【物联网】MPU6050传感器数据采集与滤波算法

绝地灬酷狼 2024-03-17 17:03 60阅读 0赞

> 当谈到嵌入式电子设备和机器人的姿态控制和运动检测时，MPU6050往往是一个备受关注的传感器模块。它是一款小巧但功能强大的六轴传感器，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪。在本博客中，我们将详细介绍MPU6050的特点、工作原理以及与stm32配合的使用方法，后面看情况更新卡尔曼滤波。

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**目录**

1. MPU6050的特点和功能

1.1 六轴传感器

1.2 数字运动处理器

1.3 I2C通信接口

1.4 高精度和低功耗

2. MPU6050的工作原理

2.1 加速度计原理

2.2 陀螺仪原理

2.3 姿态解算

3.模块电路图

4. 如何使用MPU6050

4.1 硬件连接

4.2 初始化设置

4.3 读取传感器

4.4 数据处理和滤波

5. 卡尔曼滤波

--------------------

## 1. MPU6050的特点和功能 ##

### 1.1 六轴传感器 ###

MPU6050集成了三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，六轴传感器的主要优势在于结合了加速度计和陀螺仪的测量结果，可以提供更全面和准确的物体运动和姿态信息。通过综合加速度计和陀螺仪的数据，六轴传感器可以估计物体的姿态（如欧拉角或四元数），以及物体在三个空间方向上的加速度和角速度。

### 1.2 数字运动处理器 ###

MPU6050内置的数字运动处理器可以进行复杂的运动处理和数据处理，包括传感器数据的滤波、噪声消除、运动融合算法等。它通过处理器内部的算法，提供了方便快捷的姿态解算。

### 1.3 I2C通信接口 ###

MPU6050传感器通信协议可以选择使用I2C或SPI。 I2C是最常用的通信协议，适用于大多数情况下。SPI是一种高速串行通信协议，更加适用于性能要求较高的应用场景。

支持的I2C通信模式中，包括两个信号线SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）。通过I2C通信，可以与MPU6050进行数据的读取和写入，另一篇博客有讲到。[I2C（IIC）通信协议详解与应用][I2C_IIC]

如果选择使用SPI通信协议，可以参考MPU6050的数据手册以及您所使用的STM32的文档，配置和连接SPI总线，设置通信参数，并使用SPI协议与MPU6050进行数据交换，我是很少使用SPI通信的，详细的通信协议另一篇博客也有讲到，想了解的也可以去看一下。[了解SPI通信：串行外设接口的基本工作原理，51、stm32实现SPI][SPI_51_stm32_SPI]

### 1.4 高精度和低功耗 ###

为了实现MPU6050的高精度，我们可以进行传感器校准、数据滤波、温度补偿、数据处理和算法优化，以及系统调优等步骤。通过这些措施，可以提高MPU6050的测量精度和稳定性，确保获得准确可靠的运动测量和姿态估计结果，同时通过智能功耗控制来延长电池寿命。

## 2. MPU6050的工作原理 ##

### 2.1 加速度计原理 ###

加速度计测量物体的加速度，其工作基于微小的质量和弹性部件组成的微型机械结构。加速度使得这些部件发生变形，并通过电容或压阻传感器转换成电信号。MPU6050的加速度计可以测量在三个轴上的线性加速度。

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### 2.2 陀螺仪原理 ###

陀螺仪测量物体的角速度，其工作基于角动量守恒定律。陀螺仪由旋转部件和感测部件组成，当物体发生旋转时，感测部件会受到力矩的作用而产生电信号。MPU6050的陀螺仪可以测量在三个轴上的旋转速率。

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### 2.3 姿态解算 ###

姿态解算是将加速度计和陀螺仪的数据进行融合，从而获得物体的姿态信息（例如欧拉角）。通过运动融合算法，可以综合利用两类传感器的优势，同时弥补它们的局限性。常用的算法包括卡尔曼滤波、互补滤波和四元数等，卡尔曼滤波后面会涉及。

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## 3.模块电路图 ##

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## 4. 如何使用MPU6050 ##

### 4.1 硬件连接 ###

**GY-521模块上各个引脚的作用**

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>VCC</td> 
   <td>供电引脚，接3V-5V电源，一般使用5V</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>GND</td> 
   <td>接地引脚，连接到电源的地</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SCL</td> 
   <td>I2C时钟线引脚，用于与主控器件进行时钟同步</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SDA</td> 
   <td>I2C数据线引脚，用于与主控器件进行数据通信</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>XDA</td> 
   <td>可用于将其他I2C模块与MPU6050连接</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>XCL</td> 
   <td>可用于将其他I2C模块与MPU6050连接</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AD0</td> 
   <td>I2C地址选择引脚，可通过将其连接到VCC或GND，来选择MPU-6050的I2C地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>INT</td> 
   <td>中断引脚，可用于连接到微控制器的中断引脚，用于传输中断信号</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![9d469a49dcf26f0884da1449b1ced204.png][]

### 4.2 初始化设置 ###

在开始使用MPU6050之前，需要进行初始化设置。通过I2C通信接口，将适当的值写入MPU6050的配置寄存器中，以配置采样率、传感器范围和滤波器等参数。您可以参考MPU6050的数据手册或使用相关的开发库来进行设置。

