# 低通滤波器和陷波滤波器

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FDISYSTEMS 导航系统内置滤波器结构图

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上位机可配置参数

FDIGroundStation 提供两个低通滤波器(LPF、BLP)和两个陷波滤波器(NOTCH1、NOTCH2),参数位于 Onboard Parameters 界面的 FILT 列表,单位为赫兹(Hz)。截止频率默认为 0,表示不开启;将截止频率设置为非零值并保存后,需重启系统方可生效。参数含义如下:

参数类型 含义 默认值
FILT_LPF_CUTOFF_FREQ_ACC_XY 加速度计 XY 轴 LPF 截止频率 0
FILT_LPF_CUTOFF_FREQ_ACC_Z 加速度计 Z 轴 LPF 截止频率 0
FILT_LPF_CUTOFF_FREQ_GYRO_XY 陀螺仪 XY 轴 LPF 截止频率 0
FILT_LPF_CUTOFF_FREQ_GYRO_Z 陀螺仪 Z 轴 LPF 截止频率 0
FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_ACC_XY 加速度计 XY 轴 BLP 截止频率 0
FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_ACC_Z 加速度计 Z 轴 BLP 截止频率 0
FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_GYRO_XY 陀螺仪 XY 轴 BLP 截止频率 0
FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_GYRO_Z 陀螺仪 Z 轴 BLP 截止频率 0
FILT_BLP_ORDER BLP 滤波器阶数 2
FILT_NOTCH_CENTER_FREQUENCY 陷波滤波器 1 中心频率 0
FILT_NOTCH_CUTOFF_FREQUENCY 陷波滤波器 1 截止频率 0
FILT_NOTCH2_CENTER_FREQUENCY 陷波滤波器 2 中心频率 0
FILT_NOTCH2_CUTOFF_FREQUENCY 陷波滤波器 2 截止频率 0

表 : FILT 参数定义

# 低通滤波器

  • 一阶低通滤波器(Low Pass Filter,LPF):当输入信号频率不高于设定的截止频率时可通过(近似无衰减);高于截止频率时则产生衰减。LPF 可滤除不需要的高频成分,保留系统有效频率成分,是最简单的低通滤波器。

  • 巴特沃斯低通滤波器(Butterworth Low Pass Filter,BLP):具有最大平坦幅度响应。通频带内频率响应曲线尽可能平坦、无明显起伏,阻频带则逐渐衰减至零,在通信等领域应用广泛。

  • 低通滤波器作用于陀螺仪和加速度计的原始数据。三轴陀螺仪与三轴加速度计均按 XY 轴与 Z 轴分别配置,如上图所示。若需对陀螺仪进行 BLP 滤波,配置 FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_GYRO_XY 与 FILT_BLP_CUTOFF_FREQ_GYRO_Z 的截止频率即可。BLP 阶数由 FILT_BLP_ORDER 控制,默认为 2 阶;阶数越高滤波效果通常越好,但计算量也更大,一般建议不超过 4 阶。参数配置后,依次点击下方 Transmit 与 Write Flash 保存,重新上电后滤波器生效。


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# 陷波滤波器

  • 陷波滤波器是一种数字滤波器,用于抑制特定频率的信号。其通过中心频率附近的带通与带阻特性,将目标频率成分衰减至接近零:带通允许特定频段通过,带阻则抑制特定频率。

  • 模组内集成了两个陷波滤波器(NOTCH1、NOTCH2),可分别抑制两个不同频率的信号。参数 FILT_NOTCH_CENTER_FREQUENCY 指定需抑制的中心频率(对应下图 (f_0));FILT_NOTCH_CUTOFF_FREQUENCY 指定衰减相关的截止频率(对应下图 (f_1)),(f_2 = 2f_0 - f_1) 由系统自动计算。第二个陷波滤波器(NOTCH2)配置方式相同。参数配置后,依次点击下方 Transmit 与 Write Flash 保存,重新上电后滤波器生效。


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# 具体应用案例

安装在无人机、拖拉机等载体上的模组,易受电机等引起的物理振动影响,导致陀螺仪与加速度计输出受到干扰,进而影响导航结果,因此需要对振动进行抑制。为更有针对性地设置滤波器,需了解振动噪声的幅频特性。快速傅里叶变换(FFT)是常用分析工具,EPSILON 系列已集成该功能:对陀螺仪或加速度计原始信号采样后,可绘制幅频特性曲线,用于分析振动与噪声并指导滤波器配置。

以某安装在无人机上的产品为例,工作时三轴陀螺仪幅频特性如下图所示:


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可见振动噪声主要分布在 50 Hz–90 Hz 附近,可用低通或陷波滤波器抑制。例如:

  • 将 LPF 或 BLP 的 GYRO_XY、GYRO_Z 截止频率设为 30 Hz;或
  • 配置陷波滤波器 NOTCH:中心频率 FILT_NOTCH_CENTER_FREQUENCY = 70 Hz,截止频率 FILT_NOTCH_CUTOFF_FREQUENCY = 20 Hz。

参数配置后,依次点击下方 Transmit 与 Write Flash 保存,重新上电后滤波器生效。