MEMS MPU6050 和 LSM9DS1 完整指南：理论、实践和用例

在当今的科技和电子领域，MEMS（微机电系统）传感器已成为各种项目的关键工具，涵盖从机器人到家庭自动化和可穿戴设备等各个领域。结合了加速度计和陀螺仪的模块，例如 微处理器6050 和 LSM9DS1，是最受欢迎的两种选择，因为它们功能多样、成本低廉，并且易于与 Arduino 等微控制器和其他平台集成。彻底了解它们的工作原理、独特功能、差异，甚至最佳利用方式，对于设计能够 测量运动、方向和倾斜度.

在本文中，我们将逐步带您了解有关传感器的所有知识 微处理器6050 y LSM9DS1：它们如何工作，它们有哪些应用程序，如何将它们集成到您的项目中，校准它们，正确解释它们的读数并充分利用它们的能力，结合在最佳教程和技术文章中收集的信息，以实用和最新的视角和密切的语言，以便 实现专业成果 在你的发展中。

什么是 MEMS 传感器？它是如何工作的？

在讨论具体型号 MPU6050 和 LSM9DS1 之前，需要先明确 MEMS传感器。这些设备也称为 微电子机械系统将微型机械元件和电子电路集成到单个芯片中，以便它们可以检测物理变化（例如加速度、旋转或振动），并将其转换为数字系统可以解释的电信号。

对于 MEMS 加速度计和陀螺仪来说，它们的运行基于以下原理：

• 牛顿加速度定律（a = F/m），使用充当微观质量和弹簧的内部结构。
• 科里奥利效应用于检测角运动，利用小质量在芯片内旋转时产生的偏转。
• 内部 ADC 转换器将物理变化转换为高分辨率数字值（通常为 16 位）。

这些功能使得 MEMS 在需要以下应用的应用中极其有用： 方向、倾斜度或运动的测量 在三维领域，例如导航系统、摄像机稳定系统、智能手表、无人机、机器人等等。

MPU6050的主要特点

El 微处理器6050 它可能是制造商、工程师和业余爱好者中最广泛使用的 MEMS 运动传感器，他们正在寻找一种经济可靠的解决方案来测量三轴加速度和旋转。

其主要技术规格包括：

• 3轴加速度计：能够检测X、Y和Z轴上的加速度，可编程范围为±2g、±4g、±8g和±16g。
• 三轴陀螺仪：测量所有三个轴的角速度，灵敏度可在每秒±250、±500、±1000 和±2000 度之间调节。
• 数字运动处理器 （DMP）：包含专用于执行复杂计算的内部微处理器 运动融合 （传感器融合），计算四元数、欧拉角和旋转矩阵等数据，而无需将这些计算加载到主微控制器上。
• 通过 I2C 进行数字输出：通过 I2C 总线进行通信，具有两个可能的地址（可通过引脚 AD0 配置为 0x68 或 0x69），允许与大多数 Arduino、ESP 和类似电路板一起操作。
• 16位ADC转换器：它在数据收集方面提供了高分辨率。
• 集成温度传感器
• 可通过外部磁力计进行扩展：通过 I2C 辅助总线，MPU6050 可以读取其他连接的传感器，例如流行的 HMC5883L（磁力计），以形成完整的 9 轴 IMU。
• 灵活的工作电压：如果使用 GY-3,3 等带有调节器的主板，则可以以 5V 甚至 521V 供电。

此外，该模块尺寸紧凑（约 25 x 15 毫米），并且可直接集成到面包板中，使其成为测试和最终开发的理想选择。

LSM9DS1 是什么？它有何不同？

反过来， LSM9DS1 它是 MEMS IMU 系列中更先进、更现代化的选择，尽管在初学者项目中不如 MPU6050 那么受欢迎。它在单个芯片上集成了以下功能：

• Un 3轴加速度计
• Un 3轴陀螺仪
• Un 磁力计也是3轴的

这意味着 LSM9DS1 是 9 DoF（自由度）IMU，让您测量三维加速度、角速度和地球磁场，提供完整、准确的读数 绝对位置和方向 相对于地球而言。

与 MPU6050 相比，它的主要优势包括：

• 将三个传感器整合到一个物理芯片中，节省空间并简化连接。
• 您可以通过 I2C 作为 SPI，这使其在不同平台上具有更大的通用性。
• 每个传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计）的范围和灵敏度配置更加灵活。
• 它具有先进的数字过滤和事件检测选项。

