基于MPU6050三轴陀螺仪和三轴加速度传感器姿态识别实验

虽然这里已经提供了获取陀螺仪与加速度相关数据的Arduino示例代码 ，但怎么用这些数据来展现当前的姿态却也还是个问题；后来看到关于ITG3205与ADXL345的姿态识别帖子，然后抄过来一试，效果还真的出来了。

Arduino代码：

    #include "Wire.h"
    #include "I2Cdev.h"
    #include "MPU6050.h"
     
    MPU6050 accelgyro;
     
    int16_t ax, ay, az;
    int16_t gx, gy, gz;
     
    char str[512];
     
    void setup() {
        Wire.begin();
        Serial.begin(9600);
        accelgyro.initialize();
    }
     
    void loop() {
        accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
        sprintf(str, "%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d", ax, ay, az, gx, gy, gz);  
        Serial.print(str);
        Serial.write(byte(10));
        delay(20);
    }

 
Processing代码：

    import processing.serial.*;
     
    Serial myPort;  // 创建串口对象myPort
     
    boolean firstSample = true;
     
    float [] RwAcc = new float[3];         // 通过加速度传感器把重力加速度投影在x/y/z三轴上
    float [] Gyro = new float[3];          // 陀螺仪读取
    float [] RwGyro = new float[3];        // 重新读取陀螺仪
    float [] Awz = new float[2];           // XZ/ YZ平面和Z轴（度）R的投影之间的角度
    float [] RwEst = new float[3];
     
     
    int lastTime = 0;
    int interval = 0;
    float wGyro = 10.0;
     
    int lf = 10; // 10在ASCII表中表示'\n'
    byte[] inBuffer = new byte[100];
     
    PFont font;
    final int VIEW_SIZE_X = 600, VIEW_SIZE_Y = 600;
     
     
    void setup()
    {
      size(VIEW_SIZE_X, VIEW_SIZE_Y, P3D);
     
      //myPort = new Serial(this, Serial.list()[2], 9600); // 设置电脑第三个COM口为连接端口，这个要根据你电脑情况进行设置。
      myPort = new Serial(this, "/dev/ttyUSB0", 9600);  
     
      // 加载字体，字体必须在代码文件同目录下的data文件夹中
      font = loadFont("/home/zwang/processing/processing-1.5.1/modes/android/examples/Basics/Typography/Letters/data/CourierNew36.vlw");
    }
     
     
    void readSensors() {
      if (myPort.available() > 0) {
        if (myPort.readBytesUntil(lf, inBuffer) > 0) {
          String inputString = new String(inBuffer);
          String [] inputStringArr = split(inputString, ',');
     
          // 把原始数据转换为G
          RwAcc[0] = float(inputStringArr[0]) / 16384.0;
          RwAcc[1] = float(inputStringArr[1])/ 16384.0;
          RwAcc[2] = float(inputStringArr[2])/ 16384.0;
     
          // 把原始数据转换为"度/秒"
          Gyro[0] = float(inputStringArr[3]) / 131.0;
          Gyro[1] = float(inputStringArr[4]) / 131.0;
          Gyro[2] = float(inputStringArr[5]) / 131.0;
        }
      }
    }
     
     
    void normalize3DVec(float [] vector) {
      float R;
      R = sqrt(vector[0]*vector[0] + vector[1]*vector[1] + vector[2]*vector[2]);
      vector[0] /= R;
      vector[1] /= R;  
      vector[2] /= R;
    }
     
     
    float squared(float x) {
      return x*x;
    }
     
     
    void buildBoxShape() {
      //box(60, 10, 40);
      noStroke();
      beginShape(QUADS);
     
      //Z+ (绘图区域)
      fill(#00ff00);
      vertex(-30, -5, 20);
      vertex(30, -5, 20);
      vertex(30, 5, 20);
      vertex(-30, 5, 20);
     
      //Z-
      fill(#0000ff);
      vertex(-30, -5, -20);
      vertex(30, -5, -20);
      vertex(30, 5, -20);
      vertex(-30, 5, -20);
     
      //X-
      fill(#ff0000);
      vertex(-30, -5, -20);
      vertex(-30, -5, 20);
      vertex(-30, 5, 20);
      vertex(-30, 5, -20);
     
      //X+
      fill(#ffff00);
      vertex(30, -5, -20);
      vertex(30, -5, 20);
      vertex(30, 5, 20);
      vertex(30, 5, -20);
     
      //Y-
      fill(#ff00ff);
      vertex(-30, -5, -20);
      vertex(30, -5, -20);
      vertex(30, -5, 20);
      vertex(-30, -5, 20);
     
