最近開始使用了6軸姿態(tài)傳感器MPU6050，準(zhǔn)備學(xué)習(xí)一下姿態(tài)融合，于是打算寫下了這篇博客。使用MPU6050之前，建議先閱讀一遍他的寄存器手冊，這樣初學(xué)者能夠更進(jìn)一步了解MPU6050的地址，能夠更快速理解配置代碼。廢話不多說，先看MPU6050的寄存器。這個(gè)寄存器是指定陀螺儀輸出速率的除法器，用于生成MPU-6050的采樣速率。這個(gè)寄存器的地址是0x19

采樣率公式：Sample Rate = Gyroscope Output Rate / (1 + SMPLRT_DIV)

Sample Rate :采樣頻率 Gyroscope Output Rate：陀螺儀輸出頻率

SMPLRT_DIV：8位無符號(hào)值。 采樣速率由陀螺儀輸出速率除以該值確定。

對于陀螺儀輸出頻率需要主要一點(diǎn)：當(dāng)DLPF低通濾波器禁用時(shí)(即DLPF_CF為0或7)陀螺儀輸出頻率為8KHz，當(dāng)其使能使，陀螺儀輸出頻率為1KHz。

這個(gè)寄存器是用于配置陀螺儀和加速度計(jì)的外部幀同步(FSYNC)引腳采樣和數(shù)字低通濾波器(DLPF)設(shè)置。0x1A是這個(gè)寄存器的地址，EXT_SYNC_SET是3位無符號(hào)值。 配置FSYNC引腳采樣，一般情況下是給000(即禁止輸入)，DLPF_CF是設(shè)置低通濾波器的頻率。這個(gè)頻率一般情況下是帶寬的 1/2 即可。(具體詳細(xì)內(nèi)容可以見寄存器手冊)

MPU-60X0是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)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(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(DigitalMotionProcessor)，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)(SPI接口僅在MPU-6000可用)。MPU-60X0也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。

MPU-60X0對陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC(0~65535)，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度計(jì)可測范圍為±2，±4，±8，±16g。

芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封裝(無引線方形封裝)，可承受最大10000g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。

MPU6050的內(nèi)部框圖如下圖所示：其中，需要了解的引腳有：SCL和SDA是連接MCU的IIC接口，MCU通過這個(gè)IIC接口來控制MPU6050，另外還有一個(gè)IIC接口：AUX_CL和AUX_DA，這個(gè)接口可用來連外部從設(shè)備比如磁力計(jì)，這樣就可以組成一個(gè)九軸傳感器。VLOGIC是IO口電壓，該引腳最低可以到1.8V電壓，我們一般直接連VDD即可。AD0是從IIC接口(接MCU)的地址控制引腳，該引腳控制的是IIC地址的最低位。如果接GND，則MPU6050的IIC地址是：0X68，如果接VDD，則是0X69。需要注意的是：這里的地址0x68和0x69是不包含用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹臀坏?，因此并不是八位?shù)據(jù)，如0x68表示的是1101000，0x69表示的則是1101001，通常最低位用于表示IIC主機(jī)的讀取數(shù)據(jù)/寫數(shù)據(jù)模式。selftest為自檢，自檢的作用是可用來測試傳感器的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)。也就是說通過自檢來測試芯片是否損壞。自檢啟動(dòng)后，電路會(huì)使傳感器工作并且產(chǎn)生輸出信號(hào)。關(guān)于自檢的具體說明，官方芯片手冊里有詳細(xì)描述。

MPU6050官方的寄存器手冊上共介紹了40個(gè)寄存器的內(nèi)容和功能，在此我只選取一些常用的和重要的寄存器作為了解。

說明：該寄存器指定陀螺儀輸出速率的分頻器，用于為MPU-60X0生成采樣速率。

傳感器寄存器輸出，F(xiàn)IFO輸出，DMP采樣，運(yùn)動(dòng)檢測，靜止檢測和自由落體檢測都基于這個(gè)采樣頻率。

采樣頻率=陀螺儀輸出頻率/(1+SMPLRT_DIV)

當(dāng)DLPF(數(shù)字低通濾波器，見寄存器Configuration)禁用時(shí)(DLPF_CFG=0or7)，陀螺輸出頻率=8kHz;當(dāng)DLPF使能，陀螺儀輸出頻率=1KHz。注意：加速度計(jì)輸出頻率為1KHz。這意味著，當(dāng)采樣頻率大于1KHZ時(shí)，同個(gè)加速度計(jì)采樣得到的數(shù)據(jù)，可能不止一次輸出到FIFO、DMP、傳感器寄存器。

說明：該寄存器為陀螺儀和加速度計(jì)配置外部幀同步(FSYNC)管腳的采樣和數(shù)字低通濾波(DLPF)設(shè)置。

其中，數(shù)字低通濾波器DLPF由DLPF_CFG配置。根據(jù)下表所示的DLPF_CFG值對加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行濾波。其中，F(xiàn)S為陀螺儀輸出頻率。SMPLRT_DIV由預(yù)設(shè)定的采樣頻率根據(jù)上述的公式計(jì)算得出。一般情況下，DPLF濾波頻率為采樣頻率的一半，如設(shè)定采樣頻率為50Hz，由表可知當(dāng)FS為1kHz，SMPLRT_DIV的值為1000/50-1=19。

