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MPU6050是由三个陀螺仪和三个加速度传感器组成的6轴运动处理组件
内部主要结构#xff1a;陀螺仪、加速度计、数字运动处理器DMP#xff08;Digital Motion Processor#xff09; MPU6050有两个IIC接口#xff0c;第一IIC接口可作为主接口给单片机传输数…一、MPU6050介绍
MPU6050是由三个陀螺仪和三个加速度传感器组成的6轴运动处理组件
内部主要结构陀螺仪、加速度计、数字运动处理器DMPDigital Motion Processor MPU6050有两个IIC接口第一IIC接口可作为主接口给单片机传输数据第二IIC接口用于连接一个第三方数字传感器如外部磁力传感器等然后通过这个IIC接口输出完整的9轴信号否则只有6轴。 那么三轴、六轴、九轴传感器这些传感器指的什么其中到底又有哪些区别呢
实际上只要说到多少轴的传感器一般是就是指加速度传感器即加速计、角速度传感器即陀螺仪、磁感应传感器即电子罗盘。这三类传感器测量的数据在空间坐标系中都可以被分解为X,Y,Z三个方向轴的力因此也常常被称为3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计。
上面3类传感器有其各自的功能特点及应用比如加速计可以测量设备的测斜情况陀螺仪可以测量设备自身的旋转运动还有磁力计可以定位设备的方位。通过它们相互组合和匹配融合又可以衍生出更多的不同应用在叫法上通过这样简单的轴数上相加的可以变成六轴传感器或者九轴传感器。
六轴传感器通常指的是三轴加速度计三轴陀螺仪三轴加速器是检测横向加速的三轴陀螺仪是检测角度旋转和平衡的可以用在体感游戏上。
九轴传感器就是三轴加速度计三轴陀螺仪三轴磁强计的组合在飞行器上是广泛应用的。 另外在九轴传感器基础上在加入气压传感器从而能获取海拔高度的数据也有人把这些传感器组合称为十轴传感器。 二、MPU6050引脚说明 1、SCL、SDA是连接MCU的IIC接口MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050此时MPU6050作为一个IIC从机设备接单片机的I2C_SCL。 2、XCL、XDA辅助IIC用来连接其他器件可用来连接外部从设备比如磁传感器这样就可以组成一个九轴传感器不需要连接单片机。并不常用 3、AD0地址管脚可以不接单片机。当MPU6050作为一个IIC从机设备的时候有8位地址高7位的地址是固定的就是WHOAMI寄存器的默认——0x68最低的一位是由AD0的连线决定的。
AD0接GND时高8位的最后一位是0所以iic从机地址是0x68
AD0接VCC时高8位的最后一位是1所以iic从机地址是0x69。 4、INT数据输出的中断引脚可以不接单片机准备好数据之后,通过中断告诉STM32,从而获取数据。 5、VCC接3.3V或5V电源GND接地 三、MPU6050工作原理
通过MPU6050读取加速度和角度的原始数据数据管理平台DMP将原始角速度转化为四元数进而完成欧拉角的计算。
MPU6050自带数字运动处理器DMP通过主IIC接口可以向CPU提供四元数CPU可利用四元数得到欧拉角。
MPU6050含有一个第二IIC接口可用于连接外部磁力传感器
角速感测范围±250、±500、±1000与±2000°/sec 四元数是什么
四元数就是简单的超复数由实数加上三个虚数单位 i、j和k 组成
就是形如a bi cj dk的数其中a、b、c 、d是实数
i2 j2 k2 -1 io jo ko 1 。
对于i、j和k本身的几何意义可以理解为一种旋转其中
i 旋转代表Z轴与Y轴相交平面中Z轴正向向Y轴正向的旋转
j 旋转代表X轴与Z轴相交平面中X轴正向向Z轴正向的旋转
k旋转代表Y轴与X轴相交平面中Y轴正向向X轴正向的旋转
-i、-j、-k分别代表i、j、k旋转的反向旋转。 欧拉角ψ,θ,φ
用来确定定点转动刚体位置的3个一组独立角参量由章动角θ、旋进角即进动角ψ和自转角φ组成。简单来说欧拉角就是物体绕坐标系三个坐标轴(x,y,z的旋转角度。
以航空次序欧拉角为例简单理解欧拉角的三个参量
ψ 通常代表方向或偏航heading or yaw
θ 通常代表升降或俯仰elevation or pitch
φ 通常代表倾斜或横滚bank or roll 姿态角
什么是姿态角(Euler角) pitch yaw roll
陀螺仪是测角速度的加速度传感器是测角加速度的二者数据通过算法就可以得到航向角yaw 横滚角roll 俯仰角pitch了单位均为度。 姿态角和欧拉角区别
