一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，具体包括如下步骤：1)通过力学分析建立两轮智能车数学模型，采用极点配置法设计状态反馈矩阵，通过对多组期望极点进行仿真比较，进而得到能控稳定的系统状态方程；2)通过分析姿态检测传感器：加速度计和陀螺仪的特性，得到各自的误差模型，并采用互补滤波方法对这两种姿态检测传感器的误差模型进行融合；3)将经过互补滤波方法融合后的误差模型应用到两轮智能车的系统状态方程中，从而实现对智能车系统的设计。与现有技术相比，本发明针对两轮智能车系统中存在的问题，设计了互补滤波器来减小误差的影响，使得两轮智能车系统得到了优化。
【专利说明】一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能车领域，尤其是涉及两轮智能车的姿态检测误差设计方法。
【背景技术】
[0002] 两轮智能车是一种由两个同轴轮分别驱动、有自平衡能力的智能车，类似于一级 倒立摆，具有体积小、结构简单、转向灵活等优点。姿态反馈是设计控制系统的必要环节，因 此姿态检测误差对两轮智能车系统有很大影响。国内外很多研究学者通过不同方法建立了 两轮智能车模型，并且运用不同理论设计了相应的控制器，但对姿态检测误差的研究不尽 相同。
[0003] 目前很多学者从不同角度设计两轮智能车，但对其存在姿态检测误差的问题研究 不足，往往只研究了姿态检测传感器的本身特性，而没有结合两轮智能车系统进行充分研 究。例如：单独使用加速度计作为姿态反馈元件，这样使得实际系统无论在角度还是速度上 都会存在不同程度的震动；如果单独使用陀螺仪作为姿态反馈元件，两轮智能车的速度会 存在稳态误差，位移会不断增加，使得两轮智能车不能够稳定不动。因此需要解决加速度计 和陀螺仪存在检测误差的问题。
【发明内容】
[0004] 加速度计测量角度准确，但是在实际应用时存在高频噪声；陀螺仪不存在高频噪 声，但易受温度影响而存在漂移误差，并且陀螺仪低频特性差。本发明的目的是为了克服现 有技术存在的不足，提出了一种姿态检测误差的两轮智能车的设计方法。
[0005] 本发明采取的技术方案如下：通过设计滤波器来减小姿态检测误差，互补滤波器 可以用来处理姿态检测误差，并在实际应用中取得了很好的效果，所以引入互补滤波器来 解决两轮机器人系统存在姿态检测误差的问题。
[0006] 其具体实施的步骤如下：
[0007] -种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，包括如下步骤：1)通过力学分析建立 两轮智能车数学模型，采用极点配置法设计状态反馈矩阵，通过对多组期望极点进行仿真 比较，进而得到能控稳定的系统状态方程；2)通过分析姿态检测传感器：加速度计和陀螺 仪的特性，得到各自的误差模型，并采用互补滤波方法对这两种姿态检测传感器的误差模 型进行融合；3)将经过互补滤波方法融合后的误差模型应用到步骤1)两轮智能车的系统 状态方程中，从而实现对智能车系统的设计。
[0008] 所述步骤1)中，系统的状态方程为：
[0009]
【权利要求】
1. 一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 通过力学分析建立两轮智能车数学模型，采用极点配置法设计状态反馈矩阵，通过 对多组期望极点进行仿真比较，进而得到能控稳定的系统状态方程； 2) 通过分析姿态检测传感器：加速度计和陀螺仪的特性，得到各自的误差模型，并采 用互补滤波方法对这两种姿态检测传感器的误差模型进行融合； 3) 将经过互补滤波方法融合后的误差模型应用到步骤1)两轮智能车的系统状态方程 中，从而实现对智能车系统的设计。
2. 根据权利要求1所述的一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，其特征在于，所 述步骤1)中，系统的状态方程为：
其中，摆杆质量为M，左、右轮半径为R，摆杆与坚直方向的夹角为0，摆杆重心到车轮 轴心线的距离为L，左右两轮之间的距离为D，m = 1? = mK，i^和mK分别为左右两轮的质量， Jw =叉=Jk，叉和Jk分别为左右两轮的转动惯量，g = 9. 8牛/千克；_为摆杆绕垂直于 地面轴的旋转角度，摆杆绕垂直于地面轴的转动惯量为J为摆杆绕车轮轴心线的转动 惯量，Mk为左、右轮电机提供的转矩；Xni为左右两轮的平均位移：
* Xp xK分 别为左、右轮位移，
3. 根据权利要求2所述的一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，其特征在于，所 述步骤1)中，两轮智能车的系统参数如下：n\ = mK = m = 0. 025kg，M = I. 5kg，R = O. 025m，D =0. 16m, L = 0. 05m, Jl = Je = Jff = 0. 00002kg *m2, J = 0. 0068kg *m2, Jv =().〇〇〇 16 kg nr ； 设两轮智能车系统的状态矢量为：夏e' & ?则两轮智能车系统状态方程的 极点配置为：P= (-10+1. 5*j -10-1. 5*j -20 -30)，其中，j为虚轴坐标，由此可得系统的 状态反馈矩阵为
4. 根据权利要求1、2或3所述的一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，其特征在 于，所述步骤2)中，加速度计的输出模型简化为：0。= 0，0n，其中0。为输出角度，0^ 为实际角度，en为高斯白噪声，考虑加速度计的检测误差，将9。作为角度反馈量。
5. 根据权利要求1、2或3所述的一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，其特征在 于，所述步骤2)中，陀螺仪的输出模型简化为：《。= 其中为输出角速度，为 实际角速度，N表示漂移误差，为常数，考虑陀螺仪的漂移误差，对测得的角速度进行积 分作为角度反馈量。
【文档编号】G05D1/08GK104331082SQ201410555266
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】陈宏田, 田恩刚, 张雷明, 张亚伟 申请人:南京师范大学