陀螺仪(IMU)使用指南（IMU Guide）

1. 什么是 IMU？

IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）是一种能够测量物体运动状态的传感器。在 FTC 比赛中，IMU 通常指的是内置在控制中心（Control Hub 或 Expansion Hub）内部的陀螺仪传感器。IMU 能够测量机器人的旋转角度、旋转速度以及加速度等数据。

简单来说，IMU 就像人类的"平衡感"，让机器人能够知道自己的朝向、倾斜状态和运动情况。

注意：自 2022 年 9 月起，REV Robotics 开始在 Control Hub 中使用新型 IMU 芯片 BHI260AP，替代原来的 BNO055 芯片。本指南适用于两种芯片，但使用新 IMU 需要确保 SDK 版本在 8.1 或以上，且 Control Hub 操作系统在 1.1.3 或以上。

2. 为什么需要使用 IMU？

在 FTC 比赛中，IMU 有以下几个重要应用：

精确转向：帮助机器人进行精确角度的转弯（例如旋转恰好 90 度）
直线行驶：即使在不平坦的地面上也能保持直线行驶
机器人状态监测：检测机器人是否处于预期的角度或判断是否翻倒
高级自动导航：实现更复杂的自动化移动路径
连接自动阶段和遥控阶段：保存机器人在自动阶段结束时的朝向，在遥控阶段继续使用

3. 机器人坐标系统

在使用 IMU 前，需要理解机器人的坐标系统。FTC 使用的是机器人中心坐标系统，包含三个互相垂直的轴：

Z 轴：垂直向上指向天花板
Y 轴：指向机器人的前方（由团队自行定义哪个方向是"前"）
X 轴：指向机器人的右侧

小贴士：在机器人上贴一个"前进方向"的标签，可以避免团队成员对方向的混淆。

4. 三种关键旋转角度

IMU 可以测量机器人围绕三个轴的旋转角度：

偏航角(Yaw)：机器人围绕 Z 轴的旋转角度，也称为航向角(Heading)
- 测量机器人左右转动的角度
- 逆时针旋转为正值，顺时针旋转为负值
- 范围：-180 度到+180 度
俯仰角(Pitch)：机器人围绕 X 轴的旋转角度
- 测量机器人前后倾斜的角度
- 前端抬起为正值，后端抬起为负值
- 范围：-180 度到+180 度
横滚角(Roll)：机器人围绕 Y 轴的旋转角度
- 测量机器人左右倾斜的角度
- 左侧抬起为正值，右侧抬起为负值
- 范围：-180 度到+180 度

右手定则：用右手拇指指向轴的正方向，其余四指弯曲的方向就是该轴的正旋转方向。

5. IMU 的基本使用步骤

5.1 硬件配置

在 FTC Robot Controller 应用中，进入"Configure Robot"（配置机器人）
添加一个名为"imu"的 IMU 设备
保存配置

5.2 初始化 IMU

在操作模式(OpMode)代码中，需要先初始化 IMU：

java

// 从硬件图获取IMU对象
IMU imu = hardwareMap.get(IMU.class, "imu");

// 设置IMU方向（告诉IMU控制中心在机器人上的安装方向）
RevHubOrientationOnRobot.LogoFacingDirection logoDirection = RevHubOrientationOnRobot.LogoFacingDirection.UP;
RevHubOrientationOnRobot.UsbFacingDirection usbDirection = RevHubOrientationOnRobot.UsbFacingDirection.FORWARD;
RevHubOrientationOnRobot orientation = new RevHubOrientationOnRobot(logoDirection, usbDirection);

// 用这个方向初始化IMU
imu.initialize(new IMU.Parameters(orientation));

注意：上面的代码假设控制中心水平放置，LOGO 朝上，USB 接口朝前。如果你的安装方式不同，需要调整这两个方向参数。

5.3 读取 IMU 角度数据

初始化后，可以读取 IMU 的角度数据：

java

// 获取机器人的偏航-俯仰-横滚角
YawPitchRollAngles robotOrientation = imu.getRobotYawPitchRollAngles();

// 读取各个角度值（以度为单位）
double yaw = robotOrientation.getYaw(AngleUnit.DEGREES);    // 偏航角/航向角
double pitch = robotOrientation.getPitch(AngleUnit.DEGREES); // 俯仰角
double roll = robotOrientation.getRoll(AngleUnit.DEGREES);   // 横滚角

// 显示在驾驶站上
telemetry.addData("偏航角", "%.1f度", yaw);
telemetry.addData("俯仰角", "%.1f度", pitch);
telemetry.addData("横滚角", "%.1f度", roll);
telemetry.update();

5.4 重置航向角

有时候需要将当前朝向设为 0 度作为参考点：

java

imu.resetYaw();  // 将当前偏航角重置为0度

5.5 获取角速度数据

除了角度，IMU 还可以测量角速度（旋转速度）：

java

// 获取角速度数据（以度/秒为单位）
AngularVelocity angularVelocity = imu.getRobotAngularVelocity(AngleUnit.DEGREES);

