Onderwerp: Accurater wind berekenen RoosRepeater/Mux

Hi Chris, mijns inziens kan je beter een iets slimmer filtertje maken dan gewoon gemiddelde van 10.

Beste is denk ik om wat ruwe data op hoogste snelheid op te slaan en dan thuis wat spelen met simpele FIR of zelf IIR filtertjes.

Een filter met bv een gewogen waarde van de afgelopen N samples reageert al snel beter dan een gemiddelde van 10.

Eigenlijk zou je de demping configureerbaar moeten maken. Afhankelijk van de hoogte vd mast en golf frequentie kan je dan de optimale instelling kiezen.

roozeboos schreef :
Bij de ST60 kun je de reactiesnelheid instellen, van traag tot maximaal snel volgen van de data.
Bij een windset (directe input van de sensor) wordt het wel erg snel... voor digitale displays is 1 seconde een mooie reponsetijd.

1e orde laagdoorlaat:
Average-new = average-old * (n-1)/n + 1/n* nieuwe-waarde
Met n= 1, 2, 4, 8 etc reknr dat lekker snel, want shift Right.

Hebben we hier al wel vaker besproken.

Ik zou voor een eenvoudig IIR (exponentieel delay) filter gaan. Je hoeft dan slechts één waarde terug te onthouden en het filter gedraagt zich als een eerste-orde laagdoorlaat filter met bekende tijdconstante (tau) in sec. Dit is per definitie de tijd waarin een stap van 1 (unit step) op de input tot 0.63 is doorgewerkt op de output.

Wat dan veel makkelijker wordt is dat je de overige inputs dusdanig kunt filteren zodat de gefilterde waarden die je voor de performance berekening gebruikt consistent in de tijd zijn. Voorbeeld: als je bootsnelheid van nature (dus zonder filter op de STW) 4 sec. nodig heeft om 63% van de eindwaarde te bereiken, is het eigenlijk zinloos om de windsnelheid/richting veel sneller dan dat te filteren. Eigenlijk voeg je aan de snelle inputs dmv deze filtering dynamica toe zodat deze dezelfde dynamica heeft als de langzaamste output (wss de bootsnelheid).

Je kunt natuurlijk ook de windrichting corrigeren voor het stampen en slingeren, maar daarvoor is NMEA0183 wss te traag en heeft een mechanische windmeter te veel intertie.

Onderaan deze post een aantal nuttige links hoe de grote merken het doen...

Verwijderd. Brengt in deze draad geen zinvolle bijdrage.

Ik zou gewoon een lowpass filter gebruiken. Deze dempt de uitslag van de afwijkende waarden en is met één parameter te tunen.

Aswin schreef :
Het ene LP filter is het andere niet en er zijn veel meer dan één parameters om te tunen. Je kan er natuurlijk voor kiezen om maar één parameter naar buiten te brengen (goed idee lijkt me) maar je moet nog steeds beslissen welke /hoe.

Je kan van hele simpele moving average filters gaan naar zeer intelligente filters zoals een Kalman filter (wat hier waarschijnlijk heel goed zou werken maar mischien ook weer wat overkill is). Dit laatste filter probeert in feite te beslissen of een plotselinge uitslag 'random' is of echt en afhankelijk daarvan wordt de uitslag meer of minder meegewogen.

De vraag is idd ook wat je wil zien... Wil je elke variatie in performance zien in een golf? Waarschijnlijk niet, maar je wilt wel dat je filter snel genoeg is om een verandering van trim vrij snel te laten zien.

Een andere vraag is welke data je gaat filteren? Wind of snelheid? Allebei? Allebei met hetzelfde filter? Of alleen de uiteindelijke performance waarde?

Je zou kunnen argumenteren dat de STW/COG bv een beetje 'na-ijlt' op de wind dus dat een piekje in de wind een piekje in snelheid geeft maar iets later. Die variatie kan je er mogelijk uithalen door de performance te berekenen op de huidige snelheid maar de wind van heel even geleden.

Het probleem hier gaat zijn dat elke boot anders is en iedereen andere instrumenten heeft. Ik denk niet dat het mogelijk is om dit in het algemeen te doen. Ik denk dat als je tuned op je eigen boot je hier wel een groot voordeel mee kan halen..

Nou kijk ik al een paar jaar naar Performance op een display, en wat ik daar wil zien is dat er een seconde of wat na een trimactie (3 tot 5 seconden) een verbetering te zien is. Dat loopt dan niet 10 tot 20 seconden langzaam door (zeilen moeten zich 'zetten', boot moet op gang komen).

Wat wind betreft: het is idd vervelend als de TWA-meter met elke golf (of golfje van 20 cm) open neer zwiept. Dat demp ik dan door de Angle Response van de ST60 langzamer te maken. Idem voor de Speed response. Maar op helemaal vlak water zet ik dat weer terug naar zo snel mogelijk, dan kunn je eerder reageren op windwijzigingen.
Makkelijk instelbaar maken, dus.

