на 2024/09/3 298

MPU-6050 в действие: Практическо ръководство за настройка, конфигурация и управление на шума

Каталог

Въведение в MPU-6050

MPU-6050 е първият в света интегриран 6-осен компонент за обработка на движение, който интегрира 3-осен жироскоп, 3-осен акселерометър и мащабируем процесор за цифрово движение (DMP).Целта на използването му е да се получи ъгълът на наклона на обекта, който трябва да се измерва (като квадрокоптер, балансиращ автомобил) на осите x, y и z, тоест ъгълът на стъпката, ъгъл на ролка и ъгъл на прозяване.Прочетохме шестте данни на MPU-6050 (стойност на AD на AD Acceleration с три оси и стойност на AD с ъглова скорост на триоси) чрез I2C интерфейса.След обработката на сливане на стойката може да се изчислят ъглите на височината, ролката и прозяващите ъгли.Като насочена референция за стойностите на измерването, дефиницията на посоката на координатата на сензора е както е показано на фигурата по-долу, която следва принципа на десницата координатна система (тоест десният палец сочи към положителната посока на X-Оста, показалецът сочи към положителната посока на оста y, а средният пръст сочи към положителната посока на оста z).

Със специалната си I2C сензорна шина, MPU-6050 е в състояние да получи вход директно от външен 3-осен компас, осигурявайки пълен изход от 9-осе MotionFusion ™.Той елиминира проблема с разминаването между комбинирания график на жироскоп и ускорител и значително намалява опаковката в сравнение с многокомпонентните решения.Когато е свързан към триосен магнитометър, MPU-60X0 е в състояние да осигури пълен изход на сливане на движение с 9 оси към основния си I2C или SPI порт (обърнете внимание, че SPI порт е достъпен само на MPU-6000).

Алтернативи и еквиваленти

• AIS328DQTR

• ICM-20689

• MPU-3300

• MPU-6000

• MPU-6500

Производител на MPU-6050

Производителят на MPU-6050 е TDK.След като двамата основатели на TDK, д -р Йогоро Като и Takei Takei, измислиха ферит в Токио, те основават Токио Денкикагаку Kogyo K.K.През 1935 г. Като световна марка за електроника, TDK винаги е поддържал доминираща позиция в областта на електронните суровини и електронните компоненти.Изчерпателният и иновационен продуктов портфейл на TDK обхваща пасивни компоненти като керамични кондензатори, алуминиеви електролитични кондензатори, филмови кондензатори, магнитни продукти, високочестотни компоненти, пиезоелектрически и защитни устройства, както и сензори и сензорни системи (като температура и наляганеМагнитни и MEMS сензори) и др. В допълнение, TDK също осигурява захранващи устройства и енергийни устройства, магнитни глави и други продукти.Неговите продуктови марки включват TDK, EPCOS, Invensense, Micronas, Tronics и TDK-Lambda.

Вътрешна блокова диаграма на MPU-6050

Сред тях SCL и SDA са IIC интерфейсите, свързани към MCU, и MCU контролира MPU-6050 чрез този IIC интерфейс.Има и IIC интерфейс, а именно aux_cl и aux_da.Този интерфейс може да се използва за свързване на външни подчинени устройства, като магнитни сензори, за образуване на девет осен сензор.Vlogic е напрежението на IO порта.Този щифт може да поддържа минимум 1,8 V.Обикновено го свързваме директно с VDD.AD0 е щифтът за управление на адреса на подчинения IIC интерфейс (свързан към MCU).Този ПИН контролира най -ниския бит от IIC адреса.Ако е свързан с GND, IIC адресът на MPU-6050 е 0x68;Ако е свързан с VDD, той е 0x69.Моля, обърнете внимание, че адресът тук не включва най -ниския бит предаване на данни (най -ниският бит се използва за представяне на операции за четене и запис).На MWBalancedStc15 AD0 е свързан към GND, така че IIC адресът на MPU-6050 е 0x68 (без най-ниския бит).

Инициализирайте IIC интерфейса

MPU-6050 използва IIC за комуникация със STC15, така че първо трябва да инициализираме SDA и SCL линиите, свързани към MPU-6050.

Нулиране на MPU-6050

Тази стъпка възстановява всички регистри в MPU-6050 до техните стойности по подразбиране, което се постига чрез писане от 1 до бит 7 от регистъра за управление на захранването 1 (0x6b).След нулиране регистърът за управление на захранването 1 ще бъде възстановен до стойността по подразбиране (0x40) и впоследствие този регистър трябва да бъде зададен на 0x00, за да се събуди MPU-6050 и да го постави в нормално работно състояние.

Задайте пълномащабния обхват на сензора за ъглова скорост (Gyro) и сензора за ускорение

В тази стъпка ние зададем пълния мащабен диапазон (FSR) на двата сензора чрез регистъра на конфигурацията на жироскопа (0x1b) и регистъра на конфигурацията на сензора за ускорение (0x1c).Обикновено ние поставяме пълномащабния обхват на жироскопа на ± 2000 dps и пълния обхват на акселерометъра до ± 2G.

