今天跟大家带来熟数字滤波算法:
1、限幅滤波法(又称程序判断滤波法)
/* A、名称:限幅滤波法(又称程序判断滤波法) B、方法: 根据经验判断,确定两次采样允许的最大偏差值(设为A), 每次检测到新值时判断: 如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效, 如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。 C、优点: 能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。 D、缺点: 无法抑制那种周期性的干扰。 平滑度差。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Value = Filter_Value; // 最近一次有效采样的值,该变量为全局变量 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅滤波法(又称程序判断滤波法) #define FILTER_A 1 int Filter() { int NewValue; NewValue = Get_AD(); if(((NewValue - Value) > FILTER_A) || ((Value - NewValue) > FILTER_A)) return Value; else return NewValue; }
2、中位值滤波法
/* A、名称:中位值滤波法 B、方法: 连续采样N次(N取奇数),把N次采样值按大小排列, 取中间值为本次有效值。 C、优点: 能有效克服因偶然因素引起的波动干扰; 对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。 D、缺点: 对流量、速度等快速变化的参数不宜。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 中位值滤波法 #define FILTER_N 101 int Filter() { int filter_buf[FILTER_N]; int i, j; int filter_temp; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_buf[i] = Get_AD(); delay(1); } // 采样值从小到大排列(冒泡法) for(j = 0; j < FILTER_N - 1; j++) { for(i = 0; i < FILTER_N - 1 - j; i++) { if(filter_buf[i] > filter_buf[i + 1]) { filter_temp = filter_buf[i]; filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; filter_buf[i + 1] = filter_temp; } } } return filter_buf[(FILTER_N - 1) / 2]; }
3、算术平均滤波法
/* A、名称:算术平均滤波法 B、方法: 连续取N个采样值进行算术平均运算: N值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低; N值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高; N值的选取:一般流量,N=12;压力:N=4。 C、优点: 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波; 这种信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值范围附近上下波动。 D、缺点: 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用; 比较浪费RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 算术平均滤波法 #define FILTER_N 12 int Filter() { int i; int filter_sum = 0; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_sum += Get_AD(); delay(1); } return (int)(filter_sum / FILTER_N); }
4、递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)
/* A、名称:递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法) B、方法: 把连续取得的N个采样值看成一个队列,队列的长度固定为N, 每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则), 把队列中的N个数据进行算术平均运算,获得新的滤波结果。 N值的选取:流量,N=12;压力,N=4;液面,N=4-12;温度,N=1-4。 C、优点: 对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高; 适用于高频振荡的系统。 D、缺点: 灵敏度低,对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差; 不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差; 不适用于脉冲干扰比较严重的场合; 比较浪费RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法) #define FILTER_N 12 int filter_buf[FILTER_N + 1]; int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N] = Get_AD(); for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; // 所有数据左移,低位仍掉 filter_sum += filter_buf[i]; } return (int)(filter_sum / FILTER_N); }
5、中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)