// 读取各轴的角速度
double yawVelocity = angularVelocity.zRotationRate;    // Z轴角速度
double pitchVelocity = angularVelocity.xRotationRate;  // X轴角速度
double rollVelocity = angularVelocity.yRotationRate;   // Y轴角速度

// 显示在驾驶站上
telemetry.addData("偏航角速度", "%.1f度/秒", yawVelocity);
telemetry.addData("俯仰角速度", "%.1f度/秒", pitchVelocity);
telemetry.addData("横滚角速度", "%.1f度/秒", rollVelocity);
telemetry.update();

6. IMU 的实际应用示例

6.1 精确转弯

java

// 定义目标角度（向右转90度）
double targetAngle = 90.0;
double currentAngle = 0;
double allowedError = 2.0;  // 允许2度的误差

// 重置航向角
imu.resetYaw();

// 开始转动
leftDrive.setPower(0.4);    // 左电机正转
rightDrive.setPower(-0.4);  // 右电机反转

// 持续检查角度直到转到目标角度
while (opModeIsActive() && Math.abs(currentAngle - targetAngle) > allowedError) {
    // 获取当前角度
    currentAngle = imu.getRobotYawPitchRollAngles().getYaw(AngleUnit.DEGREES);

    // 显示当前角度
    telemetry.addData("当前角度", "%.1f度", currentAngle);
    telemetry.addData("目标角度", "%.1f度", targetAngle);
    telemetry.addData("还差", "%.1f度", targetAngle - currentAngle);
    telemetry.update();
}

// 停止转动
leftDrive.setPower(0);
rightDrive.setPower(0);

6.2 保持直线行驶

java

// 先重置航向角作为参考
imu.resetYaw();

// 设置基础速度
double basePower = 0.5;
double maxCorrection = 0.2;  // 最大校正幅度

// 直线行驶
while (opModeIsActive()) {
    // 获取当前航向角
    double currentAngle = imu.getRobotYawPitchRollAngles().getYaw(AngleUnit.DEGREES);

    // 计算转向校正（偏离0度时进行调整）
    // 系数0.03表示每偏离1度，调整0.03的功率
    double correction = currentAngle * 0.03;

    // 限制校正的最大幅度
    correction = Math.max(-maxCorrection, Math.min(correction, maxCorrection));

    // 应用到电机上
    leftDrive.setPower(basePower - correction);
    rightDrive.setPower(basePower + correction);

    // 显示数据
    telemetry.addData("航向角", "%.1f度", currentAngle);
    telemetry.addData("校正值", "%.3f", correction);
    telemetry.update();
}

6.3 检测机器人是否翻倒

java

// 持续监测机器人姿态
while (opModeIsActive()) {
    // 获取俯仰角和横滚角
    YawPitchRollAngles orientation = imu.getRobotYawPitchRollAngles();
    double pitch = orientation.getPitch(AngleUnit.DEGREES);
    double roll = orientation.getRoll(AngleUnit.DEGREES);

    // 检查是否翻倒（俯仰角或横滚角超过45度）
    boolean isTippedOver = (Math.abs(pitch) > 45 || Math.abs(roll) > 45);

    if (isTippedOver) {
        // 机器人已翻倒，执行应急操作
        telemetry.addData("警告", "机器人已翻倒!");
        // 停止所有电机
        leftDrive.setPower(0);
        rightDrive.setPower(0);
    } else {
        // 正常操作
        telemetry.addData("状态", "正常");
    }

    telemetry.addData("俯仰角", "%.1f度", pitch);
    telemetry.addData("横滚角", "%.1f度", roll);
    telemetry.update();
}

7. 高级主题

7.1 处理角度跨越 ±180 度边界

当机器人旋转超过 180 度时，角度会从+180 突变到-180（或反之）。这在编程中需要特殊处理：

java

// 计算从当前角度到目标角度的最短路径
double calculateShortestRotation(double currentAngle, double targetAngle) {
    double error = targetAngle - currentAngle;

    // 处理角度跨越±180度边界的情况
    if (error > 180) {
        error -= 360;
    } else if (error < -180) {
        error += 360;
    }

    return error;
}

7.2 补偿偏航角漂移

偏航角（航向角）会随时间缓慢漂移，这是 IMU 的固有特性。对于需要长时间运行的程序，可以通过以下方法减轻影响：

定期重置：在关键点重置偏航角
使用外部参考：结合其他传感器（如编码器、视觉识别）提供额外参考
漂移补偿：测量漂移率并在代码中补偿

7.3 非正交安装方向配置

如果控制中心不是水平、垂直或 90 度角安装，可以使用更复杂的方向配置：

java

// 使用三个旋转角度定义Hub方向
double xRotation = 15;  // 绕X轴旋转15度
double yRotation = 0;   // 绕Y轴旋转0度
double zRotation = 5;   // 绕Z轴旋转5度

