本發(fā)明屬于誤差消除技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機械振動誤差消除方法及裝置。

背景技術(shù)：

測量系統(tǒng)工作時，傳感器采集機械位移等信息，測量系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理得到測量結(jié)果，但機械振動會導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大的誤差。若依靠改進機械的制造工藝提高測量精度，存在成本高和加工難度大的問題，而且在不同的測量環(huán)境中，由于溫度和濕度等因素的影響，測量系統(tǒng)的機械振動頻率不同，因此難以消除機械振動造成的測量結(jié)果誤差。

故，有必要提出一種新的技術(shù)方案，以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明實施例提供機械振動誤差消除方法及裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中難以消除機械振動造成的測量結(jié)果誤差的問題。

本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種機械振動誤差消除方法，包括：

獲取當前時刻的參考輸入信號，利用所述當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；

根據(jù)所述當前時刻的參考輸入信號和所述之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；

基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號。

本發(fā)明實施例的第二方面，提供一種機械振動誤差消除裝置，包括：

獲取模塊，用于獲取當前時刻的參考輸入信號，利用所述當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；

確定模塊，用于根據(jù)所述當前時刻的參考輸入信號和所述之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；

濾波模塊，用于基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號。

本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是：本發(fā)明所提供的機械振動誤差消除方法及裝置中，獲取當前時刻的參考輸入信號，利用當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；根據(jù)當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號。該機械振動誤差消除方法及裝置中輸出的有效信號，可消除不同工作環(huán)境下測量系統(tǒng)的機械振動造成的誤差。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例一提供的機械振動誤差消除方法的一流程圖；

圖2是圖1所示機械振動誤差消除方法中步驟S10的一流程圖；

圖3是圖1所示機械振動誤差消除方法中步驟S30的一流程圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的FIR自適應(yīng)濾波算法的示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的機械振動誤差消除裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實施例提供一種機械振動誤差消除方法。該機械振動誤差消除方法包括：獲取當前時刻的參考輸入信號，利用當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；根據(jù)當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號，從而消除不同工作環(huán)境下測量系統(tǒng)的機械振動造成的誤差。為了說明本發(fā)明所提供的機械振動誤差消除方法，下面通過具體實施例來進行說明。

實施例一

圖1示出了本發(fā)明實施例一提供的機械振動誤差消除方法的一流程圖，詳述如下：

在S10中，獲取當前時刻的參考輸入信號，利用所述當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號。

當前時刻的參考輸入信號是指頻域上的參考輸入信號，若當前時刻為n，預(yù)設(shè)參考信號向量的長度為k，則根據(jù)k值確定之前時刻的參考輸入信號為(k-1)個。

為了使參考輸入信號向量與測量系統(tǒng)機械振動所產(chǎn)生的噪聲信號高度相關(guān)，優(yōu)選地，使獲取當前時刻的參考輸入信號，利用當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號的過程在系統(tǒng)空閑的狀態(tài)下進行，在系統(tǒng)空閑狀態(tài)下獲取到的參考輸入信號更準確并且始終能和測量系統(tǒng)機械振動所產(chǎn)生的噪聲信號保持高度相關(guān)。其中，系統(tǒng)空閑的狀態(tài)是指系統(tǒng)開啟但沒有進入測量的工作狀態(tài)。

在S20中，根據(jù)當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)。

令X(n)＝{x(n),x(n-1)，x(n-2)，……，x(n-k-2)，x(n-k+1)}^T，

其中，x(n)為當前時刻的參考輸入信號；x(n-1)為上一時刻的參考輸入信號，……，x(n-k+1)為上(k-1)時刻的參考輸入信號，x(n-1)，x(n-2)，……，x(n-k-2)，x(n-k+1)合稱為之前時刻的參考輸入信號；參考輸入信號向量X(n)由當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號構(gòu)成。

