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

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

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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();
}

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_73704605/article/details/140626981

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