基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法【摘要】本文针对高精度转动控制问题,结合MPU6050和步进电机,提出一种新的控制方法。
首先介绍了MPU6050和步进电机的基本原理和特点,然后详细阐述了基于这两者的高精度转动控制方法。
接着给出了实验结果与分析,指出该方法在精度和稳定性方面具有明显优势,并提出了改进方法。
最后在结论部分总结了研究的意义和成果,展望了未来的研究方向。
通过本研究,为高精度转动控制领域的发展提供了新的思路和方法,有望在工业自动化、航空航天等领域有广泛应用。
【关键词】MPU6050, 步进电机, 高精度转动控制方法, 实验结果, 分析, 改进方法, 总结, 展望, 研究背景, 研究意义.1. 引言1.1 研究背景在现代工业和科技领域,精准控制设备的转动是一个非常重要的技术需求。
特别是在一些需要精确定位或运动控制的应用中,比如机器人控制、航空航天领域等,高精度转动控制技术具有重要意义。
随着传感器和电机技术的发展,基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法成为一种有效的解决方案。
MPU6050是一种集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的传感器,能够实时监测设备的姿态和加速度变化。
步进电机则是一种精确控制转动角度的电机,通过控制步进电机的步进角度和速度,可以实现精准的角度控制。
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法成为了当前研究的热点之一。
通过将MPU6050的姿态数据与步进电机的控制系统结合,可以实现对设备的精确定位和控制。
本文将介绍如何利用MPU6050传感器获取姿态数据,以及如何结合步进电机实现高精度的转动控制。
希望通过本研究能够为高精度转动控制技术的进一步发展提供一定的参考和借鉴。
1.2 研究意义高精度转动控制在许多领域中都具有重要的应用价值,例如航空航天、机械制造、医疗设备等。
精确的转动控制可以确保设备或系统的稳定运行,提高工作效率,减少故障率,并且可以实现更精细和复杂的操作。
基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计
基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计∗卓从彬;杨龙频;周林;罗丹【摘要】Through analyzing the change of the motion state(SVM)and the attitude features of different stage of elderly people’s activities of daily life and falling down,a falling detection system is designed based on MPU6050 acceleration transducer,which is wearable. It samples users’ acceleration values and transmits to computer through wireless technology (HC-60 Bluetooth). Using MATLAB simulation tool to analyze the acceleration values and find their difference sets up different fall detection threshold with different stage of elderly people. Finally, experimental results show that the algorithm of setting different falling detection threshold to different ages has a higher accuracy and practicability.%分析不同年龄段老年人行为和跌倒状态变化( SVM)和姿态特征变化(姿态角),设计一种基于加速度传感器的跌倒检测系统。
使用MPU6050加速度传感器,通过无线传输(HC-06蓝牙模块)将采集到的数据传输到PC机上保存。
基于MPU6050的陀螺仪测控系统设计
— —
e r r = A c c e l — A n gl e l:
P P a[ 1 ] [ 1 ] = P P a [ 1 ][ 1 ] + P d o t a [ 3 ] * d t l : P P a[ 1 ]
3 . 2 基于卡尔曼滤波程序的滤波算法
对 于M P U 一 6 0 5 0 本 身存 在 的误 差 ,可 采用 多次测 量 取
平均值 的算法来校正 ,采用卡尔曼滤波算法有效地使得
_ —
F i i t e r s ( f l o a t A o l , G y r o 1 )
1 系统设 计 方案
本 设计 选用 系 统C 1 i n u x 和A R M C o r t e x 主控 器作 为 本 设 计 的 操 作 测 控 装 置 , 采 用M P U - 6 0 5 0 传 感 器 芯 片 可 准
上 ,采用多进程技术将串 口驱动接收到的数据缓冲,切
割成 自定义的协议封装形式后 ,组装成 高级应用程序 ( 帧字节 ),为高级应用程序提供程序接 口函数。
S t r u c t u n s i g n e d c h a r D a t a F r a m e sM a n g ae
— —
确地采样物体角速度变化 。由于温度及陀螺仪本身存在
的偏 差 ,采 样 得到 的数据 会有 偏 差 ,采 用滤 波 算法 来 校 正 。本 设计 采用 多 次平 均算法 和 卡 尔曼滤 波 算法 校 正 。 测 控 的硬 件系 统 由两 部 分 构成 。A R M 采用I I C 总 线 对 M P U 6 0 5 0 F 进 行 访 问 ,也可 采用 M P U 6 0 5 0 白带 的I I C 程 序 进 行 设计 。对 得 到 的数据 进 行校 正 后可 用 于对 用 户输 出 电 压 、频 率进 行 控制 ,显示 采用 五 寸彩 色 屏和 电脑 上 位 机 编 写的M i c r o w i n d o w s 的 图形 界进 行 显示 。
基于mpu6050设计陀螺仪模块参数计算
基于mpu6050设计陀螺仪模块参数计算引言1.1 概述本文主要介绍了基于MPU6050设计陀螺仪模块参数计算的方法和步骤。
陀螺仪是一种用于测量角速度和姿态信息的重要传感器,在多个领域具有广泛的应用,如航空航天、导航系统、运动控制等。
