《智能机器人与传感器》教案课程单元设计10 - 内部传感器（陀螺仪MPU6050）

PAGEPAGE2《传感器技术与应用》一、教案头本次课标题：感知相关--陀螺仪传感器MPU6050授课班级16电子信息3-1上课时间课时：2上课地点知行楼5-413教学目标能力（技能）目标知识目标1、能使用树莓派连接陀螺仪模块2、会通过IIC辅助工具测试陀螺仪模块安装的正确性3、能使用IIC库函数对模块编程并获取数据4、懂得选择3D旋转的数学方法1、熟练掌握陀螺仪MPU6050模块的原理2、熟练掌握陀螺仪技术在机器人上的应用3、熟练掌握Python程序每一行程序的意义4、掌握从陀螺仪数据里获得姿态的方法5、掌握3D选择的数学方法：Euler、axis-angle、quoternion6、掌握上述方法的优缺点能力训练任务及案例任务1：连接并测试陀螺仪模块连接的正确性任务2：使用IIC库进行MPU6050传感器的数据获取实验任务3：调试上述代码参考资料【1】郭彤颖，张辉，《机器人传感器及其信息融合技术》，化学工业出版社，ISBN：9787122283658，2017年1月【2】贾海瀛,《传感器技术与应用》，ISBN:9787040422658，高等教育出版社，2015年9月【3】TeroKarvinen,etc.,《Make:Sensors》,ISBN:9781449368104，O'Reilly，2016【4】KimmoKarvinenandTeroKarvinen,《GettingStartedwithSensors》,ISBN：9781449367084，MakerMedia,Inc.,2014【5】树莓派官网：/【6】MPU6050姿态计算参考:http://rln.moe/appix/orange-pi-mpu6050/二、教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）1.讲解陀螺仪的工作原理2.讲解MPU6050芯片框图3.讲解陀螺仪程序4.介绍从陀螺仪数据里获得姿态的方法教师主讲及实物演示多媒体听讲解10分钟引入（任务项目）机器人最主要的部位就是身体，它定意了机器人的位置、朝向以及重心，从而决定机器人的平衡特性。从陀螺仪传感器里正好能计算到一个坐标系，从而可以获得机器人的朝向及重心计算。教师主讲多媒体听讲解5分钟操练（掌握初步或基本能力）1.连接树莓派及陀螺仪模块，并且测试IIC连接的有效性2.通过IIC库函数,编程让树莓派可以得到陀螺仪模块里面的原始数据上机指导上机实操28分钟深化（加深对基本能力的体会）获取的原始数据，需要转变成姿态坐标系。有以下两种方法：1.直接从原始数据计算（较难）2.通过MPU6050内置DigitalMotionProcessor(DMP)处理器计算，直接输出类似欧拉角或者四元组等姿态数据。3、学会使用3D旋转的数学运算方法4、知道3D旋转中gimballock的含义教师主讲上机指导实际操作演示指导+实操20分钟归纳(知识和能力)通过连接IIC协议获取数据的实战，让学生获得通过协议控制传感器的经验。从而可以推广其他协议下获取传感器数据也有类似的过程。师生互动小组讨论讨论小组讨论5分钟训练巩固拓展检验1．让学生尝试从陀螺仪得到的原始数据转变成为姿态数据。2．得到的姿态数据有可能存在噪音，了解去噪音算法（卡尔曼滤波器）的使用。师生互动实际操作演示指导+实操8分钟总结机器人的平衡性、机器人的朝向等主要的参数都需要靠陀螺仪传感器来完成。得到噪音较低的姿态数据，有利于帮助机器人运动过程中不易摔倒，以及帮助机器人在环境