Акселерометр и гироскоп mpu6050

Акселерометр и гироскоп MPU6050

Прежде чем приступить к рассмотрению модуля гироскопа и акселерометра, думаю, будет не лишним коротко разобраться что это такое. Гироскоп представляет собой устройство, реагирующее на изменение углов ориентации контролируемого тела. В классическом представлении это какой-то инерционный предмет, который быстро вращается на подвесах. Как результат вращающийся предмет всегда будет сохранять свое направление, а по положению подвесов можно определить угол отклонения. На самом же деле электронные гироскопы построены по другой схеме и устроены немного сложнее (вращающийся волчок впихнуть в микросхему было бы не просто). Акселерометр — это устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением. На простом примере такая система представляет собой некоторую массу, закрепленную на подвесе, обладающим упругостью (пружина для хорошего примера). Так вот если такую систему повернуть под каким-то углом, или бросить, или предать линейное ускорение, то упругий подвес отреагирует на движение под действием массы и отклонится и вот по этому отклонению определяется ускорение. Таким образом, гироскоп реагирует на изменение в пространстве независимо от направление движения, с помощью акселерометра же может измерять линейные ускорения предмета, а так же и искусственно рассчитываемое расположение предмета в пространстве. Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки.

Микросхема MPU6050 содержит на борту как акселерометр, так и гироскоп, а помимо этого еще и температурный сенсор. MPU6050 является главным элементом модуля GY-531. Помимо этой микросхемы на плате модуля расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы интерфейса I 2 C, а также стабилизатор напряжения на 3,3 вольта с малым падением напряжения (при питании уже в 3,3 вольта на выходе стабилизатора будет 3 ровно вольта) с фильтрующими конденсаторами. Ну и бонусом на плате распаян SMD светодиод с ограничивающим резистором как индикатор питающего напряжения. Размер платы модуля GY-521 10 х 20 мм.

Схема модуля представлена ниже (номиналы могут немного отличаться в разных версиях модуля):

Характеристики MPU6050 :

  • напряжения питания 2,375 — 3,46 вольт
  • потребляемый ток до 4 мА
  • интерфейс передачи данных — I2C
  • максимальная скорость I2C — 400 кГц
  • вход для других датчиков I2C
  • внутренний генератор на 8 МГц (вне модуля возможность подключить внешний кварцевый резонатор на 32,768 кГц или 19,2 МГц)

Нужно отметить возможность MPU6050 работать в мастер режиме I2C для AUX выводов, к которым можно подключить еще один внешний датчик (например магнитометр). Честно говоря, я не понимаю для чего это вообще нужно, если проще подключать дополнительные датчики к общей шине I2C микроконтроллера.

Функции MPU6050 :

  • трех осевой MEMS гироскоп с 16 битным АЦП
  • трех осевой MEMS акселерометр с 16 битным АЦП
  • Digital Motion Processor (DMP)
  • slave I 2 C для подключения к микроконтроллеру
  • master I 2 C для подключения к микросхеме дополнительного датчика
  • регистры данных датчиков
  • FIFO
  • прерывания
  • температурный сенсор
  • самопроверка гироскопа и акселерометра
  • регистр идентификации устройства

Внешний вид модуля GY-521:

В комплекте идут штыревые соединения угловые и прямые. Припаян был прямой штыревой разъем.

Данные измерений датчиков можно считывать как из регистров хранения, так и пользоваться функциями FIFO. Имеется отдельный регистр под названием Who am I, значение, записанное в этом регистре постоянно и его можно только считать, можно использовать как идентификатор устройства, значение в регистре 104 или 0х68. Отдельным выводом является выход прерываний, который настраивается регистрами настройки под определенные события.

Датчики гироскопа и акселерометра изготовлены как MEMS (микроэлектромеханическая система) — внешнее воздействие на датчик сначала изменяет состояние механической части, затем изменение состояния механической части приводит к изменению сигнала электрической части. Одним словом в одном корпусе собрана не только электроника, но и механика. В микросхеме MPU6050 содержится сразу два MEMS датчика, производитель утверждает, что их взаимное воздействие друг на друга сведено к минимуму. Ну что же, совсем не плохо за цену готового модуля порядка 2 уе. Между прочим эти модули можно приобрести на торговых площадках aliexpress или ebay.

