标签: 四旋翼

MPU6050的陀螺仪和加速度计的寄存器数据可以传输到MPU6050的数字运动处理器（DMP），经过DMP的融合处理就可以得到四元数，再用几个公式把四元数转换一下，就可以得到四旋翼的姿态角了。应美盛官方提供了DMP库函数，复杂的数据融合处理就可以有官方提供的库函数去完成，我们要做的就是将官方的库函数移植到我们自己的工程中来，今天的内容就是如何移植官方的DMP库。 首先，需要到官方网站或在网上搜索，下载我们需要的DMP官方库文件，小马哥四轴中用的库是：DMP官方库5.0_msp430版 DMP库移植步骤： 第一步：将官方库中的 .h文件以及 .c文件复制到我们的工程下面，路径为：DMP官方库5.0_msp430版 → core → drive → eMPL 。 第二步：将库文件添加到我们的工程中： 第三步：打开inv_mpu.c并运行工程，当然此时工程运行是通不过的； 第四步：阅读inv_mpu.c开头处的英文注释： 意思是注释中列出的函数必须按照注释中的函数形式来定义，最重要的是I2C的读写函数和延时函数，它们的函数参数的个数，参数的类型都必须和注释中一样； 第五步：将我们的I2C的读写函数以及延时函数以宏定义的方式添加到inv_mpu.c文件中，具体修改如下： 将： 注：修改之前需在前面添加宏定义 #define MOTION_DRIVER_TARGET_MSP430 这段代码修改为： Noto： 1）这三个函数名MoniI2C_WriteSomeDataToSlave，MoniI2C_ReadSomeDataFromSlave，delay_ms需要跟自己写的I2C源文件和延时函数源文件中的函数名一致； 2）get_ms函数是获得时间戳的，我们没用，需要在inv_mpu.c这个源文件的前面写一个空函数代替原来的msp430_get_clock_ms: get_ms需定义成这样：void get_ms(unsigned long *count) {} 因为get_ms函数在inv_mpu_dmp_motion_driver.c文件中也会用到，所以需要在inv_mpu.h申明一下void get_ms:void get_ms(unsigned long *count); 第六步：注释掉下面的代码： 第七步：用printf函数代替日志输出函数： 修改为： 第八步：在inv_mpu.c的开头处添加一个宏定义：#define MPU6050 因为这个DMP库不仅支持MPU6050，还支持MOU6500，MPU9150，MPU9250，我们使用的是MPU6050，所以添加MPU6050的宏定义。 第九步：修改inv_mpu.h头文件中的这个结构体： 修改为： 第十步：修改下面的结构体： （1）寄存器结构体 图中所示的这种结构体初始化方式MDK keil不支持，因为这种结构体定义方式是GUN C（c语言的一种标准）里面的方式。 需要修改成下面这种形式：   （2） 以同样的方式修改hw_s hw 结构体 （3） 以同样的方式修改test_s test结构体： （4） 以同样的方式修改gyro_state_s st结构体 现在这个结构体有三个参数： 但是，右键Go to Definition一下，查看这个结构体的原型： 会发现这个结构体有四个元素，第三个元素是芯片的配置，而芯片的配置会在MPU6050_init函数中进行，所以在这里把个元素初始化为0，修改为下面的形式：   第十一步：运行一下工程，会发现其中有这个一个警告：warning:  #223-D: function reg_int_cb declared implicitly   我们没有用reg_int_cb，所以双击这个警告，定位到警告在文件中所在的地方，把这一句注释掉即可： 第十二歩：注释掉磁力计部分代码，因为我们的MPU6050没有接磁力计（注释掉磁力计相关的整个函数，这里的截图只截取了一部分代码）： 第十三步：运行代码，会发现还有一个错误与其他文件inv_mpu_dmp_motion_driver相关的，我们找到这个文件，先把这个文件的所有内容注释掉，再编译一下工程，此时，0错误，0警告。 第十四步：虽然0错误，0警告了，但还有需要修改的地方： （1）需注释掉gyro_reg_s 机构体中的3行代码：   这3行代码，在库中没有初始化。 （2）找到 int mpu6050_init(struct int_param_s *int_param)函数，去掉这个函数的形参，修改为：int mpu6050_init(void),记得头文件中该函数的参数也要修改。 