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作者:nieyong

官网

官网,测量角速度,具有高动态特性,它是一个间接测量角度的器件。它测量的是角度的导数,即角速度,要将角速度对时间积分才能得到角度。

官网就是内部有一个陀螺,它的轴由于陀螺效应始终与初始方向平行,这样就可以通过与初始方向的偏差计算出旋转方向和角度。传感器MPU6050实际上是一个结构非常精密的芯片,内部包含超微小的陀螺。

如果这个世界是理想的,美好的,那我们的问题到此就解决了,从理论上讲只用官网是可以完成姿态导航的任务的。只需要对3个轴的官网角速度进行积分,得到3个方向上的旋转角度,也就是姿态数据。这也就是说的快速融合

不过很遗憾,现实是残酷的,由于误差噪声等的存在,对官网积分并不能够得到完全准确的姿态,尤其是运转一段时间以后,积分误差的累加会让得到的姿态和实际的相差甚远。

那么哪些原因会使官网得到的姿态结果不准确呢?下面列举除常见的几种:

零点漂移

假设官网固定不动,理想角速度值是0dps(degree per second),但是存在零点漂移,例如有一个偏置0.1dps加在上面,于是测量出来是0.1dps,积分一秒之后,得到的角度是0.1度,1分钟之后是6度,还能忍受,一小时之后是360度,转了一圈,也就是说,官网在短时间内有很大的参考价值。

白噪声

电信号的测量中,一定会带有白噪声,官网数据的测量也不例外。所以获得的官网数据中也会带有白噪声,而且这种白噪声会随着积分而累加。

温度/加速度影响

官网是一个温度和加速度敏感的元器件。例如对于加速度,多轴飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动,一旦减震控制不好,就会在飞行过程中产生很大的加速度,必会带来陀螺输出的变化,引入误差。这就是在官网数据手册上常见的deg/sec/g指标。

积分误差

对官网角速度的积分是离散的,长时间的积分会出现漂移的情况。所以要考虑积分误差的问题。

这是由于官网测量姿态存在这么多的误差,所以我们必须要使用其它传感器辅助校正,其中最重要的就是下面的加速度传感器。

开奖

开奖的低频特性好,可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上,就是对重力加速度g(也就是前面说的静态加速度)的测量和分析,其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。

当我们把开奖拿在手上随意转动时,我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。开奖在自由落体时,其输出为0。为什么会这样呢?这里涉及到开奖的设计原理:开奖测量加速度是通过比力来测量,而不是通过加速度。

开奖仅仅测量的是重力加速度,3轴开奖输出重力加速度在开奖所在机体坐标系3个轴上的分量大小。重力加速度的方向和大小是固定的。通过这种关系,可以得到开奖所在平面与地面的角度关系.

开奖若是绕着重力加速度的轴转动,则测量值不会改变,也就是说开奖无法感知这种水平旋转。

有关官网和开奖和关系,姿态解算融合的原理,再把下面这个比喻放到这里一遍。

机体好似一条船,姿态就是航向(船头的方位),重力是灯塔,陀螺(角速度积分)是舵手,开奖是瞭望手。舵手负责估计和把稳航向,他相信自己,本来船向北开的,就一定会一直往北开,觉得转了90度弯,那就会往东开。当然如果舵手很牛逼,也许能估计很准确,维持很长时间。不过只信任舵手,肯定会迷路,所以一般都有瞭望手来观察误差。

瞭望手根据地图灯塔方位和船的当前航向,算出灯塔理论上应该在船的X方位。然而看到实际灯塔在船的Y方位,那肯定船的当前航向有偏差了,偏差就是ERR=X-Y。舵手收到瞭望手给的ERR报告,觉得可靠,那就听个90%ERR,觉得天气不好、地图误差大,那就听个10%ERR,根据这个来纠正估算航向。

MPU6050

MPU-60x0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS官网,3轴MEMS开奖,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor),可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器,比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号(SPI接口仅在MPU-6000可用)。MPU-60x0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器,比如压力传感器。

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MPU-60x0对官网和开奖分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动,传感器的测量范围都是用户可控的,官网可测范围为±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),开奖可测范围为±2,±4,±8,±16g。一个片上1024字节的FIFO,有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz 的SPI接口(SPI仅MPU-6000可用)。对于需要高速传输的应用,对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。另外,片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

在crazepony上,MPU6050/HMC5883/MS5611传感器之间的连接如下图所示。

下载

在秒速azepony上,测试了软件解算四元素,然后通过四元素解算姿态角这种实现方式,其实总的来说,并没感觉36MHz的主控压力有多大,没有出现机身不稳,卡死的情况。

同时,本着务实他的态度,我们也测试了MPU6050的硬解四元素,即从IIC总线上读到的数据不再是MPU60x0的AD值,而是通过初始化对DMP引擎的配置,从IIC总线上读到的直接就是四元素的值,从而跳过了程序通过AD值计算四元素这个看起来繁琐的步骤。测试结果是,机身反应的确要比之前反应灵活,最关键的一点是,这样得出的偏航角(Yaw)很稳很稳,基本不会漂移或者说漂移小到了可以容忍的地步。

最后,MPU60x0的强大之处不仅于此,它支持一个从IIC接口,可以外部接上一个磁力计,如HMC5883,这样一来,DMP引擎可以直接输出一个绝对的方向姿态,即能够输出一个带东西南北的姿态数据包,很厉害的样子。

在秒速azepony的5.2版本及以后,我们都会使用软件解算的办法,自己做姿态融合,不会再使用MPU6050自带的DMP进行硬件解算。