Разберемся как можно использовать датчики акселерометра и гироскопа. Температурный датчик трогать даже не будем — данные о температуре прочитали, перевели в человеческие значения и наслаждаемся. Гироскоп выдает значения мгновенной угловой скорости с разрешением, заданным в настройках, например 2000 градусов в секунду. Если прошить микроконтроллер и смотреть на получаемые данные, то увидим только нули. Если начать крутить датчик, то получим мгновенные значения угловой скорости. Заметьте, что скорость мы получаем в градусах в секунду, а это значит, что линейные скорости не влияют на эти показания — показания будут изменяться только при повороте датчика в пространстве. Далее с помощью этих данных можно получить ориентацию объекта в пространстве. Для этого нужно получить мгновенное значение угловой скорости и умножить его на промежуток времени между опросами датчика гироскопа. Пример разрешение 2000 градусов в секунду, промежуток между опросами датчика 0,1 секунда, значение мгновенной скорости 300, значит 300*0,1=30 — за это время ось гироскопа была повернута на 30 градусов. Далее каждое полученное значение нужно сложить с предыдущим. Если ось двигалась в одном направлении — значение 30 градусов, если в другом, то -30, таким образом, при возвращении датчика в исходное положение всегда (в идеале) будет 0, при отклонении от исходного положения, при выполнении вышеописанных действий, получим угол отклонения. Обрабатывая углы трех осей гироскопа можно получить ориентацию объекта в пространстве.

Таким образом, при интегрировании состояния угла положения, также интегрируется и погрешность — при длительном использовании можно получить уже абсолютно неправильные значения. Поэтому часто гироскоп используют в паре с акселерометром, образуя в простом варианте альфа-бета фильтр или комплементарный фильтр.

С акселерометром все проще. Измеряя ускорения трех осей датчика можно получить данные, преобразуя их с помощью геометрии, по которым можно также получить ориентацию объекта в пространстве. Помимо этого акселерометр измеряет линейные ускорения, то есть ориентация объекта может искажаться при движении датчика в линейных направлениях. Также с помощью акселерометра можно определять движение объекта или его столкновение. Например детектировать падение объекта или толчок о преграду, чтобы обходить это.

Данные от акселерометра получаем всегда достаточно точные, то есть нуль всегда остается нулем ни при каких воздействиях (имеется ввиду не зависит ни от времени, ни от характера воздействия), однако недостаток кроется в том, что данные идут шумом в некотором диапазоне данных, то есть до десятых долей градуса точно измерять угол не получится. Зато исходя из экспериментальных данных, точность до целых значений градуса держится вполне стабильно. Не забываем про влияние линейных ускорений.

Если датчик приобрели, можно переходить к рассмотрению внутренностей модуля, а именно главного элемента — микросхемы MPU6050. Информация хранится в регистрах микросхемы, которых более 100 (!). И вот тут то и кроется огромный подводный камень. производитель не утрудился расписать в документации всю информацию, а привел лишь информацию о самом необходимом. На самом деле не известно даже сколько же всего там регистров, доступных для чтения или записи или того и другого. Также информации на некоторые регистры попросту нет, кроме его названия. Ну что же, придется экспериментально определять влияния значений, записанных в некоторые регистры.

В конце статьи вы можете скачать исходный код примера использования данного модуля. Внутри вы найдете информацию о том как считывать данные датчиков модуля, а также инициализацию устройства или просто первоначальную настройку регистров для начала работы с модулем GY-521.

Интерфейс I 2 C работает по стандартной схеме. Адрес микросхемы может быть двух значений (без бита чтения / записи) в зависимости от состояния вывода AD0 — b1101000, если AD0 соединен с землей и b1101001, если AD0 соединен с источником питания. Соответственно плюс бит чтения или записи.

