Moving average – скользящее среднее


Скользящая средняя, скользящее среднее (англ. moving averageMA) — общее название для семейства функций, значения которых в каждой точке определения равны среднему значению исходной функции за предыдущий период. Скользящие средние обычно используются с данными временных рядов для сглаживания краткосрочных колебаний и выделения основных тенденций или циклов. Математически скользящее среднее является одним из видов свёртки (определение с вики).

А теперь конкретно о получении среднего значения.

Для чего это необходимо? Если вы выполняете, например, аналоговые измерения, то очень редко можно получить данные без, так называемого шума. Получая данные необходимо отфильтровать шум и получить реально действующее значение параметра. Для этого применяют среднее значение.


Вычисление среднего.

Как работает вычисление среднего знают все. Для вычисления среднего надо взять N измерений (т.е. взять несколько раз, 5-10-20), затем суммировать и разделить на N (на 5-10-20).

Т.е. выполняются последовательно N измерений, за заданное время, после чего всё суммируется и делиться на N полученное значение и есть средняя величина измеряемого параметра.

Недостатком такого вычисление среднего является, то, что для “стабилизации” показаний нужно делать иногда очень много измерений, что естественно приводит к торможению всего процесса изменения. Более того буфер большего объема сжирает память микроконтроллера, что не всегда есть хорошо. Тут и возникает проблема, как бы быстрее измерять, с меньшими ресурсами и получить “стабильные” показания.


Скользящее среднее.

Для этого придумали так называемое скользящее среднее, как это формулах и в математике описывать не будем, тут главное понять сам смысл. Для вычисления скользящего среднего нам так же понадобиться БУФЕР, но естественно на порядок меньшего размера, чем для вычисления обычного математического среднего. Берется отдельно параметр СУММА, который содержит общую сумму данных в буфере, а также мы имеем параметр УКАЗАТЕЛЬ, который будет показывать, с каким данными в буфере выполняются вычисления.

Простое скользящее среднее работает, так:

  1. При получении измерения, мы из параметра СУММА вычитаем значение параметра из БУФЕРА на который указывает УКАЗАТЕЛЬ.
  2. Полученный параметр, текущего измерения, записываем на место в БУФЕР на который указывает УКАЗАТЕЛЬ.
  3. Увеличиваем указатель и проверяем достиг ли он конца БУФЕРА если достиг устанавливаем его в начало.
  4. К параметру СУММА прибавляем текущее измерение, а для получения усредненного значения, делим на размер нашего буфера.

 


Как это все будет выглядеть в Си.

Опишем саму структуру буфера:

Также не забудем про константы, тут мы должны указать сколько нам таких фильтров нужно и какая глубина фильтра.

И сама функция вычисления скользящего среднего.

Как все это применять. Например, можно в прерывания АЦП вставить строку с функцией или вставить её в основном цикле работы программы:

В ней данные с АЦП обрабатываются в фильтре с номером 0. И помещаются в буфер отфильтрованных данных, которые можно в дальнейшем использовать для анализа работы или регулировки процесса.


Проблема медленно изменяющего параметра.

Когда параметр медленно изменяется, то в момент дискретизация когда значения находиться межу цифрами, мы можем видеть, то одно, то другое значение. Например, вы сделали спидометр и когда скорость медленно меняется, мы видим “то 7, то 8” и такое “блыманье” часто раздражает. Это можно устранить увеличив глубину фильтра вычисляющего среднее значение, но это приведет так называемой нежелательной “интеграции” параметра визуализации, например скорость уже 100, а показания спидометра медлен нарастают еще несколько секунд. Или вы уже остановись а спидометр еще “Едет”.

Частенько такую проблему решают дискретностью вывода параметра на индикатор, например раз в секунду. На многих индикаторах  (регуляторах) температуры, часто есть такой параметрах, который разрешает обновлять индикация, например, 1 раз в минуту, но это не всегда удобно и практично, а часто и неприемлемо.

Для этого я применяю такой прием, я для него придумал название итерационный фильтр. Суть заключается в том, что поступившие данные сравниваются с предыдущим значением и если значения равны, то счетчик итераций обнуляется. Если же не равны, то начинает работать счетчик итераций и когда достигает заданного значения, новые данные заменяют место старых. Для устранения влияния на работу на больших изменениях параметра, вводиться понятие порога, выше которого данный фильтр неактивен.

