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特開2023-39461信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023039461
(43)【公開日】2023-03-22
(54)【発明の名称】信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法
(51)【国際特許分類】
   H03H 17/04 20060101AFI20230314BHJP
   G05B 11/32 20060101ALI20230314BHJP
   G05B 11/36 20060101ALI20230314BHJP
【FI】
H03H17/04 633C
G05B11/32 F
G05B11/36 501E
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021146547
(22)【出願日】2021-09-09
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)令和2年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、個人型研究(ACT-X)、数理・情報のフロンティア、周期/非周期分離制御の開拓、産業技術力強化法第17条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504136568
【氏名又は名称】国立大学法人広島大学
(74)【代理人】
【識別番号】100196380
【弁理士】
【氏名又は名称】森 匡輝
(72)【発明者】
【氏名】村松 久圭
【テーマコード(参考)】
5H004
【Fターム(参考)】
5H004GA16
5H004GB01
5H004GB16
5H004JB11
5H004JB15
5H004LA03
5H004LA11
5H004LA12
5H004MA11
5H004MA12
5H004MA13
(57)【要約】
【課題】所定の分離周波数より低周波で振幅が変動する周期信号(準周期信号)、所定の分離周波数より高周波で振幅が変動する非周期信号(準非周期信号)を含む信号から、精度よく準周期信号、準非周期信号を分離可能な信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法を提供する。
【解決手段】信号分離フィルタは、分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードフォワード経路を備える。また、信号分離フィルタは、分離目的周期における振幅が、所定の分離周波数より低周波で変動する準周期信号と、分離目的周期における振幅が分離周波数より高周波で変動する準非周期信号とを含む入力信号から、準周期信号及び準非周期信号の少なくともいずれかを分離する。
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードフォワード経路を備え、
前記分離目的周期における振幅が、所定の分離周波数より低周波で変動する準周期信号と、前記分離目的周期における振幅が前記分離周波数より高周波で変動する準非周期信号とを含む入力信号から、前記準周期信号及び前記準非周期信号の少なくともいずれかを分離する、
ことを特徴とする信号分離フィルタ。
【請求項2】
前記分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードバック経路を備えるIIRフィルタである、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号分離フィルタ。
【請求項3】
分離された前記準周期信号及び前記準非周期信号のいずれか一方の信号と前記入力信号との差分信号を、前記準周期信号及び前記準非周期信号の他方の信号として出力する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の信号分離フィルタ。
【請求項4】
分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期における振幅が、所定の分離周波数より低周波で変動する準周期信号と、前記分離目的周期における振幅が前記分離周波数より高周波で変動する準非周期信号とを含む入力信号を、前記分離目的周期を用いてリフティングし、
前記分離周波数に基づいて、リフティングされた前記入力信号に対するローパスフィルタ及びハイパスフィルタの少なくともいずれかを生成し、
生成された前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを逆リフティングして、前記準周期信号及び前記準非周期信号の少なくともいずれかを分離するフィルタを生成する、