Задайте други параметри

Тук също трябва да конфигурираме следните параметри: Изключете прекъсвания, деактивираме интерфейса Aux I2C, деактивирайте FIFO, задайте скоростта на вземане на проби от Gyroscope и конфигурираме цифровия филтър с нискочестоти (DLPF).Тъй като в тази глава не използваме прекъсвания за четене на данни, функцията за прекъсване трябва да бъде изключена.В същото време, тъй като ние не използваме интерфейса Aux I2C за свързване на други външни сензори, ние също трябва да затворим този интерфейс.Тези функции могат да бъдат контролирани чрез регистъра за активиране на прекъсване (0x38) и регистър на потребителския контрол (0x6a).MPU-6050 може да използва FIFO за съхраняване на сензорни данни, но ние не сме го използвали в тази глава, така че всички FIFO канали трябва да бъдат затворени.Това може да се контролира чрез регистъра за активиране на FIFO (0x23).По подразбиране стойността на този регистър е 0 (тоест FIFO е деактивиран), така че можем да използваме стойността по подразбиране директно.Скоростта на вземане на проби на жироскопа се контролира от регистъра за разделител на скоростта на вземане на проби (0x19).Обикновено ние задаваме тази скорост на вземане на проби на 50. Конфигурацията на цифровия филтър с нискочестоти (DLPF) се попълва чрез регистъра на конфигурацията (0x1a).Най -общо казано, ние ще зададем DLPF на половината честотна лента, за да балансираме точността на данните и скоростта на реакция.

Конфигурирайте източника на системния часовник и активирайте сензора за ъглова скорост и сензора за ускорение

Настройката на източника на системен часовник зависи от регистъра за управление на захранването 1 (0x6b), където най -ниските три бита от този регистър определят избора на източника на часовника.По подразбиране тези три бита са зададени на 0, което означава, че системата използва вътрешния 8MHz RC осцилатор като източник на часовник.Въпреки това, за да подобрим точността на часовника, ние често я поставяме на 1 и избираме Gyroscope PLL X-ос като източник на часовник.В допълнение, активирането на сензора за ъглова скорост и сензора за ускорение също е важна стъпка в процеса на инициализация.И двете операции се реализират чрез регистър за управление на захранването 2 (0x6c).Просто задайте съответния бит на 0, за да активирате съответния сензор.След изпълнение на горните стъпки, MPU-6050 може да влезе в нормално работно състояние.Тези регистри, които не са специално зададени, ще приемат предварително зададените стойности по подразбиране от системата.

Как работи MPU-6050?

Джироморски сензор

Сензорът е оборудван с жироскоп вътре, което винаги ще остане успоредно на първоначалната посока поради жироскопския ефект.Следователно, можем да изчислим посоката и ъгъла на въртене, като открием отклонението на жировата от първоначалната посока.

Сензор за акселерометър

Акселерометровият сензор е устройство, което може да измерва ускорението и работи въз основа на принципа на пиезоелектричния ефект.По време на ускорението сензорът измерва инерционната сила, приложена към масовия блок и след това изчислява стойността на ускорението, използвайки втория закон на Нютон.

Дигитален процесор за движение (DMP)

DMP е модул за обработка на данни в чипа MPU6050, който има вграден алгоритъм за филтриране на Kalman за придобиване на данни от сензорите на жироскопа и акселерометъра и обработка на изходните кватерини.Тази функция значително намалява натоварването на периферния микропроцесор и избягва досадното филтриране и процеса на сливане на данни.

Бележки:

Кватерниони: Кватернионите са прости суперкомплексни числа.Сложните числа са съставени от реални числа плюс въображаемата единица I, където i^2 = -1.

Къде се използва MPU-6050?

• Играчки

• Слугъби и преносими игри

• Контролери на базата на движението

• Технология Blurfree ™ (за стабилизиране на видео/неподвижно изображение)

• AirSign ™ технология (за сигурност/удостоверяване)

• Разпознаване на жестове на Instantgesture ™ IG ™

• Носещи сензори за здраве, фитнес и спорт

• Рамка за игра и приложения с активирана движение

• Технология MotionCommand ™ (за кратки на жестове)

• Услуги, базирани на местоположение, интересни точки и мъртви разчитания

• 3D дистанционни контроли за свързани с интернет DTV и кутии за настройка, 3D мишки

• TouchAnyWhere ™ технология (за контрол на потребителския интерфейс „Без докосване“/навигация на потребителския интерфейс)

Пакет от MPU-6050

Как да намалим шума на MPU-6050?