由于MPU6050具有高精度、低功耗和小尺寸等特点,成为了设计陀螺仪模块的理想选择。
1.2 文章结构本文共分为五个部分,如下所示:第一部分为引言,介绍概述、文章结构和目的。
第二部分为MPU6050介绍,包括其原理介绍、功能描述以及应用领域。
第三部分为陀螺仪模块设计原理,包括陀螺仪参数计算原理、MPU6050参数与陀螺仪关系说明以及设计过程与方法。
第四部分为参数计算方法与实施步骤,包括基本公式介绍、数据采集与处理流程说明以及参数计算示例和结果展示。
第五部分为结论与展望,总结文章内容并展望模块设计的优化方向和实际应用前景。
1.3 目的本文旨在介绍基于MPU6050设计陀螺仪模块参数计算的方法和步骤,帮助读者了解陀螺仪的原理和应用,并能够根据实际需求进行参数计算和模块设计。
通过本文的阐述,读者可以获取关于陀螺仪模块设计方面的基础知识,并且了解到MPU6050在此领域中的优势和潜力。
最终目的是促进更广泛、更有效地利用陀螺仪技术,推动相关领域的发展和应用创新。
2. MPU6050介绍:2.1 原理介绍:MPU6050是一种常用的六轴陀螺仪加速度计模块,它基于微电子机械系统(MEMS)技术。
它集成了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计,能够同时测量物体的角速度和线性加速度。
在原理上,MPU6050利用了惯性力原理。
陀螺仪通过测量角速度变化来检测物体的转动情况,而加速度计则通过测量物体的线性加速度来检测物体的直线运动情况。
2.2 功能描述:MPU6050具有多项功能和特点。
首先,它可以提供非常准确的角速度和加速度数据,并且可以进行高精度的传感器校准。
其次,MPU6050可以通过数字接口与微控制器进行通信,实现实时传输数据和控制。
基于MPU-6050运动传感器的惯性导航定位系统
位 移 ,误差会随时间积累从而使得定位精度不高,所 以需要对式(4 ) 进 行 修 正 ,使用采样间隔内加速度
的 自 主 定 位 方 法 。通 过 加 速 度 传 感 器 和 陀 螺 仪 实 时 采 集 线 加 速 度 和 角 加 速 度 数 据 ,经 卡 尔 曼 滤 波 器 处 理 ,再利 用 姿 态 矩 阵 消
除重力加速度的偏移分量的影响后推算目标物体的运动轨迹。经 实 验 检 测,该 方 法自主性强、短 时 精 度 高,完全符合检测系
根 据 惯 性 微 分 方 程 ,可 对 线 加 速 度 进 行 二 次 积 分得到目标物体的位移。本硬件系统中通过加速度 传感器高速准确采集目标物体在空间三轴的加速 度 ,并通过对加速度的积分运算得到物体的运动轨 迹和瞬时速度[4]。
根据积分运算原理,设 定 从 时 间 &开 始 对 目 标 物体的运动信息进行采集。从 时 间 ~到 时 间 ^的 时 间域内,加 速 度 4 〇、速 度 F (〇、位 移 S ( 〇 的物理 关系为
惯 性 导 航 定 位 是 一 种 自 主 式 定 位 方 法 ,其 基本 原 理 是 利 用 运 动 信 息 推 算 目 标 物 体 的 位 置 ,并 使 得 检测设备具有便携和灵活的特点。由于推算的过程 是 一 个 累 加 的 过 程 且 系 统 存 在 随 机 误 差 ,造 成 长 时 间工作的情况下定位误差较大[2]。针 对 这 种 情 况 , 本文将通过姿态转换和卡尔曼滤波的方法修正运动 信息来实现精确定位。
stst0t0vhvh22hvvit设初始位移s00加速度触感器的采样间隔仏qt0贝j在离散域内位移su可表示为snsn1vnvn2ai4式4中f?k?la?af由于加速度传感器存在零点漂移现象如果直接用式4推算位移误差会随时间积累从而使得定位精度不高所以需要对式4进行修正使用采样间隔内加速度的相对变化量来推算位移从而消除加速度传感器零点漂移的积累误差
基于MEMS加速度传感器MPU-6050的滑坡检测系统设计
第44卷第2期2021年2月煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.44No.2Feb.2021化工环保与安全基于MEMS加速度传感器MPU-6050的滑坡检测系统设计王文鑫,姚璐,胥钧(华北科技学院安全工程学院,W匕京燕郊101601)摘要:针对目前边坡工程监测中存在的监测精度低、成本高以及野外布设困难等问题,以山体位移监测为主要研究对象,采用了以MEMS微机电监测技术为基础技术路线的监控系统,利用MEMS加速度传感器精度高、体积小等优势,采用以CC2530为核心的Zigbee建立无线网络传输,识别山体滑坡发生的可能性。
根据滑坡变形过程设计了模拟实验,实验结果表明,MEMS传感器能够准确地采集数据,检测的相对误差<2%o整个系统功耗小、速度快,能够很好的完成对山体滑坡的检测。
关键词:滑坡检测;MEMS加速度传感器;Zigbee中图分类号:TQ018文献标识码:A文章编号:2095-5979(2021)02-0156-05 Design of landslide detection system based on MEMSacceleration sensor MPU-6050Wang Wenxin,Yao Lu,Xu Jun(School of S cfety Engineering f North China University of S cience and Technology,Y a n J iao101601,China) Abstract:In view of the problems existing in slope engineering monitoring,such as low monitoring accuracy,high cost and difficult field layout,the mountain displacement monitoring was taken as the main research object,a monitoring system based on MEMS micro electro mechanical monitoring technology was adopted,the advantages of MEMS acceleration sensor, such as high precision and small volume,were utilized,ZigBee with CC2530as the core was used to establish wireless network transmission,and identify the possibility of landslide.The simulation experiment