Читайте также  Охранная система с цифровой индикацией

Микросхема содержит Digital Motion Processor (DMP), он необходим для того, чтобы обрабатывать данные, получаемые из датчиков гироскопа и акселерометра. Все это делается для того, чтобы повысить точность получаемых данных, так как при обработке данных на микроконтроллере точность может пострадать из-за снижения скорости их обработки. Как правило, алгоритмы обработки движения должны работать с достаточно высокой частотой, обычно 200 Гц, как утверждает документация.

Что касается регистров, то их достаточно большое количество, необходимая информация находится в карте регистров на MPU6050, документ прилагается к статье. Помимо этого прилагается исходник с настройками этих регистров.

Для демонстрации работы модуля была собрана схема:

Здесь использован микроконтроллер Atmega8, данные выводятся на ЖК дисплей 2004А (4 строки по 20 символов). На экран выводится следующая информация, полученная и преобразованная от микросхемы MPU6050 модуля: 1. значения по трем осям акселерометра, 2. значения по трем осям гироскопа, 3. температура, 4. углы отклонения по данным акселерометра (рассчитаны ресурсами микроконтроллера), 5. поворот по оси Z по данным гироскопа (также путем подсчета микроконтроллером). В первом и втором пункте данные имеют мгновенный характер — то есть именно то, что считывается из регистров хранения, это значит, что для гироскопа это скорость, в состоянии покоя все значения будут равны нулю.

Помимо этого, имеется 6 светодиодов, которые загораются в зависимости от положения датчика по оси Y акселерометра.

Модуль датчиков содержит уже стабилизатор на 3,3 вольта, поэтому его можно подключать как к 5 вольта, так и к 3,3 вольтам. Микроконтроллер запитывается от напряжения 3,3 вольта, чтобы не делать согласование уровней I 2 C.

Собранное устройство на макетной плате:

Для программирования микроконтроллера конфигурация фьюз битов (Atmega8):

Область применения таких датчиков достаточно широка. Данный модуль часто применяют для стабилизации полета квадрокоптера по причине совместного использования гироскопа и акселерометра. Кроме этого модуль можно использовать для координации различных устройств — от просто детектора движения до системы ориентации различных роботов или управления движениями каким-либо устройствами. Область подобных сенсорных устройств достаточно новая и интересная для изучения и применения в любительской технике.

В заключении хотелось бы отметить, что данные модуль — это недорогое и достаточно хорошее решение при необходимости использования гироскопа и / или акселерометра, большое количество настроек датчиков позволит настроить их под любые устройства, малые размеры модуля без труда позволят встраивать его в большинство схем.

К статье прилагается прошивка микроконтроллера, исходный код AVR Studio4, документация на MPU6050 и видео работы датчика в схеме.

MPU-6050 — гироскоп — акселерометр

Трехосевой гироскоп с трехосевым акселерометром MPU-6050 очень доступен по цене, чем и приобрел себе популярность. Этот датчик применяется для определения положения в пространстве, в системах стабилизации положения, стабилизации прямолинейного движения и движения по заданной кривой. Например, в балансирных роботах, в игровых приставках, применяется в робототехнике, для измерения углов наклона, скорости вращения, в авиамоделизме его применяют в автопилотах. Датчик может применяться для измерения перегрузок и тому подобное.

Схема подключения

Для Raspberry Pi (OS: Raspbian) примеры скриптов можно скачать и развернуть так:

Калибровка

На самом деле присутствуют и другие погрешности. Например, трехосевые датчики должны располагаться взаимно перпендикулярно. Но при производстве трудно добиться абсолютной точности, поэтому этот угол также имеет определенные допуски и влияет на погрешность. Кроме того показания датчиков с трех осей могут иметь разную пропорциональность. В данном случае наибольшая погрешность из-за смещения относительно нуля.