对于旋转问题欧拉角指的是绕某个轴旋转的角度姿态角指的是载体系与导航系之间的关系。
滚转角是z轴与通过x轴的铅锤面的夹角
航向角是x轴投影到水平面与导航系的夹角
俯仰角则是x轴与水平面的夹角。
虽然姿态角与欧拉角概念不同但由于导航系到载体系旋转矩阵的旋转顺序是ZYXNED坐标系所以滚转角航向角俯仰角可以等价于欧拉角。姿态角可以说是其中一对特殊的欧拉角。 代码实现姿态角
#include stm32f1xx_hal.h
#include MPU6050.h // 确保你已经包含了适用于STM32的MPU6050库MPU6050 mpu6050(I2C_ADDRESS_AD0_LOW); // 使用正确的I2C地址void SystemClock_Config(void);
void MX_I2C1_Init(void);
void MPU6050_Init(void);int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_I2C1_Init();MPU6050_Init(); // 初始化MPU6050if (!mpu6050.testConnection()) {// 传感器连接失败的处理while (1);}while (1) {int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;mpu6050.getMotion6(ax, ay, az, gx, gy, gz);float accX ax * MPU6050_SENSITIVITY_16G / 32768.0f;float accY ay * MPU6050_SENSITIVITY_16G / 32768.0f;float accZ az * MPU6050_SENSITIVITY_16G / 32768.0f;float gyroX gx * MPU6050_SENSITIVITY_2000DPS / 32768.0f;float gyroY gy * MPU6050_SENSITIVITY_2000DPS / 32768.0f;float gyroZ gz * MPU6050_SENSITIVITY_2000DPS / 32768.0f;// 计算姿态角这里使用简单的数学转换作为示例float pitch atan(accY / sqrt(accX * accX accZ * accZ)) * (180.0f / M_PI);float roll atan(accX / sqrt(accY * accY accZ * accZ)) * (180.0f / M_PI);float yaw atan2(gy, gz) * (180.0f / M_PI); // 简单的yaw计算可能需要更复杂的滤波// 输出姿态角printf(Pitch: %f, Roll: %f, Yaw: %f\r\n, pitch, roll, yaw);HAL_Delay(100); // 简单的时间延迟}
}
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;这些是16位整数变量用于存储从MPU-6050读取的原始加速度计和陀螺仪数据。
getMotion6函数从MPU-6050读取六个值X轴加速度ax、Y轴加速度ay、Z轴加速度az、X轴角速度gx、Y轴角速度gy和Z轴角速度gz。 这些行将原始加速度计数据转换为实际的加速度值单位g1g ≈ 9.81 m/s²。MPU6050_SENSITIVITY_16G是加速度计的灵敏度因子32768.0f是16位整数的最大值即2^15。
同理下面一行将原始陀螺仪数据转换为实际的角速度值单位度/秒。MPU6050_SENSITIVITY_2000DPS是陀螺仪的灵敏度因子。 俯仰角是通过解算加速度计在Y轴上的分量与X轴和Z轴分量的平方和的平方根的比值得到的。atan函数返回的是弧度值通过乘以(180.0f / M_PI)转换为度。 横滚角是通过解算加速度计在X轴上的分量与Y轴和Z轴分量的平方和的平方根的比值得到的。 偏航角通常更复杂因为它可能受到加速度计和陀螺仪数据的共同影响。这里的简化版本仅使用陀螺仪的Y轴和Z轴数据atan2函数返回正确的象限角度然后转换为度。 这些计算提供了一个基本的姿态估计但可能不够稳定或准确特别是在存在噪声和传感器误差的情况下。在实际应用中通常会使用更高级的滤波算法如卡尔曼滤波器、马德威克算法或非线性观测器来提高姿态估计的准确性和稳定性。
