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技术领域

本发明涉及信号滤波领域，特别涉及一种一阶低通滤波计算方法及装置。

背景技术

目前，获取车辆加速度信号时基于以下两个假设：

1.传感器获取的加速度方向与汽车行驶方向完全一致，传感器没有装偏。

2.汽车在水平道路上行驶。

而在实际车辆行驶过程中，加速度方向和汽车方向不一定一致，重力加速度g会在 X/Y/Z方向上产生投射，导致X/Y/Z方向上有初始的加速度值。

汽车不一定在水平路面行驶，重力加速度g会在X/Y/Z方向上产生投射，导致X/Y/Z 方向上有初始的加速度值。

因此，需滤除重力加速度g在X/Y/Z方向上的分量。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种一阶低通滤波计算方法及装置，获得传感器信号中 的直流分量。

本发明提出了一种一阶低通滤波计算方法，包括步骤：

在某个采样周期时刻，滤除加速度传感器中重力加速度的直流分量时，获取此次 采样周期的滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，其中第一个采样周期的滤波输 出值为0；

根据所述滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计算此次采样周期的滤 波输出值，上述滤波输出值即为重力加速度的直流分量。

进一步地，所述根据所述采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计算此次采 样周期的滤波输出值的公式为：

Y(k)＝αX(k)+(1-α)Y(k-1)

其中，Y(k)为此次采样周期的滤波输出值，Y(k-1)为上一个采样周期的滤波输出 值，X(k)为此次采样周期的滤波采样值，α为滤波系数，其值远小于1。

进一步地，所述α定义的计算公式为：

α = h T + h ]]>

其中，h为采样周期，T为一阶低通滤波器时间常数。

进一步地，所述X(k)定义为：

α X ( k ) : = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) ]]>

其中，X(k-1)为上一个采样周期的滤波采样值；则有：

Y ( k ) = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) + ( 1 - α ) Y ( k - 1 ) . ]]>

进一步地，所述α与截止频率的关系式为：

f = α 2 π h ]]>

其中，f为截止频率，h为采样周期。

本发明还提供了一种一阶低通滤波计算装置，包括：

获取单元，在某个采样周期时刻，滤除加速度传感器中重力加速度的直流分量时， 获取此次采样周期的滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，其中第一个采样周期 的滤波输出值为0；

计算单元，根据所述滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计算此次采 样周期的滤波输出值，所述滤波输出值即为重力加速度的直流分量。

进一步地，所述计算单元的计算公式为：

Y(k)＝αX(k)+(1-α)Y(k-1)

其中，Y(k)为此次采样周期的滤波输出值，Y(k-1)为上一个采样周期的滤波输出 值，X(k)为此次采样周期的滤波采样值，α为滤波系数，其值远小于1。

进一步地，所述计算单元的计算公式中α定义的计算公式为：

α = h T + h ]]>

其中，h为采样周期，T为一阶低通滤波器时间常数。

进一步地，所述计算单元的计算公式中X(k)定义为：

α X ( k ) : = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) ]]>

其中，X(k-1)为上一个采样周期的滤波采样值；则有：

Y ( k ) = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) + ( 1 - α ) Y ( k - 1 ) . ]]>

进一步地，所述计算单元的计算公式中α与截止频率的关系式为：

f = α 2 π h ]]>

其中，f为截止频率，h为采样周期。

本发明中提供的一阶低通滤波计算方法及装置，具有以下有益效果：

本发明中提供的一阶低通滤波计算方法及装置，通过获取此次采样周期的滤波采 样值以及上一个采样周期的滤波输出值，并通过一阶低通滤波计算，来获得传感器信号中 的直流分量，滤除重力加速度在X/Y/Z方向上的分量对测量车辆加速度准确值的影响。

附图说明

图1是本发明一实施例中的一阶低通滤波计算方法示意图；

图2是本发明一实施例中的一阶低通滤波计算装置结构示意图。

图3是本发明一实施例中α取1/256的去直流分量数据图；

图4是本发明一实施例中α取1/128的去直流分量数据图；

图5是本发明一实施例中α取1/32的去直流分量数据图；

图6是本发明一实施例中α取1/4的去直流分量数据图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，为本发明一实施例中一阶低通滤波计算方法示意图。

