Arduino MPU6050陀螺仪运用卡尔曼滤波姿态解算实验

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2019年3月20日

发布

实例效果

输出效果：

首先看看本例程XYZ轴的输出效果图:

(时间曲线的体现是：静止姿态→摆动→恢复原静止姿态→拍动桌子→静止姿态)

这图片是通过Excel生成的

元件说明

作用于四轴无人机，平衡车，机器人，电子稳定器等等的电子实作当中，用于姿态判断。掌握了可以发挥自己的想象完成更多更有趣的作品。

名称：MPU-6050模块(三轴陀螺仪 + 三轴加速度)

使用芯片：MPU-6050

供电电源：3-5v(内部低压差稳压)

通信方式：标准IIC通信协议

芯片内置16bit AD转换器,16位数据输出

陀螺仪范围：±250 500 1000 2000 °/s

加速度范围：±2±4±8±16g

采用沉金PCB,机器焊接工艺保证质量

引脚间距2.54mm

引脚说明

– VCC 3.3-5V(内部有稳压芯片)

GND 地线

SCL MPU6050作为从机时IIC时钟线

SDA MPU6050作为从机时IIC数据线

XCL MPU6050作为主机时IIC时钟线

XDA MPU6050作为主机时IIC数据线

AD0 地址管脚，该管脚决定了IIC地址的最低一位

INT 中断引脚

BOM表

Arduino UNO

x 1

MPU6050

x 1

面包板

x 1

USB数据线

x 1

跳线

若干

接线

程序代码

程序的实现首先要更新I2C库

在GITHUB找到的I2C库

(库下载地址: https://github.com/jrowberg/i2cdevlib)

打开Adruino IDE，把Arduino文件夹里的I2Cdev，MPU6050文件夹复制到Arduino IDE的库文件夹里

(默认的路径是这个 C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries)

把程序上传到板子上，打开串口监视器，就可以看到一堆堆的数据了

本实例程序和库文件打包下载：

压缩包文件夹说明：

I2Cdev — i2c库(库都是需要放置在Arduino的库目录里面)

MPU6050 — mpu6050陀螺仪库

LS_MPU6050 — 主程序文件

#include Wire.h

#include I2Cdev.h

#include MPU6050.h

MPU6050 accelgyro;

unsigned long now, lastTime = 0;

float dt; //微分时间

int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz; //加速度计陀螺仪原始数据

float aax=0, aay=0,aaz=0, agx=0, agy=0, agz=0; //角度变量

long axo = 0, ayo = 0, azo = 0; //加速度计偏移量

long gxo = 0, gyo = 0, gzo = 0; //陀螺仪偏移量

float pi = 3.1415926;

float AcceRatio = 16384.0; //加速度计比例系数

float GyroRatio = 131.0; //陀螺仪比例系数

uint8_t n_sample = 8; //加速度计滤波算法采样个数

float aaxs[8] = {0}, aays[8] = {0}, aazs[8] = {0}; //x,y轴采样队列

long aax_sum, aay_sum,aaz_sum; //x,y轴采样和

float a_x[10]={0}, a_y[10]={0},a_z[10]={0} ,g_x[10]={0} ,g_y[10]={0},g_z[10]={0}; //加速度计协方差计算队列

float Px=1, Rx, Kx, Sx, Vx, Qx; //x轴卡尔曼变量

float Py=1, Ry, Ky, Sy, Vy, Qy; //y轴卡尔曼变量

float Pz=1, Rz, Kz, Sz, Vz, Qz; //z轴卡尔曼变量

void setup()

{

Wire.begin();

Serial.begin(115200);

accelgyro.initialize(); //初始化

unsigned short times = 200; //采样次数

for(int i=0;i

{

accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //读取六轴原始数值

axo += ax; ayo += ay; azo += az; //采样和

gxo += gx; gyo += gy; gzo += gz;

}

axo /= times; ayo /= times; azo /= times; //计算加速度计偏移

gxo /= times; gyo /= times; gzo /= times; //计算陀螺仪偏移

}

void loop()

{

unsigned long now = millis(); //当前时间(ms)

dt = (now - lastTime) / 1000.0; //微分时间(s)

lastTime = now; //上一次采样时间(ms)

accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //读取六轴原始数值

float accx = ax / AcceRatio; //x轴加速度

float accy = ay / AcceRatio; //y轴加速度

float accz = az / AcceRatio; //z轴加速度

aax = atan(accy / accz) * (-180) / pi; //y轴对于z轴的夹角

aay = atan(accx / accz) * 180 / pi; //x轴对于z轴的夹角

aaz = atan(accz / accy) * 180 / pi; //z轴对于y轴的夹角

aax_sum = 0; // 对于加速度计原始数据的滑动加权滤波算法

aay_sum = 0;

aaz_sum = 0;

for(int i=1;i

{

aaxs[i-1] = aaxs[i];

aax_sum += aaxs[i] * i;

aays[i-1] = aays[i];

aay_sum += aays[i] * i;

aazs[i-1] = aazs[i];

aaz_sum += aazs[i] * i;

}

aaxs[n_sample-1] = aax;

aax_sum += aax * n_sample;

aax = (aax_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0; //角度调幅至0-90°

aays[n_sample-1] = aay; //此处应用实验法取得合适的系数

aay_sum += aay * n_sample; //本例系数为9/7

aay = (aay_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0;

aazs[n_sample-1] = aaz;

aaz_sum += aaz * n_sample;

aaz = (aaz_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0;

float gyrox = - (gx-gxo) / GyroRatio * dt; //x轴角速度

float gyroy = - (gy-gyo) / GyroRatio * dt; //y轴角速度

float gyroz = - (gz-gzo) / GyroRatio * dt; //z轴角速度

agx += gyrox; //x轴角速度积分

agy += gyroy; //x轴角速度积分

agz += gyroz;

/* kalman start */

Sx = 0; Rx = 0;

Sy = 0; Ry = 0;

Sz = 0; Rz = 0;

for(int i=1;i<10;i++)

{ //测量值平均值运算

a_x[i-1] = a_x[i]; //即加速度平均值

Sx += a_x[i];

a_y[i-1] = a_y[i];

Sy += a_y[i];

a_z[i-1] = a_z[i];

Sz += a_z[i];

}

a_x[9] = aax;

Sx += aax;

Sx /= 10; //x轴加速度平均值

a_y[9] = aay;

Sy += aay;

Sy /= 10; //y轴加速度平均值

a_z[9] = aaz;

Sz += aaz;

Sz /= 10;

for(int i=0;i<10;i++)

{

Rx += sq(a_x[i] - Sx);

Ry += sq(a_y[i] - Sy);

Rz += sq(a_z[i] - Sz);

}

Rx = Rx / 9; //得到方差

Ry = Ry / 9;

Rz = Rz / 9;

Px = Px + 0.0025; // 0.0025在下面有说明...

Kx = Px / (Px + Rx); //计算卡尔曼增益

agx = agx + Kx * (aax - agx); //陀螺仪角度与加速度计速度叠加

Px = (1 - Kx) * Px; //更新p值

Py = Py + 0.0025;

Ky = Py / (Py + Ry);

agy = agy + Ky * (aay - agy);

Py = (1 - Ky) * Py;

Pz = Pz + 0.0025;

Kz = Pz / (Pz + Rz);

agz = agz + Kz * (aaz - agz);

Pz = (1 - Kz) * Pz;

/* kalman end */

Serial.print(agx);Serial.print(,);

Serial.print(agy);Serial.print(,);

Serial.print(agz);Serial.println();

}

程序说明

这程序我还在研究，在这仅仅抛砖引玉。