MPU-6050模块角度算法处理及在嵌入式中的应用

邱云平，伍宝玉

（1、深圳蓝桥林科技有限公司，广东 深圳 518127；2、都昌县司法局，江西 九江 332600）

MPU-6050模块角度算法处理及在嵌入式中的应用

邱云平1，伍宝玉2

（1、深圳蓝桥林科技有限公司，广东 深圳 518127；2、都昌县司法局，江西 九江 332600）

本文主要介绍MPU-6050全球首例6轴运动处理传感器，论述一种对MPU-6050的数据处理的新思想和算法。本设计主要讨论三个要点：第一、比较陀螺仪、加速度传感与9轴运动处理传感器(MPU-6050)的差距；第二、通过积分算法对MPU-6050模块采集的数据进行处理，从而获得更为准确的角度；第三、MPU-6050在嵌入式中的具体应用。

MPU-6050 6轴运动处理传感器；陀螺仪；加速度传感

0 引言

MPU-6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后，就可以通过其I2C接口输出一个9轴的信号。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上 1024 字节的 FIFO，有助于降低系统功耗。MPU-6050模块与所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器[1]。它的应用范围相当广，如智能手机，平板电脑，游戏机，3D遥控器，可携式导航设备和玩具小车等。

1 陀螺仪、加速度计和MPU-6050及MPU-6050的电路设计

1.1 陀螺仪、加速度计的简要介绍

陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，是基于角动量守恒理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统[2]。

加速度计是测量加速度的装置。相对于远距传感的装置，它测量的是自身的运动。加速度计的应用之一是测量重力，特别是使用于重量测定法的加速计，这样的装置称重力计[3]。

MPU-6050为全球首例整合性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的轴间差问题，减少了大量的包装空间[4]。所以，现在MPU-6050的应用范围越来越广，在一定程度上取代了陀螺仪和加速度计，而且MPU-6050使用也相当方便。

1.2 MPU-6050的硬件设计

本设计主要介绍GY-521 MPU-6050模块，在电路设计的时候，主要是把GY-521 MPU-6050作为一个单独的模块来测试，通过引线来连接到STM32上。供电电压3~5V，通过内部低压差稳压。通信方式采用标准的IIC通信协议，芯片内置16bit AD转换器，16位数据输出。

一般的MPU-6050芯片都可以参考图1电路进行设计，如果要做成模块，那么该原理图基本通用，模块预留单排针引脚，可以通过焊接排针来引线与MCU进行连接，通过LED灯指示电源工作正常。图2为GY-521 MPU-6050模块的PCB图，体积比较小，方便集成，尤其是在外围器件比较多的情况下，可以通过排针和两个铜柱来固定。

图1 通用GY-521 MPU-6050的电路原理图

2 数据处理

2.1 角度算法处理的思想

对MPU-6050模块的角度数据处理，算法很多，比如最常见的积分处理，卡尔曼滤波处理等等。本设计充分利用STM32的滴答定时器，采用积分处理。我们知道在误差要求允许范围内,对不连续的数据进行求和有时候可以替代积分，本设计就是依据这个思想来实现的。通过STM32的滴答定时器来记录系统运行的时间，然后通过两次运行的时间差，作为一个叠加也就是所谓的积分来处理。通过滴答定时器产生1ms的定时，然后让运行时间变量(RT)1ms加1，从而获得当前程序运行的时间(NT),再通过与上次运行的时间(LT)差值来作为积分数值(TS)，从而可以得出如下两个式子：(a)NT=RT;(b)TS=NT-LT。下面利用这个思想和两个基本式子来进行角度的实际应用。

图2 GY-521 MPU-6050 PCB图

2.2 积分算法在MPU-6050模块中的运用

通过积分算法和上面的两个式子可以得出相对校准的角度，下面以X轴的角度为例，算法实现的主要步骤如下[1]：

(1)先通过IIC获得角度初始值，ax=GetData(ACCEL_XOUT_H)；

(2)对加速度进行量化，得出单位为g的加速度值-2g量程，Ax=ax/16384.00；

(3)用加速到计算X轴和水平坐标系之间的夹角，Angle_accX=atan(Ax/Az)*180/pi;通过反正切获得弧度值，乘以180度再除以π；

(4)对角速度做量化-2000°量程，ggx=gx/16.38;

(5)对角度进行积分处理，NowTime=RunningTime;获得当前程序运行的时间；TimeSpan=NowTime-LastTime;近似积分；

(6)通过对角度积分实现X轴的角度测量，这里假设X轴的起始角度为0度，则Gx=Gx+(ggx-Gx_offset)*TimeSpan/1000;LastTime=NowTime;(记录当前运行的时间作为下次的减数)。

通过上面6个步骤基本可以获取最终的角度，通过大量的实验和实践证明，该方法可行，而且获得角度也相对准确。下面用一个函数实现上面的思想，程序所涉及的变量定义可以作为全局变量来处理。

