两轮小车姿态检测与平衡控制研究.pdf

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1、·26·工业仪表与自动化装置2014年第3期两轮小车姿态检测与平衡控制研究卢锋(西安文理学院，西安710065)摘要：在两轮自平衡小车基础上，完成了基于加速度计和陀螺仪的姿态检测，运用互补滤波算法对数据进行了融合处理，结合PID控制器，实现了小车的自平衡及运动控制。绘制了各传感器及融合后的数据波形，通过实际的运行，表明了该方案可以实现两轮自平衡小车的精确控制。关键词：加速度计；陀螺仅；互补滤波；自平衡控制中图分类号：TP273文献标志码：B文章编号：1000—0682(2014)03—0026—03Theresearchofvehicleattitud

2、edetectionandbalancecontrolLUFeng(Xi'anUniversityofArtsandScience，Xi'an710065，China)Abstract：Thisarticleusedself—balancetwowheelvehicle，completedattitudedetectionbasedonaccelerometerandgyro，appliedthecomplementaryfilteringalgorithmfordatafusionprocess，combinedwithPTDcontroller．a

3、chievedself．balanceandmovecontro1．DrewthesensorsandfuseddatawaveforlTl，throughtheactualoperation，indicatedthatthemethodcanachieveprecisecontrolforself-balancetwowheelvehicle．Keywords：accelerometer；gyro；complementaryfilter；self—balancecontrol运用两片陀螺仪ENC一03及三轴加速度传感器0引言MMA7361作为姿态检测

4、元件，外加电机驱动、速度双轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器检测、电源等模块搭建了两轮自平衡小车平台；运用人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，且因互补滤波对姿态检测信号进行了数据融合，结合速其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束，所以度反馈信号调用PID，实现了两轮自平衡小车系统其控制任务也具有复杂性，需要在完成平衡控制的的设计。同时实现直立行走等任务。因其既有理论意义又有1自平衡的控制原理使用价值，双轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注⋯。双轮自自平衡小车两轮共轴着地，独立驱动，车身位于平衡小车作为倒置系统的一

5、种形式，是动力学理论车轮轴上方，姿态传感器安装于车身中心位置，微处和自动控制理论与技术相结合的研究项目，为科学理器通过读取姿态信息，驱动2个轮子的电机正、反理论的发展起到了指导作用。且由于结构简单、运转或是差速，实现车身的平衡运动。当车体发生倾动灵活以及适合在更小的空间里工作，有着一定的斜时，微处理器获得角度和角速度信号，经过融合计应用前景。算，驱动电机向相同方向运动，抵消在这个维度上的该文在16位单片机MC9S12XS128的基础上，倾斜力矩，保持车身平衡，如图1所示。两轮自平衡小车可以看作一级倒立摆模型进行收稿日期：2013—10—17分析，建立小

6、车的运动微分方程需要2个条件。：基金项目：西安市科技计划面上项目(CXY1134WL19)；西安市①能够精确测量车身倾角和角速度的大小；②可以科技计划重大项目(CX12189WL10)控制车轮的加速度。作者简介：卢锋(1982)，男，陕西城固人，检测技术与自动化装置专业硕士研究生，主要从事自动化相关专业教学及科研工作。2014年第3期工业仪表与自动化装置·27·f，

7、7角加速度方向生改变，通过放大检测电路输出与加速度成正比的焉∞馘电压信号l4J。当检测模块与车身平行安装时，感应向左／／车体向右，车／倾斜，车输出的是z轴方向电压变化，变化规律为△u=左加

8、／轮向右加kgsinO，其中g为重力加速度，0为车身倾角，k为比行／／_速运行日例系数。当倾角比较小的时候，输出电压的变化可三，／车轮运行方向以近似与倾角成正比。c、前倾矫正陀螺仪利用了旋转坐标系中物体会受到科里奥图1车身平衡控制原理利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元，2自平衡的硬件设计当器件旋转时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。系统中选用EN一03系列陀螺仪，对前面分析指出小车系统的平衡依赖于准确的姿输出的角速度信号进行积分便可以得到车模的倾态检测和可控的加速度，下面将详细介绍这两部分角。加速度计与陀螺仪电路如图2所示。系统中使硬

9、件电路的设计。用了两片陀螺仪分别用来检测轴和】，轴方向上2．1车辆姿态检测电路的角速度，C21