本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合濾波方法及裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，常用的信號數(shù)字濾波算法有多種，如算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、加權(quán)遞推平均濾波、中值濾波、程控濾波、低通濾波等。在具體選用方面，需要根據(jù)信號特點和使用要求進(jìn)行選擇，也可以根據(jù)資源條件采用復(fù)合濾波方式。

在穩(wěn)定平臺控制中，由于既要實現(xiàn)對傳感器測量信號的精確采集，又要滿足動態(tài)響應(yīng)的要求，并對下一時刻的測量誤差進(jìn)行估計，實現(xiàn)實時穩(wěn)定控制的敏捷性，避免跟隨誤差，因此在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時采用復(fù)合濾波的方式。

現(xiàn)有穩(wěn)定平臺對傳感器數(shù)據(jù)的處理，一般采用一種單一的濾波算法，或采用多種濾波算法串聯(lián)的方式。單一的濾波算法，很難同時滿足穩(wěn)定平臺控制中對控制精度和控制敏捷性的要求，即使調(diào)整濾波系數(shù)也無法滿足精確穩(wěn)定控制的要求，甚至引入復(fù)雜的差值變化量函數(shù)也收效甚微。多種濾波算法串聯(lián)的方式，一方面對資源要求較高，會帶來硬件成本的大幅度提高，且增加系統(tǒng)復(fù)雜性，對系統(tǒng)的可靠性和魯棒性帶來負(fù)面影響；另一方面，因為多階濾波的引入，造成控制量與感測量的關(guān)系復(fù)雜，只能對某些特定的控制窗口有效，對于全范圍控制精度的提高幫助不大，甚至在其它窗口的控制精度還會下降。同時，由于多種濾波算法的串聯(lián)應(yīng)用所帶來的滯后，需要采取更復(fù)雜的修正算法進(jìn)行補(bǔ)償。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中單一濾波方式無法滿足精確穩(wěn)定控制要求，以及多種濾波算法串聯(lián)所帶來的滯后的技術(shù)問題，提出了一種復(fù)合濾波方法及裝置。

在一個方面，本發(fā)明實施例提供了一種復(fù)合濾波方法，包括：

對接收的電信號進(jìn)行前級濾波；

對所述前級濾波時引入的噪聲信號進(jìn)行測量；

對所述前級濾波后的信號進(jìn)行最優(yōu)濾波。

在另一個方面，本發(fā)明實施例提供了一種復(fù)合濾波裝置，包括：

前級濾波模塊，用于對接收的信號進(jìn)行前級濾波；

噪聲測量模塊，用于對前級濾波過程中引入的噪聲信號進(jìn)行測量；

最優(yōu)濾波模塊，用于對前級濾波后的信號進(jìn)行最優(yōu)濾波。

有益效果如下：

采用本發(fā)明提供的用于傳感器的復(fù)合濾波方法及裝置，可在一次濾波解算過程中，完成一階濾波和最優(yōu)估算，在減小測量波動誤差的同時，又可以有效減小因濾波算法導(dǎo)致的測量滯后，保證實時穩(wěn)定控制的敏捷性?？稍诜€(wěn)定平臺控制中為穩(wěn)定平臺控制其提供復(fù)合控制要求的傳感器信號，從而提高穩(wěn)定平臺的控制精度。本發(fā)明方案可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、攝影、攝像、工業(yè)測控、機(jī)器人、衛(wèi)星接收天線等穩(wěn)定平臺控制。

附圖說明

下面將參照附圖描述本發(fā)明的具體實施例，其中：

圖1示出了本發(fā)明實施例中進(jìn)行復(fù)合濾波的方法的流程示意圖；

圖2示出了本發(fā)明實施例中復(fù)合濾波裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出了本發(fā)明實施例中低通濾波過程示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實施例中最優(yōu)濾波過程示意圖；

圖5示出了未采用本發(fā)明復(fù)合濾波時傳感器原始輸出信號的波形圖；

圖6示出了采用本發(fā)明復(fù)合濾波后傳感器輸出信號的波形圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實施例進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是所有實施例的窮舉。并且在不沖突的情況下，本說明中的實施例及實施例中的特征可以互相結(jié)合。

發(fā)明人在發(fā)明過程中注意到：現(xiàn)有穩(wěn)定平臺對傳感器數(shù)據(jù)的處理采用的單一的濾波算法，或是采用的多種濾波算法串聯(lián)的方式，均存在一定的缺陷，例如單一的濾波算法，很難同時滿足穩(wěn)定平臺控制中對控制精度和控制敏捷性的要求，即使調(diào)整濾波系數(shù)也無法滿足精確穩(wěn)定控制的要求，甚至引入復(fù)雜的差值變化量函數(shù)也收效甚微。而多種濾波算法串聯(lián)的方式，一方面對資源要求較高，會帶來硬件成本的大幅度提高，且增加系統(tǒng)復(fù)雜性，對系統(tǒng)的可靠性和魯棒性帶來負(fù)面影響；另一方面，因為多階濾波的引入，造成控制量與感測量的關(guān)系復(fù)雜，只能對某些特定的控制窗口有效，對于全范圍控制精度的提高幫助不大，甚至在其它窗口的控制精度還會下降。

