MPU-9250 یک سنسور حرکتی 9 محوره از برند InvenSense است که سه حسگر حرکتی را در یک مجموعه ترکیب میکند:
- شتابسنج سهمحوره
- ژیروسکوپ سهمحوره
- مغناطیسسنج سهمحوره
تراشه اصلی از بخش MPU-6500 برای شتابسنج و ژیروسکوپ و سنسور AK8963 برای اندازهگیری میدان مغناطیسی استفاده میکند. هر 9 محور به مبدل آنالوگ به دیجیتال 16 بیتی مجهز هستند.
وجود این حسگرها امکان اندازهگیری حرکت خطی، چرخش و جهت نسبت به میدان مغناطیسی زمین را فراهم میکند.
مفهوم 9DOF چیست؟
عبارت 9DOF مخفف 9 Degrees of Freedom یا 9 درجه آزادی است. این عدد از مجموع محورهای اندازهگیری حسگرها به دست میآید:
- 3 محور شتابسنج: X، Y و Z
- 3 محور ژیروسکوپ: X، Y و Z
- 3 محور مغناطیسسنج: X، Y و Z
این 9 خروجی خام را میتوان با الگوریتمهای Sensor Fusion ترکیب کرد تا زاویه، جهت، شیب و وضعیت حرکتی سیستم تخمین زده شود.
عبارت 9DOF به معنی وجود 9 قطعه مکانیکی مستقل نیست؛ بلکه به 9 مؤلفه اندازهگیریشده توسط سه حسگر سهمحوره اشاره دارد.
ژیروسکوپ سهمحوره
ژیروسکوپ داخلی سرعت زاویهای جسم را حول محورهای X، Y و Z اندازهگیری میکند.
محدودههای قابل برنامهریزی ژیروسکوپ عبارتاند از:
- ±250 درجه بر ثانیه
- ±500 درجه بر ثانیه
- ±1000 درجه بر ثانیه
- ±2000 درجه بر ثانیه
محدودههای پایینتر حساسیت بیشتری برای حرکتهای آهسته دارند و محدودههای بالاتر برای چرخشهای سریع مناسبتر هستند.
شتابسنج سهمحوره
شتابسنج داخلی، شتاب خطی و اثر گرانش را در سه محور اندازهگیری میکند.
محدودههای قابل انتخاب شتابسنج عبارتاند از:
- ±2g
- ±4g
- ±8g
- ±16g
محدوده ±2g برای اندازهگیریهای حساس و حرکات آرام مناسب است، درحالیکه محدوده ±16g برای حرکتهای شدیدتر و ضربههای بزرگتر استفاده میشود.
مغناطیسسنج سهمحوره
بخش مغناطیسسنج MPU-9250 از سنسور AK8963 استفاده میکند و میدان مغناطیسی را در محورهای X، Y و Z اندازهگیری میکند.
محدوده تماممقیاس مغناطیسسنج برابر ±4800 میکروتسلا اعلام شده است. این حسگر میتواند برای تخمین جهت قطبنما و اصلاح خطای تجمعی ژیروسکوپ استفاده شود.
برای دستیابی به قطبنمای دقیق، کالیبراسیون مغناطیسسنج و جبران اثر کجی یا Tilt Compensation ضروری است.
مبدل آنالوگ به دیجیتال 16 بیتی
هر محور شتابسنج، ژیروسکوپ و مغناطیسسنج دارای خروجی دیجیتال 16 بیتی است.
خروجی 16 بیتی به معنی دقت مطلق 16 بیتی نیست. نویز، خطای آفست، تغییرات دمایی، کیفیت تغذیه و کالیبراسیون بر دقت واقعی اندازهگیری اثر میگذارند.
برای دستیابی به نتیجه پایدار باید از فیلتر نرمافزاری، کالیبراسیون و میانگینگیری مناسب استفاده شود.
