基于自适应互补滤波算法的轮式倒立摆控制.pdf

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1、第6期组合机床与自动化加工技术No．62014年6月ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechniqueJun．2014文章编号：1001—2265(2014)06—0066—03DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2014．06．018基于自适应互补滤波算法的轮式倒立摆控制兰建军，李佳璐，刘颖，张秀宇(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)摘要：针对倒立摆控制系统中需要建立复杂的数学模型问题，提出一种利用加速度计和陀螺仅进行倒立摆姿态检测和控

2、制的惯性测量方法。为准确获取轮式倒立摆的姿态信息，采用自适应互补滤波算法对两种惯性传感器的测量数据进行融合，并将控制方案在设计的轮式倒立摆装置上进行了实验测试。实验数据表明，利用惯性测量和自适应互补滤波算法的方案无需建立复杂的倒立摆数学模型，同样可以准确可靠的获取倒立摆的姿态信息，实现倒立摆的姿态控制。关键词：倒立摆；姿态控制；惯性测量；自适应互补滤波器中图分类号：THI66；TG65文献标识码：AControlofWheeledInvertedPendulumBasedonAdaptiveComplementaryFi

3、lterAlgorithmLANJian-jun，LIJia—lu．LIUYing．ZHANGXiu．yu(SchoolofAutomationEngineering，No~heastDianliUniversity，JilinJilin132012，China)Abstract：Aimingatproblematiccomplexityofmathematicalmodelingininve~edpendulumcontrolsys—tern，aninertialmeasurementmethodisbroughtfo

4、rward．Toreducetheerrorofattitudeestimation，ana—daptivecomplementaryfilteralgorithmisadoptedtofusethedatafrominertialsensors，andthecontrolschemeistestedininve~edpendulumequipment．Theexperimentaldatashowthatwithoutcomplexmathe—maticalmodel，theinvertedpendulum’Satti

5、tudeinformationcanbeobtainedfaithfulwiththemethodofin—ertialmeasurementandadaptivecomplementaryalgorithmfilter．Keywords：invertedpendulum，attitudecontrol，inertialmeasurement，adaptivecomplementaryfilter度计和陀螺仪的数据进行融合，并在设计的轮式倒立摆O引言实验装置上对方案进行验证，给出相关实验数据。倒立摆控制系统的研究对于揭示

6、机器人和飞行器1轮式倒立摆系统等系统的控制原理和方法具有重要的理论和实际应用意义⋯。倒立摆系统作为典型的非线性、强耦合、多变1．1系统概述量系统，要求控制系统应当具有良好的稳定性、鲁棒性轮式倒立摆系统结构图如图1所示，系统主要由以及随动性等性能。许多学者和科技工作者对旋转倒控制测量单元、电机驱动单元以及相应的机械连接和立摆的控制也提出相应的控制方案，其中较为典型是固定装置组成。为实现轮式倒立摆的转向，系统采用根据牛顿力学等原理建立倒立摆的数学模型后实施不独立的双电机驱动结构。控制测量单元主要包括主控同的控制策略的方案口。

7、上述方案的一个普遍特点制器模块(单片机)、角度传感器模块(加速度计和陀是需要建立复杂的数学模型，并且模型都是在忽略空螺仪)、测速模块(500线双向编码器)、电机驱动模块气阻力和摩擦力的前提下建立的，同时控制方案的实和电源模块(镍镉电池)。施都是依托PC机实现，控制成本较高，不适合旋转倒立摆系统的实际应用控制。为了提高旋转倒立摆控制系统的实用性，同时简化控制难度和降低控制成本。本文采样惯性测量方案对制测量单元倒立摆的姿态进行控制，研究以MC9S12XS128单片机电为控制器，采用加速度计和陀螺仪为角度传感器，在现有互补滤波

8、算法基础上，设计自适应互补滤波器对加速图1轮式倒立摆系统结构收稿日期：2013—10—16基金项目：国家自然科学基金资助项目(61304013)作者简：兰建军(1977一)，男，畲族，福建邵武人，东北电力大学讲师，硕士，主要从事智能测控技术及装置、无线传感器网络方向的教学和科研工作，(E—mail)eyzxl@mai