树莓派基础实验31：MPU6050陀螺仪加速度传感器实验
时间：2022-07-23 05:00:00
一、介绍
?? MPU6050是世界上第一款也是唯一一款低功耗、低成本、高性能要求的6轴运动跟踪设备，专为智能手机、平板电脑和可穿戴传感器设计。
它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计和可扩展的数字运动处理器 DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口连接第三方数字传感器，如磁力计。扩展后，可通过 I2C或SPI接口输出9轴信号( SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-60X也可以通过它I2C接口连接非惯性数字传感器，如压力传感器。
??其它I2C前面的总线实验可以查看PCF如：
树莓派基础实验12:PCF859模数转换器实验
二、组件
★Raspberry Pi主板*1
★树莓派电源*1
★40P软排线*1
★MPU6050陀螺仪加速度传感器模块*1
★面包板*1
三、实验原理
?? MPU6050的工作原理比较复杂，需要深入学习。最好学习官方手册。这篇文章只做了一个简单的介绍，很多内容我都被逼着。
?? 详细资料可在官网下载最新的芯片手册：
https://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/
1.传感器
?? ①陀螺仪传感器：
??? 陀螺仪的原理是，旋转物体的旋转轴所指的方向不会受到外力的影响。人们使用它来保持方向。然后以多种方式读取轴指示的方向，并自动将数据信号传输到控制系统。我们实际上使用了骑自行车的原理。轮子转得越快，就越不容易倒下，因为轴有力量保持水平。
??现代陀螺仪是一种惯性导航仪器，广泛应用于现代航空、航海、航天和国防工业。传统惯性陀螺仪的主要部分是机械陀螺仪，机械陀螺仪对工艺结构的要求很高。
??20世纪70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本想法。20世纪80年代以后，光纤陀螺仪发展迅速，激光谐振陀螺仪也发展迅速。光纤陀螺仪结构紧凑，灵敏度高，工作可靠。光纤陀螺仪在许多领域已经完全取代了传统的机械陀螺仪，成为现代导航仪器的关键部件。光纤陀螺仪除陀螺仪外，光纤陀螺仪还发展起来。
??MPU-60X由三个独立振动MEMS旋转角度由速率陀螺仪组成X轴，Y轴和Z轴。当陀螺仪围绕任何感应轴旋转时，科里奥利效应会产生电容式传感器检测到的振动。信号被放大，过滤器产生与角速成比例的电压。该电压采用单片数字16位模数转换器（ADC）采样每个轴。陀螺仪传感器可以全面编程为每秒±250，±500，±1000或±2000度（dps）。ADC样本速率可从每秒8000个采样点编程到每秒300个采样点.用户可以选择9个采样点，低通滤波器可以实现广泛的截止频率。
??②加速传感器：
加速度传感器是一种可以测量加速度的传感器。它通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适应电路组成。在加速过程中，通过测量质量块的惯性力，通过牛顿第二定律获得加速度值。根据不同的传感器敏感元件，常见的加速度传感器包括电容器、电感器、应变器、压力阻力、压电等。
??MPU-60X0的3轴加速度计用于每个轴的单独检测质量。加速沿特定轴引起相应检测质量的位移，电容式传感器检测到位移位移不同。MPU-60X0的架构降低了加速度计的敏感性制造变化和热漂移。当设备放置在平坦的表面时，测量X和Y轴上为 0g，在Z轴上为 1g。加速度计的比例因子在工厂校准，名义上与电源电压无关。每个传感器都有一个特殊的sigma-delta ADC提供数字输出。可调整数字输出的满程范围±2g，±4g，±8g或±16g。
