毕设项目分享 基于单片机的姿态检测与可视化系统(源码+硬件+论文)

文章目录1 前言2 设计方案2.1 MPU60502.2 工作原理2.3 单片机与MPU6050通信2.4 mpu6050 数据格式2.5 倾角计算方法3 核心软件设计4 实现效果5 最后1 前言这两年开始毕业设计和毕业答辩的要求和难度不断提升传统的毕设题目缺少创新和亮点往往达不到毕业答辩的要求这两年不断有学弟学妹告诉学长自己做的项目系统达不到老师的要求。为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设学长分享优质毕业设计项目今天要分享的是毕业设计 基于单片机的姿态检测与可视化系统(源码硬件论文)学长这里给一个题目综合评分(每项满分5分)难度系数3分工作量3分创新点5分项目分享:见文末!系统整体框架本系统将由硬件系统和软件系统构成其中硬件系统包含微控制器和IIC总线以及惯性传感器等硬件模块软件系统则包含了下位机主控软件模块、数据采集软件模块、姿态解算软件模块以及上位机可视化软件模块等。其中惯性传感器模块选用MPU6050惯性传感器软件模块方面开发板IDE采用Arduino IDE上位机使用processing平台完成可视化功能的实现。系统整体框架如图2 设计方案2.1 MPU6050MPU6050是一种非常流行的空间运动传感器芯片可以获取器件当前的三个加速度分量和三个旋转角速度。由于其体积小巧功能强大精度较高不仅被广泛应用于工业同时也是航模爱好者的神器被安装在各类飞行器上驰骋蓝天。随着Arduino开发板的普及许多朋友希望能够自己制作基于MPU6050的控制系统但由于缺乏专业知识而难以上手。此外MPU6050的数据是有较大噪音的若不进行滤波会对整个控制系统的精准确带来严重影响。MPU6050芯片内自带了一个数据处理子模块DMP已经内置了滤波算法在许多应用中使用DMP输出的数据已经能够很好的满足要求。关于如何获取DMP的输出数据我将在以后的文章中介绍。本文将直接面对原始测量数据从连线、芯片通信开始一步一步教你如何利用Arduino获取MPU6050的数据并进行卡尔曼滤波最终获得稳定的系统运动状态。2.2 工作原理加速度计采用压电效应的工作原理就像上面的图片一样在一个立方体的盒子里面有一个小球盒子的四壁是用压电晶体材料当盒子倾斜时由于重力的作用球就会向倾斜的方向移动当小球碰到墙壁就会产生压电电流。盒子中有上下、左右、前后三对相对的墙壁每一对墙对应于三维空间中的一个轴X轴、Y轴、Z轴。根据压电壁产生的电流我们就可以确定倾角的方向和大小。2.3 单片机与MPU6050通信这里以arduino单片机为例为避免纠缠于电路细节我们直接使用集成的MPU6050模块。MPU6050的数据接口用的是I2C总线协议因此我们需要Wire程序库的帮助来实现Arduino与MPU6050之间的通信。请先确认你的Arduino编程环境中已安装Wire库。Wire库的官方文档中指出在UNO板子上SDA接口对应的是A4引脚SCL对应的是A5引脚。MPU6050需要5V的电源可由UNO板直接供电。按照下图连线。2.4 mpu6050 数据格式我们感兴趣的数据位于0x3B到0x48这14个字节的寄存器中。这些数据会被动态更新更新频率最高可达1000HZ。下面列出相关寄存器的地址数据的名称。注意每个数据都是2个字节。0x3B加速度计的X轴分量ACC_X0x3D加速度计的Y轴分量ACC_Y0x3F加速度计的Z轴分量ACC_Z0x41当前温度TEMP0x43绕X轴旋转的角速度GYR_X0x45绕Y轴旋转的角速度GYR_Y0x47绕Z轴旋转的角速度GYR_Z2.5 倾角计算方法Roll-pitch-yaw模型与姿态计算表示飞行器当前飞行姿态的一个通用模型就是建立下图所示坐标系并用Roll表示绕X轴的旋转Pitch表示绕Y轴的旋转Yaw表示绕Z轴的旋转。Yaw角的问题因为没有参考量所以无法求出当前的Yaw角的绝对角度只能得到Yaw的变化量也就是角速度GYR_Z。当然我们可以通过对GYR_Z积分的方法来推算当前Yaw角以初始值为准但由于测量精度的问题推算值会发生漂移一段时间后就完全失去意义了。然而在大多数应用中比如无人机只需要获得GRY_Z就可以了。如果必须要获得绝对的Yaw角那么应当选用MPU9250这款九轴运动跟踪芯片它可以提供额外的三轴罗盘数据这样我们就可以根据地球磁场方向来计算Yaw角了具体方法此处不再赘述。3 核心软件设计篇幅有限不过多复述详细设计细节详细的设计分享在论文中。。。关键代码// 本代码版权归Devymex所有以GNU GENERAL PUBLIC LICENSE V3.0发布// http://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.en.html// 相关文档参见作者于知乎专栏发表的原创文章// http://zhuanlan.zhihu.com/devymex/20082486//连线方法//MPU-UNO//VCC-VCC//GND-GND//SCL-A5//SDA-A4//INT-2 (Optional)#includeKalman.h#includeWire.h#includeMath.hfloatfRad2Deg57.295779513f;//将弧度转为角度的乘数constintMPU0x68;//MPU-6050的I2C地址constintnValCnt7;//一次读取寄存器的数量constintnCalibTimes1000;//校准时读数的次数intcalibData[nValCnt];//校准数据unsignedlongnLastTime0;//上一次读数的时间floatfLastRoll0.0f;//上一次滤波得到的Roll角floatfLastPitch0.0f;//上一次滤波得到的Pitch角Kalman kalmanRoll;//Roll角滤波器Kalman