/* A、名称:中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法) B、方法: 采一组队列去掉最大值和最小值后取平均值, 相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。 连续采样N个数据,去掉一个最大值和一个最小值, 然后计算N-2个数据的算术平均值。 N值的选取:3-14。 C、优点: 融合了“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”两种滤波法的优点。 对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由其所引起的采样值偏差。 对周期干扰有良好的抑制作用。 平滑度高,适于高频振荡的系统。 D、缺点: 计算速度较慢,和算术平均滤波法一样。 比较浪费RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)(算法1) #define FILTER_N 100 int Filter() { int i, j; int filter_temp, filter_sum = 0; int filter_buf[FILTER_N]; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_buf[i] = Get_AD(); delay(1); } // 采样值从小到大排列(冒泡法) for(j = 0; j < FILTER_N - 1; j++) { for(i = 0; i < FILTER_N - 1 - j; i++) { if(filter_buf[i] > filter_buf[i + 1]) { filter_temp = filter_buf[i]; filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; filter_buf[i + 1] = filter_temp; } } } // 去除最大最小极值后求平均 for(i = 1; i < FILTER_N - 1; i++) filter_sum += filter_buf[i]; return filter_sum / (FILTER_N - 2); } // 中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)(算法2) /* #define FILTER_N 100 int Filter() { int i; int filter_sum = 0; int filter_max, filter_min; int filter_buf[FILTER_N]; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_buf[i] = Get_AD(); delay(1); } filter_max = filter_buf[0]; filter_min = filter_buf[0]; filter_sum = filter_buf[0]; for(i = FILTER_N - 1; i > 0; i--) { if(filter_buf[i] > filter_max) filter_max=filter_buf[i]; else if(filter_buf[i] < filter_min) filter_min=filter_buf[i]; filter_sum = filter_sum + filter_buf[i]; filter_buf[i] = filter_buf[i - 1]; } i = FILTER_N - 2; filter_sum = filter_sum - filter_max - filter_min + i / 2; // +i/2 的目的是为了四舍五入 filter_sum = filter_sum / i; return filter_sum; }*/
6、限幅平均滤波法
/* A、名称:限幅平均滤波法 B、方法: 相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”; 每次采样到的新数据先进行限幅处理, 再送入队列进行递推平均滤波处理。 C、优点: 融合了两种滤波法的优点; 对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。 D、缺点: 比较浪费RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ #define FILTER_N 12 int Filter_Value; int filter_buf[FILTER_N]; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 filter_buf[FILTER_N - 2] = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅平均滤波法 #define FILTER_A 1 int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N - 1] = Get_AD(); if(((filter_buf[FILTER_N - 1] - filter_buf[FILTER_N - 2]) > FILTER_A) || ((filter_buf[FILTER_N - 2] - filter_buf[FILTER_N - 1]) > FILTER_A)) filter_buf[FILTER_N - 1] = filter_buf[FILTER_N - 2]; for(i = 0; i < FILTER_N - 1; i++) { filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; filter_sum += filter_buf[i]; } return (int)filter_sum / (FILTER_N - 1); }
7、一阶滞后滤波法
/* A、名称:一阶滞后滤波法 B、方法: 取a=0-1,本次滤波结果=(1-a)*本次采样值+a*上次滤波结果。 C、优点: 对周期性干扰具有良好的抑制作用; 适用于波动频率较高的场合。 D、缺点: 相位滞后,灵敏度低; 滞后程度取决于a值大小; 不能消除滤波频率高于采样频率1/2的干扰信号。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 一阶滞后滤波法 #define FILTER_A 0.01 int Filter() { int NewValue; NewValue = Get_AD(); Value = (int)((float)NewValue * FILTER_A + (1.0 - FILTER_A) * (float)Value); return Value; }
8、加权递推平均滤波法
/* A、名称:加权递推平均滤波法 B、方法: 是对递推平均滤波法的改进,即不同时刻的数据加以不同的权; 通常是,越接近现时刻的数据,权取得越大。 给予新采样值的权系数越大,则灵敏度越高,但信号平滑度越低。 C、优点: 适用于有较大纯滞后时间常数的对象,和采样周期较短的系统。 D、缺点: 对于纯滞后时间常数较小、采样周期较长、变化缓慢的信号; 不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度,滤波效果差。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 加权递推平均滤波法 #define FILTER_N 12 int coe[FILTER_N] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12}; // 加权系数表 int sum_coe = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12; // 加权系数和 int filter_buf[FILTER_N + 1]; int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N] = Get_AD(); for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; // 所有数据左移,低位仍掉 filter_sum += filter_buf[i] * coe[i]; } filter_sum /= sum_coe; return filter_sum; }
9、消抖滤波法