在S30中，基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號。

現(xiàn)場可編程陣列(即Field－Programmable Gate Array，簡稱FPGA)，是一種基于N輸入查找表(LUT)技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列，具有豐富而規(guī)則的邏輯資源和布線資源。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸入輸出模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。

基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波包括：原始輸入信號不進行濾波，直接作為期望輸出信號，當前時刻的期望輸出信號與之前時刻的期望輸出信號構(gòu)成期望輸出信號向量；對參考輸入信號向量X(n)進行自適應(yīng)性濾波，輸出信號向量為自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量的轉(zhuǎn)置與參考輸入向量的乘積，誤差信號向量為期望信號向量與輸出信號向量之差，根據(jù)獲得的誤差信號向量逐步調(diào)整自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量，直至誤差向量的值最小。優(yōu)選地，步驟S30是在系統(tǒng)工作時進行的。系統(tǒng)工作是指系統(tǒng)開啟并進入工作狀態(tài)。

本實施例所提供的機械振動誤差消除方法中，獲取當前時刻的參考輸入信號，利用當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；根據(jù)當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對所述參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號，消除不同工作環(huán)境下測量系統(tǒng)的機械振動不同造成的誤差。

進一步地，圖2示出圖1所示機械振動誤差消除方法中步驟S10的一流程圖，詳述如下：

在S101中，對采集到的連續(xù)時間信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號。

采集連續(xù)時間信號x(t),通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括:對連續(xù)時間信號進行采樣，對采樣后的信號進行量化。采樣即是對連續(xù)時間信號離散化，采樣過程依據(jù)采樣定理進行,采樣定理為當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息。為了配合計算機的二進制表示方式，優(yōu)選地，實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的2.56倍。量化指將信號的連續(xù)取值(或者大量可能的離散取值)近似為有限多個(或較少的)離散值的過程。連續(xù)信號經(jīng)過采樣后成為離散時間信號，離散時間信號經(jīng)過量化即成為數(shù)字信號。

在S102中，基于現(xiàn)場可編程陣列對數(shù)字信號做快速傅里葉變換到頻域。

基于現(xiàn)場可編程陣列,對在S101中獲得的數(shù)字信號做快速傅里葉變換到頻域。N個采樣點，經(jīng)過FFT之后，就可以得到N個點的FFT結(jié)果。為了方便進行FFT運算，優(yōu)選地，N取2的整數(shù)次方。

在S103中，根據(jù)頻域的頻譜分量圖計算固有頻率。

有些信號很難在時域看出什么特征，變換到頻域就很容易看出特征，對參考輸入向量進行快速傅里葉變換FFT提取出頻域上的頻譜圖，分析頻譜圖找出幅度最高對應(yīng)的點對應(yīng)的頻率即為噪聲信號的頻率?？蛇x地，若頻譜圖上第51個點的幅度最高，則對應(yīng)的頻率50HZ為噪聲信號的頻率；若頻譜圖上第76個點的幅度最高，則對應(yīng)的頻率75HZ為噪聲信號的頻率。

在S104中，根據(jù)固有頻率合成所述當前時刻的參考輸入信號。

基于現(xiàn)場可編程陣列,將上述獲得的幅度最高點的幅度，頻率以及相位輸入至DDS(Direct Digital Synthesizer，即直接數(shù)字式頻率合成器)中合成為參考輸入信號。頻率即固有頻率。

本實施例在系統(tǒng)進行測量工作之前將噪聲頻率計算出來的優(yōu)點在于，測量系統(tǒng)在不同的環(huán)境下振動頻率即固有頻率不同，而這種方法消除了因環(huán)境變化帶來的影響，適應(yīng)性更強,同時使用FPGA進行FFT變換和DDS合成的優(yōu)點在于，F(xiàn)PGA能夠以極高的時鐘速度計算并且能夠并行的實時計算和同步合成信號，快速、高效。

進一步地，圖3示出了圖1所示機械振動誤差消除方法中步驟S30的一流程圖，圖4示出了本發(fā)明實施例提供的FIR自適應(yīng)濾波算法的示意圖，參考圖3和圖4，詳述如下：

