[發(fā)明專利]一種基于多新息卡爾曼濾波的自平衡車設(shè)計(jì)方案

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010532368.8
• 申請(qǐng)日: 2020-06-12
• 公開（公告）號(hào): CN111722636A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 芯河半導(dǎo)體科技（無錫）有限公司
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于多新息卡爾曼濾波的自平衡車設(shè)計(jì)方案，包括負(fù)責(zé)自平衡車姿態(tài)數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)調(diào)度的微處理器單元、負(fù)責(zé)讀取自平衡車姿態(tài)數(shù)據(jù)并供微處理器處理的姿態(tài)測(cè)量單元、負(fù)責(zé)控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的直流電機(jī)單元、用于指示設(shè)備運(yùn)行及故障狀態(tài)以便于觀察設(shè)備的運(yùn)行情況的LED指示單元、用于傳輸或接收數(shù)據(jù)或指令來實(shí)現(xiàn)無線控制自平衡車額無線傳輸模塊和利用蟻群算法計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)來下發(fā)控制指令的手機(jī)客戶端。本發(fā)明還提供一種多新息卡爾曼濾波算法，該算法充分考慮自平衡車當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并利用目標(biāo)之前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，得到具有較高濾波精度和穩(wěn)定性的姿態(tài)數(shù)據(jù)，保證自平衡車的可靠運(yùn)行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明智能設(shè)備姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于多新息卡爾曼濾波的自平衡車設(shè)計(jì)方案。

背景技術(shù)

兩輪自平衡車具有極強(qiáng)的靈活性，屬于同軸平行布置結(jié)構(gòu)。自平衡車機(jī)構(gòu)具有自然不穩(wěn)定特性，是一種高階次、不穩(wěn)定、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。為保持隨動(dòng)平衡，姿態(tài)檢測(cè)和控制是關(guān)鍵。對(duì)自平衡車姿態(tài)的獲取中，通常將陀螺儀和加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合濾波，從而計(jì)算出自平衡車的姿態(tài)，該方法增加了微處理器的計(jì)算量，占有控制系統(tǒng)的資源，不利于系統(tǒng)事件處理和控制。

由系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確帶來的數(shù)據(jù)誤差，導(dǎo)致自平衡車系統(tǒng)存在隨機(jī)漂移，降低濾波器的精度，甚至造成系統(tǒng)發(fā)散。采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，能夠?yàn)V除陀螺儀和加速度傳感器的隨機(jī)漂移，解決隨機(jī)溫漂誤差補(bǔ)償和姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡車的姿態(tài)控制。然而在多傳感器交互時(shí)，存在數(shù)據(jù)運(yùn)算邏輯滯后的問題，這將降低平衡控制的響應(yīng)速度。本發(fā)明鑒于以上基礎(chǔ)，采用MPU6050傳感器直接獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用多新息控制理論，將卡爾曼濾波算法進(jìn)行改進(jìn)，得到多新息卡爾曼濾波算法，它不僅考慮了自平衡車當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而且也充分利用目標(biāo)之前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，從而得到具有較高濾波精度和穩(wěn)定性的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)自平衡車姿態(tài)數(shù)據(jù)處理精度低、不穩(wěn)定的情況，提供一種基于多新息卡爾曼濾波算法的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，基于該方法，提供一種自平衡車設(shè)計(jì)方案。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于多新息卡爾曼濾波算法的自平衡車設(shè)計(jì)方案，包括主控微處理器單元、電源單元、姿態(tài)測(cè)量單元、直流電機(jī)單元、LED指示單元、無線傳輸單元和手機(jī)客戶端。

所述微處理器單元，負(fù)責(zé)自平衡車姿態(tài)數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)調(diào)度；姿態(tài)數(shù)據(jù)處理采用多新息卡爾曼濾波算法，控制任務(wù)負(fù)責(zé)自平衡車直行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令處理，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理、運(yùn)行狀態(tài)指示和與無線傳輸模塊通訊。

所述電源單元，提供3.3V的微處理器單元和姿態(tài)測(cè)量單元工作電壓、提供5V的無線傳輸單元工作電壓和12V的電機(jī)運(yùn)行工作電壓。

所述姿態(tài)測(cè)量單元，采用MPU6050傳感，直接獲得自平衡車X/Y/Z軸的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

所述直流電機(jī)單元，包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和兩個(gè)直流電機(jī)；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元負(fù)責(zé)獨(dú)立雙向控制兩個(gè)直流電機(jī)，保證自平衡車的運(yùn)動(dòng)。

所述LED指示單元，負(fù)責(zé)指示自平衡車系統(tǒng)的運(yùn)行和故障狀態(tài)；LED指示燈以1s頻率閃爍表示系統(tǒng)待機(jī)，0.5s快閃2次指示無線傳輸單元數(shù)據(jù)通訊故障，0.5s快閃3次指示電機(jī)1驅(qū)動(dòng)異常，0.5s快閃4次指示電機(jī)2驅(qū)動(dòng)異常。

所述無線傳輸單元，采用ESP8266模組，其與微處理器單元采用串口通訊方式，負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和電機(jī)數(shù)據(jù)；以及采用WIFI連接，傳輸手機(jī)客戶端下發(fā)的指令數(shù)據(jù)和PID參數(shù)。

所述手機(jī)客戶端，安裝控制自平衡車的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序一方面負(fù)責(zé)下發(fā)控制自平衡車的指令，另一方面負(fù)責(zé)計(jì)算出最優(yōu)的PID參數(shù)，PID參數(shù)的優(yōu)化采用蟻群算法。

所述多新息卡爾曼濾波算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理流程如下：