was designed according to the deformation process of landslide,the experimental results show that the MEMS sensor can accurately collect data,and the relative error of detection was less than2%,and the whole system has low power consumption and fast speed,and can well complete the landslide detection.Key words:landslide detection;MEMS acceleration sensor;Zigbee0引言随着地壳运动、暴雨所导致的山体滑坡越来越多,尤其是处于地震带、人类工程活动较为频繁的地区,滑坡所带来的后果,不仅会造成经济损失,以及周围道路的破坏,还会导致人员伤亡,有的甚至是毁灭性的灾难。
基于MPU6050的单片机姿态传感器系统
基于MPU6050的单片机姿态传感器系统第一章:引言1.1 研究背景随着科技的不断发展,人们对于姿态传感器的需求越来越高。
姿态传感器是一种能够感知物体姿态变化的设备,广泛应用于航空航天、机器人、医疗等领域。
传统的姿态传感器多采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制造,其体积庞大、功耗高,无法满足小型化、低功耗的要求。
因此,基于MPU6050的单片机姿态传感器系统应运而生。
1.2 研究目的本文旨在设计一种基于MPU6050的单片机姿态传感器系统,实时获取物体的姿态信息,并通过串口将数据传输给上位机进行处理和显示。
该系统具有体积小、功耗低、精度高等特点,在航空航天、机器人、医疗等领域具有广阔的应用前景。
第二章:MPU6050传感器介绍2.1 MPU6050概述MPU6050是一种集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的传感器,采用MEMS技术制造。
该传感器具有高精度、低功耗、小体积等特点,能够实时测量物体的加速度和角速度。
2.2 MPU6050工作原理MPU6050通过感知物体的加速度和角速度变化,进而计算出物体的姿态角度。
传感器内部集成了AD转换器和数字信号处理模块,能够将模拟信号转换为数字信号并进行处理。
第三章:系统设计3.1 硬件设计基于MPU6050的单片机姿态传感器系统的硬件设计主要包括传感器模块、单片机模块和通信模块三部分。
3.1.1 传感器模块传感器模块采用MPU6050传感器作为主要组成部分,通过I2C接口与单片机进行通信。
传感器模块负责感知物体的加速度和角速度变化,并将数据传输给单片机进行处理。
3.1.2 单片机模块单片机模块采用STM32系列单片机作为主控芯片,具有高性能、低功耗的特点。
单片机模块负责接收传感器模块传输的数据,并进行处理和计算,最终得到物体的姿态角度。
3.1.3 通信模块通信模块采用串口通信的方式,将单片机模块计算得到的姿态角度数据传输给上位机进行处理和显示。
mpu6050姿态解算原始数据
MPU6050姿态解算原始数据1. 概述MPU6050是一款集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的惯性测量单元(IMU)。
它能够测量物体的姿态(即旋转角度)和加速度,并通过原始数据进行解算,提供准确的姿态信息。
本文将介绍MPU6050的原始数据和姿态解算的相关概念、原理和实现方法。
2. MPU6050原始数据MPU6050通过三轴陀螺仪和三轴加速度计测量物体的旋转角速度和加速度。
它的输出数据包括以下几个方面:•陀螺仪输出:以角速度(单位为度/秒)表示物体绕X、Y和Z轴的旋转速度。
•加速度计输出:以加速度(单位为m/s²)表示物体在X、Y和Z轴上的加速度。
这些原始数据可以通过I2C或SPI接口从MPU6050读取,并用于姿态解算。
3. 姿态解算原理姿态解算是通过陀螺仪和加速度计的原始数据,计算物体的姿态信息,包括滚动角(Roll)、俯仰角(Pitch)和航向角(Yaw)。
3.1 加速度计原理加速度计通过测量物体在各轴上的加速度,可以得到物体的倾斜角度。
加速度计的原理基于牛顿第二定律,即物体的加速度与受到的力成正比,与物体的质量成反比。
加速度计的输出数据包括X、Y和Z轴上的加速度,我们可以通过以下公式计算物体的倾斜角度:Roll = arctan2(Y, Z) Pitch = arctan2(-X, √(Y² + Z²))其中,arctan2是反正切函数,用于计算倾斜角度。
3.2 陀螺仪原理陀螺仪通过测量物体绕各轴的旋转速度,可以得到物体的旋转角速度。
陀螺仪的原理基于角动量守恒定律,即物体绕某一轴的旋转速度与所受到的力矩成正比,与物体的转动惯量成反比。
陀螺仪的输出数据包括X、Y和Z轴上的角速度,我们可以通过以下公式计算物体的旋转角度:Roll = Roll + (X * Δt) Pitch = Pitch + (Y * Δt) Yaw = Yaw + (Z * Δt)其中,Δt是采样时间间隔,X、Y和Z是陀螺仪的输出数据。
基于mpu6050的软件与硬件姿态解算研究
• 5•为了实时获取四轴飞行器的姿态信息,对四轴飞行器姿态解算算法进行了研究。
在获取机体欧拉角的方法上,通常采用的有基于MPU6050的软件姿态解算,和采用MPU6050内置数字运动处理器(DMP)的硬件姿态解算两种方法。
本文主要是对两种方法的解算时间进行测试,并完成在不同震动频率、震动力度下欧拉角的抗震测试,然后分析两种算法所获得的欧拉角曲线,从而完成两种解算算法抗震性能的研究。
1.引言姿态解算是飞行器姿态控制一个基础且重要的部分,对飞行器的姿态进行实时采集,然后通过姿态控制器修正飞行器的姿态,从而保障飞行的稳定。
在四轴飞行器的系统设计中,利用惯性元件对飞行器的姿态进行解算是最为常见的一种方式(陈国定,周鹏豪,胡朕豪,汤粤生,秦志飞,基于MPU6050的四轴硬件姿态解算研究:机电工程,2018)。
MPU6050是6轴运动处理传感器,它集成了三轴陀螺仪,三轴加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,如图1所示。
图1 MPU6050模块本文基于MPU6050分别采用硬件姿态解算与软件姿态解算得到机体欧拉角。
并对两种算法的解算时间以及抗震性能进行测试,最终给出两种姿态解算方法的优缺点。
