STM32Cube HAL库——MPU6050 DMP姿态解算

（注意：源文件下载请查看文末链接。）

一、MPU6050介绍

1.简介

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）。

2.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。

3.系统结构图

4.特性参数

5.引脚输出和信号描述

6.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。

二、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。

1.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。

2.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。

三、STM32CubeIDE编程及结果。

1.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。

/* ------------------------------------------------ 读取MPU所有原始数据 ------------------------------------------------------------ */
/**
 * @brief  mpu_read_raw_data()  		读取MPU所有原始数据.
 * @param  *mpu_raw_msg_buff       传入接收原始数据的地址
 * @retval HAL status							mpu_ok/mpu_err
 */
mpu_state_t w_mpu_read_all_raw_data(mpu_msg_t *mpu_raw_msg_buff)
{

	//0x3B, （加速度计 --> 温度 --> 陀螺仪）数据地址先后顺序

	uint8_t msg_buff[14];								//存入缓冲区
	static short mpu_temperature_biff;	//温度缓冲区

	if( w_mpu_read_byte_len(_MPU_RAW_DATA_REG, msg_buff, sizeof(msg_buff)) ==  mpu_err)
		//		return mpu_busy;								//iic忙碌（0x02/0x2）
		return mpu_err;

	//整合MPU原始数据
	mpu_raw_msg_buff->mpu_acce[0] 			= ((uint16_t)msg_buff[0]<<8)	| msg_buff[1];		//X轴加速度值
	mpu_raw_msg_buff->mpu_acce[1]			= ((uint16_t)msg_buff[2]<<8)	| msg_buff[3];		//Y轴加速度值
	mpu_raw_msg_buff->mpu_acce[2]			= ((uint16_t)msg_buff[4]<<8)	| msg_buff[5];		//Z轴加速度值

	mpu_raw_msg_buff->mpu_gyro[0]			= ((uint16_t)msg_buff[8]<<8)	| msg_buff[9];		//X轴陀螺仪值
	mpu_raw_msg_buff->mpu_gyro[1]			= ((uint16_t)msg_buff[10]<<8) | msg_buff[11];		//Y轴陀螺仪值
	mpu_raw_msg_buff->mpu_gyro[2]			= ((uint16_t)msg_buff[12]<<8) | msg_buff[13];		//Z轴陀螺仪值

	mpu_temperature_biff					= ((uint16_t)msg_buff[6]<<8)	| msg_buff[7];		//MPU温度值

	mpu_raw_msg_buff->mpu_temperature		= 36.53f+((double)mpu_temperature_biff)/340.0f;	    //计算后的真实温度值

	return mpu_ok;
}

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：

/* ------------------------------------------------ 读取MPU内置DMP的姿态 ------------------------------------------------------------ */
/**
 * @brief  read_dmp()  			读取MPU内置DMP的姿态.
 * @param  *pose_msg       	传入姿态的地址
 * @note   									参考野火、原子、平衡之家等开源资料
 * @retval HAL status				0/1/2
 */
int i=0;
uint8_t read_dmp(pose_msg_t *pose_msg)
{

	uint8_t more;
	long quat[4];				//四元数
	int16_t gyro[3], accel[3], sensors;
	unsigned long sensor_timestamp;//传感器时间戳

	float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f;

	//读取FIFO中的数据
	if(dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors, &more)){
		i=i+1;
		printf("%d\r\n",i);
		return 1;
	}

	if(sensors & INV_WXYZ_QUAT)
	{
		q0=quat[0] / q30;
		q1=quat[1] / q30;
		q2=quat[2] / q30;
		q3=quat[3] / q30;

		pose_msg->pitch  = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3f;									//四元数解算, 俯仰角(Pitch)-->绕着X轴旋转
		pose_msg->roll	 = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3f;	//四元数解算, 翻滚角(Roll)-->绕着Y轴旋转
		pose_msg->yaw	 = atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3f;				//四元数解算, 偏航角(Yaw)-->绕着Z轴旋转

		return 0;
	}
	else
		return 2;

}
/* *********************************************************** 内置DMP的应用 CODE END  ************************************************************************ */

2.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：

  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_I2C2_Init();
  OLED_Init();
  OLED_Clear();
  OLED_Display_On();

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：

  while(w_mpu_init() != mpu_ok)
  {
	  HAL_Delay(100);
  }
  dmp_init();		//dmp初始化

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）：

void dmp_init(void)
{
	uint8_t temp[1]={0};
	dmp_i2c_read(HW_S_HW_MPU_ADDR,_MPU_DEVICE_ID,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,temp);
	//	 temp[0] = w_mpu_read_device_address();
	printf("mpu_set_sensor complete ......\r\n");
	printf("mpu设置传感器完成 ......\r\n");
	printf("\r\n");
	printf("Device_ID:    0x%x\r\n", temp[0]);
	printf("设备ID:       0x%x\r\n", temp[0]);
	printf("\r\n");