В примере я предусмотрел процедуру калибровки. Скрипт калибровки: mpu6050_calibr.py. Калибровка выполняется в два этапа. Сначала датчик должен быть неподвижен. Подразумевается, что угловые скорости равны нулю. Калибруется гироскоп. Затем калибруется акселерометр. Нужно его не спеша поворачивать во всех направлениях. Эта процедура занимает около минуты. После чего функция калибровки выдает вычисленные значения, которые нужно прописать в скрипте. На этом калибровка закончена. После калибровки погрешность значительно снизится. См. Скрипт: mpu6050_get_raw.py. В этом скрипте в следующих строках указываются калибровочные данные:

Гироскоп

Для тех, кто ранее был знаком с механическими гироскопами, могут возникнуть некоторые неопределенности. Дело в том, что механические гироскопы стабилизируются в пространстве за счет своих физических свойств. Электронные гироскопы этого делать не могут, они лишь измеряют скорость вращения вокруг осей и ничего не могут сообщить о текущем положении системы.

С помощью электронного гироскопа можно определить положение системы следующим образом. При включении принять начальное положение за нулевую позицию. Затем опрашивать гироскоп с заданным интервалом, зная интервал и скорость вращения, вычислять смещение и добавлять к текущему положению. При этом мы предполагаем, что между двумя опросами датчика система поворачивалась с постоянной скоростью. Такой подход ведет к неизбежному накоплению ошибки. Что видно на примере. Смотри работу скрипта: mpu5060_gyro.py или скрипта, графически отображающего положение гироскопа pyplay_gyro.py.

Акселерометр

Когда мы поворачиваем датчик в пространстве, показания акселерометра на каждой из трех осей будет изменяться в зависимости от положения. Так, с помощью трехосевого акселерометра под воздействием силы тяжести можно определить положение системы. См. работу скрипта mpu6050_accel_no_filter.py.

Мы видим, что значения достаточно зашумлены. Попробуем их фильтровать. Я применил очень упрощенный фильтр Калмана. См. работу скрипта mpu6050_accel_kf.py. Показания стали более стабильными, однако в нашем случае фильтр малополезен. Если датчик потрясти, мы увидим, что показания углов изменяются и иногда очень сильно, хотя мы его не поворачиваем, а перемещаем с ускорением вдоль осей. Это логично, поскольку на акселерометр теперь кроме силы тяжести действует дополнительная сила, и результирующий вектор изменяет направление. Наглядно это видно на примере скрипта pyplay_accel.py (в этом скрипте фильтрация не используется). Здесь простая фильтрация только частично улучшает ситуацию. В решении этой проблемы нам поможет гироскоп. Именно он может нам сказать, что система-то не вращалась, и поэтому мы можем эти колебания отфильтровать.

Совместное использование гироскопа и акселерометра

См. работу скрипта mpu6050_final.py или скрипта pyplay_final.py, который графически изображает процесс работы MPU-6050

MotionApps

Кто использует Arduino, тоже без труда найдут в интернете аналогичные примеры.

В особенности работы MotionApps я не вникал. Думаю, это тема для отдельной статьи. Меня больше интересовала собственная реализация на Python.

GY-521 — модуль с гироскопом, акселерометром и термометром MPU-6050 для Ардуино

  • Цена: $3
  • Перейти в магазин

Большие отверстия не металлизированы, как на картинке в магазине, поэтому, если Вы будите их прикручивать болтами к «минусу», эффекта не будет. Я заливаю их термоклеем, а он, образуя «шапочки», надёжно фиксирует плату.
Отвертия контактов металлизированы отлично, паяются без проблем.

Модуль GY-521 включает понижающий линейный стабилизатор для питания от 5В, красный светодиод питания и обвязку, обеспечивающую работу по протоколу I2C.

MPU-6050 снабжен акселерометром, гироскопом и термометром. Зачем нужен термометр — не понятно, вероятно, его было удобно разместить в этой микросхеме. Или, действительно, есть такие варианты применения, о которых я не знаю, где тебя вертят и греют нужно вертеться в пространстве и знать температуру =)
Или, в процессе интенсивной работы с устройством, оно может нагреваться и нужно контролировать его температуру и нагрузку.

