STM32Cube HAL库——MPU6050 DMP姿态解算
STM32Cube HAL库——MPU6050 DMP姿态解算
本文将介绍如何使用STM32Cube HAL库进行MPU6050 DMP姿态解算。内容包括MPU6050的原理、配置和编程过程，并提供了具体的代码示例。
MPU6050介绍
MPU6050是6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，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。使用它就是为了得到待测物体（如四轴飞行器、平衡小车）x、y、z轴的倾角（俯仰角Pitch、翻滚角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。
作为测量值的方向参考，传感器坐标方向定义如上图所示，属于右手坐标系（右手拇指指向 x 轴的正方向，食指指向 y 轴的正方向，中指能指向 z 轴的正方向）。
原理
（1）陀螺仪传感器（Gyroscope sensor）
传感器在它的内部有一个陀螺，因为陀螺效应始终与初始方向平行，这样就能通过与初始方向的偏差计算出旋转方向与角度。
（2）加速度计传感器（Accelerometer Sensor）
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。它采用的是压电效应的原理。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获取加速度值。
（3）数字运动处理器（Digital Motion Processor）
DMP是MPU6050芯片中的数据处理模块，（内置卡尔曼滤波算法）获取陀螺仪和加速度传感器数据，并处理输出四元数，可以减轻外围微处理器的工作负担且避免了繁琐的滤波和数据融合。
姿态获取与处理
理论上只用陀螺仪就可以完成姿态导航的任务，只需要对3个轴的陀螺仪角度进行积分，得到3个方向的旋转角度的姿态数据，就可以了。但实际上存在着误差噪声等，对陀螺仪积分并不能得到完全准确的姿态，所以我们就需要用加速度计传感器进行辅助矫正。
（1）数据获取
1、MPU6050的陀螺仪采集物体转动的角速度信号，通过ADC（模拟数字转换器）转换成数字信号采集回来。再通过通信传输给单片机。
2、加速度计则是采集物体加速度信号，并传输回来。
（2）数据处理
通过以上的步骤，我们可以分别得出线加速度传感器与角加速度传感器的数据，接下来就要进行数据的处理与融合。
具体步骤如下：
1、校准数据（零点漂移）：传感器安装在设备上总有一个初始的角度，我们设这个角度为0度，我们每一次的数据都要减去这个初始数据，得到一个相对的角度。
2、把测量值换算成相应的单位：原始数据除以它在该量程下的灵敏度就可以获得实际的物理单位。加速度的物理单位为g，角速度的物理单位为°/s。
3、滤波和数据融合：常见方法有三种：互补滤波、卡尔曼滤波、硬件DMP解算四元数。
——互补滤波：因为加速度计有高频噪声，陀螺仪有低频噪声，需要互补滤波融合得到较可靠的角度值。
——卡尔曼滤波：利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。
——硬件DMP解算四元数：DMP将原始数据直接转换成四元数输出，运用欧拉角转换算法，从而得到yaw、roll和pitch。
STM32CubeMX配置
本例中依旧使用单片机STM32F405，将测出的加速度值，陀螺仪原始值和DMP解算值显示在OLED显示屏上，显示屏相关代码，请参考本专栏STM32Cube HAL库——OLED（6针）屏幕显示教程这篇文章，烧录接口配置，时钟配置等基础配置，请查看本专栏其它文章。
确定引脚
查看原理图，确定MPU6050的SDA,SCL,INT（AD0接地）引脚分别接PB11,PB10,PB15,或者按照自己的需求接线。
CubeMX配置
该程序是在完成调试接口口任务的基础上进行的（所有编程都在这个基础上进行，没有完成则无法烧录）。蓝牙串口，OLED显示，ADC采集，PWM控制电机，编码器测速都可以在这个专栏中查找到。
注意：MPU6050 DMP姿态解算的步骤较多，细节也很多，主要流程可以阅读此文章，如果不想按照步骤自己完成，也可以下载文末的源码。
1.首先配置PB15引脚。选择GPIO，GPIO的模式和名字如图所示。
2.配置PB11和PB10引脚，这里的通讯协议是IIC。先设置PB10和PB11的引脚分别为I2C2_SCL和I2C2_SDA，如图所示。
参数配置，速度模式为快速模式，I2C时钟频率为400000Hz。具体配置如下图：
至此，MX中的配置完成，生成代码即可。
STM32CubeIDE编程及结果
DMP姿态解算代码移植
DMP解算有现成的代码，这里不需要再自己编写，只需要移植，共8个文件。这些文件中最需要注意的是my_mpu6050.c中的w_mpu_read_all_raw_data和read_dmp两个函数，这两个函数分别可以获取原始数据和解算后的数据。
w_mpu_read_all_raw_data函数：（只需要了解获取参数的方式即可，无需深究）
其实，加速度计的值，温度值，陀螺仪值存储起来，我们使用时只需要选择存储的数组（地址）即可。读取MPU所有原始数据的代码如下，注释很详细，不作赘述。
read_dmp函数：（只需要了解获取参数的方式即可，无需深究）
该函数最主要的是四元数解算，该函数的代码如下：
main函数编程
（1）初始化：
包含GPIO初始化，IIC初始化（这里我们使用的是IIC2），USART初始化（这里我们使用USART2），OLED初始化。其中，我们使用了USART串口通信，目的是通过透传在串口调试助手上查看DMP解算过程中代码的运行进展，方便查找和修改代码错误。main中初始化代码如下：
最重要的是DMP初始化，在DMP解算MPU6060参数时最先要完成初始化函数。main中DMP初始化语句：
我们再来查看DMP初始化的函数内容，发现步骤较多，非常容易出现问题，这是就需要串口调试助手，实时查看代码的运行情况。代码如下（非main中函数，只需要了解dmp初始化有哪些步骤，看中文注释即可，无需深究）：
DMP初始化过程中串口调试助手显示如下，我们可以看到初始化每个步骤都完成了，MPU配置完成，DMP功能完成。接下来执行其它功能。
（2）读取参数的函数
在while循环中首先添加以下代码，这两个函数可以获取加速度值，陀螺仪值，解算值和温度值。
加速度值OLED显示
代码如下：
实测效果如下：
陀螺仪值OLED显示
代码如下：
实测效果如下：
DMP解算值OLED显示
代码如下：
实测效果如下：
注意事项
1、想要完成这个项目，需要学会使用蓝牙透传模块，OLED显示屏。
2、该程序，DMP初始化需要一小段时间，大约6s，从初始化完成到OLED显示屏显示大约6s，烧录代码后，按下复位键等少许片刻。
3、参数刷新频率可按照自己的需求设置。
4、上传的代码中也掺杂了其它未提及的代码，但已被注释或删减。
总结
该文章主要讲述了mpu6050的姿态获取原理，使用HAL库编程时Cube MX的配置和Cube IDE编程，对于只实现功能的学习者了解DMP解算的实现流程，知道不同参数的实际意义，可获取参数即可。如想要进一步理解解算过程，可查看代码中的注释（代码中注释较为详细）。