原创 STM32系列之四旋翼（四） MPU6050知识点梳理

相关内容：

1）MPU6050的简介

2）MPU6050的封装

3）MPU6050的陀螺仪、加速度计、磁力计介绍

4）自检（Self Test）

5）系统结构图

6）姿态角

7）如何得到姿态角

8）MPU6050与单片机的通信

一、MPU6050的简介

MPU6050是全球首例6轴运动处理器，它集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。可通过IIC接口连接一个第三方数字传感器（比如磁力计），构成9轴的MPU6050，扩展之后就可通过IIC接口输出一个9轴的信号，也可通过其IIC接口连接非惯性数字传感器，比如压力传感器，另外片上还内嵌了一个温度传感器，可测MPU6050自身的温度。

MPU-6050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。

MPU6050与所有的设备寄存器之间的通信采用400KHz的IIC接口。

二、MPU6050的封装

芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封装（无引线方形封装），可承受最大 10000g的冲
击：

引脚定义：

CLKIN：可选的外部时钟输入，如果不用可连接到GND

AUX_DA：IIC主串行数据，用于外接传感器，比如磁力计

AUX_CL：IIC主串行时钟，用于外接传感器

VLOGIC：为数字I/O口提供电压

AD0：IIC从机地址的最低位，接GND时，从机地址最低位为0，接VDD时，从机地址最低位为1；

REGOUT：校准滤波电容连接

FSYNC：帧同步数字输入

INT：中断数字输入

VDD：电源电压、为数字I/O口供电

GND：电源地

RESV：保留引脚，不接

CPOUT：连接电荷泵电容

SCL：IIC串行时钟引脚，用于和其它设备寄存器之间的通信

SDA：IIC串行数据引脚

三、MPU6050的陀螺仪、加速度计、磁力计

1、陀螺仪

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，陀螺仪是测试角速度的传感器，也有人把角速度说成角速率，说的是一样的物理量。拿电机做例子，当我们说一个电机10转每秒。一转是360度,那么它的主轴在一秒内转过3600度，体现了绕轴转动的快慢。也就是说这个电机在转动时的角速度是3600dps.dps 就是dergee per second 度每秒(或者写成 deg/s).

MPU6050 集成了三轴的陀螺仪.角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±
2000°/sec (dps).可以准确追踪快速与慢速动作。当选择量程为±250dps的时候，将会得到分辩率为131LSB/(º/s)，根据65536/2/250计算所得.也就是当载体在X+轴转动1dps时，ADC将输出131.

陀螺仪的量程可通过MPU6050的GYRO_CONFIG（陀螺仪配置寄存器）来设置：

这个寄存器是用来触发陀螺仪自检和配置陀螺仪的满量程范围的，其中FS_SEL[1:0]用来开启/关闭陀螺仪3个轴的自检，FS_SEL用来设置陀螺仪的量程，FS_SEL[1:0]取值和量程的对应关系如下：

2、加速度计

加速度计顾名思义,就是测量加速度的，能够反映物体的受力情况，我们知道，物体在空间受的力可以分解到X、Y、Z坐标轴上，而用3轴的加速度计，通过三个坐标轴的所受的惯性力，就可以得到三个轴的加速度，并将这个得到的加速度值用于角度的计算。

MPU6050集成了3轴的加速度计，加速度全格感测范围为±2g, ±4g, ±8g 和±16g （1g=9.8米/ S ^ 2 ），当量程选择±2g时，对应的灵敏度= 16384 LSB/ G ，即如果Z轴的加速度为1g时，则ADC输出16384。

MPU6050加速度计的量程可以通过ACCEL_CONFIG（加速度配置寄存器）进行设置：

其中XA_ST，YA_ST、、ZA_ST用来开启/关闭X轴、Y轴、Z轴的自检，AFS_SEL[1:0]用来设置加速度计的量程：

3、磁力计

陀螺仪的强项在于测量自身的旋转运动，对自身的运动更擅长，但不能确定设备的方位。加速度计在于测量设备的受力情况，对设备相对于外部参考系的运动更擅长，也不能确定方位。所以，如果对方位有比较高的要求，可以用IIC接口外接一个磁力计，这也是解决航向角（yaw）漂移的办法。

磁力计用于感受地磁向量以解算出模块与北的夹角，磁力计这个功能类似于指南针，所以也称之为电子指南针，或者电子罗盘。如果MPU6050扩展了磁力计，就能够确定设备的方位。

四、自检（Self Test）

MPU6050的陀螺仪和加速计都带有自检的功能，四旋翼中陀螺仪需要开启自检，加速度计不用开启自检。

陀螺仪自检：陀螺仪不开启自检时，如果在上电之前，四旋翼会以自身的放置状态建立坐标系，如果它的放置不是与地面平行的，而是与地面成一定的角度，那它所建的坐标系就会与地面成一定的夹角，也会在起飞和飞行过程中一直保持这个夹角，即它不能与地面平行的飞行，相对于上电之前建立的坐标系飞行，而不是地面坐标系。利用陀螺仪的自检就可以避免这个问题，开启自检功能，上电时自检的数据（与地面的夹角）会被送到MPU6050的DMP储存起来。如果上电前，在X轴方向四旋翼与地面的夹角为1°，飞行时，X轴上与地面的夹角为2°，DMP在处理时会减去自检的角度1°，得到的角度就是相对于地面坐标系的角度值了。

加速度计自检：因为加速度计测量的是相对于地面坐标系的运动，在静止时，只有垂直向下的重力加速度，而这个重力加速度的正方向默认是Z- ，与怎样放置没有关系，但是如果开启了自检，而且四旋翼上电之前也不是水平放置的话，那么重力加速度的正方向也就不是Z-了，为了让重力加速度的正方向一直是是默认的Z- 方向，就只能不开启加速度计的自检了。

五、系统结构图

从这个图中可以清晰的看到MPU6050的绝大部分资源，也能看到数据的走向，所以这个图也不防多看几遍。

六、姿态角

姿态角（Euler）是俯仰角（pitch）、滚转角（Roll）、偏航角（Yaw）三个角的统称，以下面MPU6050芯片的坐标系为例，绕X轴旋转的姿态角是俯仰角，绕Y轴旋转的姿态角是滚转角，绕Z轴旋转的姿态角是偏航角，姿态角的正负也可根据图中X轴、Y轴、Z轴的交投来判断，箭头所指方向为正。也可用右手定则来判断，右手握住坐标轴，大拇指指向坐标轴的正方向，则四指所指方向为正。

七、如何得到姿态角

MPU6050的陀螺仪和加速度计会产生6个原始数据，着6个原始数据经过姿态融合后就可以得到Pitch、Roll、Yaw。

姿态融合算法就是融合多种运动传感器的算法，有四元数法、一阶互补滤波算法、卡尔曼滤波算法等。

我们四旋翼中用的是四元数的算法，而且是借助MPU6050自带的数字运动处理器DMP并结合InvenSense 的DMP库来得到这个四元数，最后四元数经过几行公式的转换就可以得到需要的Pitch、Roll、Yaw了。

八、MPU6050与单片机的通信

我们看MPU的引脚定义的时候会发现，有一个INT引脚，这个脚很有用，当DMP处理完原始数据时，就会在INT引脚产生一个中断信号，单片机检测到这个中断信号，就会通过IIC接口读取DMP产生的四元数。

今天就写这些了。

能力有限，如果有写的不合适的地方，欢迎大家多多指正。如果有兴趣，也可以一起交流，互相学习。 （微信号 ：c18093458455)