本發(fā)明的目的是提供一種傳感器的復(fù)合濾波裝置及方法，并在穩(wěn)定平臺控制中進(jìn)行實現(xiàn)。

實施例一

根據(jù)傳感器的信號特點和穩(wěn)定平臺控制的要求，本發(fā)明提供一種復(fù)合濾波方法，如圖1所示，包括：

步驟1：接收采集的傳感器輸出的電信號，進(jìn)行前級濾波；

具體地，該前級濾波可采用低通濾波方式，對環(huán)路控制的帶外信號進(jìn)行濾除，其過程如圖3所示。但為了保證動態(tài)響應(yīng)的要求，其帶寬設(shè)置應(yīng)達(dá)到實際控制帶寬的兩倍以上，因此會引入帶外噪聲。低通濾波的算法如下：

y(k)＝a·x(k)+(i-a)·y(k-1)(1)

其中，y(k)為本次濾波輸出值，y(k-1)為上一時刻的濾波輸出值，x(k)為本次測量值，即采集后的進(jìn)行低通濾波前的信號，a為濾波系數(shù)矩陣，i為同階單位陣。

步驟2：測量在步驟1中進(jìn)行前級濾波時引入的實準(zhǔn)噪聲信號；

具體地，可通過實際測試全系統(tǒng)基于快速傅里葉變換獲得噪聲的頻譜特性，以便在系統(tǒng)信號處理過程中掌握噪聲的水平和頻帶分布。將濾波后的信號幅度與濾波前的信號幅度進(jìn)行對比，可以獲得濾波后引入噪聲的幅值信息。對噪聲信號的幅度-時間信息進(jìn)行快速傅里葉變換，可以獲得噪聲的頻譜特性，從而獲得噪聲的頻帶分布情況。

步驟3：對前級濾波后的信號進(jìn)行最優(yōu)濾波，通過最優(yōu)濾波盡可能地去除上述噪聲信號。

進(jìn)一步地，在步驟3之前還包括：

步驟2a：對最優(yōu)濾波的初始目標(biāo)值進(jìn)行預(yù)估；

預(yù)估的具體方式可以但不限于是用上述前級濾波后的信號去除測量的噪聲信號。

進(jìn)一步地，在步驟2a之后還包括：

步驟2b：根據(jù)預(yù)估目標(biāo)值計算最優(yōu)估算系數(shù)，具體可以但不限于采用下列公式計算：

其中，q、r為目標(biāo)常值，pre為設(shè)定的初始目標(biāo)值，p(k)為目標(biāo)推算值，k(k)為最優(yōu)估計系數(shù)。

進(jìn)一步地，步驟3中進(jìn)行最優(yōu)濾波的具體方式為，利用最優(yōu)估計系數(shù)對測量值進(jìn)行遞推，采用下列各式(3)求出濾波后的輸出結(jié)果，其處理過程如圖4所示；

y(k)＝y(tǒng)(k-1)+k(k)·[x(k)-y(k-1)](3)

這里，x(k)同公式(1)中的x(k)，即是原始測量信號。y(k)為本次濾波輸出值，y(k-1)為上一時刻的濾波輸出值。

最優(yōu)濾波算法是通過遞推的方式獲得最優(yōu)估計系數(shù)的過程，利用最優(yōu)濾波算法可以實現(xiàn)既減小測量波動誤差，又保證實時穩(wěn)定控制的敏捷性。

進(jìn)一步地，該復(fù)合濾波方法還包括：

步驟4：對初始目標(biāo)值進(jìn)行更新，更新方式可以為采用以下公式(4)進(jìn)行更新，然后重復(fù)上述步驟2b、步驟3及步驟4。

pre＝[i-k(k)]·p(k)(4)

這里的i同上述公式(1)中的同階單位陣。

實施例二

本發(fā)明還提供一種復(fù)合濾波的裝置，如圖2所示，包括：前級濾波模塊、噪聲測量模塊及最優(yōu)濾波模塊；

前級濾波模塊，用于對接收的傳感器輸出的電信號進(jìn)行前級濾波；

具體地，該前級濾波可以采用低通濾波的方式，如圖3所示，該低通濾波的方式為對環(huán)路控制的帶外信號進(jìn)行濾除，但為了保證動態(tài)響應(yīng)的要求，其帶寬設(shè)置應(yīng)達(dá)到實際控制帶寬的兩倍以上，因此會引入帶外噪聲。低通濾波的算法可以為：

y(k)＝a·x(k)+(i-a)·y(k-1)(1)

