## 實作九軸慣性感測器於Unity內即時無線傳輸控制方塊
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[**HACKMD Link**](https://hackmd.io/@J-T-LEE/IMU-BNO055)
[**GITHUB Link**](https://github.com/bmpsst511/Arduino_Wireless_Sensors/tree/master/IMU%20BNO055)
九軸慣性感測器主要構成有：三軸加速度計、三軸MEMS陀螺儀、三軸磁力計。
**三軸MEMS陀螺儀**：同時測定6個方向的位置，移動軌跡，加速。單軸的只能測量一個方向的量，也就是一個系統需要三個陀螺儀，而3軸的一個就能替代三個單軸的。 3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好，是MEMS陀螺的發展趨勢。
**三軸壓電式加速度感測器**： 加速度計基本原理就是高中學過的力學知識，力和加速度的方向一致。
可以想像一個小球裝在一個感應的小盒子裡。水平放置的時候，重力使得小球與下表面接觸，下表面會產生一個向上的力，與重力相抵消，則產生一個向上的加速度，大小為G。我們假設IMU的測量範圍是正負16G，則測得向上加速度為16個G的時候，真實物體向上的加速度只有15個G。反之，向下測得有16個G的時候，真實加速度有17個G。
**三軸磁力計**： 磁力計是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁力計廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場和其他參數。
**轉換概念**：在n系中，加速度計輸出為，經過bCn（用四元數表示的轉換矩陣）轉換之後到b系中的值為；在b系中，加速度計的測量值為，現在和均表示在b系中的豎直向下的向量，由此，我們來做向量積（叉積），得到誤差，利用這個誤差來修正bCn矩陣，於是四元數就在這樣一個過程中被修正了。但是，由於加速度計無法感知z軸上的旋轉運動，所以還需要用地磁計來進一步補償。
加速度計在靜止時測量的是重力加速度，是有大小和方向的；同理，地磁計同樣測量的是地球磁場的大小和方向，只不過這個方向不再是豎直向下，而是與x軸（或者y軸）呈一個角度，與z軸呈一個角度。記作，假設x軸對準北邊，所以by=0，即。倘若知道bx和bz的精確值，那麼就可以採用和加速度計一樣的修正方法來修正。只不過在加速度計中，在n系中的參考向量是，變成了地磁計的。如果我們知道bx和bz的精確值，那麼就可以擺脫掉加速度計的補償，直接用地磁計和陀螺儀進行姿態解算，但是你看過誰只用陀螺儀和地磁計進行姿態解算嗎？沒有，因為沒人會去測量當地的地磁場相對於東北天坐標的夾角，也就是bx和bz（插曲：關於這個bx和bz的理解：可以對比重力加速度的理解，就像vx vy vz似的，因為在每一處的歸一化以後的重力加速度都是0 0 1然後旋轉到機體坐標系，而地球每一處的地磁大小都不一樣的，不能像重力加速度那樣直接旋轉得到了，只能用磁力計測量到的數據去強制擬合。）。那麼現在怎麼辦？前面已經講了，姿態解算就是求解旋轉矩陣，這個矩陣的作用就是將b系和n正確的轉化直到重合。現在我們假設nCb旋轉矩陣是經過加速度計校正後的矩陣，當某個確定的向量（b系中）經過這個矩陣旋轉之後（到n系），這兩個坐標系在XOY平面上重合，只是在z軸旋轉上會存在一個偏航角的誤差。
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實作
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### Fritzing 元件導入檔鏈結
[Adafruit](https://github.com/adafruit/Fritzing-Library) and
[NodeMCU](https://github.com/roman-minyaylov/nodemcu-v3-fritzing)
感測器有別於一般常使用的**MPU6050,9150,9255**等，採用的是**Adafruit BNO055**
開發板則使用**NodeMCU V3**達到資料無線傳輸的目的。
上圖為**NodeMCU V3**與**Adafruit BNO055**在軟體**Fritzing**內所繪的接線圖
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### 程式碼
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#### Arduino Adafruit Library安裝
[Adafruit_Sensor](https://github.com/adafruit/Adafruit_Sensor)
[Adafruit_BNO055](https://github.com/adafruit/Adafruit_BNO055)
**Code Part**↓
```clike=
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BNO055.h>
#include <utility/imumaths.h>
String PoseX, PoseY, PoseZ;
/* Set the delay between fresh samples */
#define BNO055_SAMPLERATE_DELAY_MS (100)
Adafruit_BNO055 bno = Adafruit_BNO055(55);
/**************************************************************************/
/*
Displays some basic information on this sensor from the unified
sensor API sensor_t type (see Adafruit_Sensor for more information)
*/
/**************************************************************************/
void displaySensorDetails(void)
{
sensor_t sensor;
bno.getSensor(&sensor);
Serial.println("------------------------------------");
Serial.print ("Sensor: "); Serial.println(sensor.name);
Serial.print ("Driver Ver: "); Serial.println(sensor.version);
Serial.print ("Unique ID: "); Serial.println(sensor.sensor_id);
Serial.print ("Max Value: "); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(" xxx");
Serial.print ("Min Value: "); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(" xxx");
Serial.print ("Resolution: "); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(" xxx");
Serial.println("------------------------------------");
Serial.println("");
delay(500);
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("Orientation Sensor Test"); Serial.println("");
pinMode(TouchSensor, INPUT);
/* Initialise the sensor */
if(!bno.begin())
{
/* There was a problem detecting the BNO055 ... check your connections */
Serial.print("Ooops, no BNO055 detected ... Check your wiring or I2C ADDR!");
while(1);
}
