四轴姿态解算

1、又花了将近一个星期，终于把姿态解算的框架完成了。仅仅是把陀螺仪、加速度计、罗盘融合在一起，得出旋转姿态，没有对加速度积分，没有用到气压计，几乎没有滤波。算是阶段性的工作吧，把框架设计得合理一点，以后添加/修改就很简单了。从传感器的读取，到四元数的学习，到空间旋转的处理方法，循序渐进，逐个击破。主要参考了以下资料（按阅读的时间循序）：计算机图形学几何工具算法详解（四元数转矩阵的公式是错的！）交互式计算机图形学基于OpenGL的自顶向下方法维基百科四元数框框的日记四元数青衫湮痕四元数Heath's blog四元数与欧拉角之间的转换阿莫电子论坛【原创】姿态估计下面总结一下“姿态解算”的过程，

2、分为“传感器”、“四元数与旋转”、“姿态解算框架”、“长期融合”、“快速融合”四部分。1.传感器我用的是10轴姿态传感器模块，其中陀螺仪是L3G4200D，加速度计是ADXL345，罗盘是HMC5883L，气压计是BMP085。全部都通过一条共用的I2C总线访问，速度都支持400kHz。先讲讲I2C库。要配置、读取传感器，首先把通信做好，这里就是I2C库了。现在大部分单片机都有支持中断的硬件I2C了，可以写个高效的I2C库。我只实现了主机发送和主机接收模式，这里简单介绍一下接口。接口函数主要有2个：uint8_t I2C_transmit    

3、0;      (uint8_t which,I2C_transmitCallback cb);void I2C_setNextCallback       (uint8_t which,I2C_transmitCallback cb);I2C_transmit()用于触发一次传输（发送或接收），异步执行，调用后马上返回。其中有一个I2C_transmitCallback类型的参数，就是决定发送或接收、如何处理数据的回调函数了，其定义如下：/* 数据传输回

4、调函数。 * 每（准备）传输一个字节都调用一次。 * 参数： *      seq  => 序号，第一次调用时为0，以后每次调用递增。 *      data => seq=0时写(从机地址+W/R)到data。 *              seq!=0时

5、data是数据。发送就写data，接收就读data。 * 返回值表示下一步的行为： *   I2C_RT_START => 发送开始信号。 *   I2C_RT_STOP  => 发送停止信号。 *   I2C_RT_REPEAT_START_OR_STOP => 如果有下一次传输，就发送RepeatStart，否则发送Stop。 *   I2C_RT_ACK  

6、60;=> 继续传送，回应ACK。 *   I2C_RT_NACK  => 继续传送，回应NACK。  */typedef uint8_t (* I2C_transmitCallback)(uint8_t seq,uint8_t * data);当用I2C_transmit()成功触发一次传输后，I2C库会根据需要调用回调函数，所以使用这个I2C库就是写回调函数了。而I2C_setNextCallback()则是用来设置紧接着的一次传输的。当本次传输结束时，不发送“Stop”信号，而是发送“Repeat

7、 Start”信号，然后开始下一个传输。利用这个函数可以发起连续多次传输。有了I2C库就可以操作传感器了，以L3G4200D为例讲解。先看看DataSheet，操作L3G4200D有两个步骤，首先配置好寄存器，然后不断获取数据。配置寄存器比较简单，就是发送一段数据，用到两个函数：/*  * 初始化芯片。 * 返回值 ： L3G4200D_RT_NORMAL,L3G4200D_RT_BUS_BUSY */uint8_t l3g4200d_init(void)    if(I2C_transmit(L3G4200D_WHICH_

8、I2C,l3g4200d_init_callback) = I2C_RT_TRANSMIT_NORMAL)        return L3G4200D_RT_NORMAL;    return L3G4200D_RT_BUS_BUSY;/* * 初始化使用的I2C回调函数。 */uint8_t l3g4200d_init_callback(uint8_t seq,uint8_t * data)    const static

9、 uint8_t value =         I2C_addressToByte_write(L3G4200D_ADDRESS), /* 总线地址。 */        (0x80 | 0x20), /* 寄存器地址。或0x80表示连续写。*/        0xEF, /* CTRL_REG1 */  

