ESP32学习：MPU6050

一、概念介绍1. MPU6050基础介绍MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Pro

溪午闻璐

9760人浏览 · 2021-12-26 10:51:06

溪午闻璐 · 2021-12-26 10:51:06 发布

一、概念介绍

1. MPU6050基础介绍

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。

MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。有了 DMP，我们可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度

MPU6050的特点包括：

以数字形式输出 6 轴或 9 轴（需外接磁传感器）的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据（需 DMP 支持）
具有 131 LSBs/°/sec 敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000°/sec （度/每秒）的 3 轴角速度感测器(陀螺仪)
集成可程序控制，范围为±2g、±4g、±8g 和±16g 的3 轴加速度传感器
自带数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少 MCU 复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷
内建运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求
自带一个数字温度传感器
带数字输入同步引脚(Sync pin)支持视频电子影相稳定技术与 GPS
可程序控制的中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G 中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能
自带 1024 字节 FIFO，有助于降低系统功耗
高达 400Khz 的 IIC 通信接口
超小封装尺寸：4x4x0.9mm（QFN）

MPU6050传感器的检测轴如下图所示：

2. MPU6050模块使用

MPU6050模块

MPU6050和MCU之间的连接采用IIC接口（SCL和SDA），MCU 通过这个 IIC 接口来控制 MPU6050，另外还有一个 IIC 接口：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，这样就可以组成一个九轴传感器。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

MPU6050初始化步骤：

初始化IIC接口
复位MPU6050: 这一步让 MPU6050 内部所有寄存器恢复默认值，通过对电源管理寄存器 1（0X6B）的bit7写 1 实现。复位后，电源管理寄存器 1 恢复默认值(0X40)，然后必须设置该寄存器为 0X00，以唤醒 MPU6050，进入正常工作状态。
设置角速度传感器（陀螺仪）和加速度传感器的满量程范围：分别通过陀螺仪配置寄存器（0X1B）和加速度传感器配置寄存器（0X1C）设置。我们一般设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps，加速度传感器的满量程范围为±2g
设置其他参数：我们还需要配置的参数有：关闭中断、关闭 AUX IIC 接口、禁止 FIFO、设置陀螺仪采样率和设置数字低通滤波器（DLPF）等
配置系统时钟源：系统时钟源同样是通过电源管理寄存器 1（0X6B）来设置，该寄存器的最低三位用于设置系统时钟源选择，默认值是 0（内部 8M RC 震荡），不过我们一般设置为 1，选择 x 轴陀螺 PLL作为时钟源，以获得更高精度的时钟。
使能角速度传感器和加速度传感器：这两个操作通过电源管理寄存器 2（0X6C）来设置，设置对应位为 0 即可开启。

3. 寄存器介绍

4. DMP使用介绍

通过上一节介绍的寄存器，我们可以正常读取到加速度传感器、陀螺仪和温度传感器的数据，但是在实际使用的时候，我们更希望得到的是姿态数据，即欧拉角：航向角(yaw)、横滚角(roll)和俯仰角(pitch)。

要得到欧拉角数据，就得利用我们的原始数据，进行姿态融合解算，这个比较复杂，知识点比较多，初学者不易掌握。而 MPU6050 自带了数字运动处理器，即 DMP，并且，InvenSense提供了一个 MPU6050 的嵌入式运动驱动库，结合 MPU6050 的 DMP，可以将我们的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角，从而得到 yaw、roll 和 pitch。

使用MPU6050 的DMP 输出的四元数是q30 格式的，也就是浮点数放大了2 的30 次方倍。在换算成欧拉角之前，必须先将其转换为浮点数，也就是除以 2 的 30 次方，然后再进行计算，计算公式为：

q0=quat[0] / q30; //q30 格式转换为浮点数
q1=quat[1] / q30;
q2=quat[2] / q30;
q3=quat[3] / q30;
//计算得到俯仰角/横滚角/航向角
pitch=asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; //俯仰角
roll=atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; //横滚角
yaw=atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3; //航向角

其中 quat[0]~ quat[3]是 MPU6050 的 DMP 解算后的四元数，q30 格式，所以要除以一个 2的 30 次方，其中 q30 是一个常量：1073741824，即 2 的 30 次方，然后带入公式，计算出欧拉角。

二、代码编写

MPU6050驱动，主要初始化配置代码如下：

/**
 * @brief MPU-6050 initial
 */
uint8_t MPU_Init()
{
	uint8_t res = 0;
	//初始化ESP32硬件I2C
	I2C_Init();
    //复位MPU6050, 寄存器0x6B bit7写1实现
	MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x80);
	vTaskDelay(100 / portTICK_RATE_MS);
	//唤醒MPU6050
	MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x00);
	//设置陀螺仪满量程,2000dps
	MPU_Set_Gyro_FSR(3);
	//设置加速度计满量程范围
	MPU_Set_Accel_FSR(0);
	//设置采样率
	MPU_Set_Rate(200);
	MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);	//关闭所有中断
	MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);	//I2C主模式关闭
	MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);	//关闭FIFO
	MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);	//INT引脚低电平有效
	MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG, &res);
	if(res == MPU_ADDR) //器件ID正确
	{
		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);	//设置CLKSEL,PLL X轴为参考
		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);	//加速度与陀螺仪都工作
		MPU_Set_Rate(200);						//设置采样率为50Hz
	}else
		return 1;

	return 0;
}