中文版互補濾波器(共11頁)

1、 互補(h b)濾波器定義(dngy)：是集成加速度計和陀螺(tulu)測量平衡的一個簡單的解決辦法的平臺。傳感器： 兩軸加速度計：測量加速度實際上是推動每個單元的塊。可以用來測量重力加速度，上圖中x軸加速度為0g,y軸加速度為1g?？梢杂脕頊y量斜角。上圖中x軸方向上有重力的作用 ，左邊的圖中x有正向的加速度，右邊的圖中x有負向的加速度。這就使y軸方向的加速度減少。由y軸得到的信息是否有用？可能不是：a.x軸方向上改變一個很小的角度它的靈敏度遠遠高于y軸。b它不依賴于方向傾斜陀螺儀：陀螺儀：測量角速度（旋轉(zhuǎn)的角度）。當靜止(jngzh)時讀“0”。讀取旋轉(zhuǎn)(xunzhun)時的方向(fngxi

2、ng)值。左圖為陀螺儀正轉(zhuǎn)，右圖為陀螺儀反轉(zhuǎn)。讀傳感器的值第一步是要看每個傳感器的模擬輸入(通過類比數(shù)模轉(zhuǎn)換器,ADC),并讓他們成為有用的單位。這需要調(diào)整偏移和數(shù)值范圍。偏移是很容易找到的: 傳感器水平和/或靜止的時候讀傳感器的整型值。如果它的值顫動,則選擇一個平均值。偏移量應(yīng)該是一個整形變量(或常量)。取值范圍取決于傳感器。它是由多因素預期的單位得來。這可以從傳感器“數(shù)據(jù)手冊”或?qū)嶒灥玫?。它有時被稱為傳感器常數(shù)、增益、或靈敏度。取值應(yīng)該是一個浮點型的變量(或常量)。即使沒有ADC的結(jié)果也可以抵消負面的偏移,它們將會被去掉,所以不會使變量發(fā)生改變了。單位可以是度或弧度(每秒陀螺儀)，它們必須

3、是一致的。更多的關(guān)于加速度計 如果必須要有一個360角旋轉(zhuǎn)的估量,有y軸方向上的測量會很有用,但不是一定必須要。有了它,我們可以用三角法找到兩個軸的反正切的數(shù)值和計算兩個軸的角度。沒有它,我們還可以用正弦或余弦和x軸單獨算出角度,因為我們知道重力的大小。但是三角法消耗處理器時間而且是非線性,所以,它可以避免就應(yīng)該盡量避免。為平衡(pnghng)平臺,最重要的是確保(qubo)角度(jiod)靠近垂直。如果平臺傾斜從兩個方向超過30,那可能就沒有更多的控制器可以做全速行駛?cè)ゼm正它，在這種情形下,我們可以用小角度近似和x軸節(jié)約處理器時間和簡化編碼復雜度。平臺有一個傾斜的角度，但是是靜止的(沒有水平

4、加速度)X軸方向上：(1g) sin() 小角度近似：sin() ，按幅度來算的話=/6 = 30。因此編碼的二進制碼如下:x_acc = (float)(x_acc_ADC x_acc_offset) * x_acc_scale如果x_acc_scale角度將取值輸出到1g，x軸是徑直指向下，x_acc將按弧度來算。為了獲得角度，x_acc_scale應(yīng)該在180/之間取值。 所需要的測量為了控制平臺,最好是知道基礎(chǔ)平臺角度和角速度。這可能是一個角度PD(比例/微分)控制算法的基礎(chǔ),該算法已經(jīng)證實了該系統(tǒng)類型可以很好地工作。像這樣的：電機輸出 = Kp 角度 + Kd 角速度電機真正的輸出又

5、是另一回事。但常規(guī)的想法是,這種控制建立可調(diào)諧Kd和Kp使它達到穩(wěn)定和平穩(wěn)的性能。這是不太可能超越的水平點除了proportional-only控制器之外。(如果角度是正向的,但是角速度是負向的,即它反饋回來的是水平的,電機就會提前減慢。)事實上,這種PD控制(kngzh)方案就像對智能(zh nn)車添加一個(y )可調(diào)彈簧和阻尼器。映射傳感器這是最好的方法嗎？贊成的觀點：1.直觀。 2.容易編碼 3. 陀螺給快速、準確的角速度測量反對(fndu)的觀點： 1.噪聲。 2. x軸要讀水平(shupng)方向(fngxing)任何角度改變的加速度。(想象一下平臺是水平,但平臺電機使它向前加速，