??其实说简单点，在mpu在6050中，我们用陀螺仪传感器测量角度，用加速度传感器测量加速度。
?? MPU-60X0是世界上第一个9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS 加速度计和可扩展的数字运动处理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C 接口连接第三方数字传感器，如磁力计。扩展后可通过 I2C 或 SPI 接口 输出 9 轴的信号（SPI 接口只有 MPU-6000 可用）。MPU-60X也可通过它 I2C 接口连接非惯性数字传感器，如压力传感器。
数字运动处理器（DMP）:
??嵌入式数字运动处理器（DMP）位于MPU-60X运动处理算法的运算可以从主机处理器中卸载。DMP从加速度计、陀螺仪等第三方传感器(如磁力计)获取数据并处理数据。结果数据可以从DMP读取寄存器，或者可以读取FIFO中缓冲。DMP其中一个可以访问MPU外引脚可用于中断。
??DMP目的是卸载主机处理器的顺序要求和处理能力。通常，运动处理算法应高速运行，通常为200Hz为了提供低延迟的准确结果。即使应用程序以更低的速度更新，也是必要的。例如，低功率用户界面可能是5Hz速度更新，但运动处理仍应为200Hz运行。DMP它可以降低功耗、简化定时、简化软件架构、在主机处理器上节约宝贵功耗的工具。MIPS，用于应用。
2.数据分析
(1)加速度计
??下图显示了传感器的参考坐标系( XYZ构成右手系)和 3个测量轴和旋转方向。可以正向旋转判断右手螺旋定则：
三轴加速度计：
ACCEL_XOUT 16位二进制补码值。存储最近的X轴加速计测量值。
ACCEL_YOUT 16位二进制补码值。存储最近的Y轴加速度计测量值。
ACCEL_ZOUT 16位二进制补码值。存储最近的Z轴加速计测量值。
??三个加速度分量均为重力加速度 g 倍数为单位，可表示加速范围，即倍数可统一设定，有4个可选倍数：±2g、±4g、±8g、±16g。初始化MPU加速度计输出的满量范围为6050± 2g，加速度计每个 LSB 灵敏度应为 16384 LSB/g。
满量程范围± 2g和灵敏度16384 LSB/g有啥关系?
??上述三个加速度分量为16位二进制补码值，具有符号。因此，其输出范围 -32768~32767。((2^16)/2)
??32767/2 = 16384 即加速度计灵敏度。
这种灵敏度有什么用？ 以一组数据为例：
??A X: 03702 Y: 12456 Z: 06268 G X:-00023 Y:-00059 Z: 00005
??加速度计 X 轴获取原始数据位 03702，其对应的加速度数据为：03702/16384 = 0.23g.
??g重力加速度定义为1g,等于9.每平方秒8米。
??具体加速度公式：加速度数据 = 加速度轴原始数据 / 加速度灵敏度
??或：加速度数据 = (原始加速度轴数据 / 3277X 可选倍率(即±2g、±4g、±8g、±16g）
（2）陀螺仪
三轴陀螺仪：
GYRO_XOUT 16位二进制补码值。存储最新的X轴陀螺仪测量。
GYRO_YOUT 16位二进制补码值。存储最新的Y轴陀螺仪测量结果。
GYRO_ZOUT 16位二进制补码值。存储最新的Z轴陀螺仪测量结果。
三个角速度分量均以“度/秒”为单位，能够表示的角速度范围，即倍率可统一设定，有4个可选倍率：±250°/s， ±500°/s， ±1000°/s， ±2000°/s。初始化MPU6050设置陀螺仪输出满量程范围为 ± 2000 °/s，陀螺仪每个 LSB 的灵敏度为 16.4 LSB/°/s。
满量程范围± 2000 °/s和灵敏度16.4 LSB/°/s有啥关系?
