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基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统.doc
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2023-06-30
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基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统.doc
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基于 MPU6050 的 INS 惯性导航和实时姿态检测系统
1. 项目目标及功能说明
1.1 项目目标
学习使用正点原子探索者开发板,并熟悉开发板上的 MPU6050 六轴传感器
的工作原理和各函数的调用过程。同时学习开发板的扩展接口,尝试在开发板上
扩展蓝牙模块,并实现开发板与手机等含有蓝牙模块的电子设备通过蓝牙连接并
进行数据的传输。在完成上述内容的基础上,实现将 MPU6050 六轴传感器的加
速度计和陀螺仪的数据传送到手机上,在手机上实现陀螺仪的变化效果展示。同
时通过串口将 MPU6050 数据传送到电脑上,通过 Matlab 编程处理数据,实现惯
性导航的简单展示。
1.2 系统功能说明
系统最主要的功能有两个:一个是在手机端能够展示开发板上 MPU6050 陀
螺仪的姿态变化,通过一个立方体的转动来表示陀螺仪的转动;另一个是在电脑
端能够读取 MPU6050 的数据,并通过对数据的处理还原数据中存储的 MPU6050
的姿态变化,简单展现出惯性导航的效果。
在实现系统最主要的两个功能过程中,还需要实现一些基础功能。开发板能
够通过蓝牙与手机连接并传输数据;开发板能够通过串口将数据发送出去;在电
脑端能够读取开发板上串口输出的数据等。
2. 需求分析
惯性导航系统用于各种运动机具中,包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工
具及导弹,然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。但是,存在一种情形:
卫星一旦突然因故障、敌方打击或干扰(如太阳风暴)等原因无法提供服务,
这对依赖 GPS、北斗等卫星导航系统作为唯一 PNT(Position、Navigation、Time)
信息来源的系统来说可能是致命的灾难。
作为目前为止卫星导航系统最好的备援——惯性导航系统(INS),将于届时
发挥出巨大的作用,其精度完全可以媲美 GPS 等卫星导航系统。并且它不需要外
部参考就可确定当前位置、方向及速度,从而使它自然地不受外界的干扰和欺骗。
定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺,因此通过
研究新机理、研制新设备、开发新算法,以摆脱人员和系统设备对 GPS 的依赖,
具有极大的战略意义。
姿态监测系统可广泛应用于关键资产姿态变化的无线实时监控。由于目前
移动智能终端设备的数量和质量逐步提升,因此,通过计算机上传统的上位机软
件进行姿态监测,逐渐暴露出了自身的缺点——串口传输无法实现无线监测、计
算机相比智能终端便携性极差。
因此,使用无线传输(蓝牙、红外、WIFI、GSM 等)的技术,开发一款在移
动智能终端可以实时显示物体姿态的应用,具有很高的实用价值和广泛的市场应
用前景。
3. 开发环境
移动终端操作系统: Android 4.4.4 KitKat
计算机操作系统: Windows 8.1 Pro x64
串口开发: MATLAB R2014a
开发板 IDE: Keil uVision5
Android IDE: Eclipse Java EE IDE for Web Developers
Android Development Toolkit 23.0. 4.1468518
4. 项目进展情况
到目前为止,我组已实现了以下功能:
1. STM32F4 开发板上 MPU6050 六轴传感器的数据获取并显示在 LCD 屏幕
上。
2. 在 LCD 屏幕上绘出圆形图案,且圆形图案能根据 MPU6050 六轴传感器
的姿态变化而运动,传感器倾斜角度越大,图案运动速度越快。
3. 扩展蓝牙模块,能通过蓝牙模块与手机连接并进行数据通信。
4. 根据函数提供的帧格式定义数据帧,并通过 USART 接口将数据帧传给 PC
端。
5. 在手机端能根据蓝牙获取的 MPU6050 六轴传感器的陀螺仪数据绘出立
方体,立方体能在可接受的时间延迟内实时展现 MPU6050 的姿态变化
(转动方向和角度)。
6. 在 PC 端能通过对从 USART 接口获取的数据帧进行解析获取 MPU6050
加速度传感器和陀螺仪的数据,并根据数据帧中设置的校验位进行数据
校验。
7. 在 PC 端能根据解析出的加速度传感器和陀螺仪数据,在可接受的误差范
围内还原 MPU6050 的姿态变化(包括位移、转动方向和角度),实现一
个简单的惯性导航系统。
5. 系统设计
5.1 IIC 总线工作原理
5.1.1 总线的构成及信号类型
I2C 总线是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线,可发送和接收数据。
在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送,最高传送速率 100kbps。各
种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能
工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,I2C 总线上
并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决
于它所要完成的功能。CPU 发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码
用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别
(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线
上,却彼此独立,互不相关。
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号,它们分别是:开始信号、结
束信号和应答信号。
开始信号:SCL 为高电平时,SDA 由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
结束信号:SCL 为低电平时,SDA 由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
应答信号:接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后,向发送数据的 IC 发出特定
的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后,等待受控单
元发出一个应答信号,CPU 接收到应答信号后,根据实际情况做出是否继续传递
信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。
这些信号中,开始信号是必须的,结束信号和应答信号都可以不要,IIC 总
线时序图如图 5.1.1-1 所示。
图 5.1-1 IIC 总线时序图
探索者 STM32F4 开发板板载的 EEPROM 芯片型号为 24C02。该芯片的总容
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oligaga
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