刘晓敏,赵云伟,刘洪波
(北华大学 工程训练中心,吉林 吉林 132021)
Mpu-6050型6轴运动传感器角速度标定实验研究
刘晓敏,赵云伟*,刘洪波
(北华大学 工程训练中心,吉林 吉林 132021)
摘要:为了获得Mpu-6050型6轴运动传感器的三轴角速度性能,在自制的传感器标定实验装置上,利用伺服电机进行了传感器标定实验.获得了传感器角速度测量值与采样值的关系及测量范围.并进行了线性拟合,建立了传感器输出角速度的经验公式,为该传感器在气动柔性机械手中的应用奠定了基础.
关键词:六轴传感器;伺服电机;角速度
随着电子技术的发展,运动传感器被广泛应用于航空航天、航海、军事和通讯等多个领域[1-3].近年来很多学者都对运动传感器理论模型建立和标定方法进行了研究[4-5].达姆施塔特工业大学Eric Sarke等人提出了一种便捷、简易的陀螺仪数字网络和参数化巡航理论模型.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室提出了一种新的高精度的线结构光传感器标定方法,对可见光和不可见光的场合均适用[6].石炳存等人采用万用表和虚拟仪器在线的方法对称重传感器进行了标定,验证使用环境对标定结果的影响[7].
四川大学结合软件开发及应用实际,提出一套基于PC机的通用传感器标定软件构架,针对不同类型、不同特性、不同用途的传感器,软件可以给出针对该传感器对应的最佳拟合算法,从而获得最佳测量精度[8].北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室针对现有线结构光视觉传感器标定方法存在的局限性,提出一种不需要求解光平面标定点的标定方法[9].王金桥等人提出了一种线结构光扫描传感器结构参数一体化现场标定的新方法,建立了线结构光扫描传感器的数学模型[10].
Mpu-6050型6轴运动传感器可准确追踪快速与慢速动作,适用于智能型手机、平板装置设备、手持型游戏产品、游戏机 、3D遥控器、可携式导航设备.为了获得Mpu-6050型6轴运动传感器的三轴角速度性能,本文设计了一种新的高精度的标定方法.
1陀螺仪工作原理
Mpu-6050 6轴运动传感器实物图,如图1所示.主要由3轴陀螺仪、3轴加速器和数字运动处理器组成,可以测x、y和z三轴的角速度和角加速度如图2所示,测量范围±2 000°/s.
图1 Mpu-6050 6轴运动传感器
图2 运动方向
2实验与分析
图3为自制的传感器标定实验装置.该装置主要由西门子802D伺服电机、单片机和Mpu-6050 6轴运动传感器组成.其标定实验原理图,如图4所示.传感器通过支架安装在伺服电机上,随着电机运动,传感器将测得的数据经由单片机进行采集后上传到计算机.传感器工作电压为5 V,伺服电机输出转速为0.05 r/s-3 r/s,单片机采样频率为10 Hz.
图3 标定实验装置
图4 实验原理图
由于MPU6050陀螺仪的X、Y、Z三轴性能基本相同,以Z轴为例进行标定.在不同转速下,通过单片机采集的陀螺仪输出电压信号的采样值,如图5所示.
采样数/k(a)n= 3 r/s
采样数/k(b)n=0.5 r/s
采样数/k(c)n=0.05 r/s
采样数/k(d)n=0.005 r/s图5 Z轴角速度采样值
从图中可知,当转速小于0.05 r/s时,采样值大幅跳动失真,陀螺仪测量不准失效.可得MPU6050的陀螺仪的角速度可测量范围是:0.01~3 r/s,即每秒3.6~1 080°.
根据采样点的数目取平均值,可得陀螺仪输出电压值随电机转速的变化,如图6所示.由图中可知,陀螺仪测得的传感器角速度与输出的电压值呈线性变化.
电压值/V图6 Z轴角速度不同采集精度值对比
由测得的实验数据,经拟合可以得到陀螺仪的输出的角速度与采样值方程为:
y=3.8768x+1.1961
式中,x为陀螺仪输出电压值.
3结论
本文设计了搭建了传感器标定装置,进行了不同转速下运动传感器的标定实验,获得了传感器角速度测量值与采样值的关系.传感器测量范围每秒3.6~2 000°,当角速度低于0.05 r/s,会出现较大偏差.实验结果表明,传感器输出电压值线性较好,拟合的公式可以准确的描述传感器在不同转速下的角速度特性.
参考文献:
[1]Chao Shen,Shichao Pei,Zhenyu Yang,et al.Input extraction via motion-sensor behavior analysis on smartphones[J].Computers & Security,2015,53:143-155.
[2]Tsolmonbaatar Khurelbaatar,Kyungsoo Kim,SuKyoung Lee,et al.Consistent accuracy in whole-body joint kinetics during gait using wearable inertial motion sensors and in-shoe pressuresensors[J].Gait & Posture,2015,42 (1):65-69.
[3]施云贵.基于SCA103T实现的高精度倾角检测系统设计[J].吉林化工学院学报,2008,25(3):68-70.
[4]Eric Starke,Uwe Marschner.Lumped Circuit Model for Gyro Sensors Incorporating Coriolis and Centrifugal Force[J].Procedia Engineering,2014,87:432-435.
[5]胡放鸣.一种交流接触器触头参数自动测量系统[J].吉林化工学院学报,2001,18(3):57-61.
[6]刘凤梅,段发阶,叶声华.一种新的高精度的线结构光传感器标定方法[J].天津大学学报,2009,32(5):548-550.
[7]石炳存,王源水.标定方法对称重传感器标定的影响[J].宁夏工程技术,2005,4(3):251-252.
[8]何 刚,李晋川,黄学进,等.通用传感器标定软件设计与实现[J].实验科学与技术,2009,7(3):37-39.
[9]刘震,张广军,魏振忠,等.一种高精度线结构光视觉传感器现场标定方法[J].光学学报,2009,29(11):3124-3128.
[10]王金桥,段发阶,伯恩,等.线结构光扫描传感器结构参数一体化标定[J].传感技术学报,2014,27(9):251-252.
Experimental Study on Angular Velocity Calibration of
Mpu-6050 6-axis Motion Sensor
LIU Xiao-min,ZHAO Yun-wei*,LIU Hong-bo
(Engineering Training Center,Beihua University,Jilin City 132021,China)
Abstract:To get the tri-axial angular velocity performance of the Mpu-6050 6-axis motion sensor,the sensor calibration experiments are done on the self-made sensor calibration experiment apparatus by the servo motor.The angular velocity measurements of sensor and samples are acquired and then they are linear fitted.Furthermore,the empirical figure of angular velocity is established which laid a good foundation for application of flexible pneumatic robot hand.
Key words:6-axis motion sensor;servo motor;angular velocity
中图分类号:TH 138.5
文献标志码:A DOI:10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.010