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什么是bno055,bno055的基礎知識?

來源：

2025-06-24

類別：基礎知識

拍明芯城

BNO055：智能9軸絕對定位傳感器

引言

在現代科技的浪潮中，傳感器技術扮演著舉足輕要的角色，它們是連接物理世界與數字世界的橋梁。在眾多傳感器中，慣性測量單元（IMU）因其能夠提供物體運動姿態信息而備受關注。然而，傳統的IMU通常需要外部微控制器進行復雜的數據融合算法才能獲得準確的姿態信息。為了簡化這一過程，Bosch Sensortec（博世傳感器技術公司） 推出了一款革命性的產品——BNO055。BNO055 不僅僅是一個簡單的IMU，它是一個智能9軸絕對定位傳感器，其獨特的賣點在于其內置的融合算法，能夠直接輸出校準后的9軸傳感器數據以及各種融合后的姿態數據，極大地簡化了開發難度，為各種需要精確姿態感知的應用提供了便捷高效的解決方案。

什么是BNO055？

BNO055 是一款集成了三軸16位加速度計、三軸16位陀螺儀和三軸地磁傳感器（指南針） 的多合一傳感器模塊。它最顯著的特點是內置了一個高性能的微控制器（MCU），該MCU 運行著Bosch Sensortec 專有的傳感器融合算法（Sensor Fusion Algorithm）。這意味著 BNO055 不僅僅是簡單地提供原始的傳感器數據，它還能在內部完成復雜的卡爾曼濾波或其他姿態估計算法，直接輸出校準后的、高質量的、融合后的數據，如：

歐拉角（Euler Angles）：表示物體的俯仰（Pitch）、橫滾（Roll）和偏航（Yaw）姿態。
四元數（Quaternions）：一種更穩定、無萬向節鎖（Gimbal Lock）問題的姿態表示方法。
旋轉向量（Rotation Vector）：另一種緊湊的姿態表示。
線性加速度（Linear Acceleration）：排除重力影響后的加速度。
重力向量（Gravity Vector）：指向地心的重力加速度。
以及原始的未經融合的加速度、角速度和磁場強度數據。

這種內置融合能力使得 BNO055 成為需要精確姿態信息的應用的理想選擇，例如機器人、無人機、虛擬現實/增強現實（VR/AR）設備、智能穿戴設備、導航系統以及許多物聯網（IoT）應用。

BNO055 的工作原理

要理解 BNO055 的強大之處，我們需要深入了解其內部組成和傳感器融合的基本原理。

傳感器模塊

BNO055 內部集成了以下三個核心傳感器：

三軸加速度計（Accelerometer）：

原理：基于微機電系統（MEMS）技術，通過測量由于加速度引起的微小慣性力來確定物體在三個正交方向上的線性加速度。當設備傾斜時，加速度計也能感應到重力分量，從而可以用來計算設備的傾斜角度（俯仰和橫滾）。
特點：提供靜態加速度（如重力）和動態加速度信息。對線性運動和傾斜敏感。但無法單獨區分重力加速度和線性運動加速度。
局限性：易受振動影響，無法提供偏航角（航向角）信息。

三軸陀螺儀（Gyroscope）：

原理：同樣基于MEMS技術，測量物體繞三個正交軸的角速度。它利用科里奧利力效應，通過檢測振動結構在旋轉時的微小位移來確定角速度。
特點：提供實時的角速度信息，可以用來計算短時間內的姿態變化。對旋轉運動敏感。
局限性：存在漂移（Drift）問題，長時間積分會積累誤差，導致姿態估計逐漸偏離真實值。無法提供絕對姿態信息。

三軸地磁傳感器（Magnetometer）：

原理：檢測地球磁場在三個正交方向上的分量。地球磁場可以看作一個巨大的指南針，磁力計通過測量磁場方向來確定設備的航向（偏航角）。
特點：提供絕對的航向信息，可以修正陀螺儀的偏航角漂移。
局限性：極易受到局部磁場干擾，如附近的金屬物體、電流等，導致讀數不準確。地磁場本身也存在局部畸變。

傳感器融合（Sensor Fusion）

單獨的加速度計、陀螺儀和地磁計都有其優點和缺點。BNO055 的核心價值在于其內置的傳感器融合算法，該算法巧妙地結合了這三種傳感器的優勢，彌補了它們的不足，從而提供更準確、更穩定的姿態信息。

