一种信号控制方法及系统与流程

1.本发明属于信号控制技术领域，更具体地，涉及一种信号控制方法及系统。


背景技术：

2.控制信号的使用非常普及，以无线控制信号为例，可以通过无线控制信号控制无人驾驶汽车、机器人或者无人机的运动。通常需要将无线控制信号转换为目标能够识别的信息，进而控制目标运动。然而，由于无线控制信号存在阶跃特性，若将无线控制信号直接转化为目标控制信号，例如车速或者转角信号，会引起目标的急剧加/减速或者突然转向，例如，速度从0m/s突然增大到2m/s，导致目标运行不够平稳。有线控制信号也存在类似的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种信号控制方法及系统，将控制信号滤波使信号变得平滑后，再作用于控制目标的执行机构，能有效避免控制目标运行不够平稳的情况。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种信号控制系统，包括信号处理模块；信号处理模块用于对原始信号进行平滑处理后，得到平滑信号，并将平滑信号输出；其中，原始信号为阶跃信号，平滑信号相对原始信号在时间上滞后。
5.在一些实施例中，原始信号为油门、速度、加速度或者转角控制信号。
6.在一些实施例中，信号处理模块为n阶系统，n≥3。
7.在一些实施例中，信号处理模块为iir滤波器结构。
8.在一些实施例中，信号处理模块在频域的系统函数为n阶系统的传递函数进行z变换后得到。
9.在一些实施例中，z变换为使用tustin变换法对所述n阶系统的传递函数进行z变换。
10.在一些实施例中，该信号控制系统还包括信号接收模块，信号接收模块用于接收原始信号并将原始信号传输给信号处理模块。
11.在一些实施例中，该信号控制系统还包括执行机构，执行机构用于接收信号处理模块输出的平滑信号，并根据平滑信号进行响应，执行相应的操作。
12.在一些实施例中，该信号控制系统还包括信号发射模块，信号发射模块用于通过有线或者无线的方式将原始信号传输给信号接收模块。
13.根据本发明的另一方面，还提供了一种车辆，包括上述信号控制系统。
14.根据本发明的又一方面，还提供了一种机器人，包括上述信号控制系统。
15.根据本发明的又一方面，还提供了一种信号控制方法，使用上述信号控制系统进行信号控制。
16.根据本发明的又一方面，还提供了一种滤波器的设计方法，包括：根据典型原始信
号，设定典型原始信号对应的理想平滑信号；根据典型原始信号为阶跃信号的特性，研究滤波器的阶跃响应曲线；根据滤波器的阶跃响应曲线和理想平滑信号，确定滤波器的传递函数；根据滤波器的传递函数，完成滤波器的设计。
17.在一些实施例中，设定所述理想平滑信号对时间的曲线的原型为sigmoid函数或高斯函数。
18.在一些实施例中，以sigmoid函数的拉氏变换为目标，对滤波器的传递函数进行设计，直到经滤波器处理后的平滑信号曲线符合要求。
19.在一些实施例中，对滤波器的传递函数进行z变换，得到z变换后的传递函数，再使用iir滤波器结构，完成滤波器的设计。
20.在一些实施例中，根据z变换后的传递函数为iir滤波器在频域的系统函数，完成滤波器的设计。
21.在一些实施例中，使用tustin变换法对滤波器的传递函数进行z变换。
22.在一些实施例中，根据滤波器的阶跃响应曲线和理想平滑信号，确定滤波器为n阶系统，其中，n≥3。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：针对控制信号可能存在阶跃突变的特性，在将控制信号转换为控制目标的执行机构能够识别的信号之前，先对控制信号进行平滑处理，从而实现对控制目标的执行机构的平稳控制；通过滤波器滤波实现对速度控制信号的平滑处理，并具体参考sigmoid函数，利用多阶系统完成滤波器的设计，具有较好的平滑处理效果。
附图说明
24.图1是本发明实施例的信号控制系统的示意性框图；图2是信号处理模块的输入输出示意图；图3是典型原始速度信号的时间曲线；图4是理想平滑速度信号和典型原始速度信号的对比时间曲线；图5是理想平滑加速度信号和典型原始加速度信号的对比时间曲线；图6是经阻尼器平滑后的阶跃响应的理想速度曲线；图7是图6对应的理想加速度曲线；图8是一阶系统的阶跃响应的速度曲线；图9是图8对应的加速度曲线；图10是二阶系统的阶跃响应的速度曲线；图11是图10对应的加速度曲线；图12是十阶系统的阶跃响应的速度曲线；图13是图12对应的加速度曲线；图14是五阶系统的阶跃响应的速度曲线；图15是图14对应的加速度曲线；图16是iir滤波器结构示意图；图17是采用本发明实施例设计的滤波器进行平滑处理后的信号与原始信号的对比时间曲线；
图18是采用本发明实施例设计的滤波器进行平滑处理后的信号与另一存在干扰的原始信号的对比时间曲线。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。正如本领域技术人员可以认识到的那样，在不脱离本技术的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
