邱云平，伍寶玉

（1、深圳藍(lán)橋林科技有限公司，廣東 深圳 518127；2、都昌縣司法局，江西 九江 332600）

MPU-6050模塊角度算法處理及在嵌入式中的應(yīng)用

邱云平1，伍寶玉2

（1、深圳藍(lán)橋林科技有限公司，廣東 深圳 518127；2、都昌縣司法局，江西 九江 332600）

本文主要介紹MPU-6050全球首例6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，論述一種對(duì)MPU-6050的數(shù)據(jù)處理的新思想和算法。本設(shè)計(jì)主要討論三個(gè)要點(diǎn)：第一、比較陀螺儀、加速度傳感與9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器(MPU-6050)的差距；第二、通過積分算法對(duì)MPU-6050模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得更為準(zhǔn)確的角度；第三、MPU-6050在嵌入式中的具體應(yīng)用。

MPU-6050 6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器；陀螺儀；加速度傳感

0 引言

MPU-6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后，就可以通過其I2C接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。MPU-6050也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上 1024 字節(jié)的 FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。MPU-6050模塊與所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器[1]。它的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣，如智能手機(jī)，平板電腦，游戲機(jī)，3D遙控器，可攜式導(dǎo)航設(shè)備和玩具小車等。

1 陀螺儀、加速度計(jì)和MPU-6050及MPU-6050的電路設(shè)計(jì)

1.1 陀螺儀、加速度計(jì)的簡(jiǎn)要介紹

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，是基于角動(dòng)量守恒理論設(shè)計(jì)出來的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)[2]。

加速度計(jì)是測(cè)量加速度的裝置。相對(duì)于遠(yuǎn)距傳感的裝置，它測(cè)量的是自身的運(yùn)動(dòng)。加速度計(jì)的應(yīng)用之一是測(cè)量重力，特別是使用于重量測(cè)定法的加速計(jì)，這樣的裝置稱重力計(jì)[3]。

MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)的軸間差問題，減少了大量的包裝空間[4]。所以，現(xiàn)在MPU-6050的應(yīng)用范圍越來越廣，在一定程度上取代了陀螺儀和加速度計(jì)，而且MPU-6050使用也相當(dāng)方便。

1.2 MPU-6050的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要介紹GY-521 MPU-6050模塊，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要是把GY-521 MPU-6050作為一個(gè)單獨(dú)的模塊來測(cè)試，通過引線來連接到STM32上。供電電壓3~5V，通過內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓。通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信協(xié)議，芯片內(nèi)置16bit AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)輸出。

一般的MPU-6050芯片都可以參考圖1電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果要做成模塊，那么該原理圖基本通用，模塊預(yù)留單排針引腳，可以通過焊接排針來引線與MCU進(jìn)行連接，通過LED燈指示電源工作正常。圖2為GY-521 MPU-6050模塊的PCB圖，體積比較小，方便集成，尤其是在外圍器件比較多的情況下，可以通過排針和兩個(gè)銅柱來固定。

圖1 通用GY-521 MPU-6050的電路原理圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 角度算法處理的思想

對(duì)MPU-6050模塊的角度數(shù)據(jù)處理，算法很多，比如最常見的積分處理，卡爾曼濾波處理等等。本設(shè)計(jì)充分利用STM32的滴答定時(shí)器，采用積分處理。我們知道在誤差要求允許范圍內(nèi),對(duì)不連續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和有時(shí)候可以替代積分，本設(shè)計(jì)就是依據(jù)這個(gè)思想來實(shí)現(xiàn)的。通過STM32的滴答定時(shí)器來記錄系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，然后通過兩次運(yùn)行的時(shí)間差，作為一個(gè)疊加也就是所謂的積分來處理。通過滴答定時(shí)器產(chǎn)生1ms的定時(shí)，然后讓運(yùn)行時(shí)間變量(RT)1ms加1，從而獲得當(dāng)前程序運(yùn)行的時(shí)間(NT),再通過與上次運(yùn)行的時(shí)間(LT)差值來作為積分?jǐn)?shù)值(TS)，從而可以得出如下兩個(gè)式子：(a)NT=RT;(b)TS=NT-LT。下面利用這個(gè)思想和兩個(gè)基本式子來進(jìn)行角度的實(shí)際應(yīng)用。

