国际会计师联合会研讨会会刊：第九届会议控制教育进展

第九届国际会计师联合会研讨会会刊控制教育进展国际自动控制联合会下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19-21日，2012一体化的惯性的测量MATLAB的into平台单元西穆林克卢k“a阿扎尔sP艾尔k奥五我阿扎尔c∗约泽夫R奥迪娜∗∗L阿扎尔u乙奥阿扎尔sCh奥五阿内克∗∗∗P以太胡宾斯克y“∗∗∗∗∗斯洛瓦克大学的技术、法库尔蒂的电气工程和信息Te奇诺尔奥gy伊尔科夫我阿扎尔科瓦3,乙r阿蒂斯拉娃81219斯洛伐克（电子邮件：卢卡斯。帕尔科维奇@stuba.sk）∗∗斯洛瓦克大学的技术、法库尔蒂的电气工程和信息Te奇诺尔奥gy伊尔科夫我阿扎尔科瓦3,乙r阿蒂斯拉娃81219斯洛伐克（电子邮件：卢卡斯。帕尔科维奇@stuba.sk）∗∗∗斯洛瓦克大学的技术、法库尔蒂的电气工程和信息Te奇诺尔奥gy伊尔科夫我阿扎尔科瓦3,乙r阿蒂斯拉娃81219斯洛伐克（电子邮件：卢卡斯。帕尔科维奇@stuba.sk）∗∗∗∗斯洛瓦克大学的技术、法库尔蒂的电气工程和信息Te奇诺尔奥gy伊尔科夫我阿扎尔科瓦3,乙r阿蒂斯拉娃81219斯洛伐克（电子邮件：卢卡斯。帕尔科维奇@stuba.sk）摘要：这文件代斯克里贝斯a模块化硬件平台为惯性的测量单元及其集成到MatlabSimulink。它的目的是给学生一种在环境中使用真实设备工作的方法，因为他们熟悉。他们能够列车信号处理和滤波的变异方法并且他们能够熟悉使用的MEMS陀螺和加速度计。关键词：惯性的测量单位、微机电系统传感器、传感器融合、Matlab西穆林克1. 导言微机电系统（微电子机械系统）传感器阿雷连词wich对确定物体在惯性参照框架中的位置很常用。他们的信号可以在某些应用中使用最直接的。在其他应用（用于飞机上的实例），更多老谋深算的方法有被使用的过程信号从他们的传感器。惯性测量单元（IMU）测量惯性状态变量的安对象在空间苏奇美国重力力量，方位和速度。这些物体可以成为机器人、飞机、卫星etc.他们的部队装备了加速度计和陀螺镜。 微机电系统版本的泰姆哈斯贝恩可利用的论多年来的市场和感谢他们的大小和低廉的价格，他们可以使用非常广泛诺瓦达伊斯。加速度计和陀螺仪哈夫索姆负伤。补偿他们的一个方法是将更多的传感器与之结合起来差速器属性在秩序到阿基耶韦夫贝特一般表现。Fux（2008）显示传感器数据融合作为补充或卡尔曼的六种方式过滤器。自从我们学院的机器人服务讲习班以实践为导向，我们鼓励学生使用真实设备工作以来，创建了一个模块化的IMU平台，该平台配备了一台交流电子显微镜和陀螺仪。Then A Mat-Lab Simulink块表示此测量单元和工作在雷亚尔时代was阿尔索准备好了。 现在学生can评价属性的the传感器和进程泰尔在已知的环境中的信号他们。2. 电子学木板到make the教学进程更多现实和对学生的兴趣，为你准备了真正的硬件。下一部分描述的机械部分的目的是在保持其在桌面上的同一位置时提供一些运动，通过这些运动来衡量改变对象的位置，通过不同的参照方法来衡量其位置。Then，信号处理的结果可以与它们的参考测量进行比较。它的目标是让学生使用传感器，尝试和评估更多的数字处理技术，比较他们的结果，并选择他们中最擅长的一个技术。平台最重要的部分就是电子。Its布洛克图解is肖恩在无花果。 1. There阿雷二印刷电路的董事会。其中一个板是一个带有数字信号控制器的控制板，它用于将信号从传感器转换到数字数据，并使某些基本数据处理。 一个16位数字信号控制器dsPIC33FJ64GP306A[Microchip（2009）]byMicrochip已使用。PICKIT3程序员was乌塞德到调试资讯科技和程序资讯科技维亚接口ICSP。另一个板是一个传感器板。