專利名稱：兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種兩輪車用傳感器融合角度的獲 得方法。
背景技術(shù)：
陀螺儀技術(shù)經(jīng)歷了相當(dāng)一段時(shí)間的發(fā)展，經(jīng)典陀螺儀具有高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子， 依靠自身的性能可以捕獲自身的姿態(tài)。它最早是用于航海導(dǎo)航，后來在航空和航天事業(yè)中 也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀基本原理是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，強(qiáng)大的角動(dòng)量使旋轉(zhuǎn)軸一直 穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。
加速度傳感器技術(shù)是慣性和力的檢測(cè)綜合體，目前在汽車電子和消費(fèi)電子領(lǐng)域有 較多的應(yīng)用。加速度傳感器通過實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)件加速度信號(hào)，在器件處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài) 下，通過分析傳感器件自身重力加速度，得到目前器件的自身姿態(tài)。
但是在自平衡兩輪車系統(tǒng)中，陀螺儀的輸出是倒立擺偏轉(zhuǎn)角速度信息，再計(jì)算出 倒立擺的角度值；加速度傳感器的輸出是當(dāng)前物體的加速度，再計(jì)算出倒立擺的偏轉(zhuǎn)角。對(duì) 于倒立擺偏轉(zhuǎn)角確定而言，陀螺儀技術(shù)及加速度傳感器技術(shù)都存在運(yùn)動(dòng)件自態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 很難完全體現(xiàn)的不足。兩輪車在自態(tài)不斷變化的情況下，單獨(dú)利用陀螺儀或加速度傳感器 進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角確定存在真實(shí)性和穩(wěn)定性問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)上述背景技術(shù)存在的缺陷提供一種兩輪車用傳感器融合角度的獲 得方法，使得倒立擺偏轉(zhuǎn)角分析和處理的結(jié)果準(zhǔn)確真實(shí)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，包括 以下步驟(1)在兩輪車上固定有陀螺儀和加速度傳感器，兩輪車上設(shè)置有參考電源，所述參考電 源電壓設(shè)定為零點(diǎn)電壓；(2)陀螺儀采集兩輪車上角速度信號(hào)，加速度傳感器采集兩輪車上對(duì)應(yīng)加速度信號(hào)；(3)陀螺儀的輸出電壓及加速度傳感器的輸出電壓通過與所述零點(diǎn)電壓比較后產(chǎn)生差 值，所述差值通過兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，得到陀螺儀的 輸出與加速度傳感器的輸出；(4)陀螺儀的輸出通過積分處理可以計(jì)算出陀螺儀偏轉(zhuǎn)角度，加速度傳感器的輸出通 過與重力加速度的關(guān)系可計(jì)算出倒立擺偏轉(zhuǎn)角，將所得數(shù)據(jù)經(jīng)kalman濾波器進(jìn)行處理計(jì) 算出輸出的融合角度值；(5)所述兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有可對(duì)輸出的融合角度值進(jìn)行真實(shí)判斷的模糊控制 器，所述模糊控制器采集到輸出的融合角度值并得到相應(yīng)的估計(jì)值，kalman濾波器利用輸 出的融合角度值與相應(yīng)估計(jì)值之差得到殘差。所述模糊控制器模糊輸入殘差模值，進(jìn)一步 控制輸出的融合角度值。
進(jìn)一步地，所述陀螺儀及加速度傳感器所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出融合角度值的公式 是fused_angle=(1-kg)*(fused_angle+ J anglerate 氺dt)+kg氺A氺 arcsin (acc)其中fused_angle為融合角度值的輸出，anglerate為陀螺儀的輸出，acc為加速度傳 感器的輸出，A為系統(tǒng)參數(shù)，A* arcsin (acc)為倒立擺偏轉(zhuǎn)角,kg為通過kalman濾波器計(jì) 算出的調(diào)整因子；進(jìn)一步地，所述A取值為57. 29。
綜上所述，本發(fā)明兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法通過在兩輪車上固定陀螺 儀及加速度傳感器，利用kalman濾波器將陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)和加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù) 進(jìn)行融合，同時(shí)利用kalman濾波器殘差更為準(zhǔn)確真實(shí)的計(jì)算出倒立擺偏轉(zhuǎn)角度值。


圖1為本發(fā)明模糊控制器及kalman濾波器算法步驟。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，下面結(jié)合 附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，通過如下步驟實(shí)現(xiàn)(1)在兩輪車上固定有陀螺儀和加速度傳感器，兩輪車上設(shè)置有參考電源，所述參考電 源電壓設(shè)定為零點(diǎn)電壓；(2)陀螺儀采集兩輪車上角速度信號(hào)，加速度傳感器采集兩輪車上對(duì)應(yīng)加速度信號(hào)；(3)陀螺儀的輸出電壓及加速度傳感器的輸出電壓通過與所述零點(diǎn)電壓比較后產(chǎn)生差 值，所述差值通過兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀取后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，得到陀螺 儀的輸出anglerate與加速度傳感器的輸出acc。
