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互补滤波原理

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发表于 2019-11-21 16:24:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 林大 于 2019-11-21 16:30 编辑

互补滤波原理
  对mpu6050来说,加速度计对四轴飞行器的加速度比较敏感,取瞬时值计算倾角误差比较大;而陀螺仪积分得到的角度则不受加速度的影响,但是随着时间的增加积分漂移和温度漂移带来的误差比较大。那么要怎么弥补这两个缺点呢?那就要用到互补滤波了。
  这里讲的互补滤波就是在短时间内采用陀螺仪得到的角度做为最优,定时对加速度采样来的角度进行取平均值来校正陀螺仪的得到的角度。也就是说,短时间内用陀螺仪比较准确,以它为主;长时间用加速度计比较准确,这时候加大它的比重,这就是互补了。
  那么滤波在哪里?加速度计要滤掉高频信号,陀螺仪要滤掉低频信号,互补滤波器就是根据传感器特性不同,通过不同的滤波器(高通或低通,互补的),然后再相加得到整个频带的信号。例如,加速度计测倾角,其动态响应较慢,在高频时信号不可用,所以可通过低通抑制高频;陀螺响应快,积分后可测倾角,不过由于零漂等,在低频段信号不好。通过高通滤波可抑制低频噪声。将两者结合,就将陀螺和加速度计的优点融合起来,得到在高频和低频都较好的信号,互补滤波需要选择切换的频率点,即高通和低通的频率。
  鉴于加速度计低频特性比较好,因为加速度的角度可以直接算出来,没有累积误差,所以长时间后也比较准。而陀螺仪长时间后由于积分误差的累加,会造成输出误差比较大,甚至无法使用。所以用互补滤波法根据他们的特性取长补短进行姿态解算,每过一段时间就让加速度计去校准一下陀螺仪。互补滤波就是在短时间内采用陀螺仪得到的角度做为最优值,定时对加速度采样来的加速度值进行取平均值来校正陀螺仪的得到的角度。短时间内用陀螺仪比较准确,以它为主;长时间用加速度计比较准确,这时候加大它的比重,这就是互补了,不过加速度计要滤掉高频信号,陀螺仪要滤掉低频信号,互补滤波器就是根据传感器特性不同,通过不同的滤波器(高通或低通,互补的),然后再相加得到整个频带的信号。互补是给他们不同的权重加权求和。
  互补滤波用公式就是这样的: 
              陀螺积分角度 += 角速度 * dt;
              融合角度 =  陀螺仪权值 * 陀螺积分角度 + (1 - 陀螺仪权值) * 加速度角度
  还有一种就最大梯度法,用公式表示是这样的:
              陀螺积分角度 += 角速度 * dt;
              角度偏差 = 加速度角度 - 陀螺积分角度;
              融合角度 = 陀螺角度 + 衰减系数 * 角度偏差;
  用来矫正陀螺本身的静态漂移:
              角度偏差积分 += 角度偏差;
              角速度 = 角速度 + 衰减系数 * 角度偏差积分;
  这个可以一定程度上矫正陀螺的零漂。

补充信息辅助读者理解:低通滤波器就是让频率低于多少的通过,高于多少的不通过(截至),所以通低频,阻高频,也就是“低通滤波器抑制高频”,“低通扼制高频”;反之,“高通扼低频”

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