[開源造車]51單片機兩輪自平衡小車之數據融合

數據融合加速度計

加速度計，就是測量物體加速度的。

為了方便理解，我將加速度分為兩種：由地球引力產生的重力加速度，只要地球還在，重力就不會消失；由物體運動產生的運功加速度，根據牛二定理，只要有外力作用，便產生加速度。加速度傳感器測量的是這個加速度的總和。物體靜止加速度計測量的就是重力加速度。

給出一個“小球-盒子”模型，將重力加速度看成一個實體黑色“小球”，加速計就看成“盒子”。當物體失重時，盒子不受重力。

圖1 失重狀態

物體放在水平面地面上時，僅Z軸受重力。

圖2 水平地面放置

當物體右傾斜放45°放在地上時， X軸和Z軸受重力的分力。

圖3 傾斜45°放置

根據加速度計的各軸受重力分量可以計算出物體的傾角（也即俯仰Pitch和橫滾Roll角）。但當物體有外力作用時，各個軸受的是重力+未知外力，計算結果不準確。

圖4 加速度計易受干擾

人為增加一個運動加速度后計算的傾角就誤差很大了（圖中紅色圈粗糙部分）。

陀螺儀

陀螺儀是測量角速度（或者角速率）的傳感器，我們常說電機10轉/秒，寫成dep/s，陀螺儀測量的就是它了。要獲得角度，就需要對角速度進行積分Angle= 。Angle是帶有正負的，正值表示按正向旋轉，負值表示按負向旋轉。例如MPU6050的正負方向如下圖所示。

圖5 MPU6050

通過陀螺儀可以求出物體繞某個軸旋轉的角度，也即姿態角。但是陀螺儀存在零漂，當物體靜止時，陀螺儀傳感器輸出的誤差會因積分累積而越來越大。如下圖6所示。

圖6 陀螺儀的角度漂移

數據融合IMU

結合加速度計和陀螺儀特性，我們可以采用滑動濾波、卡爾曼濾波、互補濾波和四元數等進行數據融合可以得到穩定、低延時、高精度且無漂移姿態數據。如圖7所示，黃、紅和藍代表x、y和z軸姿態角變化。

圖7 四元數姿態解算

數據融合IMU作為一個獨立篇章來講解。詳情請看下一章---數據融合