/* A、名称:消抖滤波法 B、方法: 设置一个滤波计数器,将每次采样值与当前有效值比较: 如果采样值=当前有效值,则计数器清零; 如果采样值<>当前有效值,则计数器+1,并判断计数器是否>=上限N(溢出); 如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器。 C、优点: 对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果; 可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。 D、缺点: 对于快速变化的参数不宜; 如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 消抖滤波法 #define FILTER_N 12 int i = 0; int Filter() { int new_value; new_value = Get_AD(); if(Value != new_value) { i++; if(i > FILTER_N) { i = 0; Value = new_value; } } else i = 0; return Value; }
10、限幅消抖滤波法
/* A、名称:限幅消抖滤波法 B、方法: 相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”; 先限幅,后消抖。 C、优点: 继承了“限幅”和“消抖”的优点; 改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统。 D、缺点: 对于快速变化的参数不宜。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 产生随机种子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 获得滤波器输出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口输出 delay(50); } // 用于随机产生一个300左右的当前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅消抖滤波法 #define FILTER_A 1 #define FILTER_N 5 int i = 0; int Filter() { int NewValue; int new_value; NewValue = Get_AD(); if(((NewValue - Value) > FILTER_A) || ((Value - NewValue) > FILTER_A)) new_value = Value; else new_value = NewValue; if(Value != new_value) { i++; if(i > FILTER_N) { i = 0; Value = new_value; } } else i = 0; return Value; }
11、卡尔曼滤波(非扩展卡尔曼)
#include// I2C library, gyroscope // Accelerometer ADXL345 #define ACC (0x53) //ADXL345 ACC address #define A_TO_READ (6) //num of bytes we are going to read each time (two bytes for each axis) // Gyroscope ITG3200 #define GYRO 0x68 // gyro address, binary = 11101000 when AD0 is connected to Vcc (see schematics of your breakout board) #define G_SMPLRT_DIV 0x15 #define G_DLPF_FS 0x16 #define G_INT_CFG 0x17 #define G_PWR_MGM 0x3E #define G_TO_READ 8 // 2 bytes for each axis x, y, z // offsets are chip specific. int a_offx = 0; int a_offy = 0; int a_offz = 0; int g_offx = 0; int g_offy = 0; int g_offz = 0; //////////////////////// //////////////////////// char str[512]; void initAcc() { //Turning on the ADXL345 writeTo(ACC, 0x2D, 0); writeTo(ACC, 0x2D, 16); writeTo(ACC, 0x2D, 8); //by default the device is in +-2g range reading } void getAccelerometerData(int* result) { int regAddress = 0x32; //first axis-acceleration-data register on the ADXL345 byte buff[A_TO_READ]; readFrom(ACC, regAddress, A_TO_READ, buff); //read the acceleration data from the ADXL345 //each axis reading comes in 10 bit resolution, ie 2 bytes. Least Significat Byte first!! //thus we are converting both bytes in to one int result[0] = (((int)buff[1]) << 8) | buff[0] + a_offx; result[1] = (((int)buff[3]) << 8) | buff[2] + a_offy; result[2] = (((int)buff[5]) << 8) | buff[4] + a_offz; } //initializes the gyroscope void initGyro() { /***************************************** * ITG 3200 * power management set to: * clock select = internal oscillator * no reset, no sleep mode * no standby mode * sample rate to = 125Hz * parameter to +/- 2000 degrees/sec * low pass filter = 5Hz * no interrupt ******************************************/ writeTo(GYRO, G_PWR_MGM, 0x00); writeTo(GYRO, G_SMPLRT_DIV, 0x07); // EB, 50, 80, 7F, DE, 23, 20, FF writeTo(GYRO, G_DLPF_FS, 0x1E); // +/- 2000 dgrs/sec, 1KHz, 1E, 19 writeTo(GYRO, G_INT_CFG, 0x00); } void getGyroscopeData(int * result) { /************************************** Gyro ITG-3200 I2C