基于信息融合的角度传感器设计及实现

　　0　引言

　　非稳定平台像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加十分强有力的控制手段才能使之稳定。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其研究具有重大的理论和实践意义[1]。对于非稳定平台的平衡控制,首先要解决的是系统偏离平衡位置角度值的准确测量,也就是角度实时信息的正确估计。

　　在平台的角度测量系统中,通常采用一个角速度传感器和一个倾角传感器来进行信息采集。角速度传感器在静止不运动时存在着静态均值,并且随着时间变化产生零点漂移。为了得到精确的测量角速度,每次测量中必须消除它的静态均值。而倾角由于自身的内在原因,输出的角度信号总会有一定的滞后性。角速度传感器的零点漂移及倾角传感器滞后性都表明:选用任意一种传感器都不能提供充分可靠的角度实时信息。传统的解决方法就是采用价格昂贵的高精度传感器,随着多传感器融合技术的发展,寻找一种低成本的解决办法已经成为可能。

　　作者提出了一种基于多传感器数据融合的低成本、宽频带的平台姿态检测传感器,介绍了该方法的结构组成、工作原理、制作方法和性能测试。

　　1　信息融合设计原理

　　信息融合的设计原理是由倾角传感器和角速度传感器构成一个补偿滤波器,倾角传感器和角速度传感器的信号作为补偿滤波器的输入信号,经过信息融合后输出一个倾角估计值。

　　1·1　补偿滤波器的构成

　　补偿滤波器的构成如图1所示,从倾角传感器信号中取出低频区域的信号,从角速度积分信号中取出高频区域,将其进行合成后,输出倾角的估计。

　　假设倾角传感器的滤波器传递函数为Gi(s),角速度传感器的滤波器传递函数为Gg(s)。要想使两个信号合成得到倾角的最优估计值,补偿滤波器的传递函数必须满足

　　假设倾角传感器的传递函数为角速度传感器为理想传感器。由式(1)可知,满足关系式

　　从试验数据上可以得到τ=0·51。将τ值分别代入倾角传感器和角速度传感器的传递函数,可以得到补偿滤波器的传递函数分别为

　　2　数据融合的性能测试

　　2·1　实验系统工作原理

　　试验平台的整体运动以及传感器采样是由单片机控制器完成的,其中单片机的定时器对采样频率进行精确控制,试验平台的运动速度以及路线可以根据试验要求进行改变。为了保证平台运动和位姿采样的同步性,运动起点的同一性以及传感器测定值实时上传、保存、后期处理,试验平台和计算机实现了串行通讯。通过计算机对整个试验平台发出开始信号时,试验平台同步实现运动、采样、数据上传、数据保存;完成试验任务后试验平台各部分功能同时停止。