6、加速度計也無法和引力鑒別開。)0.75和0.25是參考數(shù)值。這些可以調(diào)諧濾波到滿意的變化時間常數(shù)。贊成的觀點:依然很直觀。依然很容易編碼。過濾掉短周期水平加速度，唯一可以通過的是長周期的加速度(重力)。反對的觀點：測角由于取平均值而滯后，過濾器越多就越能滯后，滯后一般會影響穩(wěn)定性。 贊成的觀點：只有一個傳感器來讀.快速，滯后不是問題不受制于水平加速度。容易(rngy)編碼。反對(fndu)的觀點：可怕的陀螺(tulu)漂移，如果陀螺沒有準確的讀出平衡時的零點(而且它不會),小速度將持續(xù)增加角度,直到它遠離實際的角度。贊成的觀點：想象一下理論上完美的濾波器可以濾去雜波、準確的估計?？紤]到系統(tǒng)的已

7、知的物理性質(zhì)(質(zhì)量、慣性等)。反對的觀點：我不知道它是如何工作的，它的算法很復雜的,需要了解一些線性代數(shù)的知識。不同情況有不同形式?？赡芎茈y編碼。會消耗處理器的時間。贊成的觀點：可以幫助解決噪聲、漂移、水平加速度的依賴性?？焖俟烙嫿嵌?比只有低通濾波器時的滯后明顯減弱。處理器不是很密集。反對的觀點：和低通濾波相比需要了解更多的理論知識,但沒有像卡爾曼濾波器那樣。更多關(guān)于(guny)數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器有很多的原理(yunl),其中大部分我不懂,但是沒有理論符號的基本概念很容易(rngy)掌握 (z-domain轉(zhuǎn)移函數(shù),如果你想研究它)，這里有一些定義：整合:這很簡單,想像一個汽車以一個已知

8、的速度移動，你的程序是一只鐘每隔幾毫秒滴答響一次，為了在每一個滴答聲響得到新的位置,你應(yīng)把舊的位置加上改變的位置。這個位置的改變只是自從上次滴答響，這輛小汽車的速度乘以時間,你由單片機定時器或其他已知的定時器得到數(shù)值。在代碼:新位置=舊的位置+速度*變化的時間。對于平衡的平臺來說：角度=原來的角度+陀螺儀的值*變化的時間。 低通濾波器：低通濾波的目的是只讓長期信號的變化量通過,過濾掉短期的波動。一種方法是力的變化建立在隨后的時間一點一點地通過程序循環(huán)。在代碼中:angle = (0.98)*angle + (0.02)*x_acc例如,開始是零的角度，加速計突然跳躍到10,角度估計的改變像隨后

9、的迭代:如果傳感器保持在10,角度估計將會上升直至在它的水平這個值。所花費的時間,達到充分數(shù)值既取決于過濾常數(shù)(例如0.98和0.02)也取決于采樣率的回路(dt)。高通濾波器:理論和低通濾波器相比這有點難以解釋,但作用上它恰恰和低通濾波器相反:它允許短周期信號通過，過濾信號而達到穩(wěn)定，這能用來抵消漂移（過濾掉直流成分）。采樣周期:每個程序之間經(jīng)過循環(huán)所需時間的長短。如果采樣率是100赫茲,采樣周期為0.01秒。時間常數(shù):濾波器的時間常數(shù)表現(xiàn)為一個相對持續(xù)的信號，對于一個低通濾波器,分析了信號的時間常數(shù)遠比通過信號改變而短于過濾的時間常數(shù)。對于高通濾波器那就是相反的，這個時間常數(shù)，是一個低通濾

10、波器。 y = (a)*(y) + (1-a)*(x);所以如果你知道所需的時間常數(shù)和采樣率,你可以選擇濾波器系數(shù)。補充:這表示濾波器的兩個部分總是合成一部分,輸出是一種精度高的值、單位的線性估計這樣做是有意義的。讀得差不了,我感覺這濾波器不是準確的互補, 但是當時間常數(shù)遠比采樣率大的時候是一個很好的近似(對任何數(shù)字控制來說是一個必要條件)。仔細看看角互補濾波器如果這個過濾器運行一個循環(huán)(xnhun)中執(zhí)行100次/秒,時間常數(shù)對低通、高通濾波器是: 在這個(zh ge)定義中是徘徊(pi hui)在信任陀螺儀和加速度計的邊界，如果這個時間短于半秒鐘,陀螺儀整合和濾除水平加速度噪聲優(yōu)先。如果時