說明：該寄存器是用來觸發(fā)陀螺儀自檢和配置陀螺儀的滿量程范圍。

其中，XG_ST、YG_ST、ZG_ST分別用來設(shè)置陀螺儀X軸、Y軸、Z軸自檢，置0則不觸發(fā)自檢。FS_SEL[1:0]用于設(shè)置陀螺儀的滿量程，如下表：我們一般設(shè)置為3，即滿量程為±2000°/s，由于采用16位ADC即0-65536，則靈敏度G=65536/4000=16.4LSB/(°/s)，LSB表示最低有效位，即1°/s對應(yīng)的數(shù)字量為16.4。最終即可將陀螺儀輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角速度。

說明：該寄存器是用來觸發(fā)加速度計(jì)自檢和配置加速度計(jì)的滿量程范圍。同時(shí)這個(gè)寄存器也可以用于配置數(shù)字高通濾波器(DHPF)。

其中，XA_ST、YA_ST、ZA_ST分別用來設(shè)置加速度計(jì)X軸、Y軸、Z軸自檢，置0則不觸發(fā)自檢。AFS_SEL[1:0]用于選擇加速度計(jì)的滿量程范圍，如下表：我們一般設(shè)置為0，即滿量程為±2g，由于采用16位ADC即0-65536，則靈敏度G=65536/4=16384LSB/(g)，LSB表示最低有效位，即1g對應(yīng)的數(shù)字量為16384。最終即可將加速度計(jì)輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加速度。

說明：該寄存器存儲(chǔ)最近加速度計(jì)的測量值。加速度計(jì)根據(jù)采樣頻率(由采樣分頻寄存器寄存器設(shè)定)寫入到這些寄存器。即采樣頻率為50Hz，寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.02s。加速度計(jì)測量值寄存器和溫度測量值寄存器，陀螺儀測量值寄存器，外部傳感器數(shù)據(jù)寄存器都是由兩組寄存器構(gòu)成：一個(gè)內(nèi)部寄存器集和一個(gè)用于用戶讀取的寄存器集。

加速度計(jì)傳感器的內(nèi)部寄存器集合里的數(shù)據(jù)根據(jù)采樣頻率更新。以此同時(shí)，每當(dāng)串行接口處于閑置狀態(tài)，面向用戶的讀取寄存器集合會(huì)復(fù)制內(nèi)部寄存器集合的數(shù)據(jù)值。這保證了突發(fā)讀取時(shí)傳感器寄存器可以讀到相同的采樣時(shí)刻的測量值。需要注意的是，如果沒有突發(fā)讀取，則用戶負(fù)責(zé)通過檢查數(shù)據(jù)就緒中斷(DataReadyinterrupt)來確保瞬時(shí)的一組單字節(jié)讀取對應(yīng)于單字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)。MPU6050是一個(gè)6軸姿態(tài)傳感器，可以測量芯片自身X、Y、Z軸的加速度、角速度參數(shù)，通過數(shù)據(jù)融合，可進(jìn)一步得到姿態(tài)角，常應(yīng)用于平衡車、飛行器等需要檢測自身姿態(tài)的場景

3軸加速度計(jì)(Accelerometer)：測量X、Y、Z軸的加速度(加速度計(jì)具有靜態(tài)穩(wěn)定)，不具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。)如一個(gè)車在斜坡上，椅子和靠背都受到了力的作用，但是車是水平向前的，因此當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)，使用加速度計(jì)來測量，測出來的角度就會(huì)不準(zhǔn)確。

3 軸陀螺儀傳感器(Gyroscope)：測量X、Y、Z軸的角速度 ：具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，不具有靜態(tài)穩(wěn)定性。

舉個(gè)例子：游樂園的旋轉(zhuǎn)飛椅，中間的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)的越快，掛在上面的椅子就會(huì)飛的越遠(yuǎn)，直接測量兩個(gè)對向椅子之間的距離就可以得到，旋轉(zhuǎn)軸的角速度。

如果想得到角度，只需要對角速度積分即可。 當(dāng)物體靜止時(shí)，角速度值會(huì)因?yàn)樵肼?，無法完全歸0，經(jīng)過積分的不斷累積，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的角速度有緩慢的飄逸。

(因?yàn)榧铀俣扔?jì)和陀螺儀是互補(bǔ)的，因此采用互補(bǔ)濾波，就可進(jìn)行姿態(tài)解算(簡單))。

3軸磁場傳感器 9軸 飛機(jī)機(jī)頭的上仰和下傾 稱為俯仰

氣壓傳感器 10軸 飛機(jī)機(jī)身左翻滾和右翻滾稱為ROLL

通過數(shù)據(jù)融合可以得到歐拉角(飛控算法) ：互補(bǔ)濾波，卡爾曼濾波

歐拉角： 飛機(jī)機(jī)身保持水平，機(jī)頭向左右轉(zhuǎn)向，稱為偏航