IMU 传感器示例说明

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简介

本示例展示了如何在 Titan Board Mini 上使用 LSM6DS3TR-C 六轴 IMU 传感器 实现惯性测量功能,通过 I2C 接口读取 3轴加速度计 和 3轴陀螺仪 数据,结合 RT-Thread 传感器框架 实现完整的传感器数据采集和处理。

主要功能包括：

  • 使用 LSM6DS3TR-C 实现 6 轴惯性测量

  • 读取 3 轴加速度计数据 (X/Y/Z)

  • 读取 3 轴陀螺仪数据 (X/Y/Z)

  • 支持多种量程和采样率配置

  • 集成 RT-Thread 传感器框架

硬件介绍

1. LSM6DS3TR-C IMU 传感器

Titan Board Mini 板载 LSM6DS3TR-C 高性能六轴 IMU 传感器：

参数

说明

型号

LSM6DS3TR-C

制造商

STMicroelectronics (意法半导体)

类型

6 轴 IMU (3轴加速度计 + 3轴陀螺仪)

接口

I2C / SPI

工作电压

1.71V - 3.6V

温度范围

-40°C ~ +85°C

封装

2.5mm x 3mm x 0.83mm LGA-14

2. 加速度计特性

LSM6DS3TR-C 内置高性能 3 轴加速度计：

  • 量程选择：±2g / ±4g / ±8g / ±16g

  • 分辨率：16-bit ADC

  • 输出数据率：1.6Hz - 6.66kHz

  • 噪声密度：90μg/√Hz

  • 零偏偏差：±40mg

  • 带宽：可配置 (通常 50Hz - 1.6kHz)

3. 陀螺仪特性

LSM6DS3TR-C 内置高精度 3 轴陀螺仪：

  • 量程选择：±125 / ±250 / ±500 / ±1000 / ±2000 dps

  • 分辨率：16-bit ADC

  • 输出数据率：1.6Hz - 6.66kHz

  • 噪声密度：3.8mdps/√Hz

  • 零偏稳定性：±5dps

  • 带宽：可配置

4. 主要功能

高级功能

  • FIFO 缓存：9KB FIFO,支持多种模式

  • 中断功能：运动唤醒、自由落体、6D方向检测

  • 传感器融合：内置低功耗传感器融合算法

  • 自检功能：支持自检模式

  • 低功耗模式：多种低功耗工作模式

数据处理

  • 硬件滤波：可配置数字滤波器

  • 数据融合：支持加速度计+陀螺仪数据融合

  • 时间戳：内置时间戳功能

  • 轮询/中断：支持轮询和中断数据读取

软件架构

1. 分层设计

IMU 传感器系统采用分层架构：

应用程序层 (用户代码)
    ↓
RT-Thread Sensor Framework - 传感器框架
    ↓
LSM6DS3TR-C Driver - IMU驱动
    ↓
Sensor HAL - 传感器硬件抽象层
    ↓
I2C/SPI Driver - I2C/SPI驱动
    ↓
FSP I2C/SPI HAL - 硬件抽象层

2. 核心组件

移植层接口

需要实现的平台相关接口 (lsm6ds3tr-c_port.c)：

/* I2C 读写接口 */
int32_t platform_write(void *handle, uint8_t reg, const uint8_t *bufp, uint16_t len);
int32_t platform_read(void *handle, uint8_t reg, uint8_t *bufp, uint16_t len);

/* 延时接口 */
void platform_delay(uint32_t ms);

RT-Thread 传感器框架

RT-Thread 提供的统一传感器设备接口：

/* 查找传感器设备 */
rt_device_t rt_device_find(const char *name);

/* 打开传感器设备 */
rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflags);

/* 读取传感器数据 */
rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size);

/* 接收传感器数据 */
rt_err_t rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev, rt_err_t (*rx_ind)(rt_device_t dev, rt_size_t size));

3. 工程结构

Titan_Mini_peripheral_imu/
├── src/
│   └── hal_entry.c          # 主程序入口 (RGB LED 闪灯演示)
└── packages/
    └── lsm6ds3tr/           # LSM6DS3TR-C 驱动包
        ├── lsm6ds3tr-c_reg.h    # 寄存器定义和驱动接口
        ├── lsm6ds3tr-c_reg.c    # 寄存器级驱动实现
        └── lsm6ds3tr-c_port.c   # 平台移植层 + INIT_APP_EXPORT 自动初始化 + MSH imu 命令

