今天跟大家帶來熟數字濾波算法:
1、限幅濾波法(又稱程序判斷濾波法)
/* A、名稱:限幅濾波法(又稱程序判斷濾波法) B、方法: 根據經驗判斷,確定兩次采樣允許的最大偏差值(設為A), 每次檢測到新值時判斷: 如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效, ? ? 如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值。 C、優點: 能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 D、缺點: 無法抑制那種周期性的干擾。 平滑度差。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Value = Filter_Value; // 最近一次有效采樣的值,該變量為全局變量 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅濾波法(又稱程序判斷濾波法) #define FILTER_A 1 int Filter() { int NewValue; NewValue = Get_AD(); if(((NewValue - Value) > FILTER_A) || ((Value - NewValue) > FILTER_A)) return Value; else return NewValue; }
2、中位值濾波法
/* A、名稱:中位值濾波法 B、方法: 連續采樣N次(N取奇數),把N次采樣值按大小排列, 取中間值為本次有效值。 C、優點: 能有效克服因偶然因素引起的波動干擾; 對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。 D、缺點: 對流量、速度等快速變化的參數不宜。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 中位值濾波法 #define FILTER_N 101 int Filter() { int filter_buf[FILTER_N]; int i, j; int filter_temp; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_buf[i] = Get_AD(); ? ? delay(1); ??} ??// 采樣值從小到大排列(冒泡法) ??for(j = 0; j < FILTER_N - 1; j++) { ? ? for(i = 0; i < FILTER_N - 1 - j; i++) { ? ?? ?if(filter_buf[i] > filter_buf[i + 1]) { filter_temp = filter_buf[i]; filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; filter_buf[i + 1] = filter_temp; } } } return filter_buf[(FILTER_N - 1) / 2]; }
3、算術平均濾波法
/* A、名稱:算術平均濾波法 B、方法: 連續取N個采樣值進行算術平均運算: N值較大時:信號平滑度較高,但靈敏度較低; N值較小時:信號平滑度較低,但靈敏度較高; N值的選取:一般流量,N=12;壓力:N=4。 C、優點: 適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波; 這種信號的特點是有一個平均值,信號在某一數值范圍附近上下波動。 D、缺點: 對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用; 比較浪費RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 算術平均濾波法 #define FILTER_N 12 int Filter() { int i; int filter_sum = 0; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_sum += Get_AD(); ? ? delay(1); ??} ??return (int)(filter_sum / FILTER_N); }
4、遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法)
/* A、名稱:遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法) B、方法: 把連續取得的N個采樣值看成一個隊列,隊列的長度固定為N, 每次采樣到一個新數據放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數據(先進先出原則), 把隊列中的N個數據進行算術平均運算,獲得新的濾波結果。 N值的選取:流量,N=12;壓力,N=4;液面,N=4-12;溫度,N=1-4。 C、優點: 對周期性干擾有良好的抑制作用,平滑度高; 適用于高頻振蕩的系統。 D、缺點: 靈敏度低,對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差; 不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差; 不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合; 比較浪費RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法) #define FILTER_N 12 int filter_buf[FILTER_N + 1]; int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N] = Get_AD(); for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; // 所有數據左移,低位仍掉 ? ? filter_sum += filter_buf[i]; ??} ??return (int)(filter_sum / FILTER_N); }
5、中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)
/* A、名稱:中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法) B、方法: 采一組隊列去掉最大值和最小值后取平均值, 相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”。 連續采樣N個數據,去掉一個最大值和一個最小值, 然后計算N-2個數據的算術平均值。 N值的選取:3-14。 C、優點: 融合了“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”兩種濾波法的優點。 對于偶然出現的脈沖性干擾,可消除由其所引起的采樣值偏差。 對周期干擾有良好的抑制作用。 平滑度高,適于高頻振蕩的系統。 D、缺點: 計算速度較慢,和算術平均濾波法一樣。 比較浪費RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)(算法1) #define FILTER_N 100 int Filter() { int i, j; int filter_temp, filter_sum = 0; int filter_buf[FILTER_N]; for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_buf[i] = Get_AD(); ? ? delay(1); ??} ??