LSM9DS1 通常用于需要绝对方向（例如指南针、导航系统或飞行稳定系统）且无需额外外部传感器的项目。

MEMS加速度计和陀螺仪的工作原理

要真正理解这些 MEMS 模块的工作原理，重要的是了解物理概念以及它们如何转换为数字数据：

加速度计

Un MEMS加速度计 测量物体相对于空间三个轴的加速度（速度随时间的变化）。其内部基于 悬浮微小物质 通过柔性锚或微型弹簧。当传感器加速时，该质量块会发生轻微移动，这种变化会通过可变电容器或压电电容器转换成电信号。

• 加速度计始终检测至少一个加速度： 重力 (9,81 米/秒²)，即使传感器静止不动。
  这用于计算相对于水平面的倾斜度.
• 通过将加速度对时间进行积分，可以得到速度，进而得到行进的位置，尽管这些操作往往会累积误差。

陀螺仪

El MEMS陀螺仪 使用 科里奥利效应 用于检测物体绕 X、Y 和 Z 轴旋转的速度。当传感器旋转时，内部振动质量会产生与旋转速度成比例的偏转。 角速度，并且该变化是通过电子方式测量的。

• 陀螺仪测量 角速度：传感器的方向在每个轴上变化的速度。
• 将角速度与时间积分可得出旋转角度（角位置），但此操作会产生累积误差，称为 漂.

为什么要结合加速度计和陀螺仪？

加速度计和陀螺仪在确定物体方向时都有其局限性：

• 加速度计： 可以准确检测相对于垂直轴的倾斜度（利用重力），但对突然的运动、外部加速度或振动非常敏感。
• 陀螺仪： 它非常适合测量方向的快速变化，但如果其输出在很长一段时间内积分，就会产生误差累积。

因此，大多数应用程序会合并来自两个传感器的数据，从而大大提高读数的准确性和可靠性。 角度、倾斜度或位置为了实现这一点，它们被用来 数字处理滤波器 例如互补滤波器或卡尔曼滤波器，它们结合并权衡各个传感器的优点。

MPU6050入门：连接和库

典型连接图

模块 微处理器6050 它通常安装在板式 GY-521，大大方便了与Arduino等微控制器的集成。

在 I2C 模式下使用模块的基本连接通常为：

微处理器6050	Arduino Uno/纳米/迷你	Arduino Mega/DUE	Arduino的莱昂纳多
VCC	5V	5V	5V
GND	GND	GND	GND
SCL	A5	21	3
SDA	A4	20	2

模块内置有上拉电阻，一般不需要外加。

I2C 地址和 AD0 引脚

MPU6050 允许您配置其 I2C 地址以 0x68 （默认情况下，当 AD0 引脚处于 GND 或未连接状态时）或 0x69 （当 AD0 连接到高/5V 时）。这使得在同一总线上使用多个传感器变得容易。

推荐库：Jeff Rowberg 的 I2Cdevlib

为了在 Arduino 上舒适地使用 MPU6050，社区建议使用以下库：

• I2Cdev：促进与许多传感器的 I2C 通信。
• 微处理器6050：允许您访问所有传感器功能、读取校准值、偏移量并使用 DMP。

它们有以下版本： https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

下载后，只需解压缩并将它们放在文件夹中 库 来自 Arduino IDE。

读取基本数据：加速度和角速度

一旦连接并配置了 MPU6050，下一步就是执行 加速度和角速度读数 在三个轴上。使用上述库的基本流程包括：

1. 使用函数初始化传感器 传感器.初始化().
2. 检查连接 传感器.测试连接().
3. 将加速度计和陀螺仪的 RAW（未处理）值读入变量，例如加速度的 ax、ay、az 和旋转的 gx、gy、gz。
4. 将数据发送到串口显示结果。

该数据显示为范围内的 16 位整数。

校准 MPU6050 传感器

使用 MPU6050 的一个关键阶段是 标定由于将芯片焊接到模块上时可能出现错位，或者甚至是轻微的制造缺陷，传感器返回非零值的情况很常见，即使它完全水平且处于静止状态。

