陀螺仪、加速度计与MPU6050的关系

落一地梨花 6天前   阅读数 8 0

一.引言

要开始做俩轮平衡小车了,所以需要补充一些关于平衡小车的知识,首先就是如何让小车保持平衡,这是要依据小车当前的三轴角度和平衡位置的三轴角度做对比,然后不断地调整轮子的转动,从而使小车尽量保持平衡。
这里整理一下关于角度测量的知识,对比三种传感器:陀螺仪、加速度计、MPU6050,借此来说明选择MPU6050模块进行角度测量的优越性。

二.陀螺仪

1.官方定义
这是摘抄自百度百科的有关陀螺仪的定义:

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

2.我的理解
我理解的话,陀螺仪可以用来测量角度,并且具有高动态性(就是短时间内角度的改变测量比较准确),其本质上测量的是角速度,通过将角速度对时间积分得到角度

3.测量原理
陀螺仪内部有一个陀螺,其轴由于陀螺效应始终与初始方向保持平行,以初始方向为基准,可以得出旋转的角速度和方向,再经过积分就可以得到角度了。

4.误差
实际中,我不会只用陀螺仪来测量角度,因为陀螺仪应用起来有很大的局限性,对长期的角度变化测量误差较大,这是由其测量原理引起的,下面总结一下陀螺仪误差的产生:

  • 由于陀螺仪是用角速度积分求角度的,所以零点漂移会对其长期的使用造成不容小视的误差;
  • 在电信号的测量种,一定会带有白噪声,而且陀螺仪中的白噪声会随着时间积分,长时间也会造成不小的误差;
  • 马达震动所产生的加速度也会对其造成影响;
  • 另外,陀螺仪对角速度的积分是离散的,长时间的积分也会出现漂移情况。

三.加速度计

1.官方定义
这是摘抄自百度百科的有关加速度计的定义:

三轴加速度传感器是基于加速度的基本原理去实现工作,具有体积小和重量轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质,在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。

2.我的理解
加速度计,顾名思义,这是测量加速度的,为什么可以测量角度呢?因为加速度计测量的是重力加速度,通过感知重力加速度在三轴上的分量即可知道旋转的角度。

3.测量原理
加速度计内部有一个三轴参考系,加速度计可以测出重力在这三个轴上的分量大小,从而得出加速度计与地面的角度关系(高中物理有讲,受力分解)。

4.误差
如果加速度计是沿着重力方向的轴转动,则加速度计无法测量出旋转的角度(无法感知水平旋转)。此外,由于加速度计的测量原理,其对于短时间内的角度变化测量误差较大,适合长时间的测量,不适合短时间测量。

四.MPU6050

陀螺仪不适合长时间测量,加速度计不适合短时间测量,如果有什么模块能将俩者的优势互补一下就好了!
MPU6050就是陀螺仪和加速度计的结合升级版,MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件,相较于多组件方案,免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题,减少了大量的封装空间。当连接到三轴磁强计时,MPU-6050提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C端口。
就是说,MPU6050内部内置一个三轴 MEMS 陀螺仪、一个三轴 MEMS 加速度计、一个数字运动处理引擎(DMP),通过配置,它可以精确测量角度的变化,通过DMP处理,可以输出16位的原始数据(16位ADC),然后通过算法得到四元数,再转换为欧拉角,我们就可以根据欧拉角的变化来进一步是小车处于平衡状态!

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