STM32F4_MPU6050六轴传感器详解

只看该作者 · 2023-6-29 18:25

前言
MPU6050是当下最流行的一款六轴(三轴加速度+三轴角速度(陀螺仪))传感器。该传感器广泛的用于四轴、平衡车和空中鼠标等设计，具有非常广泛的应用范围。STM32F4板载了MPU6050传感器，本节我们将使用STM32F4来驱动MPU6050读取其最原始的数据，并且利用其自带的DMP实现姿态解算，结合匿名四轴上位机软件和LCD进行显示。

1. 姿态检测的基本概念
在飞行器中，飞行姿态是非常重要的参数，以飞机自身的中心建立坐标系，当飞机绕坐标轴旋转的时候，会分别影响到偏航角、横滚角及俯仰角。

假设我们知道飞机初始时是左上角的状态，只要想办法测量出基于原始状态的三个姿态角的变化量，再进行叠加，就可以获知它的实时姿态了。

只看该作者 · 2023-6-29 18:27

坐标系：

      抽象的说，姿态是载体坐标系和地理坐标系之间的转换关系。

      地球坐标系：以地球球心为原点，Z轴沿地球自转轴方向，X、Y轴在赤道平面内的坐标系。

      地理坐标系：它的原点在地球表面，Z轴沿当地地理垂线的方向，也就是重力加速度的方向，XY轴沿当地经纬线的切线方向。跟我们说的东南西北是一样的。

      载体坐标系：载体坐标系以运载体的质心为原点，一般根据运载体自身结构方向构成坐标系，如Z轴上由原点指向载体顶部，Y轴指向载体头部，X轴沿载体两侧方向。

其中，北轴、天轴、东轴对应的是地理坐标系。

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使用陀螺仪检测角度：

陀螺仪是最直观的角度检测器，他可以检测物体绕坐标轴转动的角速度，如同将速度对时间积分可以求出路程一样，将角速度对时间积分就可以计算出旋转的角度。

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利用加速度计检测角度：

由于直接用陀螺仪测量角度在长时间测量时会产生累积误差，因而我们又引入了检测倾角的传感器。

测量倾角最常见的例子是建筑中使用的水平仪，在重力的影响下，水平仪内的气泡能大致反映水柱所在直线与重力方向的夹角关系，利用T字型水平仪，可以检测横滚角与俯仰角，但是偏航角是无法以这样的方式检测的。

在电子设备中，一般使用加速度传感器来检测倾角，他通过检测器件在各个方向的形变情况而采样得到受力数据，根据F=ma转换，传感器直接输出加速度数据，因而被称为加速度传感器。

由于地球存在重力场，所以重力在任何时刻都会作用于传感器，当传感器静止的时候(实际上加速度为0)，传感器会在该方向检测出加速度g，不能认为重力方向测出的加速度为g，就表示传感器在该方向作加速度为g的运动。

只看该作者 · 2023-6-29 18:28

磁场检测：

为了弥补加速度传感器无法检测偏航角的问题，我们再引入磁场检测传感器，它可以检测出各个方向上的磁场大小，通过检测地球磁场，它可以实现指南针的功能，所以也称为电子罗盘。由于地磁场与地理坐标系的 “南北” 轴固联，利用磁场检测传感器的指南针功能，就可以测量出偏航角了。

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磁场检测器的缺陷：

与指南针的缺陷一样，使用磁场传感器会受到外部磁场干扰，如载体本身的电磁场干扰，不同地理环境的磁铁矿干扰等等。

只看该作者 · 2023-6-29 18:29

GPS检测：

使用GPS可以直接检测出载体在地球上的坐标，假如载体在某时刻测得坐标在A，另一时刻测得坐标为B，利用两个坐标即可求出它的航向，即可以确定偏航角，且不受磁场的影响，但这种检测方式只有当载体产生大范围位移的时候才有效(GPS民用精度大概为10米级)

