一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统及其方法，通过嵌入式控制器和角度测试模块调控调节控制车辆平衡。通过主板整合所有电子元器件，整车结构美观合理，成本较低，使用寿命较长。同时该教学控制方法也可以作为微缩智能直立车嵌入式控制系统的扩展性前期开发预研工作。其控制方法通过对卡尔曼滤波算法进行优化在较高精准度的前提下调控调节控制车辆平衡。能够用于自动化控制系统和嵌入式控制领域，实现嵌入式控制教学实验的真正开展。
【专利说明】—种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子【技术领域】，尤其涉及一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统及其方法。
【背景技术】
[0002]当今社会科学技术迅猛发展，汽车电子的发展让汽车变得越来越智能化，汽车自动导航技术是机器人导航技术的延伸和应用，目前已受广泛关注。为改变传统的汽车“人-车-环境”闭环控制方式，提高交通系统效率和安全性，各大企业和高校致力于智能汽车的研究和开发。从过去的汽车自主导航系统到无人驾驶汽车，都承载着人类对满足现代社会要求的高性能智能汽车的无止境追求。
[0003]对于高校而言，其培养的学生在祖国未来现代化建设中将承担创新的主体，我国汽车技术相对于国外，整体水平比较落后，为快速提升我国科学技术水平，提高高校学生的科技创新能力至关重要，而我国高校汽车科技实验教学中，作为实验活动中使用的教具小车，其控制电路是由分列元件组成，小车的整体结构比较粗糙也不够科学合理，对于广大学生都熟知的汽车电子科技创新大赛即飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛而言，每年的竞赛规则变化很小，参赛的学校基本上都是沿用上年的机械和软件思路，有的学校甚至是直接拿来主义，出现了克隆车或复制车，这不仅不利于学生的科技创新能力和动手能力的提高，反而扰乱了公平竞赛的规则。
[0004]并且目前教学平台中无平衡控制系统，高校的智能化教学、控制系统教学没有合适的教学平台，各大高校的教学结合工程实践都存在一定的难度。现有教学平台智能化程度低，在自动控制领域技术陈旧，无法实现嵌入式控制教学实验的真正开展。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统及其方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:
一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，包括微缩智能直立车车模，所述微缩智能直立车车模的后轮上安装两个电机，所述微缩智能直立车车模上通过亚克力板固定有主板、嵌入式控制器、电机驱动模块、角度测试模块和无线传输模块，其中所述角度测试模块包括陀螺仪和加速度计，所述角度测试模块与所述微缩智能直立车车模保持平衡；所述微缩智能直立车车模上还设有电源模块，所述主板通过引脚信号线连接所述嵌入式控制器、所述电机驱动模块、所述电源模块、所述陀螺仪、所述加速度计和所述无线传输模块；所述电机驱动模块通过导线连接两个所述电机，所述嵌入式控制器接收所述电机驱动模块、所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据，所述嵌入式控制器通过所述无线传输模块与上位机进行通信。
[0007]优选地所述电机驱动模块为双电机输出模块。
[0008]优选地所述主板还包括与其通过引脚信号线连接的SD卡存储模块和图像识别模块。
[0009]优选地所述上位机为电脑、手机、平板电脑。
[0010]一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，包括如下步骤:
S1:每隔预设时间间隔后获取角度测试模块采集到的数据；
52:根据所述角度测试模块采集到的数据计算加速度值，同时计算陀螺仪积分值；
53:对所述加速度值进行卡尔曼滤波处理；
S4:分别对所述陀螺仪积分值和所述加速度值进行积分卡尔曼滤波处理后获得所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值；
其中在所述积分卡尔曼滤波处理中对系统过程协方差进行动态调整，所述系统过程协方差为
Q (n) =A Q (n-1) +B (U (k) - U(k_l))，
A和B为系统参数,Q(n-1)为上一状态的系统过程协方差,U(k)为当前状态的控制量，如果没有控制量，U (k)为O;
S5:利用H )算法计算出电机输出值并输出给电机；
S6:嵌入式控制器通过无线传输模块将所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值以及所述电机输出值的数据实时发送给上位机，所述上位机监控所述微缩智能直立车的运行状态。
[0011]优选地所述步骤S5中所述电机输出值为 Ul =Kp *Ager(n) + Kd*Gyo(η)；
其中Kp, Kd为系数Ager (η)为第η次角度值，Gyo (η)为第η次角加速度值。
[0012]优选地所述预设时间间隔为Is。
[0013]采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果:
1.本发明所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，通过嵌入式控制器和角度测试模块调控调节控制车辆平衡。通过主板整合所有电子元器件，整车结构美观合理，成本较低，使用寿命较长。同时该教学控制方法也可以作为微缩智能直立车嵌入式控制系统的扩展性前期开发预研工作。
[0014]2.本发明所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，通过对卡尔曼滤波算法进行优化在较高精准度的前提下调控调节控制车辆平衡。能够用于自动化控制系统和嵌入式控制领域，实现嵌入式控制教学实验的真正开展。
