两轮自平衡车运动姿态的测量和控制-论文.pdf

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1、两轮自平衡车运动姿态的测量和控制·71·两轮自平衡车运动姿态的测量和控制马思远，鲁庭勇，张丽君(1．西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049；2．长安大学电子与控制工程学院，陕西西安710064)摘要：两轮自平衡车姿态测量与控制是两轮自平衡车设计的关键环节。针对两轮自平衡车倾角的测量问题，采用了卡尔曼多传感融合算法。该算法融合了加速度传感器和陀螺仪传感器数据，实现了两轮自平衡车倾角实时在线估算。根据测量得到的倾角和角速度，采用了比例微分(PD)控制算法，实现了两轮自平衡车姿态的稳定控制。关键词：陀螺仪；加速度传感器；数据融合；动态测量；卡尔曼滤波中图分类号：TP212．

2、9文献标识码：A文章编号：1000—8829(2015)04—0071—03AttitudeMeasurementandControlofTwo-WheelSelf—BalancingCarMASi—yuan，LUTing—yong，ZHANGLi-jun(1．SchoolofElectricalEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China；2．SchoolofElectronicandControlEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710064，China)Abstract：

3、Attitudemeasurementandcontro1arethecriticalstepsinthedesignoftwo—wheelself-balancingcar．Kalmanmulti-sensorfusionalgorithmisproposedfortheanglemeasurementofthetwo··wheelself-balancingcar．Realtimeonlineestimationoftheangleisrealizedwiththefusionofthedatafromaccelerometerandgyro—scope．Proporti

4、onaldifferential(PD)controlalgorithmisproposedaccordingtothemeasuredangleandangularvelocity，andthestablecontroloftheattitudeforthetwo—wheelself-balancingcarisrealized．Keywords：gyroscope；accelerometer；datafusion；dynamicmeasurement；Kalmanfilter两轮自平衡车是一种具有自平衡能力的新型轮式角测量在线估计的实时I生，简化了模型，提出了一种适车，其

5、以转弯半径小、能耗低的特点，在很多特殊场合合在单片机上实现的卡尔曼滤波算法。该算法融合陀得到了广泛应用。特别在工作区域狭小、需要经常螺仪传感器和加速度传感器的输出信号，通过比例微转向的场合，其独特的优越性体现得更为突出。两轮分控制算法控制驱动电机，实现两轮自平衡车的姿态自平衡车已成为国内外学者的热门研究对象。自平衡。两轮自平衡车是一个复杂系统J，大体上可以分1两轮平衡控制模型为姿态自平衡、速度控制、转向控制，以及异常过程处理J。在本文中只讨论关键的两轮自平衡车的姿态两轮自平衡车系统结构具有传统的一阶倒立摆的自平衡问题。两轮自平衡车通过对车身倾角的测量，特性，但受到的干扰因素更

6、多。两轮自平衡车布局采控制车身前进或后退以保持车身平衡。因此两轮自平用两轮平行布置，两轮电机驱动，为自平衡车提供动衡车倾角的实时在线估计与对驱动电机的控制算法，力。两轮自平衡车平衡控制过程如图1所示。实现过直接影响着车身的自平衡性能。程是由传感器测量车体倾角，单片机根据车体倾角调本文在保证倾角测量精度的前提下，为了提高倾节电机的转速与转向从而使车体保持直立。以两轮自平衡车为研究对象，对两轮自平衡车倒立摆模型分析。建立如图2的简化倒立摆模型J。车收稿日期：2014—02—27基金项目：陕西省重点科技攻关项目(2001K10一G1)体的重心高度为f，质量为m，车体的倾角为0，车体

7、正作者简介：马思远(1991一)，男，陕西西安人，硕士研究生，主要在以加速度为0的速度向右运动。从事嵌入式、智能测控、工业自动化的研究；鲁庭勇(1988一)，假设车体处于如图2所示的倾斜运动状态。在加男，四川眉山人，硕士，主要从事嵌入式、智能测控、电动汽车电速度为。的车上(非惯性系，以车轮作为参考系)观机控制的研究。察，车体重心处受到两个力：重力及因加速运动而产生·72·《测控技术))2015年第34卷第4期于平衡状态下的，当车体处在非平衡状态时，就会因车体加速度的叠加干扰造成测量数据失真。2．2应用陀