στο 2024/09/3 317

MPU-6050 σε δράση: Πρακτικός οδηγός για τη ρύθμιση, τη διαμόρφωση και τη διαχείριση θορύβου

Κατάλογος

Εισαγωγή στο MPU-6050

MPU-6050 είναι το πρώτο ολοκληρωμένο στοιχείο επεξεργασίας κίνησης 6 αξόνων στον κόσμο, το οποίο ενσωματώνει ένα γυροσκόπιο 3 άξονα, επιταχυνσιόμετρο 3 άξονα και επεξεργαστή ψηφιακής κίνησης (DMP).Ο σκοπός της χρήσης του είναι να ληφθεί η γωνία κλίσης του αντικειμένου που πρέπει να μετρηθεί (όπως ένα quadcopter, ένα αυτοκίνητο εξισορρόπησης) στους άξονες x, y και z, δηλαδή τη γωνία βήματος, τη γωνία κυλίνδρου και τη γωνία γυρίσματος.Διαβάζουμε τα έξι δεδομένα της τιμής διαφήμισης MPU-6050 (τριών αξόνων επιτάχυνσης και τιμής διαφήμισης γωνιακής ταχύτητας τριών αξόνων) μέσω της διασύνδεσης I2C.Μετά την επεξεργασία σύντηξης της στάσης, μπορούν να υπολογιστούν οι γωνίες βήματος, ρολό και γωνίας.Ως κατευθυντική αναφορά για τις τιμές μέτρησης, ο ορισμός της κατεύθυνσης συντεταγμένων αισθητήρων είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, ο οποίος ακολουθεί την αρχή του συστήματος συντεταγμένων με το δεξί χέρι (δηλαδή ο δεξιός αντίχειρας δείχνει τη θετική κατεύθυνση του x-Ο άξονας, ο δείκτης δείχνει τη θετική κατεύθυνση του άξονα y και το μεσαίο δάχτυλο δείχνει τη θετική κατεύθυνση του άξονα z).

Με τον αποκλειστικό δίαυλο αισθητήρα I2C, το MPU-6050 είναι σε θέση να λαμβάνει εισροές απευθείας από μια εξωτερική πυξίδα 3 άξονα, παρέχοντας πλήρη έξοδο MotionFusion ™ 9 αξόνων.Εξαλείφει το πρόβλημα διαφοράς μεταξύ του συνδυασμένου γυροσκοπίου και του χρονοδιαγράμματος επιταχυντής και μειώνει σημαντικά το χώρο συσκευασίας σε σύγκριση με τις λύσεις πολλαπλών συστατικών.Όταν συνδέεται με ένα μαγνητόμετρο τριών αξόνων, το MPU-60x0 είναι ικανό να παρέχει πλήρη έξοδο σύντηξης κίνησης 9 αξόνων στην κύρια θύρα I2C ή SPI (σημειώστε ότι η θύρα SPI είναι διαθέσιμη μόνο στο MPU-6000).

Εναλλακτικές λύσεις και ισοδύναμα

• Ais328dqtr

• ICM-20689

• MPU-3300

• MPU-6000

• MPU-6500

Κατασκευαστής MPU-6050

Ο κατασκευαστής του MPU-6050 είναι TDK.Μετά τους δύο ιδρυτές του TDK, ο Δρ Yogoro Kato και ο Takei Takei, εφευρέθηκαν ο Ferrite στο Τόκιο, ίδρυσαν το Τόκιο Denkikagaku Kogyo K.K.Το 1935. Ως παγκόσμια μάρκα της βιομηχανίας ηλεκτρονικών ειδών, η TDK διατήρησε πάντα μια κυρίαρχη θέση στα πεδία ηλεκτρονικών πρώτων υλών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.Το ολοκληρωμένο χαρτοφυλάκιο προϊόντων της TDK καλύπτει παθητικά εξαρτήματα, όπως κεραμικούς πυκνωτές, ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές αλουμινίου, πυκνωτές φιλμ, μαγνητικά προϊόντα, συστατικά υψηλής συχνότητας, πιεζοηλεκτρικές συσκευές και συσκευές προστασίας, καθώς και αισθητήρες και αισθητήρες (όπως η θερμοκρασία και η πίεση.Οι αισθητήρες Magnetic και MEMS), κλπ. Επιπλέον, το TDK παρέχει επίσης τροφοδοτικά και ενεργειακές συσκευές, μαγνητικές κεφαλές και άλλα προϊόντα.Οι μάρκες προϊόντων της περιλαμβάνουν TDK, EPCOS, Invensense, Micronas, Tronics και TDK-Lambda.