ことを特徴とする信号分離フィルタの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法に関し、詳細には入力信号から周期的な信号又は非周期的な信号を分離する信号分離フィルタ及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
機械制御、プロセス制御、通信等、様々な分野で、入力信号から所定の周波数の信号を分離する技術が求められている。例えば、ロボット制御において、制御特性を向上させるため、入力信号から周期的なノイズを分離、除去することが求められる。また、通信分野においては、必要な通信信号の周波数の信号を抽出することが求められる。
【0003】
このような、要求に応えるため、入力信号から周期信号を分離するバンドストップフィルタ等のフィルタが種々開発されている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2020-95332号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1では、取得した振動波形の複数時点のデータに基づいて算出した重みを用いて、振動波形の振動成分を除去する移動平均フィルタを設計することとしている。しかしながら、現実にはより複雑な状況における周期信号の分離が求められる。例えば、人間と協働する産業用ロボットでは、ロボットの繰り返し作業に伴う運動情報である周期信号を利用したい場合、突発的な人との接触に伴う運動情報である非周期信号を利用したい場合、これらの周期信号と非周期信号の両方を利用したい場合等がある。また、製品の検査工程における異常製品検知では、正常製品の情報である周期信号を利用したい場合、異常製品の情報である非周期信号を利用したい場合、これらの周期信号と非周期信号の両方を利用したい場合等がある。
【0006】
また、上記の周期信号の振幅は必ずしも一定ではなく、時間経過とともに変動する場合が多い。特許文献1のフィルタでは、除去される振動波形の振幅の変動は考慮されていないので、振動波形の振幅が変動する場合に、精度よく振動波形(周期信号)を除去することは難しい。
【0007】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、所定の分離周波数より低周波で振幅が変動する周期信号(以下、準周期信号という。)、所定の分離周波数より高周波で振幅が変動する非周期信号(以下、準非周期信号という。)を含む信号から、精度よく準周期信号、準非周期信号を分離可能な信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係る信号分離フィルタは、
分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードフォワード経路を備え、
前記分離目的周期における振幅が、所定の分離周波数より低周波で変動する準周期信号と、前記分離目的周期における振幅が前記分離周波数より高周波で変動する準非周期信号とを含む入力信号から、前記準周期信号及び前記準非周期信号の少なくともいずれかを分離する。
【0009】
また、信号分離フィルタは、
前記分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードバック経路を備えるIIRフィルタである、
こととしてもよい。
【0010】
また、信号分離フィルタは、
分離された前記準周期信号及び前記準非周期信号のいずれか一方の信号と前記入力信号との差分信号を、前記準周期信号及び前記準非周期信号の他方の信号として出力する、
こととしてもよい。
【0011】
また、本発明の第2の観点に係る信号分離フィルタの設計方法では、
分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期における振幅が、所定の分離周波数より低周波で変動する準周期信号と、前記分離目的周期における振幅が前記分離周波数より高周波で変動する準非周期信号とを含む入力信号を、前記分離目的周期を用いてリフティングし、
前記分離周波数に基づいて、リフティングされた前記入力信号に対するローパスフィルタ及びハイパスフィルタの少なくともいずれかを生成し、
生成された前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを逆リフティングして、前記準周期信号及び前記準非周期信号の少なくともいずれかを分離するフィルタを生成する。
【発明の効果】
【0012】
本発明の信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法によれば、分離される周期信号の振幅変動を許容した高次のフィルタを用いて周期信号分離フィルタ、非周期信号分離フィルタを構成するので、入力信号から準周期信号、準非周期信号を精度よく分離することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の実施の形態に係るリフティングを示す概念図。
図2】リフティッド状態関数の関係を示すベン図である。
図3】実施の形態に係る信号分離フィルタの設計の流れを表す概念図である。
