基于卡爾曼濾波算法的無線船模遙控器研究

黃永昌

摘要：通過對各類無線遙控器的研究與分析，設(shè)計了一款簡易的無線船模遙控器，該無線遙控器以嵌人式芯片STM32作為控制器，選用NRF24L01+PA+LNA作為無線發(fā)送數(shù)據(jù)模塊，并利用卡爾曼濾波算法處理采集的控制（電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向）數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在硬件電路通電后，容易造成電壓數(shù)據(jù)波動，即噪聲干擾，引入卡爾曼濾波算法能有效減少噪聲干擾，提高采集電壓數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在遙控船模運(yùn)行時，船模運(yùn)行更加平穩(wěn)了。

關(guān)鍵詞：遙控器;NRF24L01+PA+LNA;卡爾曼濾波;噪聲干擾

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0269-03

隨著科技的不斷發(fā)展，無線傳輸技術(shù)在生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。目前常見的無線傳輸方式主要包括以下幾種：藍(lán)牙、Zigbee、WIFI、NRF24L01、NRF905、GSM（GPRS），下表列出了六種無線傳輸方式的各種特性。

在選取傳輸模塊制作無線遙控器之前，需要挑選最有利的傳輸方式，由上表可以看出，綜合考慮頻段、收費(fèi)、傳輸距離、傳輸帶寬等因素得知：以上六種傳輸方式中，只有GSM（GPRS）一種傳輸方式需要交費(fèi)，因此，該傳輸方式不作考慮，在剩余五種傳輸方式中，NRF24L01（+）的傳輸距離最遠(yuǎn)，傳輸距離近2000m，而且其傳輸帶寬也比其余幾種要寬得多。因此，選用NRF24L01（+）模塊作為無線遙控器的發(fā)送模塊是最理想的選擇。

以往，在設(shè)計無線遙控器時，大多能夠選取較先進(jìn)的無線傳輸方式，但是在傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)往往存在較大的波動，性能不夠穩(wěn)定，對于這一特性，較少有研究人員能夠利用算法對不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在本文中，采用卡爾曼濾波算法，對主控芯片采集的波動較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效的處理。

1卡爾曼濾波算法介紹

1960年，R.E.Kalman提出了基于狀態(tài)空間遞推濾波的卡爾曼濾波算法，它是一種自回歸最小方差意義下的估計;采用遞推方式處理的濾波器算法，能夠在包含噪聲及不完整的測量信號的系統(tǒng)中，估算出相應(yīng)的狀態(tài)量。在信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)今社會，卡爾曼濾波算法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

其中，Kk就是卡爾曼增益，I為單位矩陣。經(jīng)典的卡爾曼濾波在使用上限制較多，需要滿足系統(tǒng)是線性系統(tǒng)以及噪聲成正態(tài)分布兩個條件。雖然一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)噪聲不是嚴(yán)格的正態(tài)分布時，卡爾曼濾波依然有效。但是，由卡爾曼濾波的公式可以看出，卡爾曼濾波只適用于線性系統(tǒng)，而無法用于非線性系統(tǒng)。為了擴(kuò)展卡爾曼濾波的適用范圍，使之能應(yīng)用于非線性系統(tǒng)，一些卡爾曼濾波的改進(jìn)算法也被提了出來。

2無線船模遙控器總體設(shè)計

無線船模遙控器的總體方案如下，無線船模遙控器，顧名思義，就是用于控制船模的無線遙控器，在圖1的左邊紅色背景部分為無線船模遙控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（為本文的研究內(nèi)容），圖1右邊藍(lán)色背景部分為船模的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（非本文研究內(nèi)容），無線船模遙控器主要包括五個部分：電源模塊、液晶顯示屏、旋鈕電位器、無線收發(fā)器以及處理器，無線船模遙控器與船模通過無線收發(fā)模塊發(fā)送的高頻信號進(jìn)行通信。

如圖2所示，圖2-（a）為無線船模遙控器的外觀圖，圖2-（b）為船模內(nèi)部接線圖，圖2-（c）為船模外觀圖。

如圖2-（a）所示，圖中有兩個旋鈕電位器，一個電位器用于控制船模的油門，另一個電位器用于控制船模的方向。

如3圖所示，為旋鈕電位器的外觀圖與原理圖。

圖3-（a）所示旋鈕電位器有三根線接到外部電路，三根線分別對應(yīng)圖3-（c）中的三根線。通過控制滑動變阻器的阻值，進(jìn)而控制電路中電壓值的變化。本實(shí)驗(yàn)中，電壓最大值為VCC（3.3v），最小值為0v。

3無線船模遙控器軟件設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)采用STM32作為控制芯片，利用Keil4作為程序編輯與下載軟件，無線遙控船模遙控器的任務(wù)是通過控制旋鈕電位器上的旋鈕，從而達(dá)到控制船模電機(jī)的轉(zhuǎn)速與船模方向的目的。

在程序設(shè)計過程中，首先需要定義一個數(shù)據(jù)包，用于打包所有需要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，主要有船模電機(jī)轉(zhuǎn)速與船模方向的數(shù)據(jù)，然后，初始化系統(tǒng)所有模塊，采集到旋鈕電位器電壓數(shù)據(jù)之后，利用卡爾曼濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理之后的數(shù)據(jù)通過發(fā)送模塊發(fā)送出去。其具體的程序流程如圖4所示。

4實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在本文中，主要是利用$TM32控制芯片的AD采集功能，采集旋鈕電位器測量上的電壓值，如圖5藍(lán)色線所示，為STM32芯片采集的電位器的電壓值數(shù)據(jù)，由圖易見，藍(lán)色線有較大的波動，如利用該結(jié)果控制船模航行，則船模勢必有較大的抖動，為解決抖動問題，本實(shí)驗(yàn)引入卡爾曼濾波算法，用于減少電位器數(shù)據(jù)的波動，從而減少船模的抖動。

在本實(shí)驗(yàn)中，編寫程序時首先建立一個包含1000個變量的數(shù)組（每隔20ms采集一次，總共采集時間為20s），用來儲存從電位器采集的電壓數(shù)據(jù)值，在數(shù)據(jù)采集過程中，將旋鈕電位器從0值旋動到最大阻值，停頓一段時間后，再將旋鈕電位器由最大阻值旋到0阻值處，同時，利用卡爾曼濾波算法，對該數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果如圖5曲線所示。

5結(jié)論

由經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知，沒有經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理的數(shù)據(jù)存在較多大的波動，運(yùn)用卡爾曼濾波算法處理后的數(shù)據(jù)，波動明顯減少了，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好，更有利于控制船模的航行。