基礎知識之姿態傳感器

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

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

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

常見的三軸加速度傳感器使用微電機加速度計（MEMS accelerometer）技術。它們通常包含三個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，當初使用這個是為了判斷受力是超重還是失重，變化時，加速度傳感器會感知到這種變化并產生相應的電信號。這些信號經過放大和處理后，可以轉換為數字信號，并通過數字接口（如I2C或SPI）傳輸給微控制器或其他處理器。

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

這里介紹以下兩個內容：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。地面坐標系通常使用經度、緯度和高度（或海拔）來表示位置。

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度、緯度和高度相關，而機體坐標系的坐標軸通常與物體自身的方向相關。
• 變化性：地面坐標系通常是固定的，而機體坐標系可以隨著物體的旋轉、移動或變換而改變。

聯系：

• 物體運動的描述：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。地面坐標系適用于描述物體在地球上的位置和運動，而機體坐標系適用于描述物體相對于自身的位置和運動。
• 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，在航空航天領域，需要將飛機的機體坐標系轉換為地面坐標系，以便進行導航和飛行控制。

總的來說，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系。它們在不同的應用領域中起著重要的作用，并且在某些情況下需要進行坐標轉換。

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的方法。它由三個旋轉角度組成，通常分別稱為滾轉角（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，最常見的是ZYX順序，也稱為航向-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。

歐拉角的優點是直觀且易于理解，可以直接對物體的姿態進行描述。它廣泛應用于飛行器、機器人、游戲開發和計算機圖形學等領域。

然而，歐拉角也存在一些問題。由于旋轉順序的選擇和旋轉角度的限制，歐拉角存在萬向鎖問題（gimbal lock），即在某些情況下，兩個旋轉角度會變得冗余或無法唯一確定物體的姿態。為了避免這個問題，有時候會使用四元數

（quaternions）或旋轉矩陣（rotation matrices）來替代歐拉角。哈哈哈我不會四元數，就不bb了。

總的來說，歐拉角是一種常用的姿態描述方法，具有直觀和易于理解的特點，但在某些情況下可能存在萬向鎖問題。

磁力計（Magnetometer）：磁力計通過測量物體周圍磁場的強度和方向來確定其姿態。磁力計利用磁敏材料的特性，當材料受到磁場作用時，其電阻或電壓會發生變化。通過測量這種變化可以確定物體所處的磁場方向，從而確定其姿態。

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

以下是一般的使用姿態傳感器的步驟：

• 連接傳感器：首先，將姿態傳感器與目標設備進行連接。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：在使用姿態傳感器之前，需要進行初始化。這個過程包括設置傳感器的初始狀態和參數，以確保其正常工作和準確測量姿態。
• 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數據。姿態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數據進行解析和處理。這可能涉及到使用算法和數學模型來計算設備的姿態、運動狀態或其他相關參數。
• 應用數據：根據解析和處理后的姿態數據，進行相應的應用。這可能包括控制設備的運動、調整設備的姿態、提供用戶反饋或進行其他相關操作。
• 錯誤校正和校準：定期進行錯誤校正和校準，以確保姿態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行其他相關調整。

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

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

InvenSense（現為TDK公司）：InvenSense是一家專注于慣性傳感器技術的公司，提供高性能的加速度計和陀螺儀等姿態傳感器產品。

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

Analog Devices：Analog Devices是一家領先的半導體公司，提供各種傳感器解決方案，包括姿態傳感器。他們的產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自動化和控制技術供應商，他們提供各種姿態傳感器產品，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等。

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

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

這只是姿態傳感器應用的一小部分示例，實際上，姿態傳感器在許多其他領域中也有各種應用，如游戲控制、智能家居、運動裝備等。隨著技術的不斷發展，姿態傳感器的應用領域將繼續擴大和創新。

此外，結合自己的電賽經歷略述一二，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）公司開發，廣泛應用于姿態測量、運動追蹤和穩定控制等領域。

MPU6050內部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，能夠同時測量物體的旋轉和線性加速度。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性加速度和傾斜角度。

