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陀螺演算法

發布時間: 2022-08-10 00:29:14

『壹』 陀螺技術的兩大技術體系及派別是什麼

1.技術知識產權的自主性 晨曦航空技術開發團隊是由慣性領域從業經驗平均在20年以上的中堅力量帶領一批年輕骨幹隊伍組成.在慣性導航技術領域,攻克了大量演算法、硬體、軟體以及環境適應性等方面的難題,逐步積累了具有獨立知識產權的關鍵技術系列.公司在捷聯慣性導航系統(撓性陀螺、光纖陀螺、激光陀螺)方面形成的成熟技術有:高性能導航計算機技術、高精度加速度

『貳』 如何通過一個陀螺儀感測器配合PID演算法實現兩輪車的平衡

  1. 陀螺儀的作用

  2. 兩輪自平衡機器人控制系統除了需要實時的傾角信號,還要用到角速度以給出控制量。理論上可以對加速度計測得的傾角求導得到角速度,但實際上這樣求得的結果遠遠低於陀螺儀測量的精度,陀螺儀具有動態性能好的優點。

  3. (1)陀螺儀的直接輸出值是相對靈敏軸的角速率,角速率對時間積分即可得到圍繞靈敏軸旋轉過的角度值。由於系統採用微控制器循環采樣程序獲得陀螺儀角速率信息,即每隔一段很短的時間采樣一次,所以採用累加的方法實現積分的功能來計算角度值。

(2)陀螺儀是用來測量角速度信號的,通過對角速度積分,能得到角度值。但由於溫度變化、摩擦力、不穩定力矩等因素,陀螺儀會產生漂移誤差。而無論多麼小的常值漂移通過積分都會得到無限大的角度誤差。因而不能單獨使用陀螺儀作為自平衡小車的角度感測器。

2.傾角感測器的作用

(1)傾角感測器中加速度計可能測量動態和靜態線性加速度。靜態加速度的一個典型例子就是重力加速度,用加速度計數直接測量物體靜態重力加速度可以確定傾斜角度。

加速度感測器靜止時,加速感測器僅僅輸出作用在加速度靈敏軸上的重力加速度值,即重力加速度的分量值。根據各軸上的重力加速度的分量值可以算出物體垂直和水平方向上的傾斜角度。

(2)加速度計動態響應慢,不適應跟蹤動態角度運動;如果期望快速地響應,又會引起較大的雜訊。再加上其測量范圍的限制,使得單獨應用加速度計檢測車體傾角並不合適,需要與其它感測器共同使用。

3.原理

其運作原理主要是建立在一種被稱為「動態穩定」(Dynamic Stabilization)的基本原理上,利用車體內部的陀螺儀和加速度感測器,來檢測車體姿態的變化,並利用伺服控制系統,精確地驅動電機進行相應的調整,以保持系統的平衡。

『叄』 陀螺的玩法和規矩

一、陀螺相撲

l、准備一個硬紙盒(有開口的),裝喜餅的盒子最佳。

2、將紙盒放在地上,在離紙盒3~5公尺處劃一條線,當作起點。

3、此游戲一次兩人玩,猜拳決定先後順序,兩人均退到線後,先後將陀螺打入紙盒中,由於兩個陀螺都在紙盒中高速旋轉,因此碰撞時就會有一個被撞出盒外,陀螺被彈出者就輸了,若其中一人未將陀螺打入盒中,也算輸。

二、自由抽打

1、每個在空地上自由選擇地方,將自己的陀螺旋轉起來。

2、陀螺最快停下來的人為輸,必須將陀螺釘在地上,讓其他人攻擊,由陀螺旋轉最久的那一位開始,將他的陀螺對准放在地上的陀螺打下去,這時候若陀螺的質料較差,就會從中一裂為二,如果陀螺從中裂

開,釘子掉下來,這根釘子便屬於打掉它的人所有,此時就可以重新再玩新局。

3、若經過所有人釘打,陀螺仍完好如初,下一次再玩輸時,這個人就不需再拿出陀螺被人攻擊了(有一次豁免權)。

三、畫圈圈

在地上畫一個圈圈,直徑在一步到兩步之間,圓中間再畫一個三角形,每個人把自己的陀螺往圈圈裡打,並讓陀螺自己旋轉出圈外來。有時陀螺會固定在圈內不移動地旋轉,可用繩子把他圈住勾出圈外,只要到達圈外還在轉就算活。如果停止了,就要放在三角形內,任人敲擊處罰。

四、套圈比賽

套圈比賽所用的陀螺,以上軸長下軸短為佳。找中央有圓洞孔的薄形膠圈,或薄鐵圈。當陀螺旋轉時,趕快把手中的圈圈套入上軸中心,一次一個,一直到陀螺停止為止,看誰套入最多,誰就獲勝。

