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标题: 我的第六个单片机开源项目——PIC单片机模型直升机陀螺仪 [打印本页]

作者: joyrus 时间: 2012-7-11 20:44
标题: 我的第六个单片机开源项目——PIC单片机模型直升机陀螺仪
本帖最后由 joyrus 于 2012-7-11 20:47 编辑

项目设计目的：通过PIC单片机的ADC采样陀螺仪传感器的角速度电压信号，进行加工处理后生成控制舵机的标准PWM脉宽调制信号。此次项目会尝试性的挑战锁定式陀螺仪的功能。

本项目使用C语言编写使用PICC（Hitech C）

这是一个有很大挑战性的项目，需要了解陀螺仪的一些特性以及简单的数学计算，为了以后设计锁定式的陀螺仪而打下基础。本项目还将建立在PIC16F877A这款超级普及的PIC 8位MCU（单片机）之上。与此同时，我将选择PIC24F系列16位MCU的平台来完成下一个锁定式陀螺仪的开发！

作者: joyrus 时间: 2012-7-13 13:56
本来期望借助于PIC16F877A的CCP模块以PWM的工作模式来输出舵机的标准PPM调制信号，但是由于其用户确定PWM周期的TMR2定时器的宽度和预分频的限制，只能产生最低约4ms的PWM周期，而PPM需要20ms的周期信号。所以如果要在877上实现PPM输出的话还是要使用我在我的第二个单片机开源项目——全比例模型遥控器摇杆位置采样与PPM编码信号输出程序中使用的方法。为这个项目增加了一点麻烦。而便利的CCP模块暂时也无法得到很好的利用，当然还有其他的方法比如利用CCP的比较输出来产生中断，而得到固定的周期。

作者: joyrus 时间: 2012-7-17 00:40
本帖最后由 joyrus 于 2012-7-17 01:04 编辑

经过几天的学习后首先完成了对陀螺仪传感器釆样的程序。

其实这部分程序是比较关键的，为了保留TMR1和TMR2的资源给之后的ccp模块完成ppm信号输出和接收机ppm信号的输入，所以定时采样的过程使用TMR0来实现。利用分频器可以方便的设定益出的周期，响应中断来保证等间隔采样。

这里要提到一个很重要的内容，无论什么传感器都有自身的噪音，这会给整个系统带来严重的不稳定性。对于陀螺仪来说我们平时提到的温飘问题就是其中之一。由于各种原因，陀螺仪在静止状态下输出的中间值总会出现不同，如果不采取一些措施就会造成所谓的温飘现象。

为了使程序的设计尽可能不被硬件所误导，我使用了一颗日本futaba公司为高端遥控直升机产品设计GY401陀螺仪的传感器。据称这是一颗使用在导弹制导系统中的军品。当年这样一颗陀螺仪需要越1000人民币。

这颗陀螺仪内部结构简单，传感器体积很大。稍后我会附上照片。我的采样程序就是用它完成的。它的稳定性确如其传言，令人映像深刻！

作者: yudezheng 时间: 2012-7-24 19:01
怎么版主一个人做，没有其它爱好者。

作者: yudezheng 时间: 2012-7-24 19:08
这一套元配件要多少钱？我也想玩，可惜只会一点汇编。

作者: joyrus 时间: 2012-7-25 11:33
楼上的朋友也有兴趣的话可以一起玩一玩。

陀螺仪的软件设计和硬件设计都很重要。我简单研究了一下GY401陀螺仪的硬件电路。发现其使用了一个升压模块将输入的电源升到7V再稳压到4.98V(5V)，其电压的稳定性非常好。这就避免了采样电压不稳定造成的误差。这一点在我的开发板上得到验证，由于本人的开发板没有提供5V的稳压模块而是直接使用电脑的USB接口电源造成了明显的采样误差！

