trên 2024/09/3 320

MPU-6050 hoạt động: Hướng dẫn thực hành để thiết lập, cấu hình và quản lý tiếng ồn

Danh mục

Giới thiệu về MPU-6050

MPU-6050 là thành phần xử lý chuyển động 6 trục tích hợp đầu tiên trên thế giới, tích hợp con quay hồi chuyển 3 trục, gia tốc kế 3 trục và bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số có thể mở rộng (DMP).Mục đích của việc sử dụng nó là để có được góc nghiêng của đối tượng được đo (chẳng hạn như một vòng bốn, một chiếc xe cân bằng) trên các trục x, y và z, nghĩa là góc độ, góc cuộn và góc ngáp ngáp.Chúng tôi đọc sáu dữ liệu của MPU-6050 (giá trị AD gia tốc ba trục và giá trị AD vận tốc góc ba trục) thông qua giao diện I2C.Sau khi xử lý tổng hợp tư thế, các góc, cuộn và góc ngáp có thể được tính toán.Là một tham chiếu định hướng cho các giá trị đo, định nghĩa của hướng tọa độ cảm biến được hiển thị trong hình dưới đây, theo nguyên tắc của hệ tọa độ thuận tay phải (nghĩa là ngón tay cái bên phải chỉ vào hướng dương của X-Trục, ngón trỏ chỉ vào hướng dương của trục y và ngón giữa chỉ ra hướng dương của trục z).

Với bus cảm biến I2C chuyên dụng, MPU-6050 có thể nhận được đầu vào trực tiếp từ la bàn 3 trục bên ngoài, cung cấp đầu ra MotionFusion ™ 9 trục đầy đủ.Nó loại bỏ vấn đề khác biệt giữa con quay hồi chuyển kết hợp và dòng thời gian của máy gia tốc và giảm đáng kể không gian đóng gói so với các giải pháp đa thành phần.Khi được kết nối với từ kế ba trục, MPU-60x0 có khả năng cung cấp đầu ra phản ứng tổng hợp chuyển động 9 trục đầy đủ cho cổng I2C hoặc SPI chính của nó (lưu ý rằng cổng SPI chỉ có sẵn trên MPU-6000).

Giải pháp thay thế và tương đương

• AIS328DQTR

• ICM-20689

• MPU-3300

• MPU-6000

• MPU-6500

Nhà sản xuất MPU-6050

Nhà sản xuất MPU-6050 là TDK.Sau hai người sáng lập TDK, Tiến sĩ Yogoro Kato và Takei Takei, đã phát minh ra Ferrite ở Tokyo, họ đã thành lập Tokyo Denkikagaku Kogyo K.K.Năm 1935. Là một thương hiệu ngành công nghiệp điện tử toàn cầu, TDK luôn duy trì một vị trí thống trị trong các lĩnh vực của nguyên liệu thô điện tử và các thành phần điện tử.Danh mục sản phẩm toàn diện và đổi mới của TDK bao gồm các thành phần thụ động như tụ gốm, tụ điện điện phân nhôm, tụ điện phim, sản phẩm từ tính, các thành phần tần số cao, các thiết bị bảo vệ và áp suất, cũngCảm biến từ tính và MEMS), v.v. Ngoài ra, TDK cũng cung cấp nguồn cung cấp năng lượng và thiết bị năng lượng, đầu từ tính và các sản phẩm khác.Các thương hiệu sản phẩm của nó bao gồm TDK, EPCOS, Invensense, Micronas, Tronics và TDK-Lambda.

Sơ đồ khối bên trong của MPU-6050

Trong số đó, SCL và SDA là các giao diện IIC được kết nối với MCU và MCU điều khiển MPU-6050 thông qua giao diện IIC này.Ngoài ra còn có giao diện IIC, cụ thể là AUX_CL và AUX_DA.Giao diện này có thể được sử dụng để kết nối các thiết bị nô lệ bên ngoài, chẳng hạn như cảm biến từ tính, để tạo thành cảm biến chín trục.Vlogic là điện áp cổng IO.Pin này có thể hỗ trợ tối thiểu 1,8V.Chúng tôi thường kết nối nó trực tiếp với VDD.AD0 là chân điều khiển địa chỉ của giao diện IIC nô lệ (được kết nối với MCU).PIN này kiểm soát bit thấp nhất của địa chỉ IIC.Nếu nó được kết nối với GND, địa chỉ IIC của MPU-6050 là 0x68;Nếu nó được kết nối với VDD, nó là 0x69.Xin lưu ý rằng địa chỉ ở đây không bao gồm bit truyền dữ liệu thấp nhất (bit thấp nhất được sử dụng để biểu thị các hoạt động đọc và ghi).Trên MWbalifiedStc15, AD0 được kết nối với GND, do đó, địa chỉ IIC của MPU-6050 là 0x68 (không bao gồm bit thấp nhất).

