Micro IMU Library (Micro_IMU_Lib)

一个轻量级、易于移植的微型IMU（惯性测量单元）姿态解算库，适用于嵌入式系统和资源受限环境。

✨ 特性

• 姿态角解算：实时计算Roll、Pitch、Yaw欧拉角
• 加速度计矫正：可选的重力加速度补偿，提高姿态解算精度
• 绝对加速度解算：计算与IMU姿态无关的绝对坐标系加速度
• 多IMU支持：灵活的多IMU实例管理
• 多种姿态表示：支持四元数、旋转矩阵、欧拉角等多种姿态表示方式
• 轻量级设计：代码简洁，内存占用小，适合嵌入式系统
• 易于移植：纯C语言实现，无外部依赖

📁 项目结构

Micro_IMU_Lib/
├── micro_imu_lib.h     # 核心库头文件
├── micro_imu_lib.c     # 核心库实现
├── imu_api.h          # 高级API头文件
├── imu_api.c          # 高级API实现
├── LICENSE            # GPLv3许可证
└── README.md          # 项目说明文档

🚀 快速开始

1. 集成到项目

将以下文件添加到您的项目中：

• micro_imu_lib.h
• micro_imu_lib.c
• imu_api.h (可选)
• imu_api.c (可选)

2. 基本使用示例

#include "micro_imu_lib.h"
#include <stdio.h>

int main() {
    // 初始化IMU句柄
    MIL_Handle_t imu_handle;
    mil_handle_init(&imu_handle);
    
    // 模拟传感器数据（单位：rad/s, m/s², s）
    float gx = 0.1f;   // X轴角速度
    float gy = 0.05f;  // Y轴角速度
    float gz = 0.02f;  // Z轴角速度
    float ax = 0.0f;   // X轴加速度
    float ay = 0.0f;   // Y轴加速度
    float az = 9.8f;   // Z轴加速度（重力）
    float time = 0.01f; // 时间戳
    
    // 设置传感器数据
    mil_get_imu(&imu_handle, gx, gy, gz, ax, ay, az, time);
    
    // 运行姿态解算
    mil_while_run(&imu_handle);
    
    // 获取姿态角
    float roll, pitch, yaw;
    mil_get_ang(&imu_handle, &roll, &pitch, &yaw);
    
    printf("姿态角: Roll=%.2f°, Pitch=%.2f°, Yaw=%.2f°\n", roll, pitch, yaw);
    
    // 获取绝对加速度
    float aax, aay, aaz;
    mil_get_aaccel(&imu_handle, &aax, &aay, &aaz);
    printf("绝对加速度: X=%.2f, Y=%.2f, Z=%.2f m/s²\n", aax, aay, aaz);
    
    return 0;
}

3. 使用高级API

#include "imu_api.h"

// 初始化IMU系统
imu_api_init();

// 在主循环中运行
while (1) {
    // 读取传感器数据并解算
    imu_api_run();
    
    // 获取姿态角
    float roll, pitch, yaw;
    imu_api_get_attu(&roll, &pitch, &yaw);
    
    // 获取绝对加速度
    float aax, aay, aaz;
    imu_api_get_accel(&aax, &aay, &aaz);
    
    // 处理数据...
}

📚 API 文档

核心库 API

数据结构

// IMU传感器数据
typedef struct {
    float ax, ay, az;  // 加速度 (m/s²)
    float gx, gy, gz;  // 角速度 (rad/s)
    float time;        // 时间戳 (s)
} MIL_IMU_t;

// 四元数
typedef struct {
    float w, x, y, z;  // 四元数分量
} MIL_Quat_t;

// 旋转矩阵
typedef struct {
    float R11, R12, R13;
    float R21, R22, R23;
    float R31, R32, R33;
} MIL_RotMat_t;

// 姿态角（欧拉角）
typedef struct {
    float roll;   // 横滚角 (°)
    float pitch;  // 俯仰角 (°)
    float yaw;    // 偏航角 (°)
} MIL_AttiAng_t;

// 绝对坐标系加速度
typedef struct {
    float x, y, z;  // 绝对加速度 (m/s²)
} MIL_AcceAbs_t;