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姿态融合：

可以发现，使用陀螺仪检测角度时，在静止状态下存在缺陷，且受时间影响，而加速度传感器检测角度时，在运动状态下存在缺陷，且不受时间影响，刚好互补。假如我们同时使用这两种传感器，并设计一个滤波算法，当物体处于静止状态时，增大加速度数据的权重，当物体处于运动状态时，增大陀螺仪数据的权重，从而获得更准确的姿态数据。

同理，检测偏航角，当载体在静止状态时，可增大磁场检测器数据的权重，当载体在运动状态时，增大陀螺仪和GPS检测数据的权重。这些采用多种传感器数据来检测姿态的处理算法被称为姿态融合。

只看该作者 · 2023-6-29 18:29

四元数：

在姿态融合解算的时候常常使用 “四元数” 来表示姿态，它由三个实数及一个虚数组成，因而被称之为四元数。使用四元数表示姿态并不直观，但因为使用欧拉角（也就是前面说的偏航角、横滚角及俯仰角）表示姿态的时候会有 “万向节死锁” 问题，且运算比较复杂，所以一般在处理数据的时候会使用四元数，处理完毕后再把四元数转换成欧拉角。

也就是说，四元数是姿态角的另一种表达方式。

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传感器的基本概念
之前，我们学到的DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器，以及我们本节学习的 MPU6050 六轴传感器都属于传感器中的一种。这一部分我们来总结何为传感器？

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传感器原理
在电子技术中，传感器一般是指把物理量转化成电信号量的装置。

      敏感元件直接感受被测物理量，并输出与该物理量有确定关系的信号，经过转换元件将该物理量信号转换为电信号，变换电路对转换元件输出的电信号进行放大调制，最后输出容易检测的电信号量。

      例如：温度传感器可以把温度量转换成电压信号量输出，且温度值与电压值成比例关系（这也就是敏感元件的作用：输出与该物理量有确定关系的信号），我们只要使用ADC测量出电压值，并根据转换关系即可求得实际温度值。

      陀螺仪、加速度及磁场传感器也是类似的，它们检测的角速度、加速度及磁场强度与电压值有确定的转换关系。

只看该作者 · 2023-6-29 18:31

传感器参数
传感器一般使用精度、分辨率及采样频率这些参数来进行比较，衡量它的性能：

      精度：指传感器测量值与真实物理量值之间的拟合度误差。
      分辨率：指传感器可检测到的最小物理量的单位。
      采样频率：指在单位时间内的采样次数。

只看该作者 · 2023-6-29 18:31

物理量的表示方法
      大部分传感器的输出都是与电压成比例关系的，电压值一般采用ADC来测量，而ADC一般有固定位数，如8位ADC、12位ADC等，ADC的位数会影响测量的分辨率及量程。

      假设使用一个2位的ADC来测量长度，那么2位ADC可以测量的值就只能是00 01 10 11，也就是0 1 2 3。假设它的分辨率（传感器可以检测到的最小物理量的单位）为20厘米，那么它最大的测量长度为60厘米。假如它的分辨率为10厘米，那么它的最大测量长度为30厘米，由此可知，对于特定位数的ADC，量程和分辨率不可兼得。

      在实际应用中，常常直接用ADC每位表征的物理量值来表示分辨率，如每位代表20厘米，我们称它的分辨率为1LSB/20cm，它等效于5位表示1米：5LSB/m。其中的LSB（Least Significant Bit），意为ADC的低有效位。

      使用采样得到的ADC数值，除以分辨率，即可求取得到物理量。例如使用分辨率为5LSB/m、线性误差为0.1m的传感器进行长度测量，其ADC采样得到数据值为 “20” ，可计算知道该传感器的测量值为4米，而该长度的真实值介于3.9-4.1米之间。

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MPU6050简介
MPU6050模块是一个六轴传感器模块，采用InvenSense公司的MPU6050作为主芯片，能同时检测三轴加速度、三轴陀螺仪（三轴角速度）的运动数据以及温度数据。