2.姿态解算的实现2.1 硬件姿态解算硬件姿态解算主要是通过MPU6050内置的硬件DMP直接读取四元数(袁鑫宏,王兴,基于MPU6050六轴传感器的平衡车姿态检测及控制方案:信息与电脑(理论版),2018),得到quat[0]~quat[3],其中quat[0]是四元数的实部,quat[1]~quat[3]是四元数的虚部,在通过公式(1)~(3)(卢艳军,陈雨荻,李元龙,四旋翼飞行器姿态解算算法试验研究:电光与控制,2019)将其转化为俯仰角(Pitch)、横滚角(Roll)和偏航角(Yaw)。
其中需要注意MPU6050 的 DMP 输出的四元数是浮点数放大了 2 的 30 次方倍,所以在换算成欧拉角之前,先将其除以 2 的 30 次方,得到,再进行计算。
mpu6050姿态解算原始数据
Mpu6050姿态解算原始数据Mpu6050是一种六轴惯性测量单元(imu),可用于测量物体的姿态、加速度和角速度。
姿态解算是利用imu采集的原始数据,通过算法计算出物体的姿态信息,包括滚转角、俯仰角和偏航角。
在实际应用中,姿态解算可以用于飞行器、机器人、虚拟现实等领域。
Mpu6050姿态解算原始数据是实现姿态解算的基础,本文将介绍如何获取Mpu6050的原始数据,并简要说明姿态解算的算法原理。
一、Mpu6050原始数据获取1. 硬件连接Mpu6050可以通过i2c或spi接口与微控制器进行通信。
一般来说,通过i2c接口连接更为常见。
接线时需注意电源、地线、时钟和数据线的连接正确性。
2. 寄存器配置Mpu6050内部有多个寄存器,其中包括原始数据的存储寄存器和配置寄存器。
在读取原始数据之前,需要对寄存器进行相应的配置,包括选择量程、设置采样率、使能加速度计和陀螺仪等。
3. 数据读取完成寄存器配置后,就可以通过i2c或spi接口读取Mpu6050的原始数据。
包括加速度计的三轴加速度值和陀螺仪的三轴角速度值。
读取的数据为16位的有符号整数,需进行转换和处理才能得到具体的物理量值。
二、Mpu6050姿态解算算法1. 姿态解算算法原理Mpu6050姿态解算算法主要基于互补滤波原理。
通过将加速度计和陀螺仪的原始数据进行滤波和融合,得到较为稳定和准确的姿态信息。
具体而言,加速度计可用于测量物体的倾斜角度,但对于快速旋转的运动无法提供准确的角速度信息;而陀螺仪能够提供精确的角速度信息,但会受到积分漂移等影响。
结合两者的优势,可以得到更准确的姿态信息。
2. 算法实现姿态解算算法的实现一般有两种方式,一种是基于互补滤波的欧拉角解算,另一种是基于四元数的姿态解算。
前者简单易懂,适合入门者学习,但对于快速旋转的情况效果不佳;后者则更为复杂,但能够有效克服欧拉角解算的局限性。
三、Mpu6050姿态解算原始数据的应用1. 飞行器在飞行器的姿态控制中,姿态解算可以用于测量飞行器相对于水平面的姿态角,从而实现稳定飞行和精确操控。
姿态传感器mpu6050原理
姿态传感器mpu6050原理MPU6050是一种常用的姿态传感器,它可以测量物体在空间中的姿态角度,如倾斜角、转动角等。
它的原理是基于MEMS技术,即微电子机械系统。
MPU6050内部包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪。
加速度计用于测量物体在空间中的加速度,通过积分可以得到速度和位移。
陀螺仪则用于测量物体的角速度,通过积分可以得到角度变化。
通过结合加速度计和陀螺仪的测量结果,就可以得到物体的姿态角度。
具体来说,加速度计通过测量力的大小和方向来得到加速度,它利用微小的质量和弹簧结构来实现这一测量。
当物体发生加速度时,加速度计内部的质量会发生相对位移,从而产生电信号。
通过对这些电信号进行放大和处理,就可以得到物体在三个轴向上的加速度。
陀螺仪则是通过测量物体的旋转来得到角速度。
它利用了角动量守恒定律,通过测量力矩来间接测量角速度。
陀螺仪内部有一个旋转的转子,当物体发生旋转时,转子会受到力矩作用,从而产生电信号。
通过对这些电信号进行放大和处理,就可以得到物体在三个轴向上的角速度。
MPU6050将加速度计和陀螺仪的测量结果进行融合,并通过卡尔曼滤波算法进行数据融合和姿态解算。
这样就能够得到物体在空间中的姿态角度。
MPU6050的应用非常广泛,例如在无人机中可以用于姿态控制,使无人机能够稳定飞行。
在虚拟现实设备中,可以用于追踪用户的头部姿态,以实现更加沉浸式的体验。
此外,在机器人、运动追踪等领域也有着重要的应用。
总的来说,MPU6050是一种基于MEMS技术的姿态传感器,通过测量加速度和角速度来得到物体在空间中的姿态角度。
它的原理简单而有效,广泛应用于各个领域。
基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统方案
基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统1.项目目标及功能说明1.1项目目标学习使用正点原子探索者开发板,并熟悉开发板上的MPU6050六轴传感器的工作原理和各函数的调用过程。
同时学习开发板的扩展接口,尝试在开发板上扩展蓝牙模块,并实现开发板与手机等含有蓝牙模块的电子设备通过蓝牙连接并进行数据的传输。
在完成上述内容的基础上,实现将MPU6050六轴传感器的加速度计和陀螺仪的数据传送到手机上,在手机上实现陀螺仪的变化效果展示。
同时通过串口将MPU6050数据传送到电脑上,通过Matlab编程处理数据,实现惯性导航的简单展示。
1.2系统功能说明系统最主要的功能有两个:一个是在手机端能够展示开发板上MPU6050陀螺仪的姿态变化,通过一个立方体的转动来表示陀螺仪的转动;另一个是在电脑端能够读取MPU6050的数据,并通过对数据的处理还原数据中存储的MPU6050的姿态变化,简单展现出惯性导航的效果。
在实现系统最主要的两个功能过程中,还需要实现一些基础功能。
开发板能够通过蓝牙与手机连接并传输数据;开发板能够通过串口将数据发送出去;在电脑端能够读取开发板上串口输出的数据等。
2.需求分析●惯性导航系统用于各种运动机具中,包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。
但是,存在一种情形:卫星一旦突然因故障、敌方打击或干扰(如太阳风暴)等原因无法提供服务,这对依赖GPS、北斗等卫星导航系统作为唯一PNT(Position、Navigation、Time)信息来源的系统来说可能是致命的灾难。
作为目前为止卫星导航系统最好的备援——惯性导航系统(INS),将于届时发挥出巨大的作用,其精度完全可以媲美GPS等卫星导航系统。
并且它不需要外部参考就可确定当前位置、方向及速度,从而使它自然地不受外界的干扰和欺骗。
定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺,因此通过研究新机理、研制新设备、开发新算法,以摆脱人员和系统设备对GPS的依赖,具有极大的战略意义。