五、打過溪

開闢地兩邊各畫一條線寬約50公尺至100公尺(看場地人數而定),兩人以上到10、20位數可以玩。先比賽轉快倒的人當鬼。從甲打到乙地,前進任何人如打鬼本身陀螺不轉就要交替當鬼被打到對岸。每人可以用陀螺釘鐹十下。

『肆』 2軸陀螺儀如何實時計算姿態角

陀螺儀的原理就是,一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據這個道理,用它來保持方向,製造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力,使它快速旋轉起來,一般能達到每分鍾幾十萬轉,可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向,並自動將數據信號傳給控制系統。

現代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器,它是現代航空,航海,航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器,它的發展對一個國家的工業,國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構復雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來,現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年 等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以後,現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展,與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由於光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優點,所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀,成為現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外,還有現代集成式的振動陀螺儀,集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。

現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動速度,那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度,這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉,也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度,就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧振式的陀螺儀在實現干涉時,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

『伍』 陀螺儀漂移有沒有明確的演算法解決

與加速度計融合,卡爾曼濾波

『陸』 用陀螺儀可否精確地計算出在空中劃出的軌跡

單靠陀螺儀應該是不行的,需要再結合加速度計,而且兩者都需要時三軸的,即三軸陀螺儀,三軸加速度計。另外陀螺儀和加速度計的精度是能否精確計算軌跡的關鍵。目前的陀螺儀,高端的有光纖陀螺儀與激光陀螺儀,這種價格高,一般人也看不到。低端一點的以MEMS陀螺儀為主,手機上用的陀螺儀屬於這一類,不過漂移非常大,基本上應該是100度每小時的漂下去。當然MEMS陀螺儀也有高端一點的,精度可到5度每小時,更高的我沒見過,可能有,不過我不知道。有了硬體之後還需要演算法,高級的演算法甚至可以把低端陀螺儀的精度提高一個等級,開發的難度也可想而知。

『柒』 有沒有陀螺儀的原理過程最好帶圖

一、引言
陀螺儀作為一種慣性測量器件,是慣性導航、慣性制導和慣性測量系統的核心部件,廣泛應用於軍事和民用領域。傳統的陀螺儀體積大、功耗高、易受干擾,穩定性較差,最近美國模擬器件公司推出了一種新型速率陀螺晶元ADXRS,它只有7mm×7mm×3mm大小,採用BGA-32封裝技術,這種封裝至少要比任何其他具有同類性能的陀螺儀小100倍,而且功耗為30mW,重量僅0.5g,能夠很好的克服傳統陀螺儀的缺點。由ADXRS晶元組成的角速度檢測陀螺儀能夠准確的測量角速度,此外還可以利用該陀螺儀對角度進行測量,實驗取得了良好的結果。

二、陀螺儀的原理和構造
ADXRS系列陀螺儀是由美國模擬器件公司製造,採用集成微電子機械繫統(iMEMS)專利工藝和BIMOS工藝的角速度感測器,內部同時集成有角速率感測器和信號處理電路。與任何同類功能的陀螺儀相比,ADXRS系列陀螺儀具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動性好的優點。
1、科里奧利加速度
ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利(Coriolis)加速度來測量角速度,科里奧利效應原理如圖1所示。假設某人站在一個旋轉平台的中心附近,他相對地面的速度用圖1箭頭的長度所示。如果移動到平台外緣的某一點,他相對地面的速度會增加,如圖1較長的箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度的速率增加,這就是科里奧利加速度。設角速度為w科里奧利加速度的一半,另一般來自徑向速度的改變,二者總和為2wv旋轉平台必須施加一個大小為2Mwv科里奧利加速度,並且該人將受到大小相等的反作用力。的力來產生。如果人的質量為M,該,平台半徑為r,則切向速度為wr,如果以速度v沿徑向r移動,將產生一個切向加速度wv,這僅是

