零知开源——ESP8266结合ICM20948实现高精度姿态解算

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零知实验室发布新版ICM20948模块，可以非常方便的应用在零知各个系列开发板或其他类似MCU，它可以作为已经停产的MPU9250的替代品，下面演示它在零知ESP8266上的使用。

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一、ICM20948深度解析：九轴传感器的核心技术1.1 什么是IMU？IMU（Inertial Measurement Unit）即惯性测量单元，是融合加速度计、陀螺仪和磁力计的核心传感器。ICM20948作为新一代九轴IMU，具备以下技术特性：

IMU20948技术特性
参数	规格	技术优势
加速度测量范围	±2g/±4g/±8g/±16g	16位ADC，0.98mg/LSB@±16g
陀螺仪量程	±250/±500/±1000/±2000 dps	0.0038°/s/LSB@±250dps
磁力计量程	±4900μT	16位分辨率，0.15μT/LSB
数据输出速率	最高1125Hz	支持SPI/I2C双接口
工作电压	1.71V-3.6V	超低功耗模式<5μA

1.2 硬件架构解析芯片内部采用三层堆叠结构：

​MEMS传感层：包含三轴加速度计和陀螺仪
ASIC处理层：集成数字运动处理器(DMP)
磁力计层：***09916磁力计通过I2C从接口连接

1.3 九轴数据融合原理姿态解算通过传感器融合算法实现：

姿态矩阵=加速度计校准✖陀螺仪积分✖磁力计补偿

典型算法对比：

算法	计算复杂度	精度	适用场景
互补滤波	低	一般	低速运动
卡尔曼滤波	高	高	动态环境
Mahony	中等	较高	嵌入式系统

二、硬件系统搭建2.1 物料清单

组件	型号
主控板	零知ESP8266
九轴传感器	ICM20948
连接线	杜邦线
电源	USB适配器

2.2 电路连接详解零知ESP8266和ICM20948九轴加速度传感器的接线图：

零知ESP8266	ICM20948
3.3V	VCC
GND	GND
SCL	SCL
SDA	SDA

​

三、软件系统开发3.1 校准验证代码

1. ​// 在setup()中添加的校准验证
   
2. if(SerialDebug) {
   
3.   Serial.println("Post-Calibration Accel Bias (mg):");
   
4.   Serial.print(1000*myIMU.accelBias[0]);
   
5.   Serial.print(" ");
   
6.   Serial.print(1000*myIMU.accelBias[1]);
   
7.   Serial.print(" ");
   
8.   Serial.println(1000*myIMU.accelBias[2]);
   
9. }

复制代码

将加速度偏置转换为mg单位（1g=1000mg）
X/Y轴偏置应<50mg，Z轴接近0（理想值）
确保校准过程有效，避免硬件安装误差

3.2 动态零位补偿

1. ​static int calibration_cnt = 0;
   
2. if(calibration_cnt < 1000 && abs(myIMU.gx)<0.5 && abs(myIMU.gy)<0.5) {
   
3.   myIMU.accelBias[0] += myIMU.ax * 0.001;
   
4.   myIMU.accelBias[1] += myIMU.ay * 0.001;
   
5.   calibration_cnt++;
   
6. }

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前1000次采样持续修正加速度偏置
0.001为学习率系数，控制校准速度
实现动态自适应，消除温度漂移影响

3.3传感器数据预处理 1.加速度计处理

1. ​myIMU.ax = (float)myIMU.accelCount[0] * myIMU.aRes - myIMU.accelBias[0];
   
2. myIMU.ay = (float)myIMU.accelCount[1] * myIMU.aRes - myIMU.accelBias[1];
   
3. myIMU.az = (float)myIMU.accelCount[2] * myIMU.aRes - myIMU.accelBias[2];

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数据处理流程：
accelCount：原始ADC值
aRes：分辨率计算（例如±16g量程时为2048 LSB/g）
减去校准偏置消除零位误差
关键参数：
量程设置：建议初始化时配置为±8g
分辨率公式：aRes = 16.0 / 32768.0 (16位ADC)

2.陀螺仪处理

1. ​myIMU.gx = (float)myIMU.gyroCount[0] * myIMU.gRes - myIMU.gyroBias[0];
   
2. myIMU.gy = (float)myIMU.gyroCount[1] * myIMU.gRes - myIMU.gyroBias[1];
   
3. myIMU.gz = (float)myIMU.gyroCount[2] * myIMU.gRes - myIMU.gyroBias[2];

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漂移控制：
典型偏置值应<1°/s
温度每升高1℃，零偏变化约0.01°/s
改进建议：添加温度补偿函数

3.磁力计数据融合

1. ​float mx_raw = (float)myIMU.magCount[1] * myIMU.mRes; // X/Y交换
   
2. float my_raw = (float)myIMU.magCount[0] * myIMU.mRes;
   
3. float mz_raw = -(float)myIMU.magCount[2] * myIMU.mRes; // Z反转
   
4. 
   