Можем да вземем следните начини за намаляване на шума на MPU-6050:

Използвайте калибрирани сензори: Калибрирането на акселерометъра и жироскопа на MPU-6050 може да премахне отклонението и грешката на самите сензори, като по този начин намалява ефекта на шума.Процесът на калибриране обикновено се състои от два етапа: статично калибриране и калибриране на движението.

Процес на хардуерно филтриране: Добавянето на филтърни кондензатори към електропровода на MPU-6050 може да намали въздействието на шума от захранването върху сензора.Междувременно, по време на оформлението на PCB, трябва да се опитаме да задържим MPU-6050 далеч от потенциалните източници на смущения, като сигнални линии с висока честота и компоненти с висока мощност.

Обработка на софтуерно филтриране: След събиране на суровите данни от MPU-6050, можем да добавим връзка за филтриране на софтуер за предварително обработка на първоначалните данни, за да елиминираме индуцираните от шума смущения.Често използваните методи за филтриране на софтуер включват средно филтриране, средно филтриране, филтриране на Калман и т.н.

Използвайте вътрешен нискочестотен филтър: MPU-6050 има вътрешен интегриран цифров нискочестотен филтър, който може да се използва за намаляване на високочестотния шум чрез задаване на честотата му на прекъсване.По-конкретно, можем да зададем честотата на прекъсване на цифровия филтър, като модифицираме конфигурационния регистър на MPU-6050, за да премахнем високочестотния шум, причинен от A/D вземане на проби.

Изчисляване на траекторията на движение на базата на MPU-6050

MPU-6050 е шестосен акселерометър и сензор за жироскоп, който може да се използва за измерване на движението и отношението на обектите.Изчисляването на траекторията на движението на базата на MPU-6050 може да бъде реализирано от следните стъпки:

Първата стъпка е да прочетете данните от сензора.Трябва да четем данните от акселерометъра и жироскопа от сензорите MPU-6050, използвайки подходящи драйвери и библиотечни функции.Тези данни обикновено се извеждат в цифров формат, така че са необходими някои преобразуване и калибриране, за да ги преобразуват в действителни измервания във физическите единици.

Втората стъпка е да се изчисли ускорението.Първо, трябва да обработим данните от акселерометъра, за да извлечем ускорението на обекта във всяка ос.Впоследствие, за да изчислим скоростта и изместването на обекта във всяка ос, трябва да интегрираме данните за ускорение.В този процес често се използват цифрови техники за интеграция, като метод на Ойлер или метод на лун-кута, за да се гарантира точността на изчисленията на изместване.

Третата стъпка е да се изчисли ъгловата скорост.Използвайки данни от жироскоп, може да се изчисли ъгловата скорост на обекта във всяка ос.Отново тези данни трябва да бъдат калибрирани и преобразувани, за да се получи ъгловата скорост в действителните физически единици.

Четвъртата стъпка е да се изчисли въртенето.Чрез интегриране на данните за ъгловата скорост може да се изчисли ъгълът на въртене на обекта във всяка ос.Това може да стане с помощта на цифрови техники за интеграция, като метод на Ойлер или метода на Лонг-Кута за изчисляване на ъгъла.

Петата стъпка е да се обединят данните.Ние комбинираме данните от акселерометри и жироскопи, за да получим пълна информация и позиция на позицията на обекта.Това може да стане с помощта на алгоритми като кватернион, базиран на решаване на отношението или разтворител на ъгъла на Ойлер.

Шестата стъпка е да се визуализират резултатите.Ние преобразуваме изчислената траектория на движението на обекта в набор от точки в 3D координатна система и я показваме, използвайки подходящи инструменти за визуализация за по -интуитивно разбиране на траекторията на движението и промените на отношението на обекта.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Колко точен е MPU6050?

Придобитите резултати показаха достатъчна точност по -малко от 1 % и надеждност, осигурявайки правилното измерение на вала на асансьора и високите стандарти на асансьорната индустрия.

2. Как да чета данни от MPU6050?

За да прочете вътрешните регистри на MPU6050, главният изпраща условие за стартиране, последвано от адреса на роб на I2C и бит за запис, а след това и адреса на регистъра, който ще бъде прочетен.

3. Къде се използва MPU6050?

В носимото здравно проследяване, устройства за проследяване на фитнес.В дронове и квадрокоптери MPU6050 се използва за контрол на позицията.Използва се при контролиране на роботизирана ръка.Устройства за контрол на жестове на ръка.

4. MPU6050 ли е IMU?

Сензорният блок MPU6050 IMU чете данни от сензора MPU-6050, който е свързан към хардуера.Блокът извежда ускорението, ъгловата скорост и температурата по осите на сензора.

5. Каква е обработката на MPU6050?

Това е бордовият процесор на MPU6050, който комбинира данните, идващи от акселерометъра и жироскопа.DMP е ключът към използването на MPU6050 и се обяснява подробно по -късно.Както при всички микропроцесори, DMP се нуждае от фърмуер, за да работи.