与之接近a分离器木板allows用户到变化the木板和978-3-902823-01-4/12/$20.00©2012国际会计师联合会20010.3182/20120619-3-RU-2024.0089第九届国际会计师联合会讨论会控制教育进展下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19日至21日，2012201无花果。 1. 布洛克图解的the电子学的the平台使用传感器的变异类型。我们的传感器板使用一个MMA7361[飞思卡尔（2008）]Wich是一个3轴加速度醚，由飞思卡尔输出一个类似物。它也照样使用陀螺仪LPY530AL[意法半导体（2009b）]X轴和Y轴的mea-旋转角率和Z轴的LPR530AL[STMI-Croelectronics（2009a）]测量。Both类型是通过制造的意法半导体公司。控制器发生器一种标准的PWM（脉宽调制）信号，频率为50Hz，标称脉冲持续时间为1.5 ms。此信号控制伺服HXT500六电电机。目的是移动审查委员会。那些惯性变量可以通过传感器来衡量董事会。在秩序到哈夫更多普雷西位置信号、the伺服机构莫托尔was修改过的。 后反组装作用the内部电位器的位置反馈电压是引出的，也是控制器的方法。这个信号是有保障的要成为the参考信号为量度来自the惯性微机电系统传感器。A连载港口和USB/串行港口适配器阿雷乌塞德到用Matlab将控制器引入计算机Simulink.3. 机械设计无花果。 2. 秀a素描的the机械学。 There is a立式墙体与a普罗特拉克托尔拉温论资讯科技。 A位置伺服机构电机安装在牵引机及其轴的中间位置是定向水平的。一个装有电子板的甲板被安置在轴上。上一篇文章中描述的那些木板部分。在板平面的方向上有一个箭头指向牵引器。目标角度是水平平面和板的平面之间的角度，它可以用牵引器测量视觉。当the电动机is动、这安格尔改变。 这传感器板输出的近似信号处理（引力投影和陀螺）应采用的角度和角速率是照常测量的时刻）。一个附加的臂可以安装在轴上。这些传感器将位于旋转中心之外，而板上加速度计的输出将受到板的离心机和切线加速度的影响。无花果。二、的机械构造看台4. 通信协议用C语言和MPLAB IDE编程的已用控制器用于编程和调试。Its固件乌塞斯安内部类似物到数字变换器从传感器测量信号，并将其生成为电机的请求PWM信号。控制器将其串行端口用于与PC机通信，该PC机设置为表执行1.一号桌。串行端口设置参数价值数据比特8通信速度115 200波特流控制无帕里蒂不斯托比特1PC发送命令以向量形式到达IMU。三个ASCII值的It一致性（第一值代表十、第二值代表单位和第三是回车的限定符人物）。IMU设备以文本形式和带有跟随格式的行发送数据使用：• 时代[女士]• 安格尔来自电位差计[程度]• 加速度计的角度X[女士-2】• 加速度计的角度Y【女士-2】• 加速度计的角度Z【女士-2】• 陀螺仪X轴转角率【拉德斯-1】• 陀螺仪在Y轴的转角率【拉德斯-1】• 陀螺仪在Z轴的转角率【拉德斯-1】物品是标签分隔的，线是由一个回车字符分隔的。那些不是所有变数的笔记都受到马达运动的影响。在一个完美的案例中他们的一些停留康斯坦特。有自己想法或的高动力学生特殊要求是允许修改固件和协议的。第九届国际会计师联合会讨论会控制教育进展下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19日至21日，2012202无花果。 3. 布洛克舍梅马蒂奇的互补性过滤器5. 传感器融合算法5.1 微机电系统特性传感器在使用传感器的顺序中融合校正，传感器的属性哈夫到be知道了。 微机电系统加速度计阿雷良好的感应静态测量就像细胞电话中的慢倾斜仪。在另一只手，他们的产量很高频率噪声和他们感不只重力加速但also离心机加速和其机体的线性加速。中的It影响干扰惯性测量。微机电系统陀螺测量转角率和他们的输出已经集成到偏角。Hence他们在高频下做得非常好，但积分均值对角速率中的小偏差的测试是一样的。角度上的亚序它因意义漂移信号。5.2 互补性过滤器信号传感器融合的最方便途径之一与迪斯特尔班塞 斯 is 互 补 性 过 滤 器 在 鲍 德 温 等 人 的 解 释 。