STM32H5开发陀螺仪LSM6DSV16X.3--SFLP获取四元数
概述
在现代的运动跟踪和姿态检测应用中，低功耗、高精度的传感器数据融合处理变得越来越重要。LSM6DSV16X传感器集成了SFLP（Sensor Fusion Low Power）算法模块，可以在低功耗模式下实现六轴传感器数据的高效融合。SFLP模块通过处理加速度计和陀螺仪的数据，生成一个表示设备姿态的四元数，这为游戏、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等应用中的精准运动追踪提供了技术支持。在本文中，我们将深入探讨如何利用SFLP模块获取四元数数据，并分析其在实际应用中的优势和实现方法。
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视频教学
https://www.bilibili.com/video/BV1a854zmELy
STM32H5开发陀螺仪LSM6DSV16X(3)----SFLP获取四元数
样品申请
https://www.wjx.top/vm/OhcKxJk.aspx#
源码下载
硬件准备
首先需要准备一个开发板，这里我准备的是自己绘制的开发板，需要的可以进行申请。
主控为STM32H503CB，陀螺仪为LSM6DSV16X，磁力计为LIS2MDL。
参考程序
https://github.com/CoreMaker-lab/STM32H503_LSM6DSV16X_LIS2MDL
https://gitee.com/CoreMaker/STM32H503_LSM6DSV16X_LIS2MDL
SFLP
LSM6DSV16X 特性涉及到的是一种低功耗的传感器融合算法（Sensor Fusion Low Power, SFLP）.
低功耗传感器融合（SFLP）算法：
该算法旨在以节能的方式结合加速度计和陀螺仪的数据。传感器融合算法通过结合不同传感器的优势，提供更准确、可靠的数据。
6轴游戏旋转向量：
SFLP算法能够生成游戏旋转向量。这种向量是一种表示设备在空间中方向的数据，特别适用于游戏和增强现实应用，这些应用中理解设备的方向和运动非常关键。
四元数表示法：
旋转向量以四元数的形式表示。四元数是一种编码3D旋转的方法，它避免了欧拉角等其他表示法的一些限制（如万向节锁）。一个四元数有四个分量（X, Y, Z 和 W），其中 X, Y, Z 代表向量部分，W 代表标量部分。
FIFO存储：
四元数的 X, Y, Z 分量存储在 LSM6DSV16X 的 FIFO（先进先出）缓冲区中。FIFO 缓冲区是一种数据存储方式，允许临时存储传感器数据。这对于有效管理数据流非常有用，特别是在数据处理可能不如数据收集那么快的系统中。
图片包含了关于 LSM6DSV16X 传感器的低功耗传感器融合（Sensor Fusion Low Power, SFLP）功能的说明。这里是对图片内容的解释：
SFLP 功能：
- SFLP 单元用于生成基于加速度计和陀螺仪数据处理的以下数据：
- 游戏旋转向量：以四元数形式表示设备的姿态。
- 重力向量：提供一个三维向量，表示重力方向。
- 陀螺仪偏差：提供一个三维向量，表示陀螺仪的偏差。
激活与重置： - 通过在 EMB_FUNC_EN_A（04h）嵌入式功能寄存器中设置 SFLP_GAME_EN 位为 1 来激活 SFLP 单元。
- 通过在 EMB_FUNC_INIT_A（66h）嵌入式功能寄存器中设置 SFLP_GAME_INIT 位为 1 来重置 SFLP 单元。
性能参数表：
表格展示了 SFLP 功能在不同情况下的性能，包括静态精度、低动态精度和高动态精度，以及校准时间和方向稳定时间。这些参数反映了传感器在不同运动状态下的精确度和响应速度。
生成STM32CUBEMX
用STM32CUBEMX生成例程，这里使用MCU为STM32H503CB。
配置时钟树，配置时钟为250M。
串口配置
查看原理图，PA9和PA10设置为开发板的串口。
配置串口，速率为2000000。
IIC配置
配置IIC为快速模式，速度为400k。
CS和SA0设置
ICASHE
修改堆栈
串口重定向
打开魔术棒，勾选MicroLIB
在main.c中，添加头文件，若不添加会出现 identifier “FILE” is undefined报错。
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */
函数声明和串口重定向：
/* USER CODE BEGIN PFP */
int fputc(int ch, FILE *f){
HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
return ch;
}
/* USER CODE END PFP */
参考程序
https://github.com/STMicroelectronics/lsm6dsv16x-pid
初始换管脚
由于需要向LSM6DSV16X_I2C_ADD_L写入以及为IIC模式。
所以使能CS为高电平，配置为IIC模式。
配置SA0为高电平。
printf("HELLO!\n");
