目錄

• 傳感器的方向
• 源碼
• • Mahony_9.c
  • Mahony_9.h
• 使用方法
• 測試
• • main.c
  • 效果

STC15F2K60S2 22.1184MHz
Keil uVision V5.29.0.0
PK51 Prof.Developers Kit Version:9.60.0.0
上位機：Vofa+ 1.3.10

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移植自MPU6050 獲取角度理論推導(三)—9軸融合算法 —— shao15232_1

傳感器的方向

源碼

???????所用MCU為STC15F2K60S2 使用內部RC時鐘，22.1184MHz

???????stdint.h見【51單片機快速入門指南】1：基礎知識和工程創建
???????軟件I2C程序見【51單片機快速入門指南】4： 軟件 I2C
???????串口部分見【51單片機快速入門指南】3.3：USART 串口通信
???????MPU6050驅動程序見【51單片機快速入門指南】4.3： I2C讀取MPU6050陀螺儀的原始數據
???????HMC5883L/QMC5883L驅動程序見【51單片機快速入門指南】4.4：I2C 讀取HMC5883L / QMC5883L 磁力計
???????磁力計的橢球擬合校準見【51單片機快速入門指南】4.4.1：python串口接收磁力計數據并進行最小二乘法橢球擬合
???????Kp和Ki要按需調整，我這里取10和0.008

Mahony_9.c

#include <math.h> #include "MPU6050.h"#define Kp 10.0f // proportional gain governs rate of convergence to accelerometer/magnetometer #define Ki 0.008f // integral gain governs rate of convergence of gyroscope biases float halfT = 1; // half the sample period采樣周期的一半 float GYRO_K = 1;void MPU6050_Mahony_Init(float loop_ms) {halfT = loop_ms/1000./2; //計算周期的一半，單位sswitch((MPU_Read_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG) >> 3) & 3){case 0:GYRO_K = 1./131/57.3;break;case 1:GYRO_K = 1./65.5/57.3;break;case 2:GYRO_K = 1./32.8/57.3;break;case 3:GYRO_K = 1./16.4/57.3;break;} }float Pitch = 0, Roll = 0, Yaw = 0; float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0; // quaternion elements representing the estimated orientation float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0; // scaled integral errorvoid IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {float norm;float hx, hy, hz, bx, bz;float wx, wy, wz;float vx, vy, vz;float ex, ey, ez;// 先把這些用得到的值算好float q0q0 = q0*q0;float q0q1 = q0*q1;float q0q2 = q0*q2;float q0q3 = q0*q3;float q1q1 = q1*q1;float q1q2 = q1*q2;float q1q3 = q1*q3;float q2q2 = q2*q2;float q2q3 = q2*q3;float q3q3 = q3*q3;if (ax*ay*az == 0)return;if (mx*my*mz == 0)return;//將陀螺儀AD值轉換為 弧度/sgx = gx * GYRO_K;gy = gy * GYRO_K;gz = gz * GYRO_K;norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az); //acc數據歸一化ax = ax / norm;ay = ay / norm;az = az / norm;norm = sqrt(mx*mx + my*my + mz*mz); //mag數據歸一化mx = mx / norm;my = my / norm;mz = mz / norm;hx = 2 * mx * (0.5 - q2q2 - q3q3) + 2 * my * (q1q2 - q0q3) + 2 * mz * (q1q3 + q0q2);hy = 2 * mx * (q1q2 + q0q3) + 2 * my * (0.5 - q1q1 - q3q3) + 2 * mz * (q2q3 - q0q1);hz = 2 * mx * (q1q3 - q0q2) + 2 * my * (q2q3 + q0q1) + 2 * mz * (0.5 - q1q1 - q2q2);bx = sqrt((hx*hx) + (hy*hy));bz = hz;// estimated direction of gravity and flux (v and w) 估計重力方向和流量/變遷vx = 2 * (q1q3 - q0q2); //四元素中xyz的表示vy = 2 * (q0q1 + q2q3);vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;wx = 2 * bx * (0.5 - q2q2 - q3q3) + 2 * bz * (q1q3 - q0q2);wy = 2 * bx * (q1q2 - q0q3) + 2 * bz * (q0q1 + q2q3);wz = 2 * bx * (q0q2 + q1q3) + 2 * bz * (0.5 - q1q1 - q2q2);// error is sum of cross product between reference direction of fields and direction measured by sensors//向量外積在相減得到差分就是誤差ex = (ay*vz - az*vy) + (my*wz - mz*wy);ey = (az*vx - ax*vz) + (mz*wx - mx*wz);ez = (ax*vy - ay*vx) + (mx*wy - my*wx);exInt = exInt + ex * Ki; //對誤差進行積分eyInt = eyInt + ey * Ki;ezInt = ezInt + ez * Ki;// adjusted gyroscope measurementsgx = gx + Kp*ex + exInt; //將誤差PI后補償到陀螺儀，即補償零點漂移gy = gy + Kp*ey + eyInt;gz = gz + Kp*ez + ezInt; //這里的gz由于沒有觀測者進行矯正會產生漂移，表現出來的就是積分自增或自減// integrate quaternion rate and normalise //四元素的微分方程q0 = q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT;q1 = q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;q2 = q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;q3 = q3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;// normalise quaternionnorm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3);q0 = q0 / norm;q1 = q1 / norm;q2 = q2 / norm;q3 = q3 / norm;Pitch = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; // pitchRoll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; // rollYaw = atan2(2 * q1 * q2 + 2 * q0 * q3, -2 * q2*q2 - 2 * q3* q3 + 1)* 57.3; // yaw }

