浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究

小型两轮自平衡电动车控制方案，是使用姿态检测传感器来检测小车姿态的变化，运用合适的运动控制原理，驱动电机进行相应的调整，以保持小车平衡、但在实际设计中，加速度计检测出来的数据易受小车运动速度影响，陀螺仪检测出来的数据易受温度影响，因此需要采用滤波器对其进行滤波、通过对卡尔曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较，在基于飞思卡尔公司Kinetis K60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证，从而得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。

1控制系统分析与设计

1.1系统分析

小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器,CMOS摄像头传感器、矢量光电编码器,Kinetis K60单片机、直流减速电泪L及其驱动电路组成。陀螺仪与加速度计的数据经过AD转换后传至控制器中，通过滤波器进行滤波后，获得较为精确的角速度和角加速度数据，从而计算得到角度偏差;摄像头采集道路信息，进行路径识别，使小车沿一定路径J决速运行光电编码器采集车轮速度，通过负反馈控制小车速度，三者数据融合后，再通过PID算法输出控制量，生成PWM从而控制电机运行。

1.2矢量编码器

小车进行角度ฑ姿态控制时会产生两个自由度上的偏移，除用测量角度的加速度计和陀螺仪外，还需要增加测量两轮车位移的传感器，这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量编码器。

2角度滤波算法分析

从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰，输出电压，矢量编码器控制电路会在实际反映倾角的电压值附近波动、要从陀螺仪获得角度信息，需要经过积分运算，而从单片机采集的角速度信息ツ存在误差和温度偏移、这个误差会随时间延长而积累，最终导致输出信号偏离真实角度信号、因此，下面介绍两种滤波法，对两种传感器所获得信息进行校正♀。

2.1互补滤波器

通过加速度计和陀螺仪积分获得的两种与角度相关的信息，利用加速度计修正陀螺仪的积分输出，利用陀螺仪修正加速度计的高频干扰。从而使陀螺仪积分所得到的角度逐步跟踪到加速度计所得到的角度。

对陀螺仪采集到的信息进行积分获得动态角度，对加速度计采集到的信息进行计算获得静态角度，陀螺仪积分在短时间内可以较好地反映角度变化的情况，却很难保证角度的精确性，而加¢速度计测量值可以较为真实地反映小车的物理角度信息，却存在高频干扰、利用动态角度和静态角度得到角度偏差，通过调节误差积分时间把角度偏差补偿到动态角度中，可以在保证动态性能的前提下获得较准确的角度值。

2.2卡尔曼滤波器

卡尔曼滤波用于数据融合时，可将姿态角和陀螺仪偏移量描述成♪由状态方程和测量方程组成的二维系统。

2.3仿真结果

为了比较互补滤波器和卡尔曼滤波器对于陀螺仪的角度信息校正的有效性，将该算法利用MAL下LA日仿真，使其跟踪同一呈正弦变化的仿真角度信息。

3软件设计

小车的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中断程序中完成。利用单片机的一个周期定时器产生1ms周期中断，中断程序的任务被分配在五个中断片段中、)因此每个中断片段中的任务执行周期为5ms，将任务分配到不同的中断片段中，一方面防i1=这些任务累积执行时间超过1ms，扰乱中断时序，另一方面也考虑到这些任务之间的时间先后顺序。

由软件设计框图及程序可得，进入第一个时间片时，脉冲计数器采集编码器计数车轮转数的信息，从而得到车体速度;进入第二个时间片时，采集陀螺仪与加速度计传感器数据，由于采用模数转换器采集数据，需要时间较长，因此将车体的直立控制函数放在下一个时间片中，进入第三个时间片时，计算直立控制的输出量，并将直立控制、速度控制和方向控制的输出量叠加成电机输出量;进入第四个时间片时，计算速度控制的输出量;进入最后一个时间片时，计算方向控制的输出量。