[项目]基于FreeRTOS的STM32四轴飞行器: 十二.角速度加速度滤波

基于FreeRTOS的STM32四轴飞行器: 十二.滤波

一.滤波介绍

模拟信号滤波:

最常用的滤波方法可以在信号和地之间并联一个电容,因为电容通交隔直,信号突变会给电容充电,电容两端电压不会突变,电容越大越明显。

电容滤电压的毛刺,电感滤电流的毛刺。电感串联进电路中,电流出现毛刺,因为通过电感两端的电流不能突变,实现对电流的滤波。
数字信号滤波:

使用算法 进行滤波。

1.均值滤波(滑动窗口滤波):每来一个值使用前四个值进行平均使用平均值 。

2.中值滤波:将数据排序,取数据奇数部分的中值代替取到的数值。

3.一阶低通滤波:结果 = 系数 * 上次的值 + (1 - 系数)X 这次的值

4.卡尔曼滤波:核心5个公式。

5.互补滤波:

加速度对时间积分 速度:响应迅速,结果容易受到外界影响。

加速度对时间微分 速度:结果不容受影响,响应不及时。

二.对角速度进行一阶低通滤波

编写一阶低通滤波函数:

c 复制代码
#define ALPHA 0.8
/* 一阶低通率波 */
int16_t Com_Filter_LowPass(int16_t newData, int16_t lastData)
{
    return ALPHA * lastData + (1 - ALPHA) * newData;
}

使用一阶低通滤波:

记住读取数据时使用临界区。

c 复制代码
    /* 1. 读取原始数据 */
    taskENTER_CRITICAL();
    Inf_MPU6050_ReadGyroAccelCalibrated(gyroAccel);
    taskEXIT_CRITICAL();

    /* 2. 对角速度做一阶低通低通滤波 */
    static int16_t lastDatas[3] = {0};
    gyroAccel->gyro.gyroX = Com_Filter_LowPass(gyroAccel->gyro.gyroX, lastDatas[0]);
    gyroAccel->gyro.gyroY = Com_Filter_LowPass(gyroAccel->gyro.gyroY, lastDatas[1]);
    gyroAccel->gyro.gyroZ = Com_Filter_LowPass(gyroAccel->gyro.gyroZ, lastDatas[2]);
    lastDatas[0] = gyroAccel->gyro.gyroX;
    lastDatas[1] = gyroAccel->gyro.gyroY;
    lastDatas[2] = gyroAccel->gyro.gyroZ;

一阶低通滤波效果演示:

使用虚拟数字示波器观察滤波前后数据波形,滤波效果明显。

CH1(红):滤波前

CH2(黄):滤波后

三.对加速度进行卡尔曼滤波

直接移植 下面的卡尔曼滤波代码:

.c:

三个结构体分别是XYZ三轴的参数。

卡尔曼滤波函数参数分别为结构体,对谁做滤波。

返回值为滤波后结果。

c 复制代码
/* 卡尔曼滤波参数 */
KalmanFilter_Struct kfs[3] = {
    {0.02, 0, 0, 0, 0.001, 0.543},
    {0.02, 0, 0, 0, 0.001, 0.543},
    {0.02, 0, 0, 0, 0.001, 0.543}};
double Common_Filter_KalmanFilter(KalmanFilter_Struct *kf, double input)
{
    kf->Now_P = kf->LastP + kf->Q;
    kf->Kg    = kf->Now_P / (kf->Now_P + kf->R);
    kf->out   = kf->out + kf->Kg * (input - kf->out);
    kf->LastP = (1 - kf->Kg) * kf->Now_P;
    return kf->out;
}

.h:

c 复制代码
/* 卡尔曼滤波器结构体 */
typedef struct
{
    float LastP;   // 上一时刻的状态方差(或协方差)
    float Now_P;   // 当前时刻的状态方差(或协方差)
    float out;     // 滤波器的输出值,即估计的状态
    float Kg;      // 卡尔曼增益,用于调节预测值和测量值之间的权重
    float Q;       // 过程噪声的方差,反映系统模型的不确定性
    float R;       // 测量噪声的方差,反映测量过程的不确定性
} KalmanFilter_Struct;

extern KalmanFilter_Struct kfs[3];

使用卡尔曼滤波:

传入结构体和滤波的对象。

c 复制代码
    /* 3. 对加速度做卡尔曼滤波 */
    // OutData[0] = gyroAccel->accel.accelX ;
    gyroAccel->accel.accelX = Common_Filter_KalmanFilter(&kfs[0], gyroAccel->accel.accelX);
    gyroAccel->accel.accelY = Common_Filter_KalmanFilter(&kfs[1], gyroAccel->accel.accelY);
    gyroAccel->accel.accelZ = Common_Filter_KalmanFilter(&kfs[2], gyroAccel->accel.accelZ);
    // OutData[1] = gyroAccel->accel.accelX ;
    // OutPut_Data();

观察滤波前后效果:

效果良好

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