図4】実施の形態に係るIIRフィルタの例を示す図であり、(A)は1次のフィルタの例、(B)は高次のフィルタの例である。
図5】準周期信号又は準非周期信号と入力信号との差分信号として準非周期信号又は準周期信号を出力するフィルタの例を示す図である。
図6】次数を変化させた場合のIIRフィルタの特性を示すボード線図である。
図7】次数と分離周波数とを変化させた場合のIIRフィルタの特性を示すボード線図である。
図8】実施の形態に係るFIRフィルタの例を示す図である。
図9】次数を変化させた場合のFIRフィルタの特性を示すボード線図である。
図10】次数を変化させた場合の相補的なFIRフィルタの特性を示すボード線図である。
図11】数値例に係るIIRフィルタ及びFIRフィルタの動作結果を示すグラフであり、(A)は入力信号のグラフ、(B)~(E)は準周期状態及び準非周期状態のグラフであり、(B)は1次のIIRフィルタのグラフ、(C)は2次のIIRフィルタのグラフ、(D)は3次のIIRフィルタのグラフ、(E)は50次のFIRフィルタのグラフである。
図12】数値例に係るIIRフィルタ及びFIRフィルタの動作結果について、準周期信号と準非周期信号との干渉を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る周期信号分離フィルタについて説明する。まず、本実施の形態で扱う準周期信号について説明する。
【0015】
以下の状態x(t)を考える。
【数1】
【0016】
分離対象信号のターゲットとなる周期(分離目的周期)Πを用いて、以下のリフティング関数Lを定義する。リフティング関数Lは、状態x(t)からリフティッド状態xτ(k)を与える線形写像である。
【数2】
【0017】
また、逆リフティング関数L-1は以下のように定義される。
【数3】
【0018】
図1は、リフティング関数に係る時刻t、周期Π等の関係を示す概念図である。以下、xを状態関数、xτをリフティッド状態関数ともいう。リフティッド状態関数xτは、以下の式に示すように、整数Zから実数Rへの全ての写像の集合であるリフティッド状態関数の集合Sに属する。
【数4】
【0019】
リフティッド状態関数xτの離散時間フーリエ変換Fは、以下に示す式の通りである。
【数5】
ただし、ω=ω~ΠTであり、ω[rad/sample]は正規化された角周波数、ω~[rad/s]は角周波数、T[s]はサンプリング時間を表す。ここで、tのサンプリング時間はTであり、kのサンプリング時間はΠTである。
【0020】
本実施の形態では、ゼロ関数の集合S、準周期性を有するリフティッド状態関数の集合S、準非周期性を有するリフティッド状態関数の集合Sを以下の式のように定義する。
【数6】
【0021】
ここで、準周期性、準非周期性は、リフティッド状態関数xτの低周波、高周波と定義される。また、ρ[rad/sample]は、リフティッド準周期状態関数とリフティッド準非周期状態関数との境界である正規化された分離周波数であり、分離周波数ρ~[rad/s]は、以下の式で表される。
【数7】
【0022】
図2は、上述の各集合の関係を示している。図2及び以下の式に示すように、全体集合Sは、3つの集合S、S、Sの和集合である。
【数8】
また、集合S、Sは、Sを含まない。
【数9】
【0023】
リフティッド準周期状態関数xτpとリフティッド準非周期状態関数xτaは、上記の集合S、S、Sを用いて、それぞれ以下に示す式で定義される。
【数10】
リフティッド準周期状態関数xτpの逆リフティング出力とリフティッド準非周期状態関数xτaの逆リフティング出力は、それぞれ準周期状態x(t)、準非周期状態x(t)として以下のように定義される。
【数11】
ここで、準周期状態x(t)と準非周期状態x(t)とは、それぞれ低周波、高周波ではないことに注意を要する。
【0024】
さらに、リフティッド周期非周期状態関数xτpa(t)を以下の式のように定義する。
【数12】
【0025】
また、周期非周期状態xpa(t)は、以下の式のように定義される。
【数13】
上記の周期非周期状態xpa(t)は、準周期状態と準非周期状態との和である。
【数14】
【0026】
状態x(t)は以下のようにまとめることができる。
【数15】
【0027】
続いて、入力信号から準周期信号と準非周期信号とを分離するフィルタについて説明する。まず、状態x(t)とリフティッド状態xτ(k)のz変換について定義する。状態x(t)のz変換は以下の式で表される。
【数16】
【0028】
また、リフティッド状態xτ(k)のZ変換は、以下の式で表される。
【数17】
【0029】
また、上記2つのz変換の関係は以下の通りである。
【数18】
【0030】
続いて、リフティッド周期通過関数及びリフティッド非周期通過関数は、以下の式に示すように、線形時不変の多項式を用いて表すことができる。
【数19】
【0031】
上記のフィルタは、以下の式に示すようにkについてZ変換される。
【数20】
