على 03/09/2024 309

MPU-6050 في العمل: دليل عملي للإعداد والتكوين وإدارة الضوضاء

كتالوج

مقدمة إلى MPU-6050

MPU-6050 هو أول مكون معالجة الحركة المتكامل 6 محاور في العالم ، والذي يدمج جيروسكوب 3 محاور ، ومقياس تسارع 3 محاور ، ومعالج حركة رقمية قابلة للتطوير (DMP).الغرض من استخدامه هو الحصول على زاوية ميل الكائن ليتم قياس.نقرأ البيانات الستة الخاصة بـ MPU-6050 (قيمة AD التسارع ثلاثي المحاور وقيمة AD الزاوية ثلاثية المحاور) من خلال واجهة I2C.بعد معالجة الانصهار الموقف ، يمكن حساب زوايا الملعب ، لفة ، و yaw.كمرجع اتجاهي لقيم القياس ، فإن تعريف اتجاه إحداثيات المستشعر كما هو موضح في الشكل أدناه ، والذي يتبع مبدأ نظام الإحداثيات اليمنى (أي ، يشير الإبهام الأيمن إلى الاتجاه الإيجابي لـ X-المحور ، يشير إصبع الفهرس إلى الاتجاه الإيجابي للمحور ص ، ويشير الإصبع الأوسط إلى الاتجاه الإيجابي للمحور z).

من خلال ناقل مستشعر I2C المخصص الخاص به ، فإن MPU-6050 قادرة على تلقي المدخلات مباشرة من بوصلة خارجية من 3 محاور ، مما يوفر إخراج MotionFusion ™ الكامل 9 محاور.إنه يلغي مشكلة التناقض بين الجيروسكوب المشترك والجدول الزمني للسرقة ويقلل بشكل كبير من مساحة التغليف مقارنة مع الحلول متعددة المكونات.عند توصيله بمقياس المغنطيسية المكون من ثلاثة محاور ، يكون MPU-60x0 قادرًا على توفير إخراج دمج الحركة الكامل 9 محاور إلى منفذ I2C أو SPI الرئيسي (لاحظ أن منفذ SPI متاح فقط على MPU-6000).

البدائل وما يعادلها

• AIS328DQTR

• ICM-20689

• MPU-3300

• MPU-6000

• MPU-6500

الشركة المصنعة لـ MPU-6050

الشركة المصنعة لـ MPU-6050 هي TDK.بعد أن اخترع مؤسسو TDK ، الدكتور Yogoro Kato و Takei Takei ، Ferrite في طوكيو ، أسسوا طوكيو Denkikagaku Kogyo K.K.في عام 1935. كعلامة تجارية عالمية في صناعة الإلكترونيات ، حافظت TDK دائمًا على موقع مهيمن في مجالات المواد الخام الإلكترونية والمكونات الإلكترونية.تغطي محفظة منتجات TDK الشاملة التي تعتمد على الابتكار المكونات السلبية مثل المكثفات الخزفية ، المكثفات الكهربائية من الألومنيوم ، مكثفات الأفلام ، المنتجات المغناطيسية ، مكونات التردد العالي ، وأجهزة Piezoelectric و Protection ، بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار وأنظمة المستشعرات (مثل درجة الحرارة والضغط ،مستشعرات المغناطيسية و MEMS) ، وما إلى ذلك ، يوفر TDK أيضًا إمدادات الطاقة وأجهزة الطاقة والرؤوس المغناطيسية وغيرها من المنتجات.تشمل ماركات منتجاتها TDK و EPCOS و Invensense و Micronas و Tronics و TDK-Lambda.

مخطط الكتلة الداخلية لـ MPU-6050

من بينها ، SCL و SDA هي الواجهات IIC المتصلة بـ MCU ، ويتحكم MCU في MPU-6050 من خلال هذه الواجهة IIC.هناك أيضًا واجهة IIC ، وهي AUX_CL و AUX_DA.يمكن استخدام هذه الواجهة لتوصيل أجهزة الرقيق الخارجية ، مثل المستشعرات المغناطيسية ، لتشكيل مستشعر تسعة محاور.Vlogic هو جهد منفذ IO.يمكن أن يدعم هذا الدبوس ما لا يقل عن 1.8 فولت.عادة ما نقوم بتوصيله مباشرة بـ VDD.AD0 هو دبوس التحكم في العنوان لواجهة الرقيق IIC (متصلة بـ MCU).يتحكم هذا الدبوس في أدنى جزء من عنوان IIC.إذا كان متصلاً بـ GND ، فإن عنوان IIC لـ MPU-6050 هو 0x68 ؛إذا كان متصلاً بـ VDD ، فهو 0x69.يرجى ملاحظة أن العنوان هنا لا يتضمن أدنى جزء من نقل البيانات (يتم استخدام أقل بت لتمثيل عمليات القراءة والكتابة).على MWBalancedStc15 ، يتم توصيل AD0 بـ GND ، وبالتالي فإن عنوان IIC الخاص بـ MPU-6050 هو 0x68 (باستثناء أدنى بت).