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(SA0_GPIO_Port, SA0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(100);
lsm6dsv16x_fifo_status_t fifo_status;
stmdev_ctx_t dev_ctx;
lsm6dsv16x_reset_t rst;
/* Initialize mems driver interface */
dev_ctx.write_reg = platform_write;
dev_ctx.read_reg = platform_read;
dev_ctx.mdelay = platform_delay;
dev_ctx.handle = &SENSOR_BUS;
/* Init test platform */
// platform_init(dev_ctx.handle);
/* Wait sensor boot time */
platform_delay(BOOT_TIME);
获取ID
可以向WHO_AM_I (0Fh)获取固定值，判断是否为0x70。
lsm6dsv16x_device_id_get为获取函数。
对应的获取ID驱动程序,如下所示。
/* Check device ID */
lsm6dsv16x_device_id_get(&dev_ctx, &whoamI);
printf("LSM6DSV16X_ID=0x%x,whoamI=0x%x",LSM6DSV16X_ID,whoamI);
if (whoamI != LSM6DSV16X_ID)
while (1);
复位操作
可以向CTRL3 (12h)的SW_RESET寄存器写入1进行复位。
lsm6dsv16x_reset_set为重置函数。
对应的驱动程序,如下所示。
/* Restore default configuration */
lsm6dsv16x_reset_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_RESTORE_CTRL_REGS);
do {
lsm6dsv16x_reset_get(&dev_ctx, &rst);
} while (rst != LSM6DSV16X_READY);
BDU设置
在很多传感器中，数据通常被存储在输出寄存器中，这些寄存器分为两部分：MSB和LSB。这两部分共同表示一个完整的数据值。例如，在一个加速度计中，MSB和LSB可能共同表示一个加速度的测量值。
连续更新模式（BDU = ‘0’）：在默认模式下，输出寄存器的值会持续不断地被更新。这意味着在你读取MSB和LSB的时候，寄存器中的数据可能会因为新的测量数据而更新。这可能导致一个问题：当你读取MSB时，如果寄存器更新了，接下来读取的LSB可能就是新的测量值的一部分，而不是与MSB相对应的值。这样，你得到的就是一个“拼凑”的数据，它可能无法准确代表任何实际的测量时刻。
块数据更新（BDU）模式（BDU = ‘1’）：当激活BDU功能时，输出寄存器中的内容不会在读取MSB和LSB之间更新。这就意味着一旦开始读取数据（无论是先读MSB还是LSB），寄存器中的那一组数据就被“锁定”，直到两部分都被读取完毕。这样可以确保你读取的MSB和LSB是同一测量时刻的数据，避免了读取到代表不同采样时刻的数据。
简而言之，BDU位的作用是确保在读取数据时，输出寄存器的内容保持稳定，从而避免读取到拼凑或错误的数据。这对于需要高精度和稳定性的应用尤为重要。
可以向CTRL3 (12h)的BDU寄存器写入1进行开启。
对应的驱动程序,如下所示。
/* Enable Block Data Update */
lsm6dsv16x_block_data_update_set(&dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);
设置量程
速率可以通过CTRL1 (10h)设置加速度速率和CTRL2 (11h)进行设置角速度速率。
设置加速度量程可以通过CTRL8 (17h)进行设置。
设置角速度量程可以通过CTRL6 (15h)进行设置。
设置加速度和角速度的量程和速率可以使用如下函数。
/* Set full scale */
lsm6dsv16x_xl_full_scale_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_4g);
lsm6dsv16x_gy_full_scale_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_2000dps);
初始化SFLP步骤
启用 LSM6DSV16X 传感器中的旋转向量低功耗传感器融合（Rotation Vector SFLP）功能的步骤。旋转向量是一个四元数，它提供了一个精确的设备姿态估计。这通常用于游戏控制、增强现实和虚拟现实等应用。下面是函数各部分的作用：
- 函数定义：LSM6DSV16XSensor_Enable_Rotation_Vector 旨在启用旋转向量功能，并返回操作的结果。如果成功，返回 0；如果出现错误，则返回错误代码。
