機(jī)載顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)平滑方法分析與研究

杜遠(yuǎn)

【摘 要】機(jī)載顯示系統(tǒng)中會(huì)用數(shù)值或圖示的方式實(shí)時(shí)顯示飛行過程中飛機(jī)各參數(shù)，而機(jī)載顯示系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的平滑與否，直接影響飛行員的操作壓力以及對(duì)于飛機(jī)狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性與否。本文分析了遲滯，滑動(dòng)平均，低通濾波以及多參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)這四種顯示數(shù)據(jù)平滑方法的適用場(chǎng)景與各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載；顯示系統(tǒng)；數(shù)據(jù)平滑

0 緒論

當(dāng)今大型飛機(jī)、軍用飛機(jī)已經(jīng)全面使用電子儀表代替了過去的機(jī)械式儀表。電子式儀表以其穩(wěn)定性、易用性、抗機(jī)械干擾性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。電子式的機(jī)載顯示系統(tǒng)，將傳感器采集到的代表飛機(jī)狀態(tài)的物理量，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成了用于顯示的數(shù)字讀數(shù)或圖示。但是，由于飛機(jī)在飛行過程中，可能會(huì)存在復(fù)雜的環(huán)境變化，對(duì)飛機(jī)傳感器造成影響，從而造成了飛機(jī)顯示系統(tǒng)中讀數(shù)不穩(wěn)定，存在劇烈抖動(dòng)、顫動(dòng)等問題，對(duì)飛行員判斷飛機(jī)狀態(tài)，操作飛機(jī)造成了影響，這種不良的影響，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累，輕則造成飛行員駕駛疲勞，重則有可能釀成飛行事故。所以，在各型號(hào)飛機(jī)中，都會(huì)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以改善飛行員的飛行體驗(yàn)。

在工程中，常用于飛機(jī)顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平滑方法由遲滯，滑動(dòng)平均，低通濾波，多參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)等方法，本文將分析這幾中數(shù)據(jù)平滑算法適用環(huán)境與各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。

1 顯示平滑方法分析

1.1 遲滯

遲滯的算法是，給定一個(gè)邊界值x，通過x來控制該參數(shù)在相鄰顯示分辯率值之間的跳變?？梢钥闯觯t滯算法的主要作用是用來平滑振動(dòng)幅值小于或接近于一個(gè)顯示分辨率的物理量。這樣的物理量一般情況下相對(duì)于顯示分辨率是緩變的，對(duì)于傳統(tǒng)的四舍五入算法，遲滯算法可以改善該物理量在0.5分辨率處的來回跳變。在飛機(jī)的顯示系統(tǒng)中，油箱油量，組件狀態(tài)的切換都可以采用遲滯的算法或思想來實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的平滑處理。然而，如果一個(gè)參數(shù)的跳變幅度相比顯示分辨率較大，那么遲滯算法將無法帶來很好的顯示平滑效果。遲滯算法的最大優(yōu)點(diǎn)是算法穩(wěn)定，誤差分析容易，在飛機(jī)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)的平滑處理中有著廣泛的應(yīng)用。

1.2 滑動(dòng)平均

滑動(dòng)平均算法是用該物理量的前x拍歷史數(shù)據(jù)的平均值用于最終的顯示。滑動(dòng)平均多用于平滑而出現(xiàn)的顯示毛刺?；瑒?dòng)平均算法是用顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的代價(jià)，來換取顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，延時(shí)的多少取決于x的取值。在飛機(jī)顯示系統(tǒng)中，滑動(dòng)平均多用于對(duì)顯示實(shí)時(shí)性要求不高的參數(shù)上，例如電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率等參數(shù)的顯示平滑?；瑒?dòng)平均對(duì)于低頻跳動(dòng)、尖刺有著很好的平滑效果，而且算法穩(wěn)定，時(shí)間延遲固定且易于分析，但是滑動(dòng)平均算法對(duì)于高頻噪聲的平滑效果是不夠理想的，對(duì)于高頻噪聲使用滑動(dòng)平均，幾乎達(dá)不到顯示平滑的效果。