Διάγραμμα εσωτερικού μπλοκ του MPU-6050

Μεταξύ αυτών, η SCL και η SDA είναι οι διεπαφές IIC που συνδέονται με το MCU και η MCU ελέγχει το MPU-6050 μέσω αυτής της διεπαφής IIC.Υπάρχει επίσης μια διεπαφή IIC, δηλαδή AUX_CL και AUX_DA.Αυτή η διεπαφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση εξωτερικών συσκευών σκλάβων, όπως μαγνητικούς αισθητήρες, για να σχηματίσει έναν αισθητήρα εννέα άξονα.Το Vlogic είναι η τάση θύρας IO.Αυτός ο πείρος μπορεί να υποστηρίξει τουλάχιστον 1,8V.Συνήθως το συνδέουμε απευθείας με το VDD.Το AD0 είναι ο ακροδέκτης ελέγχου διεύθυνσης της διασύνδεσης Slave IIC (συνδεδεμένη με το MCU).Αυτός ο πείρος ελέγχει το χαμηλότερο κομμάτι της διεύθυνσης IIC.Εάν είναι συνδεδεμένο με το GND, η διεύθυνση IIC του MPU-6050 είναι 0x68.Εάν είναι συνδεδεμένο με το VDD, είναι 0x69.Λάβετε υπόψη ότι η διεύθυνση εδώ δεν περιλαμβάνει το χαμηλότερο κομμάτι της μετάδοσης δεδομένων (το χαμηλότερο bit χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύει τις λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής).Στο MwBalancedSTC15, το AD0 συνδέεται με το GND, οπότε η διεύθυνση IIC του MPU-6050 είναι 0x68 (εξαιρουμένων του χαμηλότερου bit).

Αρχικοποιήστε τη διεπαφή IIC

Το MPU-6050 χρησιμοποιεί το IIC για να επικοινωνήσει με το STC15, οπότε πρέπει να αρχίσουμε πρώτα τις γραμμές δεδομένων SDA και SCL που συνδέονται με το MPU-6050 πρώτα.

Επαναφορά MPU-6050

Αυτό το βήμα αποκαθιστά όλους τους καταχωρητές μέσα στο MPU-6050 στις προεπιλεγμένες τιμές τους, οι οποίες επιτυγχάνονται με το γράψιμο 1 στο Bit 7 του Μητρώου Διαχείρισης Ισχύος 1 (0x6b).Μετά την επαναφορά, το Μητρώο Διαχείρισης Ισχύος 1 θα αποκατασταθεί στην προεπιλεγμένη τιμή (0x40) και αυτό το μητρώο πρέπει στη συνέχεια να οριστεί σε 0x00 για να ξυπνήσει το MPU-6050 και να το θέσει σε κανονική κατάσταση εργασίας.

Ρυθμίστε το εύρος πλήρους κλίμακας του αισθητήρα γωνιακής ταχύτητας (GYRO) και τον αισθητήρα επιτάχυνσης

Σε αυτό το βήμα, ρυθμίσαμε το εύρος πλήρους κλίμακας (FSR) των δύο αισθητήρων μέσω του καταχωρητή διαμόρφωσης του γυροσκοπίου (0x1b) και του καταχωρητή διαμόρφωσης αισθητήρα επιτάχυνσης (0x1c) αντίστοιχα.Συνήθως, ρυθμίζουμε το εύρος πλήρους κλίμακας του γυροσκοπίου σε ± 2000dps και το εύρος πλήρους κλίμακας του επιταχυνσιόμετρου σε ± 2g.

