本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。
智能小制作(含源码、库)-自平衡云台-输出三维倾斜角度，基于mpu6050、arduino
准备知识
介绍、思路
当你需要保持一个物品的平衡，或者需要得到物品倾斜的角度，不妨看看下面文章，下面内容即是实现这一功能
==功能：== 当你的立足的空间倾斜或者角度改变时，在自平衡稳定器将保持平衡或保持一定角度，防止倾斜导致不利的结果。
稍微修改也可以用于输出空间俯仰、滚转、偏航三个方向的倾斜角度
==实现思路==
通过处理arduino使用六轴姿态传感器得到的原始数据，得到空间俯仰、滚转、偏航三个方向的倾斜角度，进而arduino控制舵机的角度，达到自我平衡的效果，当然这里也可以使用LCD、OLED等输出俯仰、滚转、偏航三个方向的倾斜角度
示例这里使用的舵机可能或出现抖动的情况，需要要求精度，可以使用伺服电机或其他设备
mpu6050六轴姿态传感器介绍
MPU-6000为全球首例整合性6轴运动处理组件，整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，解决了组合陀螺仪与加速器时存在的一些问题问题，还包含了内建的温度感测器、DMP（Digital Motion Processor）
DMP：可以直接输出四元数，减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷
MPU-6000的角速度感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可以准确捕捉快速与慢速动作，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。
==应用==
-
现实增强
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电子稳像 (EIS: Electronic Image Stabilization)
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光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization)
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行人导航器
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姿势快捷方式
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平衡车
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飞行器呀
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双足机器人
其他硬件介绍
由于在我的其他博客已经写过，就不在这里啰嗦了
制作
所需材料
- Arduino
- mpu6050六轴姿态传感器
- 舵机 ---或更高级的伺服电机
- 支架（自行选择）
- 杜邦线 可选 LCD、OLED
接线
MPU6050 引脚说明
| MPU6050 引脚 | Arduino引脚 |
|---|---|
| VCC | 5V |
| GND | 地线 |
| SCL | MPU6050作为从机时IIC时钟线 |
| SDA | MPU6050作为从机时IIC数据线 |
| XCL | MPU6050作为主机时IIC时钟线 |
| XDA | MPU6050作为主机时IIC数据线 |
| AD0 | 地址管脚，该管脚决定了IIC地址的最低一位 |
| INT | 中断引脚 |
==在本项目中只需要接VCC、GND 、SCL、SDA==
舵机引脚说明
所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙(黄)三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙(黄)色为信号线
舵机是一种位置伺服的驱动器，其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。
关于支架根据自己选择的支架安装，这里不详细说明
库文件
在我的主页文件中
==说明==
这两个zip文件内都包含了.h 和 .cpp文件，将两个文件解压放到arduino代码的同目录下即可正常使用
源代码
#include "Wire.h"
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
/*舵机*/
#include <Servo.h>
Servo myservo; //创建一个舵机控制对象
Servo myservo2; //创建一个舵机控制对象
// 使用Servo类最多可以控制8个舵机
MPU6050 accelgyro;
unsigned long now, lastTime = 0;
float dt; //微分时间
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz; //加速度计和陀螺仪的原始数据
float aax=0, aay=0,aaz=0, agx=0, agy=0, agz=0; //角度变量
long axo = 0, ayo = 0, azo = 0; //加速度计偏移量
long gxo = 0, gyo = 0, gzo = 0; //陀螺仪偏移量
float pi = 3.1415926;
float AcceRatio = 16384.0; //加速度计比例系数
float GyroRatio = 131.0; //陀螺仪比例系数
uint8_t n_sample = 8; //加速度计滤波算法采样个数
float aaxs[8] = {0}, aays[8] = {0}, aazs[8] = {0}; //x,y轴采样队列
long aax_sum, aay_sum,aaz_sum; //x,y轴采样和
float a_x[10]={0}, a_y[10]={0},a_z[10]={0} ,g_x[10]={0} ,g_y[10]={0},g_z[10]={0};
float Px=1, Rx, Kx, Sx, Vx, Qx; //x轴卡尔曼变量
