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12、低通滤波器、陷波滤波器、FTT频率分析工具的初步探索！

前言： 在APM的官方wiki中，其实是建议大家在使用脚本快速调参之前，先对组装好的飞机进行滤波器调参，如下图所示： 就一般的应用场景(遥控器飞行、自动航点飞行)而言，其实使用滤波器的默认参数的也没啥问题。 在一些高机动、高过载的应用场景下...

前言：

在APM的官方wiki中，其实是建议大家在使用脚本快速调参之前，先对组装好的飞机进行滤波器调参，如下图所示：

就一般的应用场景(遥控器飞行、自动航点飞行)而言，其实使用滤波器的默认参数的也没啥问题。

在一些高机动、高过载的应用场景下使用时，调好滤波器的参数会有非常大的性能提升！(如用AP固件飞穿越机、或者用来做高速追踪的应用)

由于滤波器的调参步骤比较复杂，需要配置的参数很多，如果没有调好，反而适得其反！

所以，我反而将滤波器的调参先放到后面，先用快速调参让飞机先平稳起飞，建立信心，然后再深入研究低通滤波器的使用！

滤波器相关调参APM官方wiki链接在此


滤波器的类型

AP固件提供2种软件滤波器来进行噪音的滤波，他们分别是：

1）低通滤波器

2）陷波滤波器

注意：滤波肯定是会增加延迟的，并且也会增加主控芯片的计算量！但是不滤波噪音又大，所以要取舍，在保证降低噪音的同时，尽可能少添加滤波器！


软件滤波器1：陀螺仪低通滤波器

1、低通滤波器的作用：

顾名思义，通过低频信号，将高频信号滤除，只留下飞机的真实姿态信号(也就是无人机机身姿态翻滚、俯仰、偏航的动作变化频率)。

无人机可视为刚体，受自身转动惯量、电机动力响应与机械结构约束，其真实姿态机动变化的有效带宽不会超过 30Hz！这是由无人机本体物理特性决定的固有极限。

因此可以理解为：陀螺仪采集到的高于30Hz的信号都是噪音信号！


2、为什么需要低通滤波器？

其核心原因就是飞控陀螺仪采集到数据，本身就夹带着很多噪音。因为陀螺仪每秒会采样上千次姿态数据（比如 2khz/4khz/8khz），但它收到的信号里，除了飞机的真实姿态变化，还混着大量的 “垃圾噪音”；

比如电机 + 桨叶在高速转速时产生的高频震动、无人机的载荷与机体连接间的震动、陀螺仪芯片本身的电子噪音(比如电路干扰、电源纹波）！

如果飞控直接用这些原始的数据来控制飞机，飞控会误以为飞机在高频抖动，疯狂输出修正指令，导致控制震荡！高频噪声会被放大，甚至导致电机失控、炸机！


3、低通滤波器的截止频率设置参数：

INS_GYRO_FILTER = 20(默认)，其含义是低于20Hz的信号通过并进入控制回路，高于20Hz的信号过滤掉！

这个20hz是非常保守的截止频率，基本上首飞能够保证80%的无人机飞行没有问题。

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调大的影响：如将INS_GYRO_FILTER = 60，会让整个控制回路的延迟更低，反应灵敏，但是可能引入噪音，引发无人机抖动，或者电机咔咔响！

调小的影响：如将INS_GYRO_FILTER = 15，那么就可以滤除更多的噪音，但是相位滞后会增大 ，最终 控制响应变慢、姿态偏软、易振荡！


4、低通滤波器的截止频率的上限参考(最大也不要超过150Hz！)

INS_GYRO_FILTER 的值也会在用户进行《根据桨叶与电池电压生成初始PID参数》的时候自动生成，详情请查阅前面的文档！

从MP地面站官方的计算工具来看，有以下参考数值(飞行后再做调整，如果姿态剧烈晃动再调小！)

2.5寸 6S动力的穿越机首飞时，官方建议INS_GYRO_FILTER=134Hz； (建议先降至100)

5寸 6S动力的穿越机首飞时，官方建议INS_GYRO_FILTER=75Hz； (建议先降至60)

7寸 6S动力的穿越机首飞时，官方建议INS_GYRO_FILTER=57Hz； (建议先降至40)

更多的值大家可以自行去调试计算！

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5、问题：既然无人机的姿态变化最多只有30Hz，为什么2.5寸穿越机的低通滤波的截止频率竟然可以开到134hz？