(4)陀螺儀的輸出anglerate通過積分處理可以計(jì)算出陀螺儀偏轉(zhuǎn)角度gyro,進(jìn) 行必要的數(shù)據(jù)處理后，可以計(jì)算出陀螺儀偏轉(zhuǎn)角度gyro gyro = J anglerate*dt當(dāng)?shù)沽[靜止時(shí)，其只受到重力加速度的影響，通過必要的數(shù)據(jù)處理后，可以計(jì)算出當(dāng) 前倒立擺的偏轉(zhuǎn)角acc_angle acc_angle= A*arcsin(acc)當(dāng)?shù)沽[受到外力作用(如輪子)而具有X方向的加速度時(shí)，通過必要的數(shù)據(jù)處理后，可 以計(jì)算出輸出的融合角度值fused_angle fused_angle=(1-kg)*(fused_angle+ J anglerate 氺dt)+kg氺A氺 arcsin(acc)其中A為系統(tǒng)參數(shù)，本實(shí)施例中其設(shè)定值為57. 29，kg為調(diào)整因子，是通過kalman濾波 器計(jì)算出的卡爾曼增益。
(5)所述兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有可對(duì)輸出的融合角度值進(jìn)行真實(shí)判斷的模糊 控制器，如圖1所示，所述模糊控制器采集到輸出的融合角度值并能精確、迅速地得到相應(yīng) 的估計(jì)值，kalman濾波器利用輸出的融合角度值與相應(yīng)估計(jì)值之差得到殘差。所述模糊控制器基于殘差將輸出的融合角度值的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并調(diào)整相應(yīng)估計(jì)值使得kalman 濾波器輸出殘差趨近于零。所述殘差模值越大，輸出的融合角度值失真越嚴(yán)重。所述模糊 控制器模糊輸入殘差模值，進(jìn)而模糊調(diào)整kalman濾波器輸出殘差的方差，進(jìn)一步控制輸出 的融合角度值。
綜上所述，本發(fā)明兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法通過在兩輪車上固定陀螺 儀及加速度傳感器，利用kalman濾波器將陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)和加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù) 進(jìn)行融合，同時(shí)利用kalman濾波器殘差更為準(zhǔn)確真實(shí)的計(jì)算出倒立擺偏轉(zhuǎn)角度值。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范 圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)在兩輪車上固定有陀螺儀和加速度傳感器，兩輪車上設(shè)置有參考電源，所述參考電源電壓設(shè)定為零點(diǎn)電壓； (2)陀螺儀采集兩輪車上角速度信號(hào)，加速度傳感器采集兩輪車上對(duì)應(yīng)加速度信號(hào)； (3)陀螺儀的輸出電壓及加速度傳感器的輸出電壓通過與所述零點(diǎn)電壓比較后產(chǎn)生差值，所述差值通過兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，得到陀螺儀的輸出與加速度傳感器的輸出； (4)陀螺儀的輸出通過積分處理可以計(jì)算出陀螺儀偏轉(zhuǎn)角度，加速度傳感器的輸出通過與重力加速度的關(guān)系可計(jì)算出倒立擺偏轉(zhuǎn)角，將所得數(shù)據(jù)經(jīng)kalman濾波器進(jìn)行處理計(jì)算出輸出的融合角度值； (5)所述兩輪車控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有可對(duì)輸出的融合角度值進(jìn)行真實(shí)判斷的模糊控制器，所述模糊控制器采集到輸出的融合角度值并得到相應(yīng)的估計(jì)值，kalman濾波器利用輸出的融合角度值與相應(yīng)估計(jì)值之差得到殘差，所述模糊控制器模糊輸入殘差模值，進(jìn)一步控制輸出的融合角度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，其特征在于所述陀螺儀及加速度傳感器所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出融合角度值的公式是fused_angle= (1-kg) * (fused_angle+ ^ anglerate*dt) +kg*A* arcsin (acc) 其中fused_angle為融合角度值的輸出，anglerate為陀螺儀的輸出，acc為加 速度傳感器的輸出，A為系統(tǒng)參數(shù)，A* arcsin (acc)為倒立擺偏轉(zhuǎn)角，kg為通 過kalman濾波器計(jì)算出的調(diào)整因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，其特征在于所述A取值為57. 29。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法，其包括兩輪車上設(shè)置有作為零點(diǎn)電壓的參考電源及模糊控制器，陀螺儀的輸出電壓及加速度傳感器的輸出電壓與所述零點(diǎn)電壓比較后產(chǎn)生差值通過內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后將所得數(shù)據(jù)經(jīng)利用kalman濾波器進(jìn)行處理計(jì)算出輸出的融合角度值，所述模糊控制器采集到輸出的融合角度值并得到相應(yīng)的估計(jì)值，kalman濾波器利用輸出的融合角度值與相應(yīng)估計(jì)值之差得到殘差。所述模糊控制器模糊輸入殘差模值，進(jìn)一步控制輸出的融合角度值。本發(fā)明兩輪車用傳感器融合角度的獲得方法利用kalman濾波器及kalman濾波器殘差更為準(zhǔn)確真實(shí)的計(jì)算出倒立擺偏轉(zhuǎn)角度值。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103019093SQ201110287318
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者郭蓋華, 涂超, 周偉 申請(qǐng)人:東莞易步機(jī)器人有限公司