Het punt is hier dat de log de voorwaartse snelheid van de boot meet. De windmeter meet de schijnbare windsnelheid en richting bij de masttop. Om de ware windrichting en snelheid te bepalen moet je de schijnbare windrichting en snelheid corrigeren voor de richting en snelheid van de masttop en dus niet van de boot zoals de log je geeft. Op vlak water en bij constante helling mag je aannemen dat beide (masttop en boot) een gelijke snelheid en richting hebben. Bij golven en windvlagen gaat dit echter niet op. De masttop gaat dan soms sneller en soms langzamer dan de boot. Dit zie je terug als variaties in de schijnbare windsnelheid en richting. Over de lange termijn is de snelheid en richting van de masttop echter wel gelijk aan die van de boot, dus over de lange termijn kan je dus wel de ware windsnelheid en richting bepalen. Vandaar dat ik een lowpass filter adviseer. Deze dempt immers de variatie op de korte termijn.

Een Kalman filter is voor dit probleem geen oplossing. De essentie van een Kalman filter is dat het de input van meerdere instrumenten gebruikt om de ruis in de metingen van individuele instrumenten te corrigeren. Het kan niet een meting van een aspect (bootsnelheid) omzetten naar een ander aspect (snelheid masttop). Dat laatste kan alleen indien je ook de draaisnelheid (om de lengte- en dwarsas) van de boot en de hoogte van de mast kent. Een gyro sensor zou je dat kunnen vertellen.

Mijn verhal gaat er tot nu toe vanuit dat je perfecte instrumenten hebt. Dit is natuurlijk nooit het geval. Een Kalman filter kan je wel helpen een betere schatting te krijgen maar je zal altijd moeten corrigeren voor het feit dat je de bootsnelheid meet en niet die van de masttop.

Aswin schreef :
We zijn het niet eens over wat een Kalman filter is.. Gaat misschien wat te ver om hier in detail te bespreken maar de essentie van een Kalman filter is volgens mij niet dat het meerdere instrumenten gebruikt. Ken prima op 1 enkel signaal. De essentie is dat het filter een voorspelling maakt van de volgende waarde en als de werkelijke waarde afwijkt van de voorspelling deze een kleiner gewicht krijgt.

Lees bv het stukje 'example application' hier en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter


Ik denk dus dat het effect dat BK noemt, dat hij zijn filter moet veranderen op vlak water, door een Kalman filter automatisch gedaan zou kunnen worden.
Maar het filter moet dan voor die boot, met die instrumenten getuned worden dus is niet echt een algemene oplossing.

Bas legt het 10x duidelijker uit dan ik deed, maar we bedoelen hetzelfde. Elk filter voegt dynamica toe aan het originele signaal. Indien je verschillende filters gebruikt voor verschillende inputs, verstoor je de relaties tussen die inputs in het tijd domein. Maar soms wil je dat juist! Verder dempt een laagdoorlaat filter frequenties (hopelijk ruis) in het signaal, naarmate de frequentie daarvan hoger ligt dan de cut-off frequentie.

Ik zou het voor nu echt zo simpel mogelijk houden; als het niet goed werkt kan het altijd beter zou ik maar denken, maar wellicht werkt het goed genoeg. Het moet ook onderhoudbaar en begrijpelijk voor de gemiddelde gebruiker zijn. Net zoals je stand-alone log of windmeter wss een "demping" heeft die je slechts met één parameter in kunt stellen, zou ik dus gewoon zo'n EMA filter gebruiken. Dit ziet er zo uit in het discrete domein:

klik

Om de enige parameter daarin fysisch zinvol te laten zijn kun je uitrekenen wat die moet zijn, afhankelijk van de tijdconstante die je wenst en de samplingfrequentie. Ik doe dit in mijn software, zodat het gedrag van het filter gelijk blijft indoen ik met een andere samplingfrequentie werk:

Ik zeg dus bv dat ik een tau wil van 1.5 sec voor de SOG; daar volgt dan (intern) een waarde tussen 0 en 1 uit voor alfa in de link hierboven.

Baasklusje schreef :
Duidelijk dat dempen op basis van de golf periode goed werkt in de praktijk. Al dan niet handmatig/automatisch

Ja dat is een goed punt denk ik. Meten hoe de pitch en roll is.
Ik heb in ieder geval in de repeater ook een 3 assige 14 bits accelerometer aan boord. dan zu ik nog kunnen meten hoe druk de boot is. en aan de hand daarvan de berekening automatisch aanpassen.

Bij het programmeren van mijn Raspberry performance box heb ik stukjes code van deze site gebruikt. Dat scheelde weer het wiel uitvinden. Jou doosje wordt toch ook in C geprogrammeerd ?

ja in C inderdaad.

