一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置制造方法及图纸

技术编号:18458214 阅读:82 留言:0更新日期:2018-07-18 12:28
本发明专利技术公开了一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置,该装置包括以下内容:搭建特定的定位装置,其中包括有悬挂传动装置、碳素管、传感器MPU6050等部件,并搭建其数学模型。得出数学模型后,将定位平面分为4个区间以解决定位死角问题。通过传感器MPU6050获取角速度与加速度信息并运用已知的四元数算法解算出横滚角与偏航角。得出角度值后,判定定位点所在区间,再通过归一化算法将定位点的倾角值归一化到区间一中。最后通过前面数学建模得出的解算公式算出当前定位点所处位置的极坐标值,完成一次定位。该装置可作为过程控制中平面定位的反馈环节,也可作为一种新的手写输入工具。

A high precision plane partition location device based on MPU6050

The invention discloses a high precision plane partition positioning device based on MPU6050, which includes the following contents: setting up a specific positioning device, including a suspension drive, a carbon tube, a sensor MPU6050 and so on, and building a mathematical model. After obtaining the mathematical model, the positioning plane is divided into 4 intervals to solve the dead angle problem. The angular velocity and acceleration information are obtained through the sensor MPU6050, and the roll angle and yaw angle are solved by using the known four element algorithm. After the angle value is obtained, the location of the locating point is determined, and then the dip angle of the positioning point is normalized to the interval one by normalization algorithm. Finally, the polar coordinates of the location of the location point are calculated by the solution formula obtained from the previous mathematical modeling, and a single location is completed. The device can be used as feedback link for plane positioning in process control, and can also be used as a new handwriting input tool.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置
本专利技术属于过程控制平面定位领域,尤其涉及一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置。
技术介绍
随着现代自动化科技的发展,传统工业正逐步向自动化工业转型,其生产水平正不断提高,平面定位技术已经成为工业产品生产与开发过程中的一个举足轻重的关键技术,其广泛应用于工业生产的过程控制中,其中包括机床定位、计算机硬盘定位系统、纺织业、自动焊锡等。平面定位还可以作为很多数码设备的控制端,包括遥控器,鼠标等。目前,国内在平面定位技术的研究上还存在许多不足,包括定位系统的体积过大、结构过于复杂、价格过于昂贵等问题,这使得平面定位装置的推广受到了极大的限制。而使用MPU6050作为状态传感器所搭建的平面定位装置能够提供精确的定位信息,具有结构简单、价格便宜、定位精确及开发推广等优势,能够将其作为大部分平面控制系统的一个闭环反馈环节,比如机器手。另一方面,作为数码设置的控制输入端,该平面定位装置也可以设计为一种新的电子手写输入工具。
技术实现思路
本专利技术使用MPU6050三轴加速度陀螺仪作为姿态传感器,利用卡尔曼滤波处理采集的数据,在特定的装置上,通过建立空间几何模型并对模型进行几何运算以及区间划分,设计一种高精度的平面定位装置。本专利技术所采取的技术方案如下:(1)搭建机械结构。如图1所示,该平面定位装置采用万向节将一根硬质碳素管与悬挂固定点连接在一起。在碳素管上任意位置安装一个MPU6050传感器,传感器平面与定位平面保持平行。在碳素管末端安装低功率红点激光笔,其投射点作为定位点的标识,投射点投射于定位平面上,通过摆动碳素管可移动定位点到定位平面的特定位置,MPU6050将采集的位置数据通过IIC协议传输到STM32系统中进行定位处理,并将定位信息传输到上位机进行显示。(2)搭建系统的数学模型,初步设计平面定位算法。该系统模型如图2所示,其中∠OAB与∠OAC为MPU6050输入量经四元数解算后的姿态角。直线AO为固定值(实际悬挂点到地面的高度)。则在△AOB中,有OB=AO×tan(∠OAB),在三角形AOC中,有OC=AO×tan(∠OAC),由于OB=CD,故有则可得出∠DOC=arctan(DC/OC),由此便得出点D的极坐标(OD,∠DOC)。(3)处理死角问题,引入区间变量。由于函数f=arctan(x)的值域不包含90°和270°,当定位点接近90°和270°时,(DC/OC)将趋于无穷大,计算机系统无法处理这么大的数据,这会使得定位区域内存在死角。为了解决这个问题,我们把整个平面区域划分为四个部分,并在极坐标值中引入一个新的变量i来表示定位点所在区间,此时平面中某一点的定位坐标为(i,ρ,θ),其中-45°≤θ<45°。如图3(a)所示,我们人为的在该定位平面上设定两个0°线,一个为系统的0°线,一个为定位区间极坐标的0°线。由(1)推导可以精确地计算出-45°至45°范围内所有点的定位值,将此区间划分为区间1,在这个区间上的点坐标表示为(1,ρ,θ)。当定位区间为45°到135°时,把系统的0°线移动到90°处,如图3(b)所示,此时计算机系统把定位平面的90°线视为系统的0°线。那么对45°至135°的定位将代替为对315°至45°的定位,把此区间设为区间2,并将定位信息更改为(2,ρ,θ)。依此类推,定位区间3的范围为135°到225°,定位信息为(3,ρ,θ);定位区间4的范围为225°到315°,定位信息为(4,ρ,θ)。这样一来便解决了死角问题,实现了平面无死角的精确定位。附图说明图1为模型构造图图2为定位系统在一个区间内的数学模型图3为区间划分图图4定位系统流程图具体实施方式下面用基于MPU6050的高精度平面定位装置的实时手写输入设备作为实例,并结合附图对本专利技术进行详细的描述,具体实施方式如下步骤:步骤一:通过STM32初始化MPU6050,通过IIC协议读取MPU6050传感器的加速度与角速度信息,为了提高系统的稳定性,减少系统误差,我们引入了卡尔曼滤波来处理MPU6050的初始信息,以减少因温漂、震动等干扰对系统带来的影响。步骤二:MPU6050读取的初始信息分别为三个轴的角速度以及加速度,而我们最终要得到的是x轴与y轴的角度值,在此运用目前已有四元数算法解算姿态角,四元数是由一个实数加上三个元素i、j、k组成,四元数一般可表示为a+bi+cj+dk,且a2+b2+c2+d2=1。假设刚体坐标系为b系,地理坐标系为R系,则地理坐标系R到刚体坐标系b的坐标变换为:四元数转换成欧拉角的变换式为:θ=arcsin(2(q0q2-q1q3))(6)将三轴角速度及加速度作为输入便可得出MPU6050的俯仰角(pitch)和横滚角(roll)以及偏航角(yaw)。而该平面定位系统只涉及MPU6050的横滚与俯仰运动而不涉及其自身的旋转,故不需要偏航角。步骤三:初始化系统零点,得到俯仰角(pitch)和横滚角(roll)之后,为了使定位更加精确,我们将系统初始位置所在的定位点设定为系统零点。步骤四:确定系统零点后,系统进入手写定位模式,此模式下,系统将记录下激光笔运行的轨迹并将轨迹显示于液晶屏中。步骤五:确定定位点所在区间。进入定位模式后,首先系统根据MPU6050的角度信息来判断定位点属于哪个区间,令俯仰角为x,横滚角为y,以下根据四种情况来区分定位点所在区间:(1).若|x|>|y|,且x>0,则该点处于第一区间,i=1;(2).若|x|<|y|,且y<0,则该点处于第一区间,i=2;(3).若|x|>|y|,且x<0,则该点处于第一区间,i=3;(4).若|x|<|y|,且y>0,则该点处于第一区间,i=4;步骤六:归一化处理,在确定完定位点所处的区间后,将当前定位点的坐标根据所处的区间归一化到区间一内。具体的实施方法是:流程一:确定当前定位点所在区间i流程二:若i=1,则x与y保持不变;若i=2,则令x=-y,y=x;若i=3,则令x=-x,y=-y;若i=4,则令x=y,y=-x;步骤七:坐标归一化后,根据所建立的模型公式计算出定位点的极坐标值,其计算式为:θ=arctan(tanx/tany)(8)其中,(ρ,θ)为定位点的极坐标值,L为悬挂点到定位平面垂直距离,x为俯仰角,y为横滚角。步骤六:由步骤五计算出当前定位坐标后,将其作为LED液晶屏的显示数据实时显示出来。由此便实现了实时手写输入功能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置,其特征在于该装置包括一下步骤:(1)搭建机械结构,建立数学模型;(2)进行区间划分,解决定位模型中的死角问题;(3)判定定位点所在区间算法;(4)定位点归一化并计算定位点坐标值。

