IMU（Inertial Measurement Unit）设备组件¶

理论¶

惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称 IMU)，是测量物体三轴姿态角及加速度的装置。一般IMU包括三轴陀螺仪及三轴加速度计，部分IMU还包括三轴磁力计。

BMI088¶

BMI088 是一款能检测运动与旋转共 6 个自由度的 IMU。其将两个惯性传感器的功能包括在了一个设备之中：一个先进的三轴 16-bit 陀螺仪和一个多功能、先进的三轴 16-bit 加速度计。

BMI088 为满足在剧烈震动环境下高性能消费类设备的所有需求，如比那些安装在无人机和机器人上的设备。该 IMU 是为有效抑制高于几百赫兹的震动而设计的，而这些震动往往因 PCB 或系统结构的谐振而产生。

该 IMU 能够提供三轴的加速度与三轴的角速度，同时还能提供温度测量的功能。可以通过 SPI 或 I2C 的协议与该 IMU 进行通信。

组件中仅使用 SPI 协议进行通信

以 RoboMaster 开发板 C 型为例，板上已集成一个 BMI088，使用 SPI1 进行通信需要的硬件配置方式如下图所示：需要配置其中的 CS_Accel、CS1_Gyro、SPI1_CLK、SPI1_MOSI 与 SPI1_MISO 引脚

模块化IMU组件说明¶

模块化 IMU 组件建立在 BMI088 组件以及 AHRS 组件的基础上，将 IMU 的数据预处理、姿态解算、数据读取等功能封装为一个类。

工作状态¶

C++
enum class ImuStatus : uint8_t {
  kHardwareNotInited,  ///< 硬件未初始化
  kCalcingOffset,      ///< 正在计算零漂
  kWorking,            ///< 正常工作
};

ImuStatus 枚举类用于表示 IMU 目前的工作状态。

在用户调用 initHardware() 前，IMU 处于 kHardwareNotInited 状态，不计算姿态，也不能读取相关数据。

用户调用 initHardware() 后， IMU 进入kCalcingOffset 状态，开始计算零漂，根据当前零漂计算结果处理角速度，并输出姿态角等数据。

零漂计算完成后， IMU 进入 kWorking 状态，正常输出各项数据。

组件留有 resetOffset() 接口，可以让 IMU 回到 kCalcingOffset 状态，重新计算零漂。

数据预处理¶

在正式工作前， IMU 会计算角速度计零漂，具体方法为：

使用均值递推公式\(A_{n}=A_{n-1}+\frac{x_n-A_{n-1}}{n}\)计算角速度平均值，共计算 sample_num 次，作为零漂计算结果。在后续的计算中减去零漂，得到更加准确的角速度数据。

在零漂计算过程中，默认设备处于静止状态，为保证不受到外部晃动的干扰，程序设置了 gyro_stationary_threshold 作为阈值，大于该阈值的数据不计入计算次数。

对于加速度数据，设置了 acc_threshold 作为阈值，用于过滤短时撞击。

快速开始¶

组件源码仓库地址：https://github.com/ZJU-HelloWorld/HW-Components

外设驱动配置¶

在使用 SPI 与 BMI088 通信时，使用 CubeMX 配置时将对应 SPI 的波特率调整至合理值（10Mbits/s 以下）。例如对于 RoboMaster 开发板 C 型板载的红点激光器，驱动流程如下：

对于 SPI1，调整器分频值（Prescaler），使其波特率在 10Mbits/s 以下。
需改 SPI1 时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）至要求值（CPOL=Low，CPHA=1 Edge或CPOL=High，CPHA=2 Edge）

配置片选信号线的 GPIO

使用前准备¶

本组件依赖 CMSIS-DSP 运算加速。

使用前需要做以下准备：

在 config.cmake 文件中设置 use_hwcomponents_devices_imu 、 use_hwcomponents_algorithms_ahrs 和 use_hwcomponents_tools 选项为 ON，开启该设备文件的编译，若为 OFF 则根驱动配置需求在 CMakeLists.txt 文件中重配置为 ON。

使用示例¶

1.参数配置¶

在项目中引用头文件：

C++
#include "imu.hpp"