ただし、a及びbはFτp(Z-1)をローパスフィルタとするように決定され、c、dはFτa(Z-1)をハイパスフィルタとするように決定される。
【0032】
逆Z変換Z~-1及び逆リフティング関数L-1によって、周期通過フィルタ及び非周期通過フィルタは、それぞれ以下の式で与えられる。
【数21】
これらの通過フィルタは、入力信号から周期信号と非周期信号とを分離するフィルタとして用いることができる。
【0033】
上述したように、状態xに含まれる準周期的状態は、状態xを所定の周期Πを用いてリフティングすることにより、リフティッド状態における低周波関数と考えることができる。言い換えると、準周期信号は、1周期(周期Π)ごとに低周波で変化する信号である。したがって、リフティッド状態において、周期信号の分離周波数に基づいて所望のローパスフィルタを設計した後に、逆リフティング変換することにより、所定の振幅変動を有する準周期信号を分離可能なフィルタを設計することができる(図3)。
【0034】
また、状態xに含まれる準非周期的状態は、状態xを所定の周期Πを用いてリフティングすることにより、リフティッド状態における高周波関数と考えることができる。言い換えると、準非周期信号は、1周期(周期Π)ごとに高周波で変化する信号である。したがって、リフティッド状態において、非周期信号の分離周波数に基づいて所望のハイパスフィルタを設計した後に、逆リフティング変換することにより、準非周期信号を分離可能なフィルタを設計することができる。
【0035】
また、z変換された周期通過フィルタF(z-1)と非周期通過フィルタF(z-1)は、以下のように表すことができる。
【数22】
【0036】
(IIRフィルタ)
続いて、上記のフィルタの具体的な例としてのIIR(Infinite Impulse Response)フィルタについて説明する。
【0037】
N次のIIRローパスフィルタ及びIIRハイパスフィルタは、以下の式に示すリフティッド周期通過フィルタ及びリフティッド非周期通過フィルタとして用いることができる。
【数23】
ただし、s~は以下の式に示すように、Z-1の双一次変換によって与えられる近似ラプラス演算子であり、ρ~は式(1)に示す分離周波数である。
【数24】
【0038】
上述のz変換の定義を用いて、IIR周期通過フィルタ及びIIR非周期通過フィルタは、それぞれ以下の式で与えられる。
【数25】
【0039】
上記の式(4)、(5)で示されるIIR周期通過フィルタ及びIIR非周期通過フィルタは、図4(A)の1次フィルタの例及び図4(B)の高次フィルタの例のように実現される。図4(A)、(B)に示すように、本実施の形態に係る周期信号分離フィルタは、各段のフィードフォワード経路及び各段のフィードバック経路にz-Π(離散時間系における表現)で表されるむだ時間要素を含んでいる。すなわち、各段のフィードフォワード経路及び各段のフィードバック経路は、分離する準周期信号の分離目的周期を表す周期Πを肩にもつむだ時間要素を含む。
【0040】
また、上記式(4)、(5)に示されるIIR周期通過フィルタ、IIR非周期通過フィルタは、分離周波数ρ~によって所定の振幅変動を有する周期的な信号を分離する準周期信号の分離フィルタ又は非周期的な信号を分離する準非周期信号の分離フィルタとして動作する。
【0041】
また、図5に示すように、準周期信号及び準非周期信号を出力する信号分離フィルタは、IIRフィルタの出力信号である準周期信号及び準非周期信号のいずれか一方の信号と入力信号との差分信号を、準周期信号及び準非周期信号の他方の信号として出力することとしてもよい。
【0042】
図6は、N次のIIR周期通過フィルタF及びIIR非周期通過フィルタFのボード線図を示している。図6に係るフィルタのサンプリング時間Tは0.001s(秒)、周期Πは200π、分離周波数ρ~は1rad/sである。図6に示すように、周期通過フィルタF(z-1)の次数を高めることにより減衰が急峻になり、バンドストップ特性を深くすることができる。
【0043】
また、図7は、次数Nと分離周波数ρ~を変化させた場合のボード線図である。図7に係るフィルタのサンプリング時間Tは0.001s、周期Πは200πである。図7に示すように、フィルタ分離周波数ρ~の増加によってフィルタのバンドパス周波数を広げることができる。また、これらのIIRフィルタは、FIR(Finite Impulse Response)フィルタに比べて、次数及び計算コストを低下させることができる。
【0044】
続いて、本実施の形態に係る分離フィルタとしてのFIRフィルタについて説明する。FIRフィルタでは、式(2)、(3)の分母多項式のa及びcをゼロに設定し、図8のように実現される。したがって、FIRフィルタは、IIRフィルタと異なり本質的に安定である。
【0045】
本実施の形態では、リフティッド周期通過フィルタFτp(Z-1)及びリフティッド非周期通過フィルタFτa(Z-1)にParks-McClellanアルゴリズムを適用して、等リップルFIRローパスフィルタ及びFIRハイパスフィルタを設計する。本例では、MATLAB(登録商標)のfirceqrip()関数を用いて式(2)、(3)の各フィルタの係数b、dを計算した。
