平衡車入門-MPU6050陀螺儀學(xué)習(xí)

MPU6050陀螺儀模塊一、MPU6050簡(jiǎn)介：MPU6050是一款陀螺儀模塊，不過這個(gè)模塊可不簡(jiǎn)單，它可以測(cè)量X、Y、Z三軸的角速度和加速度，還帶有溫度傳感器和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)。假如我們要制作平衡車、四軸、空中鼠標(biāo)，那么MPU6050就真的是派上大用場(chǎng)了。二、學(xué)習(xí)MPU6050的步驟：1、學(xué)習(xí)I2C協(xié)議，因?yàn)镸PU6050是通過I2C協(xié)議進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，配置寄存器和獲取數(shù)據(jù)都需要通過I2C協(xié)議去實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與MPU6050之間的通信，所以I2C協(xié)議必須學(xué)習(xí)。2、了解MPU6050的相關(guān)寄存器，可以看中文文檔MPU6050的datasheet，再配合MPU6050的驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)，了解庫函數(shù)為什么要這樣配置MPU6050的寄存器。3、把獲取到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，如通過互補(bǔ)濾波融合得到角度。要知道只有對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能夠使用，才能發(fā)揮MPU6050的價(jià)值。三、I2C協(xié)議簡(jiǎn)介：I2C協(xié)議是一種在單片機(jī)開發(fā)中非常常用的一個(gè)通信協(xié)議，它是通過數(shù)據(jù)總線SDA和時(shí)鐘總線SCL去完成單片機(jī)與一些傳感器模塊的通信。SCL和SDA線根據(jù)I2C的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一系列高低電平的變化(時(shí)序)就可以完成信息的傳輸。I2C協(xié)議還分為硬件I2C和軟件I2C，硬件I2C就是通過硬件電路去實(shí)現(xiàn)的I2C協(xié)議，軟件I2C就是通過在單片機(jī)上找兩個(gè)IO口去充當(dāng)SCL和SDA線，再通過人為編寫軟件去控制SCL和SDA線的高低電平變化去模擬I2C協(xié)議。兩者的區(qū)別是硬件I2C使用起來比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行速度比較快，耗時(shí)短，但是畢竟是硬件電路，穩(wěn)定性不一定好，容易出現(xiàn)一些奇怪的問題。而軟件I2C雖然是通過軟件模擬的，執(zhí)行速度不如硬件I2C快，有一定的耗時(shí)，不過穩(wěn)定性就比硬件I2C好多了。智能車我們非常注重穩(wěn)定性，所以推薦大家還是用軟件I2C。四、MPU6050硬件介紹:LQADOWLQADOW我們先來認(rèn)識(shí)下MPU6050的硬件，這是MPU6050模塊的圖片，注意是模塊，中間那個(gè)才是MPU6050，不過只有MPU6050是不夠的，它還需要一些外圍電路才能正常工作，我們可以類比一下51單片機(jī)和51單片機(jī)的最小系統(tǒng)的區(qū)別。從MPU6050模塊正面上我們還可以看到上面標(biāo)注了X、Y軸的坐標(biāo)系，那個(gè)就是MPU6050自身的坐標(biāo)系，如最右圖所示。

