两轮自平衡机器人惯性传感器滤波问题的研究.pdf

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1、第23卷第5期传感技术学报Vo1．23No．5CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSMav20102010年5月ResearchonFilteringProbleminInertialSensorsforaTwo-WheeledSelf-BalancedRobotGAOYuanyuan，RUANXiaogang，SONGHongjun，CHENJing(CollegeofElectronicInformationandControlEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Be

2、ijing100124，China)Abstract：AimingattherandomdrifteITorfrominertialsensorsofatwo．wheeledself-balancedrobotattitudemeas．uring，asimpleandpracticalfilteringalgorithmbasedonKalmanfilterwhichwasimplementedtoinformationfusionforinclinometerandgyroscopewasproposed，thusrealizingoptimale

3、stimationfortherobotgesturesignalaftersen—sorserrorcompensation．TheexperimentalresultsshowedthatthemethodbasedonKalmaninformationfusiontoobtaintheoptimalestimationwaseffectiveandfeasible．Itisalsobeneficialtocompletetherobotself-balancingcontro1．Keywords：attitudeestimation；infor

4、mationfusion；Kalmanfilter；inertialsensorsEEACC：2575：7230两轮自平衡机器人惯性传感器滤波问题的研究木郜园园，阮晓钢，宋洪军，陈静(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)摘要：针对惯性传感器在两轮机器人姿态检测中存在随机漂移误差的问题，基于卡尔曼滤波实现对倾角仪与陀螺仪的信息融合，设计了简单而实用的滤波算法，对传感器的误差进行补偿后得到机器人姿态信号的最优估计，从而将其应用于两轮自平衡机器人系统。实验结果表明，采用卡尔曼信息融合的方法，来得到机器人姿态信息最优估计是有效可行的，并且有

5、利于机器人完成自平衡的控制。关键词：姿态检测；信息融合；卡尔曼滤波；惯性传感器中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1004—1699(2010)05—0696—05两轮自平衡机器人是一个典型的欠驱动系统，针对这两种传感器的特点需要对其采集的信息进行它是通过姿态传感器来检测车体的倾斜角度与角速融合，来得到可靠的姿态信息。卡尔曼滤波具有较度，并将其检测到的信号传递给控制器，计算得到控强的抑制干扰的能力，并能使控制方式具有良好的制量驱动左右电机，控制机器人前进或后退从而实动态性能，在非线性最优估计领域得到了很好的应现自平衡控制。因此传感器姿态

6、信号的优劣直接影用。采用卡尔曼滤波器对倾角计和陀螺仪的数据进响了机器人的控制性能。而一般的惯性传感器所测行融合，来实现机器人的自平衡控制。量的数据存在大量的噪声，两轮自平衡机器人一般针对姿态传感器的信息融合问题，采用卡尔曼采用的姿态传感器有倾角计和陀螺仪。用陀螺仪一滤波来实现的研究已有许多。澳大利亚西澳大学机般测量机器人的角速度，其动态性能好，适于测量快械工程学院RichChiOoi所设计的卡尔曼滤波器没速变化的信息，测量数据经积分处理后得到机器人有考虑传感器误差模型⋯，倾角滤波后误差还比较车体的倾斜角度，但数据存在累积误差。当其长时大。哈尔滨工业大

7、学机器人研究所王晓宇，赵杰等间工作时累积误差会无限增大，导致系统无法正常人提出了用扩展卡尔曼滤波的算法来设计滤波器，工作。用倾角计测量车体的倾斜角度，它静态性能他们考虑了传感器误差模型，但其状态方程相对来好，适用于测量缓慢变化的信息，数据也存在误差。说较为复杂，应用在机器人上难以得到快速响项目来源：国家自然科学基金资助项目资助(60774077)；国家“863计划”资助项目资助(2007AA04Z226)收稿日期：2009—11—18修改日期：2009—12—29第5期郜园园，阮晓钢等：两轮自平衡机器人惯性传感器滤波问题的研究697应]。本实验室在之

8、前也针对两轮机器人设计了出为0～5V的标准电压信号。实物如图2所示：一种卡尔曼滤波器，但是只是针对陀螺仪进行