/* Use external crystal for better accuracy */
bno.setExtCrystalUse(true);
/* Display some basic information on this sensor */
displaySensorDetails();
}
void loop() {
/* Get a new sensor event */
sensors_event_t event;
bno.getEvent(&event);
imu::Vector<3> euler = bno.getVector(Adafruit_BNO055::VECTOR_EULER);
/* Board layout:
+----------+
| *| RST PITCH ROLL HEADING
ADR |* *| SCL
INT |* *| SDA ^ /->
PS1 |* *| GND | |
PS0 |* *| 3VO Y Z--> \-X
| *| VIN
+----------+
*/
/* The processing sketch expects data as roll, pitch, heading */
Serial.print((int)euler.x());Serial.print(";");
Serial.print((int)euler.y());Serial.print(";");
Serial.print((int)euler.z());Serial.print("\t");
PoseX = (int)euler.x();
PoseY = (int)euler.y();
PoseZ = (int)euler.z();
/* Also send calibration data for each sensor. */
uint8_t sys, gyro, accel, mag = 3;
bno.getCalibration(&sys, &gyro, &accel, &mag);
/* Serial.print(F("Calibration: "));
Serial.print(sys, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.print(gyro, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.print(accel, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.println(mag, DEC);*/
Serial.print("\r\n");
delay(BNO055_SAMPLERATE_DELAY_MS);
}
```
---
無線傳輸 Wireless Transmission
---
NodeMCU為客戶端，使用UDP架構來傳輸慣性感測器資料。
NodeMCU set as a client and carries out the wireless data transmission with UDP protocol.
```clike=
/** WIFI LIBRARY PART**/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>
#include <WiFiUDP.h>
/** WIFI LIBRARY PART**/
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BNO055.h>
#include <utility/imumaths.h>
#include <Servo.h>
/** WIFI分享器設定 **/
const char* ssid ="你看不到我";
const char* password = "你以為我會打出來嗎...!?";
const char ip[]="192.168.XX.XXX"; //分享器給你Server的IP位址
/** WIFI分享器設定 **/
String PoseX, PoseY, PoseZ;
/* Set the delay between fresh samples */
#define BNO055_SAMPLERATE_DELAY_MS (100)
Adafruit_BNO055 bno = Adafruit_BNO055(55);
/** 指定Port 且設置為客戶端**/
WiFiServer server(27);
WiFiUDP Client;
/** 指定Port 且設置為客戶端**/
/**************************************************************************/
/*
Displays some basic information on this sensor from the unified
sensor API sensor_t type (see Adafruit_Sensor for more information)
*/
/**************************************************************************/
void displaySensorDetails(void)
{
sensor_t sensor;
bno.getSensor(&sensor);
Serial.println("------------------------------------");
Serial.print ("Sensor: "); Serial.println(sensor.name);
Serial.print ("Driver Ver: "); Serial.println(sensor.version);
Serial.print ("Unique ID: "); Serial.println(sensor.sensor_id);
Serial.print ("Max Value: "); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(" xxx");
Serial.print ("Min Value: "); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(" xxx");
Serial.print ("Resolution: "); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(" xxx");
Serial.println("------------------------------------");
Serial.println("");
delay(500);
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
/** 上電後執行WIFI連線與顯示相關資訊**/
WiFi.mode(WIFI_STA);
Serial.println("Orientation Sensor Test"); Serial.println("");
WiFi.begin(ssid,password);
Serial.println("Connecting");
while(WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.print("Connected to ");
Serial.println(ssid);
Serial.print("IP Address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
// Start the UDP client
Client.begin(27);
/** 上電後執行WIFI連線與顯示相關資訊**/
/* Initialise the sensor */
if(!bno.begin())
{
/* There was a problem detecting the BNO055 ... check your connections */
Serial.print("Ooops, no BNO055 detected ... Check your wiring or I2C ADDR!");
while(1);
}
/* Use external crystal for better accuracy */
bno.setExtCrystalUse(true);
/* Display some basic information on this sensor */
