FPGA之旅

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FPGA实现MPU6050姿态解算

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一. 简介

在之前的文章中(很久之前了(CSND中)),已经通过FPGA获取到了MPU6050的六轴数据: 三轴加速 和 三轴角速度,但是没有对它进行然后处理。那么在本篇文章中,将利用Cordic算法来进行姿态解算。


二. 踩坑分享

在进行姿态解算分享之前,先分享一个踩坑经历。一般来说MPU6050的ID读出为0x68,淘宝上买到的模块,基本上都是这个。但是我使用的是自己画的PCB,手动焊接的,在读取ID的时候,一直为0x98,但是认知中要为0x68才是对的,这个时候就会怀疑是不是自己的程序或者焊接的问题了。但好在后面读取六轴数据,姿态解算后得到的角度基本是正确的(折腾了一天了,才发现)。这是个坑,大家可以注意一下。


三. 姿态解算

所谓姿态解算就是通过六轴的数据,来求解物体的三个角度: roll , pitch , yaw。


1. 通过加速度求解


先看一下加速度求解角度的表达式(通过加速度是无法求解yaw的)。atan(acc_y / acc_x)sqrt(acc_y*acc_y + acc_z * acc_z)不就是上篇中Cordic算法求解的值吗,都不需要使用的其他的计算。



roll = atan(acc_y / acc_x);pitch = atan(acc_x / (sqrt(acc_y*acc_y + acc_z * acc_z)));


2. 通过角速度求解


通过角速度的求解就更简单了,只需要将当前角度加上(角速度×dt)就可以。角速度求解的时候会有些问题,在静态的时候,角速度会有零漂,这个时候角度误差会越来越大。


3. 融合


可以看到有上面的两种方法求解角度,可以单独使用,但是可能会不太准确,精度要求不高的场合可以只使用加速度求解。在精度要求比较高的场合下,需要使用这两种方法求解,然后再将求得的结果进行融合。常用的方法有: 卡尔曼滤波、一阶互补滤波、二阶互补滤波。

一阶互补滤波,如下,简单粗暴。要想滤波效果好的话,可以试试卡尔曼滤波。



roll = a * acc_roll + (1 - a) *gyro_roll;


以上只是一种比较常规的求解方法,追求高精度的话,可以使用四元数的方法进行求解(复杂度大大增加)。


四. 代码实现

代码都是现成的,在之前的文章中已经写好了,这里做的工作就是将这些模块组合在一起。


1. 模块接口


输入请求,输出应答和三个角度,角度值扩大了2^16倍。

image.png


2. 状态机


这里使用到了两个Cordic模块,第一个模块先计算出roll和sqrt(acc_y*acc_y + acc_z * acc_z)的值,然后第二个模块通过acc_x和sqrt(acc_y*acc_y + acc_z * acc_z)的值 计算出 pitch的角度。最后对数据经过了一个简单的FIR滤波。

image.png



3. 融合


这里的融合,暂时没有做,只对加速度求解的角度进行了一个滤波处理,后面会根据需要再进行更新。

image.png

模块已上板测试,解算出来的角度没有问题(可能精度不是那么完美,滤波与融合那里需要下点功夫)。


欢迎交流学习!!!


需要完整代码的 可以回复 FPGA_MPU6050姿态解算  获取。


原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/9s5y4Z4jJcEK_vp5B84x0Q


微信截图_20220708161426.png

电子技术应用专栏作家  FPGA之旅