Структура данных для фильтра имеет следующий вид:

Для его работы нужны две функции, инициализации (задания параметров) и сам фильтр.

Использовать следующим образом, сначала инициализация:

Затем в рабочем цикле (или в прерываниях процесса измерения) вставляем фильтр:


Библиотека с расширенными параметрами, описание в комментах. В этой библиотеке есть расширение которое позволяет использовать скользящее среднее с изменяемыми параметрами в программе, только не забудьте при изменении глубины фильтра необходимо инициализировать указатель, сумму и сам буфер обнулить!!! (смотри описание в библиотеке).

Значок

Moving average - скользящее среднее (библиотека V3.0) 3.27 KB 13 downloads

Скользящая средняя, скользящее среднее (англ. moving...
Login Required Message:

Это может быть интересно


  • MTouch® Модуль Емкостной Библиотеки для MPLAB®X Code Configurator (MCC)MTouch® Модуль Емкостной Библиотеки для MPLAB®X Code Configurator (MCC)
    Введение MTouch ® Модуль Емкостной Библиотеки для MPLAB ® X Code Configurator (MCC) позволяет быстро и легко генерировать решение кода на  Cи для емкостной сенсорной кнопки, датчика приближения и слайдера. В записи нет …
  • Инфракрасный датчик движения, PIR-sensorИнфракрасный датчик движения, PIR-sensor
    Домашняя автоматика предполагает наличие датчиков движения, которые способны контролировать движения человека. Самым простым и доступным устройством позволяющие контролировать изменения ИК-излучения, это ПИР-сенсоры. На текущий момент доступны не дорогие модели D203B, D204B, D205B. Все они позволяют …
  • Trimax – кодирование и декодирование ИК-командTrimax – кодирование и декодирование ИК-команд
    Первое, что надо понять назначение кнопок клавиш пульта, а также, что за кодирование реализовано в ИК- пульте. Для назначения клавиш обратимся к описанию, а для взлома кодирования воспользуемся старым и …
  • Гаджеты для домашней автоматики – Емкостной сенсорГаджеты для домашней автоматики – Емкостной сенсор
    Управление светодиодным освещением – Сенсор емкостной. Данный гаджет предназначен для управления освещением где необходимо включением освещение сенсорным прикосновением. Датчик позволяет управлять светодиодной нагрузкой в виде модулей или светодиодных лент освещения. Питание …
  • ESP32-первое знакомствоESP32-первое знакомство
    Музыкальная тема к статье, слушаем: Настало время познакомиться c ESP32 и для меня, для этого я приобрел в ГАММЕ отладочную плату с модулем ESP-WROOM-32 (ESP32-DevKitC). Первая задача, как он подключается, …
  • Просто о внешних переменныхПросто о внешних переменных
     Часто возникает задача когда необходимо предавать данные между модулями программы. Например, передать данные между файлами, или управлять работой модулей. Для этого создаем заголовочный файл и описываем наши переменные как внешние. В …
  • Обновление ESP8266 c ESPFlashDownloadTool_v3.6.3Обновление ESP8266 c ESPFlashDownloadTool_v3.6.3
    Технология обновления следующая: Загружаем программу со страницы espressif.com. Разархивируем. Где находятся файлы, для прошивки? Заходим в каталоги Подключаем по схеме в статье WiFi ESP8266 (замыкаем BT2, перемычка). Запускаем программу, откроется два …
  • MCC – K42 – настройка модуля DMAMCC – K42 – настройка модуля DMA
    MCC – в версии v.3.95.0 и начиная ядра 4.85.0 конфигуратор предоставляет графический интерфейс для настройки модуля DMA. Для начала: Посмотреть какая версия МСС можно в закладке версии, если у вас …
  • Оптосимистор и его применениеОптосимистор и его применение
    Эрве Кадино “Цветомузыкальные установки” Ответ на вопрос – управление мощным тиристором или симистором, от терморегулятора. Статья в pdf[wpdm_file id=129 template=”link-template-calltoaction3.php”] Оптосимистор принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку …
  • Проект с использованием MCC часть 12-2Проект с использованием MCC часть 12-2
    Настало время для изучения шины I2C. Изучать будем на примере работы с индикатором RET012864E. Что изменили со старой схемы: В прошлой теме я затупил и не добавил подтягивающие резисторы которые необходимы …



 

Поделись этим!

Catcatcat

catcatcat

Development of embedded systems based on Microchip microcontrollers.