Как развернуть значения энкодера или углы, которые переносятся в определённой числовой точке
Работа с обёрнутыми величинами (углами, счётчиками, потоками по модулю) — распространённая задача в обработке сигналов. В этом коротком посте показаны два простых самодостаточных примера: статическая функция unwrap() и объект OnlineUnwrapper с сохранением состояния (для потоковой/онлайн-обработки). Оба варианта принимают на вход одномерные данные и сохраняют то же количество отсчётов.
Использование unwrap() — статическое (пакетное) развёртывание
Лучше всего подходит, когда у вас есть весь ряд данных целиком. Совет: задайте порог, если ваши значения или шум требуют другой чувствительности обнаружения переноса.
# Простой пример (самодостаточный)
import numpy as np
from UliEngineering.SignalProcessing.WrappedValues import unwrap
# Углы в градусах, обёрнутые на 360
wrapped = np.array([350, 355, 1, 3]) # скачок 355 -> 1 (перенос)
un = unwrap(wrapped, wrap_value=360)
print(un) # -> [350. 355. 361. 363.] (непрерывно возрастающий угол)Использование OnlineUnwrapper — онлайн/потоковое развёртывание
Используйте, когда данные поступают по одному отсчёту за раз или блоками. Поддерживает внутреннее состояние.
Примечание: Оба метода сохраняют количество отсчётов и работают только с одномерными данными. Используйте unwrap() для пакетной обработки, а OnlineUnwrapper — для обработки потоков в реальном времени или смешанного ввода скаляров/блоков.
# Онлайн-использование со скалярами и блоками
import numpy as np
from UliEngineering.SignalProcessing.WrappedValues import OnlineUnwrapper
u = OnlineUnwrapper(wrap_value=100) # счётчики с переносом на 100
# Передаём скаляры
print(u(10)) # -> 10
print(u(95)) # -> 95
print(u(2)) # -> 102 (перенос вперёд обрабатывается онлайн)
# Или передаём блок (одномерный массив)
chunk = np.array([98, 3, 5]) # продолжается с предыдущего состояния
print(u(chunk)) # -> array([ 98., 103., 105.])Код, использованный для построения графика выше
#!/usr/bin/env python3
# SPDX-License-Identifier: CC0-1.0
"""Пример: построение графиков обёрнутых и развёрнутых фазовых сигналов.
Лицензия: CC0 1.0 Universal — передача в общественное достояние (см. examples/LICENSE-CC0-1.0.txt)
Запуск как скрипт:
python examples/unwrap_plot.py # показывает график
python examples/unwrap_plot.py --save out.png # сохраняет в файл
Создаётся синтетический непрерывный фазовый сигнал, он обёртывается в [0,2*pi),
затем восстанавливается с помощью пакетной функции `unwrap()` и объекта
`OnlineUnwrapper` с сохранением состояния, чтобы показать их согласованность.
"""
import argparse
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use("ggplot")
from UliEngineering.SignalProcessing.WrappedValues import unwrap, OnlineUnwrapper
def make_data(n=1000, wrap_value=2 * np.pi, seed=0):
"""Создаёт непрерывный фазовый сигнал, который *меняет направление* в середине.
Первая половина имеет положительную угловую скорость, а вторая —
отрицательную угловую скорость, так что фаза меняет направление.
Возвращаемый ряд `wrapped` находится в диапазоне [0, wrap_value).
"""
np.random.seed(seed)
t = np.linspace(0.0, 10.0, n)
mid = n // 2
# угловые скорости (рад на единицу времени)
omega1 = 1.2 * 2 * np.pi
omega2 = -0.8 * 2 * np.pi
true_phase = np.empty(n, dtype=float)
# первая половина: положительный наклон + небольшое колебание
true_phase[:mid] = omega1 * t[:mid] + 0.8 * np.sin(2 * np.pi * 0.3 * t[:mid])
# вторая половина: начинаем от последнего значения первой половины для непрерывности
# и затем интегрируем отрицательную угловую скорость
start_phase = true_phase[mid - 1]
true_phase[mid:] = (
start_phase
+ omega2 * (t[mid:] - t[mid - 1])
+ 0.8 * np.sin(2 * np.pi * 0.3 * t[mid:])
)
# обёртывание в [0, wrap_value)
wrapped = np.mod(true_phase, wrap_value)
return t, true_phase, wrapped
def plot_example(save_path=None):
wrap_value = 2 * np.pi
t, true_phase, wrapped = make_data(n=1200, wrap_value=wrap_value)
# Пакетное развёртывание
static_unwrapped = unwrap(wrapped, wrap_value=wrap_value)
# Онлайн-развёртывание (в стиле потока)
u = OnlineUnwrapper(wrap_value=wrap_value)
online_unwrapped = np.array([u(x) for x in wrapped])
# Быстрая проверка
maxdiff = np.max(np.abs(static_unwrapped - online_unwrapped))
print(f"максимальная разница между unwrap() и OnlineUnwrapper: {maxdiff:.3e}")
fig, axs = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 6), sharex=True)
# отмечаем изменение направления на графиках
mid_idx = len(t) // 2
axs[0].axvline(t[mid_idx], color="#444444", ls=":", lw=0.8)
axs[1].axvline(t[mid_idx], color="#444444", ls=":", lw=0.8, label="изменение направления")
axs[0].plot(t, wrapped, color="#1f77b4", lw=1)
axs[0].set_title("Обёрнутый сигнал (0 .. 2π)")
axs[0].set_ylabel("фаза (рад)")
axs[0].grid(True)
axs[1].plot(t, static_unwrapped, color="#2ca02c", lw=1, label="unwrap()")
axs[1].plot(t, online_unwrapped, color="#ff7f0e", lw=1, ls="--", label="OnlineUnwrapper")
axs[1].plot(t, true_phase, color="#7f7f7f", lw=0.8, ls=":", label="истинная фаза")
axs[1].set_title("Развёрнутый сигнал (непрерывная фаза)")
axs[1].set_xlabel("время")
axs[1].set_ylabel("фаза (рад)")
axs[1].legend()
axs[1].grid(True)
plt.tight_layout()
if save_path:
fig.savefig(save_path, dpi=150)
print(f"График сохранён в {save_path}")
else:
plt.show()
if __name__ == "__main__":
p = argparse.ArgumentParser(description="Построение графиков обёрнутых и развёрнутых фазовых сигналов.")
p.add_argument("--save", dest="save", help="Сохранить график по этому пути вместо показа на экране")
args = p.parse_args()
plot_example(save_path=args.save)