另外GY401的处理器MCU使用了一颗引脚数量达80PIN的单片机，可见其对于软件数据处理的要求是非常高的，一般只有高端的8位或者16位甚至32位的单片机才会有如此多的引脚，而真正使用到的引脚非常少，因为一般陀螺仪没有附带很多的附加功能。

根据对误差和数据处理的初步接触，陀螺仪的软件数据处理需要较为复杂的数学运算，所以选用至少16位带有硬件乘除法器，甚至是DSP内核的单片机是很有必要的。这也许就是目前低端成品模型陀螺仪性能不理想的主要原因之一。为成本与低价格而舍弃性能，这也是可以理解的。

作者: joyrus 时间: 2012-7-25 11:34

这一套元配件要多少钱？我也想玩，可惜只会一点汇编。
yudezheng 发表于 2012-7-24 19:08

你是指什么配件，如果是开发板那么选择可多了，1-2百的到5-6百，甚至上千的都有。

作者: joyrus 时间: 2012-7-27 10:21
经过各种学习，发现陀螺仪的主要性能受到采样系统电源精度，采样电路的硬件滤波，传感器品质，软件的数据处理（包括数据误差的处理）。在这中间有一个我们无法控制的陀螺仪传感器品质问题，相对应的解决方法就是数据误差的处理。

作者: joyrus 时间: 2012-7-30 18:55

这些天一直在研究一些重要的知识，大部分都涉及到数学知识，以前的东西要重新补补课才能继续这个项目开发。

至少现在需要了解的知识已经很明确了，就是误差的处理过程，包括了系统误差、随机误差等多种类型的误差的综合处理，这真的需要我好好消化一阵子了！呵呵～～

作者: joyrus 时间: 2012-8-15 17:01
阶段性的研究后得到的成果是，在陀螺仪的算法中有一项非常重要的内容就是Kalman滤波。kalman滤波正是设计于在计算机上运行的数据处理算法。学过高等数学的朋友是比较容易理解这个算法中的公式的。可惜十几年前的数学功力大多还给了老师，现在啃起来有点吃力。其实并不一定要完全理解其算法的验证过程，甚至也不需要了解其数学原理，也可以直接使用。

不过对于我来说这个陀螺仪项目是自己的一个研究各种技术的载体，所以我并不急于着手立即实现这个项目。而是正好利用这个机会来进一步学习知识，也好为整个系统和未来的项目打下基础。

有关kalman的技术资料网上非常丰富，比如在百度文库，新浪技术资料分享中都有非常详细的中/英文-文献。有兴趣的朋友可以其下载来看看。同时我还在进行另一个邻域的项目准备工作，就是MCU与Enternet的通讯。这个比起串口，usb，甚至是CAN总线在某些方面更有潜力。

作者: joyrus 时间: 2012-9-8 19:24
大家好，有一段时间没有更新了，其实这段时间我正在做一些小项目，当然同时也在进行学习。这个项目虽说是一个相对独立的东西，但是现在3轴系统都已经很成熟了，所以拿来参考一些也是非常有益的，我就顺手把九鹰318A/180D的3轴接收机打开来简单研究一下。具体情况请看这里：九鹰318A/180D无副翼3D直升机-三轴陀螺仪飞控系统的讨论！

作者: joyrus 时间: 2012-10-30 10:55
呵呵～～，经过这些个日子的深入研究，终于初步理解了Kalman滤波器的工作原理，并且用C语言完成了基础卡尔曼滤波器的代码，实际代码是很简单的，稍后发上来。经过实际的数据采用对比后可以发现，卡尔曼Kalman滤波后可以有效的降低随机误差！根据系统灵敏度的选择，可以到达50%以上的误差过滤。但是Kalman滤波器的使用需要事先对传感器进行大量的数据采集并分析的过程这中间需要结合误差理论来计算出Kanlman滤波器的参数。这就造成了不同的传感器要使用不同的参数了。当然作为DIY的目的可以使用一些日常事物常用的参数来代替特定事物的参数，这样就会简单很多，当然效果会差一些。