تهيئة واجهة IIC

يستخدم MPU-6050 IIC للتواصل مع STC15 ، لذلك نحن بحاجة إلى تهيئة خطوط بيانات SDA و SCL المتصلة بـ MPU-6050 أولاً.

إعادة تعيين MPU-6050

تستعيد هذه الخطوة جميع السجلات داخل MPU-6050 إلى قيمها الافتراضية ، والتي يتم تحقيقها عن طريق كتابة 1 إلى بت 7 من سجل إدارة الطاقة 1 (0x6b).بعد إعادة التعيين ، سيتم استعادة سجل إدارة الطاقة 1 إلى القيمة الافتراضية (0x40) ، ويجب تعيين هذا السجل لاحقًا على 0x00 لإيقاظ MPU-6050 ووضعه في حالة عمل عادية.

اضبط النطاق الكامل لمستشعر السرعة الزاوي (Gyro) ومستشعر التسارع

في هذه الخطوة ، قمنا بتعيين النطاق الكامل (FSR) للمستشعرين من خلال سجل تكوين الجيروسكوب (0x1B) وسجل تكوين مستشعر التسارع (0x1C) على التوالي.عادة ، قمنا بتعيين النطاق الكامل من الجيروسكوب إلى ± 2000dps والمدى الكامل لمقياس التسارع إلى ± 2g.

تعيين معلمات أخرى

هنا ، نحتاج أيضًا إلى تكوين المعلمات التالية: قم بإيقاف تشغيل المقاطعات ، وتعطيل واجهة AUX I2C ، وتعطيل FIFO ، وتعيين معدل أخذ العينات الجيروسكوب ، وتكوين مرشح التمرير الرقمي المنخفض (DLPF).نظرًا لأننا لا نستخدم المقاطعات لقراءة البيانات في هذا الفصل ، يجب إيقاف تشغيل وظيفة المقاطعة.في الوقت نفسه ، نظرًا لأننا لا نستخدم واجهة AUX I2C لتوصيل أجهزة الاستشعار الخارجية الأخرى ، نحتاج أيضًا إلى إغلاق هذه الواجهة.يمكن التحكم في هذه الوظائف من خلال سجل تمكين المقاطعة (0x38) وسجل التحكم في المستخدم (0x6a).يمكن لـ MPU-6050 استخدام FIFO لتخزين بيانات المستشعر ، لكننا لم نستخدمها في هذا الفصل ، لذلك يجب إغلاق جميع قنوات FIFO.يمكن التحكم في ذلك من خلال سجل تمكين FIFO (0x23).افتراضيًا ، تكون قيمة هذا السجل هي 0 (أي ، FIFO معطلة) ، حتى نتمكن من استخدام القيمة الافتراضية مباشرة.يتم التحكم في معدل أخذ العينات من الجيروسكوب بواسطة سجل مقسم معدل أخذ العينات (0x19).عادة ، قمنا بتعيين معدل أخذ العينات هذا على 50. تم إكمال تكوين مرشح التمرير المنخفض الرقمية (DLPF) من خلال سجل التكوين (0x1A).بشكل عام ، سنقوم بتعيين DLPF على نصف عرض النطاق الترددي لموازنة دقة البيانات وسرعة الاستجابة.

تكوين مصدر ساعة النظام وتمكين مستشعر السرعة الزاوي ومستشعر التسارع

يعتمد إعداد مصدر ساعة النظام على سجل إدارة الطاقة 1 (0x6b) ، حيث تحدد أدنى ثلاثة بت من هذا السجل اختيار مصدر الساعة.بشكل افتراضي ، يتم تعيين هذه الأجزاء الثلاثة على 0 ، مما يعني أن النظام يستخدم مذبذب 8MHz RC الداخلي كمصدر على مدار الساعة.ومع ذلك ، من أجل تحسين دقة الساعة ، غالبًا ما نضعها على 1 ونختار PLL من جيروسكوب المحور X كمصدر على مدار الساعة.بالإضافة إلى ذلك ، يعد تمكين مستشعر السرعة الزاوي ومستشعر التسارع خطوة مهمة في عملية التهيئة.يتم تنفيذ كلتا العمليتين من خلال سجل إدارة الطاقة 2 (0x6C).ما عليك سوى تعيين البت المقابل إلى 0 لتفعيل المستشعر المقابل.بعد الانتهاء من الخطوات المذكورة أعلاه ، يمكن لـ MPU-6050 إدخال حالة العمل العادية.هذه السجلات التي لم يتم تعيينها خصيصًا ستعتمد القيم الافتراضية المسبقة من قبل النظام.