Khởi tạo giao diện IIC

MPU-6050 sử dụng IIC để liên lạc với STC15, vì vậy chúng tôi cần khởi tạo các dòng dữ liệu SDA và SCL được kết nối với MPU-6050 trước tiên.

Đặt lại MPU-6050

Bước này khôi phục tất cả các thanh ghi bên trong MPU-6050 cho các giá trị mặc định của chúng, đạt được bằng cách viết 1 đến bit 7 của thanh ghi quản lý năng lượng 1 (0x6b).Sau khi đặt lại, thanh ghi quản lý năng lượng 1 sẽ được khôi phục về giá trị mặc định (0x40) và sau đó thanh ghi này phải được đặt thành 0x00 để đánh thức MPU-6050 và đưa nó vào trạng thái làm việc bình thường.

Đặt phạm vi toàn diện của cảm biến vận tốc góc (GYRO) và cảm biến gia tốc

Trong bước này, chúng tôi đặt phạm vi toàn diện (FSR) của hai cảm biến thông qua thanh ghi cấu hình con quay hồi chuyển (0x1b) và thanh ghi cấu hình cảm biến gia tốc (0x1c).Thông thường, chúng tôi đặt phạm vi toàn diện của con quay hồi chuyển thành ± 2000dps và phạm vi toàn diện của gia tốc kế thành ± 2G.

Đặt các tham số khác

Ở đây, chúng tôi cũng cần định cấu hình các tham số sau: Tắt các ngắt, tắt giao diện AUX I2C, vô hiệu hóa FIFO, đặt tốc độ lấy mẫu con quay và cấu hình bộ lọc thông thấp kỹ thuật số (DLPF).Vì chúng tôi không sử dụng các ngắt để đọc dữ liệu trong chương này, chức năng ngắt cần phải tắt.Đồng thời, vì chúng tôi không sử dụng giao diện AUX I2C để kết nối các cảm biến bên ngoài khác, chúng tôi cũng cần đóng giao diện này.Các chức năng này có thể được kiểm soát thông qua thanh ghi cho phép ngắt (0x38) và thanh ghi điều khiển người dùng (0x6a).MPU-6050 có thể sử dụng FIFO để lưu trữ dữ liệu cảm biến, nhưng chúng tôi chưa sử dụng nó trong chương này, vì vậy tất cả các kênh FIFO cần phải đóng.Điều này có thể được kiểm soát thông qua thanh ghi kích hoạt FIFO (0x23).Theo mặc định, giá trị của thanh ghi này là 0 (nghĩa là FIFO bị vô hiệu hóa), vì vậy chúng ta có thể sử dụng giá trị mặc định trực tiếp.Tốc độ lấy mẫu của con quay hồi chuyển được kiểm soát bởi thanh ghi chia tốc độ lấy mẫu (0x19).Thông thường, chúng tôi đặt tốc độ lấy mẫu này thành 50. Cấu hình của bộ lọc thông thấp kỹ thuật số (DLPF) được hoàn thành thông qua thanh ghi cấu hình (0x1a).Nói chung, chúng tôi sẽ đặt DLPF thành một nửa băng thông để cân bằng độ chính xác và tốc độ phản hồi của dữ liệu.

Định cấu hình nguồn đồng hồ hệ thống và bật cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc

Cài đặt của nguồn đồng hồ hệ thống phụ thuộc vào thanh ghi quản lý năng lượng 1 (0x6b), trong đó ba bit thấp nhất của thanh ghi này xác định lựa chọn nguồn đồng hồ.Theo mặc định, ba bit này được đặt thành 0, điều đó có nghĩa là hệ thống sử dụng bộ tạo dao động RC 8MHz bên trong làm nguồn đồng hồ.Tuy nhiên, để cải thiện độ chính xác của đồng hồ, chúng ta thường đặt nó thành 1 và chọn PLL con quay trục x trục làm nguồn đồng hồ.Ngoài ra, cho phép cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc cũng là một bước quan trọng trong quá trình khởi tạo.Cả hai hoạt động đều được triển khai thông qua Đăng ký quản lý năng lượng 2 (0x6c).Chỉ cần đặt bit tương ứng thành 0 để kích hoạt cảm biến tương ứng.Sau khi hoàn thành các bước trên, MPU-6050 có thể nhập trạng thái làm việc bình thường.Những thanh ghi không được đặt đặc biệt sẽ áp dụng các giá trị mặc định được đặt trước bởi hệ thống.

