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Savitzky-golay滤波在陀螺仪角加速度测量中的应用滤波在陀螺仪角加速度测量中的应用
针对陀螺仪采集到的速度信号噪声大、平滑性不好以及采用一般工程数字滤波方法对数据处理求角加速度效果
不佳的问题,提出了采用Savitzky-golay滤波方法对陀螺仪采集的速度信号进行数字滤波。所得滤波结果经微分
处理,得到了角加速度波形,该波形较为平滑,保留了信号的主要特征,表明了此方法的有效性。
摘摘 要:要: 针对陀螺仪采集到的速度信号噪声大、平滑性不好以及采用一般工程
关键词:关键词: Savitzky-golay滤波;数字滤波;角加速度;微分
近年来,陀螺仪作为高精度伺服控制系统的反馈元件,用来反馈测量物体转动的角速度。但当控制系统进行高精度控制
时,就需要测量反馈角加速度的数据值。目前,角加速度的测量方法有直接法和间接法两种[1]。为了系统不增加传感器,提
高系统的可靠性,本文采用间接法,也就是利用系统原有的速率陀螺仪进行现场采样,采样得到的数字角速度信号数据再进行
分析与微分处理来求得角加速度值。因此,对陀螺仪采集的速度数据处理是在实际工程系统设计应用中的一个重要的环节[2-
3]。
然而,在震动环境下工作的陀螺仪所采集到的数据中干扰信号量比较大,微分运算对干扰量的放大严重影响了求解角加速
度的准确性。所以陀螺仪采集到的数据必须要经过滤波处理才能微分求解。当精度要求不高时,系统可应用输出量为模拟信号
的陀螺仪,输出的信号可以直接经过电容等硬件滤波的方法进行平滑处理。然而,随着控制精度的提高,系统应用于高精度的
数字陀螺仪,尤其是光纤陀螺仪时,所输出的数字信号就无法硬件滤波,必须进行软件数字滤波的处理。目前,通常采用一般
软件数字滤波方法,如算数平均滤波、限幅滤波、中值滤波和一阶滞后滤波对其测量数据进行处理,但滤波效果不是很理想。
通过对多种滤波的实际计算结果进行了对比研究,提出了一种应用Savitzky-golay数值滤波来消除这些干扰信号的软件数子滤
波方法,很好地解决了这个问题。
1 一般数字滤波数据处理的局限性
1.1 陀螺仪速度信号的采集与加速度的计算
对于实时性要求很高的伺服运动控制系统来说,需要每0.002 1 s采集一个速度信号值,来达到精确的位置控制,满足高
精度的要求。然而,根据所采集到的速度信号求其所对应时刻的加速度值时,通常使用的是数值微分公式对实际测量到的原始
速度数据进行数据处理。常用的数值微分公式有两点数值微分公式和三点数值微分公式。由于三点数值微分公式相对误差值
小,因此使用三点数值微分公式对原始采样数据进行处理,以得到相应的加速度信号[4]。
1.2 一般数字滤波数据处理的局限性
在一般数据处理中,通过陀螺仪采样得到速度信号的原始数据,通过三点数值微分公式计算得到相应的加速度值,结果如
图1所示。
从图1可以看出,用原始数据直接计算得到实时的加速度曲线出现了非常多的毛刺和跳跃。这是因为陀螺仪是在振动的环
境下进行速度数据采集的。这些振动是难以避免的,这使得测量的数据偏移了实际数值。众所周知,加速度是速度的一阶导
数,在采样时间周期为0.002 1 s这样非常小的数值时,对于速度的一个很小的扰动,都会对数据处理后的加速度数据产生很
大的影响。从图1(b)就可以看出,不经过滤波处理计算得到的加速度曲线毛刺和跳跃很大,没有数据分析的价值。
目前在工程中,一般数字滤波方法主要有算数平均滤波、限幅滤波、中值滤波和一阶滞后滤波。分别运用这四种方法,首
先对陀螺仪采集到的速度信号进行滤波,再应用三点数值微分公式进行加速度计算。正弦速度运动应用四种不同滤波方法得到
的加速度波形如图2所示。其中,图2(a)为5点求取平均值方法的算数平均滤波后求得的角加速度波形图,图2(b)为最大
偏差值为0.02方法的限幅滤波后求得的角加速度波形图,图2(c)为连续采样5次方法的中值滤波后求得的角加速度波形图,
图2(d)为滤波参数a=0.2方法的一阶滞后滤波后求得的角加速度波形图。
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weixin_38625416
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