CN103019093B - 两轮车用传感器融合角度的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轮车用传感器融合角度的获得方法，其包括两轮车上设置有作为零点电压的参考电源及模糊控制器，陀螺仪的输出电压及加速度传感器的输出电压与所述零点电压比较后产生差值通过内部模/数转换器读取后转化为数字量，然后将所得数据经利用kalman滤波器进行处理计算出输出的融合角度值，所述模糊控制器采集到输出的融合角度值并得到相应的估计值，kalman滤波器利用输出的融合角度值与相应估计值之差得到残差。所述模糊控制器模糊输入残差模值，进一步控制输出的融合角度值。本发明两轮车用传感器融合角度的获得方法利用kalman滤波器及kalman滤波器残差更为准确真实的计算出倒立摆偏转角度值。

Description

两轮车用传感器融合角度的获得方法

技术领域

 本发明涉及一种信息处理领域，尤其是涉及一种两轮车用传感器融合角度的获得方法。

背景技术

陀螺仪技术经历了相当一段时间的发展，经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，依靠自身的性能可以捕获自身的姿态。它最早是用于航海导航，后来在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪基本原理是运用物体高速旋转时，强大的角动量使旋转轴一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。

加速度传感器技术是惯性和力的检测综合体，目前在汽车电子和消费电子领域有较多的应用。加速度传感器通过实时采集运动件加速度信号，在器件处于相对稳定的状态下，通过分析传感器件自身重力加速度，得到目前器件的自身姿态。

但是在自平衡两轮车系统中，陀螺仪的输出是倒立摆偏转角速度信息，再计算出倒立摆的角度值；加速度传感器的输出是当前物体的加速度，再计算出倒立摆的偏转角。对于倒立摆偏转角确定而言，陀螺仪技术及加速度传感器技术都存在运动件自态与运动状态很难完全体现的不足。两轮车在自态不断变化的情况下，单独利用陀螺仪或加速度传感器进行偏转角确定存在真实性和稳定性问题。

发明内容

本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种两轮车用传感器融合角度的获得方法，使得倒立摆偏转角分析和处理的结果准确真实。

为实现上述目的，本发明公开了一种两轮车用传感器融合角度的获得方法，包括以下步骤：

（1）在两轮车上固定有陀螺仪和加速度传感器，两轮车上设置有参考电源，所述参考电源电压设定为零点电压；

（2）陀螺仪采集两轮车上角速度信号，加速度传感器采集两轮车上对应加速度信号；

（3）陀螺仪的输出电压及加速度传感器的输出电压通过与所述零点电压比较后产生差值，所述差值通过两轮车控制系统内部模/数转换器读取后转化为数字量，得到陀螺仪的输出与加速度传感器的输出；

（4）陀螺仪的输出通过积分处理可以计算出陀螺仪偏转角度，加速度传感器的输出通过与重力加速度的关系可计算出倒立摆偏转角，将所得数据经kalman滤波器进行处理计算出输出的融合角度值；

（5）所述两轮车控制系统内部设置有可对输出的融合角度值进行真实判断的模糊控制器，所述模糊控制器采集到输出的融合角度值并得到相应的估计值，kalman滤波器利用输出的融合角度值与相应估计值之差得到残差。所述模糊控制器模糊输入残差模值，进一步控制输出的融合角度值。

进一步地，所述陀螺仪及加速度传感器所采集的数据计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为融合角度值的输出，anglerate为陀螺仪的输出，acc为加速度传感器的输出，A为系统参数， A* arcsin(acc)为倒立摆偏转角，kg为通过kalman滤波器计算出的调整因子；

进一步地，所述A取值为57.29。

综上所述，本发明两轮车用传感器融合角度的获得方法通过在两轮车上固定陀螺仪及加速度传感器，利用kalman滤波器将陀螺仪的输出数据和加速度传感器的输出数据进行融合，同时利用kalman滤波器残差更为准确真实的计算出倒立摆偏转角度值。

