Velocímetro con MPU6050

7/26/2019 Velocmetro con MPU6050

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Centro de Enseanza Tcnica IndustrialOrganismo Pblico Descentralizado Federal

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Reporte de prctica 2do parcial

Velocmetro con el uso de un acelermetro MEMS

Hctor Daniel Flores Len 12310134

Fredo Martn Aviln Flores 11310026

Edgar Bernardo Plazola Arnaz 10310330

Ingeniera mecatrnica

Sistemas micro electro mecnicos (MEMS)

Matas Combs Roberto

Centro de Enseanza Tcnica Industrial

Plantel: Colomos

Turno: Vespertino

Fecha: 03/05/16


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ContenidoIntroduccin ........................................................................................................................................ 3

Objetivos ............................................................................................................................................. 3

Marco terico ...................................................................................................................................... 4

Sistemas de referencia y coordenadas ........................................................................................... 4

Acelermetro .................................................................................................................................. 6

El MPU 6050 .................................................................................................................................... 7

Especificaciones .......................................................................................................................... 8

Conversin de aceleracin a velocidad: .......................................................................................... 8

Materiales ........................................................................................................................................... 9

Desarrollo .......................................................................................................................................... 10

Diagrama esquemtico ................................................................................................................. 10Programa utilizado ........................................................................................................................ 10

Fotos de la prctica ....................................................................................................................... 24

Conclusiones ..................................................................................................................................... 25


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Introduccin

La prctica consiste en utilizar algn dispositivo MEMS para realizar unaaplicacin de nuestra eleccin. Decidimos utilizar un acelermetro, el MPU-6050,acelermetro de uso general en los ejes X, Y y Z, as como tambin cuenta congiroscopio de 3 ejes.

Nuestra aplicacin es utilizar el acelermetro para poder medir la velocidadaproximada de un cuerpo en desplazamiento, ya sea en el eje X o Y. Elacelermetro est posicionado sobre el cuerpo en movimiento, y la salida develocidad puede observarse en un arreglo de 3 display de 7 segmentos nodocomn. La salida est en metros sobre segundo cuadrado.

El control de variables y procesos matemticos para la conversin de los datos delacelermetro, as como la conversin de aceleracin a velocidad, al igual que elcontrol de los displays se realiz en el ARDUINO MEGA.

Objetivos

Realizar una aplicacin con el uso de dispositivos MEMS.

Medir y mostrar la velocidad lineal de un cuerpo en movimiento de maneraconstante, mostrando la salida en tiempo real.

Conocer el manejo y control del acelermetro, para poder utilizar susbeneficios en futuras aplicaciones.


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Marco terico

Sistemas de referencia y coordenadas

Para localizar un punto en un sistema de coordenadas, lo primero es definir unsistema de referencia claro y a ser posible comn entre los diferentes

observadores. El ms habitual en nuestra cultura es el llamado sistemacartesiano de referencia.

Para definir un punto en un espacio de 3 dimensiones necesitamos 3 nmeros,que pueden ser la proyeccin del punto en tres ejes ortogonales.

De este modo, una vez definida la unidad de medida, la posicin de cualquierpunto del espacio queda definido mediante las 3 coordenadas que llamamos x, y,z, con respecto a nuestro sistema de referencia.

Hasta aqu todo bien, pero imaginaros un avin. Cmo definimos su posicin enel espacio? Con un nico punto, de 3 coordenadas en el espacio, podemos fijarpor ejemplo su centro de gravedad, pero resulta evidente de que necesitamosadems especificar otros parmetros para saber si el avin vuela boca arriba oboca abajo, o si tiene un Angulo ascendente o descendente.Por eso para reflejar la situacin y orientacin de un avin o barco necesitamosms informacin: Los ngulos que cada uno de los ejes del aparato marca conrespecto a la nuestra referencia. Estos ngulos de desviacin respecto los ejes dereferencia se llaman en ingles Yaw, Pitch y Roll, y en castellano correspondena Guiada, Cabeceo y Balanceo.
http://www.prometec.net/wp-content/uploads/2015/10/12_01.jpg


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Por eso para definir la posicin de un avin necesitamos tres coordenadas parafijar la posicin y 3 ngulos que definan la orientacin del avin con respecto a losejes del sistema de referencia. Esta forma de referenciar la posicin mediantengulos en lugar de distancias cartesianas se llaman coordenadasangulares o polares.

Para controlar esas fuerzas se requieren sensores que nos den informacintemprana de cualquier fuerza que acte sobre nuestra nave, para corregirla si sepuede y estabilizarla. Y hay dos tipos de sensores que se usan paraesto: Acelermetros y Girscopos.