رابطهای I2C و SPI
تراشه MPU-9250 از دو رابط ارتباطی اصلی پشتیبانی میکند:
- I2C
- SPI
رابط I2C برای اتصال ساده با دو خط داده و کلاک مناسب است. رابط SPI معمولاً در کاربردهایی استفاده میشود که سرعت نمونهبرداری بیشتر یا ارتباط اختصاصیتری موردنیاز باشد. تراشه اصلی MPU-9250 بهصورت رسمی از هر دو رابط پشتیبانی میکند.
امکان استفاده عملی از SPI به پایههای خارجشده روی نسخه واقعی ماژول بستگی دارد.
آدرس I2C
آدرس I2C بخش اصلی MPU-9250 با وضعیت پایه AD0 تعیین میشود:
- AD0 در وضعیت LOW: آدرس 0x68
- AD0 در وضعیت HIGH: آدرس 0x69
این قابلیت امکان اتصال دو حسگر با آدرس متفاوت روی یک باس I2C را فراهم میکند.
در بسیاری از بردهای آماده، پایه AD0 بهصورت پیشفرض به زمین متصل شده و آدرس اولیه 0x68 است.
ولتاژ کاری تراشه
تراشه اصلی MPU-9250 با ولتاژ VDD در محدوده 2.4 تا 3.6 ولت کار میکند. ولتاژ بخش ورودی و خروجی دیجیتال نیز به نسخه مدار و اتصال VDDIO وابسته است.
بنابراین نباید صرفاً براساس ظاهر برد، تغذیه 5 ولت را به ماژول متصل کرد.
برخی بردهای جانبی ممکن است دارای رگولاتور یا مدار تطبیق سطح باشند و ورودی 5 ولت را بپذیرند؛ اما بعضی نسخهها فقط برای 3.3 ولت طراحی شدهاند. پیش از اتصال باید قطعات روی برد، نوشته پایهها و مدار نسخه تحویلی بررسی شوند.
نکته مهم برای Arduino Uno
Arduino Uno و Nano کلاسیک با منطق 5 ولتی کار میکنند، درحالیکه تراشه MPU-9250 یک قطعه 3.3 ولتی است.
اگر برد ماژول دارای Level Shifter نباشد، اتصال مستقیم پایههای منطقی 5 ولتی میتواند خارج از محدوده مجاز تراشه باشد.
برای استفاده مطمئن باید یکی از روشهای زیر انتخاب شود:
- استفاده از مبدل سطح منطقی
- استفاده از Pull-up متصل به 3.3 ولت
- استفاده از بردی که رگولاتور و Level Shifter دارد
- استفاده از میکروکنترلر 3.3 ولتی
اتصال به ESP32 و STM32
ESP32، بسیاری از بردهای STM32 و Raspberry Pi Pico با منطق 3.3 ولتی کار میکنند و از نظر سطح ولتاژ برای اتصال به MPU-9250 مناسبتر هستند.
در اتصال I2C معمولاً حداقل اتصالات زیر لازم است:
- VCC یا VDD
- GND
- SDA
- SCL
برای قابلیتهای پیشرفتهتر میتوان از پایههای زیر نیز استفاده کرد:
- INT برای وقفه
- AD0 برای انتخاب آدرس
- CS برای انتخاب حالت SPI
- FSYNC برای همگامسازی فریم
- AUXDA و AUXCL برای سنسورهای جانبی
نام و ترتیب این پایهها باید از روی برد واقعی خوانده شود.
معنی «بدون لحیم»
عبارت بدون لحیم به این معنی است که پینهدر روی سوراخهای ماژول لحیم نشده است.
این حالت مزایای زیر را دارد:
- امکان لحیمکردن مستقیم سیم
- امکان نصب پینهدر نری یا مادگی
- امکان نصب زاویهدار
- کاهش ارتفاع مجموعه
- مناسب قراردادن ماژول داخل محصول نهایی
- امکان انتخاب جهت پایهها توسط کاربر
وجود یا عدم وجود پینهدر جداگانه در بسته محصول باید مطابق موجودی واقعی فروشگاه درج شود. «بدون لحیم» لزوماً به معنی همراهبودن پینهدر نیست.