Ορίστε άλλες παραμέτρους

Εδώ, πρέπει επίσης να διαμορφώσουμε τις ακόλουθες παραμέτρους: Απενεργοποιήστε τις διακοπές, απενεργοποιήστε τη διεπαφή AUX I2C, απενεργοποιήστε το FIFO, ρυθμίστε τον ρυθμό δειγματοληψίας γυροσκοπίου και διαμορφώστε το ψηφιακό φίλτρο χαμηλής διέλευσης (DLPF).Δεδομένου ότι δεν χρησιμοποιούμε διακοπές για να διαβάζουμε δεδομένα σε αυτό το κεφάλαιο, η λειτουργία διακοπής πρέπει να απενεργοποιηθεί.Ταυτόχρονα, δεδομένου ότι δεν χρησιμοποιούμε τη διεπαφή AUX I2C για να συνδέσουμε άλλους εξωτερικούς αισθητήρες, πρέπει επίσης να κλείσουμε αυτήν τη διεπαφή.Αυτές οι λειτουργίες μπορούν να ελεγχθούν μέσω του καταχωρητή ενεργοποίησης διακοπής (0x38) και του καταχωρητή ελέγχου χρήστη (0x6a).Το MPU-6050 μπορεί να χρησιμοποιήσει το FIFO για να αποθηκεύσει δεδομένα αισθητήρων, αλλά δεν το χρησιμοποιήσαμε σε αυτό το κεφάλαιο, οπότε όλα τα κανάλια FIFO πρέπει να κλείσουν.Αυτό μπορεί να ελεγχθεί μέσω του μητρώου ενεργοποίησης FIFO (0x23).Από προεπιλογή, η τιμή αυτού του μητρώου είναι 0 (δηλαδή, FIFO είναι απενεργοποιημένη), ώστε να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε απευθείας την προεπιλεγμένη τιμή.Ο ρυθμός δειγματοληψίας του γυροσκοπίου ελέγχεται από το μητρώο διαιρέτη ρυθμού δειγματοληψίας (0x19).Κανονικά, ρυθμίσαμε αυτόν τον ρυθμό δειγματοληψίας σε 50. Η διαμόρφωση του ψηφιακού φίλτρου χαμηλής διέλευσης (DLPF) ολοκληρώνεται μέσω του καταχωρητή διαμόρφωσης (0x1a).Σε γενικές γραμμές, θα ρυθμίσουμε το DLPF στο μισό εύρος ζώνης για να εξισορροπήσουμε την ακρίβεια των δεδομένων και την ταχύτητα απόκρισης.

Διαμορφώστε την πηγή ρολογιού συστήματος και ενεργοποιήστε τον αισθητήρα γωνιακής ταχύτητας και τον αισθητήρα επιτάχυνσης

Η ρύθμιση της πηγής ρολογιού συστήματος εξαρτάται από το Μητρώο Διαχείρισης ισχύος 1 (0x6b), όπου τα χαμηλότερα τρία κομμάτια αυτού του μητρώου καθορίζουν την επιλογή της πηγής ρολογιού.Από προεπιλογή, αυτά τα τρία bits έχουν ρυθμιστεί στο 0, πράγμα που σημαίνει ότι το σύστημα χρησιμοποιεί τον εσωτερικό ταλαντωτή 8MHz RC ως πηγή ρολογιού.Ωστόσο, προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια του ρολογιού, το ρυθμίσαμε συχνά σε 1 και επιλέγουμε το γυροσκόπιο του άξονα x ως πηγή ρολογιού.Επιπλέον, η ενεργοποίηση του αισθητήρα γωνιακής ταχύτητας και του αισθητήρα επιτάχυνσης είναι επίσης ένα σημαντικό βήμα στη διαδικασία αρχικοποίησης.Και οι δύο λειτουργίες εφαρμόζονται μέσω του Μητρώου Διαχείρισης ισχύος 2 (0x6c).Απλώς ρυθμίστε το αντίστοιχο bit στο 0 για να ενεργοποιήσετε τον αντίστοιχο αισθητήρα.Μετά την ολοκλήρωση των παραπάνω βημάτων, το MPU-6050 μπορεί να εισαγάγει κανονική κατάσταση εργασίας.Αυτά τα μητρώα που δεν έχουν οριστεί ειδικά θα υιοθετήσουν τις προεπιλεγμένες τιμές από το σύστημα.

