MPU6050初始化及数据过滤,滤波效果

​ 接上一篇,这里说下树莓派飞控的硬件初始化以及过滤数据中的噪音。飞机在高速转动下,陀螺仪和加速度计由于噪音的存在,传递给解算姿态的数据也会有问题,导致解算姿态结果不理想。

实验环境

​ 树莓派,mpu6050,qmc5883l,接口都是使用IIC(建议都改过树莓派iic的传输速率,默认只有100k/s,速度不够快。

代码初始化

​ 6050的初始化不算难,主要设置陀螺仪,加速度计量程,采集频率等基本也够了,github上很多也是这样,设置到位,数据也就对了。

 bool mpu6050Init() {
   
   
 
     if (isInit)
       return true;
     _DEBUG(DEBUG_NORMAL, "Resetting MPU6050 ...\n");
     reset();
     usleep(120000); // wait after reset
   // Clear sleep mode bit (6), enable all sensors
     i2cdev_writeByte(MPU6050_ADDRESS, MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x00);
     usleep(1000);
   // Delay 100 ms for PLL to get established on x-axis gyro;
   //should check for PLL ready
     _DEBUG(DEBUG_NORMAL, "Disabling sleep mode...\n");
     setSleepEnabled(false);
     usleep(1000);
 
     setClockSource(MPU6050_CLOCK_PLL_XGYRO);
     usleep(1000);
     unsigned char c;
     i2cdev_readByte(MPU6050_ADDRESS, MPU6050_CLOCK_PLL_XGYRO, &c);
     _DEBUG(DEBUG_NORMAL, "Setting clock source to x Gyro...,%d\n", c);
 