El principio de funcionamiento de girscopos y acelermetros se funda en laprimera ley de Newton o ley de la inercia. Establece que todo objeto enmovimiento tiene a mantener su estado (Inercia) hasta que una fuerza externa loperturbe.
http://www.prometec.net/wp-content/uploads/2015/10/PRY.gif


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A un sistema de referencia que no est sometido a ninguna fuerza externa se lellama un sistema de referencia inercial.

Si aplicamos una fuerza externa nuestro sistema de referencia, deja de ser inercialpor definicin y percibimos una fuerza opuestas a las aplicadas que tienden a

mantener nuestro movimiento previo. Para detectar este tipo de fuerzas usamoslos acelermetros.

Acelermetro

Un acelermetro detecta las fuerzas de inercia que empujan al sensor y lasdescomponen en las tres direcciones principales de referencia.

Cuando un acelermetro es sometido a una fuerza lateral en una direccin, elsensor interno (En la imagen la bolita) tiende a retrasarse en la direccin contrariaa la fuerza que acta y al detectar en que paredes choca y con qu intensidad,podemos calcular la direccin en intensidad de la fuerza aplicada.Hoy no se construyen ya acelermetros mecnicos con bolitas como antao, sino

que se construyen como dispositivos electrnicos integrados y basndose en elefecto piezoelctrico, que provoca pequeas corrientes inducidas cuando lainercia deforma ligeramente cristales diseados para ello.
http://www.prometec.net/wp-content/uploads/2015/10/acc.png


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Tambin encontrareis referencias a estos sistemas como MEMS o Micro ElectroMechanical Systems, porque se construyen como un hibrido de semiconductores ysistemas micro mecnicos con partes semi mviles para detectar las inercias y lasaceleraciones.

Un acelermetro, detecta la aceleracin lateral que una fuerza externa provoca enel sensor y mezclando la informacin de los tres ejes determina mediante clculo,la direccin de la fuerza que se le aplica.

No se puede despreciar tampoco las interferencias, que como sabis afectan atodos los aparatos electrnicos y los IMUs no son la excepcin.

Y por ltimo sufren tambin de un problema que se llama deriva (Shift en ingls) yque se produce porque el procesador interno del IMU calcula las orientaciones, o

si prefieres, los ejes de referencia por clculo de aceleraciones, que por muchaprecisin que se intente al final tendrn pequeos errores que se irn acumulando.

El MPU 6050

El circuito integrado contiene un acelermetro y giroscopio MEMS en un soloempaque. Cuenta con una resolucin de 16 bits, lo cual significa que divide elrango dinmico en 65536 fracciones, estos aplican para cada eje al igual que en lavelocidad angular.

Rango De EscalaCompleta Giroscopio

Sensibilidad delGiroscopio

Rango De EscalaCompleta

Acelermetro

Sensibilidad delAcelermetro

250 131 2 16384

500 65.5 4 8192

1000 32.8 8 4096

2000 16.4 16 2048


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Especificaciones

Salida digital de 6 ejes.

Giroscopio con sensibilidad de 250, 500, 1000 y 2000 dps.

Acelermetro con sensibilidad de 2g, 4g, 8g y 16g.

Algoritmos embebidos para calibracin.

Sensor de temperatura digital.

Entrada digital de video FSYNC.

Interrupciones programables.

Voltaje de alimentacin de 2.37 a 3.46 V.

10000g tolerancia de aceleracin mxima.

Conversin de aceleracin a velocidad:

El acelermetro entrega valores de aceleracin medidos en los ejes X, Y y Z.Dichos valores en bruto deben de interpretarse y convertirse a m/s^2 para poder

utilizarse en la frmula.

La frmula de velocidad lineal en el tiempo aplicada es:

El tiempo de muestreo debe de ser lo ms pequeo posible para reducir erroresgraves por falta de datos. Debido a la limitante de datos de salida del acelermetroMPU 6050, el tiempo de muestreo se estableci en 10mS.

La velocidad final fue considerada en los ejes X e Y nicamente, debido a que losdatos que el acelermetro mostraba en el eje Z variaban bastante, causandoerrores de acumulacin mayores.


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Utilizando la frmula anterior, se calculan las velocidades en cada eje cartesianoen cada instante de tiempo. Para determinar el vector velocidad total, se considerla magnitud de ambas velocidades obtenidas:

Siendo esta ltima la que se muestra en el display.

Materiales

1 display de 7 segmentos, a 3 dgitos. nodo comn.

Acelermetro MPU-6050.

Tarjeta de desarrollo ARDUINO MEGA.

3 transistores NPN 2N2222A.

9 resistencias de 330.

6 resistencias de 1K.

1 pila de 9 V.

1 push button (para establecer valores iniciales en 0).

Conectores macho-macho.


