[Motion]MPU9250的Motion Driver

Posted 2022-12-06 苏导

简述

Motion Driver是Invensense的针对其Motion传感器的软件包，即Motion传感器的驱动，目前已支持MPU6050/MPU6500/MPU9150/MPU9250这些传感器。
Motion Driver并非全部开源，核心的算法部分是针对ARM处理器和MSP430处理器编译成了静态链接库提供的。

Motion Driver文件结构

arm\\STM32F4_MD6	documentation	eMPL-pythonclient	mpl libraties	msp430\\eMD-6.0
针对STM32F4评估板 和InvenSense方案 的工程	文档	测试与demo 性能测试 与Log信息显示	MPL库 Motion Processing Library	针对MSP430 的工程

Python Client

主机端的测试工具，可以辅助调试和设计参数，能比较快速的验证Motion解决方案。
用户命令交互的方式使用，可以使能/禁止sensor，使能计算算法，使能硬件特性，查看Log信息等。
需要安装Python(>2.5)，pyserial模块和pygame模块。
使用时需要在“设备管理器”中查看连接的板子的串口号，再用如下的命令执行：

python eMPL-client.py xx(串口号)

然后可以使用其提供的命令，控制Motion sensor的行为。

DMP

即Digital Motion Processor，是内置在MPU9250中的一个硬件算法单元。其特性是快速，低功耗，可编程控制，内嵌硬件模块。
许多特性支持运行时动态关闭，除了计步数据，其余的DMP数据均输出到MPU9250的FIFO中。
DMP是内置MPU9250的硬件模块，只能拿到Accel和Gyro两个传感器的数据，因此可以从如下的特性列表中可以看出，DMP所支持的所有的算法特性都只是基于Accel和Gyro数据的，其他类型的数据就不能使用DMP了。

特性	说明
3轴低功耗 Quaternion	gyro only quaternion，以200Hz速率集成gyro数据，而实际输送到FIFO的是传感器融合后的数据，该数据的输出速率是用户可以配置的。200Hz的集成可以用于更精确的传感器融合数据，3轴quaternion会被push到MPL lib，然后MPL会处理accel和compass的集成->9轴
6轴低功耗 Quaternion	gyro和accel quaternion，以200Hz速率集成gyro和accel数据，实际输送到FIFO的输出速率是用户可以配置的。和上面的3轴quaternion互斥，不能同时使用。在使用了6轴quaternion时，6轴quaternion会被push到MPL lib，然后MPL会处理和compass的集成–>9轴
方向姿态识别	判别设备方向的改变，水平、垂直、水平翻转、垂直翻转，由方向矩阵来决定
敲击姿态识别	多方向的敲击检测，可以知道哪一个轴向的正向/负向敲击，可以检测多大4个敲击，通过API可以配置改特性的阈值、无感时间、敲击次数
计步姿态识别	步数和时间戳，该特性自动使能，但是需要有连续5s的计步检测到，才会触发，计步数据不在FIFO中，而是在DMP memory中
DMP中断	可以配置中断，当FIFO中data ready，敲击检测，方向变化检测

MPL

即Motion Processing Library，是Invensense专利的算法库（不开源），其作用是传感器融合和动态标定。
Motion Driver将传感器数据push到MPL lib，然后MPL会处理9个轴的传感器数据的融合。
在使能MPL lib前，需要配置MPL特性，这些特性可以调用MPL lib的接口来动态关闭。

算法

MPL算法	说明
Gyro标定	运行时标定。no motion状态被检测到时触发标定，标定将在5s内完成
Gyro温度补偿	在gyro标定后，MPL将记录内部温度，并通过多个数据点为Gyro构建“多点温度斜率”，并应用在上面的标定偏移量上，此方法可以补偿Gyro因温度而产生的漂移
Compass标定	硬磁铁运行时标定，MPL通过对设备周围的磁场环境进行读取和记录，一旦足够的数据呈现，compass偏移值就可以使用，9轴quaternion就可以产生。如果所在环境磁场不稳定，compass就无法标定，只能使用6轴quaternion
抗磁干扰	在MPL标定compass后，将会持续记录磁场强度，因此一旦检测到有扰乱发生，MPL库就会拒绝磁力数据，并切换到6轴传感器融合。在这样的磁场扰乱检测到后，MPL库还是会继续每5s检测一次磁场数据，直到没有再检测到磁场扰乱发生时，又会切换回9轴fusion
Fusion 3 Axis	Gyro angle quaternion
Fusion 6 Axis	Gyro + Accel quaternion
Fusion 9 Axis	Gyro + Accel + Compass quaternion

传感器数据
从quaternion数据可以得到其他各种类型的数据，这些转换接口都在Motion Driver中有实现，可以转换得到的数据类型如下：

数据类型	说明
Compass	每个轴向的磁场数据，单位为micro tesla(微特斯拉)
Gyro	X,Y,Z轴向的旋转加速度数据，单位为degrees per second(°/s)
Accel	X,Y,Z轴向的线性加速度数据，单位为g
Heading	360 degrees from North with Y+ axis as the pointer
Rotational Matrix	线性代数9个元素的矩阵数据
Euler Angles	欧拉角，Pitch, roll, yaw
Quaternions	传感器融合得到的w,x,y,z旋转角
Linear Acceleration	body frame coordinates中的线性加速度
Gravity Vector	重力向量

前面提到的Python Client支持这些传感器数据的显示。

MPU硬件算法特性

特性	说明
工厂标定	demo在产线上如何标定accel和gyro。标定前必须将设备指向固定的方向，同时需要设备的Z+轴与地心引力方向相反。一旦触发，偏移量就可以得到，并存于Hardware Offset寄存器或MPL Lib中（该偏移量需要存入Flash）
工厂自检	基于硬件自检算法
保存与加载传感器状态	提供API用于将传感器状态保存至Flash。包含了每个传感器的标定数据和温度补偿数据
低功耗Accel模式	只有MPU6500和MPU9250支持，加速度采集速率可以从1Hz到640Hz间调整
低功耗Motion Interrupt模式	只有MPU6500和MPU9250支持，即可以进入睡眠模式，通过超过阈值的动作在INT引脚产生中断，唤醒系统
动态改变传感器ODR	Ourput Data Rate，可以动态改变传感器数据输出速率，也可以开关传感器
寄存器Dump	可以dump所有寄存器的值