圖2 GY-521 MPU-6050 PCB圖

2.2 積分算法在MPU-6050模塊中的運(yùn)用

通過積分算法和上面的兩個(gè)式子可以得出相對(duì)校準(zhǔn)的角度，下面以X軸的角度為例，算法實(shí)現(xiàn)的主要步驟如下[1]：

(1)先通過IIC獲得角度初始值，ax=GetData(ACCEL_XOUT_H)；

(2)對(duì)加速度進(jìn)行量化，得出單位為g的加速度值-2g量程，Ax=ax/16384.00；

(3)用加速到計(jì)算X軸和水平坐標(biāo)系之間的夾角，Angle_accX=atan(Ax/Az)*180/pi;通過反正切獲得弧度值，乘以180度再除以π；

(4)對(duì)角速度做量化-2000°量程，ggx=gx/16.38;

(5)對(duì)角度進(jìn)行積分處理，NowTime=RunningTime;獲得當(dāng)前程序運(yùn)行的時(shí)間；TimeSpan=NowTime-LastTime;近似積分；

(6)通過對(duì)角度積分實(shí)現(xiàn)X軸的角度測(cè)量，這里假設(shè)X軸的起始角度為0度，則Gx=Gx+(ggx-Gx_offset)*TimeSpan/1000;LastTime=NowTime;(記錄當(dāng)前運(yùn)行的時(shí)間作為下次的減數(shù))。

通過上面6個(gè)步驟基本可以獲取最終的角度，通過大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明，該方法可行，而且獲得角度也相對(duì)準(zhǔn)確。下面用一個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)上面的思想，程序所涉及的變量定義可以作為全局變量來處理。

/*********獲得 X、Y、Z軸的加速度數(shù)據(jù)*******************/

/*********獲得 X、Y、Z軸的角速度數(shù)據(jù)*******************/

/**對(duì)角速度進(jìn)行量化，得出單位為g的加速度值-2g量程**//**用加速度計(jì)算三個(gè)軸和水平面坐標(biāo)系之間的夾角**/

Angle_accX=atan(Ax/Az)*180/pi;//反正切獲得弧度值，乘以 180°/π

NowTime=RunningTime;//獲取當(dāng)前程序運(yùn)行的時(shí)間

TimeSpan=NowTime-LastTime;//近似積分

/**通過對(duì)角速度積分實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的角度測(cè)量，當(dāng)然假設(shè)各軸的起始角度都是0**/

3 MPU-6050在STM32中的應(yīng)用

每次使用時(shí)，在固定MPU-6050模塊上會(huì)由于各種因素導(dǎo)致角度有偏差，為了使數(shù)據(jù)趨于準(zhǔn)確，我們?cè)诠潭∕PU-6050之后進(jìn)行角度校零，通過一個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)，該按鍵具有角度校零功能，當(dāng)固定完MPU-6050模塊的時(shí)候，按一下該按鍵就可以實(shí)現(xiàn)校零功能。同時(shí)為了提高性價(jià)比，本次設(shè)計(jì)可通過STM32的內(nèi)部Flash來存儲(chǔ)MPU-6050的角度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)校零功能。

3.1 STM32的內(nèi)部FLASH的簡(jiǎn)介

我們選用的是STM32F103ZET6，該FLASH容量為512個(gè)字節(jié)，屬于大容量產(chǎn)品。表1是大容量的閃存模塊組織[5]。

表1 大容量的閃存模塊組織

從表1可以看出STM32的閃存模塊由主存信息、信息塊和閃存存儲(chǔ)器接口寄存器等3部分組成。主存儲(chǔ)器：用來存放代碼和數(shù)據(jù)常數(shù)；信息塊：分為2個(gè)小部分，一是啟動(dòng)程序代碼，用來存儲(chǔ)ST自帶的啟動(dòng)程序，二是于串口下載代碼；閃存存儲(chǔ)器接口寄存器：用于控制閃存讀寫等，是整個(gè)閃存模塊的控制機(jī)構(gòu)[6]。

