零知开源——STM32F103RBT6驱动 ICM20948 九轴传感器及 vofa + 上位机可视化教程

STM32F1

        本教程使用零知标准板（STM32F103RBT6）通过I2C驱动ICM20948九轴传感器，实现姿态解算，并通过串口将数据实时发送至VOFA+上位机进行3D可视化。代码基于开源库修改优化，适合嵌入式及物联网开发者。在基础驱动上新增滤波参数优化，重点解决yaw值漂移问题，提供完整的参数调优方案和效果对比。

目录

STM32F1

一、硬件准备

二、软件环境搭建

三、核心代码实现

四、VOFA+上位机配置

五、滤波参数优化与动态效果对比

六、效果演示

七、 效果验证与结论

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一、硬件准备

1.硬件清单

• 零知标准板（主控STM32F103RBT6）

• ICM20948九轴传感器模块

• USB转串口模块（用于调试和数据传输）

• 杜邦线若干

2.接线方式

ICM20948引脚	零知开发板引脚
VCC	3.3V
GND	GND
SDA	A4
SCL	A5

硬件连接图

连接实物图 

注意：确保I2C引脚正确，避免接反导致芯片损坏。

二、软件环境搭建

开发环境

• 零知 IDE + 零知开发板支持包

• 所需库文件:

      AHRSAlgorithms.cpp（姿态解算库）

      ICM20948.cpp（传感器驱动库）

库文件关键功能

• AHRSAlgorithms.cpp

                Madgwick/Mahony滤波算法

                四元数实时输出 getQ()

                参数可调：Kp、Ki、beta

• ICM20948.cpp

                I2C通信底层驱动

                自动量程配置（加速度计±2/4/8/16g，陀螺仪±250/500/1000/2000dps）

                磁力计初始化 initAK09916()

                校准函数 calibrateICM20948()

三、核心代码实现

主程序框架 

(ICM20948_VOFA.ino)

/* ICM20948完整优化代码 */
#include "AHRSAlgorithms.h"
#include "ICM20948.h"#define AHRS true
#define SerialDebug true int myLed = LED_BUILTIN;  
ICM20948 myIMU;void setup() {pinMode(myLed, OUTPUT);digitalWrite(myLed, HIGH);Serial.begin(115200);Wire.begin();// 初始化与自检if(myIMU.begin()) {Serial.println("ICM20948初始化成功");// 执行两级校准myIMU.calibrateICM20948(myIMU.gyroBias, myIMU.accelBias);float magBias[3], magScale[3];myIMU.magCalICM20948(magBias, magScale);// 设置优化分辨率myIMU.getAres(); myIMU.getGres();myIMU.getMres();} else {Serial.println("传感器初始化失败!");while(1);}
}void loop() {// 数据读取if (myIMU.readByte(ICM20948_ADDRESS, INT_STATUS_1) & 0x01) {myIMU.readAccelData(myIMU.accelCount);myIMU.readGyroData(myIMU.gyroCount);myIMU.readMagData(myIMU.magCount);// 单位转换myIMU.ax = (float)myIMU.accelCount[0] * myIMU.aRes;myIMU.ay = (float)myIMU.accelCount[1] * myIMU.aRes;myIMU.az = (float)myIMU.accelCount[2] * myIMU.aRes;myIMU.gx = (float)myIMU.gyroCount[0] * myIMU.gRes;myIMU.gy = (float)myIMU.gyroCount[1] * myIMU.gRes;myIMU.gz = (float)myIMU.gyroCount[2] * myIMU.gRes;myIMU.mx = (float)myIMU.magCount[0] * myIMU.mRes - myIMU.magBias[0];myIMU.my = (float)myIMU.magCount[1] * myIMU.mRes - myIMU.magBias[1];myIMU.mz = (float)myIMU.magCount[2] * myIMU.mRes - myIMU.magBias[2];}// 更新时间基准myIMU.updateTime();// 姿态解算（使用优化参数）MahonyQuaternionUpdate(myIMU.ax, myIMU.ay, myIMU.az,myIMU.gx * DEG_TO_RAD, myIMU.gy * DEG_TO_RAD,myIMU.gz * DEG_TO_RAD,myIMU.my, myIMU.mx, myIMU.mz, // 轴序修正myIMU.deltat);// 转换为欧拉角const float* q = getQ();myIMU.yaw   = atan2(2.0f*(q[1]*q[2] + q[0]*q[3]), q[0]*q[0] + q[1]*q[1] - q[2]*q[2] - q[3]*q[3]) * RAD_TO_DEG;myIMU.pitch = -asin(2.0f*(q[1]*q[3] - q[0]*q[2])) * RAD_TO_DEG;myIMU.roll  = atan2(2.0f*(q[0]*q[1] + q[2]*q[3]),q[0]*q[0] - q[1]*q[1] - q[2]*q[2] + q[3]*q[3]) * RAD_TO_DEG;// 发送到VOFA+Serial.print(myIMU.yaw, 1);   // yawSerial.print(",");Serial.print(myIMU.pitch, 1); // pitchSerial.print(",");Serial.println(myIMU.roll, 1);// rolldelay(10); // 100Hz输出
}

