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，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(tài)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(xiàn)實、運動追蹤和醫(yī)療設備等。通過實時監(jiān)測和記錄物體的姿態(tài)，姿態(tài)傳感器可以幫助實現(xiàn)精確的導航、運動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。以下是幾種常見的姿態(tài)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(tài)。加速度計通常使用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術，其中包含微小的質量和彈簧系統(tǒng)。當物體發(fā)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(tài)。

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(chǎn)生相應的電信號。這些信號經(jīng)過放大和處理后，可以轉換為數(shù)字信號，并通過數(shù)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(tài)。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(fā)生旋轉時，轉子或振蕩器會受到力的作用而發(fā)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(tài)。

這里介紹以下兩個內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(qū)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，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(lián)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(shù)內(nèi)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(yōu)點是直觀且易于理解，可以直接對物體的姿態(tài)進行描述。它廣泛應用于飛行器、機器人、游戲開發(fā)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(tài)。為了避免這個問題，有時候會使用四元數(shù)

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

總的來說，歐拉角是一種常用的姿態(tài)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(tài)。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(fā)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(tài)。

這些傳感器通常會結合在一起，形成姿態(tài)傳感器系統(tǒng)。通過同時測量加速度、角速度和磁場等參數(shù)，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(shù)據(jù)可以通過算法進行處理和解析，從而實現(xiàn)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行連接。這可能涉及到使用適當?shù)碾娎|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，需要進行初始化。這個過程包括設置傳感器的初始狀態(tài)和參數(shù)，以確保其正常工作和準確測量姿態(tài)。
• 讀取傳感器數(shù)據(jù)：使用設備的軟件或編程接口，讀取傳感器提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)：根據(jù)應用的需求，對傳感器提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行解析和處理。這可能涉及到使用算法和數(shù)學模型來計算設備的姿態(tài)、運動狀態(tài)或其他相關參數(shù)。
• 應用數(shù)據(jù)：根據(jù)解析和處理后的姿態(tài)數(shù)據(jù)，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(tài)、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(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行其他相關調整。

需要注意的是，具體使用姿態(tài)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(tài)控制算法和系統(tǒng)來實現(xiàn)精確的導航和飛行控制。在虛擬現(xiàn)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(tài)。因此，在具體應用中，需要根據(jù)需求和要求進行相應的定制和調整。 姿態(tài)傳感器在許多領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(xiàn)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(tài)傳感器產(chǎn)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(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)自動化和控制技術供應商，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，可以根據(jù)產(chǎn)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(tài)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(tài)穩(wěn)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(wěn)和穩(wěn)定的飛行。
• 機器人技術：姿態(tài)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(tài)，以適應不同的任務和環(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、朝向和運動狀態(tài)。
• 虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）：姿態(tài)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(tài)，從而實現(xiàn)沉浸式的虛擬體驗或與現(xiàn)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(xiàn)更真實和自然的交互體驗。
• 運動追蹤：姿態(tài)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(tài)傳感器可以用于監(jiān)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(tài)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(yī)療設備：姿態(tài)傳感器在醫(yī)療設備中的應用包括姿勢監(jiān)測和姿勢輔助。例如，在手術中，姿態(tài)傳感器可以幫助醫(yī)生準確測量和調整手術工具的位置和角度，以實現(xiàn)精確的手術操作。

這只是姿態(tài)傳感器應用的一小部分示例，實際上，姿態(tài)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(fā)展，姿態(tài)傳感器的應用領域將繼續(xù)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）公司開發(fā)，廣泛應用于姿態(tài)測量、運動追蹤和穩(wěn)定控制等領域。

MPU6050內(nèi)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(shù)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(tài)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(shù)字運動處理器（DMP）。溫度傳感器可用于測量環(huán)境溫度，而DMP則可以通過內(nèi)部算法提供更高級的運動處理功能，如姿態(tài)解算和方向估計。

初始化MPU6050傳感器:

初始化I2C總線，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(shù)據(jù)：

使用官方empl庫所帶的函數(shù)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(shù)如果要輸?shù)缴衔粰C，需要提供串口等接口）

解析和處理數(shù)據(jù)：

這里介紹當時使用的方法：讀取數(shù)據(jù)判斷是否在設置的閾值范圍內(nèi)，并記錄最后的數(shù)據(jù)用于比較下一次的變化情況，根據(jù)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(fā)出相同的脈沖個數(shù)，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(jù)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(shù)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(xiàn)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。通過讀取這些接口的數(shù)據(jù)，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。可以根據(jù)實際需求選擇不同的計數(shù)模式、計數(shù)方向和中斷觸發(fā)條件等。此外，還可以通過使用DMA（直接內(nèi)存訪問）功能，將編碼器數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絻?nèi)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(xiàn)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(tài)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(tài)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(tài)下以兩個輪子在地面上隨意行走，相比四輪著地狀態(tài)，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(jié)車模的傾角來實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)比較反饋了，大家讀到這里就明白我在數(shù)據(jù)處理時存儲最后一次數(shù)據(jù)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(jié)系統(tǒng)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(jù)實際輸出與期望值之間的差異進行調節(jié)。它與差異成正比，越大的差異會導致更大的調節(jié)輸出。比例項可以快速響應系統(tǒng)的變化，但可能導致系統(tǒng)的震蕩和超調。
• 積分項（I項）根據(jù)實際輸出與期望值之間的累積差異進行調節(jié)。它可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并使系統(tǒng)更好地追蹤期望值。積分項可以幫助系統(tǒng)達到精確的控制，但過大的積分項可能導致系統(tǒng)的過沖和振蕩。
• 微分項（D項）根據(jù)實際輸出的變化率進行調節(jié)。它可以預測系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度，但過大的微分項可能導致系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(yè)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(shù)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)系統(tǒng)的輸出，以實現(xiàn)期望的控制效果。 這里借用了matlab仿真進行了預測和優(yōu)化，打字累了不想說了，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，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(nèi)容，應當考慮類似的，在小車開發(fā)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(fā)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(shù)等因素進行優(yōu)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(tài)傳感器