Er is genoeg voorbeeld code voor dat soort functies. Die site ziet er ook goed uit.
En dat kan je dan weer tweaken. of delen gebruiken.

Probleem is meer dat ik de juiste parameters en instellingen moet gebruiken.

Snel hoeft het niet bij mij, het is niet realtime streaming audio bijvoorbeeld. Maar 1 keer per seconde nieuwe data.

roozeboos schreef :
Uiteindelijk is de golfperiode toch de enige parameter die je wilt gebruiken om de demping in te stellen. Met welke sensor je die golfperiode achterhaald lijkt me niet uitmaken. Pitch, roll, acceleration of SOG van gps. Het laatste blijkt wonderwel te werken. Goedkoop,geen extra sensor. Mijn voorkeur zou uitgaan van de snelste sensor die je ter beschikking hebt. Mogelijk kan de plaats van de sensor aan boord uit. Wat dat betreft heb jij het natuurlijk moeilijker dan ik. Jou ding moet voor verschillende boot types gebruikt kunnen worden.
In eerste instantie heb ik goede resultaten gehaald door met een 10Hz gps SOG een zeer sterk gedempt signaal te vergelijken met de actuele data. Dan is het tellen van de tijd tussen de verschillende tijdstippen waarbij het verschil tussen de actuele waarde en de sterk gedempte waarde nul is. Is die tijd lang moet je meer dempen dan als die kort is. Verder had ik het beperkt tussen de minimum van 2 en maximum van 20 seconden. Zolang je de gevonden golfperiode alleen gebruikt om de mate van demping te bepalen gaat dit prima.

3Noreen schreef :
Poor man's Kalman filter

Wat je beschrijft is precies een adaptief filter met randvoorwaarden...

Ik begrijp dat er al een gyro sensor in zit.

Als ik je goed begrijp wil je de wind ten gevolge van mast beweging door golven of plotselinge helling weg filteren.

De gyro geeft je de richting en snelheid (versnelling) van de rol. Dit maal de mast hoogte (instel parameter) geeft je de werkelijk te corrigeren waarde.

Of kijk ik hier te simpel naar? Lijktme schoner dan allerlei filters.

In principe klopt dit, maar geldt alleen voor een meting zonder massatraagheid. Stel je voor dat het vaantje door een stamp-beweging naar voren een zetje naar voren krijgt; vaantje draait dan na de stamp-beweging een stukje verder door dan je op basis van deze "motion induced wind" (een vorm van schijnbare wind) zou verwachten. Hij komt om dezelfde reden ook trager op gang uiteraard.
Mss is een combinatie van corrigeren en filteren het mooist, maar dat lijkt me lastig in te stellen. Bovendien wat doe je als een klant een ultrasoon meter heeft ipv mechanisch?

B&G doet het wel; ook voor mechanische meters. Systeem werkt met 4 Hz: blijkbaar is dat snel genoeg.

fer2nand schreef :
Hoe mooi deze werkwijze ook lijkt het heeft in de uitwerking twee problemen die zich slechts heel moeilijk laten oplossen.

a. de meeste windmeters hebben massa en dus last van massatraagheid.
b. de samples van wind en gyro zijn niet real time. De data komen met enige vertraging bij de processor binnen zonder dat je die vertraging exact weet. Om de voorgestelde berekening te kunnen uitvoeren moet je behoorlijk pressies het tijdsverschil tussen je giro sample's en wind sample's weten. Populair gezegd de giro kan denken dat de masttop naar links bewoog op het moment dat je wind sample genomen werd terwijl de mast in feite al op de terugweg was.

Je kunt natuurlijk door op beide signalen een Fourier transform toe te passen de signalen achteraf synchroniseren. Wat echter behoorlijk lastig is en vermoedelijk erg afhankelijk is van de specifiek gebruikte sensoren. Vandaar mijn hierboven voorgestelde Poor man's KISS methode.

10 Hz gps hebben de meesten niet aan boord.

Ik denk dat nachtvlinder de beste en simpelste oplossing geeft: de ewma.
Eenvoudig in te bouwen, en dan maar es kijken hoe dat bevalt.
Ik kan het instelbaar maken, zodat de gebruiker zelf kan kiezen.

de simpele ewma lijkt me wel wat:

nieuwe waarde keer de decay optellen bij de laatste average keer (1-decay)

zou dit zowel voor de TWA als de TWS moeten?

Ja! Met dezelfde filterconstante, tenzij.

PS: ik neem aan dat je de AWA en AWS reeds gaat filteren, dus voordat je de true wind gaat berekenen vanuit de gefilterde waarden.

het werkt al goed eigenlijk, response is mooi in te te stellen met de decay
Zou dit eigenlijk met alle gegevens op het lcd wel kunnen doen, zit ik me te bedenken. Wordt het een stuk rustiger.