灭火机器人的设计与制作之滤波算法
传感器在系统中作为输入装置，输入的是模拟量，经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后，才能被系统所使用。因此，数模转换后数值的准确性直接影响到系统的判断。本文就介绍了实际应用中使用的滤波算法。
在系统中总会存中部分电路噪声或电磁辐射干扰A/D信号，影响数字信号的准确性和平滑性。一般情况下先在硬件上尽可能地进行优化，降低噪声辐射干扰，当硬件上无法进一步改善信号干扰时，这时候就需要采用软件滤波的方法来减少干扰。
滤波算法有很多种，如：限幅滤波、中位值滤波、一阶滤波、消抖滤波等，但各种滤波算法各有特点，使用场合也各不相同。在本系统中使用了中位值、平均、递推复合滤波算法，简称中位值平均递推滤波。
中位值滤波算法是通过连续采样N次，把N次采样值排序，取中间值为本次有效值。该滤波算法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但是对快速变化的参数不宜。使用在本系统中，可以消除因电压波动引起的偶然脉冲干扰。
算术平均滤波算法是连续取N个采样值进行算术平均运算，当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，该算法可以很好的滤除随机干扰。在本系统中，考虑到系统的执行速度较快，并且保证信号的灵敏度，这里N取4，可以很好的滤除随机干扰。
递推平均滤波算法又称滑动平均滤波法，它是将N个采样值放入一个队列，有新的采样值到来时，将最早的一个值去除，再将新值加入队列，求队列平均值。这种算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，但具有灵敏度低，数据滞后等特点。
在本系统中使用了以上三个算法的复合算法，结合了三种算法各自的优点，并且能够保证系统的灵敏度。
下面将滤波算法列出，以便更好地进行分析：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 | uint16 ADC_mget(uint8 channel) { uint16 adc_temp[10]; static uint16 pre_temp[10][4]={0}; uint16 temp=0; uint32 sum=0; uint8 i=0,j=0; for(i=0;i<10;i++) adc_temp[i] = ADC_get(channel);//连取十个值 for(j=0;j<9;j++)//冒泡排序 { for(i=0;i<9-j;i++) { if(adc_temp[i]>adc_temp[i+1]) { temp = adc_temp[i]; adc_temp[i]=adc_temp[i+1]; adc_temp[i+1]=temp; } } } sum += adc_temp[3];//累加 sum += adc_temp[4]; sum += adc_temp[5]; sum += adc_temp[6]; sum >>= 2; //求均值 pre_temp[channel][3]=pre_temp[channel][2];//递推入列 pre_temp[channel][2]=pre_temp[channel][1]; pre_temp[channel][1]=pre_temp[channel][0]; pre_temp[channel][0]=(uint16)sum; sum = 0; sum += pre_temp[channel][3];//累加 sum += pre_temp[channel][2]; sum += pre_temp[channel][1]; sum += pre_temp[channel][0]; sum >>= 2; //求均值 return (uint16)sum; } |
从以上程序中可以看到，在中位值滤波中连取十个值，取中间四个有效，将这四个值累加求均值后加入到递推滤波算法的队列中，再累加求平均值后才作为最终有效值返回。在程序中，累加值个数都取四，是为了求均值时可以使用移位的方法来快速求平均值。
在嵌入式系统中，资源和效率始终是程序员不断追求的，求平均值时使用除法运算需要三到四个指令周期，如果使用移位操作同样可以达到除法的效果，但只要用一个指令周期，节省了CPU时间。同样地，递推入列的时候采用的是四个赋值语句，相比循环语句经编译器编译后，四个赋值语句执行效率更高。软件滤波的效果请参考图7-1。
灭火机器人软件滤波算法示意图
由上图可以看出初始采样值波动比较大，峰峰值达到42，对实际距离的判断可能会有5cm左右的误差，经过软件滤波后峰峰值仅为1，大大提高了转换值的准确性，增强了系统的稳定性。
for(i=0;i<10;i++) adc_temp[i] = ADC_get(channel);//连取十个值
这里的连取十个值如何实现？我是新手，呵呵
ADC_get,这个函数就是从传感器返回一下值啊
pre_temp[channel][3]=pre_temp[channel][2];//递推入列
pre_temp[channel][2]=pre_temp[channel][1];
pre_temp[channel][1]=pre_temp[channel][0];
pre_temp[channel][0]=(uint16)sum;
sum = 0;
sum += pre_temp[channel][3];//累加
sum += pre_temp[channel][2];
sum += pre_temp[channel][1];
sum += pre_temp[channel][0];
sum >>= 2; //求均值
return (uint16)sum;
不能理解，能解释下嘛？
第一次采集AD后，静态变量pre_temp[channel][2]，有值吗？如何赋值的？
pre_temp[channel][3]=pre_temp[channel][2];//递推入列
pre_temp[channel][2]=pre_temp[channel][1];
pre_temp[channel][1]=pre_temp[channel][0];
pre_temp[channel][0]=(uint16)sum;
这段话如何工作？
自己先偷懒了，没去跑跑试试看，呵呵
刚开始是无效值，所以，采用递推滤波的前几次的值是无效的。但后来就非常稳定了
恩，那就对了。。。~~~这几天在看LPC2132
校内找到的同学，你好！我工作涉及嵌入式也一直在学习。
想听听你的意见，共同交流！我的Q 16705879