1.姿态传感器的功能
当仿蛇机器人位于三维空间某一个位置，为了获得机器人每一个关节所处的姿态信息，以便为准确控制机器人提供依据，就需要用到姿态传感器[126]。人们能根据前面介绍的导航定位模块获得仿蛇机器人的具体位置，而对于在三维空间里的一个参考系来说，任何坐标系的取向，都可以用三个欧拉角来表现。其中，参考系又称为地球参考系，它是静止不动的，而坐标系则固定于刚体（比如机器人本体）上，随着刚体的旋转而旋转。姿态传感器是一种基于微机电系统（MEMS）技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含着三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU），三轴电子罗盘等辅助运动的传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度、加速度、磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态的测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据。姿态传感器可广泛用于航模、无人机、机器人、天线云台、聚光太阳能阵列、地面及水下设备、虚拟现实产品、人体运动分析等需要低成本、高动态三维姿态测量的产品设备中。
2.姿态传感器的工作原理
如前所述，姿态传感器主要由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘等运动传感器组成，要了解其工作原理，就应当先了解陀螺仪、加速度计等的结构特性与工作原理。
（1）三轴陀螺仪。
在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进运动，又称为回转效应[127]。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人从小就司空见惯、耳熟能详的陀螺就是一例（见图3-34）。
图3-34 陀螺
利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪，它在国民经济建设各个领域都有着广泛的应用[128]。陀螺仪是用高速回转体的动量矩来感受壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的能起同样功能作用的角运动检测装置也称陀螺仪[129]。三轴陀螺仪（见图3-35）可同时测定6个方向上的位置、移动轨迹、加速度，单轴的只能测量两个方向的量。也就是说，一个6自由度系统的测量需要用到3个单轴陀螺仪，而一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴的陀螺仪。三轴陀螺仪的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，在许多应用场合都能见到它的身影。
（2）三轴加速度计。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，例如地球引力产生的加速力。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进而来的；另一种是线加速度计。加速度计种类繁多，其中有一种是三轴加速度计（见图3-36），它同样是基于加速力的基本原理去实现测量工作的。
图3-35 三轴陀螺仪
图3-36 三轴加速度计
加速度是个空间矢量，在很多应用场合，详细了解物体运动时的加速度情况对控制物体的精确运动十分重要。但要准确了解物体的运动状态，就必须准确测得其在三个坐标轴上的加速度分量；另一方面，在预先不知道物体运动方向的情况下，只有应用三轴加速度计来检测加速度信号，才有可能帮助人们破解物体如何运动之谜。通过测量由于重力引起的加速度，人们可以计算出所用设备相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，人们可以分析出所用设备移动的方式。加速度计可以帮助人们了解机器人身处的环境和实时的状态，是在爬山？还是在下坡？摔倒了没有？对于飞行机器人来说，加速度计在改善其飞行姿态的控制效果方面也是至关重要的。(www.xing528.com)
目前的三轴加速度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集。这个和普通的加速度计是基于同样的工作原理的，所以经过一定的技术加工，三个单轴的加速度计就可以变成一个三轴加速度计。虽然两轴加速度计已能满足多数应用设备的需求，但有些方面的应用还离不开三轴加速度计，例如在移动机器人、飞行机器人的姿态控制中，三轴加速度计的作用是不可或缺的。
(3)MPU6050。
MPU6050是INVENSENCE公司推出的一款组合有多种测量功能的传感器，具有低成本、低能耗和高性能的特点[130]。该传感器首次集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，拥有数字运动处理单元（DMP），可直接融合陀螺仪和加速度计采集的数据。其集成的陀螺仪最大能检测±2 000°/s，其集成的加速度计最大能检测±16g，最大能承受10 000g的外部冲击。MPU6050采用I2C协议与主控芯片STM32进行通信，工作效率很高，如图3-37所示。
3.姿态传感器的参数
在本书的设计中，所用的MPU9250姿态传感器为第二代9轴组合传感器（见图3-38），将6轴惯性测量单元（加速度计+陀螺仪）和3轴磁力计集成于3 mm×3 mmQFN封装中，相比前面几代产品其面积有了极大的减小。同时，陀螺仪中3个感测轴采用相同的加工工艺使其性能的一致性得到了极大的提升，并使成本得到极大的降低。
MPU9250姿态传感器模块采用沉金PCB，机器焊接，保证了其工艺质量，模块尺寸为15 mm×25 mm，并在对面一侧制有两个3 mm的定位孔用于固定模块，具体性能参数见表3-7所示。
图3-37 MPU6050的实物图
图3-38 MPU9250姿态传感器
表3-7 MPU9250性能参数一览表
【注释】
[1]CDMA：码分多址，是无线通信上使用的技术。
[2]GSM：全球移动通信系统。
[3]C表示电池的容量。
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