在制作平衡車或者飛行器時(shí)，不可避免地需要知道設(shè)備本身的姿態(tài)，一般我們使用陀螺儀和加速度計(jì)來獲取這些信息。

陀螺儀用來測量物體的角度。傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺的原理，和我們小時(shí)候玩的陀螺一樣，是利用了高速旋轉(zhuǎn)的物體能保持軸線穩(wěn)定的特性；機(jī)械式陀螺需要的加工精度非常高，但是測角精度一般。后來發(fā)展出來的光纖陀螺和激光陀螺雖然原理上已經(jīng)有了很大不同，但還是沿用了陀螺儀這個(gè)叫法，它們的精度要比機(jī)械式的陀螺高很多，價(jià)格也較貴。MEMS陀螺是基于微機(jī)電技術(shù)，它的突出特點(diǎn)是體積小、成本低，但是初始精度低，一般需要校準(zhǔn)后才能獲得較理想的數(shù)據(jù)；目前市面上常見的小型飛行器、平衡車，都是用的MEMS陀螺，正是由于低成本MEMS器件的出現(xiàn)，近年來小型無人機(jī)得到了飛速發(fā)展。

加速度計(jì)用來測量物體的加速度，進(jìn)而可以積分后得到物體的速度和位移。

在一般的姿態(tài)測量的應(yīng)用中，加速度計(jì)還可以用于校準(zhǔn)陀螺儀的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)榧铀俣扔?jì)可以實(shí)時(shí)測量重力加速度，根據(jù)重力加速度的方向，可以知道物體本身的一些姿態(tài)信息。陀螺儀的數(shù)據(jù)在較短時(shí)間內(nèi)是比較準(zhǔn)確的，但是長時(shí)間會(huì)有誤差累積；所以，陀螺儀長時(shí)間的數(shù)據(jù)需要通過加速度計(jì)測得的重力角度來修正。

MPU6050集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，可以獲取物體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息。陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒，加速度計(jì)可測范圍為±2，±4，±8，±16g，使用16bitAD采樣。使用I2C接口通信。

本節(jié)我們就來使用STM32獲取MPU6050的加速度和角速度數(shù)據(jù)，并介紹一種簡單的初始校準(zhǔn)方法，最后使用匿名四軸地面站來顯示加速度和角速度的波形圖。

1）MPU6050硬件介紹

本文使用的是下圖這種MPU6050模塊（GY521）：

模塊的電路板上，已經(jīng)標(biāo)明了X軸、Y軸的方向，而Z軸的方向由X軸、Y軸通過右手定則確定。

至于各角速度的方向，也是通過右手定則確定，如下圖：

如果想把MPU6050集成到自己的電路板上，可以參考如下原理圖設(shè)計(jì)：

使用LDO降壓成3.3V作為MPU6050的供電；對外的接口最少需要連接VCC_5V、GND供電線，SCL、SDA I2C通信線。

本文把I2C的兩根線連接到STM32的I2C1對應(yīng)的引腳上。

2)配置cubemx工程

設(shè)置I2C1接口，速率為400KHz：

設(shè)置好后，生成keil工程。

3）MPU6050原始數(shù)據(jù)的獲取

STM32的HAL庫生成的硬件I2C代碼有個(gè)bug，這里我們先修正一下：

就是I2C初始化的如下函數(shù)，需要添加一句，把時(shí)鐘初始化的內(nèi)容提到GPIO初始化之前，如果不修改，硬件I2C有時(shí)不能用。

編寫代碼時(shí)，將HAL庫的I2C讀寫代碼封裝一下，以便于后面使用：

初始化MPU6050，如果我們只用最基本的功能，只要芯片喚醒，設(shè)置采樣率、濾波器、量程等操作就可以了：（具體的寄存器含義，可以查看芯片數(shù)據(jù)手冊）

初始化完成后，就可以讀取MPU6050的數(shù)據(jù)了，我們需要獲取的加速度和角速度數(shù)據(jù)，在寄存器ACCEL_XOUT_H(0x3B)為起始地址的14個(gè)字節(jié)中，其中前6個(gè)字節(jié)是三個(gè)方向的加速度，最后6個(gè)字節(jié)是三個(gè)方向的角速度。

主函數(shù)中，整個(gè)使用過程如下：

先調(diào)用MPU6050_Init()初始化、再使用MPU6050_Get()函數(shù)循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，打印輸出。

依據(jù)前面設(shè)置的量程和采樣bit位數(shù)，將加速度的原始數(shù)據(jù)還原成了g的倍數(shù)，角速度值還原成了°/s：

上述代碼運(yùn)行后，結(jié)果如圖：

這是把傳感器水平放置、靜止時(shí)的測量原始值打印輸出；可以看到，Z軸的加速度初始誤差很大，達(dá)到了0.3個(gè)g左右；同樣，X軸的角速度誤差也很大。這樣大的初始誤差是不方便使用的。

4）簡單的初始校準(zhǔn)方法

一種簡單的初始值校準(zhǔn)方法，可以依據(jù)下面的方法實(shí)現(xiàn)：將MPU6050傳感器固定好一個(gè)角度（如Z軸豎直向上），并且保持靜止；這樣它測量到的加速度值就只有單一的重力加速度，而角速度應(yīng)為0，我們只要記錄一定數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)取平均，就能得知初始的加速度、角速度偏移。

具體實(shí)現(xiàn)的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

執(zhí)行完后，ax_cl、ay_cl…等幾個(gè)變量中，就保存好了各方向的加速度、角速度的零位偏移值，以后使用時(shí)，獲取原始數(shù)據(jù)后，再減去這些零位偏移，就能獲得校準(zhǔn)后的值。

將MPU6050_Get()函數(shù)作如下改寫，就能實(shí)現(xiàn)獲取校準(zhǔn)后的值：

主函數(shù)中，while(1)之前增加一次校準(zhǔn)函數(shù)MPU6050_calibrate()的調(diào)用，再次測試結(jié)果如下：

可以看到，三個(gè)方向的加速度的偏差已經(jīng)非常小，X軸和Y軸的角速度的偏差也比未校準(zhǔn)前小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對于MPU6050這種精度較低的MEMS器件，依靠這樣一個(gè)方向的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)也可以獲取不錯(cuò)的效果。

5）波形顯示

為了跟直觀地顯示各方向的加速度和角速度值，我們可以通過一些工具來顯示波形圖，這里我們使用匿名四軸的上位機(jī)軟件來顯示。

只需要按照它的格式將數(shù)據(jù)發(fā)到上位機(jī)，就能顯示出波形，匿名四軸上位機(jī)的通信協(xié)議（V7版）如下：

我們按此格式將加速度、角速度的值填入，通過串口發(fā)送到上位機(jī)，就能顯示了，實(shí)際測試圖形如下：（顯示的是Z軸的加速度和角速度）

在實(shí)際的應(yīng)用中，加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)需要融合，比如通過互補(bǔ)濾波或者卡爾曼濾波，才能獲取更準(zhǔn)確的姿態(tài)信息；傳感器數(shù)據(jù)的初始校準(zhǔn)，也不僅僅是測試一個(gè)方向、剔除零位這么簡單。有興趣的可以找更專業(yè)的書籍深入學(xué)習(xí)。

好了，本節(jié)關(guān)于MPU6050的一些基本應(yīng)用就講到這里了。

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到了這里，關(guān)于【STM32+cubemx】0027 HAL庫開發(fā)：MPU6050陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的獲取和校準(zhǔn)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！