Mahony_9.h

#ifndef Mahony_9_H_ #define Mahony_9_H_extern float Pitch, Roll, Yaw; extern float q0, q1, q2, q3; // quaternion elements representing the estimated orientationvoid MPU6050_Mahony_Init(float loop_ms); void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz);#endif

使用方法

先調用MPU6050_Mahony_Init(dt)，參數為一次循環的時間，單位為ms
再使用IMUupdate姿態融合函數。

測試

陀螺儀、磁力計的原始數據經校準后輸入IMUupdate函數

main.c

#include <STC15F2K60S2.H> #include "intrins.h" #include "stdint.h" #include "USART.h" #include "./Software_I2C/Software_I2C.h" #include "XMC5883L.h" #include "./MPU6050/MPU6050.h" #include "./MPU6050/Mahony_9.h"void Delay1ms() //@22.1184MHz {unsigned char i, j;_nop_();_nop_();i = 22;j = 128;do{while (--j);} while (--i); }void delay_ms(uint32_t ms) {while(ms --)Delay1ms(); }#define LED_PORT P0void main(void) {int16_t mag_x, mag_y, mag_z;int16_t aacx,aacy,aacz; //加速度傳感器原始數據int16_t gyrox,gyroy,gyroz; //陀螺儀原始數據MPU_Init();xmc5883lInit();AUXR &= 0xBF; //定時器時鐘12T模式 1T的51使用12T的定時器程序時需要加入這兩句AUXR &= 0xFE; //串口1選擇定時器1為波特率發生器USART_Init(USART_MODE_1, Rx_ENABLE, STC_USART_Priority_Lowest, 22118400, 115200, DOUBLE_BAUD_ENABLE, USART_TIMER_1);MPU6050_Mahony_Init(8.7);while(1){MPU_Get_Accelerometer(&aacx, &aacy, &aacz); //得到加速度傳感器數據MPU_Get_Gyroscope(&gyrox, &gyroy, &gyroz); //得到陀螺儀數據xmc5883lRead(&mag_x, &mag_y, &mag_z);IMUupdate(gyrox+7, gyroy+23, gyroz-1, aacx, aacy, aacz, 1.108270606866881 * (mag_x + 297.2882033958856), 0.9218994400020794 * (mag_y + 3088.0092054124193), 0.9871899380641738 * (mag_z + 782.925290575134));printf("%f, ", Pitch);printf("%f, ", Roll);printf("%f\r\n", Yaw);} }

效果

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【51单片机快速入门指南】4.4.2：Mahony AHRS 九轴姿态融合获取四元数、欧拉角的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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