      //Y+
      fill(#00ffff);
      vertex(-30, 5, -20);
      vertex(30, 5, -20);
      vertex(30, 5, 20);
      vertex(-30, 5, 20);
     
      endShape();
    }
     
     
    void drawCube() {  
      pushMatrix();
      translate(300, 450, 0);
      scale(4, 4, 4);
     
      rotateX(HALF_PI * -RwEst[0]);
      rotateZ(HALF_PI * RwEst[1]);
     
      buildBoxShape();
     
      popMatrix();
    }
     
     
    void getInclination() {
      int w = 0;
      float tmpf = 0.0;
      int currentTime, signRzGyro;
     
     
      readSensors();
      normalize3DVec(RwAcc);
     
      currentTime = millis();
      interval = currentTime - lastTime;
      lastTime = currentTime;
     
      if (firstSample || Float.isNaN(RwEst[0])) { // NaN用来等待检查从arduino过来的数据
        for (w=0;w<=2;w++) {
          RwEst[w] = RwAcc[w];    // 初始化加速度传感器读数
        }
      }
      else {
        // 对RwGyro进行评估
        if (abs(RwEst[2]) < 0.1) {
          // Rz值非常的小，它的作用是作为Axz与Ayz的计算参照值，防止放大的波动产生错误的结果。
          // 这种情况下就跳过当前的陀螺仪数据，使用以前的。
          for (w=0;w<=2;w++) {
            RwGyro[w] = RwEst[w];
          }
        }
        else {
          // ZX/ZY平面和Z轴R的投影之间的角度，基于最近一次的RwEst值
          for (w=0;w<=1;w++) {
            tmpf = Gyro[w];                        // 获取当前陀螺仪的deg/s
            tmpf *= interval / 1000.0f;                     // 得到角度变化值
            Awz[w] = atan2(RwEst[w], RwEst[2]) * 180 / PI;   // 得到角度并转换为度
            Awz[w] += tmpf;             // 根据陀螺仪的运动得到更新后的角度
          }
     
          // 判断RzGyro是多少，主要看Axz的弧度是多少
          // 当Axz在-90 ..90 => cos(Awz) >= 0这个范围内的时候RzGyro是准确的
          signRzGyro = ( cos(Awz[0] * PI / 180) >=0 ) ? 1 : -1;
     
          // 从Awz的角度值反向计算RwGyro的公式请查看网页 [url]http://starlino.com/imu_guide.html[/url]
          for (w=0;w<=1;w++) {
            RwGyro[0] = sin(Awz[0] * PI / 180);
            RwGyro[0] /= sqrt( 1 + squared(cos(Awz[0] * PI / 180)) * squared(tan(Awz[1] * PI / 180)) );
            RwGyro[1] = sin(Awz[1] * PI / 180);
            RwGyro[1] /= sqrt( 1 + squared(cos(Awz[1] * PI / 180)) * squared(tan(Awz[0] * PI / 180)) );
          }
          RwGyro[2] = signRzGyro * sqrt(1 - squared(RwGyro[0]) - squared(RwGyro[1]));
        }
     
        // 把陀螺仪与加速度传感器的值进行结合
        for (w=0;w<=2;w++) RwEst[w] = (RwAcc[w] + wGyro * RwGyro[w]) / (1 + wGyro);
     
        normalize3DVec(RwEst);
      }
     
      firstSample = false;
    }
     
     
    void draw() {  
      getInclination();
     
      background(#000000);
      fill(#ffffff);
     
      textFont(font, 20);
      //float temp_decoded = 35.0 + ((float) (temp + 13200)) / 280;
      //text("temp:\n" + temp_decoded + " C", 350, 250);
      text("RwAcc (G):\n" + RwAcc[0] + "\n" + RwAcc[1] + "\n" + RwAcc[2] + "\ninterval: " + interval, 20, 50);
      text("Gyro (°/s):\n" + Gyro[0] + "\n" + Gyro[1] + "\n" + Gyro[2], 220, 50);
      text("Awz (°):\n" + Awz[0] + "\n" + Awz[1], 420, 50);
      text("RwGyro (°/s):\n" + RwGyro[0] + "\n" + RwGyro[1] + "\n" + RwGyro[2], 20, 180);
      text("RwEst :\n" + RwEst[0] + "\n" + RwEst[1] + "\n" + RwEst[2], 220, 180);
     
      // display axes显示轴
      pushMatrix();
      translate(450, 250, 0);
      stroke(#ffffff);
      scale(100, 100, 100);
      line(0, 0, 0, 1, 0, 0);
      line(0, 0, 0, 0, -1, 0);
      line(0, 0, 0, 0, 0, 1);
      line(0, 0, 0, -RwEst[0], RwEst[1], RwEst[2]);
      popMatrix();
     
      drawCube();
    }

 
注意：需要更改上面的 myPort  和 font 的定义。

然后运行Processing就可以看到效果了。

 

 

Links:

[1] http://www.geek-workshop.com/thread-1935-1-1.html

[2] http://www.geek-workshop.com/thread-1017-1-1.html

[3] http://www.geek-workshop.com/thread-236-1-1.html

[4] http://blog.sina.com.cn/s/blog_8a49cc8f010167n2.html

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