MEMS陀螺仪_MEMS陀螺仪「建议收藏」

在制作平衡车或者飞行器时，不可避免地需要知道设备本身的姿态，一般我们使用陀螺仪和加速度计来获取这些信息。

陀螺仪用来测量物体的角度。传统的机械式陀螺的原理，和我们小时候玩的陀螺一样，是利用了高速旋转的物体能保持轴线稳定的特性；机械式陀螺需要的加工精度非常高，但是测角精度一般。后来发展出来的光纤陀螺和激光陀螺虽然原理上已经有了很大不同，但还是沿用了陀螺仪这个叫法，它们的精度要比机械式的陀螺高很多，价格也较贵。MEMS陀螺是基于微机电技术，它的突出特点是体积小、成本低，但是初始精度低，一般需要校准后才能获得较理想的数据；目前市面上常见的小型飞行器、平衡车，都是用的MEMS陀螺，正是由于低成本MEMS器件的出现，近年来小型无人机得到了飞速发展。

加速度计用来测量物体的加速度，进而可以积分后得到物体的速度和位移。

在一般的姿态测量的应用中，加速度计还可以用于校准陀螺仪的数据。这是因为加速度计可以实时测量重力加速度，根据重力加速度的方向，可以知道物体本身的一些姿态信息。陀螺仪的数据在较短时间内是比较准确的，但是长时间会有误差累积；所以，陀螺仪长时间的数据需要通过加速度计测得的重力角度来修正。

MPU6050集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计，可以获取物体的姿态和运动信息。陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g，使用16bitAD采样。使用I2C接口通信。

本节我们就来使用STM32获取MPU6050的加速度和角速度数据，并介绍一种简单的初始校准方法，最后使用匿名四轴地面站来显示加速度和角速度的波形图。

1）MPU6050硬件介绍

本文使用的是下图这种MPU6050模块（GY521）：

模块的电路板上，已经标明了X轴、Y轴的方向，而Z轴的方向由X轴、Y轴通过右手定则确定。

至于各角速度的方向，也是通过右手定则确定，如下图：

如果想把MPU6050集成到自己的电路板上，可以参考如下原理图设计：

使用LDO降压成3.3V作为MPU6050的供电；对外的接口最少需要连接VCC_5V、GND供电线，SCL、SDA I2C通信线。

本文把I2C的两根线连接到STM32的I2C1对应的引脚上。

2)配置cubemx工程

设置I2C1接口，速率为400KHz：

设置好后，生成keil工程。

3）MPU6050原始数据的获取

STM32的HAL库生成的硬件I2C代码有个bug，这里我们先修正一下：

就是I2C初始化的如下函数，需要添加一句，把时钟初始化的内容提到GPIO初始化之前，如果不修改，硬件I2C有时不能用。

编写代码时，将HAL库的I2C读写代码封装一下，以便于后面使用：

初始化MPU6050，如果我们只用最基本的功能，只要芯片唤醒，设置采样率、滤波器、量程等操作就可以了：（具体的寄存器含义，可以查看芯片数据手册）

初始化完成后，就可以读取MPU6050的数据了，我们需要获取的加速度和角速度数据，在寄存器ACCEL_XOUT_H(0x3B)为起始地址的14个字节中，其中前6个字节是三个方向的加速度，最后6个字节是三个方向的角速度。

主函数中，整个使用过程如下：

先调用MPU6050_Init()初始化、再使用MPU6050_Get()函数循环读取数据，打印输出。

依据前面设置的量程和采样bit位数，将加速度的原始数据还原成了g的倍数，角速度值还原成了°/s：

上述代码运行后，结果如图：

这是把传感器水平放置、静止时的测量原始值打印输出；可以看到，Z轴的加速度初始误差很大，达到了0.3个g左右；同样，X轴的角速度误差也很大。这样大的初始误差是不方便使用的。

4）简单的初始校准方法

一种简单的初始值校准方法，可以依据下面的方法实现：将MPU6050传感器固定好一个角度（如Z轴竖直向上），并且保持静止；这样它测量到的加速度值就只有单一的重力加速度，而角速度应为0，我们只要记录一定数据的数据取平均，就能得知初始的加速度、角速度偏移。

具体实现的代码实现如下：

执行完后，ax_cl、ay_cl…等几个变量中，就保存好了各方向的加速度、角速度的零位偏移值，以后使用时，获取原始数据后，再减去这些零位偏移，就能获得校准后的值。

将MPU6050_Get()函数作如下改写，就能实现获取校准后的值：

主函数中，while(1)之前增加一次校准函数MPU6050_calibrate()的调用，再次测试结果如下：

可以看到，三个方向的加速度的偏差已经非常小，X轴和Y轴的角速度的偏差也比未校准前小了几个数量级。对于MPU6050这种精度较低的MEMS器件，依靠这样一个方向的校准数据也可以获取不错的效果。

5）波形显示

为了跟直观地显示各方向的加速度和角速度值，我们可以通过一些工具来显示波形图，这里我们使用匿名四轴的上位机软件来显示。

只需要按照它的格式将数据发到上位机，就能显示出波形，匿名四轴上位机的通信协议（V7版）如下：

我们按此格式将加速度、角速度的值填入，通过串口发送到上位机，就能显示了，实际测试图形如下：（显示的是Z轴的加速度和角速度）

在实际的应用中，加速度计和陀螺仪的数据需要融合，比如通过互补滤波或者卡尔曼滤波，才能获取更准确的姿态信息；传感器数据的初始校准，也不仅仅是测试一个方向、剔除零位这么简单。有兴趣的可以找更专业的书籍深入学习。

好了，本节关于MPU6050的一些基本应用就讲到这里了。

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