kalmanPitch;//Pitch角滤波器voidsetup(){Serial.begin(9600);//初始化串口指定波特率Wire.begin();//初始化Wire库WriteMPUReg(0x6B,0);//启动MPU6050设备Calibration();//执行校准nLastTimemicros();//记录当前时间}voidloop(){intreadouts[nValCnt];ReadAccGyr(readouts);//读出测量值floatrealVals[7];Rectify(readouts,realVals);//根据校准的偏移量进行纠正//计算加速度向量的模长均以g为单位floatfNormsqrt(realVals[0]*realVals[0]realVals[1]*realVals[1]realVals[2]*realVals[2]);floatfRollGetRoll(realVals,fNorm);//计算Roll角if(realVals[1]0){fRoll-fRoll;}floatfPitchGetPitch(realVals,fNorm);//计算Pitch角if(realVals[0]0){fPitch-fPitch;}//计算两次测量的时间间隔dt以秒为单位unsignedlongnCurTimemicros();floatdt(double)(nCurTime-nLastTime)/1000000.0;//对Roll角和Pitch角进行卡尔曼滤波floatfNewRollkalmanRoll.getAngle(fRoll,realVals[4],dt);floatfNewPitchkalmanPitch.getAngle(fPitch,realVals[5],dt);//跟据滤波值计算角度速floatfRollRate(fNewRoll-fLastRoll)/dt;floatfPitchRate(fNewPitch-fLastPitch)/dt;//更新Roll角和Pitch角fLastRollfNewRoll;fLastPitchfNewPitch;//更新本次测的时间nLastTimenCurTime;//向串口打印输出Roll角和Pitch角运行时在Arduino的串口监视器中查看Serial.print(Roll:);Serial.print(fNewRoll);Serial.print(();Serial.print(fRollRate);Serial.print(),\tPitch:);Serial.print(fNewPitch);Serial.print(();Serial.print(fPitchRate);Serial.print()\n);delay(10);}//向MPU6050写入一个字节的数据//指定寄存器地址与一个字节的值voidWriteMPUReg(intnReg,unsignedcharnVal){Wire.beginTransmission(MPU);Wire.write(nReg);Wire.write(nVal);Wire.endTransmission(true);}//从MPU6050读出一个字节的数据//指定寄存器地址返回读出的值unsignedcharReadMPUReg(intnReg){Wire.beginTransmission(MPU);Wire.write(nReg);Wire.requestFrom(MPU,1,true);Wire.endTransmission(true);returnWire.read();}//从MPU6050读出加速度计三个分量、温度和三个角速度计//保存在指定的数组中voidReadAccGyr(int*pVals){Wire.beginTransmission(MPU);Wire.write(0x3B);Wire.requestFrom(MPU,nValCnt*2,true);Wire.endTransmission(true);for(longi0;inValCnt;i){pVals[i]Wire.read()8|Wire.read();}}//对大量读数进行统计校准平均偏移量voidCalibration(){floatvalSums[7]{0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0f,0.0};//先求和for(inti0;inCalibTimes;i){intmpuVals[nValCnt];ReadAccGyr(mpuVals);for(intj0;jnValCnt;j){valSums[j]mpuVals[j];}}//再求平均for(inti0;inValCnt;i){calibData[i]int(valSums[i]/nCalibTimes);}calibData[2]16384;//设芯片Z轴竖直向下设定静态工作点。}//算得Roll角。算法见文档。floatGetRoll(float*pRealVals,floatfNorm){floatfNormXZsqrt(pRealVals[0]*pRealVals[0]pRealVals[2]*pRealVals[2]);floatfCosfNormXZ/fNorm;returnacos(fCos)*fRad2Deg;}//算得Pitch角。算法见文档。floatGetPitch(float*pRealVals,floatfNorm){floatfNormYZsqrt(pRealVals[1]*pRealVals[1]pRealVals[2]*pRealVals[2]);floatfCosfNormYZ/fNorm;returnacos(fCos)*fRad2Deg;}//对读数进行纠正消除偏移并转换为物理量。公式见文档。voidRectify(int*pReadout,float*pRealVals){for(inti0;i3;i){pRealVals[i](float)(pReadout[i]-calibData[i])/16384.0f;}pRealVals[3]pReadout[3]/340.0f36.53;for(inti4;i7;i){pRealVals[i](float)(pReadout[i]-calibData[i])/131.0f;}}4 实现效果硬件装置展示姿态检测系统测试将硬件通过数据线接入电脑usb口后启动上位机并运行可视化文件。装置位置和上位机三维演示如图所示。演示视频毕业设计 基于单片机的姿态检测与可视化系统 - 嵌入式 物联网5 最后包含内容包含完整详细的设计论文项目分享:见文末!