Результаты экспериментальных исследований и алгоритм калибровки датчика mpu6000 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.052.7

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И АЛГОРИТМ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА МРШ000

С.И. Зыкин, Н.В. Ивахно

Рассмотрен алгоритм калибровки микромеханических акселерометров в составе датчика МРи-6000, который позволяет существенно уменьшить влияние смещения нуля и температурного дрейфа.

Ключевые слова: датчик угла, температурные поправки, калибровка, точность, смещение, корректирующие коэффициенты.

В последнее время широкое распространение получили датчики, построенные на микроэлектромеханических элементах. Популярность обусловлена простотой их использования, относительно низкой ценой, малыми габаритами, высокой надежностью и работоспособностью в достаточно жестких условиях окружающей среды [1, 2].

В одном из исследуемых макетов использована микросхема МРи-6000, представляющая собой 6-осевой датчик, состоящий из трехосевого гироскопа и трехосевого акселерометра [2]. Данные микроэлектромеханические датчики обладают малыми габаритами, массой и энергопотреблением, высокой надежностью, невысокой стоимостью [1].

В ходе испытаний при изменении рабочей температуры от -40 до +50 °С выявлены существенные температурные уходы сигналов с датчиков.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработан алгоритм калибровки и расчета коэффициентов передачи, коэффициентов перекрытия связей и нахождения аппроксимирующих функций температурного дрейфа для МРШ000.

Данный алгоритм включает в себя [3, 4]:

- обработку результатов измерений в 6 положениях макета при 20 различных температурах с шагом изменения температуры 5 °С при нагреве макета в камере от -40 до +50 °С;

- расчет 9 коэффициентов передачи и трех значений смещения нуля для каждой температуры калибровки;

- построение зависимостей изменения корректирующих коэффициентов от температуры;

- получение аппроксимирующей функции, определяющей зависимость каждого из коэффициентов передачи и смещения нуля от температуры.

С помощью специальной программы для считывания показаний получены файлы, включающие в себя данные трехосевого акселерометра и датчика температуры (рис. 1).

Рис. 1. Формат записи данных в .Ш файл

Первые три столбца данных соответствуют значениям акселерометра по осям х, у, 7. Четвертый столбец - значения датчика температуры.

Калибровка акселерометров макета производилась с помощью приспособления для калибровки, которое представляет собой полый каркас прямоугольной формы с закрепленным макетом внутри.

Макет устанавливался на платформу, отгоризонтированную с помощью квадранта с точностью не менее одной угловой минуты. Для получения более точных данных калибровки макет должен быть выставлен в нулевое положение по показаниям специальной программы и закреплен в этом положении на указанном приспособлении.

С помощью программы произведено снятие показаний и запись их в файлы в 6 положениях, проиллюстрированных на рис. 2.

Рис. 2. Положения макета для калибровки

Далее измеренные данные обрабатываются для получения 12 корректирующих значений Ьха, Ьуа, Ь2а, Бха, 8уа, , тху, шХ2, шу2, тух,

тгх, т2у, участвующих в расчете угла, крена, тангажа макета.

Скорректированный сигнал акселерометра рассчитывается из матриц, представленных формулами [3,4]:

367

¡ха

¡уа

}га _

ах Ь ха

ау + Ь и уа

аг _ Ъга

т00 т01 т02 тЮ Щ1 т12

т20 т21 т22

где ¡ха, 1уа, ¡га - выходные сигналы акселерометров по осям х, у, 7; Ь Ьуа, Ьа - погрешности смещения нуля акселерометров по осям х, у, 7; £

уС-1 ¿/С-1

$уа, - коэффициент передачи акселерометров по осям х, у, 7; ах, ау,

1/м ¿/С-1 Л у

ха

ха

т.

т.

га

г действительные значения ускорений по осям х, у, 7; т ,„х2, ..уг, ух, тгх, ту - коэффициенты передачи акселерометров по пересеченным

у Л ¿Л £ у

а т осям.

Алгоритм расчета корректирующих коэффициентов

На первом этапе измеряется ускорение свободного падения в каждом из шести положений [5]. Для исключения влияния шумов, результаты измерений усреднялись на интервале времени 100 с с шагом измерения 50 мс.

Рассчитаем среднее значение полученных данных с акселерометров:

1) для положения 1 - 2 на рис. 2:

I¡Ш; А I¡а

т -А.

Т = 1 ьга 2 _

уср

2) для положения 3 - 4 на рис. 2:

Т -ьга3 ~

I'уа; ' А

Тга 4 -

уср

3) для положения 5 - 6 на рис. 2:

I¡ха. А

Т = ьга5 ~

Тга 6 -

t 5

уср

м ¡ At

1

t уср

1 ¡ха; At

1

уср

уср

где At - интервал времени между измерениями; t - время усреднения.

