傳感器降噪

在工業(yè)4.0的未來圖景中，無論是智能工廠還是無人汽車，都需要在電子設(shè)備上安裝傳感器以收集相關(guān)數(shù)據(jù)，做出決策。例如，動(dòng)態(tài)傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)加速計(jì)、速率陀螺儀、磁力計(jì)和旋光度等數(shù)據(jù)，而靜態(tài)傳感器則讀取溫度、濕度、光和氣壓等數(shù)據(jù)。

這些實(shí)用設(shè)備的一大共同點(diǎn)是具有或大或小的輸出噪聲。這些輸出噪聲會(huì)導(dǎo)致傳感器收集數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，從而使機(jī)器出現(xiàn)故障，因此能夠抑制噪聲干擾，保障設(shè)備和傳感器正常工作的噪聲濾波器就至關(guān)重要。

何謂“噪聲”？

最初人們把造成收音機(jī)這類音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào)，稱為“噪聲”。但是，一些非目的的電子信號(hào)，對(duì)電子線路造成的后果并非都和聲音有關(guān)。后來，人們將電路中除目的的信號(hào)以外的一切信號(hào)稱為噪聲。

電源噪聲是電磁干擾的一種

其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達(dá)150MHz。電源噪聲，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)傳感器易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

靜態(tài)傳感器降噪

靜態(tài)傳感器一般用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，通常只需在較長(zhǎng)的間隔內(nèi)生成一次讀數(shù)。例如氣象站可能只需每隔15分鐘讀取一次氣溫、濕度、氣壓。其余時(shí)間，它以極低的功耗運(yùn)行或進(jìn)入休眠模式。

這類遠(yuǎn)程感應(yīng)站通過電池或太陽(yáng)能供電，并使用無線通信連接，測(cè)量速率較慢，因此可以使用簡(jiǎn)單的平均算法以排除隨機(jī)噪聲，無需精密的濾波。

動(dòng)態(tài)傳感器降噪

在各種移動(dòng)設(shè)備中，人們通常使用陀螺儀和加速計(jì)來監(jiān)測(cè)移動(dòng)數(shù)據(jù)，然而這兩種傳感器各有缺陷，因此需要使用降噪濾波器“融合”二者，消除缺陷，生成單一的準(zhǔn)確輸出信號(hào)。

陀螺儀設(shè)備如果速度輸出有小幅偏差，積分后會(huì)產(chǎn)生角度錯(cuò)誤，時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)錯(cuò)誤越嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生“漂移”。而加速計(jì)響應(yīng)變化的速度相對(duì)較慢，而且在有振動(dòng)時(shí)，它們通常會(huì)產(chǎn)生很大的輸出噪聲。

例如近年來，小型無人機(jī)深受科技愛好者和攝影師們的歡迎，但在在加速計(jì)和陀螺儀受到電子噪聲干擾時(shí)，即使資深的無人機(jī)操作者也可能失控。因此專業(yè)無人機(jī)常常攜帶兩個(gè) GPS 模塊，并且通過卡爾曼濾波器“融合”慣性測(cè)量單元，利用其自適應(yīng)功能選擇最佳傳感器數(shù)據(jù)，忽略最差數(shù)據(jù)。

Kalman卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波器算法于上個(gè)世紀(jì)60 年代推出，目的是去除干擾信號(hào)的零均值噪聲，適用于任何可用線性公式描述的系統(tǒng)。它因用于 NASA 阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的慣性導(dǎo)航程序而名聲大噪。

如今，大多數(shù)噪聲環(huán)境下的實(shí)時(shí)傳感器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用今天仍在使用它。卡爾曼濾波器使用看似簡(jiǎn)單的兩步處理法來預(yù)測(cè)輸出，然后將預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比，以更新下一次預(yù)測(cè)。同時(shí)，它還會(huì)更新與傳感器測(cè)量相關(guān)“不確定”因素。

當(dāng)下的時(shí)代是“萬物互聯(lián)”的時(shí)代，傳感器的重要性正在凸顯，傳感器所收集的數(shù)據(jù)將會(huì)成為未來社會(huì)建設(shè)的基石。所以，保障傳感器所收集數(shù)據(jù)的正確性，避免噪聲干擾，是我們需要做的努力。

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