Compensation of undersampled periodic disturbance signals

Master Thesis Defense

Alexander Kozhinov

Monday, January 07, 2019, 10:00

"Room 02-012, Georges-Köhler Allee 102, Freiburg 79110, Germany"

Kurzfassung

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Algorithmik zur Kompensation un-terabgetasteter periodischer Störsignale. Dabei besteht der konkrete Anwendungsfall in der industriellen Messtechnik mit optischen Triangulationssensoren, welche unter-schiedlichste komplexe Messaufgaben wie z. B. die Distanzmessung und die Objekterkennung lösen können.

Die Motivation für diese Arbeit ist die zunehmende Verbreitung von LED-Lampen für Beleuchtungszwecke, welche im unmittelbaren Umfeld der Sensoren eingesetzt werden. LED-Lampen verfügen über einen hohen AC-Anteil im kritischen Frequenzbereich, welcher dicht an die Abtastfrequenz des Sensors angrenzt. Darüber hinaus kommt es aufgrund der Abtastrate der Sensoren und den kurzen Messlichtpulsen im Mikrosekundenbereich zu einer Unterabtastung des Störsignals.

Das Messsignal des Sensors setzt sich aus dem Nutzsignal und Störeinflüssen wie z.B. Umgebungslicht zusammen. Wenn die Position der Störung im Frequenzraum nach dem Abtastvorgang unbekannt ist und sich mit dem Nutzsignal überlagert, kann eine Unterabtastung des Störsignals das Nutzsignal stark verfälschen. Sind jedoch Störeigenschaften, wie z.B. Periodizität, bekannt, ist eine Kompensation bzw. Dämpfung des Störeinflusses möglich. Eine theoretische Grundlage dazu bietet das Nyquist-Shannon Theorem welches besagt, dass die Eigenschaften eines bandbreitenlimitierten Signals mit einer niedrigeren Abtastrate als der Hälfte der maximalen Signalfrequenz ermittelt werden können.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Algorithmik entwickelt und in einem optischen Triangulationssensor implementiert. Sie ermöglicht eine Synchronisation der Abtastrate mit der periodischen Störfrequenz. Auf diese Weise kann im Frequenzraum eine Trennung der Störung vom Nutzsignal erreicht werden und es wird möglich, das Störsignal herauszufiltern.

 

Diese Arbeit ist in vier Hauptschritte gegliedert:

  • Untersuchung der Eigenschaften von Störlichtquellen und deren Klassifizierung
  • Numerische Simulation der Algorithmik unter Störeinfluss
  • Umsetzung in einem Sensor
  • Auswertung der Messergebnisse

Im ersten Schritt wurden die Störlichtquellen untersucht und klassifiziert. Die Lampen in den Arbeitshallen mit hohem AC-Anteil wurden als Störlichtquellen mit erheblichem Einfluss auf den Messvorgang identifiziert. Weiterhin wurde eine periodische Frequenzänderung aller Störlichtquellen mit einigen hundert Hertz in einem begrenzten Frequenzbereich festgestellt.

Im zweiten Schritt wurde ein Simulator mit dem Modell des Störlichts entwickelt. Das Modell des Störlichts basiert auf der Annahme eines frequenzmodulierten Signals und wurde auf Basis der klassifizierten Störlichtquellen erstellt. Der Simulator ist eine wichtige Komponente für die Entwicklung des Reglers und ermöglicht es aus vordefinierten Eingangssignalen Ausgangswerte zu generieren sowie Simulationen zu wiederholen und ggf. die Simulationsparameter anzupassen. Anschließend wurden im Simulator die Struktur des Reglers und ein Abtastmuster der Störung entwickelt.

Im dritten Schritt erfolgte die Umsetzung im Mikrokontroller des Sensor. Es wurde zunächst der Treiber für das Auslesen der sensoreigenen fotoempfindlichen Pixelzeile optimiert. Diese Optimierung war aufgrund der Erzeugung eines Summensignals mit Dunkelmessungen sowie einer erhöhten Abtastrate notwendig. Das Summensignal wird aus den Pixelwerten der fotoempfindlichen Pixelzeile des Sensors erzeugt und beinhaltet bei einer Dunkelmessung ausschließlich den Einfluss einer etwaigen Störung. Der optimierte Treiber ermöglicht eine Reduzierung der Auslesezeit der fotoempfindlichen Pixelzeile von etwa 30% gegenüber dem vorherigen Wert. Ein Messzyklus des optimierten Treibers enthält mehrere aufeinander folgende Auslesevorgänge der fotoempfindlichen Pixelzeile und eine kurze Rechenpause. Dadurch ist eine schnelle Ermittlung der Störfrequenzänderung möglich.

Im letzten Schritt erfolgte die Dimensionierung des entwickelten Reglers mit der umgesetzten Algorithmik und die Auswertung der Messergebnisse. Mithilfe der schnellen Ermittlung einer Störfrequenzänderung beträgt die Sprungantwort des Reglers auf eine Störfrequenzänderung um 15 kHz weniger als 0,5 ms. Dabei wir eine Dämpfung des Störeinflusses um einen Faktor von mindestens 4 erreicht.

Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit weitere Konzepte erarbeitet, mit welchen eine weitere Verbesserung der Störlichtkompensation möglich ist. Dazu gehört der Einsatz eines Filters mit stärkerer Dämpfung. Zudem wurde der Weg für ein modellbasiertes Verfahren zur Kompensation des Störlichts geebnet, welcher auf einem relativ zur Messgeschwindigkeit langsamen Fit der Störparameter basieren könnte, um auf diese Weise eine vollständige Kompensation unterabgetasteter periodischer Störsignale zu ermöglichen.