姿态传感器——MPU6050

1、MPU6050介绍

MPU6050是由三个陀螺仪和三个加速度传感器组成的6轴运动处理组件，是一款六轴（三轴加速度+三轴角速度（陀螺仪））传感器。

· 内部主要结构

陀螺仪、加速度计、数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor）

MPU6050含有两个IIC接口，第一IIC接口可作为主接口给单片机传输数据；第二IIC接口用于连接一个第三方数字传感器（如外部磁力传感器等），然后通过这个IIC接口输出完整的9轴信号，否则只有6轴。

那么三轴、六轴、九轴传感器，这些传感器指的什么？
其中到底又有哪些区别呢？

实际上，只要说到多少轴的传感器一般是就是指加速度传感器（即加速计）、角速度传感器（即陀螺仪）、磁感应传感器（即电子罗盘）。这三类传感器测量的数据在空间坐标系中都可以被分解为X,Y,Z三个方向轴的力，因此也常常被称为3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计。
上面3类传感器有其各自的功能特点及应用，比如加速计可以测量设备的测斜情况，陀螺仪可以测量设备自身的旋转运动，还有磁力计可以定位设备的方位。通过它们相互组合和匹配融合又可以衍生出更多的不同应用，在叫法上通过这样简单的轴数上相加的可以变成六轴传感器或者九轴传感器。 　
六轴传感器：通常指的是三轴加速度计+三轴陀螺仪，三轴加速器是检测横向加速的，三轴陀螺仪是检测角度旋转和平衡的，可以用在体感游戏上。
九轴传感器：就是三轴加速度计+三轴陀螺仪+三轴磁强计的组合，在飞行器上是广泛应用的。 另外，在九轴传感器基础上在加入气压传感器，从而能获取海拔高度的数据，也有人把这些传感器组合称为十轴传感器。

· 引脚说明

SCL、SDA：是连接MCU的IIC接口，MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050，此时MPU6050作为一个IIC从机设备，接单片机的I2C_SCL。
XCL、XDA：辅助IIC用来连接其他器件，可用来连接外部从设备，比如磁传感器，这样就可以组成一个九轴传感器，不需要连接单片机。
AD0：地址管脚，可以不接单片机。当MPU6050作为一个IIC从机设备的时候，有8位地址，高7位的地址是固定的，就是WHOAMI寄存器的默认——0x68，最低的一位是由AD0的连线决定的。
AD0接GND时，高8位的最后一位是0，所以iic从机地址是0x68；
AD0接VCC时，高8位的最后一位是1，所以iic从机地址是0x69。
INT：数据输出的中断引脚，可以不接单片机，准备好数据之后,通过中断告诉STM32,从而获取数据。
VCC：接3.3V或5V电源
GND：接地

2、MPU6050工作原理

通过MPU6050读取加速度和角度的原始数据，数据管理平台（DMP）将原始角速度转化为四元数，进而完成欧拉角的计算。

·

MPU6050自带数字运动处理器（DMP），通过主IIC接口，可以向CPU提供四元数，CPU可利用四元数得到欧拉角。

·

MPU6050含有一个第二IIC接口，可用于连接外部磁力传感器；

·

角速感测范围±250、±500、±1000与±2000°/sec

四元数
四元数就是简单的超复数，由实数加上三个虚数单位 i、j和k 组成，
就是形如a + bi+ cj + dk的数，其中a、b、c 、d是实数，
i² = j² = k² = -1， iº = jº = kº = 1 。
对于i、j和k本身的几何意义可以理解为一种旋转，其中
i 旋转代表Z轴与Y轴相交平面中Z轴正向向Y轴正向的旋转，
j 旋转代表X轴与Z轴相交平面中X轴正向向Z轴正向的旋转，
k旋转代表Y轴与X轴相交平面中Y轴正向向X轴正向的旋转，
-i、-j、-k分别代表i、j、k旋转的反向旋转。

