實踐 基于 Arduino I2C讀取 MPU6050 三軸陀螺儀資料

一、Arduino與MPU-6050的接線

六軸傳感器子產品MPU6050連線在Arduino UNO闆子上，SDA接口對應的是A4引腳，SCL對應的是A5引腳。MPU6050需要5V的電源，可由UNO闆直接供電。

INT中斷線沒用到我就沒接

二、讀取資料并顯示

因為是使用到I/2通信，我們需要在初始化I2C和序列槽

void setup() {
  Wire.begin();                            //加入 I2C 總順序列
  Serial.begin(9600);                       //開啟序列槽，設定波特率
  delay(1000);
  mpu.initialize();                       //初始化MPU6050
}
           

然後就可以直接擷取值了

void loop() {
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);     //IIC擷取MPU6050六軸資料 ax ay az gx gy gz  

  Serial.print(ax);Serial.print(",");
  Serial.print(ay);Serial.print(",");
  Serial.print(az);Serial.println();
}
           

三、卡曼濾波

應用中傳感器采集的資料存在大量噪音的資料波動很大，卡爾曼濾波器的效果無疑是最好的資料濾波器

void Kalman_Filter(double angle_m, double gyro_m)
{
  angle += (gyro_m - q_bias) * dt;
  angle_err = angle_m - angle;
  Pdot[0] = Q_angle - P[0][1] - P[1][0];
  Pdot[1] = - P[1][1];
  Pdot[2] = - P[1][1];
  Pdot[3] = Q_gyro;
  P[0][0] += Pdot[0] * dt;
  P[0][1] += Pdot[1] * dt;
  P[1][0] += Pdot[2] * dt;
  P[1][1] += Pdot[3] * dt;
  PCt_0 = C_0 * P[0][0];
  PCt_1 = C_0 * P[1][0];
  E = R_angle + C_0 * PCt_0;
  K_0 = PCt_0 / E;
  K_1 = PCt_1 / E;
  t_0 = PCt_0;
  t_1 = C_0 * P[0][1];
  P[0][0] -= K_0 * t_0;
  P[0][1] -= K_0 * t_1;
  P[1][0] -= K_1 * t_0;
  P[1][1] -= K_1 * t_1;
  angle += K_0 * angle_err; //角度
  q_bias += K_1 * angle_err;
  angle_dot = gyro_m - q_bias; //角速度
}
           

四、整體運作

需要先下載下傳MPU6050的i2cdevlib

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/I2Cdev

把下載下傳的程式放入aduino 工程的 libraries目錄下

最後這是完整的測試代碼，可以直接用aduino的序列槽螢幕直接看到輸出的資料

#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"

MPU6050 mpu; //執行個體化一個 MPU6050 對象，對象名稱為 mpu
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;

//********************angle data*********************//
float Gyro_y; //Y軸陀螺儀資料暫存
float Gyro_x;
float Gyro_z;
float angleAx;
float angle6;
float K1 = 0.05; // 對加速度計取值的權重
float Angle; //一階互補濾波計算出的小車最終傾斜角度
float accelz = 0;

//********************angle data*********************//

//***************Kalman_Filter*********************//
float P[2][2] = {{ 1, 0 },
  { 0, 1 }
};
float Pdot[4] = { 0, 0, 0, 0};
float Q_angle = 0.001, Q_gyro = 0.005; //角度資料置信度,角速度資料置信度
float R_angle = 0.5 , C_0 = 1;
float q_bias, angle_err, PCt_0, PCt_1, E, K_0, K_1, t_0, t_1;
float timeChange = 5; //濾波法采樣時間間隔毫秒
float dt = timeChange * 0.001; //注意：dt的取值為濾波器采樣時間
//***************Kalman_Filter*********************//

void Angletest()
{
  //平衡參數
  Angle = atan2(ay , az) * 57.3;           //角度計算公式
  Gyro_x = (gx - 128.1) / 131;              //角度轉換
  Kalman_Filter(Angle, Gyro_x);            //卡曼濾波
  //旋轉角度Z軸參數
  if (gz > 32768) gz -= 65536;              //強制轉換2g  1g
  Gyro_z = -gz / 131;                      //Z軸參數轉換
  accelz = az / 16.4;

  angleAx = atan2(ax, az) * 180 / PI; //計算與x軸夾角
  Gyro_y = -gy / 131.00; //計算角速度
  //一階互補濾波
  angle6 = K1 * angleAx + (1 - K1) * (angle6 + Gyro_y * dt);
}

kalman/
float angle, angle_dot;                                //平衡角度值
void Kalman_Filter(double angle_m, double gyro_m)
{
  angle += (gyro_m - q_bias) * dt;
  angle_err = angle_m - angle;
  Pdot[0] = Q_angle - P[0][1] - P[1][0];
  Pdot[1] = - P[1][1];
  Pdot[2] = - P[1][1];
  Pdot[3] = Q_gyro;
  P[0][0] += Pdot[0] * dt;
  P[0][1] += Pdot[1] * dt;
  P[1][0] += Pdot[2] * dt;
  P[1][1] += Pdot[3] * dt;
  PCt_0 = C_0 * P[0][0];
  PCt_1 = C_0 * P[1][0];
  E = R_angle + C_0 * PCt_0;
  K_0 = PCt_0 / E;
  K_1 = PCt_1 / E;
  t_0 = PCt_0;
  t_1 = C_0 * P[0][1];
  P[0][0] -= K_0 * t_0;
  P[0][1] -= K_0 * t_1;
  P[1][0] -= K_1 * t_0;
  P[1][1] -= K_1 * t_1;
  angle += K_0 * angle_err; //角度
  q_bias += K_1 * angle_err;
  angle_dot = gyro_m - q_bias; //角速度
}


void setup() {
  Wire.begin();                            //加入 I2C 總順序列
  Serial.begin(9600);                       //開啟序列槽，設定波特率
  delay(1000);
  mpu.initialize();                       //初始化MPU6050
}

void loop() {
  mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);     //IIC擷取MPU6050六軸資料 ax ay az gx gy gz  

  Angletest();                                      //擷取angle 角度和卡曼濾波

  Serial.print(ax);Serial.print(",");
  Serial.print(ay);Serial.print(",");
  Serial.print(az);Serial.print("---");
  Serial.print(angle);Serial.print(",");
  Serial.print(angle_dot);Serial.print(",");
  Serial.println(angle6);
  
  delay(5);
}