陀螺儀通過使用一種類似於人在一個旋轉平台移出或移入的諧振質量元件,利用科里奧利效應來測量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機械結構,陀螺儀通過附著在諧振體上的電容檢測元件測量諧振質量元件及其框架由於科里奧利效應產生的位移。這些電容檢測元件都是由硅材料製成的橫梁,它們與兩組附著在基片上的靜止硅橫梁互相交叉,因而形成兩個標稱值相等的電容器。由角速度引起的位移在該系統內產生一個差分電容。如果彈簧的彈性系數為K2wv M。如果總電容為C2wv,它直接與該角速度成比例。這種關系的逼真度在實際應用中非常好,其線性誤差小於0.1%。 MC/gK,硅橫梁的間距為g,則差分電容為/K,那麼反作用力造成的位移為
2、陀螺儀的構造以及電路的實現
ADXRS系列陀螺儀的外圍尺寸為7mm×7mm×3mm,採用BGA-32封裝技術,有ADXRS150和ADXRS300兩種型號,它們的功能電路完全相同,唯一不同在於前者的量程為±150°/s,後者的量程為±300°/s。圖3顯示了ADXRS300的內部電路結構和外圍電路,其中外圍電路主要是電容和電阻組成。
引腳AVCC接5V電源電壓,22nF的泵浦電容用於產生12V的泵浦電壓以供部分電路使用。測得的角速度以電壓形式在引腳RATEOUT輸出,0°/s時輸出電壓為2.5V,RATEOUT與引腳SUMJ之間並聯一個電阻RoutADXRS300的角速度響應帶寬,-3dB頻率由下式決定:和電容Cout,從而組成低通濾波器用於限制
fout = 1 / (2 π ? Rout ? Cout) (1)
內部電路的Rout180kΩ,可以從外部給RoutΩ//RextADXRS300的量程為±300°/s,可以在RATEOUT和SUMJ引腳之間給Rout300 kΩ的電阻可以使量程增大50%,但是這需要對電路重新調零,調零時在SUMJ引腳處外接一個電阻RnullRATEOUT的零點是2.5V,但角運動范圍不對稱時,按下式計算:到地或電源正極,對稱角運動情況下並聯一個電阻來增大量程,例如並聯一個,從而調整角速率響應帶寬。並聯一個電阻Rext,使得Rout=180k為
Rnull = (2)
式中,Vnull0——未校正時零角速度的輸出電壓,
Vnull1——校正後所需的零點電壓。
如果求得的Rnull5V電源上。為負值,則把電阻Rnull接地;為正值,接在
三、實驗過程和測量結果
ADXRS300陀螺儀直接的用途就是做角速度測量儀,此外也可以用於測量物體旋轉角度—對陀螺儀的輸出結果積分,所得的數值即為角度。
本實驗即用ADXRS300陀螺儀測量角度,通過ADXRS300角速度測量儀測量旋轉物體的轉動角速度(注意:陀螺儀可以以任何角度安裝在旋轉物體的任何地方,只要測量使陀螺儀旋轉軸和所要測量的軸平行即可),再對角速度積分就是我們所要的角度了。根據此原理,先把陀螺儀的輸出通過數據採集器送入PC機中,再用軟體進行積分並最終顯示結果。具體流程如圖4。

1、硬體設計
測量角度的具體方法是把ADXRS300陀螺儀固定在由步進電機驅動的圓盤上,由圓盤帶動陀螺儀轉動,陀螺儀的輸出電壓由F-5101數據採集控制器進行A/D轉換。F-5101的輸入電壓范圍為-5V~5V,A/D轉換位數為12位,轉換速度為25ms,適用於本實驗的數據採集。
F-5101通過列印口與計算機相連,佔用主機378H和379H兩個I/O埠。主機通過寫378H向F-5101送入操作狀態,讀379H得到A/D轉換的數據。
系統的供電電壓為220V,需要通過AC220B05-1W5型電源模塊把220V交流電轉換為5V直流電供ADXRS300陀螺儀使用。
2、軟體設計
讀取陀螺儀的輸出電壓值,換算成角速度並進行積分,最終顯示結果這一步驟通過Visual Basic程序來實現。從計算機379H埠讀取的數值為12位2進制數,利用公式
Vout10× (A×16 + B + C / 16)×4096 – 5 (3)=
可以把12位二進制數轉換為十進制數,從而求得陀螺儀的實際輸出電壓。其中Vout12位二進制數的高4位、中4位和低4位。電壓值換算成角速度由下式決定:設角速度為w,則:為輸出電壓,A,B,C分別為
w = (Vout -V0) / 5mV /°/s (4)
其中5mV/°/s為ADXRS300陀螺儀的靈敏度,V2.5V。0為陀螺儀靜止時的輸出電壓,一般為
積分的主要步驟是用角速度w5。乘以程序運行一次所用的時間△t,循環運行程序,對每次的乘積進行累加,並實時送出累加結果,該結果即為測得的物體轉過的角度,程序流程如圖

3、實驗結果
表1列出了陀螺儀轉動±90°和±180°這四種情況的輸出結果。

實驗結果表明:角度相對誤差小於0.5%,有較高的精度。其中誤差來源主要包括:
程序運行一次所用的時間△t過長,造成對角速度的積分不精確,這是產生誤差的主要來源。解決的方法是盡量避免冗長的程序語句,使用運行速度較快的計算機或者採用更精確的演算法。
數據採集A/D轉換時可能產生的誤差,造成所積分的角速度不準確。

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