ลดทอนสัญญาณรบกวนแบบง่ายๆ

หลายคนคงเคยใช้เซ็นเซอร์จำพวก Infrared sensor, ultrasonic sensor, temperature sensor, sound sensor, light sensor, inertial sensor, current sensor ในโครงงาน arduino ที่เกี่ยวข้องกับการตรวจวัดและสำรวจสภาพแวดล้อมต่างๆ หรืออาจจะเป็นงานที่ต้องมีการโต้ตอบกับสิ่งรอบข้าง

แต่ทราบกันไหมครับว่าสัญญาณที่ได้จากเซ็นเซอร์เหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีสัญญาณรบกวนติดมาด้วยทั้งสิ้น สัญญาณรบกวนนี้เองหากไม่กำจัดหรือทำการลดทอนลงจะทำให้ค่าที่เราทำการคำนวณมีความคลาดเคลื่อนจะมากน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณสัญญาณรบกวนที่หลุดเข้ามาในระบบนั้นเอง

บทความนี้นำเสนอขั้นตอนง่ายๆในการลดทอนสัญญาณรบกวนที่ทำได้ในซอฟแวร์ด้วยโค๊ดแค่ไม่กี่บรรทัดโดยไม่ต้องต่อวงจรเพิ่มเติม สามารถเขียนฟังชันลดทอนสัญญาณรบกวนแบบลูปได้ตามสูตร y(n)=(1-a)*x(n)+a*y(n-1) โดยที่ y(n) คือ สัญญาณที่ทำการฟิลเตอร์แล้วของลูปล่าสุด y(n-1) คือสัญญาณที่ถูกฟิลเตอร์แล้วแต่ว่าเป็นของลูปที่แล้ว ส่วน x(n) คือสัญญาณที่วัดได้ของลูปล่าสุด และ a คือค่าคงที่ของฟิลเตอร์ (มีค่าระหว่าง 0 ถึง 1) ถ้าใครไม่ทราบว่าจะให้ a มีค่าเท่าไร อาจจะเริ่มจา a=0.95 ก่อนก็ได้ แล้วค่อบปรับจูนค่าตามความหมาะสมหลังจากดูผลการรันแล้ว ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับค่าคงที่นี้ได้ที่ Link

ใครอยากทดสอบประสิทธิภาพของวิธีนี้สามารถทดลองได้ตามโค๊ดด้านล่างซึ่งเป็นการจำลองสถานการณ์ว่าบอร์ดได้ต่อกับเซ็นเซอร์และรับสัญญาณที่มีสัญญาณรบกวนติดเข้ามาด้วย โดยใช้ a = 0.95 และค่าเบี่ยงเบนของสัญญาณรบกวนมีค่าเท่ากับหนึ่ง

int counter = 0;

float randNumber = 0.0;

float newVal = 0.0;

float dcBias = 1.0;

float simulatedVal = 0.0;

float filterConstant = 0.95; // filter constant

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

Serial.begin(9600);

randomSeed(100);

}

void loop() {

counter ++; // กำหนดให้หยุดการแสดงผลใน serial monitor ที่ 1000 ลูป

if (counter <= 1000) {

// สร้างสัญญาณรบกวนที่มีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากับ 1

randNumber = (float) random(0,1000)/1000;

// แสดงผล column ที่ 1 คือ ครั้งที่ column ที่ 2 คือ ค่าสัญญาณที่มี nosie

// column ที่ คือค่าที่ถูก filter แล้ว

Serial.println("\t");

Serial.print(counter, DEC);

Serial.print("\t");

Serial.print(simulatedVal);

Serial.print("\t");

Serial.print(newVal);

Serial.print("\t");

Serial.print("");

}

// สร้างสัญญาณที่รับมาจาก sensor

simulatedVal = dcBias + randNumber;

// เรียกใช้ฟังชัน lowpass filter

newVal = smooth(simulatedVal, filterConstant, newVal);

delay(100);

}

// ฟังชั่น smooth หรือ lowpass filter

float smooth(float data, float filterVal, float smoothedVal){

smoothedVal = (data * (1 - filterVal)) + (smoothedVal * filterVal);

return smoothedVal;

}

โดยผลที่ได้หากนำมาพล็อตเป็นกราฟจะได้ตามรูปด้านล่าง กราฟสีดำเป็นสัญญาณจากเซ็นเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนติดมาด้วยส่วนกราฟแดงเป็นสัญญาณที่ถูกทำการฟิลเตอร์แล้วซึ่งจะเห็นว่าสามารถลดสัญญาณรบกวนไปได้เยอะพอสมควร