     setRate(0x00); // 1khz / (1 + 0) = 1k Hz
     usleep(1000);
     i2cdev_readByte(MPU6050_ADDRESS, MPU6050_RA_SMPLRT_DIV, &c);
     _DEBUG(DEBUG_NORMAL, "Setting sample rate to 1k Hz...%d\n", c);
#include "stm32f10x.h" #include "stm32f10x_gpio.h" #include "stm32f10x_rcc.h" #include "stm32f10x_tim.h" #include "stm32f10x_adc.h" #include "stm32f10x_dma.h" #include "stm32f10x_exti.h" #include "misc.h" #include "Delay.h" #include "OLED.h" #include "Servo.h" #include "Key.h" #include <math.h> volatile float TargetAngle = 0.0f; volatile float CurrentAngle = 0.0f; volatile float GyroZ = 0.0f; volatile float IntegralError = 0.0f; volatile float LastError = 0.0f; uint8_t KeyNum; #define KP 2.5f #define KI 0.01f #define KD 0.5f #define GYRO_SENSITIVITY 0.07f #define GYRO_OFFSET 0.0f void System_Init(void); void TIM3_Init(void); void Gyro_Init(void); float Gyro_GetZ(void); float PID_Controller(float target, float current); void Calibrate_Gyro(void); int main(void) { System_Init(); OLED_Init(); Servo_Init(); Key_Init(); TIM3_Init(); Gyro_Init(); Calibrate_Gyro(); OLED_ShowString(1, 1, "Target: "); OLED_ShowString(2, 1, "Current: "); OLED_ShowString(3, 1, "Output: "); OLED_ShowString(4, 1, "GyroZ: "); TargetAngle = 0.0f; OLED_ShowNum(1, 8, (int)TargetAngle, 3); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); while (1) { KeyNum = Key_GetNum(); if (KeyNum == 1) { TargetAngle += 10.0f; if (TargetAngle > 45.0f) TargetAngle = 45.0f; OLED_ShowNum(1, 8, (int)TargetAngle, 3); } if (KeyNum == 2) { TargetAngle -= 10.0f; if (TargetAngle < -45.0f) TargetAngle = -45.0f; OLED_ShowNum(1, 8, (int)TargetAngle, 3); } // ??3:???????0? if (KeyNum == 3) { TargetAngle = 0.0f; OLED_ShowNum(1, 8, (int)TargetAngle, 3); } // ?????? OLED_ShowNum(2, 9, (int)CurrentAngle, 3); // ???????? OLED_ShowNum(4, 8, (int)GyroZ, 4); // ????,??OLED???? Delay_ms(50); } } // ????? void System_Init(void) { // ???RCC?? RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // ??NVIC????? NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); } // ???3???(????????????PID??) void TIM3_Init(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // ??TIM3?? RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // ?????:10ms???? TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1; // ?????? TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1; // ???? (72MHz/720 = 100kHz) TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); // ??TIM3???? TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE); // ??TIM3?? NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } // ??????(???????,?????????????) void Gyro_Init(void) { // ??????????I2C?SPI?????????? // ??????,???????????????????? } // ??Z????(????) float Gyro_GetZ(void) { // ?????????????????? // ?????????,??????????????????? static float simulatedGyro = 0.0f; // ??????? if (TargetAngle > CurrentAngle) { simulatedGyro += 0.5f; } else if (TargetAngle < CurrentAngle) { simulatedGyro -= 0.5f; } // ????????????? simulatedGyro += ((rand() % 10) - 5) * 0.1f; return simulatedGyro; } // ????? void Calibrate_Gyro(void) { OLED_ShowString(1, 1, "Calibrating..."); // ?????????????????????? // ?????? Delay_ms(1000); OLED_Clear(); OLED_ShowString(1, 1, "Target: "); OLED_ShowString(2, 1, "Current: "); OLED_ShowString(3, 1, "Output: "); OLED_ShowString(4, 1, "GyroZ: "); } // PID????? float