基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测-论文.pdf

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1、基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测刘二林，等基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测刘二林，姜香菊(兰州交通大学机电工程学院兰州，730070)摘要：建立了两轮自平衡车的动力学模型；设计了一种采用卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测控制算法的控制器；搭建了SIMUL／NK仿真模型，仿真分析了控制器中各参数对系统的影响；并将仿真程序移植到16位Freescale单片机中对两轮自平衡车进行控制；通过实测数据验证了所设计控制算法的合理性和设计电路的正确性。关键词：直立控制；卡尔曼滤波算法；仿真分析；两轮自平衡车；单片机D

2、OI编码：10．14016~．cnki．1O01．9227．2015．02．052Abstract：Thedynamicmodelofself-balancedual—wheelcarisestablished．AttitudedetectioncontrollerofSelf-balanceDu-a1．wheelCarbasedonKalmanfilterisdesigned．theSIMUL1NKsimulationmodelisset，andcontrollerparametersonsystemef-

3、fectsareanalyzedinsimulation．Thesimulationprogramistransplantedinto16bitFreescalemicroprocessorfortwo．wheeledvehi—clecontro1．Thedatacomingfromcontrollingsystemthroughexperimentsshowsthevalidityandrationalityofthehardwareandsoftware．Keywords：Uprightcontrol；K

4、almanfilteralgorithm；Simulationanalysis；Self-balancedual·-wheelcar；Singlechipmicrocom·-puter中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1001—9227(2015)02—0052—030引言1自平衡两轮车的数学模型两轮自平衡车(也称为两轮机器人或者思维车)具有极强自平衡两轮车在忽略转弯因素的前提下，与一级倒立摆的的灵活性，它的行为与火箭飞行器及两足机器人行走有很大的模型相似，其系统示意图如图1所示。图la为两轮

5、自平衡车系相似性，因而对其进行研究受到国内外机器人领域的高度重统的示意图，图lb为简化后系统的示意图。图1b系统等同于视。双轮自平衡车，属于同轴平行布置的结构，即两个车轮轴倒立摆系统，可以按照倒立摆系统进行建模。连接在同一根轴线上，它与倒立摆(In—vexedPendulum)系统相似，其重心位置在支点上方。两轮行走机构是自然不稳定体，为高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，在非控制状态下，其不能保持自身平衡n。国内外很多学者对于两轮自平衡车进行了研究。文献【1】设计了状态反馈控制器(LQR)，实现了对

6、两轮自平衡车的控制；文献【2】针对两轮自平衡车具有非线性、强耦合和绝对不稳定特点，提出一种分层模糊控制方法。文献[11]应用卡尔曼滤波融合陀螺仪和加速度计输出的信号，补偿了陀螺仪输出角速度的a自平衡车示意图b简化系统示意图图1系统示意图随机漂移误差，得到了自平衡两轮车姿态的最优估计，有利于系统中，自平衡车车轮与电机处于车轴附近，且电机及变自平衡两轮车的控制。速系统基本不随车体摆动，这部分质量统一划归为车轮质量论文中通过加速度传感器，检测自平衡车姿态，并采用卡M；车轮为塑料橡胶复合体车轮，且车轮质量较小，这一部

7、分尔曼滤波算法得到姿态的最优估计。论文在分析两轮自平衡车转动惯量可以忽略不计；自平衡车电池、单片机、控制电路运动特性的基础上，建立了其数学模型；依据卡尔曼滤波原板、陀螺仪及加速度传感器安装在车体上，假设其为均质体，理，在Matlab环境中设计了角度检测系统，通过仿真验证了所质量为m；忽略车轮与地面摩擦、忽略车辆行驶时风阻影响，设计检测系统的合理性及有效性。在自平衡车控制过程中，将忽略齿轮之间的摩擦。建立水平和垂直运动状态方程如下：程序移植到了16位Freescale单片机中，对系统进行控制，并通过无线传输模块

8、将检测到的数据上传至上位机进行显示』b=Fylsin0一fcos0(1)分析。2+lsin0)=Fx(2)dt—收稿日期：2014—12-062{基金项目：甘肃省科技计3t,】资助(1208RJYA019)m，cos0=Fy—mg(3)作者简介：刘二林(1977一)，男，河南，讲师，主要研究方向为智能控制。检测技术。52