劉曉敏，趙云偉，劉洪波

(北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021)

?

Mpu-6050型6軸運(yùn)動傳感器角速度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究

劉曉敏，趙云偉*，劉洪波

(北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021)

摘要：為了獲得Mpu-6050型6軸運(yùn)動傳感器的三軸角速度性能，在自制的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置上，利用伺服電機(jī)進(jìn)行了傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn).獲得了傳感器角速度測量值與采樣值的關(guān)系及測量范圍.并進(jìn)行了線性擬合，建立了傳感器輸出角速度的經(jīng)驗(yàn)公式，為該傳感器在氣動柔性機(jī)械手中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：六軸傳感器；伺服電機(jī)；角速度

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動傳感器被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、軍事和通訊等多個領(lǐng)域[1-3].近年來很多學(xué)者都對運(yùn)動傳感器理論模型建立和標(biāo)定方法進(jìn)行了研究[4-5].達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)Eric Sarke等人提出了一種便捷、簡易的陀螺儀數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)化巡航理論模型.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種新的高精度的線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定方法，對可見光和不可見光的場合均適用[6].石炳存等人采用萬用表和虛擬儀器在線的方法對稱重傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，驗(yàn)證使用環(huán)境對標(biāo)定結(jié)果的影響[7].

四川大學(xué)結(jié)合軟件開發(fā)及應(yīng)用實(shí)際,提出一套基于PC機(jī)的通用傳感器標(biāo)定軟件構(gòu)架,針對不同類型、不同特性、不同用途的傳感器,軟件可以給出針對該傳感器對應(yīng)的最佳擬合算法,從而獲得最佳測量精度[8].北京航空航天大學(xué)精密光機(jī)電一體化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對現(xiàn)有線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定方法存在的局限性,提出一種不需要求解光平面標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)定方法[9].王金橋等人提出了一種線結(jié)構(gòu)光掃描傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)一體化現(xiàn)場標(biāo)定的新方法，建立了線結(jié)構(gòu)光掃描傳感器的數(shù)學(xué)模型[10].

Mpu-6050型6軸運(yùn)動傳感器可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，適用于智能型手機(jī)、平板裝置設(shè)備、手持型游戲產(chǎn)品、游戲機(jī) 、3D遙控器、可攜式導(dǎo)航設(shè)備.為了獲得Mpu-6050型6軸運(yùn)動傳感器的三軸角速度性能，本文設(shè)計(jì)了一種新的高精度的標(biāo)定方法.

1陀螺儀工作原理

Mpu-6050 6軸運(yùn)動傳感器實(shí)物圖，如圖1所示.主要由3軸陀螺儀、3軸加速器和數(shù)字運(yùn)動處理器組成，可以測x、y和z三軸的角速度和角加速度如圖2所示，測量范圍±2 000°/s.

圖1　Mpu-6050 6軸運(yùn)動傳感器

圖2　運(yùn)動方向

2實(shí)驗(yàn)與分析

圖3為自制的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置主要由西門子802D伺服電機(jī)、單片機(jī)和Mpu-6050 6軸運(yùn)動傳感器組成.其標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原理圖，如圖4所示.傳感器通過支架安裝在伺服電機(jī)上，隨著電機(jī)運(yùn)動，傳感器將測得的數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行采集后上傳到計(jì)算機(jī).傳感器工作電壓為5 V，伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為0.05 r/s-3 r/s，單片機(jī)采樣頻率為10 Hz.

圖3　標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置

圖4　實(shí)驗(yàn)原理圖

由于MPU6050陀螺儀的X、Y、Z三軸性能基本相同，以Z軸為例進(jìn)行標(biāo)定.在不同轉(zhuǎn)速下，通過單片機(jī)采集的陀螺儀輸出電壓信號的采樣值，如圖5所示.

采樣數(shù)/k(a)n= 3 r/s

采樣數(shù)/k(b)n=0.5 r/s

采樣數(shù)/k(c)n=0.05 r/s

采樣數(shù)/k(d)n=0.005 r/s圖5　Z軸角速度采樣值

從圖中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于0.05 r/s時，采樣值大幅跳動失真，陀螺儀測量不準(zhǔn)失效.可得MPU6050的陀螺儀的角速度可測量范圍是：0.01～3 r/s，即每秒3.6～1 080°.

根據(jù)采樣點(diǎn)的數(shù)目取平均值，可得陀螺儀輸出電壓值隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，如圖6所示.由圖中可知，陀螺儀測得的傳感器角速度與輸出的電壓值呈線性變化.

電壓值/V圖6　Z軸角速度不同采集精度值對比

由測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合可以得到陀螺儀的輸出的角速度與采樣值方程為：

y=3.8768x+1.1961

式中，x為陀螺儀輸出電壓值.

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了搭建了傳感器標(biāo)定裝置，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)動傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得了傳感器角速度測量值與采樣值的關(guān)系.傳感器測量范圍每秒3.6～2 000°，當(dāng)角速度低于0.05 r/s，會出現(xiàn)較大偏差.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器輸出電壓值線性較好，擬合的公式可以準(zhǔn)確的描述傳感器在不同轉(zhuǎn)速下的角速度特性.

參考文獻(xiàn)：

[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]施云貴.基于SCA103T實(shí)現(xiàn)的高精度傾角檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,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]胡放鳴.一種交流接觸器觸頭參數(shù)自動測量系統(tǒng)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2001,18(3):57-61.

[6]劉鳳梅,段發(fā)階,葉聲華.一種新的高精度的線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定方法[J].天津大學(xué)學(xué)報,2009,32(5):548-550.

[7]石炳存，王源水.標(biāo)定方法對稱重傳感器標(biāo)定的影響[J].寧夏工程技術(shù),2005,4(3):251-252.

[8]何 剛,李晉川,黃學(xué)進(jìn),等.通用傳感器標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2009,7(3):37-39.

[9]劉震,張廣軍,魏振忠,等.一種高精度線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器現(xiàn)場標(biāo)定方法[J].光學(xué)學(xué)報,2009,29(11):3124-3128.

[10]王金橋,段發(fā)階,伯恩,等.線結(jié)構(gòu)光掃描傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)一體化標(biāo)定[J].傳感技術(shù)學(xué)報,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

中圖分類號：TH 138.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.010