float Py=1, Ry, Ky, Sy, Vy, Qy; //y轴卡尔曼变量
float Pz=1, Rz, Kz, Sz, Vz, Qz; //z轴卡尔曼变量
void setup()
{ myservo.attach(9); // 该舵机由arduino第九脚控制
myservo2.attach(8); // 该舵机由arduino第八脚控制
Wire.begin();
Serial.begin(115200);
accelgyro.initialize(); //初始化
unsigned short times = 200; //采样次数
for(int i=0;i<times;i++)
{
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //读取六轴原始数值
axo += ax; ayo += ay; azo += az;
gxo += gx; gyo += gy; gzo += gz;
}
axo /= times; ayo /= times; azo /= times; //计算加速度计偏移
gxo /= times; gyo /= times; gzo /= times; //计算陀螺仪偏移
}
void loop()
{
unsigned long now = millis(); //当前时间
dt = (now - lastTime) / 1000.0; //微分时间
lastTime = now; //上一次采样时间
accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //读取六轴原始数值
float accx = ax / AcceRatio; //x轴加速度
float accy = ay / AcceRatio; //y轴加速度
float accz = az / AcceRatio; //z轴加速度
aax = atan(accy / accz) * (-180) / pi; //y轴对于z轴的夹角
aay = atan(accx / accz) * 180 / pi; //x轴对于z轴的夹角
aaz = atan(accz / accy) * 180 / pi; //z轴对于y轴的夹角
aax_sum = 0; // 对于加速度计原始数据的滑动加权滤波算法
aay_sum = 0;
aaz_sum = 0;
for(int i=1;i<n_sample;i++)
{
aaxs[i-1] = aaxs[i];
aax_sum += aaxs[i] * i;
aays[i-1] = aays[i];
aay_sum += aays[i] * i;
aazs[i-1] = aazs[i];
aaz_sum += aazs[i] * i;
}
aaxs[n_sample-1] = aax;
aax_sum += aax * n_sample;
aax = (aax_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0; //角度调幅至0-90°
aays[n_sample-1] = aay; //此处应用实验法取得合适的系数
aay_sum += aay * n_sample; //本例系数为9/7
aay = (aay_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0;
aazs[n_sample-1] = aaz;
aaz_sum += aaz * n_sample;
aaz = (aaz_sum / (11*n_sample/2.0)) * 9 / 7.0;
float gyrox = - (gx-gxo) / GyroRatio * dt; //x轴角速度
float gyroy = - (gy-gyo) / GyroRatio * dt; //y轴角速度
float gyroz = - (gz-gzo) / GyroRatio * dt; //z轴角速度
agx += gyrox; //x轴角速度积分
agy += gyroy; //x轴角速度积分
agz += gyroz;
/* kalman start */
Sx = 0; Rx = 0;
Sy = 0; Ry = 0;
Sz = 0; Rz = 0;
for(int i=1;i<10;i++)
{ //测量值平均值运算
a_x[i-1] = a_x[i]; //即加速度平均值
Sx += a_x[i];
a_y[i-1] = a_y[i];
Sy += a_y[i];
a_z[i-1] = a_z[i];
Sz += a_z[i];
}
a_x[9] = aax;
Sx += aax;
Sx /= 10; //x轴加速度平均值
a_y[9] = aay;
Sy += aay;
Sy /= 10; //y轴加速度平均值
a_z[9] = aaz;
Sz += aaz;
Sz /= 10;
for(int i=0;i<10;i++)
{
Rx += sq(a_x[i] - Sx);
Ry += sq(a_y[i] - Sy);
Rz += sq(a_z[i] - Sz);
}
Rx = Rx / 9; //得到方差
Ry = Ry / 9;
Rz = Rz / 9;
Px = Px + 0.0025; // 0.0025在下面有说明...
Kx = Px / (Px + Rx); //计算卡尔曼增益
agx = agx + Kx * (aax - agx); //陀螺仪角度与加速度计速度叠加
Px = (1 - Kx) * Px; //更新p值
Py = Py + 0.0025;
Ky = Py / (Py + Ry);
agy = agy + Ky * (aay - agy);
Py = (1 - Ky) * Py;
Pz = Pz + 0.0025;
Kz = Pz / (Pz + Rz);
agz = agz + Kz * (aaz - agz);
Pz = (1 - Kz) * Pz;
Serial.print(agx);Serial.print(",");
Serial.print(agy);Serial.print(",");
Serial.print(agz);Serial.println();
myservo.write(agx); // 指定舵机转向的角度
delay(15); // 等待15ms让舵机到达指定位置
myservo2.write(agy); // 指定舵机转向的角度
delay(15); // 等待15ms让舵机到达指定位置
}