 关键配置修改

 在 ICM20948.cpp 中调整量程（根据应用需求）：

// 加速度计量程 (AFS_2G/AFS_4G/AFS_8G/AFS_16G)
void ICM20948::getAres()
{switch (Ascale){// Possible accelerometer scales (and their register bit settings) are:// 2 Gs (00), 4 Gs (01), 8 Gs (10), and 16 Gs  (11).// Here's a bit of an algorith to calculate DPS/(ADC tick) based on that// 2-bit value:case AFS_2G:aRes = 2.0f / 32768.0f;break;case AFS_4G:aRes = 4.0f / 32768.0f;break;case AFS_8G:aRes = 8.0f / 32768.0f;break;case AFS_16G:aRes = 16.0f / 32768.0f;break;}
}// 陀螺仪量程 (GFS_250DPS/GFS_500DPS/GFS_1000DPS/GFS_2000DPS)
void ICM20948::getGres()
{switch (Gscale){// Possible gyro scales (and their register bit settings) are:// 250 DPS (00), 500 DPS (01), 1000 DPS (10), and 2000 DPS (11).// Here's a bit of an algorith to calculate DPS/(ADC tick) based on that// 2-bit value:case GFS_250DPS:gRes = 250.0f / 32768.0f;break;case GFS_500DPS:gRes = 500.0f / 32768.0f;break;case GFS_1000DPS:gRes = 1000.0f / 32768.0f;break;case GFS_2000DPS:gRes = 2000.0f / 32768.0f;break;}
}

四、VOFA+上位机配置

数据协议设置

• 选择 FireWater 协议

• 格式：q0, q1, q2（逗号分隔+换行符）

• 波特率：115200

控件添加

• 3D立方体：显示实时姿态

                绑定四元数数据通道

                设置模型缩放比例

• 波形图：各轴角速度/加速度

• 仪表盘：显示偏航角（Yaw）

界面效果

实时显示传感器3D姿态及运动波形

五、滤波参数优化与动态效果对比

1.传感器校准

float gyroBias[3], accelBias[3];
IMU.calibrateICM20948(gyroBias, accelBias); // 上电时执行一次

2.问题现象

使用默认参数(Kp=5.0, Ki=0.1)时，VOFA+显示yaw值持续漂移（约2-5°/s），动态运动时零漂明显

3.优化方案：

 在AHRSAlgorithms.h中调整Mahony滤波参数：

// 原参数（漂移明显）
// #define Kp 2.0f * 5.0f
// #define Ki 0.0f// 优化参数（大幅改善漂移）
#define Kp 3.0f    // 降低比例增益，减少高频噪声响应
#define Ki 0.1f   // 降低积分增益，抑制累积误差

效果对比：

参数状态	Yaw漂移率	VOFA+动态表现
默认(Kp=10f,Ki=0.0f)	2-5°/s	静止时缓慢旋转，运动后复位慢
优化(Kp=3.0f,Ki=0.1f)	<0.5°/s	静止稳定，运动后快速收敛

4.优化后效果

参数调整原理：

Kp过高：对加速度计噪声敏感，导致高频抖动

Ki过高：积分累积误差引起零漂

黄金比例：Kp/Ki ≈ 20-30 时平衡动态响应与稳定性

六、效果演示

静态测试

• 传感器平放时，VOFA+显示俯仰角/横滚角接近0°

• Z轴加速度≈9.8 m/s²

动态测试

• 旋转开发板，3D模型同步跟随

• 快速晃动时波形图显示各轴加速度变化

ICM20948九轴传感器动态测试

输出速率调优

• ICM20948原始数据输出率约100Hz(10ms/次)

• 当delt_t=60ms时，姿态解算循环(16.7Hz)与传感器更新周期不同步

• 导致部分数据帧被重复使用或跳过

完整工程代码

百度网盘获取完整工程文件，链接如下:

零知标准板驱动ICM20948项目工程https://pan.baidu.com/s/11tr8XJvNrNernqwK1zA9Mw?pwd=pbxd 

七、 效果验证与结论

测试结果

指标	优化前	优化后
静态yaw漂移	2-5°/s	<0.5°/s
动态收敛时间	>3s	<1s
高温稳定性	漂移增加300%	漂移增加<50%

结论：

• 通过调整Kp/Ki比例可有效抑制yaw漂移
• 磁力计轴序修正提升方位角精度
• VOFA+可视化提供直观参数调优依据
• 三阶段校准确保全温度范围稳定性

 ✔(●'◡'●)

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