基礎知識之姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器是一種用于檢測和測量物體的姿態(tài)或位置的設備。它們通常使用各種傳感器技術(shù)，如加速度計、陀螺儀和磁力計等，來(lái)獲取物體在空間中的方向、旋轉角度和位置信息。姿態(tài)傳感器廣泛應用于許多領(lǐng)域，包括航空航天、機器人技術(shù)、虛擬現實(shí)、運動(dòng)追蹤和醫療設備等。通過(guò)實(shí)時(shí)監測和記錄物體的姿態(tài)，姿態(tài)傳感器可以幫助實(shí)現精確的導航、運動(dòng)控制和姿勢分析等功能。

姿態(tài)傳感器的工作原理取決于其具體的傳感器技術(shù)。以下是幾種常見(jiàn)的姿態(tài)傳感器及其工作原理：

加速度計（Accelerometer）：加速度計通過(guò)測量物體的加速度來(lái)確定其姿態(tài)。加速度計通常使用微機電系統（MEMS）技術(shù)，其中包含微小的質(zhì)量和彈簧系統。當物體發(fā)生加速度變化時(shí)，質(zhì)量會(huì )受到力的作用而移動(dòng)，通過(guò)測量這種移動(dòng)可以確定物體的加速度和姿態(tài)。

常見(jiàn)的三軸加速度傳感器使用微電機加速度計（MEMS accelerometer）技術(shù)。它們通常包含三個(gè)獨立的加速度傳感器，分別測量物體在X軸、Y軸和Z軸方向上的加速度。只記得加速度測量機測量到的加速度和受力方向相反，當初使用這個(gè)是為了判斷受力是超重還是失重，變化時(shí)，加速度傳感器會(huì )感知到這種變化并產(chǎn)生相應的電信號。這些信號經(jīng)過(guò)放大和處理后，可以轉換為數字信號，并通過(guò)數字接口（如I2C或SPI）傳輸給微控制器或其他處理器。

陀螺儀（Gyroscope）：陀螺儀通過(guò)測量物體的角速度來(lái)確定其姿態(tài)。陀螺儀通常使用旋轉的轉子或振蕩器來(lái)感知角速度的變化。當物體發(fā)生旋轉時(shí)，轉子或振蕩器會(huì )受到力的作用而發(fā)生相應的位移，通過(guò)測量這種位移可以確定物體的角速度和姿態(tài)。

這里介紹以下兩個(gè)內容：地面坐標系（Earth-fixed coordinate system）是一種以地球表面為參考的坐標系，用于描述物體在地球上的位置和運動(dòng)。地面坐標系通常使用經(jīng)度、緯度和高度（或海拔）來(lái)表示位置。

機體坐標系（Body-fixed coordinate system）是一種以物體自身為參考的坐標系，用于描述物體內部或相對于物體的位置和方向。機體坐標系通常使用前后、左右和上下（或X、Y、Z）來(lái)表示物體的方向。

區別：

• 參考對象：地面坐標系以地球為參考對象，而機體坐標系以物體自身為參考對象。
• 坐標軸方向：地面坐標系的坐標軸通常與地球的經(jīng)度、緯度和高度相關(guān)，而機體坐標系的坐標軸通常與物體自身的方向相關(guān)。
• 變化性：地面坐標系通常是固定的，而機體坐標系可以隨著(zhù)物體的旋轉、移動(dòng)或變換而改變。

聯(lián)系：

• 物體運動(dòng)的描述：地面坐標系和機體坐標系都可以用于描述物體的位置和運動(dòng)。地面坐標系適用于描述物體在地球上的位置和運動(dòng)，而機體坐標系適用于描述物體相對于自身的位置和運動(dòng)。
• 坐標轉換：在某些情況下，需要將地面坐標系和機體坐標系相互轉換。例如，在航空航天領(lǐng)域，需要將飛機的機體坐標系轉換為地面坐標系，以便進(jìn)行導航和飛行控制。

