王逸飞的实验室工作区

王逸飞的新家

Image J实用教程

特别致谢陈浩然助教的指导与程丰同学的协助

实验室所用的传感器为BWT901CL型蓝牙带电池传感器，由维特智能制造。其中核心模块为JY901型9轴姿态角度传感器

产品概述

模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。
采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度静态 0.05 度，动态 0.1 度。
模块内部自带电压稳定电路，工作电压 3.3v~5v，引脚电平兼容 3.3V/5V 的嵌入式系统，连接方便。
支持串口和 IIC 两种数字接口。方便用户选择最佳的连接方式。
串口速率 2400bps~921600bps 可调，IIC 接口支持全速 400K 速率。最高 200Hz 数据输出速率。输入内容可以任意选择，输出速率 0.1～200HZ 可调节。
保留 4 路扩展端口，可以分别配置为模拟输入，数字输入，数字输出，PWM 输出等功能。
具备 GPS 连接能力。可接受符合 NMEA-0183 标准的串口 GPS 数据，形成 GPS-IMU 组合导航单元。

性能参数

电压：3.3V-5V
电流：<40mA
体积：51.3 x 36mm X 15mm
焊盘间距：上下 100mil(2.54mm)，左右600mil(15.24mm)
测量维度：加速度：3 维，角速度：3 维，磁场：3 维，角度：3 维，气压:1 维(10 轴)。
量程：加速度:±16g，角速度:±2000°/s，角度±180°。
稳定性：加速度：0.01g，角速度 0.05°/s。
姿态测量稳定度：0.01°。
数据输出内容：时间、加速度、角速度、角度、磁场、气压（10 轴）。
数据输出频率 0.1Hz~200Hz。
数据接口：串口 TTL 电平，波特率默认 115200（不可更改）。
蓝牙传输距离：>10m。

其余具体说明请到此链接下载查看

用途

该模块可实时测量三个独立角加速度与三个独立的线加速度，故可用于位置，欧拉角的实时测量。

实物图

从左到右的几个重要部件为：蓝牙与加速度传感器芯片，拨动式开关，电池。

请确保：

您的电脑具有蓝牙功能且安装有LabView 2020。具体安装与破解教程可参见此链接。由于安装文件过大，安装包可找我拷贝，安装中出现的具体问题也可向我询问。
同时安装有传感器自带软件：下载在此miniimuv5.0.rar
同时准备好数据采集程序（需用LabView 2020打开）蓝牙九轴传感器.rar

开启传感器开关，利用电脑蓝牙找到HC-06（PIN：1234），连接。
解压miniIMUV5.0，打开MiniIMU。注意：打开MiniIMU前一定要关闭网络连接，否则会损坏整个文件，只能重新解压。所以miniIMUV5.0压缩包必须保存。打开后可以重新联网打开后界面如下：

通过配置面板可以调节一些参数。比如单击设置角度参考可以将当前角度全部归零，点击两次陀螺仪自动校准可以进行校准，调节回传速率可以调整采样率。等等。如图展示了配置面板与归零。

单击‘关闭’，不要退出MiniIMU。解压九轴传感器压缩包，打开文件9axis，界面如下：

六个示波器，从左到右，从上到下分别显示的是：x方向加速度，y方向加速度，z方向加速度（如何）；与x轴夹角，与y轴夹角，与z轴夹角。(夹角通过对角加速度的积分得到，误差较大)

点击左上方‘→’箭头，程序开始运行。运行界面如下

单击‘STOP’，数据文件（记事本可查看）会被保存到指定的文件路径里（可以通过Default选项调节）。如图：

其中从左到右分别是：time,ax,ay,az,anglex,angley,anglez,betax,betay,betaz。数据文件可以直接拖入Origin进行进一步处理。同时从图中可以自行读出此程序的采样率与各参量测量的分度值。

关于如何确定xyz轴的方向：打开MiniIMU，并单机‘打开’，调至加速度面板。旋转传感器，若哪个轴显示的加速度接近重力加速度，竖值向下的方向即约为该轴方向。如图：

