看卓老师如何分析降采样的原理及其应用

2019-01-31 10:07:59 来源:电路设计技能
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提  问
卓老师,您好。我想请问一下,假如我陀螺仪配置800Hz的ODR,在定时器中断中以500Hz频率用IIC的方式读取数据,这样是不是会造成误差,丢失数据呢?谢谢~?
 
 
 
回  复
前面的提问包括了如下几个基本问题:
 
1)在IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)中ODR(Output Data Ratio,数据输出速率)究竟设置多少合适?
 
2)如果读取速率和ODR不相同会对采样数据造成什么样的影响?如果读取速率低于ODR,则相当于离散时间数据的降采样
 
ODR数据输出速率设置
在智能车竞赛中,IMU通常用于直立平衡车的姿态控制。通过对IMU输出的陀螺仪和加速度计数据的融合滤波,可以获得直立车模的倾角,然后通过反馈控制使得车模保持直立状态。
 
反馈控制通常使用单片机的程序进行离散时间控制,控制时间周期通常小于系统主要惯性环节的时间常数,一般小于10ms.
 
在IMU中,常常可以通过寄存器配置设置传感器数据更新速度(ODR)。显然IMU的ODR应该大于反馈控制程序的执行频率。否则就会造成车模姿态测量数据的延迟,从而影响控制效果。具体的相应分析在这里就不再展开了。
 
 
通常情况下,ODR等于软件控制频率即可。ODR如果高于软件控制频率,多余的数据也会丢失掉。
 
在某些IMU中,对于测量得到的加速度、角加速度数据通常会经过一个低通滤波器的平滑滤波,然后再送到输出寄存器中。这样可以提高数据的信噪比。
 
有的IMU中的ODR参数往往会与输出数据的低通滤波截止频率有关系。高度的ODR,则相应的输出数据的低通滤波器的截止频率也高。反之,就会降低输出数据的低通滤波器的截止频率。
 
 
测量数据的信噪比和频率带宽对于车模直立控制都很重要。但在IMU输出数据中这是一个矛盾。因此,设置ODR,使得输出数据的截止频率略高于控制频率即可。
 
通过上面分析,IMU中的ODR通常设置高于100~500就可以满足控制要求,太低就会影响控制效果。
 
在实际调试中,如果发现车模直立控制始终无法稳定,此时需要注意看看是否你所使用的IMU的ODR设置太低了。我在平时碰到过有的同学没有注意到这个问题,由于设置ODR太低,使得车模无法保持直立。
 
 
数据降采样
由于IMU的ODR通常比实际软件控制所需要的数据要大,所以通常需要对IMU输出的数据进行降采样。
 
对于连续时间信号,可以对其在任意时间点进行采样。对于均匀采样的离散时间信号,由于数据只出现在一系列的离散时间点上,因此对它进行降采样的时候,就会出现一些限制。
 
如果降采样的比例是整数时,则每隔几个数据保留一个数据就可以完成。比如将数据降采样两倍,则每两个相邻数据保留一个数据就可以完成。
 
如果降采样的比例不是整数时,比如前面同学所碰到的,800比上500,即8:5,此时就需要每8个数据,只保留5个数据,因此就无法做到降采样之后的数据在时间上均匀分布了。
 
 
这种降采样后数据时间间隔不均匀,会对软件控制产生一定的影响。但是只要控制频率足够快,这种时间上的抖动所带来的影响可以由系统惯性环节进行平滑,不会产生明显的效果。
 
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