CN201897731U - 一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器，包括敏感元件、数字处理芯片、AD采样和异步串口，其特征在于：所述数字处理芯片中嵌入无限冲击响应数字滤波模块，工作过程包括AD采样模块根据中断周期首先对模拟信号进行AD采样，再对采集的原始信号进行误差补偿和修正处理，形成姿态数据，然后对姿态数据进行后级滤波处理，形成滤波后的姿态数据，最后将滤波后的姿态数据输出，本实用新型可有效地消除姿态传感器应用于舰船时由于低频干扰和尖峰干扰所带来的各种影响。

Description

一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器

技术领域

本实用新型涉及一种姿态传感器，具体地说是一种基于无限冲击响应(IIR)数字滤波技术的舰船姿态传感器。

背景技术

目前，滤波方法多种多样，但归纳起来主要分为两种：一种是软件滤波技术，鉴于目前DSP技术的飞速发展，促使了数字滤波技术的飞速发展，各种数字滤波技术层出不穷，得到了广泛应用，特别是高精度的数字滤波器技术已经深入各个行业，但是滤波效果会受到DSP的性能及其算法复杂度的影响；另一种是硬件滤波技术，该技术是采用电阻电容和运算放大器等元器件来实现滤波功能的有源滤波技术，这部分技术易于理解和应用，如：包括各个阶次的低通、带通和高通滤波器。但硬件滤波在实际应用中存在以下诸多的不足之处，不能方便有效地去除舰船姿态传感器在实际应用时产生的大于3Hz的尖峰干扰信号和高频干扰信号、电路形式复杂、成本高、可靠性低、参数可调节性差、以及元器件的温度漂移大、可维护性差等。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器，可有效地消除姿态传感器应用于舰船时由于低频干扰和尖峰干扰所带来的各种影响。

本实用新型通过如下技术方案予以实现。

一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器，包括敏感元件、DSP数字处理芯片、AD采样和异步串口，其特征在于：在DSP数字处理芯片中嵌入无限冲击响应数字滤波模块。

所述DSP数字处理芯片为固化了无限冲击响应数字滤波算法的模块，具体包括AD采样模块根据中断周期首先对模拟信号进行AD采样，再对采集的原始信号进行误差补偿和修正处理，形成姿态数据，然后对姿态数据进行后级滤波处理，形成滤波后的姿态数据，最后将滤波后的姿态数据输出。

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果为：①本实用新型通过采用预畸变双线性变换法得到修正相位的数字滤波技术，有效地解决了姿态传感器产品由于低频干扰和尖峰干扰所带来的各种影响；②本实用新型不仅可靠性高、易于维护、方便调参、而且成本低、精度高、具有良好的抗干扰性和具有固定的时间常数。

附图说明

图1是本实用新型的组成方框图；

图2是本实用新型用于理论推导用的二阶低通有源滤波器硬件图。

具体实施方式

以下通过实施例形式，对本实用新型的内容作进一步详细说明，但不应就此理解为本实用新型所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本实用新型的范围内。

图1是本实用新型的组成方框图，本实用新型所述的基于无限冲击响应滤波技术的舰船姿态传感器，包括敏感元件和数字处理芯片，在数字处理芯片内嵌入无限冲击响应滤波技术模块，上述敏感元件由微机械陀螺和加速度计组成，敏感元件输出的模拟信号经过AD数据采集进入DSP数字处理芯片，DSP数字处理芯片对输入数据进行前期的补偿算法处理和姿态解算形成姿态角，得到姿态传感器所敏感出的姿态数据和温度数据，然后经过无限冲击响应滤波技术模块依次进行各通道姿态数据滤波处理，形成滤波后姿态数据，最后通过异步串行通讯接口RS-422/485传送给地面处理设备或者用户。

图2是本实用新型用于理论推导用的二阶低通有源滤波器硬件图，本实用新型工作过程包括首先对采集的信号进行姿态解算处理，然后对姿态数据进行滤波，最后将数据输出，该滤波技术采用了预畸变双线性变换技术修正了在进行传递函数离散化过程中产生的相位畸变，滤波算法原理推导如下。

(1)滤波处理

滤波方法采用二阶低通滤波，图2中：通带增益品质因数

特征角频率

传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}...\left(1\right)$

阻尼系数 $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2Q}.$

通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率，这时滤波器具有3dB的衰减，利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率w0＝w＝1/RC，即：

f＝1/2πRC

(2)预畸变双线性变换

对于双线性变换，在同一频率ω下，D(e^jωT)≠D(jω)，称这种现象为频率畸变，其原因是模拟频率Ω和离散频率之间存在着严重的非线性关系.按双线性变换有：

$\mathrm{j\Ω}=\frac{2}{T}\frac{1-e^{-\mathrm{j\ωT}}}{1+e^{-\mathrm{j\ωT}}}$

由此得：

$\mathrm{\Ω}=\frac{2}{T}\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\ωT}}{2}$

上式表明，双线性变换将连续频率。0＜Ω＜∞压缩到0＜ωT＜π区间内.这种压缩效应将使双线性变换所得的离散频率响应产生畸变。通常，总是希望在某一给定的频率ω₀附近不发生畸变。对于低通滤波器而言，ω₀往往是它的转折频率；对带通滤波器，通常ω₀为频带的中间频率。解决在给定频率附近频率崎变的方法，可用预畸变双线性变换，即给定频率为ω₀，希望在ω₀附近满足：

D(e^jωT)＝D(jω)

为此，可把D(s)预先扭曲，经过双线性变换后再将扭曲消除，即将D(s)表示成ω₀的函数D(s，ω₀)，并将其ω₀预先修正为Ω，得：

$D(s,{\mathrm{\ω}}_0){|}_{\mathrm{\Ω}=\frac{2}{T}\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\ωT}}{2}}$

然后对D(s，ω₀)作双线性变换，求得D(z，ω₀)，即：

$D(z,{\mathrm{\ω}}_0)=D(s,{\mathrm{\ω}}_0){|}_{s=\frac{2}{T}\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}}$

(3)传递函数离散化后输出数据

将式(1)从[s]平面映射到[z]平面，采用预畸变双线性变换法，得到传递函数差分方程为：

$G\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-1}}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{z}^{-1}}...\left(2\right)$

在(2)式中：令

则

$a_0=a_2=K{\mathrm{\ω}}_n^2{T}_0^2/Y;$

$a_1=2K{\mathrm{\ω}}_n^2{T}_0^2/Y;$

$b_1=(2{\mathrm{\ω}}_n^2{T}_0^2-8)/Y;$

$b_2=({\mathrm{\ω}}_n^2{T}_0^2-4\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{T}_0+4)/Y;$

因

将(2)式使用直接法A转化为如下差分方程

u_o(k)＝a₀u_i(k)+a₁u_i(k-1)+a₂u_i(k-2)-b₁u_o(k-1)-b₂u_o(k-2).........(3)

式(3)中，k为大于零的整数。

Claims (2)

1.一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器，包括敏感元件、数字处理芯片、AD采样和异步串口，其特征在于：所述数字处理芯片中嵌入无限冲击响应数字滤波模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于无限冲击响应数字滤波技术的舰船姿态传感器，其特征在于：所述敏感元件为微机械陀螺和加速度计。 

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