- 设置满量程：函数首先设置加速度计和陀螺仪的满量程，这是传感器能够测量的最大范围。这里分别设置为 4g 和 2000 度每秒（dps）。
- 获取 FIFO SFLP 设置：然后，它读取当前的 FIFO SFLP（传感器融合低功耗）配置。
- 启用旋转向量 SFLP 特性：通过将 fifo_sflp.game_rotation 设为 1 来启用游戏旋转向量功能。
- 设置 FIFO 模式：将 FIFO 设置为流模式（也称为连续模式），在此模式下，数据持续地流入 FIFO，如果 FIFO 满了，新数据会覆盖旧数据。
- 设置数据输出率：为加速度计和陀螺仪以及 SFLP 设置数据输出率（ODR），在这里都设置为每秒 120 次采样（120Hz）。
- 启用 SFLP 低功耗模式：最后，启用 SFLP 游戏旋转向量特性，确保以低功耗模式运行。
FIFO 阈值
设置 FIFO 的“水位阈值”，即 当 FIFO 中存储的数据量 ≥ 该阈值时，传感器会触发 Watermark 中断（如果配置了中断）。
表示当 FIFO 中累积了FIFO_WATERMARK(32)时，就会满足“水位条件”。
LSM6DSV16X 的 FIFO_CTRL1（0x07）寄存器，是设置 FIFO 水位阈值（watermark threshold） 的关键寄存器。
1 LSB 表示 1个样本，每个样本由：
● 1 byte TAG（标识是哪类数据，如 GYRO/ACC）
● 6 byte 数据（例如三轴陀螺仪 X/Y/Z，每轴2字节）
设置了 FIFO 的“容量警戒线”为 32 个样本，等于 224 字节，一旦数据满到这个程度，FIFO_WTM_IA 标志就会被置位，从而引发中断或被 MCU 轮询识别到，随后就可以读取 FIFO 里的数据了。
/*
* Set FIFO watermark (number of unread sensor data TAG + 6 bytes
* stored in FIFO) to FIFO_WATERMARK samples
*/
lsm6dsv16x_fifo_watermark_set(&dev_ctx, FIFO_WATERMARK);
配置 FIFO 模式
设置 SFLP 模块中要写入 FIFO 的三类输出：
那么 FIFO 中的每个 SFLP 样本，可能是：
● 四元数：QX, QY, QZ, QW
● 重力向量：3 轴重力向量
● 陀螺仪偏置：3 轴陀螺仪偏置
/* Set FIFO batch of sflp data */
fifo_sflp.game_rotation = 1;
fifo_sflp.gravity = 1;
fifo_sflp.gbias = 1;
lsm6dsv16x_fifo_sflp_batch_set(&dev_ctx, fifo_sflp);
设置FIFO模式为Stream（连续）模式
Stream Mode 是最常用于实时流数据采集的方式 —— 即使 FIFO 满了，也继续采集，不丢失最新数据（会覆盖旧数据）。
/* Set FIFO mode to Stream mode (aka Continuous Mode) */
lsm6dsv16x_fifo_mode_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_STREAM_MODE);
设置 加速度计 ODR
设置 加速度计 ODR（输出数据率）为 30Hz。
/* Set Output Data Rate */
lsm6dsv16x_xl_data_rate_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_ODR_AT_30Hz);
设置 陀螺仪 ODR
设置 陀螺仪 ODR 为 30Hz。
lsm6dsv16x_gy_data_rate_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_ODR_AT_30Hz);
设定 SFLP 输出速率
设定 SFLP 模块自身的输出速率，控制四元数/重力/陀螺仪偏置等数据输出频率。
lsm6dsv16x_sflp_data_rate_set(&dev_ctx, LSM6DSV16X_SFLP_30Hz);
启用 SFLP 四元数输出
启用 SFLP 的四元数输出。
lsm6dsv16x_sflp_game_rotation_set(&dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);
设置陀螺仪偏置（Gyro Bias）值
初始化时设置陀螺仪偏置（Gyro Bias）值，目的是为了提升姿态融合（四元数）算法的准确性，特别适用于你使用的 SFLP（Sensor Fusion Low Power）模块。
/*
* here application may initialize offset with latest values
* calculated from previous run and saved to non volatile memory.
*/
gbias.gbias_x = 0.0f;
gbias.gbias_y = 0.0f;