以下是MPU6050的相關(guān)管腳，不過平時(shí)我們使用MPU6050時(shí)其實(shí)只需要用到VCC、GND、SCL和SDA這四個(gè)管腳。不過我們要注意一點(diǎn)，就是AD0管腳的作用，我們知道I2C通信中從機(jī)是要有的地址的，以區(qū)別多個(gè)從機(jī)。當(dāng)AD0管腳接低電平時(shí)，從機(jī)地址是0xD0。從MPU6050的寄存器中我們可以得到答案，MPU6050作為一個(gè)I2C從機(jī)設(shè)備的時(shí)候，有8位地址，高7位的地址是固定的，就是WHOAMI寄存器中的默認(rèn)值---0x68,最低一位是由AD0的連線決定的。管腳名稱說明VCC3.3-5V（內(nèi)部有穩(wěn)壓芯片）GND地線SCLMPU6050作為從機(jī)時(shí)II匚時(shí)鐘線SDAMPU6050作為從機(jī)時(shí)11匚數(shù)據(jù)統(tǒng)XCLMPU6050作為主機(jī)時(shí)口C時(shí)鐘戰(zhàn)XDAMPU6050作為主機(jī)時(shí)II匚數(shù)據(jù)踐ADO地址管M讀管腳決定了lie地址的最低一也INT中斷引腳<qyOiHMZlj01ISO.星i里：l國(guó)1-4■OdHM口x66乖口口=口口的-Gd4日Ze"GXi二進(jìn)制.*J4J4REGISTER117WHOAMI找的推WHO.AMJType;RradQmly|H?|ItKFUM-iAMwti癡時(shí)rMtflfllIMBUMJMl”,MUkW-甫卡l4|i.設(shè)而WHO._AM,iMFL-MXDI.7I-12C.丹的頭，片.AC忖h\h|由AM引腳皓式.AN5相的出職出奇甥無關(guān).奇辦事的默認(rèn)1H為由犯位,和7卷4?t性的碼力圖L5WHOAMI寄存器讀取MPU6050原始數(shù)據(jù)這個(gè)過程中一個(gè)很重要的思路就是一步一步，確保每步都正確后就很容易讀出正確的數(shù)據(jù)。我們隊(duì)MPU6050進(jìn)行讀寫傳感器數(shù)據(jù)就是對(duì)MPU6050的寄存器用I2C協(xié)議進(jìn)行讀寫。對(duì)此我們還要了解MPU6050的寄存器，這個(gè)過程跟學(xué)習(xí)51單片機(jī)沒有什么區(qū)別,就是配置寄存器,讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。五、MPU6050的幾個(gè)重要的寄存器：1、SMPLRT_DIV寄存器，寄存器地址為0x19。1)Register25-Sampk麟Divider(SMPRTDIVType:Re&dAftfrite'瞿町T型僚J，酶■*I帆I(xiàn)附gI.]I瞅網(wǎng)/r￡4肛_。卬,_5MPI叫DW8位旗號(hào)哈施過該前陀馳鼬分編得到來期率蟠存麟定映儀輸出鞠分狐用來產(chǎn)生MPU?刈的采樣率.傳翻軸器的黜，F(xiàn)IFO輸出、DMP采樣艇動(dòng)鼬的㈱蝦法采樣軋器翱計(jì)算公S；采樣率=礴隹的輸出率“I+MOT-DIV)當(dāng)數(shù)字睫濾波器沒有解的的餡斶攵的輸卅T嚼舒賦億反之等于1KHZ.2、CONFIG寄存器，寄存器地址為0x1A。Re^ter2&-ConiL^uraliuLi(CUNFIG)Type:Read/WriteIReglMfrr中唯l.tdrf1Mgl]BfirBUSEM5BUBMH1A26.OT_SYNC_SETPO|DLFTjCF印D□EXI’S￥HC_SETm位無符號(hào)值.配置幀向生引腳的僻2)DLPF-CFU3位無符號(hào)俯，配置數(shù)字便通消波國(guó)圾寄存器為盤螺似4如速度計(jì)配苴外部獨(dú)同步(HSYNO引腳采樣和數(shù)字低犯濾波器(DLPF).細(xì)過配置ETTGYNT'GET,可以對(duì)連榜到FSYNC用圜的一個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行采樣。FSVNC引建上的信號(hào)全化會(huì)被飩存，這樣就:能捕獲到阻加的釉閭信號(hào)&來祥結(jié)束后.鈾存睬將復(fù)位到*1苒的后YMC信號(hào)齦態(tài).根據(jù)F面的也格定義的值，來集到的數(shù)據(jù)會(huì)衿摭掉數(shù)據(jù)寄存錯(cuò)中.卜.次接收到的有效效據(jù)EXT_SYNC_SETfsyncbfLocationCinpuldisabled1TEMPJDUT_LP]2GYRO_XOLR_L[OJ3GYRO_YOUT_L[0]4GYRO_ZOUT_Lpj5ACCEL_XOUT_L[0]EACCEL_YOin_L[D]|7_ACCEL_ZOLFT_L[D[數(shù)字低迪灌波器是山口LPE/FG束配在，1艮甥下表中DLPF_CTG的償對(duì)加速度傳話器利尼