PID_Controller(float target, float current) { float error = target - current; IntegralError += error; if (IntegralError > 100.0f) IntegralError = 100.0f; if (IntegralError < -100.0f) IntegralError = -100.0f; float derivative = error - LastError; LastError = error; float output = KP * error + KI * IntegralError + KD * derivative; if (output > 45.0f) output = 45.0f; if (output < -45.0f) output = -45.0f; return output; } void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); // 1. ??????? GyroZ = Gyro_GetZ(); // 2. ??????(??? * ??) // ?????0.01?(10ms) CurrentAngle += GyroZ * 0.01f; // 3. ??PID??????????? float output = PID_Controller(TargetAngle, CurrentAngle); // 4. ????(90??????) Servo_SetAngle(90.0f + output); // ??PID??? OLED_ShowNum(3, 8, (int)output, 3); } }将陀螺仪移动角度改成-180-180
最新发布
08-05
<think>我们正在处理一个关于STM32F10x的陀螺仪和舵机控制的问题。用户希望修改代码,使陀螺仪角度范围从-180到180度,并让舵机随陀螺仪角度变化移动。 根据问题,我们需要: 1. 调整陀螺仪的角度输出范围,使其从-180到180度(通常原始数据可能是0-360度或者其他范围,需要转换)。 2. 将调整后的角度映射到舵机的控制信号(舵机通常控制角度范围为0-180度,对应PWM脉宽在1ms到2ms之间)。 我们假设: - 陀螺仪模块(例如MPU6050)通过I2C与STM32通信,我们已经能够读取原始数据并计算出角度(可能是yaw角)。 - 当前的角度计算可能是0-360度,我们需要将其转换为-180到180度。 - 舵机控制使用定时器产生PWM信号,控制舵机的角度。 步骤: 1. 角度转换:如果当前角度在0-360度,我们可以通过以下方式转换为-180到180度: 如果角度 > 180,则 angle = angle - 360;否则不变。 或者使用公式:angle = (angle > 180) ? angle - 360 : angle; 2. 舵机控制:舵机通常需要50Hz的PWM信号(周期20ms),脉宽在0.5ms到2.5ms对应0-180度(但常见的是1ms到2ms对应0-180度,具体看舵机规格)。 假设我们使用定时器产生PWM,定时器时钟频率为72MHz,预分频系数为71,则计数时钟为1MHz(即1us计数一次)。 那么,周期20ms对应20000个计数值。 舵机角度0度对应1ms脉宽(1000个计数值),180度对应2ms脉宽(2000个计数值)。注意:有些舵机可能范围不同,需要根据实际情况调整。 因此,我们需要将-180到180度的陀螺仪角度映射到舵机的0-180度(或者根据舵机的实际可转动范围,但通常舵机只能转0-180度,所以我们需要将陀螺仪的-180~180度映射到舵机的0~180度)。 映射公式:servo_angle = (gyro_angle + 180) * (180.0 / 360.0) = (gyro_angle + 180) * 0.5 这样,当陀螺仪角度为-180时,舵机角度为0;陀螺仪角度为0时,舵机角度为90;陀螺仪角度为180时,舵机角度为180。 3. 然后,将舵机角度转换为PWM的占空比(即比较寄存器的值): 假设舵机0度对应1000个计数值(1ms),180度对应2000个计数值(2ms),则: pulse_width = 1000 + (servo_angle * (1000.0 / 180.0)) 即:pulse_width = 1000 + (servo_angle * 1000 / 180) 注意:这个公式中,当servo_angle=0时,pulse_width=1000;当servo_angle=180时,pulse_width=2000。 4. 在代码中,我们读取陀螺仪数据,计算角度,然后进行上述转换,最后设置定时器的比较寄存器值。 但是,注意:用户可能已经有一个读取陀螺仪并计算角度的代码,我们只需要修改角度转换部分,并添加舵机控制部分。 示例代码修改步骤: 假设我们有一个函数读取陀螺仪并返回角度(0-360度): float get_gyro_yaw(void); 我们修改这个函数,使其返回-180到180度的角度,或者单独写一个转换函数。 同时,我们假设控制舵机的定时器为TIM4,通道1,设置比较寄存器为CCR1。 修改示例: 步骤1:角度转换函数 我们可以这样写一个转换函数: float convert_angle(float angle) { if (angle > 180.0f) { angle = angle - 360.0f; } return angle; } 或者更高效的方式: angle = angle > 180.0f ? angle - 360.0f : angle; 步骤2:将转换后的陀螺仪角度映射到舵机角度 float servo_angle = (gyro_angle + 180.0f) * 0.5f; 步骤3:计算PWM脉冲宽度(计数值) uint16_t pulse = (uint16_t)(1000 + (servo_angle * 1000.0f / 180.0f)); 步骤4:设置定时器的比较寄存器值(假设舵机使用TIM4通道1) TIM4->CCR1 = pulse; 注意:实际应用中,可能需要考虑角度数据滤波和舵机运动的平滑性。 另外,关于陀螺仪的角度读取,我们可能需要参考MPU6050数据手册和代码。通常,我们使用DMP库或者原始数据积分得到角度。这里我们假设已经能够正确读取角度。 根据引用[^2],我们知道MPU6050的寄存器操作,例如向0x19地址写入数据可以配置寄存器。但用户的问题主要是修改角度范围和舵机控制,所以重点在数据处理和控制输出。 