Характеристики:

— 16-битный АЦП,
— напряжение питания 3-5В,
— поддержка протокола «IIC» (может, I2C ?),
— диапазон ускорений: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g,
— диапазон «гиро»: ± 250 500 1000 2000 ° / s,
— покрытие иммерсионным золотом вместо лужения,
— ток при работе последнего примера составил 5.3 мА и 1.2 мА когда устройство не успело стартовать (питание на модуль было подано после выполнения setup() контроллером)

Читайте также  Электронный трансформатор для галогенных ламп 12в с мягким стартом

Подключение к Arduino

Для интерфейса I2C у Ардуино имеются контакты A4 (SDA) и A5 (SCL), да-а, это те, которые расположены чёрти-где (на одной плате у меня они были справа от контроллера, на другой с левого края). В коде нужно использовать библиотеку Wire, прочитать о ней можно туточки. Минимальная схема во Fritzing такая:
… а значит у нас уже не 8 лишних штырьков, а целых двенадцать!

Тестирование

InvenSense MPU-6050
June 2012
WHO_AM_I: 68, error = 0
PWR_MGMT_1: 40, error = 0

MPU-6050
Read accel, temp and gyro, error = 0
accel x,y,z: 12180, 9468, -9168
temperature: 22.153 degrees Celsius
gyro x,y,z: -462, -5303, -490,

MPU-6050
Read accel, temp and gyro, error = 0
accel x,y,z: 13204, 8928, -7420
temperature: 22.482 degrees Celsius
gyro x,y,z: 282, -2012, -956,

MPU-6050
Read accel, temp and gyro, error = 0
accel x,y,z: -1276, 7932, -16232
temperature: 22.435 degrees Celsius
gyro x,y,z: -1168, 1159, 1258,

MPU-6050
Read accel, temp and gyro, error = 0
accel x,y,z: 6216, 10604, -12796
temperature: 22.576 degrees Celsius
gyro x,y,z: -2161, 4363, 2176,

После определённого времени кручения платой, показания гироскопа сбиваются:это нормально и об этом написано в статье, упомянутой выше.
Примечательно, что если нажать ресет и перезагрузить плату в произвольном положении, то реальное положение в пространстве будет показывать акселерометр, гироскоп же сориентироваться в изначальное положение:Суть этого вяления раскрыта в первом комментарии к этой статье от AndyBig.

Думаю, можно будет реализовать с помощью этого модуля какую-нибудь «неваляшку», шлем обклеивать светодиодами как-то рука не поднимается.

Тестовая установка

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Применение Ардуино гироскопа на основе микросхемы mpu 6050

Ардуино – популярнейшая система для одноимённых МК, позволяющая любому желающему, даже без специального образования, воплотить в жизнь проект, о котором он давно мечтал. Будь то автоматизированная теплица или простая система выключения света по хлопку в умном доме.

Но естественно, сам микроконтроллер не способен выполнять все функции, и для этого к нему необходимо покупать датчики, коих на рынке более нескольких десятков разновидностей. Об одном из таких, а именно мы рассмотрим гироскоп Ардуино, и пойдёт речь. Что это такое, в каких проектах его можно применить и как настроить опишем ниже.

Назначение связки гироскоп и акселерометр

Для начала давайте разберёмся, зачем Arduino mpu 6050 (Gy-521) вообще нужен и что собой представляет гироскоп-акселерометр в целом. Такой датчик все мы видели в смартфонах, и там он выполняет следующие функции:

  1. Позволяет замерять шаги. Акселерометр способен отслеживать резкие движения устройства, а в зависимости от его настройки и чувствительности, считать некоторые из них за шаг.
  2. Измеряет поворот экрана. Здесь уже оба устройства работают в паре. Ведь когда вы поворачиваете смартфон набок, картинка должна изменить свою ориентацию для пользователя, и лишь с помощью гироскопа удаётся определить угол наклона, под которым ПО это должно будет сделать.
  3. Компас, карты и навигация. Акселерометр с гироскопом позволяют определить ориентацию устройства в пространстве, что необходимо в различных приложениях для мобильной навигации.