利用MPU6050芯片内部的DMP模块（Digital Motion Processor数字运动处理器），可对传感器数据进行滤波、融合处理，他直接通过IIC接口向主控器输出姿态解算后的姿态数据，降低主控器的运算量。其姿态解算频率最高可达200Hz，非常适合用于对姿态控制实时要求较高的领域。常见应用于手机、智能手环、四轴飞行器及计步器等的姿态检测。

只看该作者 · 2023-6-29 18:32

基本参数：
供电：3.3V~5V
      通讯接口：IIC协议，支持IIC时钟最高频率为400KHz
      测量维度：加速度3维，陀螺仪3维
      ADC分辨率：加速度16位，陀螺仪16位

      加速度测量范围：g、4g、g、g  其中g为重力加速度常数，g=9.8m/
      加速度最高分辨率：16384 LSB/g
      加速度线性误差：0.1g
      加速度输出频率：最高1000Hz

      陀螺仪测量范围：250○/s、500○/s、1000○/s、2000○/s  其中g为重力加速度常数，g=9.8m/
      陀螺仪最高分辨率：131 LSB/（○/s）
      陀螺仪线性误差：0.1○/s
      陀螺仪输出频率：最高8000Hz
      DMP姿态解算频率：最高200Hz

      温度传感器测量范围：-40~+85℃
      温度传感器分辨率：340 LSB/℃
      温度传感器线性误差：1℃、

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DMP模块（Digital Motion Processor数字运动处理器）：

从MPU6050的参数中可以得到，加速度计和陀螺仪的采样频率分别是1000Hz和8000Hz，它们是指加速度及角速度数据的采样频率，我们可以使用STM32控制器把这些数据读取出来然后进行姿态融合解算，以求出传感器当前的姿态（包括偏航角、横滚角、俯仰角）

而如果我们使用传感器内部的DMP数字运动处理器单元进行解算，他可以直接对采样得到的加速度及角速度进行姿态解算，解算得到的结果再输出给STM32控制器，即STM32无需自己计算，可直接获取偏航角、横滚角及俯仰角，该DMP每秒可输出200次姿态解算。、

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MPU6050芯片引脚：

只看该作者 · 2023-6-29 18:33

SCL：IIC从时钟信号线SCL，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
      SDA：IIC从时钟信号线SDA，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
      INT：中断输出引脚
      AUX_CL：IIC主串行数据信号线，用于外接传感器
      AUX_DA：IIC主串行时钟信号线，用于外接传感器
      VDD：3.3/5V电源输入
      VLOGIC：IO口电压，该引脚最低可以到1.8V，我们一般直接接VDD即可
      AD0：从IIC接口（接MCU）的地址控制引脚，该引脚控制IIC地址的最低位。如果接GND，则MPU6050的IIC地址是：0X68；如果接VDD，则是0X69

只看该作者 · 2023-6-29 18:33

注意：

这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！！！

在STM32F4开发板上，AD0是接GND的，所以MPU6050的IIC地址是0X68（不含最低位）。

只看该作者 · 2023-6-29 18:33

注：

      这里解释一下为什么MPU6050在有SCL和SDA两条IIC通讯信号线的基础之上，还要设置AUX_CL和AUX_DA引脚？

      我们本次使用的是MPU6050六轴传感器，其中包括三轴的加速度传感器和三轴的陀螺仪（角速度传感器）。在实际使用的过程中，可能还会使用到九轴MPU6050传感器，扩展三轴的磁场传感器。三轴的磁场传感器就需要外接芯片到MPU6050上，通过IIC和MPU6050进行通信，通讯过程中使用的引脚就是AUX_CL和AUX_DA引脚；

      MPU6050模块可以把从主机SDA/SCL接收的数据或命令通过AUX_CL和AUX_DA引脚转发到磁场传感器中。但是实际上这种功能比较鸡肋，控制麻烦且效率低，一般会直接把磁场传感器之类的IIC传感器直接与MPU6050挂载在同一条总线上（也就是都连接到SDA/SCL），使用主机直接控制。