資源描述：
《基于卡爾曼濾波的倒立擺系統(tǒng)角度信號處理研究.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第1期(總第131期)機(jī)械管理開發(fā)2013年2月No．1(SUMNo．131)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTFeb．2013基于卡爾曼濾波的倒立擺系統(tǒng)角度信號處理研究周輝權(quán)，孫華，冀淵，丁偉(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川成都610039)摘要：倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)狀態(tài)是一個強(qiáng)耦合的多階非線性系統(tǒng)。在使用傳統(tǒng)的加速度傳感器獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用卡爾曼濾波的方法，將加速度傳感器數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以FreescaleCortex_M4內(nèi)核單片機(jī)為核心的慣性測量單元進(jìn)行試驗?？柭鼮V波器將姿態(tài)信息作為系
2、統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行實時估算濾掉噪聲。并且通過實驗．觀察倒立擺系統(tǒng)實際運行狀態(tài)，證明了卡爾曼濾波具有良好的動態(tài)跟蹤能力和抗噪聲能力。關(guān)鍵詞：倒立擺；卡爾曼；加速度；陀螺儀中圖分類號：TN911．7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003—773X(2013)O1—0062—020引言2倒立擺系統(tǒng)中傳感器的介紹倒立擺系統(tǒng)是一個非線性、強(qiáng)耦合、多變量和自然2．1加速度傳感器不穩(wěn)定的系統(tǒng)，倒立擺通常是用來檢驗控制策略效倒立擺系統(tǒng)中加速度計傳感器選擇為飛思卡爾公果的系統(tǒng)，也是控制理論研究中較為理想的實驗裝司的MMA7361，MMA7361是一塊三軸的模擬加速度置
3、。又因它與火箭飛行器及單足機(jī)器人有很大的相計傳感器，可以工作在(±1．5)G和(±6)G兩種狀態(tài)，工似之處，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其控制方法在作在(±1．5)G模式時為800mV／g，體積小僅為3mm軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛×5mmx1．0mmo的用途。如機(jī)器人行走過程中的平衡控制，火箭發(fā)射該加速度傳感器可以測量重力或者物體運動所產(chǎn)中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等均涉及到生的加速度，該加速度傳感器是通過微機(jī)械加工技術(shù)倒置問題，而其中反饋信號的濾波成為一個要解決與在硅片上形成的一個機(jī)械懸臂。它與相鄰的電極形成
4、研究的問題。兩個電容。由于加速度使得機(jī)械懸臂與兩個電極之間1卡爾曼濾波的介紹的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個電容的參數(shù)。通過卡爾曼濾波算法是由美國學(xué)者RudolfE．KalmantI集成的開關(guān)電容放大電路測量電容參數(shù)的變化，形成在20世紀(jì)60年代初提出的一種最小方差意義上的最了與加速度成正比的電壓輸出。優(yōu)預(yù)測估計方法，便于計算機(jī)實時處理，它提供了直接加速度在靜止的狀態(tài)下，輸出的電壓和傾角存在處理隨機(jī)噪聲干擾的解決方案，將參數(shù)誤差看作噪聲有一種三角函數(shù)關(guān)系，在靜態(tài)情況下，通過運算可以很以及把預(yù)估計量作為空間狀態(tài)變量，充分利用所測量準(zhǔn)確地得到倒立
5、擺系統(tǒng)的真實角度。但是在運動過程的數(shù)據(jù)，用遞推法將系統(tǒng)及測量隨機(jī)噪聲濾掉，得到準(zhǔn)中，由于外界產(chǎn)生了非重力加速度，對其電壓輸出產(chǎn)生確的空間狀態(tài)值。很大的干擾，它疊加在重力分量上，使得輸出信號無法卡爾曼濾波算法流程為：精確地反映倒立擺系統(tǒng)真實的角度。1)第一步為預(yù)估：2．2陀螺儀傳感器X(尼+1)=志+1，k)X(k)+G(志+1，k)Y(k)．(1)陀螺儀傳感器選擇的是村田公司的ENC一03RC，P(尼+ilk)=(志+1，k)P(klk)ga(志+1，k)+Q+1．(2)這塊傳感器的測量范圍為一300。／s一+300。／s，輸出0～2)第二
6、步為增益矩陣計算：3．3V的模擬信號，在未測量到角速度信號時輸出的電壓為1．35v。[H(志llk)H㈦+1)P(+(志+1)+尺一1]陀螺儀輸出的是角速度，信號不受運動的影響，3)第三步為狀態(tài)更新：所以器件本身輸出信號噪聲非常小，倒立擺系統(tǒng)的角又(屜+ilk+1)=又(屜+1)+K+1)2(志+llk)．(4)度可以通過角速度積分而得到，這樣可以獲得比較準(zhǔn)P(+llk+1)=[1一志(尼+1)H(志+1)]P(尼+1)．(5)確的角度。但是由于陀螺儀本身的角速度信號有微小4)卡爾曼濾波器是一種線性的離散時間有限維系的偏差，經(jīng)過積分運算后，
7、就會有累計誤差，如果不處統(tǒng)。每次完成一次估計后，都要把新的方差遞歸，使濾理，這個誤差會一直積累，最終會導(dǎo)致數(shù)據(jù)飽和，根本波后的狀態(tài)估計誤差的相關(guān)矩陣P(k+llk+1)的跡最小無法獲得真實的角度?；?。這意味著，卡爾曼濾波器是狀態(tài)向量的線性2．3小結(jié)最小方差估計。EKF算法收斂的必要條件是：e(1ak)陣通過實驗發(fā)現(xiàn)，不管是單獨使用加速度計還是陀與P(k+ilk)陣為對稱正定陣。若P(kl一∞、“1)—，螺儀都無法得到倒立擺系統(tǒng)的精確角度。它們兩者各則算法發(fā)散。而P陣初值的選取也影響EKF算法的收有優(yōu)缺點。加速度計在靜態(tài)下，準(zhǔn)確性高，但是在動
8、態(tài)斂，對不同的非線f生系統(tǒng)取值不同，仍主要依靠試。(下轉(zhuǎn)第65頁)收稿日期：2012—09—07作者簡介：周輝權(quán)(1990一)，男，云南昭通人，在讀本科生，研究方向：機(jī)械電子工程