	//检查ID, 不对系统复位
	if(temp[0]!=0x68)
		NVIC_SystemReset();

	if(!mpu_init())
	{
		//重启内部寄存器到默认,
		if(!mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO | INV_XYZ_ACCEL))
		{
			printf("mpu_set_sensor complete ......\r\n");
			//	  	 printf("mpu设置传感器完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//配置FIFO
		if(!mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO | INV_XYZ_ACCEL))
		{
			printf("mpu_configure_fifo complete ......\r\n");
			//	  	 printf("mpu配置FIFO完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//配置采样频率分频寄存器
		if(!mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ))
		{
			printf("mpu_set_sample_rate complete ......\r\n");
			//	  	 printf("mpu设定的采样率完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//DMP加载动作驱动程序固件完成
		if(!dmp_load_motion_driver_firmware())
		{
			printf("dmp_load_motion_driver_firmware complete ......\r\n");
			//	  	 printf("DMP加载动作驱动程序固件完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//DMP设置陀螺仪方向完成
		if(!dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation)))
		{
			printf("dmp_set_orientation complete ......\r\n");
			//	  	 printf("DMP设置陀螺仪方向完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//DMP使功能完整
		if(!dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT | DMP_FEATURE_TAP |
				DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT | DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL | DMP_FEATURE_SEND_CAL_GYRO |
				DMP_FEATURE_GYRO_CAL))
		{
			printf("dmp_enable_feature complete ......\r\n");
			//	  	 printf("DMP使功能完整 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//DMP设定FIFO速率完成
		if(!dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ))
		{
			printf("dmp_set_fifo_rate complete ......\r\n");
			//	  	 printf("DMP设定FIFO速率完成 ......\r\n");
			printf("\r\n");
		}

		//自测自身数据,测试通过. 我们可以相信陀螺仪的数据，把它放下来到DMP
		run_self_test();

		//mpu设置DMP状态完成
		if(!mpu_set_dmp_state(1))
		{
			printf("mpu_set_dmp_state complete ......\r\n");
			//	  	 printf("mpu设置DMP状态完成 ......\r\n");
			printf("\r\n\r\n\r\n");
		}

		my_hal_delay(200);		//等待
		printf(" ################### ...... 测试MPU姿态角度 ...... ################### \r\n");
		my_hal_delay(200);
		printf("\r\n\r\n\r\n");

		//先读取姿态角一段时间, 先稳定
		for(uint16_t rd=0; rd<200; rd++)				//6s
		{
			//读取MPU内置DMP的姿态
			read_dmp(&mpu_pose_msg);
			printf("Pitch: %f\t ", mpu_pose_msg.pitch);
			printf("Roll:  %f\t ", mpu_pose_msg.roll);
			printf("Yaw:   %f\t ", mpu_pose_msg.yaw);
			printf("\r\n");
			my_hal_delay(20);
		}

		my_hal_delay(200);		//等待
		printf(" ################### ...... MPU配置完成, DMP功能完成 ...... ################### \r\n");
		printf("\r\n\r\n\r\n");
	}
}

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。

	  read_dmp(&mpu_pose_msg);//读取mpu姿态
	  w_mpu_read_all_raw_data(&mpu_raw_msg); //读取mpu原始数据

3.加速度值OLED显示

代码如下：

	  OLED_ShowString(0,3,"Ax:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_acce[0], 1, 20, 0);
	  OLED_ShowString(0,18,"Ay:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_acce[1], 1, 20, 15);
	  OLED_ShowString(0,33,"Az:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_acce[2], 1, 20, 30);
	  OLED_ShowString(0,48,"Temp:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_temperature, 1, 50, 45);//温度
  	  HAL_Delay(100);
  	  OLED_Refresh_Gram();

实测效果如下：

4.陀螺仪值OLED显示

代码如下：

	  OLED_ShowString(0,3,"Gx:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_gyro[0], 1, 20, 0);
	  OLED_ShowString(0,18,"Gy:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_gyro[1], 1, 20, 15);
	  OLED_ShowString(0,33,"Gz:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_gyro[2], 1, 20, 30);
	  OLED_ShowString(0,48,"Temp:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_temperature, 1, 50, 45);//温度
  	  HAL_Delay(100);
  	  OLED_Refresh_Gram();

实测效果如下：

5.DMP解算值OLED显示

代码如下：

	  OLED_ShowString(0,3,"Pitch:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_pose_msg.pitch, 1, 50, 0);
	  OLED_ShowString(0,18,"Roll:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_pose_msg.roll, 1, 50, 15);
	  OLED_ShowString(0,33,"Yaw:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_pose_msg.yaw, 1, 50, 30);
	  OLED_ShowString(0,48,"Temp:");
	  OLED_ShowFloat(mpu_raw_msg.mpu_temperature, 1, 50, 45);//温度
  	  HAL_Delay(100);
  	  OLED_Refresh_Gram();

实测效果如下：

四、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。

五、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）。
大家一起学习一起进步，变得更强，希望大家点赞、关注或打赏，下期将带来PID控制相关的内容。

源码下载连接：STM32Cube HAL库-MPU6050 DMP姿态解算源码