零知開源——ESP8266+MPU6050 實現運動姿態檢測
在運動姿態檢測、機器人平衡控制、VR頭戴設備等應用中，MPU6050（三軸加速度計+三軸陀螺儀）是一個常見的姿態傳感器。而ESP8266作為一款低功耗Wi-Fi模塊，可以實現數據無線傳輸，將姿態數據上傳至服務器或云端，便于實時監測。
然而，MPU6050沒有磁力計,直接使用陀螺儀的角速度積分計算yaw角（航向角）會導致累積漂移。本次實驗采用優化后的互補濾波，減少漂移，提高yaw角的計算精度。
一、硬件連接
MPU6050模塊采用I2C通信連接到零知ESP8266開發板
1.所需材料：
零知ESP8266
MPU6050姿態檢測傳感器
跳線
2.硬件連接示意圖：
| 零知ESP8266 | MPU6050 |
| 3.3V | VCC |
| GND | GND |
| SCL | SCL |
| SDA | SDA |
二、代碼實現
1.頭文件及變量定義
通過MPU6050庫與傳感器交互
使用yaw_integral變量累積航向角
previousTime變量用于計算時間間隔dt
#include "MPU6050.h" MPU6050 accelgyro; int16_t ax, ay, az; int16_t gx, gy, gz; float nax, nay, naz; float ngx, ngy, ngz; float roll, pitch, yaw; float yaw_integral = 0.0f; // 累積 yaw 角 unsigned long previousTime = 0; // 記錄上一幀的時間 // 校準值 int16_t ax_offset = 0, ay_offset = 0, az_offset = 0; int16_t gx_offset = 0, gy_offset = 0, gz_offset = 0; #define LED_PIN LED_BUILTIN
2.初始化MPU6050
設置ESP8266I2C端口SDA、SCL
初始化MPU6050并進行連接測試
校準傳感器，減少偏差
設置50Hz采樣率和±2000°/s陀螺儀量程
void setup() {
Serial.begin(9600);
// MPU6050 初始化
Serial.println("Initializing I2C devices...");
accelgyro.initialize();
// 檢測 MPU6050 是否連接成功
Serial.println("Testing device connections...");
if (accelgyro.testConnection()) {
Serial.println("MPU6050 connection successful");
} else {
Serial.println("MPU6050 connection failed");
}
// 傳感器校準
calibrateSensors();
// 設置 MPU6050 的采樣率和陀螺儀的量程
accelgyro.setRate(50); // 采樣率 50Hz
accelgyro.setFullScaleGyroRange(MPU6050_GYRO_FS_2000); // 陀螺儀量程 ±2000°/s
// LED 指示燈
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
// 記錄起始時間
previousTime = millis();
}
3.獲取MPU6050數據
獲取加速度計&陀螺儀原始數據
減去偏移量，提高數據精度
歸一化數據，提高計算穩定性
調用complementaryFilter()計算姿態角
串口打印姿態角數據
void loop() {
// 獲取原始數據
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
// 減去偏移量
ax -= ax_offset;
ay -= ay_offset;
az -= az_offset;
gx -= gx_offset;
gy -= gy_offset;
gz -= gz_offset;
// 讀取歸一化數據
accelgyro.readNormalizeAccel(&nax, &nay, &naz);
accelgyro.readNormalizeGyro(&ngx, &ngy, &ngz);
// 計算姿態角
complementaryFilter();
// 打印姿態角
Serial.print("Roll: ");
Serial.print(roll);
Serial.print(" Pitch: ");
Serial.print(pitch);
Serial.print(" Yaw: ");
Serial.println(yaw);
delay(10);
}
4.傳感器校準
采集100組數據，計算平均值作為偏移量
過濾MPU6050啟動時的零偏誤差
減少環境噪聲對傳感器的影響
// 傳感器校準
void calibrateSensors() {
int num_readings = 100;
for (int i = 0; i < num_readings; i++) {
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
ax_offset += ax;
ay_offset += ay;
az_offset += az;
gx_offset += gx;
gy_offset += gy;
gz_offset += gz;
delay(50);
}
ax_offset /= num_readings;
ay_offset /= num_readings;
az_offset /= num_readings;
gx_offset /= num_readings;
gy_offset /= num_readings;
gz_offset /= num_readings;
}
5.互補濾波計算姿態角
計算dt（時間間隔），用于陀螺儀積分計算yaw
roll和pitch采用加速度計計算：
yaw采用陀螺儀積分計算并限制范圍[-180,180]
yaw=0.98*yaw_integral+0.02*yaw進行互補濾波，減少漂移
// 互補濾波計算姿態角
void complementaryFilter() {
// 計算時間間隔 dt（單位：秒）
unsigned long currentTime = millis();
float dt = (currentTime - previousTime) / 1000.0; // ms 轉換為 s
previousTime = currentTime;
// 計算 Roll 和 Pitch
roll = atan2(nay, naz) * 180 / M_PI;
pitch = atan2(-nax, sqrt(nay * nay + naz * naz)) * 180 / M_PI;
// 陀螺儀角速度轉換