[0015]【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明所述的教学用微缩智能直立车的结构图；
图2为本发明所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统的结构图；
图3为本发明所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法流程图。
[0016]其中:L车模，2.亚克力板，3.主板，4.电源模块。
[0017]【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0018]实施例1
如图1至图2所示，为符合本发明的一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，包括微缩智能直立车车模1，所述微缩智能直立车车模I的后轮上安装两个电机，所述微缩智能直立车车模I上通过亚克力板2固定有主板3、嵌入式控制器、电机驱动模块、角度测试模块和无线传输模块，其中所述角度测试模块包括陀螺仪和加速度计，所述角度测试模块与所述微缩智能直立车车模I保持平衡；所述微缩智能直立车车模I上还设有电源模块4，所述主板3通过引脚信号线连接所述嵌入式控制器、所述电机驱动模块、所述电源模块4、所述陀螺仪、所述加速度计和所述无线传输模块；所述电机驱动模块通过导线连接两个所述电机，所述嵌入式控制器接收所述电机驱动模块、所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据，所述嵌入式控制器通过所述无线传输模块与上位机进行通信。所述电源模块4为整个系统提供电源，本实施例中优选为电池电源，由于其设定和选用为本领域技术人员常规技术手段，故此处不在赘述。
[0019] 通过所述亚克力板2固定所述主板3等元器件，使整车结构更加美观和牢靠，避免车辆运行过程中出现松动导致脱落的问题，而且所述主板3等元器在所述亚克力板2上可以获得较好的散热，一定程度上也保证了测量的准确性和所述教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统的使用寿命。
[0020]优选地所述电机驱动模块为双电机输出模块，优选地所述主板3还包括与其通过引脚信号线连接的SD卡存储模块和图像识别模块，优选地所述上位机为电脑、手机、平板电脑。本领域技术人员应当知晓，上述所述的技术方案均为优选地实施方案，并非对于本实施例的限制，任何显而易见的变化和替换均在本实施例的保护范围之内。
[0021]本实施例所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，通过嵌入式控制器和角度测试模块调控调节控制车辆平衡。通过主板3整合所有电子元器件，整车结构美观合理，成本较低，使用寿命较长。同时该教学控制方法也可以作为微缩智能直立车嵌入式控制系统的扩展性前期开发预研工作。
[0022]实施例2
如图3所示，为符合本发明的一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，包括如下步骤:
S1:每隔预设时间间隔后获取角度测试模块采集到的数据；
52:根据所述角度测试模块采集到的数据计算加速度值，同时计算陀螺仪积分值；
53:对所述加速度值进行卡尔曼滤波处理；
S4:分别对所述陀螺仪积分值和所述加速度值进行积分卡尔曼滤波处理后获得所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值；
其中在所述积分卡尔曼滤波处理中对系统过程协方差进行动态调整，所述系统过程协方差为
Q (n) =A Q (n-1) +B (U (k) - U(k_l))，
A和B为系统参数,Q(n-1)为上一状态的系统过程协方差,U(k)为当前状态的控制量，如果没有控制量，U (k)为O;
S5:利用H)算法计算出电机输出值并输出给电机；
S6:嵌入式控制器通过无线传输模块将所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值以及所述电机输出值的数据实时发送给上位机，所述上位机监控所述微缩智能直立车的运行状态。
[0023]本实施例的原理在于由于陀螺仪需要通过角速度积分得到角度，会产生累计误差，而且本身就存在温漂；加速度计长时稳定，瞬时的误差较大，所以要结合两者做数据融合才能得到真实的角度。基于此本实施例提供了一种新型的卡尔曼滤波积分算法，以加速度值为例，其首先用卡尔曼滤波进行加速度数据的处理，卡尔曼滤波在下面的计算公式中进行了演变。
[0024]X (k |k-l) =A X(k-l|k-l)+B U(k) (I)
式(I)中，x(k|k-l)是利用上一状态预测的结果，x(k-l Ik-1)是上一状态最优的结果，U(k)为现在状态的控制量，如果没有控制量，它可以为O。
[0025]到现在为止，我们的系统结果已经更新了，可是，对应于X (k I k-D的协方差还没更新。我们用P表示协方差:
P(k|k-1)=A P(k-l|k-l) A，+Q (2)
式(2)中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-l|k-l)是X(k-l|k-l)对应的协方差，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程协方差。式子(1)，(2)就是卡尔曼滤波器5个公式当中的前两个，也就是对系统的预测。
[0026]现在我们有了现在状态的预测结果，然后我们再收集现在状态的测量值。结合预测值和测量值，我们可以得到现在状态(k)的最优化估算值X (k Ik):