總的來(lái)說(shuō)，地面坐標系和機體坐標系是兩種不同的坐標系，用于描述不同的參考對象和位置關(guān)系。它們在不同的應用領(lǐng)域中起著(zhù)重要的作用，并且在某些情況下需要進(jìn)行坐標轉換。

那么我們得到坐標位置是為了什么呢，主想借大學(xué)物理和高數內容介紹一下歐拉角：

歐拉角（Euler angles）是一種常用的描述物體姿態(tài)的方法。它由三個(gè)旋轉角度組成，通常分別稱(chēng)為滾轉角（roll）、俯仰角（pitch）和偏航角（yaw）。

滾轉角表示物體繞其自身的X軸旋轉的角度。俯仰角表示物體繞其自身的Y軸旋轉的角度。偏航角表示物體繞其自身的Z軸旋轉的角度。

歐拉角的旋轉順序可以有多種，最常見(jiàn)的是ZYX順序，也稱(chēng)為航向-俯仰-滾轉順序。在這種順序下，先繞Z軸旋轉偏航角，然后繞旋轉后的Y軸旋轉俯仰角，最后繞旋轉后的X軸旋轉滾轉角。

歐拉角的優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)且易于理解，可以直接對物體的姿態(tài)進(jìn)行描述。它廣泛應用于飛行器、機器人、游戲開(kāi)發(fā)和計算機圖形學(xué)等領(lǐng)域。

然而，歐拉角也存在一些問(wèn)題。由于旋轉順序的選擇和旋轉角度的限制，歐拉角存在萬(wàn)向鎖問(wèn)題（gimbal lock），即在某些情況下，兩個(gè)旋轉角度會(huì )變得冗余或無(wú)法唯一確定物體的姿態(tài)。為了避免這個(gè)問(wèn)題，有時(shí)候會(huì )使用四元數

（quaternions）或旋轉矩陣（rotation matrices）來(lái)替代歐拉角。哈哈哈我不會(huì )四元數，就不bb了。

總的來(lái)說(shuō)，歐拉角是一種常用的姿態(tài)描述方法，具有直觀(guān)和易于理解的特點(diǎn)，但在某些情況下可能存在萬(wàn)向鎖問(wèn)題。

磁力計（Magnetometer）：磁力計通過(guò)測量物體周?chē)艌?chǎng)的強度和方向來(lái)確定其姿態(tài)。磁力計利用磁敏材料的特性，當材料受到磁場(chǎng)作用時(shí)，其電阻或電壓會(huì )發(fā)生變化。通過(guò)測量這種變化可以確定物體所處的磁場(chǎng)方向，從而確定其姿態(tài)。

這些傳感器通常會(huì )結合在一起，形成姿態(tài)傳感器系統。通過(guò)同時(shí)測量加速度、角速度和磁場(chǎng)等參數，姿態(tài)傳感器可以計算出物體的姿態(tài)，包括方向、旋轉角度和位置等信息。這些數據可以通過(guò)算法進(jìn)行處理和解析，從而實(shí)現對物體姿態(tài)的準確測量和跟蹤。

以下是一般的使用姿態(tài)傳感器的步驟：

• 連接傳感器：首先，將姿態(tài)傳感器與目標設備進(jìn)行連接。這可能涉及到使用適當的電纜或接口將傳感器連接到設備的主板或控制器上。
• 初始化傳感器：在使用姿態(tài)傳感器之前，需要進(jìn)行初始化。這個(gè)過(guò)程包括設置傳感器的初始狀態(tài)和參數，以確保其正常工作和準確測量姿態(tài)。
• 讀取傳感器數據：使用設備的軟件或編程接口，讀取傳感器提供的姿態(tài)數據。姿態(tài)數據通常包括設備的姿勢、朝向、角度和加速度等信息。
• 解析和處理數據：根據應用的需求，對傳感器提供的姿態(tài)數據進(jìn)行解析和處理。這可能涉及到使用算法和數學(xué)模型來(lái)計算設備的姿態(tài)、運動(dòng)狀態(tài)或其他相關(guān)參數。
• 應用數據：根據解析和處理后的姿態(tài)數據，進(jìn)行相應的應用。這可能包括控制設備的運動(dòng)、調整設備的姿態(tài)、提供用戶(hù)反饋或進(jìn)行其他相關(guān)操作。
• 錯誤校正和校準：定期進(jìn)行錯誤校正和校準，以確保姿態(tài)傳感器的準確性和可靠性。這可能包括校正傳感器的偏差、校準傳感器的靈敏度或進(jìn)行其他相關(guān)調整。

