智能競(jìng)速車的濾波方法介紹和分析

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1、智能競(jìng)速車的濾波方法介紹和分析閆浩1張迪洲2李永科2（1.軍械工程學(xué)院導(dǎo)彈工程系，河北石家莊050003;2.軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，河北石家莊050003）5摘要：本文分別對(duì)智能競(jìng)速車中所涉及到的濾波電路和濾波算法進(jìn)行介紹和分析。濾波電路降低了多次諧波對(duì)弱電環(huán)境的干擾，并且提高信號(hào)的可靠性；通過設(shè)計(jì)濾波算法來消除干擾，抑制振蕩，從而提高車模行駛的連續(xù)性和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：濾波方法；智能競(jìng)速車；消除干擾；可靠性；穩(wěn)定性Theintroductionandanalysisofthesmartcarfiltermeth

2、odYANHao(MechanicalEngineeringCollege,Shijiazhuang,Hebei050003,China)5引言濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。根據(jù)觀察某一隨機(jī)過程進(jìn)行估計(jì)的概率理論與方法。它是從含有干擾的接收信號(hào)中提取有用信號(hào)的一種技術(shù)。“接收信號(hào)”相當(dāng)于被觀測(cè)的隨機(jī)過程，“有用信號(hào)”相當(dāng)于被估計(jì)的隨機(jī)過程。濾波問題在電子技術(shù)、航天科學(xué)、控制工程及其他科學(xué)技術(shù)部門都是大量存在的。歷史上最早考慮的是維納濾波，后來R.E.卡爾曼和R.S.布西于20世紀(jì)

3、60年代提出了卡爾曼濾波?，F(xiàn)代一般的非線性濾波問題的研究相當(dāng)活躍。智能競(jìng)速車中涉及控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，對(duì)理論知識(shí)的融合和動(dòng)手實(shí)踐能力的提高起到了良好的推動(dòng)作用。本文以智能競(jìng)速車為例，介紹其中的濾波方法和算法。例如用傳感器測(cè)量得到車模在相對(duì)跑道的位置，測(cè)得的車模位置的數(shù)據(jù)中，含有測(cè)量誤差及其他隨機(jī)干擾，如何利用這些數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確地估計(jì)出車模的位置、速度、加速度等，并預(yù)測(cè)車模未來的位置。就是一個(gè)濾波與預(yù)測(cè)問題。1問題總述5智能競(jìng)速車的電路系統(tǒng)由傳感器電路、主控芯片、

4、電壓轉(zhuǎn)換電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等主要部分組成。由于電路中各種電子器件經(jīng)常在一起工作，它們之間必然存在相互干擾，這種干擾可以通過改進(jìn)PCB板的布線設(shè)計(jì)來減弱，但是對(duì)于幾個(gè)重要的部位，還是需要加濾波電路，來確保電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于傳感器電路是離散采集數(shù)據(jù)的，由此得到的信號(hào)也是離散的，所以控制的輸出量就有跳躍性，其跳躍程度由信號(hào)的離散程度決定，這對(duì)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性是非常不利的，針對(duì)這一情況，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，同時(shí)對(duì)控制的輸出量也進(jìn)行濾波處理，可以大大降低控制量的跳躍程度，是控制過程平滑穩(wěn)定。此外，傳感器電路所采集的數(shù)據(jù)中也存

5、在噪聲，若直接把采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，會(huì)使得系統(tǒng)引入較大的噪聲，所以要首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪處理。2硬件濾波方法針對(duì)電路中電子器件的相互干擾，可以通過改進(jìn)PCB板的布線設(shè)計(jì)來降低其影響，在此不對(duì)PCB板布線設(shè)計(jì)做具體說明，下面主要介紹幾個(gè)關(guān)鍵部位的濾波電路。由于智能競(jìng)速車是弱電環(huán)境，而且系統(tǒng)所采用的控制信號(hào)是PWM方波，因此，智能車電路系統(tǒng)中所采用的濾波電路主要是低通濾波電路，通過濾波消除多次諧波對(duì)電路系統(tǒng)的干擾，并且可以濾除方波信號(hào)中的“毛刺”，使信號(hào)更為平滑。2.1直流穩(wěn)壓電源濾波電路根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的特性，要求電壓

6、在時(shí)域上恒定直線。由于實(shí)際電源都是脈動(dòng)的直流，還存在比較小的波峰和波谷，所以需要濾波。這樣的話得到的直流電特性比較平滑，電壓質(zhì)量更高。電感的阻抗與頻率成正比，電容的阻抗與頻率成反比。所以，電感可以阻扼高頻通過，電容可以阻扼低頻通過。二者適當(dāng)組合，就可過濾各種頻率信號(hào)。例如將電容并在負(fù)載上或?qū)㈦姼写?lián)在負(fù)載上，可濾去交流紋波。在智能競(jìng)速車的電路系統(tǒng)中，主要采用電容濾波的方法對(duì)電源進(jìn)行濾波處理。電容濾波一般采用一大一小，兩個(gè)電容，大電容用來穩(wěn)定輸出，眾所周知電容兩端電壓不能突變，因此可以使輸出平滑。小電容是用來濾除高頻干擾

7、的，使輸出電壓純凈。電容越小，諧振頻率越高，可濾除的干擾頻率越高。電容濾波的幾條原則：1.需要較小的電容并聯(lián)對(duì)地，對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路。電源濾波中電容對(duì)地腳要盡可能靠近地。2.理論上說電源濾波用電容越大越好，一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波?？煽康淖龇ㄊ菍⒁淮笠恍蓚€(gè)電容并聯(lián)。電容容量選擇：一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,以獲得更大的濾波頻段。大電容,負(fù)載越重，吸收電流的能力越強(qiáng)，實(shí)際中采用的是106的電解電容；小電容，若沒有特殊要求，憑經(jīng)驗(yàn)，一般104即可。2.2PWM信號(hào)的輸出濾波在智能競(jìng)速車中，PWM信號(hào)是

8、主要的控制信號(hào)，它可以控制電機(jī)和舵機(jī)，是輸出控制量的載體，因此對(duì)于它的濾波也是很必要的。實(shí)際中采用光耦6N137（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1）來隔離輸入信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)的影響，6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850nm波長(zhǎng)AlGaAsLED5和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特