/*********获得 X、Y、Z轴的加速度数据*******************/

/*********获得 X、Y、Z轴的角速度数据*******************/

/**对角速度进行量化，得出单位为g的加速度值-2g量程**//**用加速度计算三个轴和水平面坐标系之间的夹角**/

Angle_accX=atan(Ax/Az)*180/pi;//反正切获得弧度值，乘以 180°/π

NowTime=RunningTime;//获取当前程序运行的时间

TimeSpan=NowTime-LastTime;//近似积分

/**通过对角速度积分实现各个轴的角度测量，当然假设各轴的起始角度都是0**/

3 MPU-6050在STM32中的应用

每次使用时，在固定MPU-6050模块上会由于各种因素导致角度有偏差，为了使数据趋于准确，我们在固定MPU-6050之后进行角度校零，通过一个按键来实现，该按键具有角度校零功能，当固定完MPU-6050模块的时候，按一下该按键就可以实现校零功能。同时为了提高性价比，本次设计可通过STM32的内部Flash来存储MPU-6050的角度数据，从而实现校零功能。

3.1 STM32的内部FLASH的简介

我们选用的是STM32F103ZET6，该FLASH容量为512个字节，属于大容量产品。表1是大容量的闪存模块组织[5]。

表1 大容量的闪存模块组织

从表1可以看出STM32的闪存模块由主存信息、信息块和闪存存储器接口寄存器等3部分组成。主存储器：用来存放代码和数据常数；信息块：分为2个小部分，一是启动程序代码，用来存储ST自带的启动程序，二是于串口下载代码；闪存存储器接口寄存器：用于控制闪存读写等，是整个闪存模块的控制机构[6]。

对STM32具体如何操作内部分FLASH在此不作详细讨论，图3是STM32的闪存编程过程，具体请参考《STM32F10XXX中文闪存编程手册》和《STM32参考手册》。

图3 STM32的闪存编程过程

3.2 基于STM32的MPU-6050模块的角度校零应用

由于硬件电路比较简单，这里就不作详细讨论，下面主要讨论校零的简单算法。图4是系统整体流程图，从图可以看出，初始化之后STM32的内部FLASH存储的初始值默认为0度，只有当校零按键按下时，STM32内部FLASH才存储角度，当校零没有按下的时候，直接通过串口打印角度数据，通过串口也可以验证是否需要校零。

图4 系统整体流程图

图5为串口调试软件上面显示的X轴角度数据，通过角度数据我们可以确定是否需要调整角度。也可以通过校零按键，直接进行校零。

4 结语

本设计通过对MPU-6050模块的探讨，对芯片MPU-6050的内部ADC采集的数据进一步处理，从而使得角度更加准确。考虑实际使用MPU-6050模块的时候，角度难以一直保持零度，所以在设计的时候，增加一个校零按键，通过该按键可以实现随时校零，从而方便了模块的使用。MPU-6050模块也可广泛应用于工业产品上面，只要是对角度的检测一般都可以参考该设计方法。

图5 串口调试软件打印出的角度数据

[1]MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 3.2，11/14/2011 MPU-6050的芯片手册.

[2]http：//zh.wikipedia.org/wiki/陀螺儀,维基百科.

[3]http：//zh.wikipedia.org/wiki/加速度计,维基百科.

[4]http：//baike.baidu.com/link?url=T9m_sr0RYgSmNb51_wDlrhu3UDEyXXh97-E7pO2DR9rGwexnOMNaCiJ7yO0mcHAF-bolmgQT6DehrY4UiaZ-_Za百度百科.

[5]STM32F10XXX中文闪存编程手册[K].2013,7,8.

[6]邱云平,冯光荣.STM32的便携式手机蓝牙考勤机系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012(11)：61.

（责任编辑：陈 辉）

MPU-6050 Module Angle Algorithm Processing and Its Application in Embedded Style

QIU Yun-ping1WU Bao-yu2
(1.Shenzhen Lanqiaolin Technology Co.Ltd.Shenzhen,Guangdong,518127;2.The Justice Department of Duchang County,Jiujiang,Jiangxi,332600)

This paper mainly introduces the MPU-6050—the world's first 6 axis motion sensor,and discusses a new idea and algorithm of data processing of MPU-6050.This design mainly discuss three main points：firstly,comparing with the gyroscope,the acceleration sensor and 6 axis motion sensor(MPU-6050);secondly,through the integral algorithm for MPU-6050 module to process the data collected,in an attempt to gain more accurate angle;thirdly,the specific application of MPU-6050 in embedded style.

6 axis motion sensor;gyroscope;the acceleration sensor

TP391

A

123（2014）02-0026-04

2013-11-20

邱云平(1986-),男，江西九江人，深圳蓝桥林科技有限公司，硕士。研究方向：嵌入式系统及应用。

伍宝玉(1987-),女，江西九江人，都昌县司法局，硕士。研究方向：语言学及应用语言学。