基于MPU6050的四轴飞行器姿态角解算
阵可以表示飞行器的空间旋转,所以只要保持四元数的更新, 我们就可以得到想要的姿态。由于陀螺仪测量的是角速度所以
我们可以利用四元数三角式构造微分方程,使四元数对时间t
微分得出以下式子:
0 -Ox - (Dy 一 Ci)z go
坐=丄 G)x 0 G)z -a)y qi
(Dz 0
Ox 沪
0 一理
我们根据主控器处理离散数据的特点,选择一阶龙格库塔
2019.04科学技术创新 -39-
量r在坐标系1内的投影为m『,在坐标系2内投影 为[*2r ry2畑]',Z坐标没变得出rZ2 = r?i。由图2推导 出公式 A>2 = rricosa!+®sina! ry2 = ry\ cos a — rx\ sin a H2 =/zi °
—组四元数能够表达飞行器的完整飞行姿态,方向余弦矩
法有限次迭代求解套用公式得四元数微分方程再写成矩阵形
式得出: go
go
—LJx • gi _ LJy - q2 _ LJz - §3
qi
__ q\
1人 H——Ar •
s • go — 5 • g3 + 3z • qi
Q2
q2 2
s • q3 + 3〉• go — • gi
将上述式子用矩阵表示得出绕0Z1的旋转矩阵:
2.3方向余弦矩阵表示空间 首先以绕Zn轴为例,推导旋转过程中空间坐标的转化,首 先设坐标系1绕0Z1轴旋转a角后得到坐标系2,矢(转下页)
改善夹装方式来控制和降低叶片的加工变形。需注意的一点 是,我们通过改变夹装的方式来控制叶片的加工变形,在很大 程度上能够增加叶片的定位变形,同时辅助装置的增加并不会 对加工残余应力进行控制,因此这一控制叶片加工变形的方式 并不能够完全消除叶片的加工变形,只能够缓解叶片的加工变 形。提升叶片夹装的措施只适用于叶片加工应力较小的情况 下,对于叶片加工应力较大的情况并不适合。
基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计
基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计张承岫;李铁鹰;王耀力【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2016(0)7【摘要】针对四轴飞行器飞行性能不稳定和惯性测量单元(IMU)易受干扰、存在漂移等问题,利用惯性传感器MPU6050采集实时数据,以经典互补滤波为基础,提出一种可以自适应补偿系数的互补滤波算法,该算法在低通滤波环节加入PI控制器,依据陀螺仪测得的角速度实时调节PI控制器补偿系数。
飞行器姿态控制系统采用双闭环PID控制方法,姿态解算的欧拉角作为系统外环,陀螺仪角速度作为系统内环。
最后,搭建以NI myRIO为核心控制器的四轴飞行器,通过LabVIEW实现算法和仿真,实验结果表明,自适应互补滤波算法可以准确解算姿态信息,双闭环PID控制超调量小、反应灵敏,控制系统基本满足飞行要求。
%Against the flight performance instability of quad-rotor aircraft and Inertial Measurement Unit(IMU)’s defects,such as lack of anti-interference and drifting etc,this paper presents a complementary filtering algorithm that adaptive to compensation coefficient,based on classic complementary filter. Collecting real-time data via iner⁃tial sensor MPU6050,this algorithm adds PI controller into the low-pass filter link,and adjusts the compensation co⁃efficient of PI controller in real-time mode,based on the angular velocity of the gyroscope. Aircraft attitude control system adopts double closed loop PID control method,which takes the Euler angles of the attitude algorithm as its outer loop and the angular velocity of thegyroscope as its inner loop. In the final test,a quad-rotor aircraft is built with NI myRIO as a core controller,and implement the algorithm and simulation through the LabVIEW. Experimen⁃tal result demonstrates that adaptive complementary filter algorithm can calculate attitude information accurately , with the advantages of little control overshoot and the sensitive response of the double closed loop PID control ,the control system basically meets the requirements of flight.【总页数】5页(P1011-1015)【作者】张承岫;李铁鹰;王耀力【作者单位】太原理工大学信息工程学院,太原030024;太原理工大学信息工程学院,太原030024;太原理工大学信息工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.基于MPU6050的四旋翼飞行器的设计 [J], 王东云;李珂;但永平2.基于STM32的四旋翼飞行器飞控系统设计 [J], 严婷婷; 张晖3.基于STM32+MPU6050的小型四旋翼无人机设计 [J], 何枫;杨凤年;何文德4.基于STM32的四旋翼飞行器飞控系统设计 [J], 严婷婷;张晖5.基于STC15的四旋翼飞控系统设计 [J], 张杨;牛宗超因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
mpu6050姿态解算卡尔曼滤波
