Course Content

Total learning: 60 lessons / 5 quizzes Time: 52 weeks

Практична реалізація фільтрування (нова назва)

Модуль вимірювання інерції MPU-6050

Модулями вимірювання інерції є електронні пристрої, які вимірюють та повідомляють про швидкість, орієнтацію та гравітаційні сили, яким піддається пристрій. Пристрої IMU (Inertial Measurement Unit) поєднують інформацію з різних датчиків, головним чином магнітометрів, акселерометрів та гіроскопів. Щоб правильно використовувати IMU, потрібно поєднати вимірювання обох пристроїв. Для цього зазвичай використовують два різні методи: комплементарний фільтр та фільтр Кальмана.

Комплементарний фільтр: базується на поєднанні фільтра високої та низької частоти. Головними перевагами цього фільтра є легка реалізація та низька обчислювальна вартість.
Фільтр Кальмана: алгоритм був придуманий у 1960 році Рудольфом Е. Кальманом. За допомогою фільтра можна поєднувати інформацію різних джерел, що мають багато шуму, мінімізуючи помилку використовуючи рекурсію. Хоча дані отримані цим алгоритмом більш точні, витрати на обчислювання значно вищі.

Метою цього процесу є отримання максимально реалістичних даних кутів навігації об’єкта. Ці кути визначаються шляхом розв’язання задачі визначення положення та орієнтації об’єкта відносно основи у тривимірному просторі. Потрібно виразити відносну орієнтацію обох систем, описуючи орієнтацію об’єкта трьома ортогональними обертаннями навколо осей X (roll), Y (pitch) та Z (yaw). У нашому випадку використовувався MPU-6050, який містить гіроскоп і акселерометр, який під’єднується до мікроконтролера через шину I2C.

Прискорення сили тяжіння використовується як орієнтир для обчислення кута, який використовуватиме акселерометр. Акселерометр не визначає швидкість роботи системи, тим більше її положення. Отже, для отримання значення нахилу необхідно використовувати інший інструмент:
$$ \theta_{accel}=\tan^{-1}\frac{A_{x}}{\sqrt{A^{2}_{y}+A^{2}_{z}}} $$

Гіроскоп — це пристрій, що дозволяє вимірювати кут повороту, обернутий певним механізмом. Ці пристрої, на відміну від акселерометра, є суто диференційованими пристроями, тому кути відносно довільної точки відліку завжди вимірюються. Основна проблема гіроскопів пов’язана з необхідністю отримання вимірювань шляхом інтегрального обчислювання і в результаті вимірювання відбудеться накопичення помилок, що спричинить відхилення вимірювання в середньому та довгостроковому періодах щодо його реальної величини.

$$ \theta_{gyro}=\omega_{gyro} \cdot \Delta t + \theta_{previous} $$