因为这个函数的参数是下面条件判断语句的参数： 这两行代码不用，我们在第十一步已经把这两行代码注释了，所以mpu6050_init函数也就不需要参数了。 到这里inv_mpu文件就移植好了。 第十五歩：打开inv_mpu_dmp_motion_driver.c文件，和前面一样，在文件的开头添加宏定义：#define MOTION_DRIVER_TARGET_MSP430，然后修改下面的代码： 修改为： 第十六步：按第十步同样的方式修改结构体 修改dmp_s结构体   修改为： 第十七歩：运行工程，会有这么个警告function __no_operation declared implicitly，这是MSP430的空操作，直接把这行代码注释掉就好了。 第十八歩：运行工程，确定是否是0警告，0错误。如果是0警告，0错误，就说明DMP库已经一直好了。 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)

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 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 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 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)

四旋翼如果驱动电机，定时器的PWM输出定然是必不可少的，今天的内容是跟着小马哥的视频，完成高级定时器1的4路PWM输出和如何使用Keil自带的仿真功能检验输出的PWM波。 要使用定时器输出我们需要的PWM，就要会配置定时器。我们直接看高级定时器的功能框图，从框图上看定时器都需要哪些配置： 图中的红色箭头表示一条通道，我们配置好这条通道沿线的寄存器就能输出我们需要的波形了，这条通道上，我标注了三个区域：1、2、3，这三个区域就是需要配置的： 区域1：时钟源选择，我们通过RCC_APB2PeriphClockCmd（）就可以选择内部时钟源作为定时器的时钟； 区域2：这里主要是设置时基，通过自动重装载寄存器（TIMx_ARR）、计数器寄存器（TIMx_CNT）、预分频器寄存器（TIMx_PSC）进行设置。对应库函数中的TIM_TimeBaseInit（）函数，通过这个函数设置计数模式、预分频数、计数次数等，就可以得到我们想要的计时时间，比如我们要定时1s、1us，这个时间的长度就是通过在这个区域设置的，定时公式为： T = （TIM_Period +1） X （TIM_Prescaler +1）/TIMxCLK ; TIM_Period是计数次数，也就是自动重装载中的值，TIM_Prescaler是预分频系数，是预分频器中的值，TIMxCLK是时钟。 区域3：这个区域是输出比较通道的配置，包括输出比较的空闲模式、输出比较模式、极性、输出状态、捕获/比较寄存器等的设置，对应库函数的TIM_OCxInit()函数，其中捕获/比较寄存器是一个16位寄存器，装的是当前捕获/比较寄存器的值，通过设置这个值，我们就可以得到不同占空比的PWM。 另外，除了这些设置，我们还需要使能自动重装载寄存器ARR的预装载功能，失能捕获/比较寄存器CCR的预装载功能，对应的库函数为： TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); 失能CCR的预装载功能后，写入的值会立即传到捕获/比较寄存器，不用等到更新事件的发生。 其他的配置就不介绍了，大家可以参考官方例程。 配置好定时器后，我们怎样知道，到底有没有PWM输出呢，检测方法有好几种，视频中介绍的是利用Keil自带的仿真功能，下面我们就说说，这个仿真功能怎么使用： 步骤： 第一步：配置好定时器，运行程序，并且没有错误； 第二步：点击工具栏的“Options for target”，选择Debug选项卡，进行如下设置： 第三步：点击工具栏的“Start/Stop Debug”快捷键,然后点击“Setup”，进入下面的界面，点击红框表示的位置，添加仿真通道： 需要添加四次，即添加四个通道，因为我们有四路输出，添加通道的名称分别为：PORTA.8、PORTA.9、PORTA.10、PORTA.11，我们TIM1的四个输出通道是GPIO_8,GPIO_9,GPIO_10，GPIO_11，通道添加好后，点Close； 第四步：此时，已经有四个通道了，我们需要设置输出通道为数字输出，方法是：鼠标右键点击下图红框所示位置，选择bit即可，每一路都要设置； ​ ​ 第五步：点击工具栏的“Run”，启动仿真，就看到有四路输出了，神不神奇？ 今天的内容到这里就结束了，真是收获满满呀…… 如果有写的不合适的地方，还请大家多多指教。如果你有兴趣，也可以一起互相学习，共同进步。 （微信号 ：c18093458455)