gbias.gbias_z = 0.0f;
lsm6dsv16x_sflp_game_gbias_set(&dev_ctx, &gbias);
读取四元数数据
FIFO_STATUS1（1Bh）和 FIFO_STATUS2（1Ch）寄存器中的 DIFF_FIFO [8:0] 字段包含在 FIFO 中收集的字（1 字节标签 + 6 字节数据）的数量。
/* Read watermark flag */
status=lsm6dsv16x_fifo_status_get(&dev_ctx, &fifo_status);
之后需要通过FIFO_DATA_OUT_TAG (78h)判断是什么数据准备好，当为SFLP game rotation vector(0X13)时候，为四元数准备完毕。
之后读取FIFO_DATA_OUT_X_L (79h)到FIFO_DATA_OUT_Z_H (7Eh)共6个字节数据，进行四元数读取。
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
uint16_t num = 0;
/* Read watermark flag */
lsm6dsv16x_fifo_status_get(&dev_ctx, &fifo_status);
if (fifo_status.fifo_th == 1) {
num = fifo_status.fifo_level;
printf( "-- FIFO num %d \r\n", num);
while (num--) {
lsm6dsv16x_fifo_out_raw_t f_data;
uint8_t *axis;
float_t quat[4];
float_t gravity_mg[3];
float_t gbias_mdps[3];
/* Read FIFO sensor value */
lsm6dsv16x_fifo_out_raw_get(&dev_ctx, &f_data);
switch (f_data.tag) {
case LSM6DSV16X_SFLP_GYROSCOPE_BIAS_TAG:
axis = &f_data.data[0];
gbias_mdps[0] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[0] | (axis[1] << 8));
gbias_mdps[1] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[2] | (axis[3] << 8));
gbias_mdps[2] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[4] | (axis[5] << 8));
printf("GBIAS [mdps]:%4.2f\t%4.2f\t%4.2f\r\n",
(double_t)gbias_mdps[0], (double_t)gbias_mdps[1], (double_t)gbias_mdps[2]);
break;
case LSM6DSV16X_SFLP_GRAVITY_VECTOR_TAG:
axis = &f_data.data[0];
gravity_mg[0] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[0] | (axis[1] << 8));
gravity_mg[1] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[2] | (axis[3] << 8));
gravity_mg[2] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[4] | (axis[5] << 8));
printf("Gravity [mg]:%4.2f\t%4.2f\t%4.2f\r\n",
(double_t)gravity_mg[0], (double_t)gravity_mg[1], (double_t)gravity_mg[2]);
break;
case LSM6DSV16X_SFLP_GAME_ROTATION_VECTOR_TAG:
sflp2q(quat, (uint16_t *)&f_data.data[0]);
printf("[%02x %02x %02x %02x %02x %02x] Game Rotation \tX: %2.3f\tY: %2.3f\tZ: %2.3f\tW: %2.3f\r\n",
f_data.data[0], f_data.data[1],f_data.data[2],f_data.data[3],f_data.data[4],f_data.data[5],
(double_t)quat[0], (double_t)quat[1], (double_t)quat[2], (double_t)quat[3]);
break;
default:
break;
}
}
printf("------ \r\n\r\n");
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