这是因为拉高低通不是为了接收更高频姿态，是为了减小滤波带来的相位滞后！提升响应速度！通常大数值的低通滤波器，需要搭配陷波滤波器使用！

对于一般情况下，常见的5/7/10寸桨叶穿越机，在第一次飞行测试时，INS_GYRO_FILTER= 40基本上问题不大，然后根据实际飞行效果进行调整！(如果发现抖动明显就降低，如果姿态平稳可以逐步提升到60)

对于25寸桨叶的无人机，MP地面站计算的INS_GYRO_FILTER= 20，其响应比较缓慢，大家可根据实际飞行后进行逐步增大！


6、低通滤波器的截止频率的原则：

  • 低通滤波器的截止频率越低，增加的延迟就越多。延迟会减缓无人机对陀螺仪数据的反应，从而减慢对控制输入的反应，最坏的情况就是让无人机变得不稳定！！！
  • 因此调试的过程中，要逐步提高低通滤波器的截止频率！既要滤波噪音的同时，又要延迟降低；(需要把握这个平衡度，既要又要)


7、低通率滤波器的截止频率如何设置？

默认INS_GYRO_FILTER = 20是非常保守的截止频率，大于24寸桨叶的无人机AP固件默认都是用的这个频率！但是对于小型机架可能会感觉反应迟缓！

INS_GYRO_FILTER的调试，是一个逐步尝试增大的过程，首次飞行的话，就先用MP地面站自动计算出来的。《根据桨叶与电池电压生成初始PID参数》然后在飞行的过程中逐步的增加！

通常对于平稳飞行的航拍机，较大的机型设置为40-60Hz即可，对于需要暴力飞行的竞速穿越机才需要设置到80-100Hz！



软件滤波器2：陀螺仪陷波滤波器

1、陷波滤波器的作用：

它是一种中心频率随电机转速动态变化的窄带滤波器，是专门为了解决无人机电机转动时的震动噪声而设计的，和低通滤波器是互补关系！

陷波滤波器它会实时跟踪电机的基频（Fundamental）和倍频（Harmonics），在这些特定频率点上，对特定频率的波峰做滤波，精准衰减震动能量.对于其他频率的信号几乎不受影响！

简单理解为在众多噪声中精准消除某个特定频率的噪声！

在AP固件中，动态陷波滤波器在调试的过程中，需要先设置好日志记录数据，然后将日志上传到在线网页工具FilterReview进行分析调试！


2、使用陷波滤波器的前提

1）飞控固件的需要支持双向Dshot，并且在刷写固件后设置相应的电调回传参数。飞控最好是H7的！有些飞控厂家是没有编译支持双向Dshot的固件，因此就无法使用转速陷波滤波器。

WFG100飞控编译有支持双向Dshot固件，详情请参阅文档《使用AM32电调时，飞控双向Dshot如何设置？》


2）必须要使用带有转速回传的电调：一般是性价比较高的AM32/BL32或者是带有转速回传的CAN电调！（AM32电调可使用物唯的W860电调）

3）开启并设置与陷波滤波器相关的日志参数，也就是要采集IMU的更多原始数据。如下：

  • 通常情况下如果我们只用主IMU即可 ，因此只需要勾选IMU1

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  • INS_FAST_SAMPLE= 3，此处我选择对2个IMU进行处理，大家可按需选择！

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  • INS_LOG_BAT_OPT = 5，勾选此处后通过网页分析IMU的 数据才会显示滤波前和滤波后的数据，当我们把滤波器调试完毕后记得关闭！否则日志量会很大！

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陀螺仪的采样速率参数INS_GYRO_RATE进行选择，如果是42688等IMU可以选到8K，如果是一般的国产IMU那么选择2K即可！

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3、陷波滤波器的核心参数

通过参数INS_HNTCH_ENABLE =1 开启陷波滤波器，开启后要重启，相关的参数才会显示出来！

刷新后，相关参数才会显示出来，如下：

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4、核心工作原理：

对于多旋翼无人机来说，它的最大的高频噪声来源就是电机转动时自身的震动、螺旋桨切割空气时的谐波震动，以及一些机架自身的震动！

AP固件里面的陷波滤波器就是对电机的基频、2倍频、3倍频.....一直到16倍频的特定频率进行滤波，它通过参数INS_HNTCH_HMNCS进行选择。

默认是对：电机的基频 + 2倍频进行陷波滤波！即默认INS_HNTCH_HMNCS = 3

对于大部分无人机，搭配低通滤波器，INS_HNTCH_HMNCS = 7，对电机的1 次谐波(1阶噪声)   + 2次谐波 (2阶噪声)  +  3次谐波(3阶噪声) 即可滤除干净！

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从上图中可以看到，能够对1倍电机基础频率噪声  - 16倍基频噪声进行滤波！

1 次谐波(或叫1阶噪声)：就是电机机械旋转不平衡而产生的噪音，通过电调回传的悬停平均转速➗60可以得出！(也就是电机的基频，比如本人7寸机的电机基频在135Hz左右)

2次谐波(或叫2阶噪声)：2叶桨的震动频率就会明显集中在此处！

3次谐波(或叫3阶噪声)：3叶桨的震动频率就会明显集中在此处！

.....

