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1、. . .基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统1. 项目目标及功能说明1.1 项目目标学习使用正点原子探索者开发板，并熟悉开发板上的MPU6050六轴传感器的工作原理和各函数的调用过程。同时学习开发板的扩展接口，尝试在开发板上扩展蓝牙模块，并实现开发板与手机等含有蓝牙模块的电子设备通过蓝牙连接并进行数据的传输。在完成上述内容的基础上，实现将MPU6050六轴传感器的加速度计和陀螺仪的数据传送到手机上，在手机上实现陀螺仪的变化效果展示。同时通过串口将MPU6050数据传送到电脑上，通过Matlab编程处理数据，实现惯性导航的简单展示。1.2 系统功能说明系统最主要的功能有两个：一
2、个是在手机端能够展示开发板上MPU6050陀螺仪的姿态变化，通过一个立方体的转动来表示陀螺仪的转动；另一个是在电脑端能够读取MPU6050的数据，并通过对数据的处理还原数据中存储的MPU6050的姿态变化，简单展现出惯性导航的效果。在实现系统最主要的两个功能过程中，还需要实现一些基础功能。开发板能够通过蓝牙与手机连接并传输数据；开发板能够通过串口将数据发送出去；在电脑端能够读取开发板上串口输出的数据等。2. 需求分析l 惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。但是，存在一种情形：卫星一旦突然因故障、敌方打击或干扰（如太阳
3、风暴）等原因无法提供服务，这对依赖GPS、北斗等卫星导航系统作为唯一PNT（Position、Navigation、Time）信息来源的系统来说可能是致命的灾难。作为目前为止卫星导航系统最好的备援惯性导航系统（INS），将于届时发挥出巨大的作用，其精度完全可以媲美GPS等卫星导航系统。并且它不需要外部参考就可确定当前位置、方向及速度，从而使它自然地不受外界的干扰和欺骗。定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺，因此通过研究新机理、研制新设备、开发新算法，以摆脱人员和系统设备对GPS的依赖，具有极大的战略意义。l 姿态监测系统可广泛应用于关键资产姿态变化的无线实时监控。由于目前移
4、动智能终端设备的数量和质量逐步提升，因此，通过计算机上传统的上位机软件进行姿态监测，逐渐暴露出了自身的缺点串口传输无法实现无线监测、计算机相比智能终端便携性极差。因此，使用无线传输（蓝牙、红外、WIFI、GSM等）的技术，开发一款在移动智能终端可以实时显示物体姿态的应用，具有很高的实用价值和广泛的市场应用前景。3. 开发环境移动终端操作系统：Android 4.4.4 KitKat计算机操作系统：Windows 8.1 Pro x64串口开发：MATLAB R2014a开发板IDE：Keil uVision5Android IDE：Eclipse Java EE IDE for Web Dev
5、elopersAndroid Development Toolkit 23.0. 4.14685184. 项目进展情况到目前为止，我组已实现了以下功能：1. STM32F4开发板上MPU6050六轴传感器的数据获取并显示在LCD屏幕上。2. 在LCD屏幕上绘出圆形图案，且圆形图案能根据MPU6050六轴传感器的姿态变化而运动，传感器倾斜角度越大，图案运动速度越快。3. 扩展蓝牙模块，能通过蓝牙模块与手机连接并进行数据通信。4. 根据函数提供的帧格式定义数据帧，并通过USART接口将数据帧传给PC端。5. 在手机端能根据蓝牙获取的MPU6050六轴传感器的陀螺仪数据绘出立方体，立方体能在可接受的
6、时间延迟内实时展现MPU6050的姿态变化（转动方向和角度）。6. 在PC端能通过对从USART接口获取的数据帧进行解析获取MPU6050加速度传感器和陀螺仪的数据，并根据数据帧中设置的校验位进行数据校验。7. 在PC端能根据解析出的加速度传感器和陀螺仪数据，在可接受的误差范围内还原MPU6050的姿态变化（包括位移、转动方向和角度），实现一个简单的惯性导航系统。5. 系统设计5.1 IIC总线工作原理123455.15.1.1 总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kb
7、ps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳
8、变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，开始信号是必须的，结束信号和应答信号都可以不要，IIC总线时序图如图 5.1.1-1所示。图 5.11 IIC总线时序图探索者STM32F4开发板板载的EEPROM芯片型号为24C02。该芯片的总容量为256字节，通过IIC总