كيف يعمل MPU-6050؟

مستشعر الدوران

تم تجهيز المستشعر بالحرارة الداخلية ، والتي ستبقى دائمًا موازية للاتجاه الأولي بسبب التأثير الجيروسكوبي.لذلك ، يمكننا حساب اتجاه وزاوية الدوران عن طريق اكتشاف انحراف الدوران من الاتجاه الأولي.

مستشعر التسارع

مستشعر التسارع هو جهاز يمكنه قياس التسارع ويعمل على أساس مبدأ التأثير الكهروضوئي.أثناء التسارع ، يقيس المستشعر القوة بالقصور الذاتي المطبق على الكتلة الشاملة ثم يحسب قيمة التسارع باستخدام القانون الثاني لنيوتن.

معالج الحركة الرقمية (DMP)

DMP هي وحدة معالجة البيانات في شريحة MPU6050 تحتوي على خوارزمية تصفية Kalman مدمجة لاكتساب البيانات من مستشعرات الجيروسكوب ومقياس التسارع ومعالجة Quaternions.هذه الميزة تقلل إلى حد كبير من عبء العمل في المعالج الدقيق المحيطي وتجنب عملية تصفية البيانات المثيرة وعملية دمج البيانات.

ملحوظات:

الرباعي: Quaternions هي أرقام SuperComplex بسيطة.تتكون الأرقام المعقدة من أرقام حقيقية بالإضافة إلى الوحدة الخيالية I ، حيث I^2 = -1.

أين يستخدم MPU-6050؟

• الألعاب

• الهاتف والألعاب المحمولة

• وحدات التحكم في الألعاب القائمة على الحركة

• تقنية Blurfree ™ (لتثبيت الصور/الثابتة)

• تقنية AirSign ™ (للأمن/المصادقة)

• التعرف على إيماءات Instantgesture ™ IG ™

• أجهزة استشعار يمكن ارتداؤها للصحة واللياقة والرياضة

• إطار عمل وتطبيق ممكّن الحركة

• تقنية MotionCommand ™ (للاطلاع على اختصارات الإيماءات)

• الخدمات القائمة على الموقع ونقاط الاهتمام والموتى حساب

• عناصر التحكم عن بُعد ثلاثية الأبعاد ل DTVs المتصلة بالإنترنت وصناديق الإعداد ، والفئران ثلاثية الأبعاد

• Touchanywhere ™ Technology (من أجل "عدم اللمس" التحكم في تطبيق/التنقل في واجهة المستخدم)

حزمة MPU-6050

كيف تقلل من ضوضاء MPU-6050؟

يمكننا أن نأخذ الطرق التالية لتقليل ضوضاء MPU-6050:

استخدم المستشعرات المعايرة: يمكن لمعايرة مقياس التسارع وجيروسكوب من MPU-6050 القضاء على تحيز وخطأ المستشعرات نفسها ، مما يقلل من تأثير الضوضاء.تتكون عملية المعايرة عادة من مرحلتين: المعايرة الثابتة ومعايرة الحركة.

عملية تصفية الأجهزة: يمكن أن تؤدي إضافة مكثفات المرشح إلى خط الطاقة لـ MPU-6050 إلى تقليل تأثير ضوضاء مصدر الطاقة على المستشعر.وفي الوقت نفسه ، أثناء تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يجب أن نحاول إبقاء MPU-6050 بعيدًا عن المصادر المحتملة للتداخل ، مثل خطوط الإشارة عالية التردد والمكونات عالية الطاقة.

معالجة تصفية البرامج: بعد جمع البيانات الأولية من MPU-6050 ، يمكننا إضافة رابط تصفية البرامج إلى المعالجة المسبقة للبيانات الأولية للتخلص من التداخل الناجم عن الضوضاء.تشمل طرق تصفية البرامج الشائعة الاستخدام الترشيح المتوسط ​​، والتصفية المتوسطة ، وتصفية Kalman وما إلى ذلك.