16次谐波(或叫16阶噪声)

上述这种震动峰随油门/电机转速的变化而移动，固定频率的陷波很难覆盖全油门范围，动态陷波就能专门对特定频率进行滤波，并且不影响其他频率，所以完美解决这个问题。



前面提到的电机的基频噪声，如何计算？

在2026年，带转速回传的电调非常成熟且便宜；

要有较好的陷波滤波效果，一定要使用转速回传的电调！(早期的方法是通过油门或FFT快速傅里叶变换进行电机基频确认，这个并不准)

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悬停个30秒后，可以通过飞行日志获取4个电机的平均转速，如下日志所示：

本人的4个电机的平均转速 = (7738+7456+8267+8598) /4 =  8015转；本人电机的基频 = 8015转 /60  约等于 133Hz。

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但其实电机的基频不需要我们自己计算，可以通过MP地面站的FFT功能获取，如下所示:(后续会详细进行讲解)

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5、陷波滤波器不能随意多开！

虽说一组陷波滤波器，可以勾选1~16阶的噪声对其进行滤波！ 根据AP的官方wiki介绍，启用过多的滤波器会导致 CPU 周期耗尽，并产生不可预测的结果。

在STM32H7的主控中启用3个谐波滤波(同时对1阶、2阶、3阶噪声进行滤波)是安全的。

在开启ESC 转速跟踪模式下，也就是INS_HNTCH_MODE = 3，每个电机都会获得一套完整的谐波陷波滤波器；

  • 假设机体是4旋翼，然后开启2次谐波(2阶噪声)，也就是INS_HNTCH_HMNCS = 3(开启1阶+2阶噪声滤波)，那么在Ardupilot软件里面就会开启4轴 * 2 = 8个陷波滤波器！
  • 假设机体是8旋翼，然后开启3次谐波(2阶噪声)，也就是INS_HNTCH_HMNCS = 7(开启1阶+2阶+3阶噪声滤波)，那么在Ardupilot软件里面就会开启8轴 * 3 = 24个陷波滤波器！

电机噪声主要就集中在1阶电机基频噪声、2阶噪声、3阶噪声！再往后的高频噪声基本上都被前面提到的低通滤波器滤掉了！

通常情况下我们对1阶噪声、2阶噪声进行滤波即可满足使用需求！对于大机架、重载、多旋翼、动平衡较差的电机或高 KV的电机，才需要开3 阶谐波滤波！



6、对每阶噪声又开启双重陷波/三重陷波叠加

前面已介绍过AP固件里面的陷波滤波器就是对电机的基频、2倍频、3倍频.....一直到16倍频的特定频率进行滤波，它通过参数INS_HNTCH_HMNCS = 3(开启1阶+2阶噪声滤波)或INS_HNTCH_HMNCS = 7(开启1阶+2阶+3阶噪声滤波)进行多阶滤波！

但是针对一些对于大型飞行器，电机噪声特性较为复杂，覆盖的频率范围比单个陷波滤波器所能覆盖的范围更广；

为了解决这种，电机噪声频谱宽，单个陷波滤不干净的问题，AP固件可以通过参数INS_HNTCH_OPTS开启2重陷波叠加或者3重陷波叠加，如下图所示可勾选2重或3重。

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注意：根据官方的描述，现在更建议开启3重陷波叠加，不建议开启2重！双陷波的最大衰减位于中心频率两侧，因此对于峰值非常明显的小型飞机来说，使用双陷波通常会适得其反。


可能很多朋友可能到此处还是无法理解，1阶2阶3阶滤波和这个多重滤波关系，此处再做进一步举个例子：

  • 大型无人机电机噪声中心在 150Hz，但实际分布在 125Hz-185Hz 之间，单陷波只能把 150Hz 压下去，130Hz、180Hz 的噪声还在，姿态依然会抖。

