【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。本世紀(jì) 40年代，為了解決火力控制系統(tǒng)精確跟蹤問題，維納（ ）于 1942年提出了維納濾波理論。維納根據(jù)有用信號(hào)和干擾信號(hào)的功率譜確定出線性濾波器的頻率特性，首次將數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論與線性系統(tǒng)理論有機(jī)的聯(lián)系在一起，形成了對(duì)隨機(jī)信號(hào)作平滑、估計(jì)或預(yù)測(cè)的最優(yōu)估計(jì)新理論。比維納稍早，前蘇聯(lián)科學(xué)家戈?duì)柲肆_夫（ ）于1941年也曾提出過類似的理論。維納給 出了由功率譜求解維納濾波器頻率特性閉合解的一般方法，包括對(duì)功率譜的上、下平面分解及傅里葉變換和反變換，運(yùn)算繁雜，解析求解十分困難。 1950年，伯特和香農(nóng)給出了功率譜為有理譜這一特殊條件下，由功率譜直接求取維納濾波器傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)方法，這一方法簡(jiǎn)單易行，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。維納濾波的最大缺點(diǎn)是適用范圍極其有限，它要求被處理信號(hào)必須是平穩(wěn)的，且是一維的。人們?cè)噲D將維納濾波推廣到非平穩(wěn)和多維的情況，都因無法突破計(jì)算上的困難而難以推廣和應(yīng)用。 采用頻域設(shè)計(jì)法是造成維納濾波器設(shè)計(jì)困難的根本原因。因此人們逐漸轉(zhuǎn)向?qū)?求在時(shí)域內(nèi)直接設(shè)計(jì)最優(yōu)濾波器的新方法，其中卡爾曼的研究最具有代表性，他提出的遞推最優(yōu)估計(jì)理論也因此而被稱為卡爾曼濾波。由于采用了狀態(tài)空間法描述系統(tǒng)，算法采用遞推形式，所以卡爾曼濾波能處理多維和非平穩(wěn)的隨機(jī)過程。 卡爾曼濾波理論一經(jīng)提出，立即受到了工程界的重視，而工程應(yīng)用中遇到的實(shí)際問題又使卡爾曼濾波的研究更加深入和完善。 1959年起，美國(guó)太空署即 NASA開始研究載人太空船登月方案，當(dāng)時(shí)提出了兩個(gè)主要問題：①中途導(dǎo)航和制導(dǎo)；②液體燃料助推器大撓度條件下的自動(dòng)駕駛問題。因這兩項(xiàng)研究的工作量都很龐大，所以主要研究 前者，即宇宙飛船的測(cè)軌問題。導(dǎo)航問題中主要解決太空船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)。估計(jì)方法曾試圖采用遞推加權(quán)最小二乘和維納濾波，均因精度滿足不了要求和計(jì)算過于繁雜而不得不放棄。 1960年秋， 卡爾曼在 NASA埃姆斯研究中心訪問時(shí)，發(fā)現(xiàn)他的方法對(duì)于解決 阿波羅魯東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 計(jì)劃 的軌道預(yù)測(cè)很有用 ，后來 阿波羅飛船 的 導(dǎo)航 電腦使用了這種濾波器。 卡爾曼濾波比維納濾波的應(yīng)用范圍廣，設(shè)計(jì)方法也簡(jiǎn)單易行得多，但它必須在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，而 60年代初，無論是速度、字長(zhǎng)、容量，計(jì)算機(jī)還處于低水平階段。為了適應(yīng)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，避免由于字長(zhǎng)不夠產(chǎn)生的舍入誤差引起卡爾 曼濾波的計(jì)算發(fā)散，Bierman， Carlson和 Schmidt等人提出了平方根濾波算法和 UDU分解濾波算法，以確?？柭鼮V波增益回路中的濾波方差陣始終正定。 卡爾曼最初提出的濾波基本理論只適用于線性系統(tǒng)，并且要求量測(cè)也必須是線性的。在之后的 10多年的時(shí)間里， Bucy， Sunahara等人致力于研究卡爾曼濾波理論在非線性系統(tǒng)和非線性量測(cè)情況下的推廣，拓寬了卡爾曼濾波理論的適用范圍。 卡爾曼濾波是一種有著相當(dāng)廣泛應(yīng)用的濾波方法，但它既需要假定系統(tǒng)是線性的，又需要認(rèn)為系統(tǒng)中的各個(gè)噪聲與狀態(tài)變量均呈高斯分布，而這 兩條并不總是確切的假設(shè)限制了卡爾曼濾波器在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。擴(kuò)展卡爾曼濾波器（ EKF）極大地拓寬了卡爾曼濾波的適用范圍。 EKF 的基本思路是，假定卡爾曼濾濾對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)值非常接近于其真實(shí)值，于是將非線性函數(shù)在當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)值處進(jìn)行臺(tái)勞展開并實(shí)現(xiàn)線性化。另一種非線性卡爾曼濾波叫線性化卡爾曼濾波。它與 EKF 的主要區(qū)別是前者將非線函數(shù)在濾波器對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值處線性化，而后者因?yàn)轭A(yù)先知道非線性系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)大致按照所要求、希望的軌跡變化，所以這些非線性化函數(shù)在實(shí)際狀態(tài)處的值可以表達(dá)為在希望的軌跡處的 臺(tái)勞展開式，從而完成線性化。 不敏卡爾曼濾波器（ UKF）是針對(duì)非線性系統(tǒng)的一種改進(jìn)型卡爾曼濾波器。 UKF處理非線性系統(tǒng)的基本思路在于不敏變換，而不敏變換從根本上講是一種描述高斯隨機(jī)變量在非線性化變換后的概率分布情況的方法。不敏卡爾曼濾波認(rèn)為，與其將一個(gè)非線性化變換線性化、近似化，還不如將高斯隨機(jī)變量經(jīng)非線性變換后的概率分布情況用高斯分布來近似那樣簡(jiǎn)單，因而不敏卡爾曼濾波算法沒有非線性化這一步驟。在每一定位歷元，不敏卡爾曼濾波器按照一套公式產(chǎn)生一系列樣點(diǎn)，每一樣點(diǎn)均配有一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重，而這些帶權(quán)的樣點(diǎn)被用來完 整地描述系統(tǒng)狀態(tài)向量估計(jì)值的分布情況，它們替代了原先卡爾曼濾波器中的狀態(tài)向量估計(jì)值及協(xié)方差。