Фільтруємо сигнал акселерометру

2021-06-18

О. Чечин

Величезною технічною проблемою є те, що сигнал, який надходить з будь-якого датчика, є завжди випадковою величиною, яка коливається навколо реального значення.

Це пояснюється двома причинами. По-перше, чутливі елементи датчика це напівпровідникові або механічні пристрої, а вони не є ідеальними. Напівпровідники містять сторонні домішки, мають мікроскопічні дефекти і "шумлять" при роботі, а механічні пристрої теж мають недоліки: люфти, тертя та ін. По-друге, будь який рух датчика викликає вібрацію, кидки та інше динамічне неподобство. Тому на виході датчика ми маємо скоріше коливання, ніж плавну зміну величини що міряється.

Спробуємо підключити до Arduino акселерометр - пристрій який вимірює прискорення. Його назва походить від от латинского слова Ассеlего - прискорюю.

Акселерометр реєструє прискорення об'єкту на якому він стоїть, не розрізняючи, що стало причиною прискорення: сила гравітації або зовнішня сила прикладена до датчика. За допомогою акселерометру ми легко можемо дізнатися кути нахилу нерухомого об'єкту щодо поверхні землі.

Конструкція простішого акселерометру складається з маси та пружин. Величина відхилення маси від сталого положення буде пропорційна прискоренню.

Акселерометри використовуються в техніці давно і дуже широко. Вони стоять на літаках, кораблях, ракетах, космічних апаратах, мобільних телефонах і навіть в іграшках. Ось як виглядав механічний авіаційний акселерометр 70 років тому, він показував пілоту перевантаження під час маневрування:

1. Інерційна маса.
2. Пружина.
3. Вал.
4. Зубчатий сектор.
5. Зубчате колесо.
6. Стрілка.

Сучасні акселерометри вбудовуються в середину мікросхем. Наприклад, аналогова мікросхема ADXL335 містить три мікромеханічних акселерометра.

Принцип роботи таких акселерометрів доволі простий. Рух мікроскопічних мас міняє ємності конденсаторів, вони вимірюються вбудованою електронною схемою та видаються у вигляді напруг на виводи мікросхеми.

Технічні характеристики ADXL335:

• Струм споживання - 350 мкА,
• Діапазон вимірювань - ±3,6 g,
• Чутливість - 300 мВ/g
• Робоча напруга - 3,3 В

Схема підключення акселерометру ADXL335

Напишемо просту програму, яка читає дані з виходу "Х".

Текст програми:

Подивимся в "Плоттері по послідовному з'єднанню" на дані з акселерометру ADXL335, коли він нерухомо лежить на столі:

А ось як виглядає сигнал з акселерометру, який рухається:

Випадкові стрибки і коливання спотворюють реальний сигнал і збудувати на ньому якийсь корисний пристрій просто неможливо.

Для згладжування коливань фахівці застосовують спеціальні засоби - фільтри, які придушують небажані викиди сигналу та наближають його до реальної величини.

Розглянемо один з простих й найпоширеніших фільтрів - фільтр низьких частот (ФНЧ) або Low Pass Filter, який пропускає коливання тільки низьких частот і зменьшує амплітуду викидів сигналу.

З електричної точки зору фільтр НЧ реалізується такою схемою

Однак в епоху мікроконтролерів нас цікавить не схемна, а програмна реалізація такого фільтру. Вона будується на основі алгоритму, в якому на кожній ітерації циклу вимірювання потрібно обчислити наступний вираз:

fs = (1-К) * fs + К * S

де:

fs - відфільтрований сигнал;

S - сигнал з датчика;

К - коефіцієнт фільтру - число від 0 до 1.

Саме коефіцієнт K визначає, які коливання придушувати, а які слід пропустити з мінімальними змінами. Чим більше K - тим слабкіше фільтр, і тим більш високі коливання він пропускає. Чим меньше К - тим сильніше фільтр, тим гладше буде результат.

Для усунення шуму вихідного сигналу акселерометру скористаємося цим фільтром. Програма читає прискорення з акселерометра, фільтрує його та виводить в "Монітор порта" (fs). Для порівняння поруч виводиться і нефільтрований сигнал - S.

Відкриємо "Плоттер по послідовному з'єднанню" та подивимось на результат. Червона крива - сигнал після фільтрації, а синя - сигнал до фільтрації.

Вочевидь, що фільтр значно придушує небажані стрибки сигналу і покращує криву.

Покази акселерометра стали більш придатними для подальшого використання. Невеличка затримка, зсув по фазі між сигналами, пов'язана з інтегральною природою фільтра.

Нарешті можна братися за реальні проекти з використанням акселерометру.

Далі буде...