此时我们也可以通过参数INS_HNTCH_BW将带宽调大，比如可以将带宽调为左右各40HzINS_HNTCH_BW = 40 HZ去压制，但是带宽拉太宽，会误伤有用姿态信号，引入相位滞后、姿态变肉。此外带宽的也不能无限加大，最大建议只能到中心频率的1/4！

因此不是上策，我们通常是希望带宽的频率越低越好，因为陷波滤波器就是要精准的将某个特定的高频频率打下！

  • 如果采用双重陷波或三重陷波叠加，它会在一个中心频率，偏移一点点生成两个相邻的陷波，叠加后带宽变宽，覆盖更大的频率范围。
  • 对于小型穿越机，通常不需要开启双重陷波/三重陷波的叠加。大型多旋翼（比如八轴、六轴）噪声峰宽，再考虑双 / 三陷波


7、对陷波滤波器的几个关键参数进行调整

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针对参数 INS_HNTCH_OPTS，以下两处打勾的必选，使能所有IMU以及开启三重滤波叠加，可根据实际情况勾选，勾越多，CUP的计算量越多！(不过H7主控同时勾选4个都是没有问题的！)

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8、初识IMU频谱图

如下图所示，是本人7寸穿越机、1300KV电机、4S电池、3叶桨的无人机，在首次飞行30秒左右的IMU频率图！越红的区域代表振动强度越强！

(具体怎么查看频谱图，会在后续章节详细讲解)

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9、是否需要对其他倍频的噪音进行滤波？

通过下左图可以看到在除了基频135Hz有明显的红线外，几乎从400Hz到1200Hz都还有明显的红线。前面我们又说了陷波滤波器建议小于3个么，还有那么多频率的噪音怎么办？

这是因为，频谱图默认是选在Pre-filter选项中，查看的是，没有开启任何滤波器的原始数据。

查看下右图，点击Post-filter选项，查看开启低通滤波器的数据，此时就可以看到从400Hz到1200Hz震动明显被削弱，振幅都低于-50dB了，已经可接受了！

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10、如何查看陷波滤波器设置的良好？

1）当调整相关参数后，并飞行后，其Post-filter的振幅低于 -50db，视为可以接收！

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2）打开IMU频谱图，查看陷波滤波器是否能够稳定的追踪特定的噪音频率？

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关于FFT频率分析工具

  • 上文陷波滤波器提到的所有内容，都是默认一个前提：电调能够回传电机的转速，也就是通过电机转速，来驱动陷波滤波器工作。因为转速跟噪声频率是有对应关系的！

用户可以选择陷波滤波器的动态频率跟踪模式，将参数INS_HNTCH_MODE =3 ，这样便可以实时跟踪电机的转速，做动态陷波滤波！

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  • 如果用户使用的是老式的PWM电调，通常不具备转速回传的功能，那么没有电机转速回传如何做陷波滤波？就需要先使用FFT(对IMU的原始数据做快速傅里叶变换)
  • FFT它的原理是：在陀螺仪工作状态中，取512个点或1024个点的原始数据，然后利用这些数据在内部进行数学计算，从而确定噪声具体在哪个峰值、峰值在哪里 ？这种办法相比于用电机转速获取的噪声数据慢且精度较低。
  • 因此FFT更适合用来确定未知频率的噪声，比如用来探测机架的共振频率，但是它很吃CPU的频率！


  • 如果没有转速回传，那么可以用动态FFT来驱动陷波滤波器！(但建议FFT最好只是用来做机架共振处理，而不是做对电机做陷波滤波处理！)，FFT具体的关键参数设置如下：

1）FFT开启：FFT_ENABLE = 1 ,默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关FFT参数就会被刷新出来！

2）陷波滤波器的开启：INS_HNTCH_ENABLE = 1, 默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关陷波滤波器参数就会被刷新出来！

3）陷波滤波器的动态频率跟踪模式选择：INS_HNTCH_MODE = 4 , 此处区别于有转速回传的电调，采用FFT分析的噪声数据，来驱动陷波滤波器！

4）设置FFT的最大频率：通过参数FFT_MAXHZ进行设置！FFT的最大频率(估算) = 0.8 ✖ 满电电压 ✖ 电机KV值➗ 60  

5）设置FFT的最低频率：通过参数FFT_MINHZ进行设置！FFT的最小频率(估算) =500➗ 螺旋桨直径(英寸)  

6）设置FFT的采样刻度：通过参数FFT_WINDOW_SIZE进行设置！在H7飞控，至少请将FFT_WINDOW_SIZE = 512；频率分辨率(越低越好)  =  陀螺仪采样频率 ➗ FFT_WINDOW_SIZE