پینهای رایج ماژول
بسته به طراحی برد، پایههای زیر ممکن است روی ماژول موجود باشند:
- VCC یا VDD: تغذیه
- GND: زمین
- SCL: کلاک I2C یا SPI
- SDA: داده I2C یا ورودی داده SPI
- EDA یا AUXDA: داده باس کمکی
- ECL یا AUXCL: کلاک باس کمکی
- AD0 یا SDO: انتخاب آدرس I2C یا خروجی SPI
- NCS یا CS: انتخاب تراشه در SPI
- INT: خروجی وقفه
- FSYNC: ورودی همگامسازی
همه بردهای بازار الزاماً تمام این پایهها را در اختیار کاربر قرار نمیدهند.
خروجی وقفه
پایه INT میتواند برای اعلام آمادهشدن داده یا رخدادهای تعریفشده استفاده شود.
استفاده از وقفه باعث میشود میکروکنترلر بهجای خواندن دائمی وضعیت حسگر، هنگام آمادهشدن داده عملیات خواندن را انجام دهد.
این قابلیت در سیستمهای Real-Time، ثبت حرکت سریع و پروژههای کممصرف مفید است.
سنسور دمای داخلی
MPU-9250 دارای حسگر دمای داخلی است. این خروجی عمدتاً برای جبرانسازی و پایش دمای داخلی تراشه کاربرد دارد و نباید بهعنوان دماسنج دقیق محیط استفاده شود. وجود حسگر دمای داخلی در مشخصات رسمی قطعه ذکر شده است.
Digital Motion Processor
MPU-9250 دارای واحد پردازش حرکت داخلی با نام DMP است.
DMP میتواند بخشی از پردازشهای حرکتی را از میکروکنترلر اصلی جدا کند. بااینحال، بهرهگیری عملی از قابلیتهای آن به کتابخانه، Firmware، تنظیم رجیسترها و نحوه پیادهسازی نرمافزار بستگی دارد.
وجود DMP به این معنی نیست که ماژول بدون برنامهنویسی، زاویه دقیق یا خروجی آماده جهتیابی ارائه میکند.
Sensor Fusion و محاسبه زاویه
برای محاسبه Roll، Pitch و Yaw باید داده حسگرهای مختلف با یکدیگر ترکیب شوند.
الگوریتمهای رایج عبارتاند از:
- Complementary Filter
- Kalman Filter
- Madgwick Filter
- Mahony Filter
- الگوریتمهای اختصاصی DMP
ژیروسکوپ پاسخ سریع دارد، اما با گذشت زمان دچار Drift میشود. شتابسنج مرجع مناسبی برای جهت گرانش است، اما نسبت به لرزش و حرکت خطی حساس است. مغناطیسسنج نیز مرجع جهت افقی ارائه میکند، اما از اجسام فلزی و میدانهای الکتریکی تأثیر میپذیرد.
ترکیب صحیح این اطلاعات، نتیجه پایدارتری نسبت به استفاده از یک حسگر بهتنهایی ایجاد میکند.
کالیبراسیون ژیروسکوپ
ژیروسکوپ در حالت سکون ممکن است مقدار کاملاً صفر نمایش ندهد. این مقدار با نام Zero-Rate Offset شناخته میشود.
برای کالیبراسیون اولیه میتوان ماژول را روی سطح ثابت قرار داد، چند صد یا چند هزار نمونه دریافت کرد و میانگین هر محور را بهعنوان Offset در نظر گرفت.
در هنگام کالیبراسیون، ماژول نباید حرکت کند یا در معرض لرزش باشد.