需要注意的是，具體使用姿態(tài)傳感器的方法會(huì )因應用的不同而有所變化。例如，在航空航天領(lǐng)域中，可能需要更復雜的姿態(tài)控制算法和系統來(lái)實(shí)現精確的導航和飛行控制。在虛擬現實(shí)領(lǐng)域中，可能需要更高的實(shí)時(shí)性和精度來(lái)跟蹤用戶(hù)的頭部和手部姿態(tài)。因此，在具體應用中，需要根據需求和要求進(jìn)行相應的定制和調整。 姿態(tài)傳感器在許多領(lǐng)域中都有廣泛的應用。以下是一些姿態(tài)傳感器的應用示例：

STMicroelectronics：STMicroelectronics是一家全球領(lǐng)先的半導體公司，提供各種姿態(tài)傳感器解決方案，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等。

InvenSense（現為T(mén)DK公司）：InvenSense是一家專(zhuān)注于慣性傳感器技術(shù)的公司，提供高性能的加速度計和陀螺儀等姿態(tài)傳感器產(chǎn)品。

Bosch Sensortec：Bosch Sensortec是博世集團的子公司，專(zhuān)注于傳感器技術(shù)。他們提供各種姿態(tài)傳感器解決方案，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等。

Analog Devices：Analog Devices是一家領(lǐng)先的半導體公司，提供各種傳感器解決方案，包括姿態(tài)傳感器。他們的產(chǎn)品范圍包括加速度計、陀螺儀和磁力計等。

Honeywell（霍尼韋爾）：Honeywell是一家全球知名的工業(yè)自動(dòng)化和控制技術(shù)供應商，他們提供各種姿態(tài)傳感器產(chǎn)品，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等。

這只是一些主要的姿態(tài)傳感器供應商，市場(chǎng)上還有許多其他供應商提供各種姿態(tài)傳感器解決方案。在選擇供應商時(shí)，可以根據產(chǎn)品性能、可靠性、技術(shù)支持和供應鏈等因素進(jìn)行評估和比較。

• 航空航天：姿態(tài)傳感器在飛機、無(wú)人機和航天器中被用于導航、飛行控制和姿態(tài)穩定等方面。它們可以幫助飛行器準確測量和控制其姿態(tài)，以確保平穩和穩定的飛行。
• 機器人技術(shù)：姿態(tài)傳感器在機器人中起著(zhù)關(guān)鍵作用，能夠幫助機器人感知和調整其姿態(tài)，以適應不同的任務(wù)和環(huán)境。例如，在機器人導航和操作中，姿態(tài)傳感器可以幫助機器人確定其位置、朝向和運動(dòng)狀態(tài)。
• 虛擬現實(shí)（VR）和增強現實(shí)（AR）：姿態(tài)傳感器在VR和AR設備中被用于跟蹤用戶(hù)的頭部、手部和身體姿態(tài)，從而實(shí)現沉浸式的虛擬體驗或與現實(shí)世界的交互。它們可以幫助設備準確追蹤用戶(hù)的動(dòng)作和位置，以實(shí)現更真實(shí)和自然的交互體驗。
• 運動(dòng)追蹤：姿態(tài)傳感器在運動(dòng)追蹤領(lǐng)域中被廣泛應用。例如，在體育訓練中，姿態(tài)傳感器可以用于監測運動(dòng)員的姿勢和動(dòng)作，以提供反饋和改進(jìn)訓練效果。此外，姿態(tài)傳感器還可以用于運動(dòng)分析、姿勢矯正和康復治療等方面。
• 醫療設備：姿態(tài)傳感器在醫療設備中的應用包括姿勢監測和姿勢輔助。例如，在手術(shù)中，姿態(tài)傳感器可以幫助醫生準確測量和調整手術(shù)工具的位置和角度，以實(shí)現精確的手術(shù)操作。

