小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究.pdf

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1、小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究SmallTwoWheeledSelfBalancingElectricVehicleSystem蒙祖祈刘海刚项华珍王华果胡嘉沛(五邑大学信息工程学院，广东江门529020)摘要在小型两轮自平衡电动车控制方案中，常使用加速度计和陀螺仪作为其姿态检测传感器。但两者检测到的数据均存在误差，需要采用滤波器对其进行滤波。常用的有卡尔曼滤波器与互补滤波器，通过对两者算法进行仿真比较，以及在实际设计运用中加以验证，实验结果证明在此控制方案中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。关键词：卡尔曼滤波器，陀

2、螺仪，加速度计AbstractInthesmalltwowheeledselfbalancingelectricvehiclecontrolscheme，oftenusingaccelerationtransducerandgyro—scopeasitsattitudedetectingsensor．Butbothexisterrors，SOusefiltermakethewavesmootherThereisacommonlyusedKalmanfilterandcomplementaryfilter，throughthesimulationoft

3、healgorithmcomparisonandverificationinpracticaldesign．TheexperimentalresultsprovethatinthiscontrolschemetheKalmanfilterisbeterthanthecomplementaryfilter．Keywords：Kalmanfilter，gyroscope，accelerationtransducer小型两轮自平衡电动车控制方案，是使用姿态检测传感器式(1)中，u为加速度计某一方向上输出的电压值；g为重来检测小车姿态的变化，运用合适的运动控

4、制原理，驱动电机进力加速度；0为加速度计在此方向上的真实倾角；k为加速度计行相应的调整，以保持小车平衡。但在实际设计中，加速度计检灵敏度系数。当倾角k、0的数值足够小时，输出电压的变化可以测出来的数据易受小车运动速度影响，陀螺仪检测出来的数据近似与倾角成正比。易受温度影响，因此需要采用滤波器对其进行滤波。通过对卡尔实际设计中通过单片机的模数转换模块读取加速度计的输曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较，在基于出电压值，从而得到小车角度数值。其程序框图如图2所示。飞思卡尔公司KinetisK60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证，从而

5、得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。1控制系统分析与设计1．1系统分析图2控制加速度计或陀螺仪程序框图小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器、CMOS摄图2中，为了滤去采集数据时的毛刺，将采集到的电压值累像头传感器、矢量光电编码器、KinetisK60单片机、直流减速电加2O次后取平均值。机及其驱动电路组成。系统组成如图1所示。陀螺仪与加速度计1．3陀螺仪的数据经过AD转换后传至控制器中，通过滤波器进行滤波后，ENC一03陀螺仪是角速度传感器，可以输出一个和角速度获得较为精确的角速度成正比例关系的模拟电压信号。和角加速度数据，从而计陀螺仪j

6、Ij摄像头1I}矢／、箭⋯编码”⋯器陀螺仪的测量值可以表示为：⋯一r⋯⋯iI～一算得到角度偏差；摄像头—j一r—∞(t)-xo(t)+￡(f)仲(f)(2)1Jr+●I采集道路信息，进行路径其中，tI)一(t)是陀螺仪输出的角速度值，‘o(t)是真实的角速识别，使小车沿一定路径MCUK6O度值，v(t)是测量时所产生的白噪声，8(t)是随机温漂误差。快速运行；光电编码器采在实际设计中，可以通过单片机的模数转换模块读取陀螺集车轮速度，通过负反馈仪的输出电压值，从而得到小车围绕陀螺仪旋转时的角速度数控制小车速度；三者数据值。其程序框图如图2一样，只不过采

7、集的是陀螺仪的电压值。融合后，再通过PID算法1．4矢量编码器输出控制量，生成PWM图1小型两轮自平衡电动车系统组成小车进行角度姿态控制时会产生两个自由度上的偏移，除从而控制电机运行。用测量角度的加速度计和陀螺仪外，还需要增加测量两轮车位1_2加速度计移的传感器，这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量MMA7361是低功耗、低轮廓电容、微机械型加速度计。其编码器(AB相光电编码器)，其控制电路如图3所示。输出电压值与角度关系为⋯：2角度滤波算法分析△u=kgsine~-kge(1)从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰_2]，输出电压}2014

8、年广东省大学生创新创业训练计划项目一五邑大学第72号小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究与真实较相符的角度信