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Desarrollo

Diagrama esquemtico

Programa utilizado

#include

#include

#include

// I2C device class (I2Cdev) demonstration Arduino sketch for MPU6050 class using DMP

(MotionApps v2.0)

// 6/21/2012 by Jeff Rowberg

// Updates should (hopefully) always be available at https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

//

// Changelog:

// 2013-05-08 - added seamless Fastwire support

// - added note about gyro calibration


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// 2012-06-21 - added note about Arduino 1.0.1 + Leonardo compatibility error

// 2012-06-20 - improved FIFO overflow handling and simplified read process

// 2012-06-19 - completely rearranged DMP initialization code and simplification

// 2012-06-13 - pull gyro and accel data from FIFO packet instead of reading directly

// 2012-06-09 - fix broken FIFO read sequence and change interrupt detection to RISING

// 2012-06-05 - add gravity-compensated initial reference frame acceleration output

// - add 3D math helper file to DMP6 example sketch

// - add Euler output and Yaw/Pitch/Roll output formats

// 2012-06-04 - remove accel offset clearing for better results (thanks Sungon Lee)

// 2012-06-01 - fixed gyro sensitivity to be 2000 deg/sec instead of 250

// 2012-05-30 - basic DMP initialization working

/* ============================================

I2Cdev device library code is placed under the MIT license

Copyright (c) 2012 Jeff Rowberg

Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy

of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal

in the Software without restriction, including without limitation the rights

to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell

copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is

furnished to do so, subject to the following conditions:

The above copyright notice and this permission notice shall be included in

all copies or substantial portions of the Software.

THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR

IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,

FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE

AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER

LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,

OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN

THE SOFTWARE.

===============================================

*/

// I2Cdev and MPU6050 must be installed as libraries, or else the .cpp/.h files

// for both classes must be in the include path of your project

#include "I2Cdev.h"

#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"

//#include "MPU6050.h" // not necessary if using MotionApps include file


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// Arduino Wire library is required if I2Cdev I2CDEV_ARDUINO_WIRE implementation

// is used in I2Cdev.h

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

#include "Wire.h"

#endif

// class default I2C address is 0x68

// specific I2C addresses may be passed as a parameter here

// AD0 low = 0x68 (default for SparkFun breakout and InvenSense evaluation board)

// AD0 high = 0x69

MPU6050 mpu;

//MPU6050 mpu(0x69); //


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void dmpDataReady() {

mpuInterrupt = true;

}

// ================================================================

// === INITIAL SETUP ===

// ================================================================

void setup() {

// join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

Wire.begin();

TWBR = 24; // 400kHz I2C clock (200kHz if CPU is 8MHz)

#elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE

Fastwire::setup(400, true);

#endif

// initialize serial communication

// (115200 chosen because it is required for Teapot Demo output, but it's

// really up to you depending on your project)

Serial.begin(115200);

while (!Serial); // wait for Leonardo enumeration, others continue immediately

// NOTE: 8MHz or slower host processors, like the Teensy @ 3.3v or Ardunio

// Pro Mini running at 3.3v, cannot handle this baud rate reliably due to

// the baud timing being too misaligned with processor ticks. You must use

// 38400 or slower in these cases, or use some kind of external separate

// crystal solution for the UART timer.

// initialize device

Serial.println(F("Initializing I2C devices..."));

mpu.initialize();

// verify connection

Serial.println(F("Testing device connections..."));

Serial.println(mpu.testConnection() ? F("MPU6050 connection successful") : F("MPU6050

connection failed"));


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// // wait for ready

// Serial.println(F("\nSend any character to begin DMP programming and demo: "));

// while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer

// while (!Serial.available()); // wait for data

// while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer again

// load and configure the DMP

Serial.println(F("Initializing DMP..."));

devStatus = mpu.dmpInitialize();

// supply your own gyro offsets here, scaled for min sensitivity

mpu.setXGyroOffset(43);//220

mpu.setYGyroOffset(12);//76

mpu.setZGyroOffset(49);//-85

mpu.setXAccelOffset(-147);

mpu.setYAccelOffset(-3134);

mpu.setZAccelOffset(941); // 1688 factory default for my test chip

// make sure it worked (returns 0 if so)

if (devStatus == 0) {

// turn on the DMP, now that it's ready

Serial.println(F("Enabling DMP..."));

mpu.setDMPEnabled(true);

// enable Arduino interrupt detection

Serial.println(F("Enabling interrupt detection (Arduino external interrupt 0)..."));

attachInterrupt(0, dmpDataReady, RISING);

mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();

// set our DMP Ready flag so the main loop() function knows it's okay to use it

Serial.println(F("DMP ready! Waiting for first interrupt..."));

dmpReady = true;

// get expected DMP packet size for later comparison

packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize();

} else {

// ERROR!