這只是姿態(tài)傳感器應用的一小部分示例，實(shí)際上，姿態(tài)傳感器在許多其他領(lǐng)域中也有各種應用，如游戲控制、智能家居、運動(dòng)裝備等。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，姿態(tài)傳感器的應用領(lǐng)域將繼續擴大和創(chuàng )新。

此外，結合自己的電賽經(jīng)歷略述一二，向大家介紹的是MPU6050，是一款集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計的傳感器模塊。它由英飛凌（InvenSense）公司開(kāi)發(fā)，廣泛應用于姿態(tài)測量、運動(dòng)追蹤和穩定控制等領(lǐng)域。

MPU6050內部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，能夠同時(shí)測量物體的旋轉和線(xiàn)性加速度。陀螺儀用于測量物體的旋轉速度和方向，而加速度計則用于測量物體的線(xiàn)性加速度和傾斜角度。

MPU6050采用數字輸出，通過(guò)I2C總線(xiàn)與微控制器或其他設備進(jìn)行通信。它具有高精度、低功耗和快速響應的特點(diǎn)，適用于需要實(shí)時(shí)姿態(tài)測量和運動(dòng)追蹤的應用。

除了陀螺儀和加速度計，MPU6050還提供了一些額外的功能和傳感器，如溫度傳感器和數字運動(dòng)處理器（DMP）。溫度傳感器可用于測量環(huán)境溫度，而DMP則可以通過(guò)內部算法提供更高級的運動(dòng)處理功能，如姿態(tài)解算和方向估計。

初始化MPU6050傳感器:

初始化I2C總線(xiàn)，復位MPU6050,再次喚醒mpu6050后，設置陀螺儀傳感器為±200dps，加速度傳感器±2g,設置采樣率50HZ，關(guān)閉中斷配置INT引腳低電平有效。器件id正確后，設置pll,clksel,xz的水平軸為參考

讀取傳感器數據：

使用官方empl庫所帶的函數獲取加速度值和陀螺儀值，理由歐拉公式計算得到俯仰角和偏航角（ps:需要設置延時(shí)函數如果要輸到上位機，需要提供串口等接口）

解析和處理數據：

這里介紹當時(shí)使用的方法：讀取數據判斷是否在設置的閾值范圍內，并記錄最后的數據用于比較下一次的變化情況，根據自己的算法要求進(jìn)行處理。要結合編碼器的使用，使用了STM32正交編碼器,是指在STM32系列微控制器中用于讀取旋轉編碼器信號的硬件模塊。旋轉編碼器是一種用于測量旋轉運動(dòng)的傳感器，通常由兩個(gè)光電傳感器組成，可以測量旋轉方向和速度。而STM32正交編碼器模塊支持兩種常見(jiàn)的編碼器類(lèi)型：增量式編碼器和絕對式編碼器。這里吧主將自己的理解的原理放進(jìn)來(lái)：編碼器軸每旋轉一圈，A相和B相都發(fā)出相同的脈沖個(gè)數，但是A相和B相之間存在一個(gè)90°(電氣角的一周期為360”)的電氣角相位差，可以根據這個(gè)相位差來(lái)判斷編碼器貨轉的方向是正轉還是反轉，正轉時(shí)，A相超前B相90°先進(jìn)行相位輸出，反轉時(shí)，B相超前A相90°先進(jìn)行相位輸出。

增量式編碼器通過(guò)兩個(gè)光電傳感器（我使用的是光碼盤(pán)和光電二極管）檢測旋轉編碼盤(pán)上的刻度，并生成兩個(gè)相位差90度的方波信號。通過(guò)檢測這兩個(gè)方波信號的變化，可以確定旋轉方向和速度。STM32正交編碼器模塊可以直接讀取這兩個(gè)方波信號，并提供相應的硬件計數器和中斷功能，使得編碼器的讀取和處理變得更加簡(jiǎn)單和高效。

