IMU：姿态解算算法集合

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一、IMU原理
二、源码

一、IMU原理

二、源码

源文件：

#include "IMU.h"
#include "math.h"#define Kp 1.6f                        // proportional gain governs rate of convergence to accelerometer/magnetometer
#define Ki 0.001f                      // integral gain governs rate of convergence of gyroscope biases
#define halfT 0.001f                   // half the sample period 采样周期的一半
#define Gyro_Gr     0.0010653f      //角速度变成弧度 此参数对应陀螺2000度每秒
#define Gyro_G      0.0610351f      //角速度变成度   此参数对应陀螺2000度每秒
#define FILTER_NUM  20float     AngleOffset_Rol=0,AngleOffset_Pit=0;
float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;  // quaternion elements representing the estimated orientation
float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0; // scaled integral errorFLOAT_XYZ     Acc,Acc_out,Gyro;                 //把陀螺仪的各通道读出的数据，转换成弧度制
FLOAT_ANGLE Att_Angle;void Prepare_Data(FLOAT_XYZ *acc_in,FLOAT_XYZ *acc_out)
{static uint8_t     filter_cnt=0;static int16_t    ACC_X_BUF[FILTER_NUM],ACC_Y_BUF[FILTER_NUM],ACC_Z_BUF[FILTER_NUM];int32_t temp1=0,temp2=0,temp3=0;uint8_t i;ACC_X_BUF[filter_cnt] = acc_in->X;ACC_Y_BUF[filter_cnt] = acc_in->Y;ACC_Z_BUF[filter_cnt] = acc_in->Z;for(i=0;i<FILTER_NUM;i++){temp1 += ACC_X_BUF[i];temp2 += ACC_Y_BUF[i];temp3 += ACC_Z_BUF[i];}acc_out->X = temp1 / FILTER_NUM;acc_out->Y = temp2 / FILTER_NUM;acc_out->Z = temp3 / FILTER_NUM;filter_cnt++;if(filter_cnt==FILTER_NUM)   filter_cnt=0;
}void IMUupdate(FLOAT_XYZ *gyr, FLOAT_XYZ *acc, FLOAT_ANGLE *angle)
{float ax = acc->X,ay = acc->Y,az = acc->Z;float gx = gyr->X,gy = gyr->Y,gz = gyr->Z;float norm;float vx, vy, vz;float ex, ey, ez;// 先把这些用得到的值算好float q0q0 = q0*q0;float q0q1 = q0*q1;float q0q2 = q0*q2;
//  float q0q3 = q0*q3;float q1q1 = q1*q1;
//  float q1q2 = q1*q2;float q1q3 = q1*q3;float q2q2 = q2*q2;float q2q3 = q2*q3;float q3q3 = q3*q3;if(ax*ay*az==0)return;gx *= Gyro_Gr;gy *= Gyro_Gr;gz *= Gyro_Gr;norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);       //acc数据归一化ax = ax /norm;ay = ay / norm;az = az / norm;//   if(norm>16500)
//  {Rc_C.ARMED=0;}// estimated direction of gravity and flux (v and w)      估计重力方向和流量/变迁// 这是把四元数换算成《方向余弦矩阵》中的第三列的三个元素。// 根据余弦矩阵和欧拉角的定义，地理坐标系的重力向量，转到机体坐标系，正好是这三个元素。// 所以这里的vx\y\z，其实就是当前的欧拉角（即四元数）的机体坐标参照系上，换算出来的重力单位向量。      vx = 2*(q1q3 - q0q2);                                                vy = 2*(q0q1 + q2q3);vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3 ;// error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensorsex = (ay*vz - az*vy) ;        //向量外积在相减得到差分就是误差                                       ey = (az*vx - ax*vz) ;ez = (ax*vy - ay*vx) ;exInt = exInt + ex * Ki;    //对误差进行积分eyInt = eyInt + ey * Ki;ezInt = ezInt + ez * Ki;// adjusted gyroscope measurementsgx = gx + Kp*ex + exInt;  //将误差PI后补偿到陀螺仪，即补偿积分漂移gy = gy + Kp*ey + eyInt;    gz = gz + Kp*ez + ezInt; //这里的gz由于没有观测者进行矫正会产生漂移，表现出来的就是积分自增或自减// integrate quaternion rate and normalise                       //四元素的微分方程，一阶毕卡求解法，更新四元数q0 = q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT;q1 = q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;q2 = q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;q3 = q3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;// normalise quaternionnorm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3);q0 = q0 / norm;q1 = q1 / norm;q2 = q2 / norm;q3 = q3 / norm;angle->yaw += -gyr->Z*Gyro_G*0.002f;angle->rol = -asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3 - AngleOffset_Pit; // pitchangle->pit = -atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3 - AngleOffset_Rol; // roll
}

头文件：

#ifndef _IMU_H_
#define _IMU_H_
#include  "stm32f1xx_hal.h"#define G          9.80665f                // m/s^2
#define RadtoDeg    57.324841f              //弧度到角度 (弧度 * 180/3.1415)
#define DegtoRad    0.0174533f              //角度到弧度 (角度 * 3.1415/180)//三轴浮点型
typedef struct
{int16_t X;int16_t Y;int16_t Z;
}FLOAT_XYZ;//姿态解算后的角度
typedef struct
{float rol;float pit;float yaw;
}FLOAT_ANGLE;extern FLOAT_XYZ   Acc,Acc_out,Gyro;                 //把陀螺仪的各通道读出的数据，转换成弧度制
extern FLOAT_ANGLE Att_Angle;
void Prepare_Data(FLOAT_XYZ *acc_in,FLOAT_XYZ *acc_out);
void IMUupdate(FLOAT_XYZ *Gyr_rad,FLOAT_XYZ *Acc_filt,FLOAT_ANGLE *Att_Angle);#endif

调用方式：

#include "IMU.h"Prepare_Data(&Acc,&Acc_out);//Acc输入、Acc_out输出
IMUupdate(&Gyro,&Acc_out,&Att_Angle);

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