// 1 = initial memory load failed

// 2 = DMP configuration updates failed

// (if it's going to break, usually the code will be 1)


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Serial.print(F("DMP Initialization failed (code "));

Serial.print(devStatus);

Serial.println(F(")"));

}

// configure LED for output

//pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

for(int i=22;i


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// reset interrupt flag and get INT_STATUS byte

mpuInterrupt = false;

mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();

// get current FIFO count

fifoCount = mpu.getFIFOCount();

// check for overflow (this should never happen unless our code is too inefficient)

if ((mpuIntStatus & 0x10) || fifoCount == 1024) {

// reset so we can continue cleanly

mpu.resetFIFO();

Serial.println(F("FIFO overflow!"));

// otherwise, check for DMP data ready interrupt (this should happen frequently)

} else if (mpuIntStatus & 0x02) {

// wait for correct available data length, should be a VERY short wait

while (fifoCount < packetSize) fifoCount = mpu.getFIFOCount();

// read a packet from FIFO

mpu.getFIFOBytes(fifoBuffer, packetSize);

// track FIFO count here in case there is > 1 packet available

// (this lets us immediately read more without waiting for an interrupt)

fifoCount -= packetSize;

#ifdef OUTPUT_READABLE_QUATERNION

// display quaternion values in easy matrix form: w x y z

mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer);

Serial.print("quat\t");

Serial.print(q.w);

Serial.print("\t");

Serial.print(q.x);

Serial.print("\t");

Serial.print(q.y);

Serial.print("\t");

Serial.println(q.z);

#endif

#ifdef OUTPUT_READABLE_EULER

// display Euler angles in degrees


mpu.dmpGetEuler(euler, &q);


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Serial.print("euler\t");

Serial.print(euler[0] * 180/M_PI);

Serial.print("\t");

Serial.print(euler[1] * 180/M_PI);

Serial.print("\t");

Serial.println(euler[2] * 180/M_PI);

#endif

#ifdef OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL

// display Euler angles in degrees


mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q);

mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity);

Serial.print("ypr\t");

Serial.print(ypr[0] * 180/M_PI);

Serial.print("\t");

Serial.print(ypr[1] * 180/M_PI);

Serial.print("\t");

Serial.println(ypr[2] * 180/M_PI);

#endif

#ifdef OUTPUT_READABLE_REALACCEL

// display real acceleration, adjusted to remove gravity


mpu.dmpGetAccel(&aa, fifoBuffer);


mpu.dmpGetLinearAccel(&aaReal, &aa, &gravity);

// Serial.print("areal\t");

// Serial.print(aaReal.x);

// Serial.print("\t");

// Serial.print(aaReal.y);


// Serial.println(aaReal.z);

#endif

#ifdef OUTPUT_READABLE_WORLDACCEL

// display initial world-frame acceleration, adjusted to remove gravity

// and rotated based on known orientation from quaternion


mpu.dmpGetAccel(&aa, fifoBuffer);


mpu.dmpGetLinearAccel(&aaReal, &aa, &gravity);


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mpu.dmpGetLinearAccelInWorld(&aaWorld, &aaReal, &q);

// Serial.print("aworld\t");

// Serial.print(aaWorld.x);


// Serial.print(aaWorld.y);


// Serial.println(aaWorld.z);

#endif

#ifdef OUTPUT_TEAPOT

// display quaternion values in InvenSense Teapot demo format:

teapotPacket[2] = fifoBuffer[0];








Serial.write(teapotPacket, 14);

teapotPacket[11]++; // packetCount, loops at 0xFF on purpose

#endif

// // blink LED to indicate activity

// blinkState = !blinkState;

// digitalWrite(LED_PIN, blinkState);

t.update();

}

}

void CalculoVel()

{

if(cont >= 2000)//tiempo de estabilizacin del acelermetro

{

if(cont2>2)

{

aRealT[0]=(aInterX[0]+aInterX[2])/2;

aRealT[1]=(aInterY[0]+aInterY[2])/2;

aRealT[2]=(aInterZ[0]+aInterZ[2])/2;


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for(int i=1;i


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}

else

{

noInterrupts();

aInterX[cont2]=aaWorld.x;

aInterY[cont2]=aaWorld.y;

aInterZ[cont2]=aaWorld.y;

interrupts();

cont2++;

}

}

else

{

cont++;

}

}

void Display(int pos, int N)

{

digitalWrite(42,LOW); // Apaga todos los digitos

digitalWrite(38,LOW);

digitalWrite(40,LOW);

for (int i= 0 ; i


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int Digit1;

int Digit2;

if(Num =2000)

{

CalculaDigitos((int)Vel);

}

}

void RESET()

{

if ( millis() > T0 + 250)

{

vReal[0]=0;

vReal[1]=0;

vReal[2]=0;

T0 = millis();

}

}


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Fotos de la prctica


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Documents

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