附图说明

图1为本发明模糊控制器及kalman滤波器算法步骤。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明两轮车用传感器融合角度的获得方法，通过如下步骤实现：

（1）在两轮车上固定有陀螺仪和加速度传感器，两轮车上设置有参考电源，所述参考电源电压设定为零点电压；

（2）陀螺仪采集两轮车上角速度信号，加速度传感器采集两轮车上对应加速度信号；

（3）陀螺仪的输出电压及加速度传感器的输出电压通过与所述零点电压比较后产生差值，所述差值通过两轮车控制系统内部模/数转换器（ADC）读取后转化为数字量，得到陀螺仪的输出anglerate与加速度传感器的输出acc。

（4）陀螺仪的输出anglerate通过积分处理可以计算出陀螺仪偏转角度gyro，进行必要的数据处理后，可以计算出陀螺仪偏转角度gyro：

gyro =anglerate*dt

当倒立摆静止时，其只受到重力加速度的影响，通过必要的数据处理后，可以计算出当前倒立摆的偏转角acc_angle：

acc_angle= A*arcsin(acc)

当倒立摆受到外力作用（如轮子）而具有X方向的加速度时，通过必要的数据处理后，可以计算出输出的融合角度值fused_angle：

fused_angle=(1-kg)*(fused_angle+ anglerate *dt)+kg*A* arcsin(acc)

其中A为系统参数，本实施例中其设定值为57.29，kg为调整因子，是通过kalman滤波器计算出的卡尔曼增益。

（5）所述两轮车控制系统内部设置有可对输出的融合角度值进行真实判断的模糊控制器，如图1所示，所述模糊控制器采集到输出的融合角度值并能精确、迅速地得到相应的估计值，kalman滤波器利用输出的融合角度值与相应估计值之差得到残差。所述模糊控制器基于残差将输出的融合角度值的异常数据进行处理，并调整相应估计值使得kalman滤波器输出残差趋近于零。所述残差模值越大，输出的融合角度值失真越严重。所述模糊控制器模糊输入残差模值，进而模糊调整kalman滤波器输出残差的方差，进一步控制输出的融合角度值。

综上所述，本发明两轮车用传感器融合角度的获得方法通过在两轮车上固定陀螺仪及加速度传感器，利用kalman滤波器将陀螺仪的输出数据和加速度传感器的输出数据进行融合，同时利用kalman滤波器残差更为准确真实的计算出倒立摆偏转角度值。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种两轮车用传感器融合角度的获得方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在两轮车上固定有陀螺仪和加速度传感器，两轮车上设置有参考电源，所述参考电源电压设定为零点电压；

(2)陀螺仪采集两轮车上角速度信号，加速度传感器采集两轮车上对应加速度信号；

(3)陀螺仪的输出电压及加速度传感器的输出电压通过与所述零点电压比较后产生差值，所述差值通过两轮车控制系统内部模/数转换器读取后转化为数字量，得到陀螺仪的输出与加速度传感器的输出；

(4)陀螺仪的输出通过积分处理可以计算出陀螺仪偏转角度，加速度传感器的输出通过与重力加速度的关系可计算出倒立摆偏转角，将所得数据经kalman滤波器进行处理计算出输出的融合角度值，所述融合角度值的计算公式是：

fused_angle＝(1-kg)*(fused_angle+∫anglerate*dt)+kg*A*arcsin(acc)

其中fused_angle为融合角度值的输出，anglerate为陀螺仪的输出，acc为加速度传感器的输出，A为系统参数，A*arcsin(acc)为倒立摆偏转角，kg为通过kalman滤波器计算出的调整因子；

(5)所述两轮车控制系统内部设置有可对输出的融合角度值进行真实判断的模糊控制器，所述模糊控制器采集到输出的融合角度值并得到相应的估计值，kalman滤波器利用输出的融合角度值与相应估计值之差得到残差，所述模糊控制器模糊输入残差模值，进一步控制输出的融合角度值。

2.根据权利要求1所述的两轮车用传感器融合角度的获得方法，其特征在于：所述A取值为57.29。