这里初始化的I2C通信引脚是PB7和PB6，时钟使用的是I2C1。

#include "stm32fxxx.h"
    #include "stm32fxxx_i2c.h"
    
    #define MPU6050_ADDRESS 0xD0  // MPU-6050 I2C地址
    #define I2Cx             I2C1  // 使用的I2C外设
    
    void MPU6050_Init(void)
    {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
    
        // 使能I2C时钟
        RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2Cx, ENABLE);
        
        // I2C引脚配置
        GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
        GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
        GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;
        GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
        GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
        GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_I2Cx);
        GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_I2Cx);
    
        // I2C配置
        I2C_StructInit(&I2C_InitStruct);
        I2C_InitStruct.I2C_Timing = 0x40912732;
        I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
        I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
        I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0;
        I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
        I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
        I2C_Init(I2Cx, &I2C_InitStruct);
        I2C_Cmd(I2Cx, ENABLE);
    
        // 初始化MPU-6050
        I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    
        I2C_Send7bitAddress(I2Cx, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    
        I2C_SendData(I2Cx, 0x19);  // 设置采样率和低通滤波器
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        I2C_SendData(I2Cx, 0x07);  // 配置值
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    
        I2C_SendData(I2Cx, 0x1A);  // 设置低通滤波器频率
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        I2C_SendData(I2Cx, 0x03);  // 配置值
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    
        I2C_SendData(I2Cx, 0x1B);  // 设置陀螺仪量程
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        I2C_SendData(I2Cx, 0x18);  // 配置值(+/-2000°/s)
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    
        I2C_SendData(I2Cx, 0x1C);  // 设置加速度计量程
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        I2C_SendData(I2Cx, 0x18);  // 配置值(+/-16g)
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    
        I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
    }
    /*
    1. RCC_APB1PeriphClockCmd：使能I2C外设的时钟。
    2. GPIO_InitTypeDef：配置I2C引脚的结构体。
    3. GPIO_Init：初始化GPIO引脚。
    4. GPIO_PinAFConfig：配置引脚的复用功能。
    5. I2C_StructInit：将I2C_InitStruct结构体成员初始化为默认值。
    6. I2C_Init：初始化I2C外设。
    7. I2C_Cmd：使能I2C外设。
    8. I2C_GenerateSTART：产生I2C起始信号。
    9. I2C_CheckEvent：检查指定的I2C事件是否发生。
    10. I2C_Send7bitAddress：发送7位设备地址给I2C外设。
    11. I2C_SendData：发送数据给I2C外设。
    12. I2C_GenerateSTOP：产生I2C停止信号。
    
    在`MPU6050_Init`函数中，首先通过`RCC_APB1PeriphClockCmd`函数使能I2C外设的时钟。
    然后，通过`GPIO_InitStruct`结构体和`GPIO_Init`函数配置I2C引脚，同时使用`GPIO_PinAFConfig`函数配置引脚的复用功能。
    接下来，通过`I2C_InitStruct`结构体设置I2C相关参数，包括I2C时钟频率、模式、占空比等，并使用`I2C_Init`函数进行初始化。
    通过`I2C_Cmd`函数使能I2C外设。
    接下来，调用`I2C_GenerateSTART`函数产生I2C起始信号，并通过循环等待确认I2C通信是否就绪，然后发送设备地址。
    然后，通过`I2C_SendData`函数依次发送要写入的寄存器地址和配置值，实现对MPU-6050的初始化设置。具体的寄存器地址和配置值请根据MPU-6050的数据手册进行配置。
    最后，通过`I2C_GenerateSTOP`函数产生I2C停止信号，结束I2C通信。
    */

### 4.3 读取传感器 ###

一旦完成初始化设置，就可以开始读取传感器数据了。通过I2C接口从MPU6050读取加速度计和陀螺仪的原始数据。这些数据以原始值的形式提供，通常是数字表示，并需要进行一些处理才能得到有用的信息。

void MPU6050_ReadAccelerometer(int16_t* acc_x, int16_t* acc_y, int16_t* acc_z)
    {
        uint8_t buffer[6];
    
        // 发送起始信号开始读取加速度计数据
        I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    
        I2C_Send7bitAddress(I2Cx, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    
        I2C_SendData(I2Cx, 0x3B);  // 设置读取加速度计数据的寄存器地址
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    
        // 发送重复起始信号，开始接收数据
        I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    
        I2C_Send7bitAddress(I2Cx, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
    
        // 读取加速度计数据
        for (int i = 0; i < 5; i++)  // 读取6个字节，最后一个字节需要NACK
        {
            while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
            buffer[i] = I2C_ReceiveData(I2Cx);
        }
    
        I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, DISABLE);  // 最后一个字节需要NACK
        I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
        while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
        buffer[5] = I2C_ReceiveData(I2Cx);
    