9、线与外部连接。STM32F4开发板有硬件IIC，但是设计的比较复杂，而且稳定性不好，所以我组使用GPIO软件模拟IIC来对24C02进行读写。同时使用软件更具有移植性，只要有IO口，将软件移植过去就能使用模拟的IIC，而硬件必须MCU的支持。5.1.2 硬件设计实现模拟IIC需要用到的硬件资源有：串口（USMART）、GPIO、24C02。图 5.12 STM32F4与24C02连接图我组通过GPIO来模拟IIC，24C2的SCL和SDA分别连在GPIO_PB8和GPIO_PB9上，连接关系如图 5.1.2-1。5.2 MPU6050工作原理5.25.2.1 MPU6050引脚图 5.21 M
10、PU6050结构图模块外观如图 5.2.1-2所示：图 5.22 MPU6050实物图图 5.23 MPU6050内部逻辑框图如图 5.2.1-1为MPU6050六轴传感器的结构图，总共有24个引脚，而图 5.2.1-2为MPU6050的内部逻辑框图，描述了MPU6050内部的模块结构，以及各引脚的连接情况。表 5.2.11MPU6050引脚输出和信号描述Pin NumberMPU-6050Pin NamePin Description1YCLKINOptional external reference clock input. Connect to GND if unused.6YAUX_D
11、AI2C master serial data, for connecting to external sensors7YAUX_CLI2C Master serial clock, for connecting to external sensors8/CSSPI chip select (0=SPI mode)8YVLOGICDigital I/O supply voltage9AD0 / SDOI2C Slave Address LSB (AD0); SPI serial data output (SDO)9YAD0I2C Slave Address LSB (AD0)10YREGOUT
12、Regulator filter capacitor connection11YFSYNCFrame synchronization digital input. Connect to GND if unused.12YINTInterrupt digital output (totem pole or open-drain)13YVDDPower supply voltage and Digital I/O supply voltage18YGNDPower supply ground19, 21YRESVReserved. Do not connect.20YCPOUTCharge pum
13、p capacitor connection22YRESVReserved. Do not connect.23SCL / SCLKI2C serial clock (SCL); SPI serial clock (SCLK)23YSCLI2C serial clock (SCL)24SDA / SDII2C serial data (SDA); SPI serial data input (SDI)24YSDAI2C serial data (SDA)2, 3, 4, 5, 14,15, 16, 17YNCNot internally connected. May be used for P
14、CB trace routing.表 5.2.1-1对每一个引脚的名称和作用进行了说明。在上述引脚中，SCL和SDA是连接MCU的IIC接口，MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050。另外还有一个IIC接口，连接的引脚为AUX_CL和AUX_DA，这个接口可用来连接外部从设备，比如磁传感器，这样就可以与MPU6050组成一个九轴传感器。VLOGIC是IO口电压，该引脚最低可以到1.8V，我们一般直接VDD即可。AD0是从IIC接口（接MCU）的地址控制引脚，该引脚控制IIC地址的最低位，如果接GND，则MPU6050的IIC地址是0X68；如果接VDD，则是0X69。注意：这里的地址是不包
15、含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）。在探索者STM32F4开发板上，AD0是接GND的，即MPU6050的IIC地址是0X68（不含最低位）。5.2.2 硬件设计图 5.24 MPU6050与STM32F4的连接电路图从图 5.2.2-1可以看出，MPU6050通过三根线与STM32F4开发板连接，其中IIC总线时和24C02以及WM8978共用，接在PB8和PB9上面。MPU6050的中断输出，连接在STM32F4的PC0脚，不过本例程我们并没有用到中断。另外，AD0接的GND，所以MPU6050的器件地址是：0X68。5.2.3 初始化操作在使用STM32F4读取MPU6050的加速度和角度传感器数据之前，需要做以下初始化操作：(1) 初始化IIC接口MPU6050采用IIC与STM32F4通信，所以我们需要先初始化与MPU6050连接的SDA和SCL数据线。(2) 复位MPU6050这一步让MPU6050内部所有寄存器恢复默认值，通
