基于MEMS-IMU與數(shù)據(jù)融合的自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).pdf

1、自平衡機(jī)器人作為一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制復(fù)雜、應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和理論意義。本文旨在采用STM32設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，并著重利用MEMS慣性傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量單元，同時(shí)利用姿態(tài)融合算法提高自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量精度，降低系統(tǒng)的成本、功耗與體積。
　　本文首先借鑒國(guó)內(nèi)外自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了其關(guān)鍵技術(shù)及其在未來(lái)市場(chǎng)的應(yīng)用前景，為本文設(shè)計(jì)一款基于低成本MEMS IMU

2、的自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)提供了方向性的啟發(fā)。其次從自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)出發(fā)闡述了自平衡機(jī)器人的動(dòng)平衡原理，對(duì)系統(tǒng)最大可控角度進(jìn)行了理論分析與公式推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)及其各個(gè)模塊進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。并在方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，對(duì)姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)的檢測(cè)精度是自平衡機(jī)器人系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵技術(shù)。為了提高姿態(tài)測(cè)量精度，本文分析了慣性傳感器的本身特性與誤差源，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)了慣性傳感器輸出特性并建立溫

3、度誤差數(shù)學(xué)模型。在簡(jiǎn)單路面環(huán)境下，利用單軸陀螺儀與單軸加速度計(jì)構(gòu)成一個(gè)低成本的姿態(tài)測(cè)量單元，提出以卡爾曼濾波為基礎(chǔ)的自適應(yīng)殘差補(bǔ)償算法；在復(fù)雜路面環(huán)境下，提出了融合三軸陀螺儀與加速度計(jì)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)兩步更新二階擴(kuò)展卡爾曼濾波的姿態(tài)融合算法。最后通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，兩種算法能夠有效抑制噪聲干擾、融合陀螺儀與加速度數(shù)據(jù)，且很好的補(bǔ)償了非重力載體位移加速度對(duì)姿態(tài)估計(jì)的影響。該自平衡機(jī)器人姿態(tài)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)于其他一些微小型運(yùn)載體或