        // 将读取的数据转换为加速度计数据
        *acc_x = (buffer[0] << 8) | buffer[1];
        *acc_y = (buffer[2] << 8) | buffer[3];
        *acc_z = (buffer[4] << 8) | buffer[5];
    }
    /*
    在`MPU6050_ReadAccelerometer`函数中，我们首先定义了一个缓冲区`buffer`，用于存储读取的加速度计数据。
    
    然后，通过发送起始信号开始读取加速度计数据。首先向MPU-6050发送写入加速度计数据的寄存器地址0x3B，然后通过发送重复起始信号，并切换为接收模式。
    
    接下来，我们通过循环读取6个字节的加速度计数据。通过调用`I2C_CheckEvent`函数确认是否接收到了数据，并使用`I2C_ReceiveData`函数将数据存储到`buffer`数组中。
    
    最后一个接收到的字节需要发送NACK，而不是ACK。通过调用`I2C_AcknowledgeConfig`函数禁用ACK，并通过`I2C_GenerateSTOP`发送停止信号。
    
    最后，我们将读取到的加速度计数据从`buffer`数组中转换为`acc_x`、`acc_y`和`acc_z`变量。
    
    */

### 4.4 数据处理和滤波 ###

在获得原始数据后，您可以根据需求进行进一步的数据处理和滤波。例如，您可以使用滑动窗口平均或低通滤波器来减少噪声和不稳定性。此外，您还可以根据加速度计和陀螺仪数据，使用姿态解算算法计算物体的姿态，如俯仰角、横滚角和偏航角。

#include "stm32fxxx.h"
    #include "stm32fxxx_i2c.h"
    #include "kalman.h"  // 引入卡尔曼滤波器库
    
    #define MPU6050_ADDRESS 0xD0  // MPU-6050 I2C地址
    #define I2Cx             I2C1  // 使用的I2C外设
    
    kalman_state acc_x_kf, acc_y_kf, acc_z_kf;  // 卡尔曼滤波器状态变量
    
    void MPU6050_ReadAccelerometer(int16_t* acc_x, int16_t* acc_y, int16_t* acc_z)
    {
        // 与前述示例代码相同的读取代码
        // ...
    }
    
    void MPU6050_FilterAccelerometer()
    {
        int16_t acc_x_raw, acc_y_raw, acc_z_raw;
    
        MPU6050_ReadAccelerometer(&acc_x_raw, &acc_y_raw, &acc_z_raw);
    
        acc_x_kf = kalman_filter(&acc_x_kf, (float)acc_x_raw);
        acc_y_kf = kalman_filter(&acc_y_kf, (float)acc_y_raw);
        acc_z_kf = kalman_filter(&acc_z_kf, (float)acc_z_raw);
    }
    
    int main()
    {
        // 初始化I2C和MPU-6050
        // ...
    
        // 初始化卡尔曼滤波器
        kalman_init(&acc_x_kf, 1, 1, 0.01);  // 参数根据实际需要调整
        kalman_init(&acc_y_kf, 1, 1, 0.01);
        kalman_init(&acc_z_kf, 1, 1, 0.01);
    
        while (1)
        {
            MPU6050_FilterAccelerometer();
    
            // 使用过滤后的加速度计读数进行后续处理
            // ...
        }
    }
    /*
    在上面的示例代码中，我们首先在全局定义了三个卡尔曼滤波器状态变量，分别对应X轴、Y轴和Z轴的加速度计数据。
    
    然后，在`MPU6050_ReadAccelerometer`函数中，我们读取原始的加速度计数据。
    
    接下来，在`MPU6050_FilterAccelerometer`函数中，我们将原始数据传入卡尔曼滤波器进行滤波计算。`kalman_filter`函数是卡尔曼滤波器库中实现的滤波函数，通过传入当前的滤波器状态和原始数据，返回经过滤波后的结果。
    
    在主函数中，我们初始化了卡尔曼滤波器状态变量，然后在循环中不断调用`MPU6050_FilterAccelerometer`函数进行滤波，并使用滤波后的数据进行后续处理。
    */

## 5. 卡尔曼滤波 ##

[深入了解卡尔曼滤波：最优状态估计的数学神器][Link 1]

[MPU6050芯片手册、模块电路图、测试程序][MPU6050]

[92df34ae7d8136c8f5a0b06b46e1f81d.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/6dbfcf4dc7d64686b173e5ad85700ca9.png
[I2C_IIC]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/131515367?spm=1001.2014.3001.5502
[SPI_51_stm32_SPI]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/131511080?spm=1001.2014.3001.5502
[b56299206583466bae8f277370b4014d.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/08dab7379f6f4b8484e49821b1288b0d.png
[743553e6c4d795f99d3638442149b9c3.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/21f91c1c63d7442b8315d4de1ab9d808.png
[443cb03b6d4e54c59972c00b512c33ce.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/61899742ebfc4503a7346c07910b5054.png
[cbbda6c4367949e2a2618e28671b2e3d.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/f059ab1f39a8468cbb9661f6aa3f51f6.png
[9d469a49dcf26f0884da1449b1ced204.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/6e16d20dcc024ef98ff785daa99c4872.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/131616229?spm=1001.2014.3001.5502
[MPU6050]: https://download.csdn.net/download/Goforyouqp/88019008?spm=1001.2014.3001.5501