Cyber15隊(duì)智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告(節(jié)選)

　　摘要：車模使用飛思卡爾加速度傳感器MMA7260以及村田公司ENC-03陀螺儀進(jìn)行卡爾曼融合，獲取車模直立姿態(tài)。使用電容電感組成的諧振電路檢測電磁信號幅值。通過二輪差速進(jìn)行車模的轉(zhuǎn)向。

　　使用卡爾曼濾波的原因

　　當(dāng)決定使用加速度計(jì)(反應(yīng)角度)以及陀螺儀(反應(yīng)角速度)以后，我們對參考的論文中為何要同時(shí)使用加速度計(jì)以及陀螺儀產(chǎn)生過一些疑問。因?yàn)槿绻枰撬俣?，我們可以通過這樣的方法對加速度計(jì)進(jìn)行微分，計(jì)算出角速度，或者可以通過對于陀螺儀積分，從而獲得角度。既然如此為何我們需要使用兩個(gè)傳感器。 

　　于是，我們對兩個(gè)傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)采樣，觀測其輸出信號的關(guān)系。由于考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)對傳感器產(chǎn)生比較大的干擾，因此我們測試了不同PWM占空比下傳感器輸出，并用MATLAB繪制曲線，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

　　首先是陀螺儀的數(shù)據(jù)測試(見圖1)，隨著PWM占空比的不斷提高，陀螺儀的噪聲也更加顯著?！　?/p>

　　表1是我們通過MATLAB計(jì)算獲得的一些數(shù)據(jù)。此處我們用方差表征傳感器噪聲大小?！　?/p>

　　之后我們對加速度傳感器進(jìn)行了測試，如圖2。通過以上數(shù)據(jù)，我們不難獲得以下一些結(jié)論?！　?/p>

　　1、陀螺儀的噪聲還在可以接受范圍，但是加速度計(jì)噪聲已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可控范圍接受。

　　2、對于加速度計(jì)做一個(gè)補(bǔ)充說明，加速度計(jì)在車模直立狀態(tài)下，電機(jī)PWM占空比100%噪聲情況下，幅值映射到實(shí)際角度大約是60度左右。根本不能直接使用。

　　3、方差(可以等效理解為噪聲大小)隨著占空比不斷增加。

　　4、加速度計(jì)雖然噪聲很大，但是長時(shí)間來看，他的數(shù)學(xué)期望是非常穩(wěn)定的。

　　5、陀螺儀的噪聲比較小，但是他的誤差會(huì)對積分造成漂移。

　　無論是加速度計(jì)還是陀螺儀，都有自己的優(yōu)勢和劣勢。簡而言之：加速度計(jì)短時(shí)間內(nèi)不可信，但是長時(shí)間內(nèi)可信。陀螺儀短時(shí)間內(nèi)可信而長時(shí)間內(nèi)不可信。這也就是為什么車模直立必須使用兩個(gè)傳感器來完成信號獲取。因?yàn)閱蝹€(gè)傳感器不可靠，只有取其精華去其糟粕，發(fā)揮兩個(gè)傳感器的共同優(yōu)勢，才能夠取得好的效果。于是，我們需要一種算法，能夠在短時(shí)間內(nèi)置信陀螺儀，而長時(shí)間內(nèi)置信加速度計(jì)的算法。這就需要卡爾曼濾波。

　　卡爾曼濾波化簡
       
　　上述五個(gè)公式便是卡爾曼濾波的五條數(shù)學(xué)公式在本項(xiàng)目中的使用。但是，以上五個(gè)公式，僅僅只是矩陣形式。雖然可以在MATLAB里進(jìn)行仿真，但是卻不能使用單片機(jī)進(jìn)行有效運(yùn)算。