MPU6050采用數字輸出，通過I2C總線與微控制器或其他設備進行通信。它具有高精度、低功耗和快速響應的特點，適用于需要實時姿態測量和運動追蹤的應用。

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處理器（DMP）。溫度傳感器可用于測量環境溫度，而DMP則可以通過內部算法提供更高級的運動處理功能，如姿態解算和方向估計。

初始化MPU6050傳感器:

初始化I2C總線，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的傳感器，通常由兩個光電傳感器組成，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的編碼器類型：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來：編碼器軸每旋轉一圈，A相和B相都發出相同的脈沖個數，但是A相和B相之間存在一個90°(電氣角的一周期為360”)的電氣角相位差，可以根據這個相位差來判斷編碼器貨轉的方向是正轉還是反轉，正轉時，A相超前B相90°先進行相位輸出，反轉時，B相超前A相90°先進行相位輸出。

增量式編碼器通過兩個光電傳感器（我使用的是光碼盤和光電二極管）檢測旋轉編碼盤上的刻度，并生成兩個相位差90度的方波信號。通過檢測這兩個方波信號的變化，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單和高效。

絕對式編碼器則通過在編碼盤上添加更多的刻度，以實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，需要配置相關的寄存器和中斷，以使其與編碼器信號同步工作?？梢愿鶕嶋H需求選擇不同的計數模式、計數方向和中斷觸發條件等。此外，還可以通過使用DMA（直接內存訪問）功能，將編碼器數據直接傳輸到內存，減輕CPU的負擔。

總的來說，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現旋轉運動的測量和控制。通過把編碼器放在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，我這里將姿態傳感器那為什么說到了編碼器了呢。hhhh,因為俺要講如何在軟件上去調試姿態傳感器，那我就要再廢話了，我的目標是什么呢，結合電賽，我想說小車直立行走任務分解

我們要求車模在直立的狀態下以兩個輪子在地面上隨意行走，相比四輪著地狀態，車?？刂迫蝿崭鼮閺碗s。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復雜的問題分解成簡單的問題進行討論。 從控制角度來看，車模作為一個控制對象，它的控制輸入量是兩個電轉動速度。車橫運動控制任務可以分解成以下三個基本控制任務
(1)控制車模平衡：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立平衡化
(2)控制車橫速度：通過調節車模的傾角來實現車模速度控制，實際上還是演變成通過控制電機的轉速來實現車輪速度的控制
（3）控制車模方向：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現車模轉
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，分別代表比例、積分和微分三個控制項。

• 比例項（P項）根據實際輸出與期望值之間的差異進行調節。它與差異成正比，越大的差異會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）根據實際輸出與期望值之間的累積差異進行調節。它可以消除系統的穩態誤差，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，但過大的積分項可能導致系統的過沖和振蕩。
• 微分項（D項）根據實際輸出的變化率進行調節。它可以預測系統的未來變化趨勢，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，但過大的微分項可能導致系統對噪聲和干擾過于敏感。

PID控制通過將比例、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行調整，以達到最佳的控制效果。

在實際應用中，PID控制廣泛用于工業自動化、機械控制、溫度控制、飛行器控制等領域。通過不斷調整PID參數，可以實現系統的穩定性、精度和響應速度的平衡。

總的來說，PID控制是一種簡單而有效的控制算法，通過比例、積分和微分三個控制項的組合調節系統的輸出，以實現期望的控制效果。 這里借用了matlab仿真進行了預測和優化，打字累了不想說了，哈哈，結合姿態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，除了姿態傳感器我們應該還要結合編碼器，超聲波測距，步進電機CDD攝像頭，正交碼盤的使用，pwm步進電機，我們不僅僅要考慮到以上電子相關內容，應當考慮類似的，在小車開發中，扭矩通常用于描述引擎或電動機對車輪的驅動力。較大的扭矩可以提供更大的驅動力，使車輛能夠加速或克服阻力。在小車開發中，摩擦力對于車輛的制動、轉彎和牽引等方面起著重要作用。合理控制摩擦力可以提高車輛的操控性和安全性。為了最大限度地利用摩擦力，需要對車輛的重心、輪胎和地面之間的摩擦系數等因素進行優化和調整。

mpu6050驅動

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 

樹莓派_MMA7660姿態傳感器