在S301中，根據(jù)當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n)的轉(zhuǎn)置與參考輸入信號向量X(n)相乘，獲取當前時刻的輸出信號向量Y(n)。

該步驟可表示為：Y(n)＝W^T(n)*X(n)。

其中，X(n)為參考輸入信號向量，Y(n)為輸出信號向量，W(n)為當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量，W^T(n)為當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量的轉(zhuǎn)置，n為迭代次數(shù)。

參考輸入信號向量X(n)，X(n)＝{x(n),x(n-1)，x(n-2)，……，x(n-k-2)，x(n-k+1)}^T，其中，x(n)為當前時刻的參考輸入信號，x(n-1)為上一時刻的參考輸入信號，……，x(n-k+1)為上(k-1)時刻的參考輸入信號，參考輸入信號向量X(n)由當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號構(gòu)成。

當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n)，W(n)＝{w₀(n),w₁(n)，w₂(n)，……，w_k-2(n)，w_k-1(n)}^T，為了方便計算的同時不太復(fù)雜，優(yōu)選地，k＝32。

在S302中，將期望輸出信號向量D(n)與輸出信號向量Y(n)相減，獲取誤差信號向量E(n)。

該步驟可表示為：E(n)＝D(n)-Y(n)。原始輸入信號不進行濾波直接作為期望輸出信號。優(yōu)選地，原始輸入信號為測量系統(tǒng)工作時摻雜了因機械振動產(chǎn)生的噪聲的輸入信號。D(n)＝{d(n),d(n-1)，d(n-2)，……，d(n-k-2)，d(n-k+1)}^T，其中，d(n)為當前時刻的期望輸出信號，d(n-1)為上一時刻的期望輸出信號，……，d(n-k+1)為上(k-1)時刻的期望輸出信號，期望輸出信號向量D(n)由當前時刻的期望輸出信號和之前時刻的期望輸出信號構(gòu)成。

在S303中，采用FIR自適應(yīng)濾波算法對誤差信號向量E(n)和參考輸入信號向量X(n)進行濾波，獲取下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)。其中，下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)是誤差信號向量E(n)和參考輸入信號向量X(n)和步長因子的乘積與當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n)的和值。

該步驟可表示為：W(n+1)＝W(n)+2u*E(n)*X(n)，2u通常很小，為了提高FIR自適應(yīng)濾波算法的收斂速度，優(yōu)選地，實際應(yīng)用中取1/2、1/4、1/8和1/16等。

在S304中，將下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)的轉(zhuǎn)置與參考輸入信號向量X(n+1)相乘，獲取下一時刻的輸出信號向量Y(n+1)，作為有效信號輸出。

當誤差向量的值最小，優(yōu)選地當最小為零，即誤差消除時，輸出Y(n+1)。

FIR自適應(yīng)濾波算法的流程就是一個信號逐級延遲的過程，將各級的延遲輸出加權(quán)累計，即得到FIR自適應(yīng)濾波的輸出，詳述如下：

系統(tǒng)工作時，原始輸入信號不進行濾波，直接作為期望輸出信號，當前時刻的期望輸出信號與之前時刻的期望輸出信號構(gòu)成期望輸出信號向量D(n)；對所述參考輸入信號向量X(n)進行自適應(yīng)性濾波，根據(jù)公式Y(jié)(n)＝W^T(n)*X(n)，輸出信號向量為自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量的轉(zhuǎn)置W^T(n)與參考輸入向量X(n)的乘積；根據(jù)公式E(n)＝D(n)-Y(n)，誤差信號向量E(n)為期望信號向量D(n)與輸出信號向量Y(n)之差；由公式W(n+1)＝W(n)+2u*E(n)*X(n)根據(jù)獲得的誤差信號向量E(n)逐步調(diào)整自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量，直至誤差向量的值最小，輸出此刻的輸出信號向量Y(n+1)。