کالیبراسیون شتابسنج
شتابسنج نیز ممکن است دارای خطای آفست و مقیاس باشد. برای کالیبراسیون بهتر میتوان هر یک از محورهای مثبت و منفی را در راستای گرانش قرار داد و خروجیها را با مقادیر مورد انتظار مقایسه کرد.
کالیبراسیون ششحالته برای کاربردهایی که دقت بیشتری نیاز دارند، مناسبتر است.
کالیبراسیون مغناطیسسنج
مغناطیسسنج باید پس از نصب در محصول نهایی کالیبره شود؛ زیرا پیچها، باتری، موتور، آهنربا، سیمهای جریان بالا و بدنه فلزی میتوانند میدان مغناطیسی اندازهگیریشده را تغییر دهند.
کالیبراسیون معمولاً برای جبران دو نوع خطا انجام میشود:
- Hard-Iron Distortion
- Soft-Iron Distortion
حرکتدادن ماژول در جهتهای مختلف و جمعآوری نمونههای کافی برای محاسبه Offset و Scale ضروری است.
محل نصب ماژول
برای دستیابی به اندازهگیری بهتر، ماژول باید:
- روی بخش محکم بدنه نصب شود.
- از موتور و آهنربا فاصله داشته باشد.
- نزدیک سیمهای پرجریان قرار نگیرد.
- از لرزش مکانیکی شدید محافظت شود.
- جهت محورهای آن مشخص باشد.
- روی سطح صاف نصب شود.
- پس از نصب نهایی کالیبره شود.
در پهپادها و رباتها ممکن است استفاده از لرزهگیر مکانیکی ضروری باشد.
تفاوت MPU-9250 با MPU-6050
MPU-6050 یک حسگر 6 محوره است و شامل موارد زیر میشود:
- ژیروسکوپ سهمحوره
- شتابسنج سهمحوره
MPU-9250 علاوه بر این دو حسگر، دارای مغناطیسسنج سهمحوره است و در مجموع 9 محور اندازهگیری ارائه میکند.
برای پروژههایی که فقط شیب و حرکت نسبی اهمیت دارد، MPU-6050 ممکن است کافی باشد. برای تخمین جهت نسبت به میدان مغناطیسی، MPU-9250 امکانات بیشتری ارائه میکند.
تفاوت MPU-9250 با MPU-6500
MPU-6500 شامل ژیروسکوپ و شتابسنج سهمحوره است و یک IMU ششمحوره محسوب میشود.
در ساختار MPU-9250، بخش شتابسنج و ژیروسکوپ بر پایه MPU-6500 بوده و یک مغناطیسسنج AK8963 نیز به مجموعه افزوده شده است.
وضعیت تولید MPU-9250
شرکت TDK مدل MPU-9250 را در وضعیت Obsolete قرار داده و ICM-20948 را بهعنوان گزینه جایگزین پیشنهادی معرفی کرده است؛ البته سازنده تأکید میکند که قابلیت جایگزینی مستقیم تضمین نشده است.
این وضعیت باعث شده تشخیص اصالت نمونههای موجود در بازار اهمیت زیادی داشته باشد.
وجود نوشته MPU-9250 روی تراشه یا برد، بهتنهایی اثباتکننده اصالت نیست. برای درج کلمه Original بهتر است سوابق خرید، تأمینکننده و نتایج آزمون بررسی شوند.
روشهای اولیه بررسی تراشه
برای بررسی اولیه ماژول میتوان موارد زیر را آزمایش کرد:
- خواندن رجیستر WHO_AM_I
- بررسی پاسخ I2C در آدرس 0x68 یا 0x69
- خواندن دادههای سه محور ژیروسکوپ
- خواندن دادههای سه محور شتابسنج
- بررسی دسترسی به مغناطیسسنج
- اجرای Self-Test
- بررسی تغییر صحیح دادهها هنگام حرکت
- بررسی میزان نویز در حالت سکون
پاسخدادن به رجیسترها و نمایش داده صحیح، نشانه عملکرد ماژول است؛ اما بهتنهایی اصالت کامل تراشه را اثبات نمیکند.
