两轮平衡车开发第一篇之姿态基础

一、基本认识:扫盲

1.1几个角:偏航角、横滚角、俯仰角。

两轮平衡车开发第一篇之姿态基础_第1张图片

(1)偏航角:个人理解就以飞机的坐标为例,假如我是在朝某一个方向飞行,方向比较正,比如正东方,这是我要超东南方向飞行,飞机调整机头转向,正东方与东南方直接的夹角就是偏航角。

(2)横滚角:个人理解还是以飞机坐标为例,假如我们的飞机在朝某一个方向飞行,方向比较正,飞机高度已经达到,飞机处于水平飞行状态,这是,我想来一个360°翻转,那么我开始翻转是,有一个侧翻的感觉,飞机机身斜了,这个倾斜了的角度(相对于水平)就是横滚角。

(3)俯仰角:个人理解还是以飞机坐标为例,假如我们飞机在朝某一个方向水平飞行,这是我感觉飞机要撞到前边的山顶了,那么我要提升高度,提高机头上升的这个过程中,相对于水平飞行时之间的夹角就是俯仰角。

(4)实时姿态的获取:飞机的初始飞行状态就是某个方向、水平飞行。那么我们想办法测量出基于原始状态的三个姿态角(偏航角、横滚角、俯仰角)的变化量,再进行叠加,就可以获得飞机的实时姿态了。

二、几个坐标系

2.1 地球坐标系、地理坐标系、载体坐标系

两轮平衡车开发第一篇之姿态基础_第2张图片

(1)地球坐标系:以地球中心为原点,Z轴是沿地球自转轴为方向(地理知识不好也没关系,我们看图),X、Y轴是在赤道平面内的坐标系。

(2)地理坐标系:它的原点在地球表面(或运载体所在的点), Z 轴沿当地地理垂线的方向(重力加速度方向), XY 轴沿当地经纬线的切线方向。根据各个轴方向的不同,可选为“东北天”、“东南天”、“西北天”等坐标系。这是我们日常生活中使用的坐标系,平时说的东南西北方向与这个坐标系东南西北的概念一致。(不理解专业术语,我们看图理解)

3)载体坐标系:这个就简单了,载体坐标系以运载体的质心为原点,一般根据运载体自身结构方向构成坐标系,如 Z 轴上由原点指向载体顶部, Y 轴指向载体头部, X 轴沿载体两侧方向。

抽象来说,姿态是“载体坐标系”与“地理坐标系”之间的转换关系。(所以说我上边理解的那个飞机飞行的那个初始位置,其实就是“载体坐标系”中的坐标)

三、坐标系的换算与其之间的关系

地理坐标系与载体坐标系都以载体为原点,所以它们可以经过简单的旋转进行转换,载体的姿态角就是根据载体坐标系与地理坐标系的夹角来确定的。

看上边的图片想象地理坐标系与载体坐标系之间的关系

假设初始状态中,飞机的 Z 轴、 X 轴及 Y 轴分别与地理坐标系的天轴、北轴、东轴平行。

(1)如当飞机绕自身的“Z”轴旋转,它会使自身的“Y”轴方向与地理坐标系的“南北”方向偏离一定角度,该角度就称为偏航角(Yaw);

(2)当载体绕自身的“X”轴旋转,它会使自身的“Z”轴方向与地理坐标系的“天地”方向偏离一定角度,该角度称为俯仰角(Pitch);

(3)当载体绕自身的“Y”轴旋转,它会使自身的“X”轴方向与地理坐标系的“东西”方向偏离一定角度,该角度称为横滚角。

四、利用陀螺仪检测角度

最直观的角度检测器就是陀螺仪了,见图 50-3,它可以检测物体绕坐标轴转动的“角速度”,如同将速度对时间积分可以求出路程一样,将角速度对时间积分就可以计算出旋转的“角度”。

两轮平衡车开发第一篇之姿态基础_第3张图片

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