X (k I k) = X (k |k-l)+Kg (k) (Z(k)-H X(k|k_l)) (3)
其中Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain):
Kg (k) = P(k|k-1) H，/ (H P(k|k_l) Η，+ R) (4)
到现在为止，我们已经得到了 k状态下最优的估算值X(k I k)。但是为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束，我们还要更新k状态下X (k |k)的协方差:
P (k I k) = (1-Kg(k) H) P (k |k-l) (5)
其中I为I的矩阵，对于单模型单测量，1=1。当系统进入k+Ι状态时，P(k|k)就是式子(2)的 P(k-l|k-l)。
[0027]公式(I), (2), (3), (4), (5)为基础的卡尔曼滤波公式。
[0028]本实施例在所述积分卡尔曼滤波处理中对系统过程协方差进行动态调整，所述系统过程协方差为
Q (n) =A Q (n-1) +B (U (k) - U(k_l))，
A和B为系统参数,Q(n-1)为上一状态的系统过程协方差,U(k)为当前状态的控制量，如果没有控制量，U(k)为O。
[0029]通过动态的调整Q(n)数值，可以减少其多系统误差的影响，极大地提高了整体的精度。所述步骤SI至所述步骤S3为本领域技术人员常规技术手段，本领域技术人员应当知晓，故此处不再赘述。
[0030]优选地所述步骤S5中所述电机输出值为 Ul =Kp *Ager(n) + Kd*Gyo(η)；
其中Kp, Kd为系数Ager (η)为第η次角度值，Gyo (η)为第η次角加速度值。
[0031]优选地所述预设时间间隔为Is。本领域技术人员应当知晓此处所述预设时间间隔的设定旨在为了本实施例可以充分实施而进行的说明，本领域技术人员完全可以根据精度需要和器件的精度限定进行相应的调整，本实施例对此不作限定。
[0032]本实施例所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，通过对卡尔曼滤波算法进行优化在较高精准度的前提下调控调节控制车辆平衡。能够用于自动化控制系统和嵌入式控制领域，实现嵌入式控制教学实验的真正开展。
[0033]以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
【权利要求】
1.一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，其特征在于，包括微缩智能直立车车模，所述微缩智能直立车车模的后轮上安装两个电机，所述微缩智能直立车车模上通过亚克力板固定有主板、嵌入式控制器、电机驱动模块、角度测试模块和无线传输模块，其中所述角度测试模块包括陀螺仪和加速度计，所述角度测试模块与所述微缩智能直立车车模保持平衡；所述微缩智能直立车车模上还设有电源模块，所述主板通过引脚信号线连接所述嵌入式控制器、所述电机驱动模块、所述电源模块、所述陀螺仪、所述加速度计和所述无线传输模块；所述电机驱动模块通过导线连接两个所述电机，所述嵌入式控制器接收所述电机驱动模块、所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据，所述嵌入式控制器通过所述无线传输模块与上位机进行通信。
2.如权利要求1所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，其特征在于:所述电机驱动模块为双电机输出模块。
3.如权利要求2所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，其特征在于:所述主板还包括与其通过引脚信号线连接的SD卡存储模块和图像识别模块。
4.如权利要求2所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制系统，其特征在于:所述上位机为电脑、手机、平板电脑。
5.一种教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 51:每隔预设时间间隔后获取角度测试模块采集到的数据； 52:根据所述角度测试模块采集到的数据计算加速度值，同时计算陀螺仪积分值； 53:对所述加速度值进行卡尔曼滤波处理； S4:分别对所述陀螺仪积分值和所述加速度值进行积分卡尔曼滤波处理后获得所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值； 其中在所述积分卡尔曼滤波处理中对系统过程协方差进行动态调整，所述系统过程协方差为
Q (n) =A Q(n-l) +B (U (k) - U(k_l))， A和B为系统参数,Q(n-1)为上一状态的系统过程协方差,U(k)为当前状态的控制量，如果没有控制量，U (k)为O; 55:利用PD算法计算出电机输出值并输出给电机； 56:嵌入式控制器通过无线传输模块将所述微缩智能直立车的角度值和角加速度值以及所述电机输出值的数据实时发送给上位机，所述上位机监控所述微缩智能直立车的运行状态。
6.如权利要求5所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，其特征在于:所述步骤S5中所述电机输出值为
Ul =Kp *Ager(n) + Kd*Gyo(η)； 其中Kp, Kd为系数Ager (η)为第η次角度值，Gyo (η)为第η次角加速度值。
7.如权利要求5或6所述的教学用微缩智能直立车嵌入式控制方法，其特征在于:所述预设时间间隔为Is。
【文档编号】G05D1/08GK103970141SQ201410238338
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】闫琪, 金立立, 廉德富, 王江, 崔金银 申请人:芜湖蓝宙电子科技有限公司