平衡車入門-MPU6050陀螺儀學習

MPU6050陀螺儀模塊一、MPU6050簡介：MPU6050是一款陀螺儀模塊，不過這個模塊可不簡單，它可以測量X、Y、Z三軸的角速度和加速度，還帶有溫度傳感器和數(shù)字運動處理器(DMP)。假如我們要制作平衡車、四軸、空中鼠標，那么MPU6050就真的是派上大用場了。二、學習MPU6050的步驟：1、學習I2C協(xié)議，因為MPU6050是通過I2C協(xié)議進行驅(qū)動的，配置寄存器和獲取數(shù)據(jù)都需要通過I2C協(xié)議去實現(xiàn)單片機與MPU6050之間的通信，所以I2C協(xié)議必須學習。2、了解MPU6050的相關寄存器，可以看中文文檔MPU6050的datasheet，再配合MPU6050的驅(qū)動庫函數(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)進行各種處理，如通過互補濾波融合得到角度。要知道只有對原始數(shù)據(jù)進行處理才能夠使用，才能發(fā)揮MPU6050的價值。三、I2C協(xié)議簡介：I2C協(xié)議是一種在單片機開發(fā)中非常常用的一個通信協(xié)議，它是通過數(shù)據(jù)總線SDA和時鐘總線SCL去完成單片機與一些傳感器模塊的通信。SCL和SDA線根據(jù)I2C的協(xié)議的標準進行一系列高低電平的變化(時序)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現(xiàn)的I2C協(xié)議，軟件I2C就是通過在單片機上找兩個IO口去充當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使用起來比較簡單，執(zhí)行速度比較快，耗時短，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，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我們先來認識下MPU6050的硬件，這是MPU6050模塊的圖片，注意是模塊，中間那個才是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單片機和51單片機的最小系統(tǒng)的區(qū)別。從MPU6050模塊正面上我們還可以看到上面標注了X、Y軸的坐標系，那個就是MPU6050自身的坐標系，如最右圖所示。

以下是MPU6050的相關管腳，不過平時我們使用MPU6050時其實只需要用到VCC、GND、SCL和SDA這四個管腳。不過我們要注意一點，就是AD0管腳的作用，我們知道I2C通信中從機是要有的地址的，以區(qū)別多個從機。當AD0管腳接低電平時，從機地址是0xD0。從MPU6050的寄存器中我們可以得到答案，MPU6050作為一個I2C從機設備的時候，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作為從機時II匚時鐘線SDAMPU6050作為從機時11匚數(shù)據(jù)統(tǒng)XCLMPU6050作為主機時口C時鐘戰(zhàn)XDAMPU6050作為主機時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1-4■OdHM口x66乖口口=口口的-Gd4日Ze"GXi二進制.*J4J4REGISTER117WHOAMI找的推WHO.AMJType;RradQmly|H?|ItKFUM-iAMwti癡時rMtflfllIMBUMJMl”,MUkW-甫卡l4|i.設而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.奇辦事的默認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)這個過程中一個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MPU6050進行讀寫傳感器數(shù)據(jù)就是對MPU6050的寄存器用I2C協(xié)議進行讀寫。對此我們還要了解MPU6050的寄存器，這個過程跟學習51單片機沒有什么區(qū)別,就是配置寄存器,讀取相關數(shù)據(jù)。五、MPU6050的幾個重要的寄存器：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附gI.]I瞅網(wǎng)/r￡4肛_。卬,_5MPI叫DW8位旗號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采樣艇動鼬的㈱蝦法采樣軋器翱計算公S；采樣率=礴隹的輸出率“I+MOT-DIV)當數(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位無符號值.配置幀向生引腳的僻2)DLPF-CFU3位無符號俯，配置數(shù)字便通消波國圾寄存器為盤螺似4如速度計配苴外部獨同步(HSYNO引腳采樣和數(shù)字低犯濾波器(DLPF).細過配置ETTGYNT'GET,可以對連榜到FSYNC用圜的一個外部信號進行采樣。FSVNC引建上的信號全化會被飩存，這樣就:能捕獲到阻加的釉閭信號&來祥結(jié)束后.鈾存睬將復位到*1苒的后YMC信號齦態(tài).根據(jù)F面的也格定義的值，來集到的數(shù)據(jù)會衿摭掉數(shù)據(jù)寄存錯中.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(DM.*raoi||囹7Bit5Bit4B1JBdlBfllBitOieXGSTYGSTZGFS_SEL[iq.-.XG-RT設置時位，K軸花蟀投進打向祖M試。YG_ST設置比位1Y軸定螺妝進行冉在初試?！隉粢?1設置此名軸配期儀進行自我側(cè)武。F\4hL?位無符號雀選擇配端似的品程口這個寄存腮星用來時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試陀螺儀的機械和電々部分.詡過設置該寄存器的XG_ST,￥G_ST和ap_STMts可以漱活尼愿較對應軸的自檢.將個軸匕檢就可以獨在邊行或同時氈行.自檢的碉應=打開自檢功能時時持泰戕輸出-未均用后檢功目凱1傳感概的翰出FEMPUflWO/MPU-破5Q教第f?冊的用氣特性表中巴袋給出『每個軸的限制范機力向橫的峋應值在規(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設置為1時,X軸加速度感庖器進行白檢2)VAST設置為I時,Y軸加速度感應器進行白檢3)ZA_ST設置為I時，Z軸加速度感應器進行自檢.AFS_SEL2位無符號總°選擇加速度計的量程.具體細節(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、三軸加速度計的相關寄存器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踐的測量值.?)ACCELYOUT16位丁星樸碼殖:*存儲最虛的Y軸加速度感罔引內(nèi)測量值.3)ACCELZOUTIE位2、補叫值.存儲最近的Z酶和施度感應器的捌量但*這些寄存樓存情加速感應器最近的測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)1一個內(nèi)部寄存翳.用戶不可見.另-個用戶可證的寄存器-內(nèi)部寄存器中數(shù)據(jù)在采樣的時候及時的到更新.僅在中行通仁接口不忙厚時.才將內(nèi)部寄存器中的值燈制到用戶可讀的寄存器中去..避免了宜接對感應測員信的突發(fā)訪問.