下面是一个简化的代码框架: 初始化部分: 初始化I2C(用于陀螺仪) 初始化定时器(用于舵机PWM) 主循环: 读取陀螺仪角度(原始角度,0-360度) 转换为-180到180度 映射到舵机角度(0-180度) 计算PWM脉宽 更新PWM输出 代码示例: ```c #include "stm32f10x.h" #include "mpu6050.h" // 假设有MPU6050的驱动 // 假设定时器时钟为72MHz,预分频71,计数频率1MHz,自动重装载值20000(20ms) #define PWM_PERIOD 20000 #define PWM_MIN 1000 // 1ms #define PWM_MAX 2000 // 2ms // 初始化定时器PWM void TIM4_PWM_Init(void) { // 初始化代码,配置TIM4通道1为PWM输出 // 省略具体初始化代码,用户应已有 } int main(void) { // 初始化系统时钟等 SystemInit(); // 初始化I2C I2C_Configuration(); // 初始化MPU6050 MPU6050_Initialize(); // 初始化舵机PWM TIM4_PWM_Init(); while(1) { // 读取陀螺仪的偏航角(yaw),假设函数返回0-360度 float gyro_yaw = get_gyro_yaw(); // 转换为-180~180度 if (gyro_yaw > 180.0f) { gyro_yaw -= 360.0f; } // 映射到舵机角度0~180度 float servo_angle = (gyro_yaw + 180.0f) * 0.5f; // 计算PWM脉宽(计数值) uint16_t pulse = PWM_MIN + (uint16_t)(servo_angle * (PWM_MAX - PWM_MIN) / 180.0f); // 设置PWM脉宽 TIM4->CCR1 = pulse; // 延时或等待下一次读取 Delay_ms(10); } } ``` 注意:上述代码是一个简化示例,实际应用中需要根据硬件连接和已有的驱动进行调整。 另外,关于I2C的初始化,引用[^1]和[^3]提到了一些I2C总线的配置和状态检查,确保I2C通信正常。 如果用户还没有读取陀螺仪角度的代码,那么需要实现MPU6050的配置和角度读取。这通常比较复杂,需要配置MPU6050的寄存器,并使用DMP(数字运动处理器)或者通过原始数据(加速度计和陀螺仪)进行姿态解算。但用户的问题中已经提到“修改代码”,所以我们假设用户已经能够获取角度。 如果用户使用的是DMP库,那么可能直接读取到的就是四元数或者欧拉角,我们可以从DMP的输出中获取yaw角(0-360度),然后进行上述转换。 总结:修改的关键点在于角度的转换和映射,以及PWM输出的调整。 相关问题: 1. 如何校准陀螺仪以提高角度测量的准确性? 2. 除了PWM,还有哪些方式可以控制舵机? 3. 如何处理陀螺仪的漂移问题? 4. 如何实现多舵机的同步控制?</think>### STM32F10x 陀螺仪角度范围调整与舵机控制修改 #### 1. **陀螺仪角度范围修改(-180° 到 180°)** - **问题分析** 陀螺仪原始数据通常输出为 0°~360° 范围(通过 `get_gyro_yaw()` 函数获取),需转换为 -180°~180° 范围。 - **转换公式** 使用分段函数实现: $$ \text{adjusted\_angle} = \begin{cases} \text{raw\_angle} & \text{if } \text{raw\_angle} \leq 180^\circ \\ \text{raw\_angle} - 360^\circ & \text{if } \text{raw\_angle} > 180^\circ \end{cases} $$ - **代码修改** 在读取陀螺仪数据后添加转换逻辑: ```c float gyro_yaw = get_gyro_yaw(); // 原始角度 (0°~360°) // 转换为 -180°~180° if (gyro_yaw > 180.0f) { gyro_yaw -= 360.0f; } ``` #### 2. **舵机控制映射** - **舵机信号要求** 舵机通常接受 PWM 信号控制,脉宽范围 1ms~2ms 对应 0°~180°(周期 20ms)。 - **角度映射公式** 将陀螺仪角度(-180°~180°)映射到舵机角度(0°~180°): $$ \text{servo\_angle} = \frac{\text{gyro\_yaw} + 180^\circ}{2} $$ - **PWM 计算** 假设定时器时钟为 72MHz,预分频 71,则计数频率 1MHz(1 计数 = 1μs): $$ \text{PWM\_pulse} = 1000 + \left( \frac{\text{servo\_angle}}{180^\circ} \times 1000 \right) $$ - `1000`:1ms 脉宽(舵机 0°) - `2000`:2ms 脉宽(舵机 180°) #### 3. **完整代码修改示例 ```c // 初始化舵机 PWM (TIM4 通道1) void TIM4_PWM_Init(void) { RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct; TIM_BaseStruct.TIM_Period = 19999; // 20ms 周期 (20000-1) TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 71; // 72MHz/(71+1)=1MHz TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = 0; TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_BaseStruct); TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct; TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 1500; // 初始位置 1.5ms (90°) TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCStruct); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); } int main(void) { // 初始化 I2C 和陀螺仪 (MPU6050) MPU6050_Init(); TIM4_PWM_Init(); while (1) { float gyro_yaw = get_gyro_yaw(); // 原始角度 (0°~360°) // 转换为 -180°~180° if (gyro_yaw > 180.0f) { gyro_yaw -= 360.0f; } // 映射到舵机角度 (0°~180°) float servo_angle = (gyro_yaw + 180.0f) / 2.0f; // 计算 PWM 脉宽 (1000~2000) uint16_t pulse = 1000 + (uint16_t)(servo_angle * (1000.0f / 180.0f)); TIM4->CCR1 = pulse; // 更新 PWM 输出 Delay_ms(10); // 控制频率 100Hz } } ``` #### 4. **关键配置说明** 1. **I2C 通信** - 确保 SDA/SCL 配置为开漏输出,上拉电阻 4.7kΩ[^3]。 - 发送寄存器地址时,第二个字节指定目标寄存器(如 MPU6050 的 `0x19`)[^2]。 2. **状态检查** - 起始条件发送后检查 `EV5` 事件标志[^1]。 - 数据传输完成检查 `BTF` 标志[^1]。 #### 5. **调试建议** - 通过串口输出 `gyro_yaw` 和 `pulse` 值验证转换逻辑。 - 用示波器检查 PWM 波形是否符合预期(1ms~2ms)。 - 添加软件限幅防止舵机过转: ```c if (pulse < 1000) pulse = 1000; if (pulse > 2000) pulse = 2000; ``` --- ###
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