Вот и выходит, что данный датчик подойдёт для тех проектов, в которых вам необходимо измерить ориентацию или движения прибора в пространстве, без точных данных о его местоположении. Это может быть, как самодельная линейка со встроенным уровнем, чтобы пользователь мог определить, насколько ровно стоит та или иная мебель, так и устройство для кровати, встроенной в стену, включающее свет, когда она выдвигается.

Но применить модуль можно и с большей выдумкой, например, для измерения количества оборотов в секунду и регуляции мощности охладительной системы или автоматизации различных процессов.

Всё зависит исключительно от вашей выдумки и конкретного проекта.

Чаще всего гироскоп для Ардуино применяется в системах автоматизации под так называемые «смартхаусы» (умные дома — прим. ред.), являясь своеобразным переключателем. Передавая определённые данные в МК, который затем отправляет их по блютуз-модулю к другому устройству, он может управлять всей техникой в доме.

Ещё один простой способ применения – использование вместо датчика движения на дверях, для включения света и кондиционирования, когда вы возвращаетесь домой.

Комплектующие

Создаётся данный датчик или МК, в зависимости от того, что вы собрались приобретать, из компонентов ATmega328.

Распиновка модуля Arduino MPU 6050

Так, в нём имеются:

  1. 14 штук различных пинов и цифровых выходов, половина из которых являются ШИМ-выходами.
  2. Специальные кварцевые резонаторы до 16 МГц мощностью.
  3. Встроенный вход под usb-кабель, который позволит вам сэкономить не только время, но и деньги, которые вы могли бы потратить на покупку адаптера.
  4. Контакты и распиновка для стандартного питания с нулем, фазой и заземлением.
  5. Контакты для сброса до заводских настроек, при которых весь машинный код и данные будут стёрты. Это полезно в том случае, если вы напортачили с программой и модуль превратился в бесполезную груду железа, и просто как экономия времени, если необходимо сменить прошивку.
  6. ICSP контакт, который необходим для того, чтобы запрограммировать машинный код, который будет находиться внутри системы.

Все эти компоненты и составляют Arduino гироскоп, позволяя ему выполнять свои базовые функции. Но как же запрограммировать систему, если вы до этого не имели опыта работа с данными МК?

Сборка

Здесь всё зависит от используемого вами интерфейса, например, для I2C от Ардуино пригодятся контакты: A4, A5, которые являются SDA и SCL входами соответственно.

Для нормального функционирования всей этой системы необходимо будет использовать wire библиотеку в коде.

Gy-521 (mpu6050) Arduino (Uno)
VCC 3.3 V
GND GND
SCL A5
SDA A4

Также будьте готовы к тому, что распиновка может оказаться не самой удачной, поэтому не стоит делать корпус для устройства впритык, пока вы не подключите и не увидите реальные размеры вашего проекта.

Программы

Без программы модуль будет не более чем грудой железа, которая не выполнит ни одной функции. Базовые библиотеки для взаимодействия с другими МК можно найти на официальном сайте или в интернете, но, помимо них, вам потребуется вспомогательный код. С его помощью можно настроить взаимодействие между акселерометром и тем же блютуз модулем, без которого, в большинстве проектов, он станет бесполезен.

Мы воспользуемся готовой библиотекой для Arduino MPU 6050, которую написал Джефф Роуберг.

В целом, многие поступают и другим путем, правда далеко не все умеют программировать на С++, поэтому перед пользователем, который хочет написать программу для работы с гироскопом, открывается два пути:

  1. Найти уже готовый шаблон или библиотеку. Для этого потребуется всего пара секунд и подключение к интернету, но не стоит забывать, что готовые решения пишутся, зачастую, столь же неопытными инженерами. Поэтому, по возможности, проверяйте, насколько качественный код вы скачиваете. Смотрите отзывы о библиотеке, если есть такая возможность, и старайтесь скачивать их на зарубежных форумах. Там и выбор будет больше, и куда выше вероятность найти действительно качественную библиотеку.
  2. Написать функции и методы для работы системы своими силами. Этот вариант подойдёт лишь тем, кто ранее имел дело с языком С++ и понимает все нюансы работы с Ардуино. Все необходимые вспомогательные библиотеки можно скачать в интернете, а всё остальное вы можете подогнать под свои нужды. Такой способ идеально подходит для тех, кто хочет реализовать собственный проект, не имеющий аналогов. Ведь в таком случае найти заготовленный код под него будет крайне сложно, даже если быть готовым править большую его часть.