本发明一实施例中提出了一种一阶低通滤波计算方法，包括：

步骤S1，在某个采样周期时刻，滤除加速度传感器中重力加速度的直流分量时，获 取此次采样周期的滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，其中第一个采样周期的 滤波输出值为0；

步骤S2，根据上述滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计算此次采样 周期的滤波输出值，所述滤波输出值即为重力加速度的直流分量。

在本实施例中，加速度传感器每隔一个采样周期对车辆采集加速度信号，由于重 力加速度在X/Y/Z方向上会产生分量，对加速度信号的采集会产生影响，因此，通过本实施 例中的方法滤除传感器信号中的直流分量。通过获取此次采样周期的滤波采样值，以及上 一个采样周期的滤波输出值推算出此次采样周期的滤波输出值(即传感器信号中的直流分 量)，并且定义第一个采样周期的滤波输出值为0。此次采样周期的滤波采样值减去滤波输 出值即为最终加速度信号值。

进一步地，上述步骤S2中，根据上述采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计 算此次采样周期的滤波输出值的公式为：

Y(k)＝αX(k)+(1-α)Y(k-1)。

其中，Y(k)为此次采样周期的滤波输出值，Y(k-1)为上一个采样周期的滤波输出 值，其中Y(1)＝0；X(k)为此次采样周期的滤波采样值，α为滤波系数，其值远小于1。通过此 次采样周期的滤波采样值X(k)，以及上一个采样周期的滤波输出值Y(k-1)推算出此次采样 周期的滤波输出值Y(k)(即传感器信号中的直流分量)。

一阶低通滤波器的传递函数表示为：

Y ( s ) X ( s ) = 1 T s + 1 ]]>

其中X(s)和Y(s)为分别为输入和输出信号的拉氏变换，T为一阶低通滤波器时间 常数。因此有：

Y ( s ) X ( s ) = 1 T s + 1 ⇒ ( T s + 1 ) Y ( s ) = X ( s ) ⇒ T Y ( k ) - Y ( k - 1 ) h + Y ( k ) = X ( k ) ]]>

进一步地，定义α的计算公式：

α = h T + h ]]>

因此有：Y(k)＝αX(k)+(1-α)Y(k-1)。

其中，h为采样周期，T为一阶低通滤波器时间常数。

进一步地，考虑到实际的传感器输入信号会带有较明显的噪声，将上述X(k)定义 为：

α X ( k ) : = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) . ]]>

其中，X(k-1)为上一个采样周期的滤波采样值；则有：

Y ( k ) = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) + ( 1 - α ) Y ( k - 1 ) . ]]>

进一步地，上述公式中需要手动选择的参数为α。该参数的选取与传感器信号中有 用信号和无用信号的频率相关。一阶低通滤波器的截止频率由下式计算：

f = α 2 π h ]]>

其中，f为截止频率，h为采样周期。

实验可知，传感器原始数据中有较明显的直流分量。实验过程中分别以α＝1/256、 α＝1/128、α＝1/32、α＝1/4为变量，测量一阶低通滤波器去直流分流后数据(即原始数据减 一阶低通滤波器输出数据)，从实验结果可以得出α取值越小，滤直流分量效果越明显。

滤除重力加速度在X/Y/Z方向的分量，只需将滤波采样值减去上述方法获取的直 流分量。因此，选择合适的滤波系数，便可以最大可能的去除重力加速度的直流分量，从而 最大限度消除重力加速度的直流分量对测量车辆实际加速度信号的影响。

参照图2，为本发明一实施例中的一阶低通滤波计算装置结构示意图。

本发明一实施例中还提供了一种一阶低通滤波计算装置，包括：

获取单元10，在某个采样周期时刻，滤除加速度传感器中重力加速度的直流分量 时，获取此次采样周期的滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，其中第一个采样 周期的滤波输出值为0；

计算单元20，根据上述滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，计算此次 采样周期的滤波输出值，所述滤波输出值即为重力加速度的直流分量。

在本实施例中，加速度传感器每隔一个采样周期对车辆采集加速度信号，由于重 力加速度在X/Y/Z方向上会产生分量，对加速度信号的采集会产生影响，因此，通过本实施 例中的方法滤除传感器信号中的直流分量。通过获取单元10获取此次采样周期的滤波采样 值，以及上一个采样周期的滤波输出值；在通过计算单元20推算出此次采样周期的滤波输 出值(即传感器信号中的直流分量)，并且定义第一个采样周期的滤波输出值为0。此次采样 周期的滤波采样值减去滤波输出值即为最终加速度信号值。

