1、加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理

為了實(shí)現(xiàn)代步車(chē)平平衡和運(yùn)動(dòng)控制，首先應(yīng)該得到足夠精確機(jī)器人車(chē)身傾角信息。根據(jù)兩輪處自平衡車(chē)的應(yīng)用環(huán)境，一般使用加速度器和陀螺儀兩種傳感器來(lái)采集代步車(chē)的姿態(tài)信息。

加速度計(jì)可能測(cè)量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)線(xiàn)性加速度。靜態(tài)加速度的一個(gè)典型例子就是重力加速度，用加速度計(jì)數(shù)直接測(cè)量物體靜態(tài)重力加速度可以確定傾斜角度。

加速度傳感器靜止時(shí)，加速傳感器僅僅輸出作用在加速度靈敏軸上的重力加速度值，即重力加速度的分量值。根據(jù)各軸上的重力加速度的分量值可以算出物體垂直和水平方向上的傾斜角度。

加速度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢?，不適應(yīng)跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)；如果期望快速地響應(yīng)，又會(huì)引起較大的噪聲。再加上其測(cè)量范圍的限制，使得單獨(dú)應(yīng)用加速度計(jì)檢測(cè)車(chē)體傾角并不合適，需要與其它傳感器共同使用。

2、陀螺儀數(shù)據(jù)處理

兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)的傾角信號(hào)，還要用到角速度以給出控制量。理論上可以對(duì)加速度計(jì)測(cè)得的傾角求導(dǎo)得到角速度，但實(shí)際上這樣求得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陀螺儀測(cè)量的精度，陀螺儀具有動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

陀螺儀的直接輸出值是相對(duì)靈敏軸的角速率，角速率對(duì)時(shí)間積分即可得到圍繞靈敏軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度值。由于系統(tǒng)采用微控制器循環(huán)采樣程序獲得陀螺儀角速率信息，即每隔一段很短的時(shí)間采樣一次，所以采用累加的方法實(shí)現(xiàn)積分的功能來(lái)計(jì)算角度值。

陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速度信號(hào)的，通過(guò)對(duì)角速度積分，能得到角度值。但由于溫度變化、摩擦力、不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)生漂移誤差。而無(wú)論多么小的常值漂移通過(guò)積分都會(huì)得到無(wú)限大的角度誤差。因而不能單獨(dú)使用陀螺儀作為自平衡小車(chē)的角度傳感器。

綜上所述，對(duì)于姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)而言，單獨(dú)使用陀螺儀或者加速度計(jì)，都不能提供有效而可靠的信息來(lái)保證車(chē)體平衡。陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)性能良好，能夠提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，不受加速度變化的影響，但是由于其本身固有的特性、溫度、積分過(guò)程的影響，存在累積漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作；加速度計(jì)表態(tài)響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確提供表態(tài)的角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)。為了克服這些困難，采用一種簡(jiǎn)易互補(bǔ)濾波方法來(lái)融合陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差，得到一個(gè)更優(yōu)的傾角近似值。

3、傳感器數(shù)據(jù)融合

傳感器數(shù)據(jù)融合是指對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息，而這種新信息是任何單一傳感器所無(wú)法獲得的。

對(duì)加速度計(jì)，需要采用濾波算法除去短時(shí)性快速變化的信號(hào)，保留長(zhǎng)時(shí)性緩慢變化的信號(hào)，所以要對(duì)加速度計(jì)運(yùn)用低通濾波算法。一種常用的方法是給變化較快的信號(hào)乘上一個(gè)較小的權(quán)重系數(shù)，以削弱突變信號(hào)對(duì)整體產(chǎn)生的影響。

如果傳感器停留在10°，濾波后角度值會(huì)在一定時(shí)間后逐漸增大到10°。這段時(shí)間的長(zhǎng)短依賴(lài)于濾波常數(shù)和循環(huán)程序的采樣速率(程序循環(huán)一次所用的時(shí)間)。

對(duì)于陀螺儀情況正好相反，應(yīng)用高通濾波方法處理陀螺儀數(shù)據(jù)，來(lái)抑制陀螺儀積分的漂移。

針對(duì)陀螺儀的高通濾波和針對(duì)加速度計(jì)的低通濾波兩部分恰好組成一個(gè)互補(bǔ)濾波器。可以看到兩個(gè)濾波系數(shù)相加結(jié)果為1，所以濾波結(jié)果是一個(gè)比較精確的線(xiàn)性的角度估計(jì)值。

這樣，用加速度計(jì)的輸出來(lái)消除陀螺儀的漂移，使最終得到的傾角估計(jì)更加精確。這就是傳感器數(shù)據(jù)融合中典型的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。狀態(tài)估計(jì)的目的是對(duì)目標(biāo)過(guò)去的狀態(tài)進(jìn)行平滑、對(duì)現(xiàn)在的狀態(tài)進(jìn)行濾波和對(duì)未來(lái)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

總結(jié)

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