电动平衡车姿态快速检测方法与流程

本发明涉及一种电动平衡车姿态快速检测方法。

背景技术：

电动平衡车，又称为体感车、摄位车、思维车等。电动平衡车的运作原理主要是建立在动态稳定的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪传感器来检测车体姿态的变化，并进而驱动马达进行相应的调整，以保持平衡。两轮平衡车作为一种新型的代步车，其操作越来越智能化，部分动作已经根据用户的体感动作进行感应实现，而这些动作都是通过自动控制系统来完成。

在平衡车实际运行过程中，必须能够感知车身的倾斜程度和倾斜趋势，准确检测角度和角速度这两个姿态参数是自平衡控制的关键。由于角速度基本不会受到车体运动的影响，因此角速度可以通过陀螺仪测得。但是，在平衡车实际运行过程中，其本身摆动所产生的加速度会与测量信号叠加，产生很大的干扰信号，单一采用加速度计无法获得准确的倾角信息，此时需要陀螺仪的信号。陀螺仪可以测量物体的旋转角速度，车体的倾角可以通过对角速度积分获得的。但是，陀螺仪角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算会使误差积累随着时间延长而逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。

针对上述问题，已有相关论文发表:比如边群星等发表的“基于互补滤波器的两轮平衡车姿态角度测量”、余庆辉等发表的“数据融合的两轮自平衡车姿态角度检测”、项文君等发表的“两轮自平衡车姿态参数检测研究”。这些论文为解决上述问题提供了一些思路，但是仍然存在传感器信号可靠性、检测精度有待提高等问题，部分算法较为复杂，计算耗时，而平衡车实时性要求高，因此，电动平衡车的姿态检测精度有待进一步研究。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电动平衡车姿态快速检测方法，满足平衡车信号可靠性及实时控制的需要。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于双加速度计和双陀螺仪的电动平衡车姿态快速检测方法，其包括如下步骤：

S1:系统工作时，所有加速度计和陀螺仪均实时检测平衡车角度，第n次采样时双加速度计测得的角度值分别为θ_a1(n)，θ_a2(n)，双陀螺仪输出的旋转角速度分别为

S2:取双加速计的角度的均值取双陀螺仪的旋转角度的均值

S3:融合多传感器信号，设计互补滤波器，在采样间隔为Δt，滤波器截止频率为λ，第n次采样时平衡车的姿态角度为

S4:动态调整滤波器截止频率λ，得到准确的平衡车姿态角度。

优选的，步骤S4中动态调整滤波器的截止频率λ，是根据加速度计和陀螺仪的测量变化量，实现对陀螺仪和加速度计权重的调整。假设常数λ₁<λ₂<λ₃，

若取λ＝λ₃

若取λ＝λ₂

若取λ＝λ₁

其中k为常数。

采用上述双加速度计双陀螺仪的检测方法，将双加速度计双陀螺仪检测信号均值处理后，可以在单个传感器信号受到较大干扰时，削弱信号的突变，平滑输出信号，提高系统可靠性。动态调整滤波器的截止频率是为了调整陀螺仪和加速度计信号权重，进而精确获得平衡车姿态角度。由于加速度计输出的直接是角度信号，而陀螺仪输出的是旋转角速度信号，所以在比较它们的测量信号变化量时，乘以系数k，该系数针对不同系统可调整。本发明所提出的方法，增加了系统的可靠性和检测精确性，方法简便，节约处理器运算的时间，提升了系统的实时性能。

附图说明

图1为本发明平衡车姿态快速检测方法实施例的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地实施。

如图1所示，本发明提供一种电动平衡车姿态快速检测方法，该方法使用双加速度计和双陀螺仪，采用角速度和角度信号均值处理，提高系统抗干扰能力。根据角速度和角度变化量，实时调整互补滤波器的截止频率，互补滤波器可以补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，提高姿态角度精确性。该方法包括如下步骤：

S1:系统工作时，所有加速度计和陀螺仪均实时检测平衡车角度，第n次采样时双加速度计测得的角度值分别为θ_a1(n)，θ_a2(n)，双陀螺仪输出的旋转角速度分别为

S2:取双加速计的角度的均值取双陀螺仪的旋转角度的均值

S3:融合多传感器信号，设计互补滤波器。陀螺仪对角速度进行积分运算得到角度值，为了提高运算速度，在程序设计过程中采用累加的方法代替积分运算。在采样间隔为Δt，取Δt为25ms，滤波器截止频率为λ＝0.75，第n次采样时平衡车的姿态角度为

S4:动态调整滤波器截止频率，得到准确的平衡车姿态角度。动态调整滤波器的截止频率λ，是根据加速度计和陀螺仪的测量变化量，实现对陀螺仪和加速度计权重的调整。常数λ₁<λ₂<λ₃，常数λ₁、λ₂、λ₃、k的值需要根据实际系统，采用实验尝试的方法试凑得到，假设取λ₁＝0.60，λ₂＝0.75，λ₂＝0.90，k＝25

取若取λ＝λ₃＝0.90，得到第n次采样时平衡车的姿态角度为：

若取λ＝λ₂＝0.75，得到第n次采样时平衡车的姿态角度为：

若取λ＝λ₁＝0.60，得到第n次采样时平衡车的姿态角度为：

综上所述，采用高通低通互补滤波器可以调整陀螺仪和加速度计信号在姿态角度计算中的权重。对于低通滤波,可以完整的通过变化周期大于时间常数的信号，即陀螺仪信号，过滤掉变化周期小于时间常数的信号，即加速度计信号。对于高通滤波刚好相反。而且，高通和低通两滤波系数之和为1，所以滤波结果是一个比较精确的、线性的角度值。本发明所提出的互补滤波器增加了系统的可靠性和检测精确性，方法简便，节约处理器运算的时间，提升了系统的实时性能，所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度应用价值。