上面说了这三个陀螺仪分量是16位的二进制补码值，且是有符号的。故而其输出范围 -32768~32767。((2^16)/2)
32767/2000 = 16.4 即陀螺仪的灵敏度。
那这个灵敏度又有啥用呢？ 我们用一组数据来举个例子：
A X: 03702 Y: 12456 Z: 06268 G X:-00023 Y:-00059 Z: 00005
陀螺仪 X 轴获取原始数据位 -00023，那么它对应的陀螺仪数据是：-00023/16.4 = -1.4°/s
请注意，负号表示设备的旋转方向与传统的正方向相反。
具体的陀螺仪公式：陀螺仪数据 = 陀螺仪轴原始数据/陀螺仪灵敏度
或者：陀螺仪数据 = （陀螺仪轴原始数据 / 32767） X 可选倍率（即±250°/s， ±500°/s， ±1000°/s， ±2000°/s）
MPU6050 是一款姿态传感器，使用它就是为了得到待测物体（如四轴、平衡小车） x、y、z 轴的倾角（俯仰角 Pitch、滚转角 Roll、偏航角 Yaw） 。我们通过 I2C 读取到 MPU6050 的六个数据（三轴加速度 AD 值、三轴角速度 AD 值）经过姿态融合后就可以得到 Pitch、Roll、Yaw 角。
更多姿态融合等资料，可以参考MPU6050开发的帖子：
https://blog.csdn.net/qq_29350001/category_7303760.html
3.MPU6050寄存器
这里说明几个重要的寄存器，详情查阅官方文档。
（1）寄存器25 - 采样速率分频器（SMPRT_DIV）
参数：
SMPLRT_DIV 为8位无符号值。 采样率是通过将陀螺仪输出速率除以该值来确定的。
描述：
该寄存器指定用于产生MPU-60X0采样率的陀螺仪输出速率的分频器。 传感器寄存器输出，FIFO输出和DMP采样都基于采样率。采样率是通过将陀螺仪输出速率除以 SMPLRT_DIV 产生的：
采样率=陀螺仪输出速率/（1 + SMPLRT_DIV）
当DLPF禁用（DLPF_CFG = 0或7）时，陀螺仪输出速率= 8kHz，当DLPF使能时（见寄存器26）为1kHz。
注意：加速度计输出速率是1kHz。 这意味着对于大于1kHz的采样率，同一个加速度计采样可能会不止一次输出到FIFO，DMP和传感器寄存器。
（2）寄存器26 - 配置（CONFIG）
注：位7和位6保留
参数：
EXT_SYNC_SET3位无符号值。 配置FSYNC引脚采样。
DLPF_CFG3位无符号值。 配置DLPF设置
描述：
该寄存器为陀螺仪和加速度计配置外部帧同步（FSYNC）引脚采样和数字低通滤波器（DLPF）设置。
连接到FSYNC引脚的外部信号可以通过配置 EXT_SYNC_SET 进行采样。
FSYNC 引脚的信号变化被锁存，以便捕获短闪光灯。 锁存的FSYNC信号将按照寄存器 25 中定义的采样速率进行采样。采样后，锁存器将复位为当前的 FSYNC 信号状态。
根据下表，取样值将被报告在由 EXT_SYNC_SET 的值确定的传感器数据寄存器中的最低有效位的位置。
DLPF由 DLPF_CFG 配置，加速度计和陀螺仪根据 DLPF_CFG 的值进行过滤，如下表所示。
（3）寄存器27 - 陀螺仪配置（GYRO_CONFIG）
注：位2到位0被保留。
参数：
XG_ST设置此位将导致X轴陀螺仪执行自检。
YG_ST设置此位将使Y轴陀螺仪执行自检。
ZG_ST 设置该位使Z轴陀螺仪执行自检。
FS_SEL 2位无符号值。 选择陀螺仪的全量程范围。
描述：
该寄存器用于触发陀螺仪自检并配置陀螺仪的满量程范围。
陀螺仪自检允许用户测试机械和电气部分陀螺仪。每个陀螺仪轴的自检可通过控制该寄存器的XG_ST，YG_ST和ZG_ST位来激活。每个轴的自检可以独立进行，也可以同时进行。
当自检被激活时，车载电子装置将启动适当的传感器。这种驱动将使传感器的检测质量移动一段相当于预先确定的科里奥利力的距离。这种检测质量位移导致传感器输出发生变化，这反映在输出信号中。输出信号用于观察自检响应。
自检响应定义如下：
自检响应=启用自检的传感器输出 - 未启用自检的传感器输出
每个陀螺仪轴的自检限制在MPU-6000 / MPU-6050产品规格文件。当自检的价值响应在产品规格的最小/最大范围内，零件已通过自检。当自检响应超过文档中指定的最小/最大值时，该部分被认为是自检失败。