莊寄存揩浦中定義r每個16位的加速度測同值的最人范圍,刊于出莆的年個最大范巾都赳應一個制速度的足微度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$。門lc72-Gyiu出叩”MdiibiininieiiL!；tGYKO_XUL1_H,GYRO_AOLl_L.GYKOYOULH.GYRUYUU1L,GYROZOUTH,aridGYRDZOLTIL)Type:ReadOnlyRegiwt？r(H?JR”刷腳D^cim^k%T鼬56iM制。Bk14367<iTRC_XOUTi正中4J而西電蚊卯7叼4s69GTOO￥OwT|158|4r?flGYRC_TO<JT(70]4771GfflJOZ0UT(15.^曲72gvro_zoit[f0]這個和屈速度感Q器的裔價裾相似對應的靈敏度工FSSELFullscalftRang?ls日sensitivity0±25D腦131LSBr/S1±5007S&5,5LS日廣得2±iooavs32.3LS0HS3±200。7S懂dLSB/VS7、溫度傳感器相關的寄存器TEMP_OUT_H(0x41^TEMP_OUT_L(0x42)6)叫kiers65and缸T叫史眥reM那uremeni(.TEMPOFTHandTEYP_OUT_L)T/pe!R的dOnly腳枷|邸|RegisletIMn)K鄙解阪*即Bid4165T^OVT]1&B|.?TEMPJWHDTEMPjOUT16蛹穿號小㈱施近猛雌勰的雅魚8、PWR_MGMT_1寄存器，寄存器地址為0x6B。Type:Read'WtkeRegister隔tcbm/)BilFBhS600h1SM陽1U7—DE-_Rt$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.旦位整個器儀的位，和一個美團目度傳國器的位\)DEVICE-RESET置.】后所有的寄存雌硬位，隨后DEVICE^RESETFl動置0.ELEEP置1后進入睡眠模式CYCLE當CYCLE披設置為1.且占L1ZEP沒力,設置，MPU6OX。進入循環(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指定設備的府鐘源時鐘簿的選擇：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12C忌矮匕寸ADQ引腳邏輯了電平忖,白用的地址是biimooo.當ADO引腳遛輯高電平-忖：設備的地址是bllOIOOl10、初始化MPU6050的常用寄存器配置:/初劣臺彳匕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16位的，由于最高位是符號位，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對應的是-2000(°/s)，32767對應是2000(°/s)，當讀取陀螺儀的值是1000時，對應的角速度計算如下：32767/2000=1000/x;既x=1000/16.4(°/s)，可以看出32767/2000=16.4，對應手冊中的精度16.4LSB/(°/s)，其他范圍也是如此。如果是加速度計，采用和陀螺儀同樣的計算方法，當AFS_SEL=3時，數(shù)字-32767對應-16g，32767對應16g。把32767除以16,就可以得到2048，即我們說的靈敏度。把從加速度計讀出的數(shù)字除以2048，就可以換算成加速度的數(shù)值。舉個例子，如果我們從加速度計讀到的數(shù)字是1000，那么對應的加速度數(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，只要對原始數(shù)據(jù)除以它在該量程下的靈敏度就可以獲得實際的物理單位，原始數(shù)據(jù)時加速度的話，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：當我們得到MPU6050的原始數(shù)據(jù)時，接下來如果我們要真正用上這些數(shù)據(jù)，通常我們都會利用數(shù)學方法把它們轉(zhuǎn)換成角度。常用的方法有：一階互補濾波、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)字運動處理器(DMP)直接得到角度。1、一階互補濾波mdGEt_BalanceuintS即電offset=L#都置時用速度的雕量-fbatgyrcjit=機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?值得到實標角速度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〃注京：dt的期ifi為儂1小