可以理解地，根據(jù)誤差向量對自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量進行逐步調(diào)整的過程是一個動態(tài)過程，上述過程還包括自適應(yīng)濾波權(quán)系數(shù)向量的初始化，當初始向量W(0)＝{w₀(n),w₁(n)，w₂(n)，……，w_k-2(n)，w_k-1(n)}^T滿足一定條件時，誤差向量的值也就是誤差向量模的平方才會達到最小，即為零。

優(yōu)選地，時鐘控制當前時刻的參考輸入信號向量和期望輸出信號向量同步進行，延遲輸入量緩存至所述現(xiàn)場可編程陣列的寄存器中。所述輸入量包括當前時刻以及之前時刻的參考輸入信號和當前時刻以及之前時刻的期望輸出信號。

優(yōu)選地，所述相乘和相減的計算過程可以在時鐘的控制下同時進行而無需按照先后順序執(zhí)行，提高了運算效率。

應(yīng)理解，上述實施例中各步驟的序號的大小并不意味著執(zhí)行順序的先后，各過程的執(zhí)行順序應(yīng)以其功能和內(nèi)在邏輯確定，而不應(yīng)對本發(fā)明實施例的實施過程構(gòu)成任何限定。

對應(yīng)于上文實施例所述的機械振動誤差消除方法，圖5示出了本發(fā)明實施例提供的機械振動誤差消除裝置的結(jié)構(gòu)框圖，詳述如下：

參考圖5，該裝置包括：

獲取模塊51，用于獲取當前時刻的參考輸入信號，利用當前時刻的參考輸入信號確定之前時刻的參考輸入信號；

確定模塊52，用于根據(jù)當前時刻的參考輸入信號和之前時刻的參考輸入信號，確定參考輸入信號向量X(n)；

濾波模塊53，用于基于現(xiàn)場可編程陣列并采用FIR自適應(yīng)濾波算法對參考輸入信號向量X(n)進行濾波，輸出有效信號。

可選地，獲取模塊51包括：

轉(zhuǎn)換單元510，用于對采集到的連續(xù)時間信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號；

變換單元511，用于基于現(xiàn)場可編程陣列對數(shù)字信號做快速傅里葉變換到頻域；

計算單元512，根據(jù)頻域的頻譜分量圖計算固有頻率；

合成單元513，根據(jù)固有頻率合成當前時刻的參考輸入信號。

可選地，濾波模塊53包括：

相乘單元530，用于根據(jù)當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n)的轉(zhuǎn)置與參考輸入信號向量X(n)相乘，獲取當前時刻的輸出信號向量Y(n)；

相減單元531，用于將期望輸出信號向量D(n)與輸出信號向量Y(n)相減，獲取誤差信號向量E(n)；

獲取單元532，用于采用FIR自適應(yīng)濾波算法對誤差信號向量E(n)和參考輸入信號向量X(n)進行濾波，獲取下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)；

輸出單元533，用于將下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)的轉(zhuǎn)置與參考輸入信號向量X(n+1)相乘，獲取下一時刻的輸出信號向量Y(n+1)，作為有效信號輸出。

進一步地，下一時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n+1)是誤差信號向量E(n)和參考輸入信號向量X(n)和步長因子的乘積與當前時刻的自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量W(n)的和值。

可選地，裝置還包括：

時鐘模塊54，用于時鐘控制當前時刻的參考輸入信號向量和期望輸出信號向量同步進行。

延遲模塊55，用于將輸入量緩存至現(xiàn)場可編程陣列的寄存器中。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、或者計算機軟件和電子硬件的結(jié)合來實現(xiàn)。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng)認為超出本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明所提供的實施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。例如，以上所描述的系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元或單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通訊連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通訊連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實現(xiàn)。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明實施例的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)或處理器(processor)執(zhí)行本發(fā)明實施例各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

以上所述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。