// 采樣值從小到大排列(冒泡法) ??for(j = 0; j < FILTER_N - 1; j++) { ? ? for(i = 0; i < FILTER_N - 1 - j; i++) { ? ?? ?if(filter_buf[i] > filter_buf[i + 1]) { filter_temp = filter_buf[i]; filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; filter_buf[i + 1] = filter_temp; } } } // 去除最大最小極值后求平均 for(i = 1; i < FILTER_N - 1; i++) filter_sum += filter_buf[i]; ??return filter_sum / (FILTER_N - 2); } //??中位值平均濾波法(又稱防脈沖干擾平均濾波法)(算法2) /* #define FILTER_N 100 int Filter() { ??int i; ??int filter_sum = 0; ??int filter_max, filter_min; ??int filter_buf[FILTER_N]; ??for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_buf[i] = Get_AD(); ? ? delay(1); ??} ??filter_max = filter_buf[0]; ??filter_min = filter_buf[0]; ??filter_sum = filter_buf[0]; ??for(i = FILTER_N - 1; i > 0; i--) { if(filter_buf[i] > filter_max) filter_max=filter_buf[i]; else if(filter_buf[i] < filter_min) ? ?? ?filter_min=filter_buf[i]; ? ? filter_sum = filter_sum + filter_buf[i]; ? ? filter_buf[i] = filter_buf[i - 1]; ??} ??i = FILTER_N - 2; ??filter_sum = filter_sum - filter_max - filter_min + i / 2; // +i/2 的目的是為了四舍五入 ??filter_sum = filter_sum / i; ??return filter_sum; }*/
6、限幅平均濾波法
/* A、名稱:限幅平均濾波法 B、方法: 相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”; 每次采樣到的新數據先進行限幅處理, 再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 C、優點: 融合了兩種濾波法的優點; 對于偶然出現的脈沖性干擾,可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 D、缺點: 比較浪費RAM。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ #define FILTER_N 12 int Filter_Value; int filter_buf[FILTER_N]; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 filter_buf[FILTER_N - 2] = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅平均濾波法 #define FILTER_A 1 int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N - 1] = Get_AD(); if(((filter_buf[FILTER_N - 1] - filter_buf[FILTER_N - 2]) > FILTER_A) || ((filter_buf[FILTER_N - 2] - filter_buf[FILTER_N - 1]) > FILTER_A)) filter_buf[FILTER_N - 1] = filter_buf[FILTER_N - 2]; for(i = 0; i < FILTER_N - 1; i++) { ? ? filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; ? ? filter_sum += filter_buf[i]; ??} ??return (int)filter_sum / (FILTER_N - 1); }
7、一階滯后濾波法
/* A、名稱:一階滯后濾波法 B、方法: 取a=0-1,本次濾波結果=(1-a)*本次采樣值+a*上次濾波結果。 C、優點: 對周期性干擾具有良好的抑制作用; 適用于波動頻率較高的場合。 D、缺點: 相位滯后,靈敏度低; 滯后程度取決于a值大小; 不能消除濾波頻率高于采樣頻率1/2的干擾信號。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 一階滯后濾波法 #define FILTER_A 0.01 int Filter() { int NewValue; NewValue = Get_AD(); Value = (int)((float)NewValue * FILTER_A + (1.0 - FILTER_A) * (float)Value); return Value; }
8、加權遞推平均濾波法
/* A、名稱:加權遞推平均濾波法 B、方法: 是對遞推平均濾波法的改進,即不同時刻的數據加以不同的權; 通常是,越接近現時刻的數據,權取得越大。 給予新采樣值的權系數越大,則靈敏度越高,但信號平滑度越低。 C、優點: 適用于有較大純滯后時間常數的對象,和采樣周期較短的系統。 D、缺點: 對于純滯后時間常數較小、采樣周期較長、變化緩慢的信號; 不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度,濾波效果差。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 加權遞推平均濾波法 #define FILTER_N 12 int coe[FILTER_N] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12}; // 加權系數表 int sum_coe = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12; // 加權系數和 int filter_buf[FILTER_N + 1]; int Filter() { int i; int filter_sum = 0; filter_buf[FILTER_N] = Get_AD(); for(i = 0; i < FILTER_N; i++) { ? ? filter_buf[i] = filter_buf[i + 1]; // 所有數據左移,低位仍掉 ? ? filter_sum += filter_buf[i] * coe[i]; ??} ??filter_sum /= sum_coe; ??return filter_sum; }
9、消抖濾波法