Вернемся к нашей библиотеке. После того как вы скачали библиотеку гироскопа вам нужно сделать следующее.

Нужно распаковать/извлечь эту библиотеку, взять папку с именем «MPU6050» и поместить ее в папку «library» в Arduino. Для этого перейдите в место, где вы установили Arduino (Arduino -> libraries) и вставьте свою папку в папку библиотек. Возможно, вам также придется сделать то же самое, чтобы установить библиотеку I2Cdev, если у вас еще нет ее на вашем Ардуино. Для её установки выполните ту же процедуру, что и выше. Вы можете скачать I2Cdev на нашем сайте по этой ссылке.

Если вы всё сделали правильно, при открытии IDE Arduino вы можете увидеть «MPU6050» в:

Файл -> Примеры.

Затем откройте пример программы из меню:

Файл -> Примеры -> MPU6050 -> Примеры -> MPU6050_DMP6.

Затем вы должны загрузить этот код в свой Ардуино. После загрузки кода откройте последовательный монитор и установите скорость передачи в бодах как 115200. Затем проверьте, видите ли вы что-то вроде «Инициализация устройств I2C . » («Initializing I2C devices . «) на последовательном мониторе.

Если вы этого не сделаете, просто нажмите кнопку сброса. Теперь вы увидите строку с надписью «Отправить символы, чтобы начать программирование и демо DMP» («Send any character to begin DMP programming and demo»). Просто введите любой символ на последовательном мониторе и отправьте его, и вы должны начать видеть значения поступающие с MPU 6050.

Также можно, например, воспользоваться скетчем ниже, который пересчитывает координату X и Y и выводит в консоль (монитор последовательного порта):

Когда X и Y равны 180 — гироскоп в горизонтальной плоскости:

Вот вы определились с выбором и уже написали всё необходимое ПО, пришла пора его протестировать. Для этого, естественно, необходимо собрать всё вместе.

Наладка

Далее наступает самый ответственный этап – отладка программного кода. Здесь вам необходимо подключить питание к прибору, а сам прибор – к компьютеру, чтобы следить за строками в консоли. Прогоните несколько базовых функций и посмотрите, не будет ли ошибок или багов. Если они возникают, то воспользуйтесь любым удобным методом дебагинга.

Самый простой вариант – использовать для ввода переменные, которые вычисляются рандомным образом, и смотреть, как код будет вести себя в различных ситуациях.

Тестирование

После отладки необходимо провести тестирование. В чём разница? При тестировании вы точно знаете, что программный код работает без лагов и багов, но вам необходимо убедиться, что в нём нет логических ошибок.

С акселерометром и гироскопом проще всего использовать программы 3Д рендеринга показаний, вроде ShowGY521Data, которые позволят в реальном времени увидеть, как железо позиционируется в пространстве. В случае неисправностей всегда можно подправить нулевой уровень и уменьшить чувствительность акселерометра, который также влияет на конечную модель отображения устройства.

Учебное пособие по акселерометру и гироскопу MPU6050. Подключение к Ардуино

В этой статье мы узнаем, как использовать акселерометр и датчик гироскопа MPU6050 совместно с Ардуино. Объясним, как работает MPU6050 и как считывать с него данные.

MPU6050 — как это работает

MPU6050 имеет 3-осевой акселерометр и 3-осевой гироскоп, интегрированные в один чип. Гироскоп измеряет скорость вращения или скорость изменения углового положения во времени по осям X, Y и Z. Для измерения используется технология MEMS и эффект Кориолиса.

Выходные данные гироскопа измеряются в градусах в секунду, поэтому для получения углового положения нам просто нужно интегрировать угловую скорость.

С другой стороны, акселерометр MPU6050 измеряет ускорение. Вкратце, он может измерять гравитационное ускорение по трем осям, и используя некоторую тригонометрию, мы можем вычислить угол, под которым расположен датчик. Итак, если мы объединим данные акселерометра и гироскопа, мы сможем получить очень точную информацию об ориентации датчика в пространстве.

