DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.04.10

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

Yaroslav Znamenshchykov, Yuriy Shkyrya, Sergii Nekrasov, Andrii Dovhopolov

Анотація


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.


Ключові слова


акселерометр; гіроскоп; кут нахилу; МЕМС;MPU6050; мікроконтролер; STM8

Повний текст:

PDF

Посилання


Deng L., Fang Y., Wang D., Wen Z. A MEMS based piezoelectric vibration energy harvester for fault monitoring system. Microsyst Technol, 2018, no. 4, pp. 3637 – 3644, doi: 10.1007/s00542-018-3784-7.

Acciari G., Caruso M., Miceli R., Riggi L., Romano P., Schettino G., Viola F. Piezoelectric rainfall energy harvester performance by an advanced Arduino-based measuring system. IEEE Trans Ind Appl, 2018, no. 54 (1), pp. 458 – 468, doi:10.1109/tia.2017.2752132.

Iacono F. L., Navarra G., Oliva M. Structural monitoring of “Himera” viaduct by low-cost MEMS sensors: characterization and preliminary results. Meccanica, 2018, no. 52 (13), pp. 3221 – 3236,

doi: 10.1007/s11012-017-0691-4.

Yan Y., Liu Y., Chávez J. P., Zonta F., Yusupov A. Proof-of-concept prototype development of the self-propelled capsule system for pipeline inspection. Meccanica, 2017, no. 5. pp. 1 – 16, doi. 10.1007/s11012-017-0801-3.

Gravina R., Parastoo А., Ghasemzadeh H., Giancarlo F. Multi-sensor fusion in body sensor networks: state-of-the-art and research challenges. Inf Fusion, 2017, no. 35,

pp. 68 – 80, doi: 10.1016/j.inffus.2016.09.005.

Bengherbiaa B., Zmirlia M. O., Toubala A., Guessoumb A. FPGA-based wireless sensor nodes for vibration monitoring system and fault diagnosis. Measurement, 2017, no. 101, pp. 81 – 92, doi: 10.1016/j.measurement.2017.01.022.

Son J. D., Ahn B. H., Ha J. M., Choi B. K. An availability of MEMS-based accelerometers and current sensors in machinery fault diagnosis. Measurement, 2016, no. 94, pp. 680 – 691, doi: 10.1016/j.measurement.2016.08.035.

Varanis M., Silva A. L., Brunetto P. H. A., Gregolin R. F. Instrumentation for mechanical vibrations analysis in the time domain and frequency domain using the Arduino platform. Revista Brasileira de Ensino de Física, 2016, no. 38 (1), pp. 1301, doi: 10.1590/s1806-11173812063.

Varanis M., Silva A. L., Mereles A., de Oliveira C., Balthazar J. M. Instrumentation of a nonlinear pendulum using Arduino microcontroller. In Proceedings of the XXXVII Iberian Latin-American congress on computational methods in engineering, 2016, doi: 10.26512/ripe.v2i27.14447.

Duc T. T., Le Anh T., Dinh H. V. Estimating modal parameters of structures using Arduino platform. In: International conference on advances in computational mechanics. Springer, Singapore, 2017, pp. 1095 – 1104, doi:10.1007/978-981-10-7149-2_76.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Deng L., Fang Y., Wang D., Wen Z. A MEMS based piezoelectric vibration energy harvester for fault monitoring system. Microsyst Technol, 2018. № 4. Р. 3637 – 3644. doi: 10.1007/s00542-018-3784-7.
  2. Acciari G., Caruso M., Miceli R., Riggi L., Romano P., Schettino G., Viola F. Piezoelectric rainfall energy harvester performance by an advanced Arduino-based measuring system. IEEE Trans Ind Appl, 2018. № 54 (1). Р. 458 – 468. doi:10.1109/tia.2017.2752132.
  3. Iacono F. L., Navarra G., Oliva M. Structural monitoring of “Himera” viaduct by low-cost MEMS sensors: characterization and preliminary results. Meccanica, 2018 № 52 (13). Р. 3221 – 3236. doi:10.1007/s11012-017-0691-4.
  4. Yan Y., Liu Y., Chávez J. P., Zonta F., Yusupov A. Proof-of-concept prototype development of the self-propelled capsule system for pipeline inspection. Meccanica, 2017 № 5. Р. 1 – 16. doi. 10.1007/s11012-017-0801-3.
  5. Gravina R., Parastoo А., Ghasemzadeh H., Giancarlo F. Multi-sensor fusion in body sensor networks: state-of-the-art and research challenges. Inf Fusion, 2017. № 35. Р. 68 – 80. doi: 10.1016/j.inffus.2016.09.005.
  6. Bengherbiaa B., Zmirlia M. O., Toubala A., Guessoumb A. FPGA-based wireless sensor nodes for vibration monitoring system and fault diagnosis. Measurement, 2017. № 101. Р. 81 – 92. doi: 10.1016/j.measurement.2017.01.022.
  7. Son J. D., Ahn B. H., Ha J. M., Choi B. K. An availability of MEMS-based accelerometers and current sensors in machinery fault diagnosis. Measurement, 2016. № 94. Р. 680 – 691. doi: 10.1016/j.measurement.2016.08.035.
  8. Varanis M., Silva A. L., Brunetto P. H. A., Gregolin R. F. Instrumentation for mechanical vibrations analysis in the time domain and frequency domain using the Arduino platform. Revista Brasileira de Ensino de Física, 2016. № 38 (1). Р. 1301. doi: 10.1590/s1806-11173812063.
  9. Varanis M., Silva A. L., Mereles A., de Oliveira C., Balthazar J. M. Instrumentation of a nonlinear pendulum using Arduino microcontroller. In Proceedings of the XXXVII Iberian Latin-American congress on computational methods in engineering. 2016. doi: 10.26512/ripe.v2i27.14447.
  10. Duc T. T., Le Anh T., Dinh H. V. Estimating modal parameters of structures using Arduino platform. In: International conference on advances in computational mechanics. Springer, Singapore, 2017. Р. 1095 – 1104 doi:10.1007/978-981-10-7149-2_76.