[发明专利]一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能车领域，尤其是涉及两轮智能车的姿态检测误差设计方法。 

背景技术

两轮智能车是一种由两个同轴轮分别驱动、有自平衡能力的智能车，类似于一级倒立摆，具有体积小、结构简单、转向灵活等优点。姿态反馈是设计控制系统的必要环节，因此姿态检测误差对两轮智能车系统有很大影响。国内外很多研究学者通过不同方法建立了两轮智能车模型，并且运用不同理论设计了相应的控制器，但对姿态检测误差的研究不尽相同。 

目前很多学者从不同角度设计两轮智能车，但对其存在姿态检测误差的问题研究不足，往往只研究了姿态检测传感器的本身特性，而没有结合两轮智能车系统进行充分研究。例如：单独使用加速度计作为姿态反馈元件，这样使得实际系统无论在角度还是速度上都会存在不同程度的震动；如果单独使用陀螺仪作为姿态反馈元件，两轮智能车的速度会存在稳态误差，位移会不断增加，使得两轮智能车不能够稳定不动。因此需要解决加速度计和陀螺仪存在检测误差的问题。 

发明内容

加速度计测量角度准确，但是在实际应用时存在高频噪声；陀螺仪不存在高频噪声，但易受温度影响而存在漂移误差，并且陀螺仪低频特性差。本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提出了一种姿态检测误差的两轮智能车的设计方法。 

本发明采取的技术方案如下：通过设计滤波器来减小姿态检测误差，互补滤波器可以用来处理姿态检测误差，并在实际应用中取得了很好的效果，所以引入互补滤波器来解决两轮机器人系统存在姿态检测误差的问题。 

其具体实施的步骤如下： 

一种姿态检测误差的两轮智能车设计方法，包括如下步骤：1)通过力学分析建立两轮智能车数学模型，采用极点配置法设计状态反馈矩阵，通过对多组期望极点进行仿真比较，进而得到能控稳定的系统状态方程；2)通过分析姿态检测传感器：加速度计和陀螺仪的特性，得到各自的误差模型，并采用互补滤波方法对这两种姿态检测传感器的误差模型进行融合；3)将经过互补滤波方法融合后的误差模型应用到步骤1)两轮智能车的系统状态方程中，从而实现对智能车 系统的设计。 

所述步骤1)中，系统的状态方程为： 

其中，摆杆质量为M，左、右轮半径为R，摆杆与竖直方向的夹角为θ，摆杆重心到车轮轴心线的距离为L，左右两轮之间的距离为D，m＝m_L＝m_R，m_L和m_R分别为左右两轮的质量，J_W＝J_L＝J_R，J_L和J_R分别为左右两轮的转动惯量，g＝9.8牛/千克；为摆杆绕垂直于地面轴的旋转角度，摆杆绕垂直于地面轴的转动惯量为J为摆杆绕车轮轴心线的转动惯量，M_L、M_R为左、右轮电机提供的转矩；x_m为左右两轮的平均位移，x_L、x_R分别为左、右轮位移，