/* A、名稱:消抖濾波法 B、方法: 設置一個濾波計數器,將每次采樣值與當前有效值比較: 如果采樣值=當前有效值,則計數器清零; 如果采樣值<>當前有效值,則計數器+1,并判斷計數器是否>=上限N(溢出); 如果計數器溢出,則將本次值替換當前有效值,并清計數器。 C、優點: 對于變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果; 可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上數值抖動。 D、缺點: 對于快速變化的參數不宜; 如果在計數器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當作有效值導入系統。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 消抖濾波法 #define FILTER_N 12 int i = 0; int Filter() { int new_value; new_value = Get_AD(); if(Value != new_value) { i++; if(i > FILTER_N) { i = 0; Value = new_value; } } else i = 0; return Value; }
10、限幅消抖濾波法
/* A、名稱:限幅消抖濾波法 B、方法: 相當于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”; 先限幅,后消抖。 C、優點: 繼承了“限幅”和“消抖”的優點; 改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷,避免將干擾值導入系統。 D、缺點: 對于快速變化的參數不宜。 E、整理:shenhaiyu 2013-11-01 */ int Filter_Value; int Value; void setup() { Serial.begin(9600); // 初始化串口通信 randomSeed(analogRead(0)); // 產生隨機種子 Value = 300; } void loop() { Filter_Value = Filter(); // 獲得濾波器輸出值 Serial.println(Filter_Value); // 串口輸出 delay(50); } // 用于隨機產生一個300左右的當前值 int Get_AD() { return random(295, 305); } // 限幅消抖濾波法 #define FILTER_A 1 #define FILTER_N 5 int i = 0; int Filter() { int NewValue; int new_value; NewValue = Get_AD(); if(((NewValue - Value) > FILTER_A) || ((Value - NewValue) > FILTER_A)) new_value = Value; else new_value = NewValue; if(Value != new_value) { i++; if(i > FILTER_N) { i = 0; Value = new_value; } } else i = 0; return Value; }
11、卡爾曼濾波(非擴展卡爾曼)
#include// I2C library, gyroscope // Accelerometer ADXL345 #define ACC (0x53) //ADXL345 ACC address #define A_TO_READ (6) //num of bytes we are going to read each time (two bytes for each axis) // Gyroscope ITG3200 #define GYRO 0x68 // gyro address, binary = 11101000 when AD0 is connected to Vcc (see schematics of your breakout board) #define G_SMPLRT_DIV 0x15 #define G_DLPF_FS 0x16 #define G_INT_CFG 0x17 #define G_PWR_MGM 0x3E #define G_TO_READ 8 // 2 bytes for each axis x, y, z // offsets are chip specific. int a_offx = 0; int a_offy = 0; int a_offz = 0; int g_offx = 0; int g_offy = 0; int g_offz = 0; //////////////////////// //////////////////////// char str[512]; void initAcc() { //Turning on the ADXL345 writeTo(ACC, 0x2D, 0); writeTo(ACC, 0x2D, 16); writeTo(ACC, 0x2D, 8); //by default the device is in +-2g range reading } void getAccelerometerData(int* result) { int regAddress = 0x32; //first axis-acceleration-data register on the ADXL345 byte buff[A_TO_READ]; readFrom(ACC, regAddress, A_TO_READ, buff); //read the acceleration data from the ADXL345 //each axis reading comes in 10 bit resolution, ie 2 bytes.Least Significat Byte first!! //thus we are converting both bytes in to one int result[0] = (((int)buff[1]) << 8) | buff[0] + a_offx;? ? ??result[1] = (((int)buff[3]) << 8) | buff[2] + a_offy; ??result[2] = (((int)buff[5]) << 8) | buff[4] + a_offz; } //initializes the gyroscope void initGyro() { ??/***************************************** ??* ITG 3200 ??* power management set to: ??* clock select = internal oscillator ??*? ???no reset, no sleep mode ??*? ?no standby mode ??* sample rate to = 125Hz ??* parameter to +/- 2000 degrees/sec ??* low pass filter = 5Hz ??* no interrupt ??******************************************/ ??writeTo(GYRO, G_PWR_MGM, 0x00); ??writeTo(GYRO, G_SMPLRT_DIV, 0x07); // EB, 50, 80, 7F, DE, 23, 20, FF ??writeTo(GYRO, G_DLPF_FS, 0x1E); // +/- 2000 dgrs/sec, 1KHz, 1E, 19 ??writeTo(GYRO, G_INT_CFG, 0x00); } void getGyroscopeData(int * result) { ??/************************************** ??Gyro ITG-3200 I2C ??registers: ??temp MSB = 1B, temp LSB = 1C ??x axis MSB = 1D, x axis LSB = 1E ??y axis MSB = 1F, y axis LSB = 20 ??z axis MSB = 21, z axis LSB = 22 ??