FS_SEL根据下表选择陀螺仪输出的满量程范围。
（4）寄存器28 - 加速度计配置（ACCEL_CONFIG）
参数：
XA_ST 当设置为1时，X轴加速度计执行自检。
YA_ST当设置为1时，Y轴加速度计执行自检。
ZA_ST设置为1时，Z轴加速计执行自检。
AFS_SEL 2位无符号值。 选择加速度计的全量程范围。
描述：
该寄存器用于触发加速度计自检并配置加速度计满量程范围。 该寄存器还配置数字高通滤波器（DHPF）。
加速度计自检允许用户测试加速度计的机械和电子部分。每个加速度计轴的自检可通过控制该寄存器的XA_ST，YA_ST和ZA_ST位来激活。每个轴的自检可以独立进行，也可以同时进行。
当自检被激活时，车载电子装置将启动适当的传感器。这种致动模拟外力。被驱动的传感器又将产生相应的输出信号。输出信号用于观察自检响应。
自测响应定义如下：
自检响应=启用自检的传感器输出 - 未启用自检的传感器输出
MPU-6000 / MPU-6050产品规格文档的电气特性表中提供了每个加速度计轴的自检限制。当自检响应值在产品规格的最小/最大范围内时，该部件已通过自检。当自测响应超过文档中指定的最小/最大值时，该部分被认为是自检失败。
AFS_SEL 根据下表选择加速度计输出的满量程范围。
（5）寄存器59到64 - 加速度计测量
参数：
ACCEL_XOUT 16位二进制补码值。存储最近的X轴加速计测量值。
ACCEL_YOUT 16位二进制补码值。存储最近的Y轴加速度计测量值。
ACCEL_ZOUT 16位二进制补码值。存储最近的Z轴加速计测量值。
描述：
这些寄存器存储最新的加速度计测量结果。
按照 寄存器25 中定义的采样率将加速度计测量值写入这些寄存器。
加速度计测量寄存器以及温度测量寄存器，陀螺仪测量寄存器和外部传感器数据寄存器由两组寄存器组成：内部寄存器组和面向用户的读取寄存器组。
加速度计传感器内部寄存器组内的数据总是以采样率更新。同时，只要串行接口空闲，面向用户的读取寄存器组就会复制内部寄存器组的数据值。这保证了传感器寄存器的突发读取将从相同的采样时刻读取测量结果。请注意，如果不使用突发读取，则用户负责通过检查数据就绪中断来确保一组单个字节的读取对应于单个采样时刻。
每个16位加速度计的测量结果都在 ACCEL_FS（寄存器28）中定义了一个满量程。对于每个满量程设置，ACCEL_xOUT 中的每个 LSB 的加速度计灵敏度如下表所示。
（6）寄存器65和66 - 温度测量（TEMP_OUT_H和TEMP_OUT_L）
参数：
TEMP_OUT 16位有符号值。存储最近的温度传感器测量值。
描述：
这些寄存器存储最新的温度传感器测量值。
温度测量值按照 寄存器25 中定义的采样率写入这些寄存器。
这些温度测量寄存器以及加速度计测量寄存器，陀螺仪测量寄存器和外部传感器数据寄存器由两组寄存器组成：内部寄存器组和面向用户的读取寄存器组。
温度传感器内部寄存器组内的数据始终以采样率进行更新。
同时，只要串行接口空闲，面向用户的读取寄存器组就会复制内部寄存器组的数据值。这保证了传感器寄存器的突发读取将从相同的采样时刻读取测量结果。请注意，如果不使用突发读取，则用户负责通过检查数据就绪中断来确保一组单个字节的读取对应于单个采样时刻。
电气规格表（MPU-6000 / MPU-6050产品规格文档第6.4节）中提供了温度传感器的比例因子和偏移量。
对于给定的寄存器值，温度（摄氏度）可以被计算为：
以℃为单位的温度=（TEMP_OUT寄存器值作为有符号数量）/ 340 + 36.53
请注意，上述公式中的数学是十进制的。
（7）寄存器67至72 - 陀螺仪测量
参数：
GYRO_XOUT 16位二进制补码值。存储最新的X轴陀螺仪测量。
GYRO_YOUT 16位二进制补码值。存储最新的Y轴陀螺仪测量结果。
GYRO_ZOUT16位二进制补码值。存储最新的Z轴陀螺仪测量结果。
描述：
这些寄存器存储最近的陀螺仪测量结果。
陀螺仪测量值按寄存器25中定义的采样率写入这些寄存器。
这些陀螺仪测量寄存器以及加速度计测量寄存器，温度测量寄存器和外部传感器数据寄存器由两组寄存器组成：内部寄存器组和面向用户的读取寄存器组。
陀螺仪传感器内部寄存器组内的数据总是以采样率更新。