MPU6050 также называют устройством слежения за движением по шести осям или устройством с 6 степенями свободы (шесть степеней свободы) из-за его 6 выходов, или 3 выхода акселерометра и 3 выхода гироскопа.

Ардуино и MPU6050

Давайте посмотрим, как мы можем подключить и прочитать данные с датчика MPU6050 с помощью Ардуино. Для связи с Ардуино мы используем протокол I2C, поэтому нам нужны всего два провода для подключения по линии данных и два провода для питания.

Скетч MPU6050 Ардуино

Ниже приведем полный код, а после разъясним его поподробнее:

Описание кода: Итак, сначала нам нужно подключить библиотеку Wire.h, которая используется для I2C связи, и определить некоторые переменные, необходимые для хранения данных.

В разделе setup() нам нужно инициализировать библиотеку Wire.h и сбросить датчик через регистр управления . Для этого нам нужно взглянуть в datasheet, где мы можем увидеть адрес регистра:

Также, если мы хотим, мы можем выбрать полный диапазон для акселерометра и гироскопа, используя их регистры конфигурации. В этом примере мы будем использовать диапазон по умолчанию + — 2g для акселерометра и диапазон 250 градусов/с для гироскопа, поэтому оставим эту часть кода закомментированной:

В разделе loop() мы начинаем с чтения данных акселерометра. Данные для каждой оси хранятся в двух байтах или регистрах, и мы можем видеть адреса этих регистров в datasheet датчика:

Чтобы прочитать их все, мы начинаем с первого регистра и с помощью функции RequiestFrom() запрашиваем чтение всех 6 регистров для осей X, Y и Z. Затем мы читаем данные из каждого регистра, и, поскольку выходные данные состроят из старшего и младшего байта, мы соответствующим образом объединяем их, чтобы получить правильные значения:

Чтобы получить выходные значения от -1g до + 1g, подходящие для расчета углов, мы делим выходной сигнал с предварительно выбранной чувствительностью.

Наконец, используя две формулы, мы вычисляем углы крена и тангажа на основе данных акселерометра:

Далее тем же методом получаем данные гироскопа:

Мы считываем шесть регистров гироскопа, соответствующим образом объединяем их данные и делим их на предварительно выбранную чувствительность, чтобы получить результат в градусах в секунду:

Здесь вы можете заметить, что выходные значения корректируются на величину ошибок (объясним далее). Поскольку выходные данные выражаются в градусах в секунду, то нам нужно умножить их на время, чтобы получить только градусы. Значение времени фиксируется перед каждой итерацией чтения с помощью функции millis().

Наконец, мы объединяем данные акселерометра и гироскопа с помощью дополнительного фильтра. Здесь мы берем 96% данных гироскопа, потому что они очень точны и не подвержены внешним воздействиям.

Обратной стороной гироскопа является то, что он дрейфует или вносит ошибку в выходной сигнал с течением времени. Поэтому в долгосрочной перспективе мы используем данные акселерометра, в данном случае 4%, что достаточно для устранения ошибки дрейфа гироскопа.

Однако, поскольку мы не можем рассчитать рыскание по данным акселерометра, мы не можем реализовать для него дополнительный фильтр.

Прежде чем мы взглянем на результаты, объясним, как получить значения коррекции ошибок. Для вычисления этих ошибок мы можем вызвать пользовательскую функцию calculate_IMU_error(), когда датчик находится в неподвижном положении.

Здесь мы делаем 200 измерений для всех выходов, суммируем их и делим на 200. Поскольку мы удерживаем датчик в горизонтальном неподвижном положении, ожидаемые выходные значения должны быть 0. Таким образом, с помощью этого расчета мы можем получить среднюю ошибку датчика.

Мы просто печатаем значения на последовательном мониторе, и, узнав их, мы можем реализовать их в коде, как показано ранее, как для расчета крена, так и для тангажа, а также для трех выходов гироскопа.