float gyroYawRate = ngz; // 直接使用歸一化后的 ngz（角速度 deg/s）
// 計算 Yaw (積分計算)
yaw_integral += gyroYawRate * dt; // 積分計算 yaw
yaw_integral = fmod(yaw_integral + 180, 360) - 180; // 限制 yaw 在 [-180, 180] 之間
// 互補濾波減少漂移影響
yaw = 0.98 * yaw_integral + 0.02 * yaw; // 0.98 和 0.02 為濾波系數
}
6.完整代碼
#include "MPU6050.h"
MPU6050 accelgyro;
int16_t ax, ay, az;
int16_t gx, gy, gz;
float nax, nay, naz;
float ngx, ngy, ngz;
float roll, pitch, yaw;
float yaw_integral = 0.0f; // 累積 yaw 角
unsigned long previousTime = 0; // 記錄上一幀的時間
// 校準值
int16_t ax_offset = 0, ay_offset = 0, az_offset = 0;
int16_t gx_offset = 0, gy_offset = 0, gz_offset = 0;
#define LED_PIN LED_BUILTIN
void setup() {
Serial.begin(9600);
// MPU6050 初始化
Serial.println("Initializing I2C devices...");
accelgyro.initialize();
// 檢測 MPU6050 是否連接成功
Serial.println("Testing device connections...");
if (accelgyro.testConnection()) {
Serial.println("MPU6050 connection successful");
} else {
Serial.println("MPU6050 connection failed");
}
// 傳感器校準
calibrateSensors();
// 設置 MPU6050 的采樣率和陀螺儀的量程
accelgyro.setRate(50); // 采樣率 50Hz
accelgyro.setFullScaleGyroRange(MPU6050_GYRO_FS_2000); // 陀螺儀量程 ±2000°/s
// LED 指示燈
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
// 記錄起始時間
previousTime = millis();
}
void loop() {
// 獲取原始數據
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
// 減去偏移量
ax -= ax_offset;
ay -= ay_offset;
az -= az_offset;
gx -= gx_offset;
gy -= gy_offset;
gz -= gz_offset;
// 讀取歸一化數據
accelgyro.readNormalizeAccel(&nax, &nay, &naz);
accelgyro.readNormalizeGyro(&ngx, &ngy, &ngz);
// 計算姿態角
complementaryFilter();
// 打印姿態角
Serial.print("Roll: ");
Serial.print(roll);
Serial.print(" Pitch: ");
Serial.print(pitch);
Serial.print(" Yaw: ");
Serial.println(yaw);
delay(10);
}
// 傳感器校準
void calibrateSensors() {
int num_readings = 100;
for (int i = 0; i < num_readings; i++) {
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
ax_offset += ax;
ay_offset += ay;
az_offset += az;
gx_offset += gx;
gy_offset += gy;
gz_offset += gz;
delay(50);
}
ax_offset /= num_readings;
ay_offset /= num_readings;
az_offset /= num_readings;
gx_offset /= num_readings;
gy_offset /= num_readings;
gz_offset /= num_readings;
}
// 互補濾波計算姿態角
void complementaryFilter() {
// 計算時間間隔 dt（單位：秒）
unsigned long currentTime = millis();
float dt = (currentTime - previousTime) / 1000.0; // ms 轉換為 s
previousTime = currentTime;
// 計算 Roll 和 Pitch
roll = atan2(nay, naz) * 180 / M_PI;
pitch = atan2(-nax, sqrt(nay * nay + naz * naz)) * 180 / M_PI;
// 陀螺儀角速度轉換
float gyroYawRate = ngz; // 直接使用歸一化后的 ngz（角速度 deg/s）
// 計算 Yaw (積分計算)
yaw_integral += gyroYawRate * dt; // 積分計算 yaw
yaw_integral = fmod(yaw_integral + 180, 360) - 180; // 限制 yaw 在 [-180, 180] 之間
// 互補濾波減少漂移影響
yaw = 0.98 * yaw_integral + 0.02 * yaw; // 0.98 和 0.02 為濾波系數
}
將上述代碼移植到零知開源平臺，選擇連接的端口編譯并上傳到零知ESP8266。
三、實驗結果
點擊零知開源平臺調試按鈕，打開零知開源平臺的串口監視器，設置波特率為9600，觀察串口打印測量到的MPU6050姿態角。
使用vofa+上位機效果：
VOFA+上位機獲取MPU6050運動姿態
vofa+上位機獲取姿態解算數據視頻：
https://www.bilibili.com/video/BV1HiAPe1Etj?share_source=copy_web
本人才疏學淺，有錯誤或遺漏的部分歡迎大家探討學習！
審核編輯 黃宇
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