displaySensorDetails();
}
void loop() {
/*Get a new sensor event */
sensors_event_t event;
bno.getEvent(&event);
imu::Vector<3> euler = bno.getVector(Adafruit_BNO055::VECTOR_EULER);
/* Board layout:
+----------+
| *| RST PITCH ROLL HEADING
ADR |* *| SCL
INT |* *| SDA ^ /->
PS1 |* *| GND | |
PS0 |* *| 3VO Y Z--> \-X
| *| VIN
+----------+
*/
/* The processing sketch expects data as roll, pitch, heading */
Serial.print((int)euler.x());Serial.print(";");
Serial.print((int)euler.y());Serial.print(";");
Serial.print((int)euler.z());Serial.print("\t");
PoseX = (int)euler.x();
PoseY = (int)euler.y();
PoseZ = (int)euler.z();
/* Also send calibration data for each sensor. */
uint8_t sys, gyro, accel, mag = 3;
bno.getCalibration(&sys, &gyro, &accel, &mag);
/* Serial.print(F("Calibration: "));
Serial.print(sys, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.print(gyro, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.print(accel, DEC);
Serial.print(F(" "));
Serial.println(mag, DEC);*/
Serial.print("\r\n");
/**開始發送資料給Server端 **/
// Send the distance to the client, along with a break to separate our messages
Client.beginPacket(ip,27); //前面指定的Port
Client.println(PoseX+";"+PoseY+";"+PoseZ);
Client.endPacket();
delay(BNO055_SAMPLERATE_DELAY_MS);
/**開始發送資料給Server端 **/
}
```
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Unity 接收並控制方塊旋轉
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{%youtube NqKCRLLRfbo %}
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Unity程式碼↓
---
```clike=
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
//引入庫
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;
public class IMU_Unity_Server : MonoBehaviour
{
//以下默認都是私有的成員
Socket socket; //目標socket
EndPoint clientEnd; //客户端
IPEndPoint ipEnd; //偵聽端口
public float yaw, pitch, roll;
string recvStr; //接收的字符串
string sendStr; //發送的字符串
byte[] recvData = new byte[1024]; //接收的數據，必須為字節
byte[] sendData = new byte[1024]; //發送的數據，必須為字節
int recvLen; //接收的數據長度
Thread connectThread; //連接線程
void InitSocket()
{
//定義偵聽端口,偵聽任何IP
ipEnd = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 28);
//定義套接字類型,在主線程中定義
socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
//服務端需要綁定ip
socket.Bind(ipEnd);
//定義客戶端
IPEndPoint sender = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
clientEnd = (EndPoint)sender;
print("waiting for UDP dgram");
//開啟一個線程連接，必須的，否則主線程卡死
connectThread = new Thread(new ThreadStart(SocketReceive));
connectThread.Start();
}
void SocketReceive()
{
//進入接收循環
while (true)
{
//對data清零
recvData = new byte[1024];
//獲取客戶端，獲取客戶端數據，用引用給客戶端賦值
recvLen = socket.ReceiveFrom(recvData, ref clientEnd);
//print("message from: " + clientEnd.ToString()); //列印客户端信息
//輸出接收到的數據
recvStr = Encoding.ASCII.GetString(recvData, 0, recvLen);
//print(recvStr);
char[] splitChar = { ' ', ',', ':', '\t', ';' };
string[] dataRaw = recvStr.Split(splitChar);
yaw = float.Parse(dataRaw[0]);
pitch = float.Parse(dataRaw[1]);
roll = float.Parse(dataRaw[2]);
}
}
//連接關閉
void SocketQuit()
{
//關閉線程
if (connectThread != null)
{
connectThread.Interrupt();
connectThread.Abort();
}
//最後關閉socket
if (socket != null)
socket.Close();
print("disconnect");
}
// Start is called before the first frame update
void Start()
{
InitSocket(); //在這裡初始化server
}
// Update is called once per frame
void FixedUpdate()
{
//print(FlexVal);
this.transform.rotation = Quaternion.Euler(roll, yaw, pitch);//BNO055
}
void OnApplicationQuit()
{
SocketQuit();
}
}
```
Reference
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[DCM IMU:Theory Drift cancellation](http://www.ent.mrt.ac.lk/~rohan/teaching/EN4562/LectureNotes/Lec%203%20IMU%20Theory.pdf)
[Adafruit](https://learn.adafruit.com/adafruit-bno055-absolute-orientation-sensor/arduino-code)
###### tags: `GITHUB`
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