// 创建方向对象
Orientation hubRotation = xyzOrientation(xRotation, yRotation, zRotation);
RevHubOrientationOnRobot orientationOnRobot = new RevHubOrientationOnRobot(hubRotation);

// 初始化IMU
imu.initialize(new IMU.Parameters(orientationOnRobot));

8. 常见问题与解决方案

8.1 如何判断 IMU 方向设置是否正确？

正确设置 IMU 方向后，机器人的动作应该与角度读数一致：

向上抬起前部：俯仰角(Pitch)应该增加
向上抬起左侧：横滚角(Roll)应该增加
逆时针旋转：偏航角(Yaw)应该增加

如果角度变化与预期相反，需要调整 IMU 的方向设置。

8.2 IMU 数据不稳定或不准确

可能原因和解决方法：

初始化不完整：确保在使用 IMU 前给它足够的初始化时间
方向设置错误：检查LogoFacingDirection和UsbFacingDirection参数
振动干扰：改善 IMU 的安装位置，减少振动
电磁干扰：远离电机和其他电子设备

8.3 如何在自动和遥控阶段之间保持航向？

航向角在操作模式之间会保持，除非机器人或应用重启。利用这一特性：

在自动阶段结束时，保存最终的航向角
在遥控阶段开始时，使用这个角度作为参考

9. 小贴士与最佳实践

标记前进方向：在机器人上贴一个"前进方向"的标签
稳定初始化：让机器人在初始化 IMU 时保持静止
校准检查：使用 ConceptExploringIMUOrientation 样例程序检查 IMU 配置
适当的转弯速度：精确转弯时使用较低的电机功率
定期重置：长时间运行时定期重置偏航角
备份机制：为 IMU 故障准备备用导航方法
充分测试：测试不同场景下 IMU 的表现

10. 参考资料

本指南希望能帮助你理解并有效使用 FTC 机器人中的 IMU。随着你的实践经验增加，你将能够开发出更先进的 IMU 应用，提高机器人的性能和可靠性。

核心控制器类

操作模式

硬件抽象

传感器

其他

陀螺仪(IMU)使用指南（IMU Guide）

1. 什么是 IMU？

2. 为什么需要使用 IMU？

3. 机器人坐标系统

4. 三种关键旋转角度

5. IMU 的基本使用步骤

5.1 硬件配置

5.2 初始化 IMU

5.3 读取 IMU 角度数据

5.4 重置航向角

5.5 获取角速度数据

6. IMU 的实际应用示例

6.1 精确转弯

6.2 保持直线行驶

6.3 检测机器人是否翻倒

7. 高级主题

7.1 处理角度跨越 ±180 度边界

7.2 补偿偏航角漂移

7.3 非正交安装方向配置

8. 常见问题与解决方案

8.1 如何判断 IMU 方向设置是否正确？

8.2 IMU 数据不稳定或不准确

8.3 如何在自动和遥控阶段之间保持航向？

9. 小贴士与最佳实践

10. 参考资料

陀螺仪(IMU)使用指南（IMU Guide） ​

1. 什么是 IMU？ ​

2. 为什么需要使用 IMU？ ​

3. 机器人坐标系统 ​

4. 三种关键旋转角度 ​

5. IMU 的基本使用步骤 ​

5.1 硬件配置 ​

5.2 初始化 IMU ​

5.3 读取 IMU 角度数据 ​

5.4 重置航向角 ​

5.5 获取角速度数据 ​

6. IMU 的实际应用示例 ​

6.1 精确转弯 ​

6.2 保持直线行驶 ​

6.3 检测机器人是否翻倒 ​

7. 高级主题 ​

7.1 处理角度跨越 ±180 度边界 ​

7.2 补偿偏航角漂移 ​

7.3 非正交安装方向配置 ​

8. 常见问题与解决方案 ​

8.1 如何判断 IMU 方向设置是否正确？ ​

8.2 IMU 数据不稳定或不准确 ​

8.3 如何在自动和遥控阶段之间保持航向？ ​

9. 小贴士与最佳实践 ​

10. 参考资料 ​

陀螺仪(IMU)使用指南（IMU Guide）

1. 什么是 IMU？

2. 为什么需要使用 IMU？

3. 机器人坐标系统

4. 三种关键旋转角度

5. IMU 的基本使用步骤

5.1 硬件配置

5.2 初始化 IMU

5.3 读取 IMU 角度数据

5.4 重置航向角

5.5 获取角速度数据

6. IMU 的实际应用示例

6.1 精确转弯

6.2 保持直线行驶

6.3 检测机器人是否翻倒

7. 高级主题

7.1 处理角度跨越 ±180 度边界

7.2 补偿偏航角漂移

7.3 非正交安装方向配置

8. 常见问题与解决方案

8.1 如何判断 IMU 方向设置是否正确？

8.2 IMU 数据不稳定或不准确

8.3 如何在自动和遥控阶段之间保持航向？

9. 小贴士与最佳实践

10. 参考资料