MPU-6050 hoạt động như thế nào?

Cảm biến con quay

Cảm biến được trang bị một con quay hồi chuyển bên trong, sẽ luôn luôn song song với hướng ban đầu do hiệu ứng con quay.Do đó, chúng ta có thể tính toán hướng và góc quay bằng cách phát hiện độ lệch của con quay hồi chuyển so với hướng ban đầu.

Cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc là một thiết bị có thể đo tăng tốc và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng áp điện.Trong quá trình gia tốc, cảm biến đo lực quán tính được áp dụng cho khối khối và sau đó tính toán giá trị gia tốc bằng định luật thứ hai của Newton.

Bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số (DMP)

DMP là một mô-đun xử lý dữ liệu trong chip MPU6050 có thuật toán lọc Kalman tích hợp để thu thập dữ liệu từ các cảm biến con quay và gia tốc và xử lý các bậc bốn đầu ra.Tính năng này làm giảm đáng kể khối lượng công việc của bộ vi xử lý ngoại vi và tránh quá trình lọc dữ liệu và lọc tẻ nhạt.

Ghi chú:

Quandnions: Đệ tứ là số siêu máy tính đơn giản.Các số phức được cấu tạo từ các số thực cộng với đơn vị tưởng tượng I, trong đó i^2 = -1.

MPU-6050 được sử dụng ở đâu?

• Đồ chơi

• điện thoại và chơi game di động

• Bộ điều khiển trò chơi dựa trên chuyển động

• Công nghệ Blurfree ™ (cho ổn định hình ảnh video/tĩnh))

• Công nghệ AirSign ™ (để bảo mật/xác thực)

• Nhận dạng cử chỉ INSTANTTERESTURE ™ IG ™

• Cảm biến có thể đeo cho sức khỏe, thể dục và thể thao

• Khung ứng dụng và trò chơi hỗ trợ chuyển động

• Công nghệ MotionCommand ™ (dành cho cử chỉ ngắn)

• Các dịch vụ dựa trên vị trí, điểm quan tâm và tính toán đã chết

• Điều khiển từ xa 3D cho các hộp DTV và hộp Set-Top được kết nối Internet, chuột 3D

• Touchanywhere ™ Technology (cho điều khiển/điều khiển ứng dụng UI của UI không cảm ứng))

Gói MPU-6050

Làm thế nào để giảm nhiễu của MPU-6050?

Chúng ta có thể thực hiện các cách sau để giảm nhiễu của MPU-6050:

Sử dụng các cảm biến hiệu chuẩn: Hiệu chỉnh gia tốc kế và con quay hồi chuyển của MPU-6050 có thể loại bỏ độ lệch và sai số của chính các cảm biến, do đó làm giảm ảnh hưởng của nhiễu.Quá trình hiệu chuẩn thường bao gồm hai giai đoạn: hiệu chuẩn tĩnh và hiệu chuẩn chuyển động.

Quá trình lọc phần cứng: Thêm tụ điện bộ lọc vào đường nguồn của MPU-6050 có thể làm giảm tác động của nhiễu nguồn đối với cảm biến.Trong khi đó, trong quá trình bố trí PCB, chúng ta nên cố gắng giữ MPU-6050 tránh xa các nguồn nhiễu tiềm năng, chẳng hạn như các đường tín hiệu tần số cao và các thành phần công suất cao.

Xử lý lọc phần mềm: Sau khi thu thập dữ liệu thô từ MPU-6050, chúng tôi có thể thêm một liên kết lọc phần mềm để xử lý trước dữ liệu ban đầu để loại bỏ nhiễu do tiếng ồn.Các phương pháp lọc phần mềm thường được sử dụng bao gồm lọc trung bình, lọc trung bình, lọc Kalman, v.v.

Sử dụng bộ lọc thông thấp bên trong: MPU-6050 có bộ lọc thông thấp kỹ thuật số tích hợp bên trong, có thể được sử dụng để giảm nhiễu tần số cao bằng cách đặt tần số cắt.Cụ thể, chúng ta có thể đặt tần số cắt của bộ lọc kỹ thuật số bằng cách sửa đổi thanh ghi cấu hình của MPU-6050 để loại bỏ nhiễu tần số cao gây ra bởi lấy mẫu A/D.