استخدام مرشح تمرير منخفض داخلي: يحتوي MPU-6050 على مرشح داخلي متكامل للتمرير الرقمي ، والذي يمكن استخدامه لتقليل الضوضاء عالية التردد عن طريق تحديد تردد القطع.على وجه التحديد ، يمكننا تعيين تردد القطع للمرشح الرقمي عن طريق تعديل سجل التكوين في MPU-6050 للتخلص من الضوضاء عالية التردد الناتجة عن أخذ العينات A/D.

حساب مسار الحركة القائم على MPU-6050

MPU-6050 هو مقياس تسارع ستة محاور ومستشعر الجيروسكوب يمكن استخدامه لقياس حركة الكائنات وموقفها.يمكن تحقيق حساب مسار الحركة على أساس MPU-6050 من خلال الخطوات التالية:

الخطوة الأولى هي قراءة بيانات المستشعر.نحتاج إلى قراءة بيانات التسارع وجيروسكوب من مستشعرات MPU-6050 باستخدام برامج التشغيل المناسبة ووظائف المكتبة.عادةً ما يتم إخراج هذه البيانات بتنسيق رقمي ، لذا فإن بعض أعمال التحويل والمعايرة مطلوبة لتحويلها إلى قياسات فعلية في الوحدات المادية.

الخطوة الثانية هي حساب التسارع.أولاً ، نحتاج إلى معالجة البيانات من مقياس التسارع لاشتقاق تسارع الكائن في كل محور.بعد ذلك ، من أجل حساب سرعة وتوزيع الكائن في كل محور ، نحتاج إلى دمج بيانات التسارع.غالبًا ما يتم استخدام تقنيات التكامل العددي ، مثل طريقة Euler أو طريقة Lunger-Kutta ، في هذه العملية لضمان دقة حسابات الإزاحة.

الخطوة الثالثة هي حساب السرعة الزاوية.باستخدام بيانات الجيروسكوب ، يمكن حساب السرعة الزاوية للكائن في كل محور.مرة أخرى ، يجب معايرة هذه البيانات وتحويلها للحصول على السرعة الزاوية في الوحدات المادية الفعلية.

الخطوة الرابعة هي حساب الدوران.من خلال دمج بيانات السرعة الزاوية ، يمكن حساب زاوية دوران الكائن في كل محور.يمكن القيام بذلك باستخدام تقنيات التكامل العددي مثل طريقة Euler أو طريقة Longe-Kutta لحساب الزاوية.

الخطوة الخامسة هي دمج البيانات.نحن نجمع بين البيانات من مقاييس التسارع والجيروسكوبات للحصول على معلومات كاملة وموقف للكائن.يمكن القيام بذلك باستخدام خوارزميات مثل Solver Attitude Solver أو Euler Angle Solver.

الخطوة السادسة هي تصور النتائج.نقوم بتحويل مسار حركة الكائن المحسوب إلى مجموعة من النقاط في نظام الإحداثيات ثلاثية الأبعاد وعرضه باستخدام أدوات التصور المناسبة لفهم أكثر بديهية لمسار حركة الكائن وتغيرات المواقف.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. ما مدى دقة MPU6050؟

أظهرت النتائج المكتسبة دقة كافية أقل من 1 ٪ والموثوقية ، مما يضمن الأبعاد الصحيح لعمود المصعد والمعايير العالية لصناعة الرفع.

2. كيفية قراءة البيانات من MPU6050؟

لقراءة سجلات MPU6050 الداخلية ، يرسل Master حالة البدء ، يليه عنوان I2C Slave و Bit Bit ، ثم عنوان التسجيل الذي سيتم قراءته.

3. أين يستخدم MPU6050؟

في أجهزة تتبع الصحة يمكن ارتداؤها ، وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.في الطائرات بدون طيار و quadcopters ، يتم استخدام MPU6050 للتحكم في الموضع.تستخدم في السيطرة على الذراع الآلية.أجهزة التحكم في لفتة اليد.

4. هل MPU6050 IMU؟

يقرأ كتلة مستشعر MPU6050 IMU البيانات من مستشعر MPU-6050 متصل بالأجهزة.تخرج الكتلة تسريع ، معدل الزاوي ، ودرجة الحرارة على طول محاور المستشعر.

5. ما هي معالجة MPU6050؟

هذا هو معالج MPU6050 على متن الطائرة الذي يجمع بين البيانات القادمة من مقياس التسارع وجيروسكوب.DMP هو مفتاح استخدام MPU6050 ويتم شرحه بالتفصيل لاحقًا.كما هو الحال مع جميع المعالجات الدقيقة ، يحتاج DMP إلى البرامج الثابتة من أجل التشغيل.