如果陀螺仪的采样频率能够开到1K/2K，请将FFT_WINDOW_SIZE = 1024(1K采样率下)  或   2048(2K采样率下)


FFT用法1： 机架共振处理

(不是每台飞机都有机架的共振频率，只有确定有机架共振频率后，才需要去处理！  机架的 共振频率是一个明显不同于电机基频率的峰值，也不是基频的倍数！)

假设我们的电调可以回传转速，并且已配置好了通过电机转速驱动陷波滤波器！

此时我们可以使用FFT来驱动第二组陷波滤波器，因为第一组的陷波滤波器由电机转速驱动。

1）FFT开启：FFT_ENABLE = 1 ,默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关FFT参数就会被刷新出来！

2）陷波滤波器的开启：INS_HNTC2_ENABLE = 1, 默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关陷波滤波器参数就会被刷新出来！

3）陷波滤波器2的动态频率跟踪模式选择：INS_HNTC2_MODE = 4 , 陷波滤波器1已配置为转速驱动！

4）设置FFT的最大频率：通过参数FFT_MAXHZ进行设置！FFT的最大频率 应该稍大于机架的共振频率

5）设置FFT的最低频率：通过参数FFT_MINHZ进行设置！FFT的最小频率 应该稍小于机架的共振频率

6）设置FFT的多帧结果去做平均，FFT_NUM_FRAMES = 0 ~ 3，默认是 = 0，不做平均！平均后的噪声、跳变会大幅减少，频率更稳！代价则是多帧平均 后 反应变慢。

FFT_NUM_FRAMES = n，就是用n次的数据去做平均！默认  =0 适合油门快速变化的穿越机，1~3适合大部分悬停居多的无人机，设置为4  ~ 5适合大型机，再高就不建议了 ！

7）设置FFT的采样刻度：通过参数FFT_WINDOW_SIZE进行设置！在H7飞控，至少请将FFT_WINDOW_SIZE = 512；频率分辨率(越低越好)  =  陀螺仪采样频率 ➗ FFT_WINDOW_SIZE

8）FFT_OPTIONS = 1

9）INS_HNTC2_FREQ = FFT_MINHZ

10) INS_HNTC2_BW=INS_HNTC2_FREQ / 2(根据实际情况再/3或/4)
11)INS_HNTC2_REF = 1

12) INS_HNTC2_FM_RAT = 1

13) INS_HNTC2_HMNCS = 1

14)INS_HNTC2_OPTS = 0机架共振一般无需开启多源；如果发现共振还有多个不同的频率，那么还可以开启多源，即INS_HNTC2_OPTS = 2



FFT用法2： 在没有电调回传的情况下，使用FFT驱动陷波滤波器1

1）FFT开启：FFT_ENABLE = 1 ,默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关FFT参数就会被刷新出来！

2）陷波滤波器的开启：INS_HNTCH_ENABLE = 1, 默认 =0关闭，开启后重启飞控，相关陷波滤波器参数就会被刷新出来！

3）陷波滤波器的动态频率跟踪模式选择：INS_HNTCH_MODE = 4 , 此处区别于有转速回传的电调，采用FFT分析的噪声数据，来驱动陷波滤波器！

4）设置FFT的最大频率：通过参数FFT_MAXHZ进行设置！FFT的最大频率(估算) = （0.8 ✖ 满电电压 ✖ 电机KV值）➗ 60  

5）设置FFT的最低频率：通过参数FFT_MINHZ进行设置，首次起飞时FFT的最小频率  = 500➗ 螺旋桨直径(英寸)；当飞行1个架次后通过日志查看从0推油门时，电机的噪音以什么频率开始出现！  

6）FFT_NUM_FRAMES = 0

7）FFT_OPTIONS = 1

8）设置FFT的采样刻度：通过参数FFT_WINDOW_SIZE进行设置！在H7飞控，至少请将FFT_WINDOW_SIZE = 512；频率分辨率(越低越好)  =  陀螺仪采样频率 ➗ FFT_WINDOW_SIZE

如果陀螺仪的采样频率能够开到1K，请将FFT_WINDOW_SIZE = 1024

如果陀螺仪的采样频率能够开到2K，请将FFT_WINDOW_SIZE = 2048


9）INS_HNTCH_FREQ = FFT_MINHZ

10) INS_HNTCH_BW=INS_HNTCH_FREQ / 2 (根据实际情况再/3或/4)
11)INS_HNTCH_REF = 1

12) INS_HNTCH_FM_RAT = 1

13) INS_HNTCH_HMNCS = 7







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