11、間期長于半秒鐘,平均加速計的質(zhì)量比陀螺儀更重,可能這一點有漂流。 大多數(shù)情況下,設(shè)計濾波器通常用其他的方式，首先,選擇一個時間常數(shù),然后用它來計算濾波器系數(shù)。挑選時間常數(shù)在這個地方你可以調(diào)整響應(yīng)。如果你的陀螺儀漂移平均每秒2(可能是一個最壞的估計),你可能想要一個小于一秒的時間常數(shù),讓你可以保證在任一個方向上從未漂移超過兩度。但時間常數(shù)越低,加速度越水平噪聲將允許通過。像許多其他控制的情況下,有一個權(quán)衡,唯一的辦法就是去試驗。 記住, 選擇正確的采樣率系數(shù)是非常重要的，如果你改變你的程序,增加更多的浮點運算和是導致你的采樣率下降的兩個因素。你的時間常數(shù)會變大有兩個因素除非你重新計算你的過濾條件

12、。 舉個例子,考慮使用26.2毫秒的收音機更新你的控制回路(通常是一個緩慢的思想,但它是工作的)。如果你想要一個0.75秒的時間常數(shù)、過濾器術(shù)語應(yīng)該是這樣的:濾波器上陀螺儀的偏壓它也是值得去思考。這個過濾器陀螺肯定不會造成漂移的問題,但它仍然可以影響角的計算方法。舉例來說,我們誤選錯了偏移和我們的速率陀螺靜止時報告5/秒的旋轉(zhuǎn)，它算術(shù)上可以證明(這里我不會) 角度估計等于偏移速度乘以時間常數(shù)。因此,如果我們有一個0.75秒時間常數(shù),這將給一個常數(shù)3.75角的偏移量。另外(ln wi),這可能是一個壞的情形(qng xing)(陀螺儀不應(yīng)該那么遠偏移),長角度(jiod)偏移和一個漂泊角度偏移量

13、相比較是很容易處理的。舉例說來,你可以在相反的方向旋轉(zhuǎn)加速度計3.75來調(diào)節(jié)它。對某些實驗結(jié)果的足夠理論控制平臺:自定義PIC-based無線控制器,十位精度的ad。數(shù)據(jù)采集:一個串行USB收音機,做在Visual Basic上。陀螺:ADXRS401、模擬裝置iMEMS /秒75角速率傳感器。加速度:ADXL203,模擬設(shè)備兩軸iMEMS加速度計。 注意過濾處理兩個問題:水平加速度干擾而不旋轉(zhuǎn)(強調(diào)藍色)和陀螺漂移(突出紅色)。這里有兩件事情需要注意:第一,不可預見的啟動問題(wnt)(藍色凸顯)，如果(rgu)你不適當(shdng)初始化你的變量這是什么都可能發(fā)生的，長時間常數(shù)是指前幾秒鐘

14、可以不確定。這是很容易地確保所有重要的變量將被初始化為0,或者任何一個“安全”的數(shù)值。其次,注意到嚴重的陀螺偏移量(紅色突出),大約6/秒,以及如何創(chuàng)造一個恒角度在偏移角度估計中。角度偏移約等于陀螺偏移乘以時間常數(shù))這是一個很好的壞的情形的例子總結(jié)我認為這個過濾器,很適合D.I.Y.平衡解決方案,原因如下:這似乎工作，角度估計是準確，響應(yīng)快的，但是對橫向加速度和陀螺儀漂移是不敏感的。2.微處理器是安全的，它需要少量的浮點操作,但總之你使用的這些應(yīng)在你的控制代碼中。100赫茲或以上它可以很容易的控制回路。和備選的方案例如卡爾曼濾波器相比這更直觀，更容易解釋理論。這可能沒有任何解釋為什么它運轉(zhuǎn)的要好,但在教育項目,如第一,它就是一個優(yōu)勢。之前我說100%的可能性,這是一個完美的解決辦法來平衡平臺,我想看看一些硬件測試也許D.I.Y. 賽格威嗎?另外,我也不確定這當中有多少適用于水平定位。我懷疑不是太多:沒有地心引力,有一個小的加速度計就可以給一個絕對的參考。當然,你能將它兩次求積分估計目標位置,但是這將漂移很多。雖然, 過濾技術(shù)可以用一系列不同的傳感器實行,也許一個加速度計及一個編碼