今天跟着视频学习了位运算，感觉很有用，这里分享给大家。 位运算 位运算主要有：位与运算符（）、按位或运算符（|）、异或运算符（^）、取反运算符（~）、左移运算符（）、右移运算符（）等，下面我们分别介绍这几个位运算的用法及其在程序中的运用。 （1）位与（） 按位与运算符“”是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相与。两个数相“与”时，如果两个位同时为1，则结果为1，否则为0,即：11=1，10=0，01=0，00=0。 比如：0xc30x11计算如下 在STM32编程中位与（）运算可以作为条件判断之用，请看下面的程序: uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin),这是STM32库中的函数，用来读取输出的某个引脚的电平，运行一下”Go To Definition”，你会发现下面的语句： if ((GPIOx-ODR GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)，当然对应的GPIOx-ODR是输出数据寄存器的值，是16位的数值；GPIO_Pin也是STM32库定义的16位类型的数据。 （2）位或（|） 按位或运算符“|”是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相或。只要对应的两个二进位有一个为1时，结果位就为1，即：1|1=1，1|0=1，0|1=1,0|0=0。 比如：0xc3|0x10 在STM32编程中位或运算（|），可以作为置位之用，因为位或运算不会改变影响原来数值的其它位，上面的0xc3|0x10，原来的0xc3(b11000011)，只有一个位发生了改变。请看下面的程序： GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;这是常见的对两个引脚按位或，在STM32库中，GPIO_Pin_0和GPIO_Pin_1其实也是两个整数，请看它们的宏定义: #define GPIO_Pin_0               ((uint16_t)0x0001)   #define GPIO_Pin_1               ((uint16_t)0x0002)   （3）异或（^） 两个二进制数进行异或，若对应的位不相同，则结果为1，否则为0，即：0^0=0，0^1=1，1^0=1，1^1=0； 比如(0xc3 ^ 0x10) ^ 0x10 ​ ​ 从上面的式子中大家发现了什么，对，0xc3与0x10第一次异或，发生一次改变，且只改变了与0x10相关的位，并且如果与同一个数两次异或，它就恢复到初始值，所以异或（^）具有翻转的功能，在程序中可以当做开关使用，比如，让一个LED灯点亮和熄灭就可以用这种方法： GPIOA-ORD ^= GPIO_Pin_1;     //LED1灯熄灭 Delay_ms(100); GPIOA-ORD ^= GPIO_Pin_1;     //LED1点亮   （4）取反（~） 这是个单目运算符，二进制位取反，如果1取反，结果为0，0取反，结果为1，即：~0=1，~1=0。 程序中取反（~）和按位与（）相结合，会有复位的效果。 比如0xd3（~0x10） （~0x10）结果为b11101111，再和0xc3按位与：  是不是达到了复位的效果呢？ （5）左移运算符（） 左移运算符用来将一个数的各二进制位全部左移若干位，后面补0,移出的位被丢弃，相当于乘2运算，因为位运算比乘法用算快，所以可对一个代码进行优化。 比如0x018，结果为b100000000，就是1后面补8个0，移位运算符在通信时，接收数据时很有用。 （6）右移运算符（） 右移运算是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向右移动，移出位被丢弃，对于左边移出的空位，如果是正数，则一律补0，如果是负数，则可能补0，也可能补0，这由不同的机器决定。 这个运算符可以用来获取一个16位数据的高8位，比如：要获取0x1111的高8位，0xcc118,便可得到高8位0xcc。 到这里，今天的内容就结束了。 如果 有写的不合适的地方，还请大家多多指教。如果你有兴趣，也可以一起互相学习，共同进步。 （微信号 ：c18093458455)

