Cyber15隊智能汽車(chē)競賽技術(shù)報告(節選)

　　摘要：車(chē)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(chē)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(guò)二輪差速進(jìn)行車(chē)模的轉向。

　　使用卡爾曼濾波的原因

　　當決定使用加速度計(反應角度)以及陀螺儀(反應角速度)以后，我們對參考的論文中為何要同時(shí)使用加速度計以及陀螺儀產(chǎn)生過(guò)一些疑問(wèn)。因為如果需要角速度，我們可以通過(guò)這樣的方法對加速度計進(jìn)行微分，計算出角速度，或者可以通過(guò)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)行了數據采樣，觀(guān)測其輸出信號的關(guān)系。由于考慮電機轉動(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(xiàn)，并進(jìn)行相關(guān)運算。

　　首先是陀螺儀的數據測試(見(jiàn)圖1)，隨著(zhù)PWM占空比的不斷提高，陀螺儀的噪聲也更加顯著(zhù)?！　?/p>

　　表1是我們通過(guò)MATLAB計算獲得的一些數據。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(guò)以上數據，我們不難獲得以下一些結論?！　?/p>

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

　　2、對于加速度計做一個(gè)補充說(shuō)明，加速度計在車(chē)模直立狀態(tài)下，電機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(zhù)占空比不斷增加。

　　4、加速度計雖然噪聲很大，但是長(cháng)時(shí)間來(lái)看，他的數學(xué)期望是非常穩定的。

　　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(wú)論是加速度計還是陀螺儀，都有自己的優(yōu)勢和劣勢。簡(jiǎn)而言之：加速度計短時(shí)間內不可信，但是長(cháng)時(shí)間內可信。陀螺儀短時(shí)間內可信而長(cháng)時(shí)間內不可信。這也就是為什么車(chē)模直立必須使用兩個(gè)傳感器來(lái)完成信號獲取。因為單個(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)間內置信陀螺儀，而長(cháng)時(shí)間內置信加速度計的算法。這就需要卡爾曼濾波。

　　卡爾曼濾波化簡(jiǎn)
       
　　上述五個(gè)公式便是卡爾曼濾波的五條數學(xué)公式在本項目中的使用。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進(jìn)行有效運算。