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MPU-6050 em ação: Guia prático para configuração, configuração e gerenciamento de ruído

Catálogo

Introdução ao MPU-6050

MPU-6050 é o primeiro componente integrado de processamento de movimento de 6 eixos do mundo, que integra um giroscópio de 3 eixos, acelerômetro de 3 eixos e um processador de movimento digital escalável (DMP).O objetivo de usá -lo é obter o ângulo de inclinação do objeto a ser medido (como um quadcopter, um carro de equilíbrio) nos eixos x, y e z, ou seja, o ângulo de inclinação, o ângulo de rolagem e o ângulo da guinada.Lemos os seis dados do MPU-6050 (valor do anúncio de aceleração de três eixos e valor do anúncio angular de três eixos) através da interface I2C.Após o processamento da fusão da postura, os ângulos de afinação, rolagem e guinada podem ser calculados.Como uma referência direcional para os valores de medição, a definição da direção da coordenada do sensor é como mostrado na figura abaixo, que segue o princípio do sistema de coordenadas destro (ou seja, o polegar direito aponta para a direção positiva do x-Eixo, o dedo indicador aponta para a direção positiva do eixo y e o dedo médio aponta para a direção positiva do eixo z).

Com seu barramento de sensor i2C dedicado, o MPU-6050 é capaz de receber a entrada diretamente de uma bússola externa de 3 eixos, fornecendo uma saída completa de 9 eixos MotionFusion ™.Ele elimina o problema da discrepância entre o giroscópio combinado e o cronograma do acelerador e reduz significativamente o espaço de embalagem em comparação com as soluções multi-componentes.Quando conectado a um magnetômetro de três eixos, o MPU-60X0 é capaz de fornecer saída completa de fusão de movimento de 9 eixos para sua porta principal I2C ou SPI (observe que a porta SPI está disponível apenas no MPU-6000).

Alternativas e equivalentes

• AIS328DQTR

• ICM-20689

• MPU-3300

• MPU-6000

• MPU-6500

Fabricante do MPU-6050

O fabricante do MPU-6050 é TDK.Depois que os dois fundadores do TDK, Dr. Yogoro Kato e Takei Takei, inventaram a ferrita em Tóquio, eles fundaram Tokyo Denkikagaku Kogyo K.K.Em 1935. Como marca global da indústria eletrônica, o TDK sempre manteve uma posição dominante nos campos de matérias -primas eletrônicas e componentes eletrônicos.O portfólio de produtos abrangente e orientado a inovação da TDK abrange componentes passivos, como capacitores de cerâmica, capacitores eletrolíticos de alumínio, capacitores de filmes, produtos magnéticos, componentes de alta frequência, dispositivos piezoelétricos e de proteção, bem como sistemas de sensores e sensores (como temperatura e pressão,Sensores magnéticos e MEMS), etc. Além disso, o TDK também fornece fontes de alimentação e dispositivos de energia, cabeças magnéticas e outros produtos.Suas marcas de produtos incluem TDK, EPCOS, Invensense, Micronas, Tronics e TDK-Lambda.

Diagrama de blocos internos do MPU-6050

Entre eles, o SCL e o SDA estão as interfaces IIC conectadas ao MCU, e o MCU controla o MPU-6050 através dessa interface IIC.Há também uma interface IIC, nomeadamente aux_cl e aux_da.Essa interface pode ser usada para conectar dispositivos de escravos externos, como sensores magnéticos, para formar um sensor de nove eixos.VLogic é a tensão da porta IO.Este pino pode suportar um mínimo de 1,8V.Geralmente o conectamos diretamente ao VDD.AD0 é o pino de controle de endereço da interface IIC escravo (conectada ao MCU).Este pino controla o bit mais baixo do endereço IIC.Se estiver conectado ao GND, o endereço IIC do MPU-6050 será 0x68;Se estiver conectado ao VDD, é 0x69.Observe que o endereço aqui não inclui o menor bit de transmissão de dados (o bit mais baixo é usado para representar operações de leitura e gravação).No MwBalancedSTC15, o AD0 está conectado ao GND; portanto, o endereço IIC do MPU-6050 é 0x68 (excluindo o bit mais baixo).

Inicialize a interface IIC

O MPU-6050 usa o IIC para se comunicar com o STC15, por isso precisamos inicializar as linhas de dados SDA e SCL conectadas ao MPU-6050 primeiro.

Redefinir MPU-6050

Esta etapa restaura todos os registros dentro do MPU-6050 aos seus valores padrão, que são alcançados escrevendo 1 a bit 7 do registro de gerenciamento de energia 1 (0x6b).Após a redefinição, o registro de gerenciamento de energia 1 será restaurado ao valor padrão (0x40), e esse registro deve ser definido posteriormente como 0x00 para acordar o MPU-6050 e colocá-lo em um estado de trabalho normal.

