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微机电陀螺仪这一电子元件的工作原理 发布时间:2020-05-11 浏览量:3345次

微机电陀螺仪,属于微机电运动传感器,类似的还有加速度仪、电子罗盘、电子气压计等,都可以方便地测量物体的转速、直线加速度、周围磁场强度和大气压力等状态,具有体积小、功耗低、价格便宜等特点,被广泛应用于需要测量物体运动状态的场合,如智能手机、体感游戏机、无人机等。

笼统来说,微机电陀螺仪集微机械、微电路于一体,按目标功能将各种物理原理有效集成并精确实现。接下来从应用的角度简单介绍用6轴微机电陀螺仪数据生成姿态角参数的过程。涉及到许多理论知识,但用单片机实现不太复杂,仅需要一个单片机和一个六轴传感器。

微机电陀螺仪

姿态角,包含航向角(Yaw)、俯仰角(Pitch)、滚转角(Roll)。选定一个参考系后,就可以用航向、俯仰、滚转三个夹角来表示刚体的姿态信息,也称为欧拉角表示。刚体从一个姿态定点变换到另外一个姿态,可以通过欧拉角的变化量计算出来,也可以通过旋转四元数来表示(Normalized Quaternions,x=a+bi+cj+dk,其中i、j、k表示三个虚数单位,a、b、c、d为实数,i^2=j^2=k^2=ijk=-1且ij=k、jk=i、ki=j,且x的模为1),即以某单位矢量为轴和方向,转过一个角度来实现。这样就把四元数和欧拉角联系起来了。那么,为什么要用四元数呢?

因为用程序来实现它的更新比较方便,在单片机里面实现三角运算是比较复杂的。要得到姿态角,就要得到四元数。四元数被初始化之后,会用由微机电陀螺仪采集来的角速度值和重力加速度值采用一定算法来融合更新,如重力修正、互补滤波、毕卡算法等。由于不同传感器的采样频率不同,作用也不一样,所以都需要乘以各自的系数。

在使用这些微机电陀螺仪传过来的数值之前,还可以采用各种滤波算法,比如EFK滤波,来平滑和预测采样数据。经过这些过程之后,就可以用更新的四元数来计算姿态角了,这个地方会用到反三角函数。在实际操作中,为防止因MCU计算的误差累计,在最后还要对四元数归一化。

微机电陀螺仪数据传输处理.jpg

至此,已得到了最新的姿态角,可进一步通过图形化界面将姿态信息展示出来以验证和调试参数,也可根据姿态角进行下一步的控制操作,比如作为PID算法的反馈量来调节自动平衡系统,如飞行器、云台、平衡车的平衡控制等等。虽然整个过程的代码量不会很大,但是涉及到了很多知识,比如:EFK就涉及到概率与数理统计、矩阵运算、泰勒展开等等。

微机电陀螺仪一般会在数据手册中标注其最大机械、电气承受限值,超过极限值往往会导致器件的损坏(这个值一般比较大)。另外,通常微机电陀螺仪也是由I2C和SPI这样的通信接口与外界通信的,通过配置其寄存器进行相应的操作。如果配置不当或者通信错误的话,也很容易导致其无法正常工作。有些微机电运动传感器,比如电子罗盘,会对其周围的电磁环境有较高的要求,因为其采集的信号是很微弱的地磁。


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