[发明专利]一种基于多新息卡尔曼滤波的自平衡车设计方案

说明书

本发明公开了一种基于多新息卡尔曼滤波的自平衡车设计方案，包括负责自平衡车姿态数据处理和控制任务调度的微处理器单元、负责读取自平衡车姿态数据并供微处理器处理的姿态测量单元、负责控制电机的运行状态并保证设备稳定运行的直流电机单元、用于指示设备运行及故障状态以便于观察设备的运行情况的LED指示单元、用于传输或接收数据或指令来实现无线控制自平衡车额无线传输模块和利用蚁群算法计算最优PID参数来下发控制指令的手机客户端。本发明还提供一种多新息卡尔曼滤波算法，该算法充分考虑自平衡车当前的运动姿态，并利用目标之前运动姿态信息，得到具有较高滤波精度和稳定性的姿态数据，保证自平衡车的可靠运行。

技术领域

本发明智能设备姿态控制技术领域，具体是一种基于多新息卡尔曼滤波的自平衡车设计方案。

背景技术

两轮自平衡车具有极强的灵活性，属于同轴平行布置结构。自平衡车机构具有自然不稳定特性，是一种高阶次、不稳定、多变量、强耦合的非线性系统。为保持随动平衡，姿态检测和控制是关键。对自平衡车姿态的获取中，通常将陀螺仪和加速度数据进行融合滤波，从而计算出自平衡车的姿态，该方法增加了微处理器的计算量，占有控制系统的资源，不利于系统事件处理和控制。

由系统模型不准确带来的数据误差，导致自平衡车系统存在随机漂移，降低滤波器的精度，甚至造成系统发散。采用扩展卡尔曼滤波算法，能够滤除陀螺仪和加速度传感器的随机漂移，解决随机温漂误差补偿和姿态最优估计的问题，能够实现自平衡车的姿态控制。然而在多传感器交互时，存在数据运算逻辑滞后的问题，这将降低平衡控制的响应速度。本发明鉴于以上基础，采用MPU6050传感器直接获得姿态数据，利用多新息控制理论，将卡尔曼滤波算法进行改进，得到多新息卡尔曼滤波算法，它不仅考虑了自平衡车当前的运动姿态，而且也充分利用目标之前运动姿态信息，从而得到具有较高滤波精度和稳定性的姿态数据。

发明内容

本发明的目的是针对自平衡车姿态数据处理精度低、不稳定的情况，提供一种基于多新息卡尔曼滤波算法的姿态数据处理方法，基于该方法，提供一种自平衡车设计方案。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多新息卡尔曼滤波算法的自平衡车设计方案，包括主控微处理器单元、电源单元、姿态测量单元、直流电机单元、LED指示单元、无线传输单元和手机客户端。

所述微处理器单元，负责自平衡车姿态数据处理和控制任务调度；姿态数据处理采用多新息卡尔曼滤波算法，控制任务负责自平衡车直行、后退、左转、右转指令处理，实时转速数据处理、运行状态指示和与无线传输模块通讯。

所述电源单元，提供3.3V的微处理器单元和姿态测量单元工作电压、提供5V的无线传输单元工作电压和12V的电机运行工作电压。

所述姿态测量单元，采用MPU6050传感，直接获得自平衡车X/Y/Z轴的姿态数据。

所述直流电机单元，包括直流电机驱动单元和两个直流电机；直流电机驱动单元负责独立双向控制两个直流电机，保证自平衡车的运动。

所述LED指示单元，负责指示自平衡车系统的运行和故障状态；LED指示灯以1s频率闪烁表示系统待机，0.5s快闪2次指示无线传输单元数据通讯故障，0.5s快闪3次指示电机1驱动异常，0.5s快闪4次指示电机2驱动异常。

所述无线传输单元，采用ESP8266模组，其与微处理器单元采用串口通讯方式，负责采集实时的姿态数据和电机数据；以及采用WIFI连接，传输手机客户端下发的指令数据和PID参数。

所述手机客户端，安装控制自平衡车的应用程序，应用程序一方面负责下发控制自平衡车的指令，另一方面负责计算出最优的PID参数，PID参数的优化采用蚁群算法。

所述多新息卡尔曼滤波算法对姿态数据的处理流程如下：