傳感器融合的基本思想是：

加速度計提供穩定的俯仰和橫滾信息（通過重力向量），但對線性加速度敏感且無法提供偏航。
陀螺儀提供高帶寬的角速度信息，可以準確地測量短時間的姿態變化，彌補加速度計在動態運動時的滯后，但存在漂移。
地磁計提供絕對的偏航信息，糾正陀螺儀在偏航軸上的漂移，但易受磁場干擾。

BNO055 的傳感器融合算法通常采用擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter, EKF） 或其變體。EKF 是一種強大的估計算法，它能夠：

預測（Prediction）：利用陀螺儀的角速度數據來預測下一時刻的姿態。
更新（Update）：利用加速度計和地磁計的測量數據來修正預測的姿態。加速度計用于修正俯仰和橫滾，地磁計用于修正偏航。

通過不斷地預測和更新，傳感器融合算法能夠實時地輸出最佳的姿態估計，有效地抑制噪聲、消除漂移、并克服單一傳感器的局限性。BNO055 內部的MCU負責執行這些復雜的計算，并管理傳感器校準、數據輸出格式等。

校準（Calibration）

傳感器，特別是地磁傳感器，在使用前需要進行校準以確保數據準確性。BNO055 支持全自動校準功能。在初始化后，用戶通常需要按照特定模式（例如，緩慢地在空中以“8”字形移動設備）來校準傳感器。BNO055 會自動檢測并存儲校準參數。校準級別可以通過特定的寄存器讀取，方便用戶了解當前傳感器的校準狀態。正確的校準是 BNO055 能夠輸出高精度數據的前提。

BNO055 的操作模式

BNO055 提供了多種操作模式（Operation Modes），允許用戶根據應用需求選擇不同的功能組合和性能水平。這些模式主要分為：

配置模式（Configuration Mode）：

在該模式下，可以對 BNO055 的內部寄存器進行配置，例如設置波特率、中斷、工作模式等。傳感器在此模式下不進行數據采集。

操作模式（Operation Modes）：

IMU（慣性測量單元模式）：融合加速度計和陀螺儀數據。提供線性和角速度信息，并可以估計俯仰和橫滾。適用于需要高動態響應的應用，但偏航會漂移。
COMPASS（指南針模式）：融合加速度計和地磁計數據。提供傾斜補償的指南針功能，適用于需要精確航向的應用。
M4G（地磁計/加速度計融合模式）：與 COMPASS 類似，但通常是指南針模式的更通用說法。
NDOF（九軸數據融合模式 - NINE DEGREES OF FREEDOM）：這是 BNO055 最強大的模式，也是其核心功能。在此模式下，BNO055 融合了加速度計、陀螺儀和地磁計的所有數據，并輸出經過校準和融合的歐拉角、四元數、旋轉向量、線性加速度和重力向量等。它提供了最完整的姿態信息，并且具有良好的穩定性和精度。

ACCONLY（加速度計獨立模式）：僅啟用加速度計，輸出加速度計數據。
MAGONLY（地磁計獨立模式）：僅啟用地磁計，輸出地磁計數據。
GYRONLY（陀螺儀獨立模式）：僅啟用陀螺儀，輸出陀螺儀數據。
M4G（地磁計/加速度計融合模式）：內部MCU進行地磁計和加速度計的融合，通常用于提供傾斜補償的指南針功能。
NDOF_FMC_OFF（非融合模式，快速磁力計校準關閉）：通常與 M4G 類似，但提供了更精細的控制選項。

非融合模式（Non-Fusion Modes）：
融合模式（Fusion Modes）：

選擇正確的操作模式對于優化 BNO055 的性能和功耗至關重要。對于大多數需要完整姿態信息的應用，NDOF 模式是首選。

BNO055 的通信接口

BNO055 支持多種標準的數字通信接口，方便與各種微控制器或處理器進行連接：

I2C（Inter-Integrated Circuit）：

特點：兩線制串行通信協議（SDA 和 SCL），支持多主多從，廣泛應用于傳感器、EEPROM等設備。
BNO055 實現：BNO055 支持標準模式（Standard Mode, 100 kHz）、快速模式（Fast Mode, 400 kHz）和高速模式（High-Speed Mode, 3.4 MHz）I2C 通信。這是最常用的通信方式。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）：