26.如图1所示，本发明实施例的信号控制系统包括信号接收模块和信号处理模块。信号接收模块接收到信号后将信号传输给信号处理模块，信号处理模块对信号接收模块传输的信号（即原始信号）进行平滑处理后，再将平滑处理后的信号（即平滑信号）传输给执行机构。在一些实施方式中，信号控制系统还包括信号发射模块，信号发射模块通过有线或者无线的方式将原始信号传输给信号接收模块。在一些实施方式中，信号控制系统还包括执行机构，执行机构根据平滑处理后的信号进行响应，并执行相应的操作。整个过程开环进行，没有信号反馈回路。
27.在一些实施方式中，信号发射模块为笔记本电脑、工控机、手机、手持遥控器等。在一些实施方式中，信号接收模块是笔记本电脑、工控机、单片机、手机等。在一些实施方式中，信号处理模块可以在笔记本电脑、工控机、单片机和手机等平台上运行。
28.信号发射模块到信号接收模块的传输介质可以是有线或者无线，有线协议包括socket/can/串口/等，无线协议包括socket/2.4g/蓝牙/zigbee等。
29.如图2所示，原始信号输入至信号处理模块，信号处理模块对原始信号进行处理，得到平滑的输出信号，执行机构接收平滑的输出信号，并据此平稳地执行相应的操作。在一些实施方式中，信号处理模块处理的原始信号包括但不限于油门、速度、加速度和转角控制信号。在一些实施方式中，执行机构可以是油门、电机、转向角等。
30.如图1所示，信号接收模块、信号处理模块和执行机构设置于汽车或者机器人，信号发射模块在用户的操作下，发射相应的控制信号，以控制汽车或者机器人平稳地执行相应的操作。
31.在一些实施方式中，信号处理模块为滤波器（即阻尼器），对信号进行滤波处理，具体地，信号处理模块使得信号响应滞后，可以达到滤波的效果。在一些实施方式中，对速度控制信号进行平滑处理。在一些实施方式中，信号处理模块为滤波器。在一些实施方式中，滤波器为n阶系统，n≥3。在一些实施方式中，滤波器为iir滤波器结构。在一些实施方式中，滤波器在频域的系统函数为n阶系统的传递函数进行z变换后得到。在一些实施方式中，使用tustin变换法对n阶系统的传递函数进行z变换。可以理解的是，本发明并不局限于tustin变换法，还可以采用其他方法对n阶系统的传递函数进行z变换，本发明对此不作限制。
32.上述平滑处理是指，将在较短时间内突变的阶跃信号转变为在较长时间内连续变化的信号。
33.本发明实施例还提供了一种滤波器的设计方法，具体包括：
根据典型原始信号，设定典型原始信号对应的理想平滑信号；根据典型原始信号为阶跃信号的特性，研究滤波器的阶跃响应曲线；根据滤波器的阶跃响应曲线和理想平滑信号，确定滤波器的传递函数；具体包括：设定理想平滑信号对时间的曲线的原型为sigmoid函数或高斯函数；以sigmoid函数的拉氏变换为目标，对滤波器的传递函数进行设计，直到经滤波器处理后的平滑信号曲线符合要求。
34.在一些实施方式中，根据滤波器的阶跃响应曲线和理想平滑信号，确定滤波器为n阶系统，其中，n≥3。
35.根据滤波器的传递函数，完成滤波器的设计。
36.具体包括：使用tustin变换法对滤波器的传递函数进行z变换，得到z变换后的传递函数，再使用iir滤波器结构，根据z变换后的传递函数为iir滤波器在频域的系统函数，完成滤波器的设计。
37.下面以对速度控制信号进行平滑处理为例，对滤波器的设计过程进行详细说明。
38.根据典型原始速度信号，设定典型原始速度信号对应的理想平滑速度信号；根据典型原始速度信号为阶跃信号的特性，研究滤波器的阶跃响应曲线；根据滤波器的阶跃响应曲线和理想平滑信号，确定滤波器系统的传递函数，例如，确定采用n（n≥3）阶系统的滤波器。
39.设定原始信号为r(t)，拉普拉斯变换为r(s)；平滑处理之后的信号为y(t)，其拉普拉斯变换为y(s)；信号处理模块的传递函数为g(t)，其拉普拉斯变换为g(s)。变量中t表示时间。因此有：y(s)= r(s) ·
g(s)图3为原始信号r(t)的变化过程，横坐标为时间（单位ms），纵坐标表示速度信号（单位m/s）。设定原始信号从0-》3-》10-》15-》0变化，每种速度维持5秒。本实施方式旨在对信号进行平滑处理，以减少加速度和加加速度突变对执行机构带来的冲击。
40.图4为理想的平滑信号和原始信号的对比时间曲线，可以看到，平滑处理之后的信号y(t)的变化较为平稳。更具体地，如图5所示，对原始信号r(t)进行微分可以得到原始加速度信号，对平滑信号y(t)进行微分可以得到平滑加速度信号。对比原始信号r(t)和平滑后的信号y(t)，可以发现加速度在滤波后得到了明显的改善，变化较为平缓，提高了运动的平顺性。对于阻尼器的设计，可以看到，其输入是阶跃信号，因此，需要研究阻尼器系统的阶跃响应。
41.具体地，首先，设定阶跃响应的理想速度曲线。其中，阶跃响应的理想速度曲线的原型为sigmoid函数或高斯函数。
42.假定初始时刻速度为0，给定目标速度1m/s，即 。
43.经过阻尼器平滑后，理想的速度曲线y(t)和加速度曲线如图6和图7所示（注：输入信号初始为零，而后变为1，经过阻尼器的响应称为阶跃响应）。图7中在系统的响应过程中加加速度过程和加减速度过程互相对称，且加速度连续变化，速度较为平滑。图6中速度曲线的原型可以是sigmoid函数或高斯函数。