*************************************/ ??int regAddress = 0x1B; ??int temp, x, y, z; ??byte buff[G_TO_READ]; ?? ??readFrom(GYRO, regAddress, G_TO_READ, buff); //read the gyro data from the ITG3200 ?? ??result[0] = ((buff[2] << 8) | buff[3]) + g_offx; ??result[1] = ((buff[4] << 8) | buff[5]) + g_offy; ??result[2] = ((buff[6] << 8) | buff[7]) + g_offz; ??result[3] = (buff[0] << 8) | buff[1]; // temperature ?? } float xz=0,yx=0,yz=0; float p_xz=1,p_yx=1,p_yz=1; float q_xz=0.0025,q_yx=0.0025,q_yz=0.0025; float k_xz=0,k_yx=0,k_yz=0; float r_xz=0.25,r_yx=0.25,r_yz=0.25; ??//int acc_temp[3]; ??//float acc[3]; ??int acc[3]; ??int gyro[4]; ??float Axz; ??float Ayx; ??float Ayz; ??float t=0.025; void setup() { ??Serial.begin(9600); ??Wire.begin(); ??initAcc(); ??initGyro(); ?? } //unsigned long timer = 0; //float o; void loop() { ?? ??getAccelerometerData(acc); ??getGyroscopeData(gyro); ??//timer = millis(); ??sprintf(str, "%d,%d,%d,%d,%d,%d", acc[0],acc[1],acc[2],gyro[0],gyro[1],gyro[2]); ?? ??//acc[0]=acc[0]; ??//acc[2]=acc[2]; ??//acc[1]=acc[1]; ??//r=sqrt(acc[0]*acc[0]+acc[1]*acc[1]+acc[2]*acc[2]); ??gyro[0]=gyro[0]/ 14.375; ??gyro[1]=gyro[1]/ (-14.375); ??gyro[2]=gyro[2]/ 14.375; ?? ? ? ??Axz=(atan2(acc[0],acc[2]))*180/PI; ??Ayx=(atan2(acc[0],acc[1]))*180/PI; ??/*if((acc[0]!=0)&&(acc[1]!=0)) ? ? { ? ?? ?Ayx=(atan2(acc[0],acc[1]))*180/PI; ? ? } ? ? else ? ? { ? ?? ?Ayx=t*gyro[2]; ? ? }*/ ??Ayz=(atan2(acc[1],acc[2]))*180/PI; ?? ?? //kalman filter ??calculate_xz(); ??calculate_yx(); ??calculate_yz(); ?? ??//sprintf(str, "%d,%d,%d", xz_1, xy_1, x_1); ??//Serial.print(xz);Serial.print(","); ??//Serial.print(yx);Serial.print(","); ??//Serial.print(yz);Serial.print(","); ??//sprintf(str, "%d,%d,%d,%d,%d,%d", acc[0],acc[1],acc[2],gyro[0],gyro[1],gyro[2]); ??//sprintf(str, "%d,%d,%d",gyro[0],gyro[1],gyro[2]); ? ? Serial.print(Axz);Serial.print(","); ? ? //Serial.print(Ayx);Serial.print(","); ? ? //Serial.print(Ayz);Serial.print(","); ??//Serial.print(str); ??//o=gyro[2];//w=acc[2]; ??//Serial.print(o);Serial.print(","); ??//Serial.print(w);Serial.print(","); ??Serial.print(" "); ?? ??//delay(50); } void calculate_xz() { xz=xz+t*gyro[1]; p_xz=p_xz+q_xz; k_xz=p_xz/(p_xz+r_xz); xz=xz+k_xz*(Axz-xz); p_xz=(1-k_xz)*p_xz; } void calculate_yx() { ?? ??yx=yx+t*gyro[2]; ??p_yx=p_yx+q_yx; ??k_yx=p_yx/(p_yx+r_yx); ??yx=yx+k_yx*(Ayx-yx); ??p_yx=(1-k_yx)*p_yx; } void calculate_yz() { ??yz=yz+t*gyro[0]; ??p_yz=p_yz+q_yz; ??k_yz=p_yz/(p_yz+r_yz); ??yz=yz+k_yz*(Ayz-yz); ??p_yz=(1-k_yz)*p_yz; } //---------------- Functions //Writes val to address register on ACC void writeTo(int DEVICE, byte address, byte val) { ? ?Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC ? ?Wire.write(address);? ?? ???// send register address ? ?Wire.write(val);? ?? ???// send value to write ? ?Wire.endTransmission(); //end transmission } //reads num bytes starting from address register on ACC in to buff array void readFrom(int DEVICE, byte address, int num, byte buff[]) { ??Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC ??Wire.write(address);? ?? ???//sends address to read from ??Wire.endTransmission(); //end transmission ?? ??Wire.beginTransmission(DEVICE); //start transmission to ACC ??Wire.requestFrom(DEVICE, num);? ? // request 6 bytes from ACC ?? ??int i = 0; ??while(Wire.available())? ? //ACC may send less than requested (abnormal) ??{ ? ? buff[i] = Wire.read(); // receive a byte ? ? i++; ??} ??Wire.endTransmission(); //end transmission }
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:11種濾波算法程序(含源代碼、注釋)
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