DLPF_CFGAculerometer(F5?1km)GyroscopeBardwidtti㈣Delay(閘Bandwidth|HZ)Dtky(ms]F5鵬D2就025609081⑻20f8319129430Sfl2&134449424B14218.5208315ID13.fi1013416519。518617RESERVEDRESERVEDe3、GYRO_CONFIG寄存器，寄存器地址為0x1B。3)Rcgi^rcr?7-Gyrwcnp#Coniigur;ilinn(CYR工CONFICi)Type;Read/Write；RvJi?七收0加時(shí)(DM.*raoi||囹7Bit5Bit4B1JBdlBfllBitOieXGSTYGSTZGFS_SEL[iq.-.XG-RT設(shè)置時(shí)位，K軸花蟀投進(jìn)打向祖M試。YG_ST設(shè)置比位1Y軸定螺妝進(jìn)行冉在初試?！隉粢?1設(shè)置此名軸配期儀進(jìn)行自我側(cè)武。F\4hL?位無符號(hào)雀選擇配端似的品程口這個(gè)寄存腮星用來時(shí)然叵螺儀門心料配置后螂植的潔晶程范?札配煤儀自檢允許用戶測(cè)試陀螺儀的機(jī)械和電々部分.詡過設(shè)置該寄存器的XG_ST,￥G_ST和ap_STMts可以漱活尼愿較對(duì)應(yīng)軸的自檢.將個(gè)軸匕檢就可以獨(dú)在邊行或同時(shí)氈行.自檢的碉應(yīng)=打開自檢功能時(shí)時(shí)持泰戕輸出-未均用后檢功目凱1傳感概的翰出FEMPUflWO/MPU-破5Q教第f?冊(cè)的用氣特性表中巴袋給出『每個(gè)軸的限制范機(jī)力向橫的峋應(yīng)值在規(guī)定的范圍內(nèi)，就能佛通過向檢：反之，就不能眄過月椅°根據(jù)I，.表，F(xiàn)iS-SEL選舞陀蟀位摘出的量程，F(xiàn)SSELFullSeal?R^ngp0士250%1±500飛2±1000飛312000”s4、ACCEL_CONFIG寄存器，寄存器地址為0x1C。4)Rcgjslct2K-AccclcrortictcTCon(ACCELCOMFIG)1)XA_ST設(shè)置為1時(shí),X軸加速度感庖器進(jìn)行白檢2)VAST設(shè)置為I時(shí),Y軸加速度感應(yīng)器進(jìn)行白檢3)ZA_ST設(shè)置為I時(shí)，Z軸加速度感應(yīng)器進(jìn)行自檢.AFS_SEL2位無符號(hào)總°選擇加速度計(jì)的量程.具體細(xì)節(jié)和.二而陀螺儀的相似口根據(jù)下表，AFS_￡EL選擇加速度傳:感器輸出的量程口5、三軸加速度計(jì)的相關(guān)寄存器ACCEL_XOUT_H(0x3B)、ACCEL_XOUT_L(0x3C)、ACCEL_YOUT_H(0x3D)、ACCEL_YOUT_L(0x3E)、ACCEL_ZOUT_H(0x3F)、ACCEL_ZOUT_H(0x40)。Rcgjstcrt39to64-AocelrfomclcrMcasuttffleflts(：ACCEL_X<XJT_H,ACCEI-XOUT^IACCELLOUTHACCELYOUAL,LCCELLOUT『,hMACCELLOUTI)lyprt：ReadonlyRegnBlecRtgbifM(口配第叫B耐質(zhì)1$BUJ網(wǎng)工麗ZBirtL_X￡XJ13C鈍3061MXELjoury5a3E?2fcCCEL.YOUTI7.013F63ACCEL.KWT[叮VM*CGEL_ZWT[r^I)ACX.ILXOUl3位2k樸碼值口存幃最近的工軸加速度感應(yīng)踐的測(cè)量值.?)ACCELYOUT16位丁星樸碼殖:*存儲(chǔ)最虛的Y軸加速度感罔引內(nèi)測(cè)量值.3)ACCELZOUTIE位2、補(bǔ)叫值.存儲(chǔ)最近的Z酶和施度感應(yīng)器的捌量但*這些寄存樓存情加速感應(yīng)器最近的測(cè)顯值口加速度傳感曙寄存眼.在同泮度傳感跆寄存器、莊螂依傳感器寄存黏和外部感應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器.都由兩部分寄存器組成(類似于STM32JJ0X系列中的卷了寄存器)1一個(gè)內(nèi)部寄存翳.用戶不可見.另-個(gè)用戶可證的寄存器-內(nèi)部寄存器中數(shù)據(jù)在采樣的時(shí)候及時(shí)的到更新.僅在中行通仁接口不忙厚時(shí).才將內(nèi)部寄存器中的值燈制到用戶可讀的寄存器中去..避免了宜接對(duì)感應(yīng)測(cè)員信的突發(fā)訪問.