作者: joyrus 时间: 2012-12-26 17:19
本帖最后由 joyrus 于 2012-12-26 17:32 编辑

这里是一个国外的朋友的Kalman滤波程序，我也是利用这个程序：

这是使用卡尔曼滤波器来完成对陀螺仪和加速度计滤波处理！非常实用和有效！

我自己简单分析一下，有错误之处请大家指出。

// --- Kalman filter module  ----------------------------------------------------------------------------

float Q_angle  =  0.001; //0.001 这个是加速度计得到的角度误差(方差)
float Q_gyro =  0.003;  //0.003 这个是陀螺仪得到的角度误差(方差)
float R_angle  =  0.03;  //0.03    这个是激励误差(方差)

float x_angle = 0;                      这个是X的角度值，也就是滤波后得到的角度值
float x_bias = 0;                         这个是白噪声
float P_00 = 0, P_01 = 0, P_10 = 0, P_11 = 0; 这些是卡拉曼递推运算的保存值
float dt, y, S;
float K_0, K_1;                                              这些是卡拉曼递推运算的保存值

newAngle是加速度计得到的角度，newRate是陀螺仪测得的角速度，looptime是程序循环的时间

  float kalmanCalculate(float newAngle, float newRate,int looptime)
  {
dt = float(looptime)/1000;                            通过对循环时间的计算得到陀螺仪的采用时间
x_angle += dt * (newRate - x_bias);             计算陀螺仪的角度

P_00 +=  - dt * (P_10 + P_01) + Q_angle * dt; 以下4行是对递推过程值的计算
P_01 +=  - dt * P_11;
P_10 +=  - dt * P_11;
P_11 +=  + Q_gyro * dt;

y = newAngle - x_angle;                               计算陀螺仪和加速度计的差值
S = P_00 + R_angle;                                     计算激励误差

K_0 = P_00 / S;                                           以下2行是对递推过程值的计算
K_1 = P_10 / S;

x_angle +=  K_0 * y;                                     用Y的值修正陀螺仪的角度值，得到最终的滤波值
x_bias  +=  K_1 * y;                                     计算新的白噪声

P_00 -= K_0 * P_00;                                     以下4行是对递推过程值的计算
P_01 -= K_0 * P_01;
P_10 -= K_1 * P_00;
P_11 -= K_1 * P_01;

return x_angle;                                           返回滤波后的角度
  }

作者: cyq451213 时间: 2013-5-9 14:54
牛人版主的精神可嘉值得学习继续关注

作者: joyrus 时间: 2013-5-31 16:06
很久没有更新了，今天来聊聊这段时间累积的经验。

之前使用了Gy401的传感器，和九鹰3轴陀螺仪系统中的陀螺仪。先说说Gy401的传感器，这是一个很高级的传感器，模拟量输出，为了得到数字数据使用了一片带有12位有效数的ADC的MCU首先进行ADC转换并且对转换后的数据进行滤波处理，使用了kalman滤波器，滤波效果非常显著。

再说说九鹰的陀螺仪，3轴陀螺仪由一个单轴Z陀螺仪和一个XY 2轴陀螺仪，需要对3个陀螺仪进行ADC转换，这样就需要非常快的转换速度，否则再转换时间上可能会有损失，条件有限没有使用专用的多通道ADC采样IC，这类IC可以在ADI的官网上找到，性能非常优秀！比MCU集成的ADC好的多，而且基本都是高速ADC采样，还有些是多通道同时采样！

      在得到滤波后的数据就可以用积分的方式得到旋转的角度。使用的计算方法为：

      Angle = AdcValue * dt

      Angle就是计算后的角度，AdcValue是陀螺仪采样滤波后的数据，而dt则是系统每次采样的时间。

      得到了角度接下来就是将角度数据作为误差数据输入到PID算法，计算出执行机构所需要的数据了。

   为了得到较好的性能，需要选择运算速度更快的MCU，而其绝大多数运算都是使用浮点数，这就进一步提高了对MCU的负担。

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