1.3 低通濾波

低通濾波是作用是對(duì)高頻噪聲進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的平滑。由于飛機(jī)傳感器在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)，或者受到外界干擾時(shí)，傳遞給顯示端的低頻數(shù)據(jù)中會(huì)疊加大量的高頻噪聲，這些高頻噪聲會(huì)極大地影響飛行員對(duì)飛機(jī)各物理參數(shù)的判斷。例如飛機(jī)空速、加速度計(jì)、光纖陀螺的角增量的信號(hào)中就疊加了大量高頻的噪聲[1]。此時(shí)對(duì)于這類信號(hào)，使用低通濾波器可以起到很好的數(shù)據(jù)平滑作用。低通濾波器設(shè)置的位置，有設(shè)置在傳感器端，和設(shè)置在顯示端兩種策略。對(duì)于一些不需要后端計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳感器源數(shù)據(jù)的打分選擇的物理量，一般都會(huì)選擇把低通濾波器設(shè)置在傳感器端，這樣就可以從源頭上解決顯示數(shù)據(jù)平滑的問題，而一些需要后端計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器源數(shù)據(jù)進(jìn)行打分選擇的機(jī)型，為了使后端計(jì)算機(jī)能夠獲得傳感器捕獲到的原始數(shù)據(jù)，就只能將低通濾波器設(shè)置在顯示端了。使用了低通濾波器一定會(huì)造成顯示數(shù)據(jù)的延遲，而這個(gè)延時(shí)特性是低通濾波器的特性，可以通過數(shù)學(xué)的方法計(jì)算得出。通過對(duì)于低通濾波器中時(shí)間參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以在濾波器延時(shí)和濾波器平滑性能中取得一個(gè)平衡，從而達(dá)到兼顧濾波器造成的顯示延遲與顯示數(shù)據(jù)平滑的目的，具體的效果可以參見圖1。圖1中直線為原始數(shù)據(jù)，點(diǎn)線為平滑特性較好的低通濾波器，可以看出，該低通濾波器平滑效果較好，但延時(shí)較大；長(zhǎng)段線為時(shí)間特性較好的低通濾波器，可以看出，該濾波器延時(shí)較小，但平滑效果相比點(diǎn)線的低通濾波器數(shù)據(jù)平滑效果較差，特別在10秒到15秒的區(qū)間內(nèi)尤為明顯。

對(duì)于一些類似于空速這樣既實(shí)時(shí)性有要求，有要求顯示平滑有要求的飛行參數(shù)來說，只使用低通濾波器一種顯示數(shù)據(jù)平滑算法是很難兼顧各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的，在這種時(shí)候，就需要采用其他的方法進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)平滑。

1.4 多參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)

多參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)是指，利用多個(gè)傳感器輸出的物理量，對(duì)這組物理量進(jìn)行偏差最小的估計(jì)。常用的多參數(shù)最優(yōu)估計(jì)算法有最小方差估計(jì)，卡爾曼濾波等。這些估計(jì)算法在的實(shí)時(shí)性較好，估計(jì)偏差較小。雖然這些估計(jì)算法性能較好，但是對(duì)于飛機(jī)的顯示系統(tǒng)來說，這些估計(jì)算法也有著自己本身的缺點(diǎn)：第一，如果各狀態(tài)量的量測(cè)方程出現(xiàn)了諸如傳感器損壞的異常情況，那么狀態(tài)方程中所有的被計(jì)量就有可能會(huì)受到不良的影響，從而降低了整個(gè)顯示系統(tǒng)的可用性；第二，這類算法中諸如最大延時(shí)，最大誤差等參數(shù)往往不太好評(píng)估，對(duì)于諸如民用大型客機(jī)這樣對(duì)于安全性要求很高的飛機(jī)來說，很難表達(dá)該算法對(duì)于適航條款的符合性。所以多參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)，在飛機(jī)顯示數(shù)據(jù)的平滑處理中的應(yīng)用，還需要更多的研究。

2 總結(jié)

飛機(jī)顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平滑一直是各飛機(jī)研發(fā)單位的研究熱點(diǎn)之一。遲滯、滑動(dòng)平均、低通濾波、多參數(shù)最優(yōu)估計(jì)等方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，被用于不同顯示參數(shù)、不同場(chǎng)景下的顯示平滑處理。遲滯算法多被用于顯示跳變小于一個(gè)分辨率的顯示數(shù)據(jù)的平滑；滑動(dòng)平均多被用于低頻毛刺和緩變顯示數(shù)據(jù)的平滑；低通濾波器多由于處理含有高頻噪聲的顯示數(shù)據(jù)；多參數(shù)最優(yōu)估計(jì)性能優(yōu)異，但是在顯示平滑處理方面的應(yīng)用還需要更多的研究和拓展。各種數(shù)據(jù)平滑方法的綜合應(yīng)用，才能使整個(gè)顯示系統(tǒng)的顯示效果達(dá)到變化平滑、顯示穩(wěn)定的效果。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]劉偉民，王明暄.數(shù)據(jù)平滑對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)中極值的影響——以數(shù)字低通濾波法為例[J].山東體育科技，2000（4）：92-95.

[3]盧京潮.自動(dòng)化控制原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[4]王達(dá)，崔蕊.數(shù)據(jù)平滑技術(shù)綜述[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（17）：4507-4509.

[責(zé)任編輯：田吉捷]