陀螺儀漂移和高頻擾動對兩輪平衡車姿態(tài)角度測量分析

微機電系統(tǒng)（Micro—Electro—Mechanical Systems，MEMS）陀螺儀和MEMS加速度計在兩輪平衡車姿態(tài)測量中存在擾動和噪聲，引起姿態(tài)角度測量誤差。通過對陀螺儀和加速度計輸入信號進行滑動扣除均值方法來抑制直流分量，利用滑動濾波算法抑制加速度計高頻噪聲，引入互補濾波算法將預(yù)處理后的陀螺儀和加速度計信號進行融合，得到更加準確穩(wěn)定的角度測量值，分析了融合算法中加權(quán)因子與濾波頻率特征之間的關(guān)系。該方法應(yīng)用到兩輪平衡車的運行姿態(tài)角度控制中，提高了對姿態(tài)角度測量的精度。

兩輪平衡車具有廣闊的應(yīng)用前景，使其成為了當前研究的熱點。其中，兩輪平衡車的姿態(tài)角度測量是研究的關(guān)鍵問題之一。姿態(tài)角度測量是兩輪平衡車運行和控制實現(xiàn)的前提。姿態(tài)角度測量的精度和速度，將直接影響兩輪平衡車控制算法的穩(wěn)定性和可靠性。隨著慣性測量元件的微型化與微處理器運算能力的提高，兩輪平衡車姿態(tài)測量普遍采用低成本的慣性測量組合元件（Inertal Measurement Uint，IMU），結(jié)合微處理器數(shù)據(jù)處理算法實現(xiàn)高精度的姿態(tài)測量。IMU主要由低成本的MEMS陀螺儀和三軸加速度計組成。MEMS陀螺儀有自主性好、功耗低、機電性能好易集成等優(yōu)點。但是，MEMS陀螺儀具有溫度漂移特性，其測量誤差會隨著時間的累加而不斷的累積，從而影響測量精度。加速度計會受到平衡車振動的影響，混疊額外的振動量干擾。所以單一的傳感器測量難以得到精確的姿態(tài)角度。需采用多傳感器信號融合的方法，來獲得準確的姿態(tài)角度量。

多傳感器數(shù)據(jù)的融合方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、卡爾曼濾波等姿態(tài)解算算法，但這些方法建立穩(wěn)定可靠的更新方程通常具有較高的階數(shù)，且計算量大，不適合于低運算能力系統(tǒng)的實時計算。相比以上方法，互補濾波算法對處理器運算速度要求不高，且簡單可靠。本文基于互補濾波算法，設(shè)計了兩輪平衡車姿態(tài)角度測量電路與數(shù)據(jù)處理算法，設(shè)計了信號濾波預(yù)處理，利用互補濾波算法融合兩種傳感器數(shù)據(jù)，分析了互補濾波算法中關(guān)鍵參數(shù)的計算方法。并將此方法應(yīng)用于兩輪平衡車角度測量，進行了驗證性試驗，給出了實驗測試數(shù)據(jù)。

1姿態(tài)角度測量原理

沿平衡車3個機體軸即直立時正前、正右、正上方向定義為x、y、z三軸參考坐標系。所受的3軸重力加速度分量定義為gx、gy、gz.假設(shè)兩輪平衡車處于靜止或勻速運行的狀態(tài)。得到重力加速度與平衡車姿態(tài)角度的關(guān)系如式1所示：

其中，為慣性坐標系到載體坐標系的變換矩陣：θ為俯仰角；φ為橫滾角；g為重力加速度；可以通過測量重力加速度分量gx、gy、gz，計算出平衡車俯仰角θ1和橫滾角φ1.估計值

若使用陀螺儀來測量平衡車姿態(tài)角度，設(shè)陀螺儀測量載體相對慣性坐標系的x、y、z三軸旋轉(zhuǎn)角速度分別為ωx、ωy、ωz.并定義O時刻平衡車直立靜止?？傻玫礁┭鼋铅?和橫滾角φ2估計值與ωx、ωy之間的關(guān)系如式3所示：

在實際應(yīng)用中，由于平衡車機體運行時存在運動加速度、測量噪聲，以及陀螺儀本身存在漂移等因素的影響，式（2）、（3）姿態(tài)角度測量方法失效，為了準確的獲得姿態(tài)角度?？蓪⒁陨系?種姿態(tài)角度測量得到的姿態(tài)角度信息相融合。

2慣性組合測量電路

該系統(tǒng)中慣性組合測量電路如圖1所示，由加速度計MMA7361、陀螺儀ENC-03及放大電路組成。實現(xiàn)對加速度計和陀螺儀測得信號進行放大。加速度計和陀螺儀信號經(jīng)放大，分別由angle引腳和gyro引腳輸出后，信號通過AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳遞到微控制器中，再利用互補濾波算法，得到姿態(tài)角度。

圖1 慣性組合角度測量電路圖