5. myIMU.mx = (mx_raw - myIMU.magBias[1]) * myIMU.magScale[1];
   
6. myIMU.my = (my_raw - myIMU.magBias[0]) * myIMU.magScale[0];
   
7. myIMU.mz = (mz_raw - myIMU.magBias[2]) * myIMU.magScale[2];

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magBias：硬铁干扰补偿
magScale：软铁畸变校正
注意：校准数据需对应新坐标系

3.4姿态解算核心算法 1.Mahony滤波器调用

1. ​MahonyQuaternionUpdate(
   
2.   myIMU.ay,  // 加速度Y→X
   
3.   myIMU.ax,   // 加速度X→Y
   
4.   -myIMU.az,  // 加速度Z反转
   
5.   myIMU.gy * DEG_TO_RAD, // 陀螺Y→X
   
6.   myIMU.gx * DEG_TO_RAD, // 陀螺X→Y
   
7.   -myIMU.gz * DEG_TO_RAD,// 陀螺Z反转
   
8.   myIMU.mx,
   
9.   myIMU.my,
   
10.   myIMU.mz,
    
11.   myIMU.deltat
    
12. );

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2.欧拉角转换

​myIMU.yaw   = atan2(2.0f * (*(getQ()+1) * *(getQ()+2) + *getQ()
                    * *(getQ()+3)), *getQ() * *getQ() + *(getQ()+1)
                    * *(getQ()+1) - *(getQ()+2) * *(getQ()+2) - *(getQ()+3)
                    * *(getQ()+3));
      myIMU.pitch = -asin(2.0f * (*(getQ()+1) * *(getQ()+3) - *getQ()
                    * *(getQ()+2)));
      myIMU.roll  = atan2(2.0f * (*getQ() * *(getQ()+1) + *(getQ()+2)
                    * *(getQ()+3)), *getQ() * *getQ() - *(getQ()+1)
                    * *(getQ()+1) - *(getQ()+2) * *(getQ()+2) + *(getQ()+3)
                    * *(getQ()+3));
      myIMU.pitch *= RAD_TO_DEG;
      myIMU.yaw   *= RAD_TO_DEG;

      // Declination of SparkFun Electronics (40°05'26.6"N 105°11'05.9"W) is
      //         8° 30' E  ± 0° 21' (or 8.5°) on 2016-07-19
      // - http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#declination
      myIMU.yaw  -= 8.5;
      myIMU.roll *= RAD_TO_DEG;

3.5数据输出 串口协议设计

1. ​//打印格式与processing端格式一致
   
2.   Serial.print("Or: ");
   
3.   Serial.print(myIMU.yaw, 2);
   
4.   Serial.print(" ");
   
5.   
   
6.   Serial.print(myIMU.pitch, 2);
   
7.   Serial.print(" ");
   
8. 
   
9.   Serial.print(myIMU.roll, 2);
   
10.   Serial.println(" ");

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3.6Processing ***可视化验证

将代码库文件安装包解压到C:\Users\Administrator\Documents\Processing\libraries，然后在Processing中选择开发板对应的串口号,就可以看到我们的***模型根据九轴的姿态进行变化啦：

1. ​import processing.serial.*;
   
2. 
   
3. // 传感器数据
   
4. float roll, pitch, yaw;
   
5. PVector accelerometer = new PVector();
   
6. PVector gyroscope = new PVector();
   
7. PVector magneticField = new PVector();
   
8. 
   
9. // ***模型
   
10. PShape model;
    
11. PImage bgImage;
    
12. 
    
13. // 串口配置
    
14. Serial port;
    
15. String[] serialPorts;
    
16. int selectedPort = 0;
    
17. boolean printSerial = false;
    
18. 
    
19. void setup() {
    
20.   size(1024, 800, P***);
    
21.   frameRate(60);
    
22.   
    
23.   // 加载资源
    
24.   bgImage = loadImage("background.png");
    
25.   model = loadShape("biplane.obj"); // 确保使用标准OBJ格式
    
26.   model.scale(30);
    
27.   
    
28.   // 初始化串口
    
29.   serialPorts = Serial.list();
    
30.   if(serialPorts.length > 0) connectSerial(serialPorts[0]);
    
31. }
    
32. 
    
