《传感器实验指导》陀螺仪及加速度计特性及应用实验

《传感器实验指导》陀螺仪及加速度计特性及应用实验
1.了解陀螺仪及加速度计的工作原理；
2.掌握陀螺仪及加速度计的测量方法；
3.掌握陀螺仪及加速度计的电路组成及原理。

1.分析陀螺仪及加速度计测量电路的原理；
2.连接陀螺仪及加速度计物理信号到电信号的转换电路；
3.软件观测传感器姿态变化时输出信号的变化情况；
4.记录实验波形数据并进行分析。

1.开放式传感器电路实验主板；
2.陀螺仪及加速度计测量模块；
3.导线若干。

陀螺仪及加速度计MPU-9250是一个QFN封装的多芯片模块，如图9-1所示。

其中包含了三轴的加速度计、三轴的陀螺仪、三轴的磁力计以及一个内置DMP数字运动处理模块。

图9-1 陀螺仪及加速度计
mpu9250芯片内部使用的角速度传感器是微机械陀螺仪，它利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。

通常芯片里面有两个方向的可移动电容板。

径向的电容板加
震荡电压迫使物体作径向运动（有点像加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就像加速度计测量加速度）。

因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

陀螺仪（Gyroscope、GYRO-Sensor）也叫地感器，传统结构是内部有个陀螺，如下图所示（三轴陀螺），三轴陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。

三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向（合成方向同样可分解为三轴坐标），最终可判断出设备的移动轨迹和加速度。

也就是说陀螺仪通过测量自身的旋转状态，判断出设备当前运动状态，是向前、向后、向上、向下、向左还是向右呢，是加速（角速度）还是减速（角速度）呢，都可以实现，但是要判断出设备的方位（东西南北），陀螺仪就没有办法。

图9-2 传统结构陀螺仪
加速度计（Accelerometer、G-Sensor）也叫重力感应器，实际上是可以感知任意方向上的加速度（重力加速度则只是地表垂直方向加速度），加速计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ），这一点又有点类似于陀螺仪，但陀螺仪的更多关注自身旋转情况（原位运动），加速计则主要是测量设备的受力情况，也就是三轴运动情况，尽管加速计也可能在某个小范围换算出角速度的可能，但设计原理决定更适合于空间运动判断。

磁力计可以测量地磁场，从而判断出航向，有点类似于指南针。

MPU9250九轴传感器的各个轴向，可以通过查看其数据手册得出，如下图说明：
图9-3 加速度计和陀螺仪轴向定义 图9-4 磁力计轴向定义 其中，图中的▪表示芯片引脚pin1脚，故而可在MPU9250外围电路处理后的模块中确定九个轴的轴向，如下图所示：
图9-5 轴向坐标轴
图9-6 陀螺仪及加速度计实验原理图
步骤一 连接设备
MPU9250 引脚pin1
Y
X Z
1．启动实验用的计算机，打开NI LabVIEW 2019软件；
2．将实验板插在NI ELVIS III的槽中，连接NI ELVIS III电源和与计算机通信的USB线；
3．打开NI ELVIS III开关，设备左边的电源灯亮。

4．打开编程开关APPLICATION BOARD POWER，板子右上方电源绿色灯亮。

步骤二实验连线
图9-7 接线图
1．参考图9-7实验连线图，正确连接实验线路。

2．按照接线图设置好物理通道，点击程序中的【测量/暂停】按钮，按钮变为黄色，实验程序开始运行。

3．转动传感器，即可读取程序测量的角速度和加速度值。

4．利用【保存数据】按钮，记录下陀螺仪及加速度计传感器模块输出的值。

1.按要求完整填写测试表格及测试数据；
2.分析并总结实验结果；
3.写出本次实验心得体会。

1．查找资料，了解陀螺仪及加速度计的通讯方式及算法。

2．结合多轴传感器的知识，学习了解多轴传感器的数据融合方法，例如卡尔曼滤波、DMP 等，并查阅资料了解多轴传感器在具体运用中的使用方法。

附：实验程序界面。