کاربردهای ماژول MPU-9250
- ساخت پهپاد و کوادکوپتر
- کنترل تعادل ربات
- رباتهای دوچرخ
- سامانههای تشخیص وضعیت
- ثبت حرکت بدن
- کنترلرهای حرکتی
- تجهیزات پوشیدنی
- هدایت و ناوبری ربات
- تشخیص چرخش و شیب
- سیستمهای پایدارکننده دوربین
- کنترل گیم و شبیهساز
- پروژههای واقعیت مجازی
- ثبت دادههای حرکتی
- تجهیزات تحقیقاتی
- پروژههای Arduino
- پروژههای ESP32 و STM32
- سیستمهای اندازهگیری اینرسی
- تشخیص جهت و قطبنما
مزایای ماژول MPU-9250
- اندازهگیری 9 محور
- ترکیب ژیروسکوپ، شتابسنج و مغناطیسسنج
- مبدل 16 بیتی برای تمام محورهای اصلی
- محدوده قابل تنظیم ژیروسکوپ
- محدوده قابل تنظیم شتابسنج
- پشتیبانی از I2C و SPI
- دارای خروجی وقفه
- مجهز به DMP
- دارای حسگر دمای داخلی
- ابعاد کوچک
- مصرف توان مناسب
- مناسب سیستمهای امبدد و رباتیک
- امکان انتخاب آدرس I2C
- نسخه بدون پین لحیمشده برای نصب سفارشی
محدودیتهای ماژول
- برای نتیجه دقیق به کالیبراسیون نیاز دارد.
- ژیروسکوپ در طول زمان Drift ایجاد میکند.
- مغناطیسسنج به فلز و میدان الکترومغناطیسی حساس است.
- خروجی زاویه آماده بدون پردازش نرمافزاری ارائه نمیشود.
- تراشه اصلی 3.3 ولتی است.
- تمام بردها دارای Level Shifter نیستند.
- کیفیت بردهای بازار یکسان نیست.
- تشخیص اصالت تنها از ظاهر امکانپذیر نیست.
- مدل MPU-9250 از سوی سازنده منسوخ شده است.
- لرزش مکانیکی میتواند دقت شتابسنج را کاهش دهد.
- جهت محورهای چاپشده باید با نصب واقعی تطبیق داده شود.
مشخصات فنی محصول
- مدل تراشه: MPU-9250
- نوع محصول: ماژول اندازهگیری اینرسی
- تعداد درجات آزادی: 9DOF
- ژیروسکوپ: سهمحوره
- شتابسنج: سهمحوره
- مغناطیسسنج: سهمحوره
- مدل مغناطیسسنج داخلی: AK8963
- دقت خروجی محورها: 16 بیت
- محدوده ژیروسکوپ: ±250، ±500، ±1000 و ±2000 درجه بر ثانیه
- محدوده شتابسنج: ±2g، ±4g، ±8g و ±16g
- محدوده مغناطیسسنج: ±4800µT
- رابط ارتباطی: I2C و SPI
- آدرس رایج I2C: 0x68 یا 0x69
- ولتاژ VDD تراشه: 2.4 تا 3.6 ولت
- ولتاژ منطقی: وابسته به VDDIO و طراحی برد
- خروجی وقفه: دارد
- DMP داخلی: دارد
- حسگر دمای داخلی: دارد
- پینهدر لحیمشده: ندارد
- نیاز به برنامهنویسی: دارد
- نیاز به کالیبراسیون: دارد
- وضعیت تولید تراشه: Obsolete
- جایگزین پیشنهادی سازنده: ICM-20948 با عدم تضمین سازگاری مستقیم
مشخصات ولتاژ ورودی ماژول، ابعاد PCB، تعداد پایهها و وجود رگولاتور یا Level Shifter باید براساس نسخه واقعی برد تحویلی ثبت شوند.
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.