同时，只要串行接口空闲，面向用户的读取寄存器组就会复制内部寄存器组的数据值。这保证了传感器寄存器的突发读取将从相同的采样时刻读取测量结果。请注意，如果不使用突发读取，则用户负责通过检查数据就绪中断来确保一组单个字节的读取对应于单个采样时刻。
每个16位陀螺仪测量具有在 FS_SEL（寄存器27）中定义的满量程。对于每个满量程设置，GYRO_xOUT中陀螺仪每个LSB的灵敏度如下表所示：
（8）寄存器107 - 电源管理1 （PWR_MGMT_1）
注：位4保留。
参数：
DEVICE_RESET设置为1时，该位将所有内部寄存器复位为默认值。一旦复位完成，该位自动清零。每个寄存器的默认值可以在第3节找到。
SLEEP当该位置1时，该位将MPU-60X0置于睡眠模式。
CYCLE当该位设置为1且SLEEP被禁止时，MPU-60X0将循环。在睡眠模式和唤醒之间以LP_WAKE_CTRL（寄存器108）确定的速率从活动传感器获取单个样本数据。
TEMP_DIS设置为1时，该位禁用温度传感器。
CLKSEL 3位无符号值。 指定设备的时钟源。
描述：
该寄存器允许用户配置电源模式和时钟源。它还提供了一些重置整个设备，以及一些禁用温度传感器。
通过将 SLEEP 设置为1，MPU-60X0 可以进入低功耗睡眠模式。当 CYCLE 设置为1而睡眠模式被禁用时，MPU-60X0 将进入循环模式。在周期模式下，器件在休眠模式和唤醒之间循环，以由 LP_WAKE_CTRL（寄存器108）确定的速率从加速计获取单个采样。要配置唤醒频率，请使用 电源管理2寄存器（寄存器108）内的 LP_WAKE_CTRL。
MPU-60X0 时钟源可选择内部 8MHz 振荡器，基于陀螺仪的时钟或外部时钟源。当选择内部 8MHz 振荡器或外部时钟源作为时钟源时，MPU-60X0 可以在陀螺仪禁用的低功耗模式下工作。
上电时，MPU-60X0 时钟源默认为内部振荡器。但是，强烈建议将器件配置为使用其中一个陀螺仪（或外部时钟源）作为时钟参考，以提高稳定性。时钟源可以按照下表进行选择。
（9）寄存器117 - 我是谁（WHO_AM_I）
注：位0和7保留。 （硬编码为0）
参数：
WHO_AM_I包含MPU-60X0的6位I2C地址。
位6：位1的上电复位值为110 100。
描述：
该寄存器用于验证设备的身份，WHO_AM_I的内容是MPU-60X0的7位I2C地址的高6位。 MPU-60X0的I2C地址的最低有效位由AD0引脚的值决定。 该寄存器不反映AD0引脚的值。
该寄存器的默认值是0x68。
四、实验步骤
第1步： 连接电路。
| 树莓派 | T型转接板 | BMP180气压传感器 |
|---|---|---|
| SCL | SCL | SCL |
| SDA | SDA | SDA |
| 5V | 5V | VCC |
| GND | GND | GND |
第2步： PCF8591模块采用的是I2C（IIC）总线进行通信的，但是在树莓派的镜像中默认是关闭的，在使用该传感器的时候，我们必须首先允许IIC总线通信。
第3步： 查询MPU6050的地址。得出地址为0x68。
pi@raspberrypi:~ $ sudo i2cdetect -y 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- 70: -- -- -- -- -- -- -- -- 第4步： 编写控制程序。使用Python 2编写的程序比C++简洁许多，smbus函数请在之前的I2C文章中查阅。
树莓派基础实验12：PCF8591模数转换器实验
实验结果示例：
gyro_xout : -546 scaled: -5gyro_yout : -26 scaled: -1gyro_zout : 82 scaled: 0accel_xout: 1132 scaled: 0.069091796875accel_yout: 3912 scaled: 0.23876953125accel_zout: 14324 scaled: 0.874267578125x rotation: 15.2301539313y rotation: -4.35957842715控制程序：