Defina a faixa em escala completa do sensor de velocidade angular (giroscópio) e sensor de aceleração

Nesta etapa, definimos o intervalo em escala completa (FSR) dos dois sensores através do registro de configuração do giroscópio (0x1b) e o registro de configuração do sensor de aceleração (0x1C), respectivamente.Normalmente, definimos a faixa em escala completa do giroscópio como ± 2000dps e a faixa em escala completa do acelerômetro a ± 2g.

Defina outros parâmetros

Aqui, também precisamos configurar os seguintes parâmetros: desligue as interrupções, desative a interface AUX I2C, desative o FIFO, defina a taxa de amostragem do giroscópio e configure o filtro de passagem baixa digital (DLPF).Como não usamos interrupções para ler dados neste capítulo, a função de interrupção precisa ser desativada.Ao mesmo tempo, como não estamos usando a interface Aux I2C para conectar outros sensores externos, também precisamos fechar essa interface.Essas funções podem ser controladas através do registro de ativação de interrupção (0x38) e registro de controle do usuário (0x6a).O MPU-6050 pode usar o FIFO para armazenar dados do sensor, mas não os usamos neste capítulo, portanto, todos os canais FIFO precisam ser fechados.Isso pode ser controlado através do registro de ativação do FIFO (0x23).Por padrão, o valor deste registro é 0 (ou seja, o FIFO está desativado), para que possamos usar o valor padrão diretamente.A taxa de amostragem do giroscópio é controlada pelo registro do divisor de taxa de amostragem (0x19).Normalmente, definimos essa taxa de amostragem como 50. A configuração do filtro passa-baixa digital (DLPF) é concluída através do Registro de Configuração (0x1a).De um modo geral, definiremos o DLPF como metade da largura de banda para equilibrar a precisão dos dados e a velocidade de resposta.

Configure a fonte do relógio do sistema e ative o sensor de velocidade angular e o sensor de aceleração

A configuração da fonte do relógio do sistema depende do registro de gerenciamento de energia 1 (0x6b), onde os três bits mais baixos deste registro determinam a seleção da fonte do relógio.Por padrão, esses três bits são definidos como 0, o que significa que o sistema usa o oscilador RC de 8MHz interno como fonte do relógio.No entanto, para melhorar a precisão do relógio, geralmente o definimos como 1 e selecionamos o giroscópio PLL do eixo x como a fonte do relógio.Além disso, ativar o sensor de velocidade angular e o sensor de aceleração também é uma etapa importante no processo de inicialização.Ambas as operações são implementadas através do Registro de Gerenciamento de Energia 2 (0x6c).Basta definir o bit correspondente como 0 para ativar o sensor correspondente.Depois de concluir as etapas acima, o MPU-6050 pode inserir o status de trabalho normal.Os registros que não estão especialmente definidos adotarão os valores padrão predefinidos pelo sistema.

Como funciona o MPU-6050?

Sensor de giroscópio

O sensor está equipado com um giroscópio interno, que sempre permanecerá paralelo à direção inicial devido ao efeito giroscópico.Portanto, podemos calcular a direção e o ângulo de rotação detectando o desvio do giroscópio a partir da direção inicial.

Sensor do acelerômetro

Um sensor de acelerômetro é um dispositivo que pode medir a aceleração e funciona com base no princípio do efeito piezoelétrico.Durante a aceleração, o sensor mede a força inercial aplicada ao bloco de massa e calcula o valor da aceleração usando a segunda lei de Newton.

Processador de movimento digital (DMP)

O DMP é um módulo de processamento de dados no chip MPU6050 que possui um algoritmo de filtragem Kalman embutido para adquirir dados do giroscópio e sensores de acelerômetro e processando os quaternions de saída.Esse recurso reduz bastante a carga de trabalho do microprocessador periférico e evita o tedioso processo de filtragem e fusão de dados.

Notas:

Quaternions: Quaternions são números simples de supercomplexos.Números complexos são compostos de números reais mais a unidade imaginária I, onde i^2 = -1.

Onde o MPU-6050 é usado?

• brinquedos

• aparelho e jogos portáteis

• Controladores de jogo baseados em movimento

• Tecnologia BlurFree ™ (para estabilização de vídeo/imagem parada)

• Tecnologia Airsign ™ (para segurança/autenticação)

• Reconhecimento de gestos instanture ™ IG ™

• Sensores vestíveis para saúde, fitness e esportes

• Estrutura de jogo e aplicativo habilitados para movimento

• MotionCommand ™ Technology (para atalhos de gestos)

• Serviços baseados em localização, pontos de interesse e acerto de contas mortos

• Controles remotos 3D para DTVs conectados à Internet e caixas de decópio, camundongos 3D

• Touchanywhere ™ Technology (para “No Touch” Application Control/Navigation)

Pacote de MPU-6050

Como reduzir o ruído do MPU-6050?