Πώς λειτουργεί το MPU-6050;

Αισθητήρα γυρογραφίας

Ο αισθητήρας είναι εξοπλισμένος με ένα γυροσκόπιο μέσα, ο οποίος θα παραμένει πάντα παράλληλη προς την αρχική κατεύθυνση λόγω του γυροσκοπικού αποτελέσματος.Επομένως, μπορούμε να υπολογίσουμε την κατεύθυνση και τη γωνία περιστροφής ανιχνεύοντας την απόκλιση του γυροσκοπίου από την αρχική κατεύθυνση.

Αισθητήρας επιταχυνσιόμετρο

Ένας αισθητήρας επιταχυνσιόμετρου είναι μια συσκευή που μπορεί να μετρήσει την επιτάχυνση και λειτουργεί με βάση την αρχή του πιεζοηλεκτρικού αποτελέσματος.Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, ο αισθητήρας μετρά την αδρανειακή δύναμη που εφαρμόζεται στο μπλοκ μάζας και στη συνέχεια υπολογίζει την τιμή επιτάχυνσης χρησιμοποιώντας τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα.

Επεξεργαστής ψηφιακής κίνησης (DMP)

Το DMP είναι μια μονάδα επεξεργασίας δεδομένων στο τσιπ MPU6050 που διαθέτει ενσωματωμένο αλγόριθμο φιλτραρίσματος Kalman για την απόκτηση δεδομένων από τους αισθητήρες γυροσκοπίου και επιταχυνσιόμετρου και την επεξεργασία των τεταρτημορίων εξόδου.Αυτό το χαρακτηριστικό μειώνει σημαντικά τον φόρτο εργασίας του περιφερειακού μικροεπεξεργαστή και αποφεύγει την κουραστική διαδικασία φιλτραρίσματος και σύντηξης δεδομένων.

Σημειώσεις:

Quaternions: Τα Quaternions είναι απλοί αριθμοί Supercomplex.Οι σύνθετοι αριθμοί αποτελούνται από πραγματικούς αριθμούς συν τη φανταστική μονάδα I, όπου I^2 = -1.

Πού χρησιμοποιείται το MPU-6050;

• παιχνίδια

• Χειροκίνητο και φορητό τυχερό παιχνίδι

• Ελεγκτές παιχνιδιών με βάση την κίνηση

• Τεχνολογία Blurfree ™ (για σταθεροποίηση βίντεο/ακόμα εικόνας)

• Τεχνολογία Airsign ™ (για ασφάλεια/έλεγχο ταυτότητας)

• Αναγνώριση χειρονομίας InstantGesture ™ IG ™

• Φορητοί αισθητήρες για την υγεία, την καταλληλότητα και τον αθλητισμό

• Πλαίσιο παιχνιδιού και εφαρμογής με δυνατότητα κίνησης

• Τεχνολογία MotionCommand ™ (για χειρονομίες βραχυπρόθεσμα)

• Υπηρεσίες βάσει τοποθεσίας, σημεία ενδιαφέροντος και νεκρούς υπολογιστές

• Τρισδιάστατα τηλεχειριστήρια για DTVs που συνδέονται με το διαδίκτυο και πλαίσια set-top, 3D ποντίκια

• Τεχνολογία Touchanywhere ™ (για "No Touch" UI Ελέγχου/Πλοήγηση εφαρμογής)

Πακέτο MPU-6050

Πώς να μειώσετε το θόρυβο του MPU-6050;

Μπορούμε να πάρουμε τους ακόλουθους τρόπους για να μειώσουμε τον θόρυβο του MPU-6050:

Χρησιμοποιήστε βαθμονομημένους αισθητήρες: Η βαθμονόμηση του επιταχυνσιόμετρου και του γυροσκοπίου του MPU-6050 μπορεί να εξαλείψει την προκατάληψη και το σφάλμα των ίδιων των αισθητήρων, μειώνοντας έτσι την επίδραση του θορύβου.Η διαδικασία βαθμονόμησης αποτελείται συνήθως από δύο στάδια: στατική βαθμονόμηση και βαθμονόμηση κίνησης.

