单片机开发 | 基于51单片机实现MPU6050的卡尔曼滤波算法（代码类1）

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#include
#include     
#include   
#include


typedef unsigned char  uchar;
typedef unsigned short ushort;
typedef unsigned int   uint;


//******功能模块头文件*******


#include "MPU6050.H" //MPU6050头文件
#include "LCD1602.H"


uchar dis[4];
int Temperature,Temp_h,Temp_l; //温度及高低位数据
//******角度参数************
    float Gyro_y;        //Y轴陀螺仪数据暂存
float Angle_gy;      //由角速度计算的倾斜角度
float Accel_x;     //X轴加速度值暂存
float Angle_ax;      //由加速度计算的倾斜角度
float Angle;         //小车最终倾斜角度
uchar value; //角度正负极性标记




//******卡尔曼参数************

float code Q_angle=0.001;  
float code Q_gyro=0.003;
float code R_angle=0.5;
float code dt=0.01;                  //dt为kalman滤波器采样时间;
char  code C_0 = 1;
float xdata Q_bias, Angle_err;
float xdata PCt_0, PCt_1, E;
float xdata K_0, K_1, t_0, t_1;
float xdata Pdot[4] ={0,0,0,0};
float xdata PP[2][2] = { { 1, 0 },{ 0, 1 } };


 void delay1ms()
 {
   uchar i,j;
   for(i=0;i<10;i++)
   for(j=0;j<33;j++)
  ;  
  }
void delaynms(uchar n)
 {
   uchar i;
   for(i=0;i

 }




void display(uchar x,uchar y,uchar *seg) //x为行号,y为列号
{
uchar i;
uint t=0;
switch(x)   //确定行号
{
case 1: i=0x80; break; //第一行
case 2: i=0x90; break; //第二行
case 3: i=0x88; break; //第三行
case 4: i=0x98; break; //第四行
default : break;
}
i=i+y-1; //确定列号
write_com(i);
while(seg[t]!='\0')
{
write_data(seg[t]); //写入需要显示字符的显示码
t++;
}
}




void lcd_printf(uchar *s,int temp_data)
{
if(temp_data<0)
{
temp_data=-temp_data;
*s='-';
}
else *s=' ';
*++s =temp_data/100+0x30;
temp_data=temp_data%100;     //取余运算
*++s =temp_data/10+0x30;
temp_data=temp_data%10;      //取余运算
*++s =temp_data+0x30;
}


void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)
{
Y&=1;
X&=15;
if(Y)X|=0x40;
X|=0x80;
write_com(X);
write_data(DData);
}


void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L)
{
uchar ListLength=0; 
Y&=0x1;                
X&=0xF;                
while(L--)             
{                       
DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]);
ListLength++;  
X++;                        
}    
}


void Display10BitData(int value,uchar x,uchar y)
{
    
lcd_printf(dis, value); //转换数据显示
DisplayListChar(x,y,dis,4); //启始列，行，显示数组，显示长度
}




//*********************************************************
// 卡尔曼滤波
//*********************************************************


//Kalman滤波，20MHz的处理时间约0.77ms；


float Kalman_Filter(float Accel,float Gyro)
{
Angle+=(Gyro - Q_bias) * dt; //先验估计



Pdot[0]=Q_angle - PP[0][1] - PP[1][0]; // Pk-先验估计误差协方差的微分


Pdot[1]=- PP[1][1];
Pdot[2]=- PP[1][1];
Pdot[3]=Q_gyro;

PP[0][0] += Pdot[0] * dt;   // Pk-先验估计误差协方差微分的积分
PP[0][1] += Pdot[1] * dt;   // =先验估计误差协方差
PP[1][0] += Pdot[2] * dt;
PP[1][1] += Pdot[3] * dt;

Angle_err = Accel - Angle; //zk-先验估计

PCt_0 = C_0 * PP[0][0];
PCt_1 = C_0 * PP[1][0];

E = R_angle + C_0 * PCt_0;

K_0 = PCt_0 / E;
K_1 = PCt_1 / E;

t_0 = PCt_0;
t_1 = C_0 * PP[0][1];


PP[0][0] -= K_0 * t_0; //后验估计误差协方差
PP[0][1] -= K_0 * t_1;
PP[1][0] -= K_1 * t_0;
PP[1][1] -= K_1 * t_1;

Angle += K_0 * Angle_err; //后验估计
Q_bias += K_1 * Angle_err; //后验估计
Gyro_y   = Gyro - Q_bias; //输出值(后验估计)的微分=角速度
return  Gyro_y;
}  














//*********************************************************
// 倾角计算（卡尔曼融合）
//*********************************************************


void Angle_Calcu(void)  
{
float Gyro_y;        //Y轴陀螺仪数据暂存
//float Angle_gy;      //由角速度计算的倾斜角度
float Accel_x;     //X轴加速度值暂存
float Angle_ax;      //由加速度计算的倾斜角度
//float Angle;         //小车最终倾斜角度
//uchar value; //角度正负极性标记




//------加速度--------------------------


//范围为2g时，换算关系：16384 LSB/g
//角度较小时，x=sinx得到角度（弧度）, deg = rad*180/3.14
//因为x>=sinx,故乘以1.3适当放大


Accel_x  = GetData(ACCEL_XOUT_H);  //读取X轴加速度
Angle_ax = (Accel_x - 1100) /16384;   //去除零点偏移,计算得到角度（弧度）
Angle_ax = Angle_ax*1.4*180/3.14;     //弧度转换为度,


//Display10BitData(Angle_ax,2,1);


    //-------角速度-------------------------


//范围为2000deg/s时，换算关系：16.4 LSB/(deg/s)
  
Gyro_y = GetData(GYRO_YOUT_H);      //静止时角速度Y轴输出为-30左右
Gyro_y = -(Gyro_y + 30)/16.4;         //去除零点偏移，计算角速度值,负号为方向处理 
//Angle_gy = Angle_gy + Gyro_y*0.01;  //角速度积分得到倾斜角度.  

//Display10BitData(Gyro_y,8,1);


//-------卡尔曼滤波融合-----------------------


//Kalman_Filter(Angle_ax,Gyro_y);       //卡尔曼滤波计算倾角
 
Display10BitData(Kalman_Filter(Angle_ax,Gyro_y),2,1);
/*//-------互补滤波-----------------------


//补偿原理是取当前倾角和加速度获得倾角差值进行放大，然后与
    //陀螺仪角速度叠加后再积分，从而使倾角最跟踪为加速度获得的角度
//0.5为放大倍数，可调节补偿度；0.01为系统周期10ms

Angle = Angle + (((Angle_ax-Angle)*0.5 + Gyro_y)*0.01);*/
 
} 




void display_temp()
{ 
Temp_h=Single_ReadI2C(TEMP_OUT_H); //读取温度
Temp_l=Single_ReadI2C(TEMP_OUT_L); //读取温度
Temperature=Temp_h<<8|Temp_l;     //合成温度
Temperature = 36.53+ ((double)Temperature) / 340; // 计算出温度
lcd_printf(dis,Temperature);     //转换数据显示
display(1,1,dis);     //启始列，行，显示数组，显示位数
}
 


//*********************************************************
//main
//*********************************************************
void main()
{ 
    delaynms(500);
init_1602();
delaynms(500);   //上电延时
InitMPU6050();     //初始化MPU6050
delaynms(500);   
while(1)
{
  
Angle_Calcu(); 
display_temp();  


}
}