33. void draw() {
    
34.   background(bgImage);
    
35.   
    
36.   // ***场景设置
    
37.   pushMatrix();
    
38.   translate(width/2, height/2, 0);
    
39.   lights();
    
40.   
    
41.   // 应用***
    
42.   rotateX(radians(pitch));
    
43.   rotateY(radians(yaw));
    
44.   rotateZ(radians(roll));
    
45.   
    
46.   // 绘制模型
    
47.   shape(model);
    
48.   popMatrix();
    
49.   
    
50.   // 显示数据
    
51.   displaySensorData();
    
52. }
    
53. 
    
54. void serialEvent(Serial p) {
    
55.   try {
    
56.     String rawData = p.readStringUntil('\n').trim();
    
57.     if(printSerial) println(rawData);
    
58.    
    
59.     String[] parts = split(rawData, ' ');
    
60.     if(parts.length >= 4) {
    
61.       switch(parts[0]) {
    
62.         case "Or:": // 欧拉角格式：Or: yaw pitch roll
    
63.           yaw = float(parts[1]);
    
64.           pitch = float(parts[2]);
    
65.           roll = float(parts[3]);
    
66.           break;
    
67.         case "Accel:":
    
68.           accelerometer.set(float(parts[1]), float(parts[2]), float(parts[3]));
    
69.           break;
    
70.         case "Gyro:":
    
71.           gyroscope.set(float(parts[1]), float(parts[2]), float(parts[3]));
    
72.           break;
    
73.         case "Mag:":
    
74.           magneticField.set(float(parts[1]), float(parts[2]), float(parts[3]));
    
75.           break;
    
76.       }
    
77.     }
    
78.   } catch(Exception e) {
    
79.     println("Serial Error: " + e.getMessage());
    
80.   }
    
81. }
    
82. 
    
83. void displaySensorData() {
    
84.   fill(0, 255, 0);
    
85.   textSize(16);
    
86.   textAlign(LEFT, TOP);
    
87.   String data = "Accelerometer(g): "
    
88.     + nfp(accelerometer.x,1,2) + ", "
    
89.     + nfp(accelerometer.y,1,2) + ", "
    
90.     + nfp(accelerometer.z,1,2) + "\n"
    
91.     + "Gyroscope(deg/s): "
    
92.     + nfp(gyroscope.x,1,2) + ", "
    
93.     + nfp(gyroscope.y,1,2) + ", "
    
94.     + nfp(gyroscope.z,1,2) + "\n"
    
95.     + "Orientation: \n"
    
96.     + "Yaw: " + nfp(yaw,1,1) + "°\n"
    
97.     + "Pitch: " + nfp(pitch,1,1) + "°\n"
    
98.     + "Roll: " + nfp(roll,1,1) + "°";
    
99.   text(data, 20, 20);
    
100. }
     
101. 
     
102. void connectSerial(String portName) {
     
103.   if(port != null) port.stop();
     
104.   try {
     
105.     port = new Serial(this, portName, 115200);
     
106.     port.bufferUntil('\n');
     
107.     println("Connected to: " + portName);
     
108.   } catch(Exception e) {
     
109.     println("Connection failed: " + e.getMessage());
     
110.   }
     
111. }
     
112. 
     
113. void keyPressed() {
     
114.   // 切换串口
     
115.   if(key == ' ') {
     
116.     selectedPort = (selectedPort + 1) % serialPorts.length;
     
117.     connectSerial(serialPorts[selectedPort]);
     
118.   }
     
119.   // 切换调试输出
     
120.   if(key == 'P' || key == 'p') printSerial = !printSerial;
     
121.   // 重置视角
     
122.   if(key == 'R' || key == 'r') {
     
123.     yaw = pitch = roll = 0;
     
124.   }
     
125. }

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四、实现结果分析
观察串口打印输出的DMP姿态解算数据如下：

Processing ***可视化验证：
Processing ***可视化验证ICM20948运动姿态数据

五、项目资源汇总5.1 参考资料 ICM20948数据手册
ESP8266技术参考
5.2 源码获取

1. https://github.com/Leeri1y/ICM20948-ESP8266

复制代码

参考Github仓库


64位Windows系统的Processing安装包：
通过网盘分享的文件：processing-4.3.3.7z
链接: https://pan.baidu.com/s/12B4F33M1caRncVjSJiFPTg?pwd=9h5i 提取码: 9h5i


5.3 扩展学习Mahony滤波器数学推导
欢迎各位道友相互讨论，一直在学习的路上！
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