mpu6050姿态解算卡尔曼滤波MPU6050姿态解算卡尔曼滤波是一种用于姿态估计的传感器滤波方法。
本文将基于该主题,从介绍MPU6050传感器、姿态解算、卡尔曼滤波原理及其在MPU6050中的应用等方面进行详细的阐述。
一、MPU6050传感器简介MPU6050是一款集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的惯性测量单元(IMU)传感器。
它采用了数字输出,能够通过I2C接口读取加速度计和陀螺仪的测量值。
MPU6050可广泛应用于无人机、机器人和虚拟现实等领域,用于测量设备的姿态、运动和方向等信息。
二、姿态解算姿态解算是指根据传感器的测量数据计算物体的姿态角,包括俯仰角、横滚角和偏航角。
对于MPU6050传感器来说,姿态解算是通过融合加速度计和陀螺仪的测量值来得到的。
加速度计可以提供重力加速度方向的信息,而陀螺仪可以提供设备的旋转速度。
通过融合这两个信息,可以得到更准确的姿态角度。
三、卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波是一种用于估计系统状态的最优估计算法。
它通过不断地融合测量值和系统预测值,以递归的方式来提高估计的准确度。
卡尔曼滤波算法考虑了噪声和不确定性因素,能够对测量数据进行优化,使得估计结果更加稳定和可靠。
卡尔曼滤波的基本原理可以用以下公式表示:1. 预测更新:x_hat(k+1 k) = F * x_hat(k k) + B * u(k)P(k+1 k) = F * P(k k) * F_transpose + Q2. 测量更新:y(k+1) = z(k+1) - H * x_hat(k+1 k)S(k+1) = H * P(k+1 k) * H_transpose + RK(k+1) = P(k+1 k) * H_transpose * S(k+1)_inversex_hat(k+1 k+1) = x_hat(k+1 k) + K(k+1) * y(k+1)P(k+1 k+1) = (I - K(k+1) * H)*P(k+1 k)其中,x_hat表示状态估计值,F表示状态转移矩阵,B表示控制输入矩阵,u表示控制输入,P表示估计协方差矩阵,Q表示过程噪声协方差矩阵,z 表示测量值,H表示测量矩阵,R表示测量噪声协方差矩阵,y表示测量残差,S表示残差协方差矩阵,K表示卡尔曼增益。
基于惯性传感器MPU6050的手势识别方法
基于惯性传感器MPU6050的手势识别方法张平;刘祚时【摘要】Aiming at problem that gesture recognition method based on acceleration does not make full use of data of gyro to classify and recognize gesture,a method for gesture recognition based on MPU6050 sensor is proposed. Through extracting acceleration signal and attitude angle signal,reflect on gesture characteristic quantity.Gestures are presorted by decision tree. Gestures are recognized according to acceleration and attitude angle changing regulation.The gesture verification test is carried out on ten experimenters,average recognition rate is 96.4% and recognition time is less than 0.005 s. The method has certain reference value for gesture recognition based on inertial sensor with digital motion processor(DMP).%针对基于加速度规律的手势识别方法未充分利用陀螺仪的数据进行手势分类和识别的问题,提出了一种基于MPU6050惯性传感器的特征提取手势识别方法,通过提取加速度和姿态角信号在手势上的特征量,利用决策树对手势进行预分类,结合加速度和姿态角的变化规律完成了手势的具体识别.依据预定义手势选择10位试验对象进行测试,获得了96.4%的平均识别率,识别时间小于0.005 s.方法对基于自带数字运动处理器的惯性传感器的手势识别具有一定的参考价值.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】5页(P46-49,53)【关键词】MPU6050;手势识别;特征提取;数字运动处理器【作者】张平;刘祚时【作者单位】江西理工大学机电工程学院,江西赣州341000;江西理工大学机电工程学院,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】TP391.40 引言基于惯性传感器手势识别一直以来是人机交互领域的重要研究方向[1]。
基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统
基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统1.项目目标及功能说明1.1项目目标学习使用正点原子探索者开发板,并熟悉开发板上的MPU6050六轴传感器的工作原理和各函数的调用过程。
同时学习开发板的扩展接口,尝试在开发板上扩展蓝牙模块,并实现开发板与手机等含有蓝牙模块的电子设备通过蓝牙连接并进行数据的传输。
在完成上述内容的基础上,实现将MPU6050六轴传感器的加速度计和陀螺仪的数据传送到手机上,在手机上实现陀螺仪的变化效果展示。
同时通过串口将MPU6050数据传送到电脑上,通过Matlab编程处理数据,实现惯性导航的简单展示。
1.2系统功能说明系统最主要的功能有两个:一个是在手机端能够展示开发板上MPU6050陀螺仪的姿态变化,通过一个立方体的转动来表示陀螺仪的转动;另一个是在电脑端能够读取MPU6050的数据,并通过对数据的处理还原数据中存储的MPU6050的姿态变化,简单展现出惯性导航的效果。
在实现系统最主要的两个功能过程中,还需要实现一些基础功能。
开发板能够通过蓝牙与手机连接并传输数据;开发板能够通过串口将数据发送出去;在电脑端能够读取开发板上串口输出的数据等。