校准传感器涉及确定 加速度计和陀螺仪偏移 在每个轴上进行设置，并在传感器上进行配置，以便读数基于正确的信息。典型的过程可能包括：

• 使用以下函数读取当前偏移量 获取X加速度偏移量（）, 获取Y加速度偏移量（）等等。
• 将传感器放置在水平位置并完全静止。
• 使用程序调整偏移量，直到滤波读数（例如，使用移动平均值或低通滤波器）收敛到理想值： ax = 0, ay = 0, az = 16384, gx = 0, gy = 0, gz = 0 处于原始模式（RAW）。
• 使用函数设置这些值 设置X加速度偏移（）, 设置Y加速度偏移（）等等。

一旦正确校准，传感器将提供更准确和稳定的值，这对于稳定或导航等关键应用至关重要。

将读数缩放并转换为物理单位

MPU6050 的原始读数必须转换为 SI（国际系统）单位，才能在物理计算或数据可视化中进行解释和使用：

• 加速： 默认范围为±2g，相当于±19,62米/秒²RAW 值 16384 对应于 1g；因此，要转换为 x am/s²: 斧头*（9,81/16384.0）.
• 角速度： 默认情况下为±250°/s，因此转换结果为： gx * (250.0 / 32768.0) 将 RAW 值转换为每秒度数。

如果将传感器配置为其他范围，这些比例因子会发生变化，因此在解释数据之前务必检查工厂或自定义设置。

仅使用加速度计计算倾斜度

当传感器处于静止状态或仅受重力作用时，加速度计读数可用于计算 相对于 X 轴和 Y 轴的倾斜角典型的数学公式使用三角函数：

• 对于 X 轴倾角： atan(ax / sqrt(ay² + az²)) × 180/π
• 对于 Y 倾斜： atan(ay / sqrt(ax² + az²)) × 180/π

这提供了相对于重力平面的每个轴的倾斜角，但如果传感器处于运动中或接收其他加速度，这些值可能会改变。

使用陀螺仪计算旋转角度

陀螺仪可以计算 通过角速度积分来改变角度 随着时间的推移。从数学上讲：

• 该角度等于给定时间间隔内角速度的积分：θ = θ₀ +∫w·dt

实际上，这些计算可以在程序循环中执行，将角速度乘以采样周期（dt）相加以获得累积角度。

控制积分误差非常重要，因为小的误差会累积起来，导致 漂.

传感器融合滤波器：互补滤波器和卡尔曼滤波器

为了减少解释错误并充分利用每个传感器，使用数据融合算法：

互补滤波器

该滤波器将陀螺仪估算的角度（短期内效果良好）与加速度计计算的角度（长期内更可靠，但噪声较大）结合起来。典型公式如下：

最终角度 = α × (先前角度 + 角速度 × dt) + (1-α) × 加速度计角度

其中α通常在0,95到0,99之间。这样可以获得稳定的读数，并减少 漂.

卡尔曼滤波器

该滤波器更为先进，它融合了测量结果，考虑了每次测量的不确定性及其相关性，从而在存在噪声的情况下实现精确估计。它广泛应用于导航系统和先进的机器人技术，尽管它需要更高的计算能力。

3D 模拟和方向可视化（偏航、俯仰、滚动）

一个有趣的应用是 实时显示三维方位 通过表示角度来表示物体（例如无人机或机器人） 偏航、俯仰和滚转.

这是通过将处理后的数据传输到图形软件，使用串行绘图仪等工具或特定的3D程序来监控和分析运动来实现的。这样，您就可以直观地了解系统在空间中的定向方式。

扩展阅读：磁力计和LSM9DS1传感器的使用

El LSM9DS1 在单个芯片中集成了加速度计、陀螺仪和磁力计，可以从 绝对位置和方向除了测量加速度和旋转之外，它还可以探测地球磁场以：

• 计算 绝对方位角，在导航和数字罗盘中很有用。
• 开发无需额外外部传感器的制导系统。
• 融合所有传感器的数据，实现高度精确的位置和方向估计（9-DoF）。

有效使用 MPU6050 和 LSM9DS1 的实用技巧

• 始终校准传感器 在关键应用中使用之前，以提高准确性。
• 避免将模块安装在电磁干扰源附近，例如电机或磁铁。
• 使用过滤技术并保持对采样时间的精确控制。
• 对于相对于北方的绝对定位，建议使用 LSM9DS1 或者将 MPU6050 与外部磁力仪（例如 HMC5883L）结合使用。
• 实现实时可视化有助于更好地解释收集到的数据。
• 书店喜欢 i2cdevlib 它们使工作变得更加简单，因此优先考虑它们以使开发更容易。