44.sigmoid函数：其中为b为坐标偏移。
45.由于 ，故。由于sigmoid函数无法进行拉氏变换和z变换（即无法求得），因此无法使用其特性进行阻尼器的设计。
46.其次，以sigmoid函数的拉氏变换为目标，对滤波器的传递函数进行设计，直到经滤波器处理后的平滑信号符合要求。具体地，使得滤波器的传递函数贴近sigmoid函数的拉氏变换。
47.所谓阻尼器的设计，即传递函数的设计。
48.将阻尼器系统设计为多阶系统，多阶系统的传递函数为：理想情况下，多阶系统越贴近sigmoid函数的拉氏变换，阻尼器性能越能满足平顺性要求。具体贴近sigmoid函数的程度，根据信号处理的实际需求而定。
49.首先考虑一阶系统。
50.一阶系统的传递函数为：设定，系统的阶跃响应如下图8和图9所示，从响应曲线来看，在加速度过程中，加速度在0时刻存在瞬间突变，其他过程为加减速过程。
51.再考虑二阶系统。
52.二阶系统的传递函数为：设定阻尼比，系统处于临界阻尼状态。系统的阶跃响应如图10和图11所示，从图中可以看出，相较于一阶系统，加速度曲线无突变，呈现连续变化的趋势；与sigmod函数相比，加加速度和加减速度过程不对称，达不到理想状态。
53.再考虑n阶系统（n≥3）。
54.设定n=10，系统的传递函数为:系统的阶跃响应如图12和图13所示，从图中可以看出，n阶系统的响应曲线与sigmod响应曲线接近，因此，阻尼器可以使用n阶系统进行设计。
55.接下来，再根据滤波器的传递函数，完成滤波器的设计。具体地，对滤波器的传递函数进行z变换，得到z变换后的传递函数，再使用iir滤波器结构，使得滤波器在频域的系统函数即为n阶系统的传递函数的z变换，完成滤波器的设计。
56.下面基于n阶系统进行阻尼器的设计。
57.设定n=5，阻尼器的传递函数为：
系统的阶跃响应如图14和15所示。
58.使用tustin变换法对传递函数进行z变换，得到：将z变换后的传递函数使用iir滤波器结构进行设计，从而实现对遥控信号的滤波。
59.iir滤波器结构如图16所示， h(z) 为系统函数，z为变量，a0、a1、b1、b2和b3为系统函数的系数。iir滤波器在时域的操作函数，iir滤波器在频域的系统函数。
60.对给定变化的遥控信号，采用该阻尼器进行平滑处理，原始信号曲线和处理后的信号曲线如图17所示，可以看到，经过阻尼器后的信号有明显的平滑，而且，该阻尼器对高频信号也具有一定的滤波作用，本质上它也是一个低频滤波器。
61.在原始信号存在一定干扰时，经过该阻尼器平滑后的效果如图18所示，可以看到，该阻尼器对干扰信号也具有较好的滤波效果。
62.本发明实施例还提供了一种车辆，在一些实施方式中，车辆可以包括以上所述的信号控制系统。
63.本发明实施例还提供了一种机器人，在一些实施方式中，机器人可以包括以上所述的信号控制系统。
64.在本说明书的描述中，参考术语
“ꢀ
一个实施例”、
“ꢀ
一些实施例”、
“ꢀ
示例”、
“ꢀ
具体示例”、或
“ꢀ
一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本技术的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
65.此外，术语
“ꢀ
第一”、
“ꢀ
第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有
“ꢀ
第一”、
“ꢀ
第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，
“ꢀ
多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
66.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或多个(两个或两个以上)用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分。并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能。
67.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
68.应理解的是，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上
述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。上述实施例方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
69.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。上述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。该存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
70.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。