ESP32-S3-DevKitC-1开发记录帖——与MPU6050进行姿态检测

news2024/11/16 8:41:59

目录

MPU6050传感器——姿态检测

1.姿态检测

1.1 基本认识

1）坐标系

2）姿态角的关系

3）陀螺仪检测的缺陷

4）利用加速度计检测角度

5）利用磁场检测角度

1.2 姿态融合与四元数

1.3传感器工作原理

1.4 MPU6050模块简介

1.5 实践是检验真理的唯一标准

1.5.1 连接引脚确认

1.5.2 代码编写调试并运行

MPU6050传感器——姿态检测

1.姿态检测

1.1 基本认识

1）坐标系

分为载体坐标系、地理坐标系和地球坐标系

载体坐标系：以运载体的质心为原点，一般根据运载体自身结构方向构成坐标系

地理坐标系：原点在地球表面，Z轴沿当地地理垂涎的方向，XY轴沿当地经纬线的切线方向。

地球坐标系：以地球球心为原点，Z轴沿地球自转轴方向，XY轴在赤道平面内的坐标系

2）姿态角的关系

偏航角、俯仰角和横滚角

3）陀螺仪检测的缺陷

陀螺仪测量角度时需要使用积分，会存在一定的积分误差。而根据积分的性质可知，积分时间越小，误差就越小。所以可以用提高陀螺仪传感器的采样频率来减少积分误差。

4）利用加速度计检测角度

一般使用加速度传感器来检测倾角，通过检测器件在各个方向的形变情况而采样得到受力数据，根据F=ma转换，传感器直接输出加速度数据。

而在加速度传感器静止的时候，测出来的是加速度g，表示传感器在该方向作加速度为g的运动

那么是如何检测陀螺仪测出来的角度是否正确呢？

利用各方向的测量结果，根据力的分解原理，可以求出各个坐标轴与重力之间的夹角。因为重力方向是与地理坐标系的“天地”轴固连的，所以通过测量载体坐标系各轴与重力方向的角度即可修正角度

5）利用磁场检测角度

为了弥补加速度传感器无法检测偏航角的问题，通过检测地球磁场可实现指南针的功能。由于地磁场与地理坐标系的南北轴固联，利用磁场检测传感器的指南针功能

1.2 姿态融合与四元数

我们同时使用这两种传感器，并设计一个滤波算法，当物体处于静止状态时，增大加速度数据的权重，当物体处于运动状时，增大陀螺仪数据的权重，从而获得更准确的姿态数据。同理，检测偏航角，当载体在静止状态时，可增大磁场检测器数据的权重，当载体在运动状态时，增大陀螺仪和GPS检测数据的权重。这些采用多种传感器数据来检测姿态的处理算法被称为姿态融合。

1.3传感器工作原理

敏感元件：直接感受被测物理量，并输出与该物理量有确定关系的信号

转换原件：将物理信号转换为电信号量

变换电路：对转换元件输出的电信号进行放大调制，最后输出容易检测的电信号量

1.4 MPU6050模块简介

功能：检测三轴加速度、三轴陀螺仪的运动数据以及温度数据

引脚说明：

如何使用MPU6050传输和计算数据？

可以使用STM32控制器把这些数据读取出来然后进行姿态融合解算，以求出传感器当前的姿态。

也可以使用传感器内部的DMP单元进行解算，可以直接对采样得到的加速度及角速度进行姿态解算。

1.5 实践是检验真理的唯一标准

1.5.1 连接引脚确认

我首先查了MPU每个引脚具体该怎么连接ESP32，在这个博客中看到了这样一句话：

“使用的是IO19与IO20两个引脚，使用杜邦线将开发板的这两个引脚分别接到mpu6050模块的SCL与SDA引脚上，将ADO引脚接到GND。

ADO引脚为从机地址设置引脚，接地或悬空时, 地址为: 0x68；接VCC时，地址为:0x69”