最后转换为姿态角。
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
uint16_t num = 0;
/* Read watermark flag */
lsm6dsv16x_fifo_status_get(&dev_ctx, &fifo_status);
if (fifo_status.fifo_th == 1) {
num = fifo_status.fifo_level;
sprintf((char *)tx_buffer, "-- FIFO num %d \r\n", num);
while (num--) {
lsm6dsv16x_fifo_out_raw_t f_data;
int16_t *axis;
float quat[4];
float gravity_mg[3];
float gbias_mdps[3];
/* Read FIFO sensor value */
lsm6dsv16x_fifo_out_raw_get(&dev_ctx, &f_data);
switch (f_data.tag) {
// case LSM6DSV16X_SFLP_GYROSCOPE_BIAS_TAG:
// axis = (int16_t *)&f_data.data[0];
// gbias_mdps[0] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[0]);
// gbias_mdps[1] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[1]);
// gbias_mdps[2] = lsm6dsv16x_from_fs125_to_mdps(axis[2]);
// printf("GBIAS [mdps]:%4.2f\t%4.2f\t%4.2f\r\n",
// (double_t)gbias_mdps[0], (double_t)gbias_mdps[1], (double_t)gbias_mdps[2]);
// break;
// case LSM6DSV16X_SFLP_GRAVITY_VECTOR_TAG:
// axis = (int16_t *)&f_data.data[0];
// gravity_mg[0] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[0]);
// gravity_mg[1] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[1]);
// gravity_mg[2] = lsm6dsv16x_from_sflp_to_mg(axis[2]);
// printf("Gravity [mg]:%4.2f\t%4.2f\t%4.2f\r\n",
// (double_t)gravity_mg[0], (double_t)gravity_mg[1], (double_t)gravity_mg[2]);
// break;
case LSM6DSV16X_SFLP_GAME_ROTATION_VECTOR_TAG:
sflp2q(quat, (uint16_t *)&f_data.data[0]);
// printf("Game Rotation \tX: %2.3f\tY: %2.3f\tZ: %2.3f\tW: %2.3f\r\n",
// (double_t)quat[0], (double_t)quat[1], (double_t)quat[2], (double_t)quat[3]);
float sx=quat[1];
float sy=quat[2];
float sz=quat[0];
float sw=quat[3];
if (sw< 0.0f)
{
sx*=-1.0f;
sy*=-1.0f;
sz*=-1.0f;
sw*=-1.0f;
}
float sqx = sx * sx;
float sqy = sy * sy;
float sqz = sz * sz;
float euler[3];
euler[0] = -atan2f(2.0f* (sy*sw+sx*sz), 1.0f-2.0f*(sqy+sqx));
euler[1] = -atan2f(2.0f * (sx*sy+sz*sw),1.0f-2.0f*(sqx+sqz));
euler[2] = -asinf(2.0f* (sx*sw-sy*sz));
if (euler[0] <0.0f)
euler[0] +=2.0f*3.1415926;
for(uint8_t i=0; i<3; i++){
euler[i] = 57.29578 * (euler[i]);
}
printf("euler[0]=%f,euler[1]=%f,euler[2]=%f\n",euler[0],euler[1],euler[2]);
break;
default:
break;
}
}
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
演示
