引言

在未知環(huán)境中，路況具有復雜性及未知性特點。移動機器人準確的路況探測及其自身的平穩(wěn)運行，對機載設備與探測任務本身都非常重要。目前，對移動機器人運動控制研究多集中在前向通道的算法研究，有關狀態(tài)信息檢測、傳輸反饋環(huán)節(jié)的研究相對較少。

雙軸微機械陀螺儀傳感器可以測量機器人的俯仰與翻轉，但微機械陀螺儀有隨機漂移性，無法直接應用，需要對輸出值作算法處理。參考文獻中的微機械陀螺儀隨機漂移的算法，可以在一定程度上解決漂移方面的問題，但仍有改進的空間，濾波性能有待進一步優(yōu)化提高。在現(xiàn)有自適應UKF算法的基礎上，改變比例對稱采樣策略的相關參數(shù)可達到較好的濾波效果?，F(xiàn)有的以ATmegal6為微處理器的CAN總線程序還有一些不完備之處，本文采用PeliCAN模式加入了完備的錯誤分析程序，并支持系統(tǒng)自身測試功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

移動機器人運動檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。采用InvenSense公司生產的IDG300型雙軸微機械陀螺儀進行移動機器人運動過程的俯仰與翻轉角度檢測；A／D采樣電路的主芯片為8位A／D轉換器ADC0809。采集的數(shù)據(jù)經改進的自適應UKF算法濾波后，經CAN節(jié)點向運動控制平臺傳輸機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。以ATmegal6為微處理器，SJAl000為CAN協(xié)議控制器，PCA82C250為CAN收發(fā)器的CAN節(jié)點原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

2．1 改進自適應UKF濾波算法

改進的自適應UKF算法如圖3所示。

經典UKF濾波算法采用某種策略得到狀態(tài)估計sigma點集后，大致分兩個步驟預測與更新，具體方程見參考文獻。不同的采樣策略會影響sigma點采樣及sigma點個數(shù)計算。比例對稱采樣方法中具體的sigma點采樣方法為：

式(1)～式(5)中需要確定3個參數(shù)α、β和κ。有一定的經驗值，但是微機械陀螺儀不同時間測量輸出差別較大，固定的值不能滿足角度測量的需要。在陀螺儀輸出值有明顯差別時，需要采用最小二乘支持向量回歸機(LSSVR)對α、β和κ值進行回歸，支持向量機對小樣本的支持，因此可以做出下一步較準確的預測。結合參考文獻中的算法原理，算法步驟如下：

①輸入狀態(tài)初始條件的值(；β=2，κ=O或3-n，n取1～3)。

②卡爾曼濾波估計的參數(shù)輸入RBF神經網絡，利用神經網絡的自適應能力和函數(shù)逼近能力對這些特征量進行訓練調整。

③更新方程。若輸出角度輸出較準確，則數(shù)據(jù)發(fā)往CAN總線，程序轉至第②步。

④若輸出角度有偏差，則LSSVR算法調整參數(shù)α、β、κ的值，程序轉至第②步。

2．2 CAN節(jié)點程序設計

以ATmegal6作CAN節(jié)點的微處理器需要解決端口(ALE，RD／E，／WR)的模擬問題。CAN節(jié)點部分主從機，節(jié)點ID地址決定是否接收任務以及發(fā)送的順序；幀格式采用數(shù)據(jù)幀；幀類型采用擴展幀；PB0～PB7作地址數(shù)據(jù)總線；PC3輸出片選信號；PC4控制SJAl000的復位引腳；INT0(PD2)控制終端信號。錯誤檢測分析程序包括：仲裁丟失捕捉(ALE)、錯誤代碼捕捉(ECC)、錯誤警告限制(EWLR)、RX錯誤計數(shù)(RXERR)、TX錯誤計數(shù)(TXERR)寄存器配置。

程序流程如下：

①SJAl000寄存器地址配置；

②CAN初始化、進入復位狀態(tài)配置時鐘分頻、代碼驗收、驗收屏蔽寄存器。

③等待總線數(shù)據(jù)，判別報文是否有效：若有效，進入收發(fā)函數(shù)，發(fā)送完畢轉至第③步；若報文無效，則進行錯誤處理，程序轉至下一步；

④錯誤分析，丟掉錯誤報文。程序轉至第③步。

3 實驗分析

3．1 數(shù)據(jù)來源

實驗條件：陀螺儀測試系統(tǒng)一套(包括360個脈沖／圈的編碼器、IDG-300軟硬件系統(tǒng))，使用Matlab仿真平臺。測試系統(tǒng)可以在±50°擺動運動，陀螺儀的偏轉角度通過編碼器輸出，精度為1°。

3．2 陀螺儀數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)通過測試系統(tǒng)實驗獲得。篇幅有限，下面給出X軸輸出數(shù)據(jù)采用改進自適應UKF算法后的濾波效果，如圖4～圖6所示。從圖中可以看出，該方法明顯縮成了數(shù)據(jù)波動范圍。

3．3 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸

對CAN總線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性做了相應實驗。取數(shù)量相同的數(shù)據(jù)，分別通過總線和串口進行傳輸，信號線長度都是2 m，分別進行相同數(shù)據(jù)量的1 h和24 h數(shù)據(jù)傳輸實驗。實驗結果如表1所列。

CAN總線通信方式是指在兩個節(jié)點間通信；串口通信是指使用ATmegal6芯片的RXD、TXD引腳功能進行數(shù)據(jù)傳輸。正確率的計算方法為：通信正確率=正確接收數(shù)量個數(shù)／發(fā)送數(shù)據(jù)總個數(shù)。

結語

通過改進自適應UKF濾波算法處理新型雙軸微機械陀螺儀數(shù)據(jù)，使微機械陀螺儀輸出數(shù)

據(jù)相對穩(wěn)定，一定程度上降低了微機械陀螺儀隨機漂移。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN總線通信的方式，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率與穩(wěn)定性。

但該系統(tǒng)尚不完善，特別是處理微陀螺儀隨機漂移問題的方法有待進一步改進，以提高微機械陀螺儀的精度，使機器人運動檢測更精確。