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1、这两天看了论坛里的关于 MPU6050 的帖子，自己回家照葫芦画瓢的也做了一些实验，关 于如何和实际的姿态矫正联系起来还不太清楚，今天在看手册时，发现了“LSB/g“这个单位， 不知道什么意思，后来经过多处查询，知道了这个单位的含义，在这里就作为学习笔记记 录下来吧。 以 MPU6050 加速度测量值为例：当测量范围是2g 时，测量精度是 16384LSB/g，这个参 数的含义简单说就是当测量的加速值是 1g（重力加速度）时，那么加速度的输出就是 16384，这也就是为什么在程序中需要对加速度的原始数据除以 16384。那么为什么是 16384 呢，我们计算一下：16384*2=32768，3
2、2768*2=65536=216，MPU6050 的 ADC 是 16 位的，所以不管测量范围多大，最终的输出范围都不会超过 65535，所以测量范围 越大，精度就越低。下面计算一下测量范围是16g 时的精度： 16*2/65536=0.00048828125，然后取倒数 1/0.00048828125=2048，和手册上完全一样。 LSB/g 是针对数字输出的传感器而言的。陀螺仪加速度计 MPU6050作者：nieyong陀螺仪陀螺仪，测量角速度，具有高动态特性，它是一个间接测量角度的器件。它测量的是角度的导数，即角速度，要将角速度对时间积分才能得到角度。陀螺仪就是内部有一个陀螺，它的轴由于
3、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。如果这个世界是理想的，美好的，那我们的问题到此就解决了，从理从理论论上上讲讲只只用陀螺用陀螺仪仪是可以完成姿是可以完成姿态导态导航的任航的任务务的的。只需要对 3 个轴的陀螺仪角速度进行积分，得到 3 个方向上的旋转角度，也就是姿态数据。这也就是说的快速融合快速融合。不过很遗憾，现实是残酷的，由于误差噪声等的存在，对陀螺仪积分并不能够得到完全准确的姿态，尤其是运转一段时间以后，积分误差的累加会让得到的姿态和实际的相差甚远。那么哪些原因会使
4、陀螺仪得到的姿态结果不准确呢？下面列举除常见的几种：零点漂移零点漂移假设陀螺仪固定不动，理想角速度值是 0dps(degree per second)，但是存在零点漂移，例如有一个偏置 0.1dps 加在上面，于是测量出来是 0.1dps，积分一秒之后，得到的角度是 0.1 度，1 分钟之后是 6 度，还能忍受，一小时之后是 360 度，转了一圈，也就是说，陀螺仪在短时间内有很大的参考价值。白噪声白噪声电信号的测量中，一定会带有白噪声，陀螺仪数据的测量也不例外。所以获得的陀螺仪数据中也会带有白噪声，而且这种白噪声会随着积分而累加。温度温度/加速度影响加速度影响陀螺仪是一个温度和加速度敏感的元器
5、件。例如对于加速度，多轴飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，一旦减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，必会带来陀螺输出的变化，引入误差。这就是在陀螺仪数据手册上常见的 deg/sec/g 指标。积积分分误误差差对陀螺仪角速度的积分是离散的，长时间的积分会出现漂移的情况。所以要考虑积积分分误误差差的问题。这是由于陀螺仪测量姿态存在这么多的误差，所以我们必须要使用其它传感器辅助校正，其中最重要的就是下面的加速度传感器。加速度计加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上，就是对重力加速度 g（也就是前面说的静态加速度）的测量和分析，其它瞬间加速度可以忽略。记记住住这
6、这一点一点对对姿姿态态解算融合理解非常重要。解算融合理解非常重要。当我们把加速度计拿在手上随意转动时，我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时，其输出为 0。为什么会这样呢？这里涉及到加速度计的设计原理：加速度计测量加速度是通过比力来测量，而不是通过加速度。加速度计仅仅测量的是重力加速度，3 轴加速度计输出重力加速度在加速度计所在机体坐标系 3 个轴上的分量大小。重力加速度的方向和大小是固定的。通过这种关系，可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系.加速度计若是绕着重力加速度的轴转动，则测量值不会改变，也就是说加速度计无法感知这种水平旋转。有关陀螺仪和加速度计和关系，姿态解
7、算融合的原理，再把下面这个比喻放到这里一遍。机体好似一条船，姿态就是航向（船头的方位），重力是灯塔，陀螺（角速度积分）是舵手，加速度计是瞭望手。舵手负责估计和把稳航向，他相信自己，本来船向北开的，就一定会一直往北开，觉得转了 90 度弯，那就会往东开。当然如果舵手很牛逼，也许能估计很准确，维持很长时间。不过只信任舵手，肯定会迷路，所以一般都有瞭望手来观察误差。瞭望手根据地图灯塔方位和船的当前航向，算出灯塔理论上应该在船的 X 方位。然而看到实际灯塔在船的 Y 方位，那肯定船的当前航向有偏差了，偏差就是 ERR=X-Y。舵手收到瞭望手给的ERR 报告，觉得可靠，那就听个 90%ERR，觉得天气不
8、好、地图误差大，那就听个 10%ERR，根据这个来纠正估算航向。MPU6050MPU-60x0 是全球首例 9 轴运动处理传感器。它集成了 3 轴 MEMS 陀螺仪，3 轴 MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（Digital Motion Processor），可用 I2C 接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其 I2C 或 SPI 接口输出一个 9 轴的信号（SPI 接口仅在 MPU-6000 可用）。MPU-60x0 也可以通过其 I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-60x0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个 16 位
9、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。一个片上 1024 字节的 FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的 I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口（SPI 仅 MPU-6000 可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用 20MHz 的 SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有1%变动的振荡器。在 crazepony 上，MPU6050/HMC58
10、83/MS5611 传感器之间的连接如下图所示。DMP 硬件解算在 Crazepony 上，测试了软件解算四元素，然后通过四元素解算姿态角这种实现方式，其实总的来说，并没感觉 36MHz 的主控压力有多大，没有出现机身不稳，卡死的情况。同时，本着务实他的态度，我们也测试了 MPU6050 的硬解四元素，即从 IIC总线上读到的数据不再是 MPU60x0 的 AD 值，而是通过初始化对 DMP 引擎的配置，从 IIC 总线上读到的直接就是四元素的值，从而跳过了程序通过AD 值计算四元素这个看起来繁琐的步骤。测试结果是，机身反应的确要比之前反应灵活，最关键的一点是，这样得出的偏航角（Yaw）很稳很稳，基本不会漂移或者说漂移小到了可以容忍的地步。最后，MPU60x0 的强大之处不仅于此，它支持一个从 IIC 接口，可以外部接上一个磁力计，如 HMC5883，这样一来，DMP 引擎可以直接输出一个绝对的方向姿态，即能够输出一个带东西南北的姿态数据包，很厉害的样子。在 Crazepony 的 5.2 版本及以后，我们都会使用软件解算的办法，自己做姿态融合，不会再使用 MPU6050 自带的 DMP 进行硬件解算。