// IMU句柄（包含所有数据）
typedef struct {
    MIL_IMU_t imuData;      // 传感器数据
    MIL_Quat_t quat;        // 四元数
    MIL_RotMat_t rotMat;    // 旋转矩阵
    MIL_AttiAng_t attiAng;  // 姿态角
    MIL_AcceAbs_t acceAbs;  // 绝对加速度
} MIL_Handle_t;

函数接口

// 初始化IMU句柄
void mil_handle_init(MIL_Handle_t* p);

// 设置传感器数据
// 参数：gx,gy,gz - 角速度 (rad/s)
//       ax,ay,az - 加速度 (m/s²)
//       time - 时间戳 (s)
void mil_get_imu(MIL_Handle_t* p, float gx, float gy, float gz, 
                 float ax, float ay, float az, float time);

// 获取绝对坐标系加速度
void mil_get_aaccel(MIL_Handle_t* p, float* aax, float* aay, float* aaz);

// 获取欧拉角
void mil_get_ang(MIL_Handle_t* p, float* roll, float* pitch, float* yaw);

// 运行姿态解算（应在主循环中调用）
void mil_while_run(MIL_Handle_t* p);

高级API

// 初始化IMU系统
void imu_api_init();

// 运行IMU解算（读取传感器数据并解算）
void imu_api_run();

// 获取姿态角
void imu_api_get_attu(float* roll, float* pitch, float* yaw);

// 获取绝对加速度
void imu_api_get_accel(float* aax, float* aay, float* aaz);

⚙️ 配置选项

在 micro_imu_lib.c 中可配置以下参数：

// 是否计算绝对坐标系加速度
#define EN_ACC_ABS 1

// 是否使用重力加速度修正
#define EN_ACC_FIX 1

// 重力系数 (m/s²)
#define GRAV_FACT 9.8

// 加速度计修正系数最大值
#define ACC_FIX_FACT_MAX 0.8

// 加速度计修正指数衰减系数
#define ATTEN_FACT 100

🔧 移植指南

1. 传感器接口适配

您需要实现传感器读取接口。参考 imu_api.c 中的示例：

// 需要实现的传感器接口
float read_accel_x();    // 读取X轴加速度 (g)
float read_accel_y();    // 读取Y轴加速度 (g)
float read_accel_z();    // 读取Z轴加速度 (g)
float read_gyro_x();     // 读取X轴角速度 (°/s)
float read_gyro_y();     // 读取Y轴角速度 (°/s)
float read_gyro_z();     // 读取Z轴角速度 (°/s)
float get_timestamp();   // 获取时间戳 (s)

2. 单位转换

库使用以下单位：

• 加速度：m/s²
• 角速度：rad/s
• 时间：秒

如果您的传感器使用其他单位，需要进行转换：

• g → m/s²：乘以 9.8
• °/s → rad/s：乘以 0.0174533

📊 算法原理

姿态解算流程

1. 传感器数据读取：获取加速度计和陀螺仪数据
2. 加速度计矫正：使用重力向量修正陀螺仪漂移
3. 四元数积分：使用陀螺仪数据进行四元数更新
4. 归一化处理：保持四元数单位长度
5. 姿态转换：四元数 → 旋转矩阵 → 欧拉角
6. 绝对加速度计算：将加速度转换到绝对坐标系

加速度计矫正算法

当IMU接近静止状态时（加速度模长接近重力加速度），使用加速度计测量的重力方向来修正陀螺仪的累积误差。修正系数根据加速度模长与重力加速度的差异动态调整。

🧪 测试与验证

编译测试

# 使用GCC编译测试程序
gcc -o test_imu test_imu.c micro_imu_lib.c -lm
./test_imu

性能考虑

• 内存占用：每个IMU实例约 200 字节
• 计算复杂度：O(1) 时间复杂度，适合实时系统
• 浮点运算：使用单精度浮点数，可在支持FPU的MCU上高效运行

代码规范

• 使用有意义的变量名和函数名
• 添加必要的注释
• 保持代码简洁和可读性
• 遵循现有的代码风格

📄 许可证

本项目采用 GNU General Public License v3.0 许可证。详情请参阅 LICENSE 文件。

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Micro IMU Library - 让嵌入式IMU开发更简单！