简单的mems陀螺仪姿态算法介绍

   　测试传感器：MPU9250，九轴传感器，其中有三个轴就是陀螺仪的三个方向角速度。

　　陀螺仪在每个采样点获得：采样时刻（单位微妙），XYZ三个方向的角速度（单位弧度/秒），记为：wx， wy， wz。陀螺仪静止时，wx， wy， wz也是有读数的，这就是陀螺仪的零漂。

　　实验一：将陀螺仪绕X轴旋转时，只有wx有读数；将陀螺仪绕Y轴旋转时，只有wy有读数；将陀螺仪绕Z轴旋转时，只有wz有读数；

　　实验二：将陀螺仪绕XY面上的轴旋转，wz读数为零，即与旋转轴垂直的轴上的角速度为零。

　　因为陀螺仪采样率很高（1000Hz），通过瞬时读数计算姿态，可以看做：先绕X轴旋转，再绕Y轴旋转，再绕Z轴旋转。

　　下面这段代码实现了一个简单的陀螺仪姿态算法，开机并静置几十秒后，拿着陀螺仪旋转，十几分钟内姿态是正确的，之后由于积分累积，误差就越来越大了。
        // 参数说明：

// sampleTS   : 采样时刻，单位：微秒

// wx, wy, wz ：陀螺仪采样，单位：弧度/秒

void GyroExperiment(uint64_t sampleTS, float wx, float wy, float wz)

{

    // 传感器启动时刻

    static uint64_t s_lasttime = 0;

    static uint64_t s_lastlog = 0;

    if(s_lasttime == 0){

        s_lasttime = sampleTS;

        s_lastlog = sampleTS;

        return;

    }

 

    // 采用启动后5秒-35秒的采用平均值作为陀螺仪零漂

    // 在此期间，应保持陀螺仪静止

    static float s_wx = 0, s_wy = 0, s_wz = 0;    // 陀螺仪零漂

    static uint64_t s_elapsed = 0;

    if(s_elapsed < 35000000){

        static int s_SampleCnt = 0;

        if(s_elapsed > 5000000){

            s_wx += (wx - s_wx) / (s_SampleCnt + 1);

            s_wy += (wy - s_wy) / (s_SampleCnt + 1);

            s_wz += (wz - s_wz) / (s_SampleCnt + 1);

            s_SampleCnt++;

        }

        s_elapsed += (sampleTS - s_lasttime);

        s_lasttime = sampleTS;

    }

 

    // 初始姿态，采用三个轴向量表示

    static float Xx=1,Xy=0,Xz=0;    // X轴

    static float Yx=0,Yy=1,Yz=0;    // Y轴

    static float Zx=0,Zy=0,Zz=1;    // Z轴

 

    // 根据陀螺仪读数计算三个轴的旋转量

    float interval = (sampleTS - s_lasttime) / 1e6;

    float rx = (wx - s_wx) * interval;

    float ry = (wy - s_wy) * interval;

    float rz = (wz - s_wz) * interval;

 

    // 分别构造绕三个轴旋转的四元数

    float cos,sin;

    cos = cosf(rx/2); sin = sinf(rx/2); Quaternion qx(cos, Xx * sin, Xy * sin, Xz * sin);

    cos = cosf(ry/2); sin = sinf(ry/2); Quaternion qy(cos, Yx * sin, Yy * sin, Yz * sin);

    cos = cosf(rz/2); sin = sinf(rz/2); Quaternion qz(cos, Zx * sin, Zy * sin, Zz * sin);

 

    // 依次旋转三个轴向量

    Quaternion q = qx*qz*qy; q.normalize(); Quaternion qi = q.inverse();

    Quaternion QX(0, Xx, Xy, Xz); QX = q*QX*qi; QX.normalize(); Xx = QX.q2; Xy = QX.q3; Xz = QX.q4;        // 旋转X轴;

    Quaternion QY(0, Yx, Yy, Yz); QY = q*QY*qi; QY.normalize(); Yx = QY.q2; Yy = QY.q3; Yz = QY.q4;        // 旋转Y轴;

    Quaternion QZ(0, Zx, Zy, Zz); QZ = q*QZ*qi; QZ.normalize(); Zx = QZ.q2; Zy = QZ.q3; Zz = QZ.q4;        // 旋转Z轴;

 

    // 每1秒输出一次姿态数据

    s_lasttime = sampleTS;

    if(sampleTS - s_lastlog > 1000000){

        console->printf("attitude: [%f, %f, %f]; [%f, %f, %f]; [%f, %f, %f]\n", Xx, Xy, Xz, Yx, Yy, Yz, Zx, Zy, Zz);

        s_lastlog = sampleTS;

    }

}