实例化一个 ImuConfig 结构体，该结构体包含了零漂计算、 BMI088 和 Mahony 的相关参数。其中大部分参数有默认值，rot_mat_flatten和bmi088_hw_config为必填项，需要根据实际情况进行修改:

C++
static const hello_world::imu::ImuConfig kImuConfig = {
    .rot_mat_flatten = {
      1, 0, 0,
      0, 1, 0,
      0, 0, 1},
    .bmi088_hw_config = { // DM-MC-Board02控制板(h7)
        .hspi = &hspi2,
        .acc_cs_port = GPIOC,
        .acc_cs_pin = GPIO_PIN_0,
        .gyro_cs_port = GPIOC,
        .gyro_cs_pin = GPIO_PIN_3,
    },
};

如果使用C板，则将bmi088_hw_config项设为：

C++
.bmi088_hw_config = { // C板
    .hspi = &hspi1,
    .acc_cs_port = GPIOA,
    .acc_cs_pin = GPIO_PIN_4,
    .gyro_cs_port = GPIOB,
    .gyro_cs_pin = GPIO_PIN_0,
},

ImuConfig具有默认参数，因此可以对某些参数进行个别修改，但是需要保证结构体成员的前后顺序与结构体中的声明顺序相同，完整配置参数如下：

C++
static const hello_world::imu::ImuConfig kImuConfig = {
    /*/< 加速度阈值，用于过滤短时撞击，单位：m/s^2 */
    .acc_threshold = 10.0f,
    /*/< 角速度静止阈值，计算零漂时默认设备处于静止状态，滤去异常数据，单位：rad/s */
    .gyro_stationary_threshold = 0.1f,
    .sample_num = 1000,    ///< 零漂采样次数
    .samp_freq = 1000.0f,  ///< 采样频率
    .kp = 1.0f,            ///< Mahony 比例系数
    .ki = 0.0f,            ///< Mahony 积分系数
    .rot_mat_flatten = {
        1, 0, 0,
        0, 1, 0,
        0, 0, 1},
    .bmi088_hw_config = { // DM-MC-Board02控制板(h7)
        .hspi = &hspi2,
        .acc_cs_port = GPIOC,
        .acc_cs_pin = GPIO_PIN_0,
        .gyro_cs_port = GPIOC,
        .gyro_cs_pin = GPIO_PIN_3,
    },
    .bmi088_config = {
        .acc_range = hello_world::imu::kBMI088AccRange3G,
        .acc_odr = hello_world::imu::kBMI088AccOdr1600,
        .acc_osr = hello_world::imu::kBMI088AccOsr4,
        .gyro_range = hello_world::imu::kBMI088GyroRange1000Dps,
        .gyro_odr_fbw = hello_world::imu::kBMI088GyroOdrFbw1000_116,
    },
};

2.实例化¶

实例化一个IMU组件并放入对应配置进行初始化，如：

C++
hello_world::imu::Imu unique_imu = hello_world::imu::Imu(kImuConfig);

3.初始化¶

在正式使用前，调用 initHardware() 函数进行硬件初始化。

该函数内部会阻塞运行，请不要在中断中调用。

4.数据更新¶

硬件初始化完成后，定期调用 update() 函数更新数据，更新周期务必与 samp_freq 中配置的相同：

如果之前没有调用initHardware函数，该函数会返回false

5.数据获取¶

在配置成功后，可调用相关接口函数获取姿态、角速度、加速度、温度数据，相关接口如下：

C++
/**
  * @brief      判断 IMU 零漂是否计算完成
  * @retval      bool: IMU 零漂是否计算完成
  * @note        None
  */
bool isOffsetCalcFinished() { return status_ == Status::kWorking; };

// 获取姿态角 (ZYX欧拉角)
float roll() const;
float pitch() const;
float yaw() const;

// 获取角速度 (去零漂)
float gyro_roll() const;
float gyro_pitch() const;
float gyro_yaw() const;

// 获取加速度 (过滤短时撞击)
float acc_x() const;
float acc_y() const;
float acc_z() const;

// 获取温度
float temp() const;

附录¶

BMI088 手册¶

BMI088 数据手册

版本说明¶

发布日期	说明	贡献者
2023.12.12	IMU 组件（Cpp）	蔡坤镇
2023.12.13	添加旋转配置	蔡坤镇
2025.01.08	模块化组件	金乐天