（2007）它基于它们的互补谱特征诺伊塞斯。阿苏梅·信号x及其两个衡量标准y1和y2带高频噪声的在1和低频干扰-bance在2。y1= x+在1（一）5.3 卡尔曼过滤器卡尔曼滤波是一个widely用态估计量。就像其他方法一样，它记述了受控系统的模型。别说经典方法，it照样记述测量的特性（噪音，其他干扰）。卡尔曼滤波请求系统的状态空间模型及其在离散情况下的适用性很强版本。卡尔曼滤波器的原理比互补滤波器更难处理，而且它也更多地处理复杂（矩阵反转、换位和乘法）。它是一个问题，但在现代数字信号控制器中是可实现的。关于卡尔曼滤波器的更多信息可以在古德温等地找到。（2001年）。我们喜欢学生也会在这方面工作方法。6. 西穆林克一体化IMU设备通过一个带有虚拟串行端口仿真的usb端口连接到PC上。因此，用户可以在任意应用程序中任意读写数据。软件工具Matlab是选择我们的项目。Matlab串行通信参数需要在第4节中设置对通信协议进行协调的协议。现在，一个连续对象被创造了。这些对象是使用在Simulink打开，关闭，读写端口。用户可以定义角度值和时间序列值的向量（必须是相同的长度），它将在模拟中使用。从IMU设备接收的数据被收集（存储）到矩阵中。这个数据矩阵可以在Simulink方案中使用到很晚学生可以在哪里实现变异过滤算法。另一个方法是集成串行通信-直接到Simulink。一个Simulink子系统块IMU看台was制造。 资讯科技克里亚特斯the人物矢量从它输入和发送到串行端口的干燥角度。在另一边它解析从串行端口接收的数据。The数据is可利用的美国布洛克输出。 这布洛克is在无花果里露面。 4.安埃克安普勒的如何到使用这布洛克与互补滤镜在无花果中显影。 5.y2= x+在2具有互补谱特征的两个跨fer函数组合的Assume互补滤子F1（s）和F2（s）在哪里F1（s）是一种低通滤波器传递函数和F2（s）是一种高通滤波器传输功能。F1 （ s ） +F2 （ s ） =1（二）这就是它们的滤波器通全频范围的影响输入信号、豪韦弗F1（s）抑制the噪声在1和F2（s）旨在减少缓慢的干扰在2。这些都可以通过跟随来描述方程式。Xˆ（s）=F（二）Y（s）+F（s）Y（s）=7. 测量人员埃克安普勒安 实 验 文 件 记 录 the 功 能 的 the IMU 单 位 ， 它 在Simulink和一个补充过滤器was准备块。在开始板是在水平位置（角度0度）。90度的一步是应用和马达移动板到垂直位置。无花果。 6. 秀信号来自the内部电位差计的无任何加速度计的伺服（实角）和角度过滤。 笔记西格尼菲坎特振荡作用回应和噪声1122（三）在信号里。那里也是一样超调。=X（s）+F 1（s）在1（s）+F 2（s）在2（s）布洛克舍梅马蒂奇的互补性过滤器乌塞德比学生们在无花果里露面。 3.在逆境中，Fig。七、展示真实角度与陀螺仪角度的比较。瞬态响应函件与伊奇其他但是the斯特亚迪州价值来自陀螺仪里塞斯在时间。 苏奇信号坎诺特be乌塞德directly第九届国际会计师联合会讨论会控制教育进展下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19日至21日，2012203无花果。 4. 巴西奇IMU布洛克和its信号在西穆林克无花果。五、与互补的IMU过滤器去测量角度。Hence这个传感器更好高频和低频率范围的词。加速度计和陀螺仪的信号是滤波的，这种滤波的结果在无人驾驶飞机上显现。八、泰尔和is then比较到雷亚尔安格尔在无花果。 9.8. 使用AT平台讲习班IMU设备诱骗学生变异视角进入信号亲塞辛。他们可以在Simulink中利用基本区块过滤的高级设计方法。IMU设备是理解如何使用原始信号的非常有用的工具数据和then如何到雷杜采the信号噪音。 The无花果。六、交流测色仪的直客观角与实数的比较安格尔无花果。七、陀螺范围与实数的直斜角比较安格尔无花果。