#!/usr/bin/pythonimport smbusimport mathimport time# 电源管理寄存器地址power_mgmt_1 = 0x6bpower_mgmt_2 = 0x6cdef read_byte(adr): return bus.read_byte_data(address, adr)def read_word(adr): high = bus.read_byte_data(address, adr) low = bus.read_byte_data(address, adr+1) val = (high << 8) + low return valdef read_word_2c(adr): val = read_word(adr) if (val >= 0x8000): return -((65535 - val) + 1) else: return valdef dist(a,b): return math.sqrt((a*a)+(b*b)) #math.sqrt(x) 方法返回数字x的平方根。def get_y_rotation(x,y,z): radians = math.atan2(x, dist(y,z)) #math.atan2(y, x) 返回给定的 X 及 Y 坐标值的反正切值。 return -math.degrees(radians) #math.degrees(x) 将弧度x转换为角度。def get_x_rotation(x,y,z): radians = math.atan2(y, dist(x,z)) return math.degrees(radians)bus = smbus.SMBus(1) # or bus = smbus.SMBus(1) for Revision 2 boardsaddress = 0x68 # This is the address value read via the i2cdetect command# Now wake the 6050 up as it starts in sleep modebus.write_byte_data(address, power_mgmt_1, 0)while True: time.sleep(0.1) gyro_xout = read_word_2c(0x43) gyro_yout = read_word_2c(0x45) gyro_zout = read_word_2c(0x47) print ' ' print "gyro_xout : ", gyro_xout, " scaled: ", (gyro_xout / 131) #倍率：±250°/s print "gyro_yout : ", gyro_yout, " scaled: ", (gyro_yout / 131) print "gyro_zout : ", gyro_zout, " scaled: ", (gyro_zout / 131) accel_xout = read_word_2c(0x3b) accel_yout = read_word_2c(0x3d) accel_zout = read_word_2c(0x3f) accel_xout_scaled = accel_xout / 16384.0 #倍率：±2g accel_yout_scaled = accel_yout / 16384.0 accel_zout_scaled = accel_zout / 16384.0 print "accel_xout: ", accel_xout, " scaled: ", accel_xout_scaled print "accel_yout: ", accel_yout, " scaled: ", accel_yout_scaled print "accel_zout: ", accel_zout, " scaled: ", accel_zout_scaled print "x rotation: " , get_x_rotation(accel_xout_scaled, accel_yout_scaled, accel_zout_scaled) print "y rotation: " , get_y_rotation(accel_xout_scaled, accel_yout_scaled, accel_zout_scaled) time.sleep(0.5)
