CN104506163B - 电压信号的滤波方法及其滤波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电压信号的滤波方法，包括：模数转换器对待滤波的电压信号进行采样，并测量出噪声的峰‑峰值Vpp，然后发给微处理器；微处理器根据Vpp计算电压变化阈值Vt，将数字化的电压信号的电压值与Vt进行比较，如果小于Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，并将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为下一时刻的X(k‑1|k‑1)；如果大于Vt，则不进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k‑1|k‑1)，卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，R≥ 1。本发明还公开了电压信号的滤波装置。本发明能获得动态响应快、收敛稳定性好的滤波效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压信号的滤波方法及其滤波装置。
背景技术
自适应前大灯系统（Automatic Front-Lamp system，简称AFS）能够根据路况做动态调节以提高行车安全。目前，AFS控制器中电源管理模块的滤波普遍采用滑动平均法，为具有动态响应快同时不可避免的使收敛稳定性变坏。
卡尔曼数字滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，标准卡尔曼数字滤波器的5个基本公式为：
X(k|k-1)=A X(k-1|k-1) ……… (1)
P(k|k-1)=A P(k-1|k-1) A’+Q ……… (2)
X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-H X(k|k-1)) ……… (3)
Kg(k)= P(k|k-1) H’ / (H P(k|k-1) H’ + R) ……… (4)
P(k|k)=（I-Kg(k) H）P(k|k-1) ……… (5)
公式(1)中，X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果。
公式(2)中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差（covariance），P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程的协方差，Q增大，动态响应变快，收敛稳定性变坏；Q减小，动态响应变慢，收敛稳定性变好。
公式(3)、（4）中，Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain)。
公式（4）中，R是测量噪声的协方差，R增大，动态响应变慢，收敛稳定性变好；R减小，动态响应变快，收敛稳定性变坏
公式(5)中， I 为1的矩阵，对于单模型单测量，I=1。当系统进入k+1状态时，P(k|k)就是式子(2)的P(k-1|k-1)。
卡尔曼数字滤波器的特征为动态响应慢、收敛稳定性好或动态响应快、收敛稳定性差。对于需要动态响应快、收敛稳定性好的滤波效果，使用卡尔曼滤波便无法实现。因此，现行的滤波方法均不能同时保证动态响应时间快和收敛稳定性好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电压信号的滤波方法及其滤波装置，其能获得动态响应快、收敛稳定性好的滤波效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电压信号的滤波方法， 包括：
模数转换器对待滤波的电压信号进行采样，并测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp；
模数转换器将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器；
微处理器根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2;
微处理器将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，并将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)；如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，所述卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，R大于等于1。
本发明还提供了一种电压信号的滤波装置，其特点在于，包括模数转换器和微处理器，模数转换器的输出端与微处理器的输入端电连接；其中：
模数转换器用于对待滤波的电压信号进行采样，测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp，并将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器；
微处理器用于根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，并将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2，所述卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，R大于等于1。
本发明通过将采集到的数字电压信号与设置的电压变化阀值进行比较，可以分辨出信号与噪声：若采集的电压信号的电压值大于电压变化阈值，则判断采集到的信号更接近于实际的信号，因此不做滤波；若采集的电压信号的电压值小于电压变化阈值，则判断滤波后的信号更接近于实际的信号，因此要使用卡尔曼数字滤波器进行滤波，如此缩短了动态响应时间，提高了响应速率；同时，本发明通过调整Q、R的值使收敛稳定性变好。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的电压信号滤波装置的原理框图。
图2示出了采用图1的电压信号滤波装置进行滤波的效果示意图。
图3示出了单纯采用卡尔曼数字滤波器进行滤波的效果示意图。
具体实施方式
根据本发明一实施例的一种电压信号的滤波方法， 包括以下步骤：
模数转换器对待滤波的电压信号进行采样，并测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp；
模数转换器将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器；
微处理器根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2;
微处理器将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，并将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)；如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，所述卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，R大于等于1。上述的当前时刻及下一时刻与模数转换器的采样频率有关。
如果待滤波的电压信号的电压值超过模数转换器的最大允许采样电压，则在用模数转换器对待滤波的电压信号进行采样之前，先采用电压衰减器对待滤波的电压信号进行电压衰减，使待滤波的电压信号的电压值小于模数转换器的最大允许采样电压，然后再用模数转换器对待滤波的电压信号进行采样。
在一具体的实施例中，卡尔曼数字滤波器通过以下步骤进行滤波：
步骤a、给定初始值X(0)；X(0)为0或任意大于0的整数；
步骤b、X(k|k-1)= X(k-1|k-1)；