10、      0x00, /* CTRL_REG2 */        0x00, /* CTRL_REG3 */        0x00, /* CTRL_REG4，250dps量程。 */        /* 其它默认。 */   

11、60;    /    if(seq = sizeof(value)        return I2C_RT_STOP;    /    *data = valueseq;    return I2C_RT_ACK;读取数据就有点麻烦，因为读之前要设置寄存器指针，所以其实包含两次传输：第一次是发送，设置当前寄存器指针

12、；第二次是接收，获取测量值。第一次传输结束前要用I2C_setNextCallback()设置第二次传输的回调函数。见代码：/* * 获取角速度。 * 异步，读取成功后，l3g4200d_measureCompleted()会被调用。 * 返回值 ： L3G4200D_RT_NORMAL,L3G4200D_RT_BUS_BUSY */uint8_t l3g4200d_measureOmega(void)    if(I2C_transmit(L3G4200D_WHICH_I2C,l3g4200d_measureOmega_c

13、allback_reg) = I2C_RT_TRANSMIT_NORMAL)        return L3G4200D_RT_NORMAL;    return L3G4200D_RT_BUS_BUSY;/* * 读角速度的I2C回调函数，设置当前寄存器地址。 */uint8_t l3g4200d_measureOmega_callback_reg(uint8_t seq,uint8_t * data)    if(seq

14、 = 0)            *data = I2C_addressToByte_write(L3G4200D_ADDRESS);        return I2C_RT_ACK;        if(seq = 1)        

15、    *data = L3G4200D_REG_OMEGA; /* 角速度数据的寄存器地址。 */        return I2C_RT_ACK;        /    I2C_setNextCallback(L3G4200D_WHICH_I2C,l3g4200d_measureOmega_callback_read); 

16、0;  return I2C_RT_REPEAT_START_OR_STOP;/* * 读角速度的I2C回调函数，读取数据。 */uint8_t l3g4200d_measureOmega_callback_read(uint8_t seq,uint8_t * data)    if(seq = 0)            *data = I2C_addressToByte_read(L3G4200D_AD

17、DRESS);        return I2C_RT_ACK;        if(seq > L3G4200D_BUFFER_SIZE)        return I2C_RT_STOP;    /    l3g4200d_var.buffer_8useq-1 =

18、*data;    if(seq = L3G4200D_BUFFER_SIZE)            l3g4200d_measureCompleted();        return I2C_RT_NACK;        return I2C_RT_ACK;这样就可以读取

19、角速度了。所有数据都是在I2C中断里处理，所以要注意数据安全性，合理利用volatile。其他传感器的工作方式几乎一样，Crtl+C，Ctrl+V，然后改改名字，改改参数就可以用了。2.四元数与旋转姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。下面介绍一下四元数，然后给出几种旋转表示的转换。四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合，也可以理解为四维的向量。这

20、里用一个圈表示q是一个四元数（很可能不是规范的表示方式）。四元数的长度（模）与普通向量相似。下面是对四元数的单位化，单位化的四元数可以表示一个旋转。四元数相乘，旋转的组合就靠它了。旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。这里创造一个运算q(w,)，用于把绕单位向量w转角的旋转表示为四元数。通过q(w,)，引伸出一个更方便的运算q(f,t)。有时需要把向量f的方向转到向量t的方向，这个运算就是生成表示对应旋转的四元数的（后面会用到）。然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。再次创造运算，用R(q)表示四元数q对应的矩阵（后面用到）。多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。“四元数表示”转“欧拉角表示”。用于显示。3.姿态解算框架姿态解算框架其实就是程序框架了。设计框架既要准确，又要高效。总体设计是这样的：用一个计时器定时触发测量；所有测量过程都靠中断推进；在main函数里不断检查测量是否完成，完成就进行解算。测量过程比较耗时间，而这样设计，测量和解算可以同时进行，不会浪费CPU时间在（等待）测量上。而通过计时器触发测量，最大限度保证积分间隔的准确。4.长期