Tính toán quỹ đạo chuyển động dựa trên MPU-6050

MPU-6050 là gia tốc kế sáu trục và cảm biến con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để đo chuyển động và thái độ của các vật thể.Tính toán quỹ đạo chuyển động dựa trên MPU-6050 có thể được thực hiện bằng các bước sau:

Bước đầu tiên là đọc dữ liệu cảm biến.Chúng ta cần đọc dữ liệu gia tốc kế và con quay hồi chuyển từ các cảm biến MPU-6050 bằng cách sử dụng các trình điều khiển và chức năng thư viện phù hợp.Những dữ liệu này thường được đầu ra ở định dạng kỹ thuật số, do đó, một số công việc chuyển đổi và hiệu chuẩn được yêu cầu để chuyển đổi chúng thành các phép đo thực tế trong các đơn vị vật lý.

Bước thứ hai là tính toán gia tốc.Đầu tiên, chúng ta cần xử lý dữ liệu từ gia tốc kế để lấy gia tốc của đối tượng trong mỗi trục.Sau đó, để tính toán vận tốc và độ dịch chuyển của đối tượng trong mỗi trục, chúng ta cần tích hợp dữ liệu gia tốc.Các kỹ thuật tích hợp số, chẳng hạn như phương pháp của Euler hoặc phương pháp Lunger-Kutta, thường được sử dụng trong quá trình này để đảm bảo tính chính xác của các tính toán dịch chuyển.

Bước thứ ba là tính toán vận tốc góc.Sử dụng dữ liệu con quay hồi chuyển, vận tốc góc của đối tượng trong mỗi trục có thể được tính toán.Một lần nữa, dữ liệu này cần được hiệu chỉnh và chuyển đổi để có được vận tốc góc trong các đơn vị vật lý thực tế.

Bước thứ tư là tính toán vòng quay.Bằng cách tích hợp dữ liệu vận tốc góc, góc quay của vật thể trong mỗi trục có thể được tính toán.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật tích hợp số như phương pháp của Euler hoặc phương pháp longe-kutta để tính toán góc.

Bước thứ năm là hợp nhất dữ liệu.Chúng tôi kết hợp dữ liệu từ gia tốc kế và con quay hồi chuyển để có được thông tin về thái độ và vị trí hoàn chỉnh của đối tượng.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán như bộ giải thái độ dựa trên bậc bốn hoặc bộ giải góc Euler.

Bước thứ sáu là hình dung kết quả.Chúng tôi chuyển đổi quỹ đạo chuyển động đối tượng được tính toán thành một tập hợp các điểm trong hệ tọa độ 3D và hiển thị nó bằng cách sử dụng các công cụ trực quan phù hợp để hiểu trực quan hơn về quỹ đạo chuyển động và thái độ của đối tượng.

Câu hỏi thường gặp [Câu hỏi thường gặp]

1. MPU6050 chính xác như thế nào?

Kết quả thu được cho thấy độ chính xác đủ dưới 1 % và độ tin cậy, đảm bảo kích thước thích hợp của trục thang máy và các tiêu chuẩn cao của ngành công nghiệp thang máy.

2. Làm thế nào để đọc dữ liệu từ MPU6050?

Để đọc các thanh ghi MPU6050 nội bộ, Master sẽ gửi một điều kiện bắt đầu, theo sau là địa chỉ nô lệ i2c và bit ghi, và sau đó địa chỉ đăng ký sẽ được đọc.

3. MPU6050 được sử dụng ở đâu?

Trong theo dõi sức khỏe có thể đeo, các thiết bị theo dõi thể dục.Trong máy bay không người lái và Quadcopters, MPU6050 được sử dụng để điều khiển vị trí.Được sử dụng trong việc kiểm soát cánh tay robot.Thiết bị điều khiển cử chỉ tay.

4. MPU6050 có phải là IMU không?

Khối cảm biến IMU MPU6050 đọc dữ liệu từ cảm biến MPU-6050 được kết nối với phần cứng.Khối đầu ra gia tốc, tốc độ góc và nhiệt độ dọc theo các trục của cảm biến.

5. Việc xử lý MPU6050 là gì?

Đây là bộ xử lý trên bo mạch của MPU6050 kết hợp dữ liệu đến từ gia tốc kế và con quay hồi chuyển.DMP là chìa khóa để sử dụng MPU6050 và được giải thích chi tiết sau.Như với tất cả các bộ vi xử lý, DMP cần phần sụn để chạy.