进一步地，上述计算单元20的计算公式为：

Y(k)＝αX(k)+(1-α)Y(k-1)。

其中，Y(k)为此次采样周期的滤波输出值，Y(k-1)为上一个采样周期的滤波输出 值，其中Y(1)＝0；X(k)为此次采样周期的滤波采样值，α为滤波系数，其值远小于1。通过此 次采样周期的滤波采样值X(k)，以及上一个采样周期的滤波输出值Y(k-1)推算出此次采样 周期的滤波输出值Y(k)(即传感器信号中的直流分量)。

一阶低通滤波器的传递函数表示为：

Y ( s ) X ( s ) = 1 T s + 1 ]]>

其中X(s)和Y(s)为分别为输入和输出信号的拉氏变换，T为一阶低通滤波器时间 常数。因此有：

Y ( s ) X ( s ) = 1 T s + 1 ⇒ ( T s + 1 ) Y ( s ) = X ( s ) ⇒ T Y ( k ) - Y ( k - 1 ) h + Y ( k ) = X ( k ) ]]>

进一步地，上述计算单元20的计算公式中α定义的计算公式为：

α = h T + h ]]>

其中，h为采样周期，T为一阶低通滤波器时间常数。

进一步地，考虑到实际的传感器输入信号会带有较明显的噪声，将上述计算单元 20的计算公式中X(k)定义为：

α X ( k ) : = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) ]]>

其中，X(k-1)为上一个采样周期的滤波采样值；则有：

Y ( k ) = α 2 X ( k ) + α 2 X ( k - 1 ) + ( 1 - α ) Y ( k - 1 ) . ]]>

进一步地，上述公式中需要手动选择的参数为α。该参数的选取与传感器信号中有 用信号和无用信号的频率相关。一阶低通滤波器的截止频率由下式计算：

f = α 2 π h ]]>

其中，f为截止频率，h为采样周期。

实验可知，传感器原始数据中有较明显的直流分量。实验过程中分别以α＝1/256、 α＝1/128、α＝1/32、α＝1/4为变量，测量一阶低通滤波器去直流分量后数据(即原始数据减 一阶低通滤波器输出数据)，从实验结果中可以看出α取值越小，滤直流分量效果越明显。

滤除重力加速度在X/Y/Z方向的分量，只需将滤波采样值减去上述装置获取的直 流分量。因此，选择合适的滤波系数，便可以最大可能的去除重力加速度的直流分量，从而 最大限度消除重力加速度的直流分量对测量车辆实际加速度信号的影响。

参照图3至图6，在一具体实施例中，通过加速度传感器获取车辆行驶过程中在Z轴 的加速度信号，同时还需滤除重力加速度在Z轴上的直流分量。通过获取此次采样周期的滤 波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，并选择α的取值，通过一阶低通滤波计算方法 及装置计算重力加速度在Z轴的直流分量。

在本发明实施例中α依次取1/256、1/128、1/32、1/4获得图3至图6的去直流分量数 据图。上述去直流分量为原始采样数据减去一阶低通滤波计算方法及装置计算出的滤波输 出值。

从图中可以看出，α值取值越小，去直流分量效果越明显，因此α值一般可取1/256。 类似地，一阶低通滤波计算方法及装置也可以滤除重力加速度在X、Y轴上的直流分量。

通过对路测数据进行不同程度的滤波，我们发现滤波参数越大，滤波后加速度随 当前加速度变化越快，可以迅速反映出状态切换后的真实加速度，但是滤波加速度值会减 小，不易辨别不同的情况(如点刹，颠簸难以分清)，所以，可以选择1/32作为滤波参数，既可 以较好地反映真实加速度变化，又可以辨别不同情况。

综上所述，为本发明一实施例中提供的一阶低通滤波计算方法及装置，通过获取 此次采样周期的滤波采样值以及上一个采样周期的滤波输出值，并通过一阶低通滤波计 算，来获得传感器信号中的直流分量，滤除重力加速度在X/Y/Z方向上的分量，尽量消除对 测量车辆加速度准确值的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用 本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关 的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。