對(duì)STM32具體如何操作內(nèi)部分FLASH在此不作詳細(xì)討論，圖3是STM32的閃存編程過程，具體請(qǐng)參考《STM32F10XXX中文閃存編程手冊(cè)》和《STM32參考手冊(cè)》。

圖3 STM32的閃存編程過程

3.2 基于STM32的MPU-6050模塊的角度校零應(yīng)用

由于硬件電路比較簡(jiǎn)單，這里就不作詳細(xì)討論，下面主要討論校零的簡(jiǎn)單算法。圖4是系統(tǒng)整體流程圖，從圖可以看出，初始化之后STM32的內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)的初始值默認(rèn)為0度，只有當(dāng)校零按鍵按下時(shí)，STM32內(nèi)部FLASH才存儲(chǔ)角度，當(dāng)校零沒有按下的時(shí)候，直接通過串口打印角度數(shù)據(jù)，通過串口也可以驗(yàn)證是否需要校零。

圖4 系統(tǒng)整體流程圖

圖5為串口調(diào)試軟件上面顯示的X軸角度數(shù)據(jù)，通過角度數(shù)據(jù)我們可以確定是否需要調(diào)整角度。也可以通過校零按鍵，直接進(jìn)行校零。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過對(duì)MPU-6050模塊的探討，對(duì)芯片MPU-6050的內(nèi)部ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，從而使得角度更加準(zhǔn)確?？紤]實(shí)際使用MPU-6050模塊的時(shí)候，角度難以一直保持零度，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，增加一個(gè)校零按鍵，通過該按鍵可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)校零，從而方便了模塊的使用。MPU-6050模塊也可廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品上面，只要是對(duì)角度的檢測(cè)一般都可以參考該設(shè)計(jì)方法。

圖5 串口調(diào)試軟件打印出的角度數(shù)據(jù)

[1]MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 3.2，11/14/2011 MPU-6050的芯片手冊(cè).

[2]http：//zh.wikipedia.org/wiki/陀螺儀,維基百科.

[3]http：//zh.wikipedia.org/wiki/加速度計(jì),維基百科.

[4]http：//baike.baidu.com/link?url=T9m_sr0RYgSmNb51_wDlrhu3UDEyXXh97-E7pO2DR9rGwexnOMNaCiJ7yO0mcHAF-bolmgQT6DehrY4UiaZ-_Za百度百科.

[5]STM32F10XXX中文閃存編程手冊(cè)[K].2013,7,8.

[6]邱云平,馮光榮.STM32的便攜式手機(jī)藍(lán)牙考勤機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(11)：61.

（責(zé)任編輯：陳 輝）

MPU-6050 Module Angle Algorithm Processing and Its Application in Embedded Style

QIU Yun-ping1WU Bao-yu2
(1.Shenzhen Lanqiaolin Technology Co.Ltd.Shenzhen,Guangdong,518127;2.The Justice Department of Duchang County,Jiujiang,Jiangxi,332600)

This paper mainly introduces the MPU-6050—the world's first 6 axis motion sensor,and discusses a new idea and algorithm of data processing of MPU-6050.This design mainly discuss three main points：firstly,comparing with the gyroscope,the acceleration sensor and 6 axis motion sensor(MPU-6050);secondly,through the integral algorithm for MPU-6050 module to process the data collected,in an attempt to gain more accurate angle;thirdly,the specific application of MPU-6050 in embedded style.

6 axis motion sensor;gyroscope;the acceleration sensor

TP391

A

123（2014）02-0026-04

2013-11-20

邱云平(1986-),男，江西九江人，深圳藍(lán)橋林科技有限公司，碩士。研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。

伍寶玉(1987-),女，江西九江人，都昌縣司法局，碩士。研究方向：語言學(xué)及應(yīng)用語言學(xué)。