2.需求分析●惯性导航系统用于各种运动机具中,包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。
但是,存在一种情形:卫星一旦突然因故障、敌方打击或干扰(如太阳风暴)等原因无法提供服务,这对依赖GPS、北斗等卫星导航系统作为唯一PNT(Position、Navigation、Time)信息来源的系统来说可能是致命的灾难。
作为目前为止卫星导航系统最好的备援——惯性导航系统(INS),将于届时发挥出巨大的作用,其精度完全可以媲美GPS等卫星导航系统。
并且它不需要外部参考就可确定当前位置、方向及速度,从而使它自然地不受外界的干扰和欺骗。
定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺,因此通过研究新机理、研制新设备、开发新算法,以摆脱人员和系统设备对GPS的依赖,具有极大的战略意义。
基于ARM与MPU6050的测姿系统设计
0 引 言 姿态检测在导航控制 、智能设备 、医疗 器械 、基 站天线等
范畴得 到广泛的应用 J。国内外对姿态测 量这一热点进行 了大量探索和研究。浙江大学利用 加速度计传感 器对人体 实时监测 ,实现 了人体跌倒监测 J。国防科技大学利用惯性 器件传感器 ,实现 了对机器人水平姿态 的检测 。哈尔滨工 业 大学 同样利用惯性传感器对机器人进行 姿态 的检测 ,并且 取得 了卓著 的成果 J。美 国密 歇根大学 的机 械工程系通过 将姿态检测模块安装到棒球及垒球的内部 ,实现了实时监测 棒球或者垒球在运动过程 中的运动轨迹 J。
(1.杭州 电子科技大 学 通信 "I-程学院 ,浙江 杭 州 310018;2.杭州 电子科技大 学 电子信 息学院 ,浙江 杭州 310018)
摘 要 :以 ARM.LPC1788为核心 的嵌入 式芯片平 台,采用 9轴运 动处 理传感器 MPU6050,通过对 数字运
动处理 (DMP)数据库 的成功移植 ,经 由四元数解算得到准确 、可靠 的数 据 ;采 用广义延 拓插值模型对 数据
中 图分 类 号 :TN407 文 献 标 识 码 :A
文章 编 号 :1000-9787(2018)O4- 0101-03
1J Jes‘l Rn oIn post· ure m eaSUrl● ng syst· em 一D aS
HUANG Jin—peng ,SHANG Jun.na ,YUE Ke.qiang。 (1.College of Telecommunication Engineering,Hangzhou Dianzi Un iversity,Hangzhou 310018,China;
本 文 利 用 基 于 微 机 电 系 统 (micro—electro—mechanical system,MEMS)技术 的传 感器 MPU6050进行 姿 态解 算 ,其
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基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统1.项目目标及功能说明1.1项目目标学习使用正点原子探索者开发板,并熟悉开发板上的MPU6050六轴传感器的工作原理和各函数的调用过程。
同时学习开发板的扩展接口,尝试在开发板上扩展蓝牙模块,并实现开发板与手机等含有蓝牙模块的电子设备通过蓝牙连接并进行数据的传输。
在完成上述内容的基础上,实现将MPU6050六轴传感器的加速度计和陀螺仪的数据传送到手机上,在手机上实现陀螺仪的变化效果展示。
同时通过串口将MPU6050数据传送到电脑上,通过Matlab编程处理数据,实现惯性导航的简单展示。
1.2系统功能说明系统最主要的功能有两个:一个是在手机端能够展示开发板上MPU6050陀螺仪的姿态变化,通过一个立方体的转动来表示陀螺仪的转动;另一个是在电脑端能够读取MPU6050的数据,并通过对数据的处理还原数据中存储的MPU6050的姿态变化,简单展现出惯性导航的效果。
在实现系统最主要的两个功能过程中,还需要实现一些基础功能。
开发板能够通过蓝牙与手机连接并传输数据;开发板能够通过串口将数据发送出去;在电脑端能够读取开发板上串口输出的数据等。
2.需求分析惯性导航系统用于各种运动机具中,包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。
但是,存在一种情形:卫星一旦突然因故障、敌方打击或干扰(如太阳风暴)等原因无法提供服务,这对依赖GPS、北斗等卫星导航系统作为唯一PNT(Position、Navigation、Time)信息来源的系统来说可能是致命的灾难。
作为目前为止卫星导航系统最好的备援——惯性导航系统(INS),将于届时发挥出巨大的作用,其精度完全可以媲美GPS等卫星导航系统。
并且它不需要外部参考就可确定当前位置、方向及速度,从而使它自然地不受外界的干扰和欺骗。
定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺,因此通过研究新机理、研制新设备、开发新算法,以摆脱人员和系统设备对GPS的依赖,具有极大的战略意义。
姿态监测系统可广泛应用于关键资产姿态变化的无线实时监控。
由于目前移动智能终端设备的数量和质量逐步提升,因此,通过计算机上传统的上位机软件进行姿态监测,逐渐暴露出了自身的缺点——串口传输无法实现无线监测、计算机相比智能终端便携性极差。
因此,使用无线传输(蓝牙、红外、WIFI、GSM等)的技术,开发一款在移动智能终端可以实时显示物体姿态的应用,具有很高的实用价值和广泛的市场应用前景。
3.开发环境移动终端操作系统:Android 4.4.4 KitKat计算机操作系统:Windows 8.1 Pro x64串口开发:MATLAB R2014a开发板IDE:Keil uVision5Android IDE:Eclipse Java EE IDE for Web DevelopersAndroid Development Toolkit 23.0. 4.14685184.项目进展情况到目前为止,我组已实现了以下功能:1.STM32F4开发板上MPU6050六轴传感器的数据获取并显示在LCD屏幕上。
2.在LCD屏幕上绘出圆形图案,且圆形图案能根据MPU6050六轴传感器的姿态变化而运动,传感器倾斜角度越大,图案运动速度越快。
3.扩展蓝牙模块,能通过蓝牙模块与手机连接并进行数据通信。
4.根据函数提供的帧格式定义数据帧,并通过USART接口将数据帧传给PC端。
5.在手机端能根据蓝牙获取的MPU6050六轴传感器的陀螺仪数据绘出立方体,立方体能在可接受的时间延迟内实时展现MPU6050的姿态变化(转动方向和角度)。
6.在PC端能通过对从USART接口获取的数据帧进行解析获取MPU6050加速度传感器和陀螺仪的数据,并根据数据帧中设置的校验位进行数据校验。