此时x轴大致沿竖值向上方向（注意负号）

此时y轴大致沿竖直向下方向

关于MiniIMU打开失败问题：可能是串口选择错误；即使串口选择正确也有可能打开错误。需要多尝试几次。
关于数据“漂动”的问题：需要重新校准。

恳请各位老师与同学进行补充，指教，批评，谢谢！

加速度传感器常见问题及解答

Edited by 程丰

2020.07.13

Q1：我应该如何选择深圳维特智能科技有限公司的上位机（以下简称“上位机”）中的“串口号”？

A1：（Win10系统，操作系统版本18363.900）在【设置】-【蓝牙和其他设备】-【更多蓝牙选项】-【COM端口】处查看方向为“传出”的端口号，即在上位机中应选择的串口号。

注意：每次连接时，串口号随机生成。由于姿态传感器（以下简称“传感器”）的蓝牙名称都为HC-06（且尚不明确如何修改名称），建议每次将电脑与传感器相连时都在Windows【设置】-【蓝牙和其他设备】中将已配对的HC-06设备删除，再添加新蓝牙设备。

Q2：我已将加速度传感器（以下简称“传感器”）连上蓝牙，使用深圳维特智能科技有限公司的上位机打开传感器端口，串口号和波特率都正确，但显示“Port open fail！”（串口打开失败）？

A2：很可能是连错了设备，试着关闭所有传感器，删除所有已配对的HC-06设备，再逐个将设备与电脑相连。

注意：两个不同的传感器可能有相同的传出串口号，逐个将设备与电脑相连是避免混淆的最佳方式。

Q3：使用上位机能够读取数据后，我关闭了上位机的端口，用Labview程序打开相应端口并运行程序，但Labview程序上无数据显示。停止程序后再用上位机打开端口，显示“Port open fail！”？

A3：关闭上位机和LabView程序，将传感器与电脑重新用蓝牙连接。上位机能接收到数据后，选择【配置】-【通讯】，修改【通讯速率】为152000.

Q4：上述操作全部正确，但Labview程序仍无数据显示？

A4：建议重启电脑。若重启仍无法解决，可能原因为传感器处于低电量，建议更换传感器。记得在每次实验前将所用传感器都充好电。

Q5：如何用传感器获取高质量的数据？

A5：（以下仅为个人意见，且正确性有待考证。）

传感器测量出的角度由角加速度积分计算得到，这种方法存在两大缺陷：1.由于蓝牙通讯难以避免的“掉帧”问题（即某个时刻的数据点丢失），角度的误差会随时间推移而积累。2.传感器的响应速度不够快，对于高速转动的物体，在同一时刻传感器“测出”的角度很可能是此前某时刻的角度。

（如图，在绿线所示时刻传感器已停止运动，但角度仍“漂移”了较长一段时间才达到稳定。）

为了减少角度误差，一种方法是缩短测量时间。但总的来说，笔者并不建议用传感器测量高速转动的物体的角度。对于绕定点做圆周运动的物体，比较有价值的数据为传感器测出的角加速度，笔者以通过所测角加速度获取圆周运动向心加速度为例，以供参考。

（1）将传感器与研究对象固定。

（2）在上位机中选择【配置】-【校准】-【加速度】-【开始校准】，待上位机自动读取参数结束后，点击【结束校准】。

（3）点击【保存配置】，选择【加速度】一栏，观察到ax、ay、az分别为0、0、1（单位：g），说明校准成功。注意重力加速度无法消除，需要在后续数据处理中自行做差减去。

（4）无论传感器初始姿态如何，向心加速度皆为.

Q6：我已对传感器的加速度进行校准，但在后续测量中，将研究对象调整至传感器校准时的角度，传感器三个方向的加速度值却没有回到校准时的数值？

A6：很可能是传感器相对研究对象发生了转动（没固定好）。虽然传感器自身测量出的加速度值确实会随时间推移而出现偏差，但在一般来说确实时没固定好造成的（关于这一点，笔者用未拆卸外壳的传感器进行过实验，发现将传感器调整至原角度时传感器三个方向的加速度值几乎不变，又已知传感器和外壳间固定良好）。建议加固传感器与研究对象的连接。

Q7：角度X、Y、Z分别指什么？

A7：特别值得提醒的是，这并不是本体坐标系的X’轴相对空间坐标系X轴（Y、Z同理）的夹角。经笔者粗略实验，角度X、Y、Z应分别为欧拉角中的旋进角、章动角、自转角。

欧拉角在航空领域中有广泛应用，关于欧拉角可参考 https://baike.baidu.com/item/%E6%AC%A7%E6%8B%89%E8%A7%92/1626212?fr=aladdin

以及《力学（第四版）下册理论力学》（梁昆淼原著）的161-163页。