絕對式編碼器則通過(guò)在編碼盤(pán)上添加更多的刻度，以實(shí)現對旋轉位置的絕對測量。STM32正交編碼器模塊可以支持多種絕對式編碼器的協(xié)議和接口，如SSI（同步串行接口）、BiSS（雙向同步串行接口）和SPI（串行外設接口）等。通過(guò)讀取這些接口的數據，可以準確地獲取旋轉位置信息。

在使用STM32正交編碼器模塊時(shí)，需要配置相關(guān)的寄存器和中斷，以使其與編碼器信號同步工作?？梢愿鶕?shí)際需求選擇不同的計數模式、計數方向和中斷觸發(fā)條件等。此外，還可以通過(guò)使用DMA（直接內存訪(fǎng)問(wèn)）功能，將編碼器數據直接傳輸到內存，減輕CPU的負擔。

總的來(lái)說(shuō)，STM32正交編碼器模塊為STM32微控制器提供了方便、高效的編碼器信號讀取和處理功能，使得我們使用者可以更加輕松地實(shí)現旋轉運動(dòng)的測量和控制。通過(guò)把編碼器放在pwm直流電機轉軸處，把AB兩相接入單片機接口可以獲得具體的信息。

欸，大家可能疑惑了，我這里將姿態(tài)傳感器那為什么說(shuō)到了編碼器了呢。hhhh,因為俺要講如何在軟件上去調試姿態(tài)傳感器，那我就要再廢話(huà)了，我的目標是什么呢，結合電賽，我想說(shuō)小車(chē)直立行走任務(wù)分解

我們要求車(chē)模在直立的狀態(tài)下以?xún)蓚€(gè)輪子在地面上隨意行走，相比四輪著(zhù)地狀態(tài)，車(chē)?？刂迫蝿?wù)更為復雜。為了能夠方便找到解決問(wèn)題的辦法，首先將復雜的問(wèn)題分解成簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行討論。 從控制角度來(lái)看，車(chē)模作為一個(gè)控制對象，它的控制輸入量是兩個(gè)電轉動(dòng)速度。車(chē)橫運動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本控制任務(wù)
(1)控制車(chē)模平衡：通過(guò)控制兩個(gè)電機正反向運動(dòng)保持車(chē)模直立平衡化
(2)控制車(chē)橫速度：通過(guò)調節車(chē)模的傾角來(lái)實(shí)現車(chē)模速度控制，實(shí)際上還是演變成通過(guò)控制電機的轉速來(lái)實(shí)現車(chē)輪速度的控制
（3）控制車(chē)模方向：通過(guò)控制兩個(gè)電機之間的轉動(dòng)差速實(shí)現車(chē)模轉
哎呀這么復雜，我們考慮的核心在哪里，哈哈就是負反饋，是否平衡是否轉彎無(wú)法缺少的就是將采集到的數據比較反饋了，大家讀到這里就明白我在數據處理時(shí)存儲最后一次數據的用意了哈哈，最后結合pid控制。PID控制是一種常用的反饋控制算法，用于調節系統的輸出以使其達到期望值。PID是Proportional-Integral-Derivative的縮寫(xiě)，分別代表比例、積分和微分三個(gè)控制項。

• 比例項（P項）根據實(shí)際輸出與期望值之間的差異進(jìn)行調節。它與差異成正比，越大的差異會(huì )導致更大的調節輸出。比例項可以快速響應系統的變化，但可能導致系統的震蕩和超調。
• 積分項（I項）根據實(shí)際輸出與期望值之間的累積差異進(jìn)行調節。它可以消除系統的穩態(tài)誤差，并使系統更好地追蹤期望值。積分項可以幫助系統達到精確的控制，但過(guò)大的積分項可能導致系統的過(guò)沖和振蕩。
• 微分項（D項）根據實(shí)際輸出的變化率進(jìn)行調節。它可以預測系統的未來(lái)變化趨勢，并提前調整控制輸出，以減小超調和振蕩。微分項可以提高系統的穩定性和響應速度，但過(guò)大的微分項可能導致系統對噪聲和干擾過(guò)于敏感。

