Визначення кута нахилу приладу до горизонту з використанням вимірювальної системи на основі мікроелектромеханічного сенсора MPU6050

Abstract

У теперішній час широке розповсюдження отримали мікроелектромеханічні системи. Яскравими прикладами мікроелектромеханічної системи є акселерометри та гіроскопи. В даній статі розглядається можливість використання вимірювальної системи на основі мікроелектромеханічного сенсорного модуля MPU6050 для визначення кута нахилу приладу по відношенню до горизонту. Даний модуль може використовуватись для цифрового рівня, в різних пристроях для стабілізації положення, для визначення швидкості нахилу і т.і. Основною перевагою мікроелектромеханічного сенсору MPU6050 перед всіма іншими є його дешевизна і широкі можливості вимірювання величин, дані з якого отримуються у цифрових значеннях. MPU6050 дозволяє вимірювати прискорення та частоту обертання, і можливість прямого вимірювання кута нахилу відсутня. Для вимірювання ж кута нахилу використовується «побічна дія», через яку змінюється значення прискорення вільного падіння при зміні кута нахилу до горизонту. Основною проблемою при використанні зазначеного модуля, є те, що покази мають сильний шум, що обмежує його можливість використання для точних вимірів та при необхідності отримання результатів вимірювань при великих швидкостях руху. Але використовуючи математичну обробку результатів вимірювань стає можливим отримувати статичні значення з точністю до 0.05 градуси, що дозволяє ставити сенсор MPU6050 в один ряд з іншими сенсорами призначеними для вимірювання кута нахилу. Наведена авторами методика обробки дозволяє значно знизити цифровий шум, що виникає при статичному положенні сенсору. Зниження цифрового шуму стало можливим завдяки тому, що мікроелектромеханічний сенсор MPU6050 дозволяє вимірювати кутову швидкість, відповідно кут нахилу по відношенню до горизонту не може змінюватись при статичному положенні сенсору, тобто коли кутова швидкість навколо відповідної вісі дорівнює нулю. І навпаки коли з’являється кутова швидкість, то відповідно і з’являється зміна кута нахилу сенсору, більш того чим більше значення кутової швидкості, тим швидше мають змінюватись значення кута нахилу, що і враховано в математичній моделі розрахунку кута нахилу.

At present time microelectromechanical systems have become widely used. Accelerometers and gyroscopes are prominent examples of a microelectromechanical system. In this article we consider the possibility of using a measuring system based on the microelectromechanical sensor module MPU6050 for determination the angle of device inclination relative to the horizon. This module can be used for the digital protractors, in various devices to stabilize the position, to determine the speed of inclination, etc. The main advantage of the microelectromechanical sensor MPU6050 over all others sensors are its low cost and wide possibilities of parameters measurement, as well as the possibility to obtain digital data output. The MPU6050 allows to measure acceleration and rotation speed, however the ability of direct measurement of the inclination angle is not provided. To measure the inclination angle a "side effect" is used, which changes the value of the acceleration of free fall when changing the inclination angle relative to the horizon. The main problem related to application of this module is a strong noise in output values. This limits the ability of using of this sensor for accurate measurements and measurements at high movement speeds. But using of mathematical processing of measurement results makes it possible to obtain static values with an accuracy of 0.05 degrees, which allows using the MPU6050 sensor analogously to other sensors designed for measurement of the inclination angle. The processing technique given by the authors allows to significantly reduce the digital noise that occurs when the sensor is in a static po sition. The reduction of digital noise is achieved due to the fact that the microelectromechanical sensor MPU6050 allows to measure the angular velocity, consequently the inclination angle relative to the horizon cannot be changed at static position of the sensor, i.e. when the angular velocity around the axis is equal to zero. Conversely, when the angular velocity is not equal to zero, the inclination angle of the sensor changes. Moreover, the greater the value of the angular velocity leads to the faster change the of inclination angle values, this phenomenon is taken into account in the mathematical model of inclination angle calculation.