而该博主用的是ESP32-S3-LCD-EV-Board-MB开发板，所以我搜了一下他的引脚：

根据ESP32-DevKitc-1的引脚说明书，找到符合I2C协议的引脚。

得出结论：

名称为21的引脚连接MPU6050的SCL，名称为20连接MPU6050的SDA

1.5.2 代码编写调试并运行

调试代码教程：

烧录的时候出现了以下错误：

结果是自己电脑端口出现了问题...在别人电脑上却能跑通。

点击调试和运行运行代码：

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <ArduinoJson.h>

#define SDA_PIN 21
#define SCL_PIN 22

MPU6050 mpu6050(0x68); // 使用默认地址 0x68
unsigned long last_sample_time = 0;
int peak_count = 0;
bool condition_met = false;

int16_t ax,ay,az,gx,gy,gz;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);

  // 校准陀螺仪偏移
  mpu6050.setXGyroOffset(220);
  mpu6050.setYGyroOffset(76);
  mpu6050.setZGyroOffset(-85);

  last_sample_time = millis();
}

void loop() {
  mpu6050.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
  
  // 将原始数据转换为实际值
  float ax_g = ax * 2.0 / 32768.0;
  float ay_g = ay * 2.0 / 32768.0;
  float az_g = az * 2.0 / 32768.0;
  float gx_rad = gx * 250.0 / 32768.0 * 0.0174533;
  float gy_rad = gy * 250.0 / 32768.0 * 0.0174533;
  float gz_rad = gz * 250.0 / 32768.0 * 0.0174533;

  // 检查加速度是否超过阈值
  if (abs(ax_g) > 1.0 || abs(ay_g) > 1.0 || abs(az_g) > 1.0) {
    peak_count++;
  }

  // 检查是否达到采样周期
  unsigned long current_time = millis();
  if (current_time - last_sample_time >= 1000) { // 1秒采样一次
    // 计算峰值频率
    float peak_frequency = (peak_count * 60.0) / (current_time - last_sample_time);
    peak_count = 0;

    // 检查峰值频率是否在指定范围内
    if (peak_frequency >= 100 && peak_frequency <= 120) {
      condition_met = true;
    }

    last_sample_time = current_time;

    // 如果条件满足，发送完成信息到后端
    if (condition_met) {
      sendCompletionToBackend(ax_g, ay_g, az_g, gx_rad, gy_rad, gz_rad);
      condition_met = false;
    }
  }

  // 打印数据
  Serial.print("ax: ");
  Serial.print(ax_g);
  Serial.print(" g\t");
  Serial.print("ay: ");
  Serial.print(ay_g);
  Serial.print(" g\t");
  Serial.print("az: ");
  Serial.print(az_g);
  Serial.print(" g\t");
  Serial.print("gx: ");
  Serial.print(gx_rad);
  Serial.print(" rad/s\t");
  Serial.print("gy: ");
  Serial.print(gy_rad);
  Serial.print(" rad/s\t");
  Serial.print("gz: ");
  Serial.println(gz_rad);
  Serial.print("\n");

  delay(10); // 避免循环过快
}

void sendCompletionToBackend(float ax, float ay, float az, float gx, float gy, float gz) {
  Serial.println("Sending data to backend...");

  // 连接WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  // 创建HTTP客户端请求
  HTTPClient http;
  http.begin(serverUrl);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");

  // 构建JSON数据
 StaticJsonDocument<200> jsonDoc; // 根据需要调整JSON文档的大小
  jsonDoc["ax"] = ax;
  jsonDoc["ay"] = ay;
  jsonDoc["az"] = az;
  jsonDoc["gx"] = gx;
  jsonDoc["gy"] = gy;
  jsonDoc["gz"] = gz;

  String jsonData;
  serializeJson(jsonDoc, jsonData); // 序列化JSON

  // 发送POST请求
  int httpResponseCode = http.POST(jsonData);
  if (httpResponseCode > 0) {
    String response = http.getString();
    Serial.println("Response from server: ");
    Serial.println(response);
  } else {
    Serial.println("Error on sending POST request");
  }
  http.end();
}

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