Διαδικασία φιλτραρίσματος υλικού: Η προσθήκη πυκνωτών φίλτρων στη γραμμή ρεύματος του MPU-6050 μπορεί να μειώσει την επίδραση του θορύβου τροφοδοσίας στον αισθητήρα.Εν τω μεταξύ, κατά τη διάρκεια της διάταξης PCB, θα πρέπει να προσπαθήσουμε να διατηρήσουμε το MPU-6050 μακριά από πιθανές πηγές παρεμβολών, όπως γραμμές σήματος υψηλής συχνότητας και εξαρτήματα υψηλής ισχύος.

Επεξεργασία φιλτραρίσματος λογισμικού: Μετά τη συλλογή των ακατέργαστων δεδομένων από το MPU-6050, μπορούμε να προσθέσουμε έναν σύνδεσμο φιλτραρίσματος λογισμικού για την προεπεξεργασία των αρχικών δεδομένων για την εξάλειψη της παρεμβολής που προκαλείται από το θόρυβο.Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες μεθόδους φιλτραρίσματος λογισμικού περιλαμβάνουν το μέσο φιλτράρισμα, το διάμεσο φιλτράρισμα, το φιλτράρισμα Kalman και ούτω καθεξής.

Χρησιμοποιήστε εσωτερικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης: Το MPU-6050 έχει ένα εσωτερικό ολοκληρωμένο ψηφιακό φίλτρο χαμηλής διέλευσης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση του θορύβου υψηλής συχνότητας ρυθμίζοντας τη συχνότητα αποκοπής.Συγκεκριμένα, μπορούμε να ρυθμίσουμε τη συχνότητα αποκοπής του ψηφιακού φίλτρου τροποποιώντας τον καταχωρητή διαμόρφωσης του MPU-6050 για να εξαλείψει τον θόρυβο υψηλής συχνότητας που προκαλείται από τη δειγματοληψία A/D.

Υπολογισμός κίνησης με βάση το MPU-6050

Το MPU-6050 είναι ένας αισθητήρας έξι αξόνων και αισθητήρα γυροσκοπίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της κίνησης και της στάσης των αντικειμένων.Ο υπολογισμός της τροχιάς κίνησης με βάση το MPU-6050 μπορεί να πραγματοποιηθεί με τα παρακάτω βήματα:

Το πρώτο βήμα είναι να διαβάσετε τα δεδομένα του αισθητήρα.Πρέπει να διαβάσουμε τα δεδομένα επιταχυνσιόμετρου και γυροσκοπίου από τους αισθητήρες MPU-6050 χρησιμοποιώντας κατάλληλες λειτουργίες οδηγών και βιβλιοθήκης.Αυτά τα δεδομένα συνήθως εξάγονται σε ψηφιακή μορφή, επομένως απαιτούνται ορισμένες εργασίες μετατροπής και βαθμονόμησης για να τα μετατρέψουν σε πραγματικές μετρήσεις σε φυσικές μονάδες.

Το δεύτερο βήμα είναι να υπολογιστεί η επιτάχυνση.Πρώτον, πρέπει να επεξεργαστούμε τα δεδομένα από το επιταχυνσιόμετρο για να αντλήσουμε την επιτάχυνση του αντικειμένου σε κάθε άξονα.Στη συνέχεια, προκειμένου να υπολογιστεί η ταχύτητα και η μετατόπιση του αντικειμένου σε κάθε άξονα, πρέπει να ενσωματώσουμε τα δεδομένα επιτάχυνσης.Οι αριθμητικές τεχνικές ενσωμάτωσης, όπως η μέθοδος του Euler ή η μέθοδος Lunger-Kutta, χρησιμοποιούνται συχνά σε αυτή τη διαδικασία για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια των υπολογισμών μετατόπισης.

