01姿態(tài)傳感器原理

1、姿態(tài)傳感器目錄0自我介紹1無人機(jī)為什么能飛2無人機(jī)如何設(shè)計(jì)3無人機(jī)功能開發(fā)MPU6050 飛控核心上板載了TDK公司的姿態(tài)傳感器MPU6050，來采集飛行過程中的姿態(tài)，以便作出實(shí)時的電機(jī)控制。 要想知道姿態(tài)傳感器MPU6050的工作原理，需要首先了解兩個傳感器：陀螺儀和加速度計(jì)。陀螺儀 陀螺原理一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。 人們用這個原理來保持方向、指向方向。例如，騎自行車時，輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。 通過讀取軸所指示的方向，再將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)，就能夠讀取相關(guān)角度。 陀螺儀內(nèi)部有一個陀螺，它的軸由于陀螺效應(yīng)始終與初始方向平行

2、，可以通過與初始方向的偏差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)方向和角度。 陀螺儀是一個間接測量角度的器件，它測量角度的導(dǎo)數(shù)，即角速度，將角速度對時間積分才能得到角度。陀螺儀陀螺儀 MPU6050內(nèi)部包含一個結(jié)構(gòu)精密、超微小的陀螺。 理論上，陀螺儀是能夠完成姿態(tài)導(dǎo)航任務(wù)的。只需要對3個軸的陀螺儀角速度進(jìn)行積分，會得到3個方向上的旋轉(zhuǎn)角度，也就是姿態(tài)數(shù)據(jù)。 不過，由于誤差、噪聲等存在，對陀螺儀積分并不能夠得到完全準(zhǔn)確的姿態(tài)，尤其是運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間以后，積分誤差的累加會讓得到的姿態(tài)和實(shí)際的相差甚遠(yuǎn)。需要加速度計(jì)加速度計(jì) 加速度計(jì)用來測量靜態(tài)加速度。在飛行器上，就是對重力加速度g的測量和分析。 計(jì)算3軸加速度計(jì)輸出重力加速度在加

3、速度計(jì)所在的機(jī)體坐標(biāo)系3個軸上的分量大小。 從而，可以得到加速度計(jì)所在平面與地面的角度關(guān)系。MPU6050 飛控核心上板載了TDK公司的姿態(tài)傳感器MPU6050，來采集飛行過程中的姿態(tài)，以便作出實(shí)時的電機(jī)控制。 要想知道姿態(tài)傳感器MPU6050的工作原理，需要首先了解兩個傳感器：陀螺儀和加速度計(jì)。MPU6050中用陀螺儀測量角速度，用加速度計(jì)測量加速度MPU6050簡介 MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)以及數(shù)字運(yùn)動處理器 DMP I2C數(shù)字接口 MPU6050對陀螺儀和加速度計(jì)的測量范圍和精度用戶可控 片上集成1024字節(jié)的FIFO 芯片尺寸440.9mm，采用QF

4、N封裝MPU6050簡介加速度計(jì)陀螺儀中斷狀態(tài)寄存器中斷狀態(tài)寄存器FIFOFIFO配置寄存器配置寄存器I2CI2C接口接口MPU6050坐標(biāo)系 MPU6050芯片的坐標(biāo)系這樣定義的：令芯片表面朝向自己，將其表面文字轉(zhuǎn)至正確角度，此時，以芯片內(nèi)部中心為原點(diǎn)，水平向右的為X軸，豎直向上的為Y軸，指向自己的為Z軸 以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，朝向箭頭觀看，順時針旋轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)角度的正方向。I2C是由信號串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時鐘（SCL）組成的雙線接口。一般來說，這些線路是開漏和雙向的。在廣義的I2C接口實(shí)現(xiàn)中，連接的設(shè)備可以是主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備將從設(shè)備地址放在總線上，并且具有匹配地址的從設(shè)備確認(rèn)主設(shè)備。M

5、PU6050作為從設(shè)備與主系統(tǒng)處理器進(jìn)行通信。SDA和SCL線通常需要上拉電阻（4.7k電阻）到VDD。最大總線速度是400 kHz。MPU6050的從機(jī)地址為B110100X，長度為7位。7位地址的LSB位由引腳AD0的邏輯電平?jīng)Q定。這允許兩個MPU6050連接到同一個I2C總線。在此配置中使用時，其中一個設(shè)備的地址應(yīng)為B1101000（AD0引腳為邏輯低電平），另一個的地址應(yīng)為B1101001（AD0引腳為邏輯高電平）。I2C通信協(xié)議開始（S）和停止（P）條件主機(jī)在總線上啟動 START 條件（S）時啟動 I2C 總線通信，總線定義為 SCL 線為高電平時，SDA 線從高電平變?yōu)榈碗娖?。?/p>

6、止條件為在SCL為高電平時，在SDA線路上定義為從低電平到高電平的跳變，如圖4-27所示。I2C 數(shù)據(jù)字節(jié)定義為8位長，每個數(shù)據(jù)傳輸傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒有限制。傳輸?shù)拿總€字節(jié)必須跟一個應(yīng)答（ACK）信號。應(yīng)答信號的時鐘由主器件產(chǎn)生，而接收器通過下拉SDA并在應(yīng)答時鐘脈沖的高電平期間保持低電平來產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)答信號。如果一個從機(jī)處于繁忙狀態(tài)，并且在某個其它任務(wù)執(zhí)行之前不能發(fā)送或接收另一個數(shù)據(jù)字節(jié)，則它可以保持SCL為低電平，從而強(qiáng)制主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。 當(dāng)從設(shè)備準(zhǔn)備好時，正常的數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)，并釋放時鐘線，如圖4-28所示。讀/寫操作在開始與起始條件（S）的通信之后，主機(jī)發(fā)送一個7位從機(jī)地址，然后是第8位（