registers: temp MSB = 1B, temp LSB = 1C x axis MSB = 1D, x axis LSB = 1E y axis MSB = 1F, y axis LSB = 20 z axis MSB = 21, z axis LSB = 22 *************************************/ int regAddress = 0x1B; int temp, x, y, z; byte buff[G_TO_READ]; readFrom(GYRO, regAddress, G_TO_READ, buff); //read the gyro data from the ITG3200 result[0] = ((buff[2] << 8) | buff[3]) + g_offx; result[1] = ((buff[4] << 8) | buff[5]) + g_offy; result[2] = ((buff[6] << 8) | buff[7]) + g_offz; result[3] = (buff[0] << 8) | buff[1]; // temperature } float xz=0,yx=0,yz=0; float p_xz=1,p_yx=1,p_yz=1; float q_xz=0.0025,q_yx=0.0025,q_yz=0.0025; float k_xz=0,k_yx=0,k_yz=0; float r_xz=0.25,r_yx=0.25,r_yz=0.25; //int acc_temp[3]; //float acc[3]; int acc[3]; int gyro[4]; float Axz; float Ayx; float Ayz; float t=0.025; void setup() { Serial.begin(9600); Wire.begin(); initAcc(); initGyro(); } //unsigned long timer = 0; //float o; void loop() { getAccelerometerData(acc); getGyroscopeData(gyro); //timer = millis(); sprintf(str, "%d,%d,%d,%d,%d,%d", acc[0],acc[1],acc[2],gyro[0],gyro[1],gyro[2]); //acc[0]=acc[0]; //acc[2]=acc[2]; //acc[1]=acc[1]; //r=sqrt(acc[0]*acc[0]+acc[1]*acc[1]+acc[2]*acc[2]); gyro[0]=gyro[0]/ 14.375; gyro[1]=gyro[1]/ (-14.375); gyro[2]=gyro[2]/ 14.375; Axz=(atan2(acc[0],acc[2]))*180/PI; Ayx=(atan2(acc[0],acc[1]))*180/PI; /*if((acc[0]!=0)&&(acc[1]!=0)) { Ayx=(atan2(acc[0],acc[1]))*180/PI; } else { Ayx=t*gyro[2]; }*/ Ayz=(atan2(acc[1],acc[2]))*180/PI; //kalman filter calculate_xz(); calculate_yx(); calculate_yz(); //sprintf(str, "%d,%d,%d", xz_1, xy_1, x_1); //Serial.print(xz);Serial.print(","); //Serial.print(yx);Serial.print(","); //Serial.print(yz);Serial.print(","); //sprintf(str, "%d,%d,%d,%d,%d,%d", acc[0],acc[1],acc[2],gyro[0],gyro[1],gyro[2]); //sprintf(str, "%d,%d,%d",gyro[0],gyro[1],gyro[2]); Serial.print(Axz);Serial.print(","); //Serial.print(Ayx);Serial.print(","); //Serial.print(Ayz);Serial.print(","); //Serial.print(str); //o=gyro[2];//w=acc[2]; //Serial.print(o);Serial.print(","); //Serial.print(w);Serial.print(","); Serial.print(" "); //delay(50); } void calculate_xz() { xz=xz+t*gyro[1]; p_xz=p_xz+q_xz; k_xz=p_xz/(p_xz+r_xz); xz=xz+k_xz*(Axz-xz); p_xz=(1-k_xz)*p_xz; } void calculate_yx() { yx=yx+t*gyro[2]; p_yx=p_yx+q_yx; k_yx=p_yx/(p_yx+r_yx); yx=yx+k_yx*(Ayx-yx); p_yx=(1-k_yx)*p_yx; } void calculate_yz() { yz=yz+t*gyro[0]; p_yz=p_yz+q_yz; k_yz=p_yz/(p_yz+r_yz); yz=yz+k_yz*(Ayz-yz); p_yz=(1-k_yz)*p_yz; } //---------------- Functions //Writes val to address register on ACC void writeTo(int DEVICE, byte address, byte val) { Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC Wire.write(address); // send register address Wire.write(val); // send value to write Wire.endTransmission(); //end transmission } //reads num bytes starting from address register on ACC in to buff array void readFrom(int DEVICE, byte address, int num, byte buff[]) { Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC Wire.write(address); //sends address to read from Wire.endTransmission(); //end transmission Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC Wire.requestFrom(DEVICE, num); // request 6 bytes from ACC int i = 0; while(Wire.available()) //ACC may send less than requested (abnormal) { buff[i] = Wire.read(); // receive a byte i++; } Wire.endTransmission(); //end transmission }
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