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ELECTRONICS WORLD ・技术交流
astm人形机器人在高机动和复杂环境下工作时，需要测算自身运动姿态，以应对运动状态的变化。为了能使双足人形机器人更好的对自身运动状态进行感知，再根据自身姿态数据进行姿态调整，本文设计并实现了一种基于树莓派与惯性传感器的双足人形机器人姿态解算及控制系统。 1 姿态解算系统整体设计及分析孙志刚收容案
本文所设计的姿态解算及控制系统可以大致分为三部分。首先，利用惯性传感器收集姿态解算所需数据；然后，树莓派接收传感器传送的数据，进行数据加工，分析机器姿态；最后由树莓派做出判断，向机器人发出运动指令，做出相应的姿态调整。各组成部分的结构框架如图1所示。
同样JY901也是使用其接口完成与树莓派的连接。但与MPU6250有所不同的是，JY901姿态角度传感器模块除了集成高精度的陀螺仪、加速度计，还自带有地磁场传感器。而且采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。采用数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。内部集成的姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度静态0.05度，动态0.1度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。
机器人舵机控制器可以通过发出不同宽度的脉冲信号，实现直接对机器人舵机进行角度控制。但因为其不具备计算功能，不能处理复杂数据，而树莓派不仅可以存储舵机控制程序，还可以在控制程序中加入姿态解算、姿态调整的算法。所以本文选用了树莓派和串行舵机控制器协同工作的方式，树莓派在姿态解算之后，对机器人当前运动状态做出判断，并判断出机器人下一步应如何调整，向舵机控制器发出相应信号，从而控制机器人。
2 系统硬件设计
本文所涉及的系统主要由树莓派三代B 型、惯性传感器、机器人舵机控制器、机器人舵机和电源等部分组成。为保证各模块间协同工作的顺利进行，要为其选择合适的通信模式，并对硬件系统进
行必要的初始化配置。2.1 硬件设备间通信模式设计
由于MPU6050与JY901均支持支持IIC 通信协议，且MPU6050只支持IIC 通信。所以树莓派与惯性传感器之间的数据传输采用IIC 总线通信。IIC 总线由数据线SDA 和时钟线SCL 两条线构成通信线路，既可发送数据，也可接收数据，最高传送速率为400kbs ，各种被控器件均并联在总线上，但每个器件都有唯一的地址。在信息传输过程中IIC 总线上并联的每一个器件既是被控器（或主控器），又是发送器，这取决于他所要完成的功能。所以MPU6050、JY901与树莓派的连接均是使用四个引脚，即传感器VCC 引脚连接树莓派的3.3V 引脚，传感器SDA 引脚连接树莓派的SDA 引脚，传感器SCL 引脚连接树莓派的SCL 引脚，传感器GND 引脚连接树莓派的GND 引脚。
舵机控制板支持UART 串口通信和IIC 通信，但由于IIC 接口已连接惯性传感器，为保证数据传输的稳定性与安全性，树莓派与机器人舵机控制器之间的通信采用UART 串口通信。舵机控制器自带有TXD 、RXD 引脚，用以支持UART 串行通信。树莓派向舵机控制器发送指令时，树莓派将并行数据写入UART ，UART 按照一定的格式在一根电线上串行发出；而舵机控制器的UART 检测另一根电线上的信号，串行收集然后放在缓冲区中，舵机控制器即可读取UART
获得这些数据。所以，舵机控制器与树莓派的连接也是使
阴道后穹窿图1 姿态解算及控制系统的结构框架
基于树莓派与惯性传感器的双足人形机器人姿态解算及控制系统的设计及实现
华中师范大学计算机学院 王寅霄
华中师范大学计算机学院 大数据与智慧学习湖北省重点实验室 彭 熙
郑道传
华中师范大学计算机学院 谷科瑾 康雨婷 张宇轩 张玉琢
树莓派是一款基于ARM 的微型电脑主板，以SD/MicroSD 卡为内存硬盘，不仅具备所有PC 的基本功能，还有着丰富的硬件接口。本文中使用树莓派三代B 型，拥有40个引脚接口，不仅可以满足用于读取加速度传感器传回的加速度和角度数据，并进行解算，而且可以实现与机器人控制系统的的串口通信，控制机器人调整姿态。
阳性
本文所选用的集成惯性传感器为JY901与MPU6050两款，分别使用JY901与MPU6250进行姿态解算，对比性能与效果，实现一种相对误差较小的解算系统。
山东建工学院MPU6050是全球首款整合性6轴运动处理组件，内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，可连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（DMP ：Digital Motion Processor ）硬件加速引擎，可向应用端输出完整的9轴融合演算数据。MPU6050的DMP 可以将读出的加速度传感器和角速度传感器的原始数据通过四元解算直接转换成四元数输出，进而计算出欧拉角，非常方便的实现姿态解算，降低运动处理运算对操作系统的负荷。而且使用内置的DMP ，可以大大简化四轴的代码设计，且树莓派不用进行姿态解算过程，减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。
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