Το τρίτο βήμα είναι ο υπολογισμός της γωνιακής ταχύτητας.Χρησιμοποιώντας δεδομένα γυροσκοπίου, μπορεί να υπολογιστεί η γωνιακή ταχύτητα του αντικειμένου σε κάθε άξονα.Και πάλι, αυτά τα δεδομένα πρέπει να βαθμονομηθούν και να μετατραπούν για να ληφθούν η γωνιακή ταχύτητα σε πραγματικές φυσικές μονάδες.

Το τέταρτο βήμα είναι ο υπολογισμός της περιστροφής.Με την ενσωμάτωση των δεδομένων γωνιακής ταχύτητας, μπορεί να υπολογιστεί η γωνία περιστροφής του αντικειμένου σε κάθε άξονα.Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τεχνικές αριθμητικής ενσωμάτωσης όπως η μέθοδος του Euler ή η μέθοδος Longe-Kutta για τον υπολογισμό της γωνίας.

Το πέμπτο βήμα είναι να συγχωνεύσουμε τα δεδομένα.Συνδυάζουμε τα δεδομένα από επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια για να αποκτήσουν πλήρη στάση και πληροφορίες θέσης του αντικειμένου.Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας αλγόριθμους όπως ο διαλυτής στάσης με βάση το τεταρτημόριο ή ο διαλυτής γωνίας Euler.

Το έκτο βήμα είναι να απεικονιστεί τα αποτελέσματα.Μετατρέπουμε την υπολογιστική τροχιά κίνησης αντικειμένου σε ένα σύνολο σημείων σε ένα σύστημα συντεταγμένων 3D και το εμφανίζουμε χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα εργαλεία απεικόνισης για μια πιο διαισθητική κατανόηση της τροχιάς κίνησης του αντικειμένου και των αλλαγών στάσης.

Συχνές ερωτήσεις [FAQ]

1. Πόσο ακριβές είναι το MPU6050;

Τα αποκτηθέντα αποτελέσματα έδειξαν επαρκή ακρίβεια μικρότερη από 1 % και αξιοπιστία, εξασφαλίζοντας τη σωστή διάσταση του άξονα του ανελκυστήρα και τα υψηλά πρότυπα της βιομηχανίας ανελκυστήρων.

2. Πώς να διαβάσετε δεδομένα από το MPU6050;

Για να διαβάσετε τους εσωτερικούς καταχωρητές MPU6050, ο κύριος στέλνει μια κατάσταση εκκίνησης, ακολουθούμενη από τη διεύθυνση Slave I2C και ένα κομμάτι εγγραφής και στη συνέχεια τη διεύθυνση καταχωρητή που πρόκειται να διαβαστεί.

3. Πού χρησιμοποιείται το MPU6050;

Σε φορητές παρακολούθηση υγείας, συσκευές παρακολούθησης γυμναστικής.Σε drones και quadcopters, το MPU6050 χρησιμοποιείται για τον έλεγχο θέσης.Χρησιμοποιείται στον έλεγχο του ρομποτικού βραχίονα.Συσκευές χειρονομίας χειρονομίας.

4. Είναι το MPU6050 IMU;

Το μπλοκ αισθητήρα MPU6050 IMU διαβάζει δεδομένα από τον αισθητήρα MPU-6050 που συνδέεται με το υλικό.Το μπλοκ εξάγει την επιτάχυνση, τον γωνιακό ρυθμό και τη θερμοκρασία κατά μήκος των άξονων του αισθητήρα.

5. Ποια είναι η επεξεργασία του MPU6050;

Αυτός είναι ο ενσωματωμένος επεξεργαστής του MPU6050 που συνδυάζει τα δεδομένα που προέρχονται από το επιταχυνσιόμετρο και το γυροσκόπιο.Το DMP είναι το κλειδί για τη χρήση του MPU6050 και εξηγείται λεπτομερώς αργότερα.Όπως συμβαίνει με όλους τους μικροεπεξεργαστές, το DMP χρειάζεται υλικολογισμικό για να τρέξει.