7.在PC端能根据解析出的加速度传感器和陀螺仪数据,在可接受的误差范围内还原MPU6050的姿态变化(包括位移、转动方向和角度),实现一个简单的惯性导航系统。
5.系统设计5.1IIC总线工作原理5.1.1总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。
在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。
各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。
这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号,它们分别是:开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
结束信号:SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
应答信号:接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。
CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。
若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。
这些信号中,开始信号是必须的,结束信号和应答信号都可以不要,IIC总线时序图如图 5.1.1-1所示。
图 5.1-1 IIC总线时序图探索者STM32F4开发板板载的EEPROM芯片型号为24C02。
该芯片的总容量为256字节,通过IIC总线与外部连接。
STM32F4开发板有硬件IIC,但是设计的比较复杂,而且稳定性不好,所以我组使用GPIO软件模拟IIC来对24C02进行读写。
同时使用软件更具有移植性,只要有IO口,将软件移植过去就能使用模拟的IIC,而硬件必须MCU的支持。
5.1.2硬件设计实现模拟IIC需要用到的硬件资源有:串口(USMART)、GPIO、24C02。
图 5.1-2 STM32F4与24C02连接图我组通过GPIO来模拟IIC,24C2的SCL和SDA分别连在GPIO_PB8和GPIO_PB9上,连接关系如图 5.1.2-1。
5.2MPU6050工作原理5.2.1MPU6050引脚图 5.2-1 MPU6050结构图模块外观如图 5.2.1-2所示:图 5.2-2 MPU6050实物图图 5.2-3 MPU6050内部逻辑框图如图 5.2.1-1为MPU6050六轴传感器的结构图,总共有24个引脚,而图5.2.1-2为MPU6050的内部逻辑框图,描述了MPU6050内部的模块结构,以及各引脚的连接情况。
表 5.2.1-1MPU6050引脚输出和信号描述Pin NumberMPU-6050Pin Name Pin Description1Y CLKIN Optional external reference clock input. Connect to GND ifunused.6Y AUX_DA I2C master serial data, for connecting to external sensors 7Y AUX_CL I2C Master serial clock, for connecting to external sensors 8/CS SPI chip select (0=SPI mode)8Y VLOGIC Digital I/O supply voltage表 5.2.1-1对每一个引脚的名称和作用进行了说明。
在上述引脚中,SCL 和SDA是连接MCU的IIC接口,MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050。
另外还有一个IIC接口,连接的引脚为AUX_CL和AUX_DA,这个接口可用来连接外部从设备,比如磁传感器,这样就可以与MPU6050组成一个九轴传感器。
VLOGIC是IO口电压,该引脚最低可以到1.8V,我们一般直接VDD即可。
AD0是从IIC接口(接MCU)的地址控制引脚,该引脚控制IIC地址的最低位,如果接GND,则MPU6050的IIC地址是0X68;如果接VDD,则是0X69。
注意:这里的地址是不包含数据传输的最低位的(最低位用来表示读写)。
在探索者STM32F4开发板上,AD0是接GND的,即MPU6050的IIC地址是0X68(不含最低位)。
5.2.2硬件设计图 5.2-4 MPU6050与STM32F4的连接电路图从图 5.2.2-1可以看出,MPU6050通过三根线与STM32F4开发板连接,其中IIC总线时和24C02以及WM8978共用,接在PB8和PB9上面。
MPU6050的中断输出,连接在STM32F4的PC0脚,不过本例程我们并没有用到中断。
另外,AD0接的GND,所以MPU6050的器件地址是:0X68。
5.2.3初始化操作在使用STM32F4读取MPU6050的加速度和角度传感器数据之前,需要做以下初始化操作:(1)初始化IIC接口MPU6050采用IIC与STM32F4通信,所以我们需要先初始化与MPU6050连接的SDA和SCL数据线。
(2)复位MPU6050这一步让MPU6050内部所有寄存器恢复默认值,通过对电源管理寄存器1(0X6B)的bit7写1实现。
复位后,电源管理寄存器1恢复默认值(0X40),然后必须设置该寄存器为0X00,以唤醒MPU6050,进入正常工作状态。
(3)设置角速度传感器(陀螺仪)和加速度传感器的满量程范围这一步,我们设置两个传感器的满量程范围(FSR),分别通过陀螺仪配置寄存器(0X1B)和加速度传感器配置寄存器(0X1C)设置。
我们一般设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps,加速度传感器的满量程范围为±2g。
(4)设置其他参数这里,我们还需要配置的参数有:关闭中断、关闭AUX IIC接口、禁止FIFO、设置陀螺仪采样率和设置数字低通滤波器(DLPF)等。
本章我们不用中断方式读取数据,所以关闭中断,然后也没用到AUX IIC接口外接其他传感器,所以也关闭这个接口。
分别通过中断使能寄存器(0X38)和用户控制寄存器(0X6A)控制。
MPU6050可以使用FIFO存储传感器数据,不过本章我们没有用到,所以关闭所有FIFO通道,这个通过FIFO使能寄存器(0X23)控制,默认都是0(即禁止FIFO),所以用默认值就可以了。
陀螺仪采样率通过采样率分频寄存器(0X19)控制,这个采样率我们一般设置为50即可。