一、前言
隨著科技的發(fā)展，我們經(jīng)?？吹接腥擞闷胶廛嚧?、使用無人機(jī)進(jìn)行航拍。但這些是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？平衡車和無人機(jī)在使用的時候是怎樣保持平衡與穩(wěn)定的呢？
其實(shí)，平衡車和無人機(jī)在內(nèi)部都用到陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器，用來檢測車體的姿態(tài)以及運(yùn)動時發(fā)生的變化，再通過各方面的共同協(xié)調(diào)配合，從而保持平衡車和無人機(jī)的平衡與穩(wěn)定。本章主要介紹MPU6050的原理及應(yīng)用。
二、MPU6050簡介
MPU6050是6軸運(yùn)動處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器DMP。使用它就是為了得到待測物體（如四軸飛行器、平衡小車）x、y、z軸的傾角（俯仰角Pitch、翻滾角Roll、偏航角Yaw）。我們通過 I2C 讀取到 MPU6050 的六個數(shù)據(jù)（三軸加速度 AD 值、三軸角速度 AD 值）經(jīng)過姿態(tài)融合后就可以得到 Pitch、Roll、Yaw角。
作為測量值的方向參考，傳感器坐標(biāo)方向定義如上圖所示，屬于右手坐標(biāo)系（右手拇指指向 x 軸的正方向，食指指向 y 軸的正方向，中指能指向 z 軸的正方向）。
MPU6050與MPU6500的區(qū)別講解：
三、MPU6050原理
傳感器在它的內(nèi)部有一個陀螺，因?yàn)橥勇菪?yīng)始終與初始方向平行，這樣就能通過與初始方向的偏差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)方向與角度。
?。?）加速度計(jì)傳感器（Accelerometer Sensor）
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。它采用的是壓電效應(yīng)的原理。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲取加速度值。
（3）數(shù)字運(yùn)動處理器（Digital Motion Processor）
DMP是MPU6050芯片中的數(shù)據(jù)處理模塊，（內(nèi)置卡爾曼濾波算法）獲取陀螺儀和加速度傳感器數(shù)據(jù)，并處理輸出四元數(shù)，可以減輕外圍微處理器的工作負(fù)擔(dān)且避免了繁瑣的濾波和數(shù)據(jù)融合。
四、MPU6050系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
五、MPU6050特性參數(shù)
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六、MPU6050引腳輸出和信號描述
圖 1 MPU6050引腳圖
表 1 引腳輸出與信號描述
七、MPU6050姿態(tài)獲取與處理
理論上只用陀螺儀就可以完成姿態(tài)導(dǎo)航的任務(wù)，只需要對3個軸的陀螺儀角度進(jìn)行積分，得到3個方向的旋轉(zhuǎn)角度的姿態(tài)數(shù)據(jù)，就可以了。但實(shí)際上存在著誤差噪聲等，對陀螺儀積分并不能得到完全準(zhǔn)確的姿態(tài)，所以我們就需要用加速度計(jì)傳感器進(jìn)行輔助矯正。
（1）數(shù)據(jù)獲取
1、MPU6050的陀螺儀采集物體轉(zhuǎn)動的角速度信號，通過ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號采集回來。再通過通信傳輸給單片機(jī)。
2、加速度計(jì)則是采集物體加速度信號，并傳輸回來。
（2）數(shù)據(jù)處理
通過以上的步驟，我們可以分別得出線加速度傳感器與角加速度傳感器的數(shù)據(jù)，接下來就要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與融合。
具體步驟如下
1、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（零點(diǎn)漂移）：傳感器安裝在設(shè)備上總有一個初始的角度，我們設(shè)這個角度為0度，我們每一次的數(shù)據(jù)都要減去這個初始數(shù)據(jù)，得到一個相對的角度。
2、把測量值換算成相應(yīng)的單位：原始數(shù)據(jù)除以它在該量程下的靈敏度就可以獲得實(shí)際的物理單位。加速度的物理單位為g，角速度的物理單位為°/s。
3、濾波和數(shù)據(jù)融合：常見方法有三種：互補(bǔ)濾波、卡爾曼濾波、硬件DMP解算四元數(shù)。
——互補(bǔ)濾波：因?yàn)榧铀俣扔?jì)有高頻噪聲，陀螺儀有低頻噪聲，需要互補(bǔ)濾波融合得到較可靠的角度值。
——卡爾曼濾波：利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。
——硬件DMP解算四元數(shù)：DMP將原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，運(yùn)用歐拉角轉(zhuǎn)換算法，從而得到y(tǒng)aw、roll和pitch。
八、總結(jié)
姿態(tài)傳感器在電子產(chǎn)品中處處可見，在平衡車和無人機(jī)最為常見。在自主移動機(jī)器人中，通過姿態(tài)傳感器能獲取機(jī)器人的位姿信息是非常關(guān)鍵的，它會影響到機(jī)器人的運(yùn)功規(guī)劃及運(yùn)行狀態(tài)。