欧拉角（ψ,θ,φ）
用来确定定点转动刚体位置的3个一组独立角参量，由章动角θ、旋进角（即进动角）ψ和自转角φ组成。简单来说，欧拉角就是物体绕坐标系三个坐标轴(x,y,z）的旋转角度。
以航空次序欧拉角为例，简单理解欧拉角的三个参量：
ψ 通常代表方向或偏航（heading or yaw）
θ 通常代表升降或俯仰（elevation or pitch）
φ 通常代表倾斜或横滚（bank or roll）

什么是姿态角(Euler角) pitch yaw roll
陀螺仪是测角速度的，加速度传感器是测角加速度的，二者数据通过算法就可以得到航向角（yaw） 横滚角（roll） 俯仰角（pitch）了，单位均为度。

姿态角和欧拉角区别
对于旋转问题，欧拉角指的是绕某个轴旋转的角度，姿态角指的是载体系与导航系之间的关系。
滚转角是z轴与通过x轴的铅锤面的夹角，
航向角是x轴投影到水平面与导航系的夹角
俯仰角则是x轴与水平面的夹角。
虽然姿态角与欧拉角概念不同，但由于导航系到载体系旋转矩阵的旋转顺序是ZYX（NED坐标系），所以滚转角，航向角，俯仰角可以等价于欧拉角。姿态角可以说是其中一对特殊的欧拉角。

3、相关代码

对于MPU6050，只需要以下函数便可实现相应功能。
（代码来自野火霸道开发板配套资料）

（1）从MPU6050寄存器读取数据

void MPU6050_ReadData(u8 reg_add,unsigned char*Read,u8 num)
{
	unsigned char i;
	
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_add);
	i2c_WaitAck();
	
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS+1);
	i2c_WaitAck();
	
	for(i=0;i<(num-1);i++){
		*Read=i2c_ReadByte(1);
		Read++;
	}
	*Read=i2c_ReadByte(0);
	i2c_Stop();
}

（2）写数据到MPU6050寄存器

void MPU6050_WriteReg(u8 reg_add,u8 reg_dat)
{
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_add);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_dat);
	i2c_WaitAck();
	i2c_Stop();
}

（3）读取MPU6050的ID

uint8_t MPU6050ReadID(void)
{
	unsigned char Re = 0;
    MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_WHO_AM_I,&Re,1);    //读器件地址
	if(Re != 0x68)
	{
		printf("MPU6050 dectected error!\r\n检测不到MPU6050模块，请检查模块与开发板的接线");
		return 0;
	}
	else
	{
		printf("MPU6050 ID = %d\r\n",Re);
		return 1;
	}		
}

（4）初始化MPU6050芯片

void MPU6050_Init(void)
{
  int i=0,j=0;
  //在初始化之前要延时一段时间，若没有延时，则断电后再上电数据可能会出错
  for(i=0;i<1000;i++)
  {
    for(j=0;j<1000;j++)
    {
      ;
    }
  }
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x00);	    //解除休眠状态
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_SMPLRT_DIV , 0x07);	    //陀螺仪采样率，1KHz
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_CONFIG , 0x06);	        //低通滤波器的设置，截止频率是1K，带宽是5K
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG , 0x00);	  //配置加速度传感器工作在2G模式，不自检
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 0x18);     //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
}

（5）读取MPU6050的原始温度数据

void MPU6050ReadTemp(short *tempData)
{
	u8 buf[2];
    MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_TEMP_OUT_H,buf,2);     //读取温度值
    *tempData = (buf[0] << 8) | buf[1];
}

（6）读取MPU6050的温度数据，转化成摄氏度

void MPU6050_ReturnTemp(float *Temperature)
{
	short temp3;
	u8 buf[2];
	
	MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_TEMP_OUT_H,buf,2);     //读取温度值
  temp3= (buf[0] << 8) | buf[1];	
	*Temperature=((double) temp3/340.0)+36.53;

}

（7）读取MPU6050的角加速度数据

void MPU6050ReadGyro(short *gyroData)
{
    u8 buf[6];
    MPU6050_ReadData(MPU6050_GYRO_OUT,buf,6);
    gyroData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
    gyroData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
    gyroData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}

（8）读取MPU6050的加速度数据

void MPU6050ReadAcc(short *accData)
{
    u8 buf[6];
    MPU6050_ReadData(MPU6050_ACC_OUT, buf, 6);
    accData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
    accData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
    accData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}