使用说明

1. 工作模式

本工程采用 开机自动初始化 + MSH 命令运行 的模式：

  • 开机时：RT-Thread 启动后由 INIT_APP_EXPORT 自动完成 LSM6DS3TR-C 的初始化（含 ID 检测、复位、ODR/满量程/滤波配置），用户无需手动 init。

  • 开机后：主线程只跑 RGB LED 闪灯演示，IMU 数据读取不自动运行，需要用户在 msh 输入命令才会读传感器。

这样既保证开机流程不被 IMU 采样死循环阻塞，也避免用户忘记初始化。

2. MSH 命令

烧录后,在串口终端（msh />）输入以下命令：

命令

说明

imu

读取并打印一次传感器信息（含姿态解析）

imu start [ms]

开始周期性采样，可选周期（默认 1000ms，最小 50ms）

imu stop

停止周期性采样

示例：

msh /> imu start 500        # 每 500ms 输出一帧
msh /> imu stop             # 停止采样
msh /> imu                  # 单次打印

3. 数据输出格式

每帧输出包含 3 轴加速度、3 轴角速度、温度，以及解析后的合矢量与姿态角：

------ LSM6DS3TR-C Sample ------
Accel  (mg) : X=  -12.0  Y=   35.0  Z=  998.0  | |a|= 998.7
Gyro   (dps): X=  0.02  Y=  -0.01  Z=   0.03  | |w|=  0.04
Temp   (C)  :  28.45
Tilt   (deg): pitch= -0.69  roll=  2.01  (static estimate)
--------------------------------

  • Accel：三轴加速度 (mg)，|a| 为加速度合矢量（静止时约 1000mg ≈ 1g）

  • Gyro：三轴角速度 (dps)，|w| 为角速度合矢量

  • Temp：板载温度 (℃)

  • Tilt：由重力分量估算的 pitch / roll 姿态角（仅静止时有效，动态下需结合陀螺仪做融合）

4. 初始化流程说明

开机自动初始化内部完成：

  1. 通过 I2C (i2c1, 7 位地址 0x6A) 查找设备并校验 WHO_AM I (期望 0x6A)

  2. 触发软件复位并等待复位完成

  3. 打开块数据更新 (BDU)

  4. 设置加速度计/陀螺仪 ODR = 12.5Hz，满量程 ±2g / ±2000dps

  5. 配置加速度计模拟滤波 + LPF2，陀螺仪带通滤波

  6. 初始化成功后打印 [imu] auto-init OK

初始化函数 lsm6ds3_init() 同样导出，可在代码中手动调用（例如改 ODR 后重新初始化）。

配置说明

1. Kconfig 配置

在 libraries/M85_Config/Kconfig 中配置 IMU 选项：

menuconfig BSP_USING_IMU
    bool "Enable IMU (LSM6DS3TR-C)"
    select BSP_USING_I2C2
    default n
    if BSP_USING_IMU
        config BSP_IMU_I2C_BUS
            string "I2C bus name"
            default "i2c2"

        config BSP_IMU_ACC_ODR
            int "Accelerometer ODR (Hz)"
            default 104

        config BSP_IMU_GYRO_ODR
            int "Gyroscope ODR (Hz)"
            default 104
    endif

2. RT-Thread Settings

在 RT-Thread Studio 中,需要启用以下组件：

  1. 设备驱动

    • 启用 I2C 设备驱动

    • 配置 I2C2 接口

  2. 传感器

    • 启用 RT-Thread Sensor 框架

    • 启用 Accel (加速度计) 传感器

    • 启用 Gyro (陀螺仪) 传感器

  3. 软件包

    • 添加 LSM6DS3TR-C 驱动包

运行效果

1. 开机启动信息

复位 Titan Board Mini 后,串口首先输出系统启动和 IMU 自动初始化信息：

Hello RT-Thread!
==================================================
Titan Mini peripheral IMU demo
  - LED RGB blink runs on boot
  - LSM6DS3TR-C IMU auto-init on boot, commands:
      imu                 read & print one sample
      imu start [ms]      start periodic sampling
      imu stop            stop periodic sampling
==================================================
\ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     5.x.x build ...
...
[imu] device detected, id=0x6A
[imu] initialized: ODR=12.5Hz, FS=±2g/±2000dps
[imu] auto-init OK, run 'imu' to read sample
msh />

随后 msh 就绪，此时 LED 在跑 RGB 闪灯，IMU 待命。

2. IMU 命令运行效果

输入 imu start 1000 后周期性输出：

image1

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