しては、振動雑音の異なる動的計測にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 信号処理装置
２ 計量部
３ Ａ／Ｄ変換部
４ データ正規化処理部
５ 対数変換部
６ データ処理部
６ａ ＰＤＦ計算部
６ｂ ＡＰＤ演算部
７ 推定値算出部
８ 交流成分抽出部
９ 補正差分演算処理部
１０ 重量値換算部
２１ 物品計量システム
２２ 前段コンベア
２３ 計量コンベア
２４ 後段コンベア
２５ 搬送部
２６ 選別手段
２７ 投入検知センサ（物品検知手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送ラインに搬送される物品（Ｗ）の重量値を含む計量信号を処理する信号処理装置（１）において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（３）と、
前記Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するデータ処理部（６）とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記データ処理部（６）で算出された前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品（Ｗ）の重量値の推定値として算出する推定値算出部（７）と、
前記推定値算出部が算出した推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出する交流成分抽出部（８）と、
前記交流成分抽出部が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出する差分演算処理部（９）とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項３】
搬送ラインに搬送される物品（Ｗ）の重量値を含む計量信号を処理する信号処理方法において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するステップと、
前記Ａ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するステップとを含むことを特徴とする信号処理方法。
【請求項４】
前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品（Ｗ）の重量値の推定値として算出するステップと、
前記推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出するステップと、
前記抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出するステップとを更に含むことを特徴とする請求項３記載の信号処理方法。
【請求項１】
搬送ラインに搬送される物品（Ｗ）の重量値を含む計量信号を処理する信号処理装置（１）において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部（３）と、
前記Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するデータ処理部（６）とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記データ処理部（６）で算出された前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品（Ｗ）の重量値の推定値として算出する推定値算出部（７）と、
前記推定値算出部が算出した推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出する交流成分抽出部（８）と、
前記交流成分抽出部が抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出する差分演算処理部（９）とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項３】
搬送ラインに搬送される物品（Ｗ）の重量値を含む計量信号を処理する信号処理方法において、
前記物品の重量値を含む計量信号をＡ／Ｄ変換するステップと、
前記Ａ／Ｄ変換された計量信号の振幅の離散値を確率変数とし、この確率変数軸上に生成されるヒストグラムの所定の測定期間の確率密度関数を算出するステップとを含むことを特徴とする信号処理方法。
【請求項４】
前記測定期間の確率密度関数が存在する確率変数の下限値と上限値の中間値、又は前記測定期間の確率変数の期待値を前記物品（Ｗ）の重量値の推定値として算出するステップと、
前記推定値に重畳されている振動振幅の交流成分を抽出するステップと、
前記抽出した交流成分の平均値を演算し、この演算値を前記推定値から差し引いて補正推定値を算出するステップとを更に含むことを特徴とする請求項３記載の信号処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−６８０９９（Ｐ２０１２−６８０９９Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２３６６（Ｐ２０１０−２１２３６６）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
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