уср

Составим матрицу со значениями калибровки в 6 положениях:

Ж

ь

ха1

ь

уа1

ь

га1

ь

ха6 ^уа6

ь

га 6

Рассчитаем смещение нуля акселерометров для рабочего положения по формулам [3, 4]

ха

уа

2а

_ £ха1 + £ха 2 + £ха3 + £ха 4 + £ха5 + £ха6

_ Ьуа1 + £уа 2 + £уа 3 6 + £уа 4 + £уа5 + £уа 6

_ Lza1 + Lza 2 + Lza3 6 + Lza 4 + Lza5 + Lza6

6

Коэффициенты передачи

$ха _ (£ха3 - £ха4 )'0,5, £уа _ (- Lza6 )' 0,:5,

_ (£уа1 - £уа2 ) '0,:5, Коэффициенты передачи акселерометров по пересеченным осям

тух _ (£ха1 - £ха2) ' mzx _ (£уа5 - £уа6)' °,5,

т

т

ху

т т

xz

(Lyal - £уа2) ' °'5, = (^а3 - ^а4) ' °'5, = (1ха5 -Ьхаб)' 0,5>

^yz _ (£уа3 - £уа4 )' 0,5 Для уменьшения температурной погрешности проведена обработка полученных значений калибровки макета в 6 положениях при 20 различных температурах. Рассчитаны погрешности смещения нуля акселерометров, коэффициент передачи акселерометров, коэффициенты передачи акселерометров по пересеченным осям (12 корректирующих коэффициентов) для каждой температуры калибровки. Для каждого из коэффициентов построены графики зависимости изменения коэффициента от температуры. Проведена аппроксимация данных графиков, в результате которой получены формулы зависимости коэффициента от температуры.

На рис. 3 представлен график зависимости погрешности смещения нуля по осям х, у от температуры.

Рис. 3. Результаты анализа полученных данных

369

Формула зависимости погрешности смещения нуля акселерометров по осям х имеет вид

Ьха = 4x0 + кЬх1 •Т + кЬх2 -Т 2 + кЬх3 -Т 3 > где кЬхо, кЬх1, кЬх2, кЪх3 - коэффициенты полинома; Т - температура. Значения коэффициентов: кЪх0 = 0.019, кЬх1 =-9.045 • 10-5,кЬх2 =-6.605-10-7,

кЬх3 = 9.265 -10-9.

Получены формулы зависимости 12 коэффициентов от температуры. Коэффициенты полинома имеют значения с плавающей запятой, что увеличивает время, затрачиваемое микроконтроллером на обработку данных. Использование таблицы рассчитанных значений 12 корректирующих коэффициентов в памяти микроконтроллера позволяет уменьшить время вычисления угла на 30 %.

Полученные коэффициенты, рассчитанные при температурном шаге 1 °С, записываются в матрицу и память микроконтроллера:

Ьха1 Ьуа1 Ьга1 тух тгх тху тгу тхг туг I

Ьха2 Ьуа2 Ьга2 &ха2 &уа2 ^а2 тух2 тгх2 тху2 тгу2 тхг2 туг2

рхап Ьуап Ьгап &хап &уап &гап тухп тгхп тхуп тгуп тхгп тугп _

где Ьха1- коэффициент, рассчитанный при минимальной температуре; Ьшп

- коэффициент, рассчитанный при максимальной температуре.

После внесения в алгоритм работы макета корректирующих коэффициентов получены значения смещения угла крена, тангажа при разной температуре, представленные в таблице.

Значения смещения угла крена, тангажа

Температура Крен Тангаж

50 0,09 0,05

40 0,02 0,03

30 -0,01 0,01

27 0,02 0

20 0,03 -0,03

10 0,18 -0,09

0 0,08 0,06

-10 -0,06 -0,04

-20 0,03 0,03

-30 -0,12 0,08

-40 0,01 -0,02

Полученные результаты экспериментальных исследований датчика MPU6000 обеспечили реализацию в алгоритме работы макета корректирующих коэффициентов, позволяющих уменьшить погрешность измерения углов до ±0.5 градусов в диапазоне температур от -40 до +50 °С. Данные могут быть использованы при построении как информационно-измерительных биотехнических систем, так и комплексов военного назначения в сложных условиях эксплуатации.

Список литературы

1. Н.В. Ивахно, С.А. Войтицкий, В.С. Ивахно Цифровая система обработки сигналов вращающегося трансформатора на основе DSP-микроконтроллера в составе электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 184 - 189.

2. Способ регистрации движения грудной клетки при диагностике состояния сонного апноэ / Н.В. Ивахно, А.В. Прохорцов, Е.Н. Сенина, С.С. Федоров // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т.21. №4. С.133 - 136.

3. В.В. Шаврин, А.С. Конаков, В.И. Тисленко. Калибровка микроэлектромеханических датчиков ускорений и угловых скоростей в бесплатформенных инерциальных навигационных системах // Доклады ТУСУРа. 2012. № 1 (25). Ч. 2.

4. Брандт З. Статистические методы анализа наблюдений // под ред. В.Ф. Писаренко. М.: Мир, 1975.

5. Syed Z. Design and implementation issues of a portable navigation system: PHD Thesis. Canada, Calgary: The University of Calgary, 2009.

Зыкин Сергей Игоревич, асп., sergius.klasisagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ивахно Наталия Валериевна, д-р техн. наук, проф., natalia iva list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES AND THE MPU6000 SENSOR

CALIBRA TION ALGORITHM

S.I. Zykin, N. V. Ivakhno

The algorithm of calibration of micromechanical accelerometers in the MPU-6000 sensor is considered, which allows to significantly reduce the effect of zero displacement and temperature drift.

Key words: angle sensor, temperature corrections, calibration, accuracy, offset, correction coefficients.

Zykin Sergey Igorevich, postgraduate, sergius. klasisagmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Ivakhno Natalia Valerievna, doctor of technical sciences, professor, natalia ivalis/.m, Russia, Tula, Tula State University

371