八、加速度计和陀螺仪滤波信号及其和第九届国际会计师联合会讨论会控制教育进展下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19日至21日，2012204无花果。九、互补滤波输出与实值的比较电位差计学生们看到设备需要的原始信号被过滤掉了。不要求理解串行通信到集向上the设备。 送和将数据接收到设备并从其接收是在Matlab中实现的。 诺瓦达斯、Matlab西穆林克is非常使用工具为大学的教育目的和世界所知[Huba等人（2011年）]，[Kaluz等人 （2011年）]。一个平台的照片是在无花果中展示的。 10.9. 会合IMU 设 备 是 为 我 们 学 院 学 习 计 划 的 Var-iousWorskshops中的学习支持而设计的，ES-Pecially在应用信息学中，工业信息学和机器人学。这种设备是教育领域的一种革命性设备，它完全可以轻松地与PC连接维亚USB. The舒适的通信协议允许学生使用变异编程语言（就像Java，C/C++，Matlab）来实现他们自己的滤波算法，机器人惯性导航系统或其他自动化技术。在订单了解反馈反馈控制理论，它是非常有用的学生学习如何从传感器从实际工业应用，机器人平台或手机。 学生威尔be阿布尔到萨格斯特泰尔own伺服电机轴接收传感器信号和控制角度的解决方案。在未来，我们将在一个虚拟和远程实验室工作，以便利用我们机器人领域的当代知识改进教育学院。埃克诺莱杰门茨这项工作是由政府部门的拨款局支持的教育和学院的科学的斯洛瓦克共和国织女星在第1/0690/09号和第1/1105/11号赠款下和由赠款支助青年科学家在第1/0690/09号赠款下。奥维维C阿 扎 尔/2011. The作者阿雷请到a ckn奥弗莱奇这支援。参考资料dsPIC33FJ64GP306A数据表。微芯片，美国，2009年http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70593C.pdf无花果。10.《the’s’的照片》平台G.鲍德温，R。马霍尼，J。通快，T。哈默尔，T。特殊欧几里得上的Cheviron互补滤波器设计集团SE。第九欧洲控制权关于行为方式的矛盾欧加组织的、科斯、希腊、2007.G.C.古德温，S.F。格雷比，医学博士。萨尔加多（2008年）。控制系统设计。 普伦蒂斯哈尔l、上马鞍河、美国J.L.马林斯，X。云，E.R。巴赫曼，R.B。麦吉，M.J。Zyda An扩展卡尔曼滤波器用于利用MARG传感器进行基于四元数的方位估计。间-国家会议论智能机器人和系统，毛伊岛，夏威夷，美国，pages2003-2011，2001LPR530AL数据床单。意法半导体公司http://www.st.com/internet/com/技 术 - 加州资源/技术文献/数据表/CD00237209.pdfLPY530AL数据床单。意法半导体公司http：//www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpy530al.pdfM.胡巴，M。面向面训练和远程实验的哈拉斯水力植物新兴电子教学技术与应用、斯塔拉·莱斯纳、佩奇斯79-81号，十月2011M.卡卢兹，L。Cirka，M。FCFT STU教育过程中的虚拟Fikar和远程实验室ratories交互式-主动协作学习、布拉迪斯拉发、佩奇134-139、九月2011M.胡巴，M。面向面训练和远程实验的哈拉斯水力植物新兴电子教学技术与应用、斯塔拉·莱斯纳、佩奇斯79-81号，十月2011MMA7361数据床单。2008年，美国Freescalehttp://www.freescale.com/files/sensors/doc/data表格/第九届国际会计师联合会讨论会控制教育进展下诺夫哥罗德，俄罗斯，6月19日至21日，2012205MMA7361L.pdfS.无人机的Fux惯性测量装置和小牛队。M.恩。瑞士联邦研究所thesis技术，苏黎世、瑞士、2008