【技术特征摘要】
1.一种基于MPU6050的高精度平面分区间定位装置,其特征在于该装置包括一下步骤:(1)搭建机械结构,建立数学模型;(2)进行区间划分,解决定位模型中的死角问题;(3)判定定位点所在区间算法;(4)定位点归一化并计算定位点坐标值。2.根据权利要求1所述的定位装置,其特征在于,所述步骤(1)搭建机械结构,建立数学模型,具体是:该系统转置结构与数学模型如图1,2所示,其中∠OAB与∠OAC为MPU6050输入量经四元数解算后的姿态角。直线AO为固定值(实际悬挂点到地面的高度)。则在△AOB中,有OB=AO×tan(∠OAB),在三角形AOC中,有OC=AO×tan(∠OAC),由于OB=CD,故有则得出∠DOC=arctan(DC/OC),由此便得出点D的极坐标(OD,∠DOC)。将以上过程总结为式1式2:θ=arctan(tanx/tany)(1)其中,(ρ,θ)为定位点的极坐标值,L为悬挂点到定位平面垂直距离,x为俯仰角,y为横滚角。再根据定位点所在的区间i,最终得出的定位值为(i,ρ,θ)。3.根据权利要求1所述的定位装置,其特征在于,所述步骤(2)进行区间划分,解决定位模型中的死角问题,具体是:把整个平面区域划分为四个部分,并在极坐标值中引入一个新的变量i来表示定位点所在区间,此时平面中某一点的定位坐标为(i,ρ,θ),其中-45°<θ<45°。如图3(a)所示,在该定位平面上设定两个0°线,一个为系统的0°线,一个为定位区间极坐标的0°线。由步骤一推导可以精确地计算出-45°至45°范围内所有点的定位值,...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴卓铤王秀敏李君
申请(专利权)人:中国计量大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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