【MPU6050】姿态传感器 工作原理

前言

笔者最近学习了mpu6050姿态传感器，现做以总结
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前置知识

欧拉角

MPU6050简介

简介

MPU6050内部整合了三轴陀螺仪、三轴加速度计、DMP数字运动处理器(Digital Motion Processor)和温度传感器，此外还可以外接一个第三方的三轴磁力计。
在不外接磁力计的情况下，MPU6050可作为六轴姿态传感器（包含三轴陀螺仪和三轴加速度计）；若外接三轴磁力计，则可作为九轴姿态传感器。

陀螺仪
测得三轴的角速度
通过对时间积分，得到yaw、roll、pitch

加速度计
测得三轴角加速度。（也即重力加速度g在X、Y、Z三轴上的分量）
通过反正切，计算加速度计测得的三轴角加速度，得到yaw、roll、pitch

优缺点比较

	加速度传感器	陀螺仪
测量结果	3轴加速度	3轴角速度
短期	噪声严重	不受震动影响
长期	无漂移	漂移严重

DMP

DMP（Digital Motion Processor）是 MPU6050 内置的一个数字运动处理器，用于自动处理传感器数据并融合加速度计和陀螺仪的数据，进行姿态解算，输出稳定的角度信息（如四元数）。他可以减轻主控制器的计算负担（类似DMA）。

框图

引脚说明

使用 I2C1 进行通信

引脚	说明
VCC	接 3.3V
GND	接 GND
SCL	I2C1 的时钟引脚
SDA	I2C1 的数据引脚
XDA	辅助 I2C 数据引脚（未使用，悬空）
XCL	辅助 I2C 时钟引脚（未使用，悬空）
AD0	地址选择引脚，接 GND。I2C 地址为 0x68，硬件地址为 0xD0
INT	中断引脚（未使用，悬空）

寄存器概述

寄存器英文名	中文名	作用描述
WHO_AM_I_REG	设备识别寄存器	用于读取设备 ID，验证连接的设备是否为 MPU6050
PWR_MGMT_1_REG	电源管理 1 寄存器	配置电源模式、选择时钟源、复位设备以及唤醒模块
SMPLRT_DIV_REG	采样率分频寄存器	设置数据输出速率的分频系数，影响采样速率
ACCEL_CONFIG_REG	加速度计配置寄存器	设置加速度计的量程范围（例如 ±2g、±4g 等）
ACCEL_XOUT_H_REG	加速度计 X 轴数据寄存器	存储 X、Y、Z 轴加速度的原始数据
TEMP_OUT_H_REG	温度传感器数据寄存器	存储内部温度传感器的高字节数据
GYRO_CONFIG_REG	陀螺仪配置寄存器	设置陀螺仪的量程范围（例如 ±250°/s、±500°/s 等）
GYRO_XOUT_H_REG	陀螺仪 X 轴数据寄存器	读取 X、Y、Z 轴角速度的原始数据

MPU6050 数据处理和姿态解算 概述

常见有三种MPU6050的姿态解算方式：一阶互补滤波、卡尔曼滤波、DMP库四元数解算
一阶互补滤波
一种简单的数据融合方法，用于融合加速度计和陀螺仪的数据，既保留加速度计的长时间稳定性，又利用陀螺仪的短期精度。通过低通和高通滤波器实现数据的互补，是一种易实现的姿态解算算法。
卡尔曼滤波
一直较为复杂的递归滤波算法，常用于姿态解算。卡尔曼滤波能高效地融合加速度计和陀螺仪的数据，抑制噪声并减少漂移误差，提供更加精准的角度和姿态信息。
DMP 库四元数解算
DMP库可以自动融合传感器数据并直接输出四元数，用于姿态计算。它减轻了主控制器的计算压力，提供稳定的姿态解算结果，适用于实时性要求较高的应用。