Podemos tomar as seguintes maneiras de reduzir o ruído do MPU-6050:

Use sensores calibrados: calibrar o acelerômetro e o giroscópio do MPU-6050 pode eliminar o viés e o erro dos próprios sensores, reduzindo assim o efeito do ruído.O processo de calibração geralmente consiste em dois estágios: calibração estática e calibração de movimento.

Processo de filtragem de hardware: Adicionar capacitores de filtro à linha de energia do MPU-6050 pode reduzir o impacto do ruído da fonte de alimentação no sensor.Enquanto isso, durante o layout da PCB, devemos tentar manter o MPU-6050 longe de fontes potenciais de interferência, como linhas de sinal de alta frequência e componentes de alta potência.

Processamento de filtragem de software: Depois de coletar os dados brutos do MPU-6050, podemos adicionar um link de filtragem de software para pré-processo os dados iniciais para eliminar a interferência induzida por ruído.Os métodos de filtragem de software comumente usados ​​incluem filtragem média, filtragem mediana, filtragem Kalman e assim por diante.

Use filtro passa-baixo interno: MPU-6050 possui um filtro de passa-baixo digital integrado interno integrado, que pode ser usado para reduzir o ruído de alta frequência, definindo sua frequência de corte.Especificamente, podemos definir a frequência de corte do filtro digital modificando o registro de configuração do MPU-6050 para eliminar o ruído de alta frequência causado pela amostragem A/D.

Cálculo de trajetória de movimento baseado em MPU-6050

O MPU-6050 é um acelerômetro de seis eixos e sensor de giroscópio que pode ser usado para medir o movimento e a atitude dos objetos.O cálculo da trajetória de movimento com base no MPU-6050 pode ser realizado pelas seguintes etapas:

O primeiro passo é ler os dados do sensor.Precisamos ler os dados do acelerômetro e do giroscópio dos sensores MPU-6050 usando drivers apropriados e funções da biblioteca.Esses dados geralmente são emitidos em formato digital; portanto, é necessário algum trabalho de conversão e calibração para convertê -los em medições reais em unidades físicas.

O segundo passo é calcular a aceleração.Primeiro, precisamos processar os dados do acelerômetro para derivar a aceleração do objeto em cada eixo.Posteriormente, para calcular a velocidade e o deslocamento do objeto em cada eixo, precisamos integrar os dados de aceleração.Técnicas de integração numérica, como o método de Euler ou o método LUNGER-KUTTA, são frequentemente usadas nesse processo para garantir a precisão dos cálculos de deslocamento.

O terceiro passo é calcular a velocidade angular.Usando dados do giroscópio, a velocidade angular do objeto em cada eixo pode ser calculada.Novamente, esses dados precisam ser calibrados e convertidos para obter a velocidade angular nas unidades físicas reais.

O quarto passo é calcular a rotação.Ao integrar os dados de velocidade angular, o ângulo de rotação do objeto em cada eixo pode ser calculado.Isso pode ser feito usando técnicas de integração numérica, como o método de Euler ou o método Longe-Kutta para calcular o ângulo.

O quinto passo é mesclar os dados.Combinamos os dados de acelerômetros e giroscópios para obter informações completas de atitude e posição do objeto.Isso pode ser feito usando algoritmos como solucionador de atitude baseado em quaternion ou solucionador de ângulo de Euler.

O sexto passo é visualizar os resultados.Convertemos a trajetória de movimento do objeto computado em um conjunto de pontos em um sistema de coordenadas 3D e o exibimos usando ferramentas de visualização apropriadas para uma compreensão mais intuitiva da trajetória de movimento do objeto e mudanças de atitude.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Quão preciso é MPU6050?

Os resultados adquiridos mostraram precisão suficiente inferior a 1 % e confiabilidade, garantindo o dimensionamento adequado do eixo do elevador e os altos padrões da indústria de elevadores.

2. Como ler dados do MPU6050?

Para ler os registros internos do MPU6050, o mestre envia uma condição de início, seguida pelo endereço do escravo i2C e um bit de gravação e, em seguida, o endereço de registro que será lido.

3. Onde o MPU6050 é usado?

Em dispositivos de rastreamento de saúde vestíveis, dispositivos de rastreamento de fitness.Em drones e quadcopters, o MPU6050 é usado para controle de posição.Usado no controle do braço robótico.Dispositivos de controle de gestos manuais.

4. O MPU6050 é um IMU?

O bloco do sensor MPU6050 IMU lê dados do sensor MPU-6050 conectado ao hardware.O bloco sai aceleração, taxa angular e temperatura ao longo dos eixos do sensor.

5. Qual é o processamento do MPU6050?

Este é o processador a bordo do MPU6050 que combina os dados provenientes do acelerômetro e do giroscópio.O DMP é a chave para usar o MPU6050 e é explicado em detalhes posteriormente.Como em todos os microprocessadores, o DMP precisa de firmware para ser executado.