不敏卡爾曼濾器讓這些樣點(diǎn)一一經(jīng)歷非線性狀態(tài)方程與測(cè)量方程，然后再將這些經(jīng)非線性變換后的樣點(diǎn)按照它們的權(quán)重而綜合出對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量估計(jì)值。 多態(tài)自適應(yīng)（ MMA）卡爾曼濾波器是一種受到廣泛關(guān)注的濾波器，它由好多個(gè)并聯(lián)、同時(shí)運(yùn)行的卡爾曼濾波器組成。在這組卡爾曼濾波器中，每一個(gè)濾波器對(duì)未知的濾波參數(shù)分別做出相互不同的假設(shè)，然后各自按照自 己 的模型假設(shè)進(jìn)行濾波計(jì)算，而多態(tài)自適應(yīng)濾波器最后將它們對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的各個(gè)估計(jì)值進(jìn)行加 權(quán)，并以此作為最優(yōu)估計(jì)值輸出。 魯東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3 估計(jì)原理和卡爾曼濾波 DS18B20的通信協(xié)議 DS18B20的測(cè)溫原理 4 編程軟件 VB的特點(diǎn) VB(Visual Basic)之所以受到廣大編程者的喜愛，是由于它強(qiáng)大的功能： (1) 可視化編程：最直觀的編程方法，程序人員只需繪制界面，無需編程， VB自動(dòng)產(chǎn)生界面代碼，就可以完成許多步驟。這樣大大的提高了程序設(shè)計(jì)的效率。這些在以前的編程語言下是要經(jīng)過相當(dāng)復(fù)雜的工作的。 (2) 結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言： VB具有豐富的數(shù)據(jù)類型，是一種符合結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想的語 言，簡(jiǎn)單易學(xué)。此外 VB作為程序設(shè)計(jì)語言還有其獨(dú)特的一面。 (3) 面向?qū)ο螅?VB采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想。把復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)問題分解為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的能夠完成獨(dú)立功能的對(duì)象集合，就是此程序設(shè)計(jì)最基本的思想。所謂“對(duì)象”就是一個(gè)可操作的實(shí)體，如窗體、窗體中的命令按鈕、標(biāo)簽、時(shí)鐘、文本框等。面向?qū)ο蟮木幊叹秃孟翊罘e木一樣，程序員可根據(jù)程序和界面設(shè)計(jì)的要求，直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對(duì)象，并在屬性窗口改寫每個(gè)對(duì)象屬性，從而達(dá)到所要求的目的。 (4) 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫訪問功能。 (5) 多個(gè)應(yīng)用程序向?qū)?，支持?dòng)態(tài)交換、動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，等等。 編程軟件 VB中 MSComm控件的介紹 VB 開發(fā)串口通信程序利用 VB自身提供的控件 MSComm 控件來實(shí)現(xiàn)。 MSComm 控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。 MSComm（ Microsoft Communications Control）是 Microsoft 公司提供的簡(jiǎn)化 Windows 下串行通信編程的ActiveX 控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。 MSComm 控件兩種處理通訊的方式 MSComm 提供兩種處理通訊的方法：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式。該論文所采用的方法是事件驅(qū)動(dòng)方式，在初始化代碼中將 Rthreshold 設(shè)置為 1。這樣接收緩沖區(qū)中接收到一個(gè)字符，就產(chǎn)生一次 OnComm 事件。 魯東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 事件驅(qū)動(dòng)通訊是一種功能很強(qiáng)的處理串口活動(dòng)的方法，它是利用 MSm 控件的OnComm 事件觸發(fā)機(jī)制來完成的。在大多數(shù)情況下，用戶需要獲知事件發(fā)生的時(shí)間，例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符，或者 CD (Carrier Detect) 或 RTS (Request To Send) 線上一個(gè)字符到達(dá)或一個(gè)變化發(fā)生時(shí)。在這 些情況下，可以利用 MSComm 控件的 OnComm 事件捕獲并處理這些通訊事件。 OnComm 事件還可以捕獲和處理通訊中的錯(cuò)誤。在編程過程中，就可以在 OnComm 事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高。每個(gè) MSComm 控件對(duì)應(yīng)著一個(gè)串行端口。 查詢法是通過周期性地讀取緩沖區(qū)的信號(hào)來發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生并進(jìn)行處理的方法。它不使用端口的硬件中斷，必須在足夠頻繁地查詢端口的情況下才能保證不會(huì)遺失任何數(shù)據(jù)或者事件，查詢的頻率取決于緩存的大小、數(shù)據(jù)量和對(duì)快速響應(yīng)的要求。查詢法不 具有自動(dòng)判斷通信的“智能”化，需要人為啟動(dòng)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。 MSComm 控件的常用屬性 在 MSComm 控件中有很多