[發明專利]基于攝像頭路面檢測的平衡車系統測控方法

有效

• 申請號: 201710515182.X
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107340298B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 胡維平;胡帆;蒙佳;歐純洋
• 申請（專利權）人: 廣西師范大學
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 代理公司: 45112 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司
• 代理人: 周雯

本發明公開了一種基于攝像頭路面檢測的平衡車系統測控方法,利用攝像頭將采集到路面圖像中的LBP紋理特征統計信息進行梯度差分的方法得到路面紋理分布，配合慣性傳感器的濾波前后對比差分，將二者加權求和來求取一個歸一化的的路面病害程度的估計，最后用于改善平衡車的慣性傳感器測算系統，實時自適應改變卡爾曼濾波器實現預測角度更加精確,同時根據攝像頭反饋值來選擇電機控制策略。采用本發明技術方案，能估計測算得出路面顛簸病害程度，引入視覺后優化了卡爾曼預測的收斂和精度，得出更為穩定的電機控制策略，同時，視覺傳感器采集到的視覺信息還可以保存下來滿足人工分析或進行預警處理需要，增強人機交互，提高了整體安全性。

技術領域

本發明涉及平衡車測算及控制技術領域，尤其涉及一種基于攝像頭路面檢測的平衡車系統測控方法。

背景技術

隨著平衡車市場迅速發展，市場劣質產品也大量涌出，安全事故不斷頻發，提高平衡車控制系統魯棒性和實用范圍至關重要。車體姿態測算作為平衡控制中關鍵技術之一，決定著整車是否能達到精確的平衡。

目前而言，市場上出售的載人平衡車或者研究單位開發的載人平衡車都是在傳統慣性傳感器的基礎上進行細枝末節的修改調整，始終無法突破單一傳感器在測算控制信號上的局限性，不僅導致了載人平衡車技術研究的滯步不前，在安全問題上也留下了一大塊空白區。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明解決的問題是提高平衡車控制精度，確保整體安全性。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種基于攝像頭路面檢測的平衡車系統測控方法,利用攝像頭將采集到路面圖像中的LBP紋理特征統計信息進行梯度差分的方法得到路面紋理分布，配合慣性傳感器的濾波前后對比差分，將二者加權求和來求取一個歸一化的路面病害程度的估計，最后用于改善平衡車的慣性傳感器測算系統，實時自適應改變卡爾曼濾波器實現預測角度更加精確,同時根據攝像頭反饋值來選擇電機控制策略，包括以下具體過程：

過程1使用加速度計和陀螺儀進行采集數據，利用卡爾曼濾波器實現采集數據信號融合，去噪得出車體在Y軸方向即前后兩側方向的實時傾角Pitch信息，得到預測后的收斂的角度信息，最后與陀螺儀的積分角度進行差分，具體步驟如下：

(1)引入一個離散控制過程的系統，用一個線性機微分方程(Linear StochasticDifference equation)來描述：

X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k) (1)

根據這個式子，代入陀螺儀當前時刻測量值，加上陀螺儀的漂移量之后得到了當前角度的預測值Angle，寫成矩陣形式就是：

(2)協方差矩陣的預測，在計算過程中需要定義兩個輸入值，分別是：陀螺儀傳感器的漂移噪聲和加速度計傳感器的角度噪聲，

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A’+Q (3)

其中式子中的Q為向量的協方差矩陣，即：

因為漂移噪聲還有角度噪聲是相互獨立的，則；

cov(Q_bias,Angel)＝0 (5)

cov(Angel,Q_bias)＝0 (6)

程序中的定義過程角度噪聲協方差參數以及測量噪聲協方差參數分別為：

Q_angle＝0.001；Q_gyro＝0.003；R_angle＝0.5；

(3)計算卡爾曼濾波器的增益系數，這是個二維向量增益系數設為用來對角度以及角速度的修正，表達式為：