利用stm32f4单片机的mpu6050六轴加速度传感器

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利用stm32f4单片机的mpu6050六轴加速度传感器获取姿态角详解（有代码）
mpu6050简介：

MPU-6000（6050）为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。当连接到三轴磁强计时，MPU-60X0提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C或SPI端口(SPI仅在MPU-6000上可用)。

MPU6050，该芯片内部集成一个三轴加速度传感器和一个三轴陀螺仪，并且自带 DMP(Digital Motion Processor)，该传感器可以用于四轴飞行器的姿态控制和解算。

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MPU-6000（6050）的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IIC或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8V± 5%（MPU6000仅用VDD）。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。

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其功能如图所示：

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mup6050原理图：

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STM32F4 开发板自带了 MPU6050 传感器。我们将使用 STM32F4 来驱动 MPU6050，读取其原始数据，并利用其自带的 DMP 实现姿态解算。MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。有了 DMP，我们可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。

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对于姿态角的理解：

姿态角和自由度相关联，在控制和机械领域广泛使用，它是用航向角、俯仰角和圆滚角三个欧拉角表示。

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pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角。
yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角。
roll是围绕Z轴旋转，也叫横滚角（翻滚角）。

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pitch：
机体坐标系X轴与水平面的夹角。
当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上（抬头）时，俯仰角为正，否则为负。
pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角。

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yaw：
机体坐标系xb轴在水平面上投影与地面坐标系xg轴（在水平面上，指向目标为正）之间的夹角，
由xg轴逆时针转至机体xb的投影线时，偏航角为正，即机头右偏航为正，
反之为负。
yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角。

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rool：
机体坐标系zb轴与通过机体xb轴的铅垂面间的夹角，机体向右滚为正，
反之为负。
roll是围绕Z轴旋转，也叫翻滚角。

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DMP简介：

我们可以读出 MPU6050 的加速度传感器和角速度传感器的原始数据。不过这些原始数据，对想搞四轴之类的初学者来说，用处不大，我们期望得到的是姿态数据，也就是欧拉角：航向角（yaw）、横滚角（roll）和俯仰角（pitch）。有了这三个角，我们就可以得到当前四轴的姿态，这才是我们想要的结果。要得到欧拉角数据，就得利用我们的原始数据，进行姿态融合解算，这个比较复杂，知识点比较多，初学者不易掌握。而 MPU6050 自带了数字运动处理器，即 DMP，并且， InvenSense提供了一个 MPU6050 的嵌入式运动驱动库，结合 MPU6050 的 DMP，可以将我们的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角，从而得到 yaw、roll 和 pitch。使用内置的 DMP，大大简化了四轴的代码设计，且 MCU 不用进行姿态解算过程，大大降低了 MCU 的负担，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。使用 MPU6050 的 DMP 输出的四元数是 q30 格式的，也就是浮点数放大了 2 的 30 次方倍。

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姿态角测量原理：

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硬件设计：

采用 STM32F4 的 3 个普通 IO 连接 MPU6050，本次设计基本流程：程序先初始化MPU6050 等外设，然后利用 DMP 库，初始化 MPU6050 及使能 DMP，最后，在死循环里面不停读取：温度传感器、加速度传感器、陀螺仪、 DMP 姿态解算后的欧拉角等数据，通过串口上报给上位机（温度不上报），利用上位机软件（ANO_Tech 匿名四轴上位机_V2.6.exe），可以实时显示 MPU6050 的传感器状态曲线，并显示 3D 姿态，可以通过 KEY0 按键开启/关闭数据上传功能。

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同时，在 LCD 模块上面显示温度和欧拉角等信息。 DS0 来指示程序正在运行。所要用到的硬件资源如下：
1）指示灯 DS0
2） KEY0 按键
3） TFTLCD 模块
4）串口
5） MPU6050
这里主要分析mup6050。

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只看该作者 · 2022-4-30 12:24

从上图可以看出， MPU6050 通过三根线与 STM32F4 开发板连接，其中 IIC 总线时和 24C02
以及 WM8978 共用，接在 PB8 和 PB9 上面。 MPU6050 的中断输出，连接在 STM32F4 的 PC0
脚，不过本例程我们并没有用到中断。另外， AD0 接的 GND，所以 MPU6050 的器件地址是：
0X68。

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软件设计：

首先我们在工程中 HARDWARE 分组下首先添加了 IIC 支持的底层驱动文件 myiic.c 和源文件myiic.h，因为我们的 mpu6050 通信接口是 IIC。同时我们还增加了 mpu6050.c 源文件和对应的头文件 mpu6050 用来编写 mpu6050 相关的底层驱动。最后我们还添加了 DMP 驱动库代码到我们实验工程， DMP 驱动库代码包含 inv_mpu.c 和inv_mpu_dmp_motion_driver.c 两个源文件，以及几个头文件。

只看该作者 · 2022-4-30 12:25

由于 mpu6050.c 里面代码比较多，这里我就不全部列出来了，仅介绍几个重要的函数。
首先是： MPU_Init，该函数代码如下：

复制

//初始化 MPU6050

//返回值:0,成功 其他,错误代码

u8 MPU_Init(void)

{

u8 res;

IIC_Init();//初始化 IIC 总线

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//复位 MPU6050

delay_ms(100);

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//唤醒 MPU6050

MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺仪传感器,±2000dps

MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度传感器,±2g

MPU_Set_Rate(50); //设置采样率 50Hz

MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //关闭所有中断

MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C 主模式关闭

MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); //关闭 FIFO

MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT 引脚低电平有效

res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);

if(res==MPU_ADDR)//器件 ID 正确

{

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);//设置 CLKSEL,PLL X 轴参考

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度与陀螺仪都工作

MPU_Set_Rate(50); //设置采样率为 50Hz

}else return 1;

return 0;

}

只看该作者 · 2022-4-30 12:26

该函数对 MPU6050 进行初始化，该函数执行成功后，便可以读取传感器数据了。