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陀螺仪和加速计的简要说明资料精要.pptx

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介绍加速度计和陀螺仪的数学模型和基本算法;1.概述 2.加速度计 3.陀螺仪 4.加速度计和陀螺仪两者融合;1.概述 本文向大家介绍惯性MEMS(微机电系统)传感器,特别是加速度计 和陀螺仪以及其他整合IMU(惯性测量单元)设备。 加速度计检测什么? 陀螺仪检测什么? 如何将传感器ADC读取的数据转换为物理单位? 如何结合加速度传感器和陀螺仪的数据以得到设备和地平面之间的 倾角的准确信息? 本文的数学运算尽量减少到最少,大家只需知道一些数学三角函数的 基本知识,就能理解本文的中心思想。总有一些人认为IMU需要复杂的 数学运算(复杂的FIR或IIR滤波,如卡尔曼滤波,Parks-McClellan滤波 等),其实一些很简单的数学也能解决问题,越简单越可靠,另外一些 嵌入式设备并不具备能力去解决复杂的矩阵运算。 本文利用Acc Gyro + gyro imu 作为例子。 ;加速度计; 到目前为止,我们已经分析了单轴的加速度计输出,这是使用单轴加速度计所能 得到的,三轴加速度计的真正价值在于它们能够检测全部三个轴的惯性力。让我们 回到盒子模型,并将盒子向右旋转45度。现在球会与两个面接触:Z-和X-,见下图:; 在上一个模型中我们引入了重力并旋转了盒子。在最后的两个例子中我们分析了盒子在两种情况下的输出值,力矢量保持不变。虽然这有助于理解加速度计是怎么和外部力相互作用的,但如果我们将坐标系换为加速度的三个轴并想象矢量力在周围旋转,这会更方便计算。见下图:; 矢量R是加速度计所检测的矢量(它可能是重力或上面例子中惯性力的合成)。 RX,RY,RZ是矢量R在X,Y,Z上的投影。请注意下列关系: R ^ 2 = RX ^ 2 + RY ^ 2 + RZ ^ 2(公式1) 此公式等价于三维空间的勾股定理。 经过一大段的理论序言后,我们和实际的加速度计很靠近了。 RX,RY,RZ值是实际中加速度计输出的线性相关值,你可以用它们进行各种计算。在我们运用它之前我们先讨论一点获取加速度计数据的方法。 1.数字加速度计:通过I2C,SPI或USART方式获取信息 2.模拟加速度计:输出是一个在预定范围内的电压值,你需要用ADC(模拟量转数字量)模块将其转换为数字值。有些MCU具有内置ADC模块,而有些则需要外部电路进行ADC转换。例如一个10位ADC模块的输出值范围在0 .. 1023间,请注意,1023 = 2 ^ 10 -1。 接下来,通过具体例子来阐述ADC转换。 ; 假设我们从10位ADC模块得到了以下的三个轴的数据,为了简单起见,只写了x轴的,AdcRx = 586 , ① 每个ADC模块都有一个参考电压,假设在我们的例子④中,它是3.3V。要将一个10位的ADC值转成电压值,我们使用下列公式: VoltsRx = AdcRx * VREF / 1023 ② 所以,可得VoltsRx = 586 * 3.3 / 1023 =~1.89V(结果取两位小数) 每个加速度计都有一个零加速度的电压值,这个电压值对应于加速度为0g,通过计算相对0g电压的偏移量我们可以得到一个有符号的电压值。 比如说,0g电压值 VzeroG= 1.65V。 DeltaVoltsRx = 1.89V - 1.65V = 0.24V ③ 我们只得到了加速度的电压值,还需转化为加速度,这时候就要知道灵敏度的值,取为?Sensitivity= 478.5mV / g = 0.4785V /g。 所以 RX = DeltaVoltsRx /Sensitivity RX = 0.24V / 0.4785V / G =~0.5g ④ 最后,我们结合以上四个公式(总要把它整合一下吧) Rx = (AdcRx * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity ⑤ ; ; ;陀螺仪部分;在由Rxz和Rz组成的直角三角形中,运用勾股定理可得: Rxz^2 = Rx^2 + Rz^2 ,同样: Ryz^2 = Ry^2 + Rz^2 同时注意: R^2 = Rxz^2 + Ry^2 ,这个公式可以

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