莊寄存揩浦中定義r每個(gè)16位的加速度測(cè)同值的最人范圍,刊于出莆的年個(gè)最大范巾都赳應(yīng)一個(gè)制速度的足微度ACCEl_jiCVJTr如F[fri附表中所n，6、三軸陀螺儀的相關(guān)寄存器GYRO_XOUT_H(0x43)、GYRO_XOUT_L(0x44)、GYRO_YOUT_H(0x45)、GYRO_YOUT_L(0x46)、GYRO_ZOUT_H(0x47)、GYRO_ZOUT_H(0x48)。7)尺為以的$。門lc72-Gyiu出叩”MdiibiininieiiL!；tGYKO_XUL1_H,GYRO_AOLl_L.GYKOYOULH.GYRUYUU1L,GYROZOUTH,aridGYRDZOLTIL)Type:ReadOnlyRegiwt？r(H?JR”刷腳D^cim^k%T鼬56iM制。Bk14367<iTRC_XOUTi正中4J而西電蚊卯7叼4s69GTOO￥OwT|158|4r?flGYRC_TO<JT(70]4771GfflJOZ0UT(15.^曲72gvro_zoit[f0]這個(gè)和屈速度感Q器的裔價(jià)裾相似對(duì)應(yīng)的靈敏度工FSSELFullscalftRang?ls日sensitivity0±25D腦131LSBr/S1±5007S&5,5LS日廣得2±iooavs32.3LS0HS3±200。7S懂dLSB/VS7、溫度傳感器相關(guān)的寄存器TEMP_OUT_H(0x41^TEMP_OUT_L(0x42)6)叫kiers65and缸T叫史眥reM那uremeni(.TEMPOFTHandTEYP_OUT_L)T/pe!R的dOnly腳枷|邸|RegisletIMn)K鄙解阪*即Bid4165T^OVT]1&B|.?TEMPJWHDTEMPjOUT16蛹穿號(hào)小㈱施近猛雌勰的雅魚8、PWR_MGMT_1寄存器，寄存器地址為0x6B。Type:Read'WtkeRegister隔tcbm/)BilFBhS600h1SM陽1U7—DE-_Rt$eTSLEEPCYCLE*TEMP」》CUCSELpq法寄存?黑允許用戶配用電的模式卬立部漁，它還提供『一個(gè).旦位整個(gè)器儀的位，和一個(gè)美團(tuán)目度傳國(guó)器的位\)DEVICE-RESET置.】后所有的寄存雌硬位，隨后DEVICE^RESETFl動(dòng)置0.ELEEP置1后進(jìn)入睡眠模式CYCLE當(dāng)CYCLE披設(shè)置為1.且占L1ZEP沒力,設(shè)置，MPU6OX。進(jìn)入循環(huán)模式，為丁從速度傳感器?！谷珩T糜樣假，在瞳眠模式和正常數(shù)據(jù)采集模式之間切顏.每次小汨一年乘樣數(shù)描./i：I.P_WAKr._CTRI.OOS)苛存器中，訂以設(shè)置快醒后訥采樣率和趾噢醒的新率.TEMP^DIS置I后美陰層度傳解器CLK5LL指定設(shè)備的府鐘源時(shí)鐘簿的選擇：9、WHO_AM_I寄存器，寄存器的地址為0x75。Roister117-WhoAmJIWHOJ\MJ)Type：ReadOnly修”Regis4fli■fDecimri)eh?加6璃5aieBM1曬7S117,闈_m_聘力-中的內(nèi)容是MPL-f孫刈的6箭口C地斤I:電基位的第&位到第I位值為：11。1明為「iI常小MPU椀。能播簿接在一個(gè)12C忌矮匕寸ADQ引腳邏輯了電平忖,白用的地址是biimooo.當(dāng)ADO引腳遛輯高電平-忖：設(shè)備的地址是bllOIOOl10、初始化MPU6050的常用寄存器配置:/初劣臺(tái)彳匕MPU6clsc?J*杳*1**1****^**喧****#噬1+杳,*>★噬1/曦1*吉★*，****宣**喧1oidInitMPU6：'50Osinglewntei2cipwr_mgmt_i,：khO)；除休口民技..Single^Wr11e12C(SMPLRT_DrU,0x07);Single^Wuite12C(OONFIG?CxJ6>;s1nglejwrite12c(accel_config,Ok。。)；/7配電加速度計(jì)量形為2g.