陀螺仪加速度计MPU6050

转载自： 陀螺仪

陀螺仪，测量角速度，具有高动态特性，它是一个间接测量角度的器件。它测量的是角度的导数，即角速度，要将角速度对时间积分才能得到角度。

陀螺仪就是内部有一个陀螺，它的轴由于陀螺效应始终与初始方向平行，这样就可以通过与初始方向的偏差计算出旋转方向和角度。传感器MPU6050实际上是一个结构非常精密的芯片，内部包含超微小的陀螺。

如果这个世界是理想的，美好的，那我们的问题到此就解决了，从理论上讲只用陀螺仪是可以完成姿态导航的任务的。只需要对3个轴的陀螺仪角速度进行积分，得到3个方向上的旋转角度，也就是姿态数据。这也就是说的快速融合。

不过很遗憾，现实是残酷的，由于误差噪声等的存在，对陀螺仪积分并不能够得到完全准确的姿态，尤其是运转一段时间以后，积分误差的累加会让得到的姿态和实际的相差甚远。

那么哪些原因会使陀螺仪得到的姿态结果不准确呢？下面列举除常见的几种：

零点漂移

假设陀螺仪固定不动，理想角速度值是0dps(degree per second)，但是存在零点漂移，例如有一个偏置0.1dps加在上面，于是测量出来是0.1dps，积分一秒之后，得到的角度是0.1度，1分钟之后是6度，还能忍受，一小时之后是360度，转了一圈，也就是说，陀螺仪在短时间内有很大的参考价值。

白噪声

电信号的测量中，一定会带有白噪声，陀螺仪数据的测量也不例外。所以获得的陀螺仪数据中也会带有白噪声，而且这种白噪声会随着积分而累加。

温度/加速度影响

陀螺仪是一个温度和加速度敏感的元器件。例如对于加速度，多轴飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，一旦减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，必会带来陀螺输出的变化，引入误差。这就是在陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g指标。

积分误差

对陀螺仪角速度的积分是离散的，长时间的积分会出现漂移的情况。所以要考虑积分误差的问题。

这是由于陀螺仪测量姿态存在这么多的误差，所以我们必须要使用其它传感器辅助校正，其中最重要的就是下面的加速度传感器。

加速度计

加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上，就是对重力加速度g（也就是前面说的静态加速度）的测量和分析，其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。

当我们把加速度计拿在手上随意转动时，我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时，其输出为0。为什么会这样呢？这里涉及到加速度计的设计原理：加速度计测量加速度是通过比力来测量，而不是通过加速度。

加速度计仅仅测量的是重力加速度，3轴加速度计输出重力加速度在加速度计所在机体坐标系3个轴上的分量大小。重力加速度的方向和大小是固定的。通过这种关系，可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系.

加速度计若是绕着重力加速度的轴转动，则测量值不会改变，也就是说加速度计无法感知这种水平旋转。

有关陀螺仪和加速度计和关系，姿态解算融合的原理，再把下面这个比喻放到这里一遍。

机体好似一条船，姿态就是航向（船头的方位），重力是灯塔，陀螺（角速度积分）是舵手，加速度计是瞭望手。舵手负责估计和把稳航向，他相信自己，本来船向北开的，就一定会一直往北开，觉得转了90度弯，那就会往东开。当然如果舵手很牛逼，也许能估计很准确，维持很长时间。不过只信任舵手，肯定会迷路，所以一般都有瞭望手来观察误差。

瞭望手根据地图灯塔方位和船的当前航向，算出灯塔理论上应该在船的X方位。然而看到实际灯塔在船的Y方位，那肯定船的当前航向有偏差了，偏差就是ERR=X-Y。舵手收到瞭望手给的ERR报告，觉得可靠，那就听个90%ERR，觉得天气不好、地图误差大，那就听个10%ERR，根据这个来纠正估算航向。

MPU6050

MPU-60x0是全球首例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，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-60x0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。

MPU-60x0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz 的SPI接口（SPI仅MPU-6000可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

在crazepony上，MPU6050/HMC5883/MS5611传感器之间的连接如下图所示。

DMP硬件解算

在Crazepony上，测试了软件解算四元素，然后通过四元素解算姿态角这种实现方式，其实总的来说，并没感觉36MHz的主控压力有多大，没有出现机身不稳，卡死的情况。

同时，本着务实他的态度，我们也测试了MPU6050的硬解四元素，即从IIC总线上读到的数据不再是MPU60x0的AD值，而是通过初始化对DMP引擎的配置，从IIC总线上读到的直接就是四元素的值，从而跳过了程序通过AD值计算四元素这个看起来繁琐的步骤。测试结果是，机身反应的确要比之前反应灵活，最关键的一点是，这样得出的偏航角（Yaw）很稳很稳，基本不会漂移或者说漂移小到了可以容忍的地步。

最后，MPU60x0的强大之处不仅于此，它支持一个从IIC接口，可以外部接上一个磁力计，如HMC5883，这样一来，DMP引擎可以直接输出一个绝对的方向姿态，即能够输出一个带东西南北的姿态数据包，很厉害的样子。

在Crazepony的5.2版本及以后，我们都会使用软件解算的办法，自己做姿态融合，不会再使用MPU6050自带的DMP进行硬件解算。