由于MPU6050只支持I2C通信接口，而且STM32的硬件I2C存在一些瑕疵，所以，用STM32做四旋翼的话，学习一下用IO口模拟I2C的方法还是很有必要的。 我们从下面几个方面熟悉如何软件模拟I2C： （1）空闲状态 当SDA和SCL两条线同时都为高电平时，I2C总线处于空闲状态，一旦I2C总线上有一个从机拉低了SDA线，则I2C总线被占用，处于BUSY状态，其它的从机想要与主机通信就只能等I2C总线再次处于空闲状态。 （2）SDA与SCL为什么要配置成开漏模式？ 开漏输出能够方便地实现“线与”逻辑功能，即多个开漏的引脚可以直接并在一起（不需要缓冲隔离）使用，只要有一个引脚变为低，则开漏线上的逻辑也就为0了，这也是I2C判断总线占用的原理。 （3）如何用一个引脚实现双向通信？ GPIO处于输出状态时，GPIO端口的施密特触发器处于开启状态，这意味着处理器可以从“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，监控I/O端口的状态，从而实现虚拟的I/O端口双向通信，只要处理器输出逻辑“1”，I/O端口的电平将完全由外部电路决定。 （4）I2C通信开漏引脚为什么接上拉电阻？ 因为开漏模式的输出“逻辑0”时，引脚被连接到GND，输出“逻辑1”时，引脚悬空，即只能输出低电平，所以要想有输出功能就必须接上拉电阻，通过上拉电阻将总线拉为高电平。 （5）主机怎样识别不同的从机？ 每个I2C通信的设备都有一个7位从机地址，如MPU6050的从机地址为b110100X，第七位的值由AD0引脚的逻辑电平决定，如果AD0引脚接地，则从机地址就是b1101000，如果AD0引脚接高电平，则从机地址为b1101001，由于这个原因，两个MPU6050可以接到同一个I2C总线上，通过I2C通信的设备的从机地址一把都能在对应的数据手册查到，如下面的电路，它的从机地址就为b1101000： （6）怎样确定数据的传输方向？ 前面我们说到从机的地址是7位的，而数据传输一般都是以8位传输的，所以在向总线写从机地址的时候，在地址后面加一位构成一个8位的数据，0则表示主机写数据到从机，1则表示主机从从机读取数据，请看下面的图，AD表示地址，W表示写（在地址后面加一位：0），R表示读（在地址后面加一位：1）： ​ ​ （7）I2C通信速率 MPU6050的I2C规定的最大传输速率为400KHz，最低的标准速度为100KHz，则按照这个频率计算，脉冲的周期为2.5us~10us之间，比这个时间长不行，短了也不行，这个在编程时，需要重视。 （8）起始信号/停止信号 从上面的图中可以看到起始信号S的定义是：当主机的时钟信号SCL为高电平期间，SDA的电平有高电平变为低电平即为起始信号； 当主机的时钟信号SCL为高电平期间，SDA的电平从低变为高即为停止信号P。 （9）应答信号与非应答信号 从上图中可以看到： 当主机的时钟信号SCK为高电平，SDA的电平为低时是应答信号（acknowledge）；当主机的时钟信号SCK为高，SDA为高电平时是非应答信号（not acknowledge）。 （10）模拟I2C起始信号时，需要注意：只有SCK为低电平时才能改变SDA的点电平状态，否则可能产生停止信号： 其中I2C_SDA_LOW、I2C_SCL_HIGH等是宏定义，如下： （11）写完一个字节后要将SCL拉低，钳住SCL，使通信处于等待的状态，并且将SDA拉高，释放主机对SDA的控制，以便从机能够获得SDA的控制权，发出响应信号，所以下面几句代码必须要有： （12）读取从机的数据时，读取最后一个字节后要向从机发送一个非应答信号，让从机释放SDA的控制权，以便主机能够获得SDA控制权并且发送停止信号，结束数据传输。 其他部分就不一一介绍了，参考时序图编写即可。 到这里，今天的内容就结束了。 如果有写的不合适的地方，还请大家多多指教。如果你有兴趣，也可以一起讨论，互相学习，共同进步。 （微信号 ：c18093458455)