不盲松Single2Wi：iteI2C(GYRO^ONFIG,口kIE);J/S己武陀蚪以顯程為在；六、原始數(shù)據(jù)的單位換算：由于MPU6050數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè)16位的，由于最高位是符號(hào)位，故而數(shù)據(jù)寄存器的輸出范圍是-7FFF~7FFF，也既是-32767~32767。如果選擇陀螺儀范圍是±2000,那么意味著-32767對(duì)應(yīng)的是-2000(°/s)，32767對(duì)應(yīng)是2000(°/s)，當(dāng)讀取陀螺儀的值是1000時(shí)，對(duì)應(yīng)的角速度計(jì)算如下：32767/2000=1000/x;既x=1000/16.4(°/s)，可以看出32767/2000=16.4，對(duì)應(yīng)手冊(cè)中的精度16.4LSB/(°/s)，其他范圍也是如此。如果是加速度計(jì)，采用和陀螺儀同樣的計(jì)算方法，當(dāng)AFS_SEL=3時(shí)，數(shù)字-32767對(duì)應(yīng)-16g，32767對(duì)應(yīng)16g。把32767除以16,就可以得到2048，即我們說的靈敏度。把從加速度計(jì)讀出的數(shù)字除以2048，就可以換算成加速度的數(shù)值。舉個(gè)例子，如果我們從加速度計(jì)讀到的數(shù)字是1000，那么對(duì)應(yīng)的加速度數(shù)據(jù)是1000/2048=0.49g。g為加速度的單位，重力加速度定義為1g,等于9.8米每平方秒?？偨Y(jié)起來就是，只要對(duì)原始數(shù)據(jù)除以它在該量程下的靈敏度就可以獲得實(shí)際的物理單位，原始數(shù)據(jù)時(shí)加速度的話，物理單位就為g，原始數(shù)據(jù)為角速度的話，物理單位就為。/s。七、利用原始數(shù)據(jù)得到角度：當(dāng)我們得到MPU6050的原始數(shù)據(jù)時(shí)，接下來如果我們要真正用上這些數(shù)據(jù)，通常我們都會(huì)利用數(shù)學(xué)方法把它們轉(zhuǎn)換成角度。常用的方法有：一階互補(bǔ)濾波、清華角度濾波、卡爾曼濾波、四元數(shù)解算得到角度和直接利用MPU6050自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)直接得到角度。1、一階互補(bǔ)濾波mdGEt_BalanceuintS即電offset=L#都置時(shí)用速度的雕量-fbatgyrcjit=機(jī)曬陀蝴解度積分信教】增旨慢踴加fkaTFilter_HEiglrt~亂電匕節(jié)日4宣Get_eyrnOata()”感取三三二三尼王艮Get原始三軸江勺-^f&alancejGyrD=mpn_gyroj-的電H干5覽;〃悅始角速度St去攀?值得到實(shí)標(biāo)角速度57.236〃/商勒加功度市反二角音孑例述度自度j桑以57.2%得拈1度轉(zhuǎn)拈為度〃一隨訃凝菽心公式」簾I融含醺E_fEalarKe_Angk=Fittsrjfei^rt*g_ftccElJ^Elle+(1-FilterJfeidit)*(e_FBalaKeJingle-gJBa]laiKe_G]fro,gynojtt);iHAIM*tItMHliiX上M丁J：寸XWtM*企2、清華角度濾波3、卡爾曼濾波??鼻牛呻**李峰**■$■?<唔4為4■■事掌建中**峰小安也4.中由事事小呻單也餐年年**■?■金坤“做非呻才*■融■■嗎*4*■****事函寺事事工年中*4>■事中NKalmanS?：M//?事+?事4呻小本事峰*4也上唔4*??事權(quán)■單也船年*字也4.中**參事呻中拳營(yíng)呻呻**??鼻坤女*系事呻噂系也■14**麟鼻“*事呻4拳餐?年中*4>■事中-fl?tangle-a^gljdat;“外部需要引用的麥坦voidKalwn_FiLter(flootanglejijfloatgyr包jijf/inglu』為鬲逮15角度和gy『Q_ji為則到的帚速由("一一""const-FJofft史_卸唱14^,的1.Qjgyrg^p的丸R_e1mlgleT,5.擾-0■，魏5號(hào)〃注京：dt的期ifi為儂1小