步骤c、P(k|k-1)= P(k-1|k-1) +Q；
步骤d、Kg(k)= P(k|k-1) / (P(k|k-1) + R)
步骤e、X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)- X(k|k-1))；Z(k)为k时刻采集到的数字化的电压值；
步骤f、P(k|k)=（1-Kg(k)）P(k|k-1)。
其中，优选卡尔曼数字滤波器中的Q小于等于0.00001，R大于等于1。更优选地，Q等于0.00001，R等于1。
本发明还提供了一种实现上述电压信号滤波方法的电压信号滤波装置。请参考图1，以下以本发明的电压信号滤波装置在自适应前大灯系统的电源管理中的应用来说明本发明的结构及工作原理。
该电压信号的滤波装置1包括电压衰减器11、模数转换器13和微处理器15。模数转换器13的输出端与微处理器15的输入端电连接。
电压衰减器11的输出端与模数转换器13的输入端电连接。由于直流电压源2的输出信号的电压大于模数转换器的最大允许采样电压，需要电压衰减器11对直流电压源2输出的电压信号进行电压衰减，使之小于模数转换器13的最大允许采样电压。
模数转换器13用于对待滤波的电压信号进行采样，测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp，并将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器15。
微处理器15用于根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，并将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2，卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，R大于等于1。优选地，Q小于等于0.00001，R大于等于1。更优选地，Q等于0.00001，R等于1。
本发明通过将采集到的数字电压信号与设置的电压变化阀值进行比较，可以分辨出信号与噪声：若采集的电压信号的电压值大于电压变化阈值，则判断采集到的信号更接近于实际的信号，因此不做滤波；若采集的电压信号的电压值小于电压变化阈值，则判断滤波后的信号更接近于实际的信号，因此要使用卡尔曼数字滤波器进行滤波，如此缩短了动态响应时间，提高了响应速率。
图2示出了采用图1的电压信号滤波装置进行滤波的效果示意图。其中，横坐标为时间（ms），纵坐标为电压(V)，从图2可以看出，动态响应时间大约为35ms左右，而如果没有本发明的阈值比较步骤，单纯采用卡尔曼数字滤波器进行滤波，如图3所示，动态响应时间为2s左右。图3的横坐标为时间（s），纵坐标为电压(V)。
Claims (6)
1.一种电压信号的滤波方法，其特征在于， 包括：
模数转换器对待滤波的电压信号进行采样，并测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp；
模数转换器将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器；
微处理器根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2;
微处理器将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，并将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)；如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，所述卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，Q小于等于0.00001，R大于等于1；X(k|k)为当前预测结果，X(k-1|k-1) 是上一状态最优的结果。
2.如权利要求1所述的电压信号的滤波方法，其特征在于，如果待滤波的电压信号的电压值超过模数转换器的最大允许采样电压，则在用模数转换器对待滤波的电压信号进行采样之前，先采用电压衰减器对待滤波的电压信号进行电压衰减，使待滤波的电压信号的电压值小于模数转换器的最大允许采样电压。
3.如权利要求1所述的电压信号的滤波方法，其特征在于，所述的卡尔曼数字滤波器通过以下步骤进行滤波：
步骤a、给定初始值X(0)；X(0)为0或任意大于0的整数；
步骤b、X(k|k-1)= X(k-1|k-1)；X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果；
步骤c、P(k|k-1)= P(k-1|k-1) +Q；P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，Q是系统过程的协方差；
步骤d、Kg(k)= P(k|k-1) / (P(k|k-1) + R)；Kg(k)为当前卡尔曼增益，R是测量噪声的协方差；
步骤e、X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)- X(k|k-1))；Z(k)为k时刻的数字化的电压值；
步骤f、P(k|k)=（1-Kg(k)）P(k|k-1)；P(k|k) 是X(k|k) 对应的协方差。
4.一种电压信号的滤波装置，其特征在于，包括模数转换器和微处理器，所述的模数转换器的输出端与所述微处理器的输入端电连接；其中：
所述的模数转换器用于对待滤波的电压信号进行采样，测量出该电压信号的噪声的峰-峰值Vpp，并将数字化的电压信号及测量到的噪声峰-峰值Vpp发送给微处理器；
所述的微处理器用于根据测量到的噪声峰-峰值Vpp计算电压变化阈值Vt，并将数字化的电压信号的电压值与该电压变化阈值Vt进行比较，如果数字化的电压信号的电压值小于电压变化阈值Vt，则用卡尔曼数字滤波器对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将卡尔曼数字滤波器在当前时刻的X(k|k)作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，如果数字化的电压信号的电压值大于电压变化阈值Vt，则不对当前时刻的数字化的电压信号进行滤波，将当前采集到的数字化电压信号的电压值作为卡尔曼数字滤波器在下一时刻的X(k-1|k-1)，其中，Vt=N*Vpp，1.5≤N≤2，所述卡尔曼数字滤波器的Q远小于1，Q小于等于0.00001，R大于等于1；X(k|k)为当前预测结果，X(k-1|k-1) 是上一状态最优的结果。
5.如权利要求4所述的电压信号的滤波装置，其特征在于，还包括一电压衰减器，所述电压衰减器的输出端与所述模数转换器的输入端电连接，该电压衰减器用于对待滤波的电压信号进行电压衰减，使待滤波的电压信号的电压值小于模数转换器的最大允许采样电压。
6.如权利要求4所述的电压信号的滤波装置，其特征在于，所述的卡尔曼数字滤波器通过以下步骤进行滤波：
步骤a、给定初始值X(0)；X(0)为0或任意大于0的整数；
步骤b、X(k|k-1)= X(k-1|k-1)；X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果；
步骤c、P(k|k-1)= P(k-1|k-1) +Q；P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，Q是系统过程的协方差；
步骤d、Kg(k)= P(k|k-1) / (P(k|k-1) + R)；Kg(k)为当前卡尔曼增益，R是测量噪声的协方差；
步骤e、X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)- X(k|k-1))；Z(k)为k时刻的数字化的电压值；
步骤f、P(k|k)=（1-Kg(k)）P(k|k-1)；P(k|k) 是X(k|k) 对应的协方差。
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