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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.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 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 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 数据传送到电脑上通过 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 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 的 数 据 , 并 通 过 对 数 据 的 处 理 还 原 数 据 中 存 储 的
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 、 北 斗 等 卫 星 导 航 系 统 作 为 唯 一
(、、)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(,将于届
时发挥出巨大的作用其精度完全可以媲美 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 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、 、 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 !"#"$%。%。%$&&
计算机操作系统"'$()$#$*%
串口开发 !+!,$-.)%
开发板 /0: &$12
!"#"$/0:034$5$00$/0$6#$$/4#
!"#"$/4$7$.8。。$%)%()(
4. 项目进展情况
到目前为止,我组已实现了以下功能:
) 8. % 开发板上 六轴传感器的数据获取并显示在 +9/ 屏幕
上。
. 在 +9/ 屏幕上绘出圆形图案,且圆形图案能根据 六轴传感器
的姿态变化而运动,传感器倾斜角度越大,图案运动速度越快
8 扩展蓝牙模块能通过蓝牙模块与手机连接并进行数据通信。
% 根据函数提供的帧格式定义数据帧,并通过 !- 接口将数据帧传给
9 端
在手机端能根据蓝牙获取的 六轴传感器的陀螺仪数据绘出立
方体,立方体能在可接受的时间延迟内实时展现 的姿态变化
(转动方向和角度)。
在 9 端能通过对从 !- 接口获取的数据帧进行解析获取 加
速度传感器和陀螺仪的数据,并根据数据帧中设置的校验位进行数据校
验。
: 在 9 端能根据解析出的加速度传感器和陀螺仪数据,在可接受的误差
范围内还原 的姿态变化(包括位移、转动方向和角度),实
现一个简单的惯性导航系统。
5. 系统设计
5.1 IIC 总线工作原理
5.1.1 总线的构成及信号类型
.9 总线是由数据线 /! 和时钟 9+ 构成的串行总线,可发送和接收数据。
在 9 与被控 9 之间、9 与 9 之间进行双向传送,最高传送速率 )74。各
种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才
能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中.9 总线
上并接的每一模块电路既是主控器或被控器,又是发送器(或接收器)这取
决于它所要完成的功能。9 发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地
址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类控制量决定该调整的
类别如对比度、亮度等)及需要调整的量这样,各控制电路虽然挂在同一条总
线上,却彼此独立,互不相关。
.9 总线在传送数据过程中共有三种类型信号,它们分别是:开始信号、结
束信号和应答信号。
开始信号9+ 为高电平时,/! 由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
结束信号:9+ 为低电平时,/! 由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
应答信号接收数据的 9 在接收到 ( 数据后,向发送数据的 9 发出特定
的低电平脉冲,表示已收到数据9 向受控单元发出一个信号后,等待受控单
元发出一个应答信号,9 接收到应答信号后,根据实际情况做出是否继续传
递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。
这些信号中,开始信号是必须的,结束信号和应答信号都可以不要9 总线
时序图如图$。));) 所示。
图5.11IIC 总线时序图
探索者 8. % 开发板板载的 00-< 芯片型号为 .%9.该芯片的总容量
为 . 字节,通过 9 总线与外部连接8. % 开发板有硬件 9,但是设计的
比较复杂,而且稳定性不好,所以我组使用 < 软件模拟 9 来对 .%9. 进行
读写。同时使用软件更具有移植性只要有 < 口,将软件移植过去就能使用模拟
的 9,而硬件必须 9 的支持。
5.1.2 硬件设计
实现模拟 9 需要用到的硬件资源有:串口(!-、<、.%9.
图5.12STM32F4 与 24C02 连接图
我 组 通 过 < 来 模 拟 9.%9. 的 9+ 和 /! 分 别 连 在 <=,( 和
<=,> 上,连接关系如图$)。.?)。
5.2 MPU6050 工作原理
5.2.1 MPU6050 引脚
图5.23MPU6050 结构图
模块外观如图$。.。);. 所示:
图5。24MPU6050 实物图
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