7、讀/寫位）。 讀/寫位指示主機(jī)是讀取數(shù)據(jù)還是寫入從器件。然后，主機(jī)釋放SDA線并等待來自從設(shè)備的應(yīng)答信號（ACK）。傳輸?shù)拿總€字節(jié)后面都必須有一個應(yīng)答位。為了應(yīng)答，從設(shè)備將SDA線拉低并在SCL線的高電平期間保持低電平。數(shù)據(jù)傳輸始終由具有STOP條件（P）的主機(jī)終止，從而釋放通信線路。但是，主機(jī)可以產(chǎn)生一個重復(fù)的起始條件（Sr），并在不首先產(chǎn)生停止條件（P）的情況下尋址另一個從設(shè)備。SCL為高電平時，SDA線上的低電平至高電平轉(zhuǎn)換定義停止條件。除了啟動和停止條件之外，所有SDA變化都應(yīng)在SCL低電平時進(jìn)行，如圖4-29所示。為了寫入內(nèi)部MPU6050寄存器，主機(jī)發(fā)送開始條件（S），然后是I2C

8、地址和寫入位（0）。在第9個時鐘周期（時鐘為高電平），MPU6050確認(rèn)傳輸。然后主機(jī)把寄存器地址（RA）放在總線上。在MPU6050確認(rèn)接收到寄存器地址后，主機(jī)將寄存器數(shù)據(jù)放到總線上，接著是ACK信號，數(shù)據(jù)傳輸可以由停止條件（P）結(jié)束。為了在最后的ACK信號之后寫入多個字節(jié)，主機(jī)可以繼續(xù)輸出數(shù)據(jù)而不發(fā)送停止信號。在這種情況下，MPU6050自動遞增寄存器地址并將數(shù)據(jù)裝載到適當(dāng)?shù)募拇嫫?。如圖4-30所示，說明了I2C單字節(jié)和雙字節(jié)寫入MPU6050的時序。要讀取內(nèi)部MPU6050寄存器，主機(jī)將發(fā)送一個開始條件，然后是I2C地址和寫入位，然后是要讀取的寄存器地址。主機(jī)收到來自MPU6050的AC

9、K信號后，發(fā)送一個起始信號，隨后是從機(jī)地址和讀取位。結(jié)果，MPU6050發(fā)送一個ACK信號和數(shù)據(jù)。通信以無應(yīng)答（NACK）結(jié)束信號和來自主機(jī)的停止位。定義NACK條件，使得SDA線在第9個時鐘周期保持高電平。 如圖4-31所示，顯示了單字節(jié)和雙字節(jié)讀取序列。螺旋槳升力是如何產(chǎn)生的 伯努利定理簡單說，就是流速大，壓強(qiáng)??；流速?。粔簭?qiáng)大螺旋槳進(jìn)行剖面分析，上表面大于下表面面積單位時間內(nèi)，空氣流經(jīng)下表面的速度大于上表面上下表面產(chǎn)生的壓差使槳葉產(chǎn)生升力。螺旋槳升力是如何產(chǎn)生的螺旋槳升力是如何產(chǎn)生的反扭矩反扭矩六自由度運(yùn)動Z軸X軸Y軸Y軸X軸Z軸六自由度運(yùn)動f1f2f3f4F=mg懸停F=f1+f2+

10、+f3+ +f4下降Ff1+f2+ +f3+ +f4上升Ff1+f2+ +f3+ +f4俯仰Pitchf2、f4不變不變f1上升、上升、f3下降下降滾轉(zhuǎn)Rollf1、f3不變不變f2上升、上升、f4下降下降偏航Y(jié)awf1、f3上升上升f2、f4下降下降旋翼無人機(jī)運(yùn)動本質(zhì)就是控制電機(jī)的速度，相應(yīng)地提高、減慢速度就可以讓無人機(jī)以各種狀態(tài)運(yùn)動起來。飛控電池螺旋槳電機(jī)及控制機(jī)架姿態(tài)采集姿態(tài)控制承載系統(tǒng)動力系統(tǒng)姿態(tài)解算四旋翼無人機(jī)組成第2節(jié) 無人機(jī)如何設(shè)計(jì)外圍硬件設(shè)計(jì)電機(jī)控制有刷電機(jī)換向器有刷電機(jī)原理有刷電機(jī)原理改變電磁鐵的電流方向，電磁鐵原來的N極變?yōu)镾極，而S極變?yōu)镹極。有刷電機(jī)原理換向器外圍硬件設(shè)

11、計(jì)電機(jī)控制無刷電機(jī)電調(diào)無刷電機(jī)原理 無論有刷電機(jī)還是無刷電機(jī)，一般都是由PWM來控制轉(zhuǎn)速的外圍硬件設(shè)計(jì)姿態(tài)采集外圍硬件設(shè)計(jì)姿態(tài)采集 MPU6050芯片，典型的六軸傳感器 I2C總線和處理器連接外圍硬件設(shè)計(jì)高度采集I2C總線外圍硬件設(shè)計(jì)處理器選擇 低功耗 SoC 處理能力強(qiáng) 滿足未來10年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽要求無線通信模塊外圍硬件設(shè)計(jì)飛控軟件開發(fā)第3節(jié) 無人機(jī)功能開發(fā)近兩年電賽分析2018年TI杯B題滅火飛行器2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽A題四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統(tǒng)需要掌握的其它功能電路光流 光流的作用主要是定位 攝像頭采集圖像，光流算法計(jì)算兩幀圖像的位移，實(shí)現(xiàn)定位 配合GPS可以在室外實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的精準(zhǔn)控制 也可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)對無人機(jī)的高精度的定位，實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的控制需要掌握的其