【0046】
本実施の形態では、比較のため、20次、30次、50次のFIRローパスフィルタ、ハイパスフィルタを作成した。図9は、N次のFIR周期通過フィルタF(z-1)及びFIR非周期通過フィルタF(z-1)のボード線図である。図9に係るフィルタのサンプリング時間Tは0.001s、周期Πは200π、分離周波数ρ~は1rad/sである。図9に表されるように、次数が高くなるほど、傾きが急になっている。また、図9のゲイン線図に示すように、FIRフィルタでは、図6に示すIIRフィルタより高い次数と急峻な傾きを示す。
【0047】
上述のFIR非周期通過フィルタでは、通過帯域周波数に遅れ(位相遅れ)があり、FIR非周期通過フィルタによって出力される非周期状態は遅れを生じている。この位相遅れに関する課題を解決するため、非周期通過フィルタの別の実施の形態として、以下の式で表される周期通過フィルタの相補的なフィルタを考える。
【数26】
【0048】
例えば、式(4)及び(5)に基づく一次のIIR周期通過フィルタ及びIIR非周期通過フィルタは、以下の式で表される相補的なフィルタである。
【数27】
【0049】
図10のボード線図に示すように、上述のフィルタは、FIR非周期通過関数の位相遅れを改善することができる。より具体的には、相補的なFIR非周期通過フィルタの通過帯域周波数における位相はゼロとなっており、図9に示すFIR非周期通過フィルタと比較して、位相遅れが改善されていることがわかる。
【0050】
(数値例)
続いて、上記実施の形態に係る周期信号分離フィルタに係る数値例について説明する。本数値例では、比較のため、1次から3次の3つのIIRフィルタと、1つのFIRフィルタについて評価する。IIRフィルタのサンプリング時間Tは0.001s、周期Πは200π、分離周波数ρ~は1rad/sである。
【0051】
また、FIRフィルタとしては、MATLAB(登録商標)のfirceqrip()関数を用いて設計された50次のFIRフィルタを用いる。本例に係る入力信号は、図11(A)に示すように、準周期信号に5s(秒)時点で、準非周期信号が加わる信号である。
【0052】
図11(B)~(E)に示すように、各IIRフィルタ及びFIRフィルタにおいて、準周期信号、準非周期信号を適切に分離できていることがわかる。また、図12に示すように、IIRフィルタにおける準周期信号と準非周期信号との間の干渉は、1次のフィルタの場合に比べて、2次、3次のフィルタの場合では、100分の1以下程度となっており、大幅に干渉を低減できていることがわかる。
【0053】
したがって、本実施の形態に係る信号分離フィルタによれば、振幅変動を有する準周期信号と準非周期信号とを精度よく分離することが可能となる。特に、信号分離フィルタを2次以上の高次フィルタとすることにより、準周期信号と準非周期信号との干渉を大幅に低減可能な信号分離フィルタを構成することが可能となる。
【0054】
以上説明したように、本実施の形態に係る信号分離フィルタ及び信号分離フィルタの設計方法によれば、分離される周期信号の振幅変動を許容した高次のフィルタを用いて信号分離フィルタを構成する。より具体的には、本実施の形態に係る信号分離フィルタは、分離対象信号のターゲットの周期である分離目的周期を肩にもつむだ時間要素を含む2段以上のフィードフォワード経路を備えるので、入力信号から準周期信号、準非周期信号を精度よく分離することが可能である。
【0055】
また、分離対象信号のターゲットとなる周期である分離目的周期Πを用いてリフティングされた信号に基づいてローパスフィルタ又はハイパスフィルタを生成することで準周期信号、準非周期信号を分離するフィルタを設計できるので、容易に、精度のよい信号分離フィルタを生成することができる。
【0056】
また、本実施の形態に係る信号分離フィルタでは、高調波を包括する周期信号を分離対象としているので、ノッチフィルタと異なり分離対象の信号の高調波成分についても分離することができる。
【0057】
本実施の形態に係る信号分離フィルタは、入力信号から準周期信号又は準非周期信号を分離することとしたが、これに限られず、準周期フィルタ及び準非周期フィルタとを組み合わせて、準周期信号と準非周期信号とを出力することとしてもよい。また、本発明に係る信号分離フィルタは、準周期フィルタ又は準非周期フィルタを備え、分離した準周期信号又は準非周期信号と入力信号との差分信号を準非周期信号又は準周期信号とすることにより、準周期信号及び準非周期信号を出力することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0058】
本発明は、入力信号から周期信号、非周期信号を分離する周期信号分離フィルタに好適である。特に、ロボット制御、異常検知等の分野において分離の対象となる周期信号の周期が変動する場合の周期信号分離フィルタに好適である。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12