其中，y(k)為本次濾波輸出值，y(k-1)為上一時刻的濾波輸出值，x(k)為本次測量值，a為濾波系數(shù)矩陣，i為同階單位陣。

噪聲測量模塊，用于對前級濾波過程中引入的噪聲信號進(jìn)行測量；具體地，可基于快速傅里葉變換獲得噪聲的頻譜特性，以便在系統(tǒng)信號處理過程中掌握噪聲的水平和頻帶分布。

最優(yōu)濾波模塊，用于對前級濾波后的信號進(jìn)行最優(yōu)濾波，即通過最優(yōu)濾波將上述噪聲信號進(jìn)行濾除。

進(jìn)一步地，該裝置還包括目標(biāo)值預(yù)估模塊，用于根據(jù)上述測量的噪聲信號對信號濾波后的初始目標(biāo)值進(jìn)行預(yù)估，預(yù)估的具體方式可以是用上述前級濾波后的信號去除測量的噪聲信號。

目標(biāo)值預(yù)估模塊，還用于根據(jù)預(yù)計目標(biāo)值采用下列公式(2)計算最優(yōu)估算系數(shù)；

其中，q、r為目標(biāo)常值，pre為設(shè)定的初始目標(biāo)值，p(k)為目標(biāo)推算值，k(k)為最優(yōu)估計系數(shù)。

進(jìn)一步地，最優(yōu)濾波模塊利用最優(yōu)估計系數(shù)對測量值進(jìn)行遞推，采用公式(3)求出濾波后的輸出結(jié)果，其處理過程如圖4所示；

y(k)＝y(tǒng)(k-1)+k(k)·[x(k)-y(k-1)](3)

最優(yōu)濾波算法是通過遞推的方式獲得最優(yōu)估計系數(shù)的過程。利用最優(yōu)濾波算法可以實現(xiàn)既減小測量波動誤差，又保證實時穩(wěn)定控制的敏捷性。

進(jìn)一步地，目標(biāo)值預(yù)估模塊還用于信號經(jīng)過最優(yōu)濾波后對初始目標(biāo)值進(jìn)行更新，更新方式為可以采用以下公式(4)進(jìn)行更新。

pre＝[i-k(k)]·p(k)(4)

采用本發(fā)明的復(fù)合濾波方法及裝置，可在一次濾波解算過程中，完成一階濾波和最優(yōu)估算，在減小測量波動誤差的同時，又可以有效減小因濾波算法導(dǎo)致的測量滯后，保證實時穩(wěn)定控制的敏捷性。可在穩(wěn)定平臺控制中為穩(wěn)定平臺控制其提供復(fù)合控制要求的傳感器信號，從而提高穩(wěn)定平臺的控制精度。

為了實現(xiàn)最優(yōu)的技術(shù)效果，本發(fā)明采用arm架構(gòu)的數(shù)字信號處理單元，即上述濾波方法運行于arm架構(gòu)的數(shù)字信號處理單元，對穩(wěn)定平臺控制要求的六軸慣性傳感器采集信號進(jìn)行濾波處理。六軸傳感器的信號采集和濾波處理采用一體化的數(shù)據(jù)采集、處理單元，具有體積小、功耗低、重量輕的特點，適合在穩(wěn)定平臺上的控制應(yīng)用。

arm架構(gòu)的數(shù)字信號處理單元具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足對六軸慣性傳感器采集和復(fù)合濾波的并行處理要求。在主頻為200mhz的情況下，完成六軸慣性傳感器復(fù)合濾波并行處理的時間為2.1ms，可以滿足50hz控制數(shù)據(jù)輸出的要求。將該濾波方法在穩(wěn)定平臺控制器的傳感器數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行應(yīng)用，未采用本發(fā)明方案時傳感器原始輸出信號的波形如圖5所示，經(jīng)過本發(fā)明復(fù)合濾波處理后傳感器的輸出信號波形如圖6所示。從圖5和圖6對比可以發(fā)現(xiàn)，信號的噪聲幅度比之前降低了4倍，而信號的均值沒有變化，且信號的變化趨勢也沒有改變，對信號沒有帶來失真。

上述實施例中，均可以采用現(xiàn)有的功能元器件模塊來實施。例如，低通濾波模塊可以采用現(xiàn)有的低通濾波器。

為了描述的方便，以上所述裝置的各部分以功能分為各種模塊或單元分別描述。當(dāng)然，在實施本發(fā)明時可以把各模塊或單元的功能在同一個或多個軟件或硬件中實現(xiàn)。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機(jī)可用程序代碼的計算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機(jī)程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機(jī)程序指令到通用計算機(jī)、專用計算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機(jī)器，使得通過計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機(jī)程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機(jī)可讀存儲器中，使得存儲在該計算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機(jī)程序指令也可裝載到計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機(jī)實現(xiàn)的處理，從而在計算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。