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无人机传感器信号滤波器设计

2023-05-16

由于无人机在飞行过程中受到电机桨叶转动的引起的振动影响，从陀螺仪、加速度计等传感器出来的数据需要进行滤波，一般是通过低通滤波，结合电机的频率特性，通常30Hz左右是比较合适的阈值

Matlab提供了较为方便的设计低通滤波器的工具，如Buttorworth低通滤波器，

    [b, a] = butter(order, normalized_cutoff);

order为阶数，normalized_cutoff为标准化的截止频率，比如程序运行的频率是1000Hz，过滤30Hz的频率，设计一个三阶的滤波器，那么命令就是

    [b, a] = butter(3, 0.03)

b和a分别为得到的滤波器的滤波参数，a=[a0,a1,...,ak]，b=[b0,b1,...,bk]，k为阶数，这些参数的滤波作用如下

    y_n+a_1y_{n-1}+a_2y_{n-2}+...+a_ky_{n-k}=b_0x_n+b_1x_{n-1}+b_2x_{n-2}+...+b_kx_{n-k}

即

       y_n=b_0x_n+b_1x_{n-1}+b_2x_{n-2}+...+b_kx_{n-k}-a_1y_{n-1}-a_2y_{n-2}-...-a_ky_{n-k}

其中x_n为输入信号，y_n为滤波输出信号，通过上述的公式，可以对输入信号x_n进行k阶的滤波得到输出y_n

对于输入和输出阶数不同的低通滤波器，可以通过Matlab的maxflat命令来进行设计

    [b,a] = maxflat(n,m,Wn);

其中a和b的意义同上，m为输出阶数，n为输入的阶数，Wn为标准化的截止频率，即上面的normalized_cutoff参数

通过对输入信号如陀螺仪信号、加速度信号进行滤波可以优化无人机的控制效果，Buttorworth是目前较为通用的低通滤波器，具有较好的效果，设计其它类型的低通滤波器，如Chebyshev, Elliptic等，Matlab也提供了相应的支持，可以通过fdatool等图形化工具或者一些命令来选择和设计滤波器，并查看它的滤波效果

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