PID控制通過(guò)將比例、積分和微分項加權求和，得到最終的控制輸出。權重因子可以根據系統的特性和需求進(jìn)行調整，以達到最佳的控制效果。

在實(shí)際應用中，PID控制廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、機械控制、溫度控制、飛行器控制等領(lǐng)域。通過(guò)不斷調整PID參數，可以實(shí)現系統的穩定性、精度和響應速度的平衡。

總的來(lái)說(shuō)，PID控制是一種簡(jiǎn)單而有效的控制算法，通過(guò)比例、積分和微分三個(gè)控制項的組合調節系統的輸出，以實(shí)現期望的控制效果。 這里借用了matlab仿真進(jìn)行了預測和優(yōu)化，打字累了不想說(shuō)了，哈哈，結合姿態(tài)傳感器使用一下把哈哈哈哈哈哈 偷懶嘎嘎嘎，

含mpu6050芯片的姿態(tài)傳感器模塊

基于stm4與串口調試結果圖

最后結合電賽，我想說(shuō)，除了姿態(tài)傳感器我們應該還要結合編碼器，超聲波測距，步進(jìn)電機CDD攝像頭，正交碼盤(pán)的使用，pwm步進(jìn)電機，我們不僅僅要考慮到以上電子相關(guān)內容，應當考慮類(lèi)似的，在小車(chē)開(kāi)發(fā)中，扭矩通常用于描述引擎或電動(dòng)機對車(chē)輪的驅動(dòng)力。較大的扭矩可以提供更大的驅動(dòng)力，使車(chē)輛能夠加速或克服阻力。在小車(chē)開(kāi)發(fā)中，摩擦力對于車(chē)輛的制動(dòng)、轉彎和牽引等方面起著(zhù)重要作用。合理控制摩擦力可以提高車(chē)輛的操控性和安全性。為了最大限度地利用摩擦力，需要對車(chē)輛的重心、輪胎和地面之間的摩擦系數等因素進(jìn)行優(yōu)化和調整。

mpu6050驅動(dòng)

import machine

class accel():

def __init__(self, i2c, addr=0x68):

    self.iic = i2c

    self.addr = addr

    self.iic.start()

    self.iic.writeto(self.addr, bytearray([107, 0]))

    self.iic.stop()


def get_raw_values(self):

    self.iic.start()

    a = self.iic.readfrom_mem(self.addr, 0x3B, 14)

    self.iic.stop()

    return a


def get_ints(self):

    b = self.get_raw_values()

    c = []

    for i in b:

        c.append(i)

    return c


def bytes_toint(self, firstbyte, secondbyte):

    if not firstbyte & 0x80:

        return firstbyte << 8 | secondbyte

    return - (((firstbyte ^ 255) << 8) | (secondbyte ^ 255) + 1)


def get_values(self):

    raw_ints = self.get_raw_values()

    vals = {}

    vals["AcX"] = self.bytes_toint(raw_ints[0], raw_ints[1])

    vals["AcY"] = self.bytes_toint(raw_ints[2], raw_ints[3])

    vals["AcZ"] = self.bytes_toint(raw_ints[4], raw_ints[5])

    vals["Tmp"] = self.bytes_toint(raw_ints[6], raw_ints[7]) / 340.00 + 36.53

    vals["GyX"] = self.bytes_toint(raw_ints[8], raw_ints[9])

    vals["GyY"] = self.bytes_toint(raw_ints[10], raw_ints[11])

    vals["GyZ"] = self.bytes_toint(raw_ints[12], raw_ints[13])

    return vals  # returned in range of Int16

    # -32768 to 32767


def val_test(self):  # ONLY FOR TESTING! Also, fast reading sometimes crashes IIC

    from time import sleep

    while 1:

        print(self.get_values())

        sleep(0.05)

主程序

from machine import I2C,Pin
i2c = I2C(scl=Pin("X9"), sda=Pin("X10"))
accel = mpu6050.accel(i2c)
accel_dict = accel.get_values()
print(accel_dict)

運行結果如下 

樹(shù)莓派_MMA7660姿態(tài)傳感器