特點：異步串行通信協議，通過 RX 和 TX 兩根線進行數據傳輸，簡單易用。
BNO055 實現：BNO055 支持 UART 通信，提供波特率配置選項。對于一些只需要簡單數據流的應用，UART 也是一個不錯的選擇。

HID-I2C（Human Interface Device over I2C）：

特點：一種用于人機交互設備的標準協議，可以在 I2C 總線上模擬 HID 設備，簡化與PC的連接。
BNO055 實現：BNO055 也支持 HID-I2C 模式，這使得它更容易作為輸入設備與支持 HID 的系統進行交互。

通常情況下，開發者會選擇 I2C 接口，因為它在靈活性、速度和連接多個設備方面具有優勢。

BNO055 的典型應用

BNO055 的多功能性和高性能使其成為眾多領域的理想選擇：

機器人和無人機（Robotics and Drones）：

姿態穩定和導航：為機器人和無人機提供精確的姿態信息，實現飛行控制、路徑規劃和自動避障。
平衡控制：如平衡小車或雙足機器人的姿態平衡。

虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）設備：

頭部追蹤：實時追蹤用戶頭部的運動和方向，實現沉浸式虛擬體驗。
手勢識別：通過追蹤手部或控制器姿態實現人機交互。

智能穿戴設備（Wearable Devices）：

運動追蹤：計步器、卡路里消耗、運動姿態分析。
健康監測：睡眠姿態監測、跌倒檢測。

導航和定位系統（Navigation and Positioning Systems）：

室內導航：在GPS信號不可用的環境中提供輔助定位。
航位推算（Dead Reckoning）：結合其他傳感器（如里程計）進行高精度定位。

工業和自動化（Industrial and Automation）：

機械臂控制：精確控制機械臂的姿態和運動。
設備傾斜監測：檢測大型設備、建筑物的傾斜或振動。

物聯網（IoT）設備：

智能家居：智能家具、窗簾、燈具的姿態感應。
資產追蹤：追蹤物體的位置和姿態變化。

消費電子產品：

智能電視遙控器：空鼠功能。
游戲控制器：體感游戲控制。

BNO055 的優勢與局限性

優勢

內置傳感器融合：這是 BNO055 最突出的優勢，極大地簡化了開發難度和時間。開發者無需自行編寫復雜的濾波算法，可以直接獲取高精度的姿態數據。
多傳感器集成：在一個小尺寸封裝內集成了加速度計、陀螺儀和地磁計，節省了空間和成本。
多種輸出數據格式：支持歐拉角、四元數、旋轉向量、線性加速度、重力向量以及原始傳感器數據，滿足不同應用的需求。
自動校準：內置智能校準功能，簡化了傳感器校準過程，提高了易用性。
多種通信接口：支持 I2C、UART 和 HID-I2C，兼容性強。
高精度和穩定性：通過傳感器融合算法，提供比單個傳感器更準確和穩定的姿態估計。
低功耗模式：支持多種低功耗模式，適用于電池供電的應用。

局限性

成本相對較高：相較于單個傳感器或不帶融合功能的IMU，BNO055 的成本通常更高。
內部算法黑盒：雖然內置融合算法方便，但其內部的具體實現對于用戶而言是一個“黑盒”。如果需要高度定制化的融合算法或對算法進行微調，可能會受到限制。
磁場干擾敏感：盡管有融合算法，地磁計依然容易受到強磁場干擾，這會影響偏航角的準確性。在有強磁場干擾的環境下使用時，需要特別注意或采取措施（如磁屏蔽）。
校準要求：雖然是自動校準，但在某些應用場景下，確保傳感器充分校準（特別是地磁計）仍需要用戶進行特定的移動操作，這可能在部署時帶來不便。
非GPS定位：BNO055 提供的是姿態和運動信息，不能直接提供絕對地理位置（經緯度），需要結合其他定位系統（如GPS或UWB）才能實現完整的定位功能。

BNO055 的編程實現（以Arduino為例）

在實際項目中，使用 BNO055 通常需要一個微控制器（如 Arduino、ESP32、STM32 等）來與其通信并讀取數據。以下是一個基于 Arduino 平臺使用 BNO055 的基本編程流程和示例概念。

硬件連接

典型的 BNO055 模塊通常具有以下引腳：

VCC/VIN：電源輸入（通常為 3.3V 或 5V，具體取決于模塊）。
GND：地線。
SDA：I2C 數據線。
SCL：I2C 時鐘線。
ADR（或 ADD）：I2C 地址選擇引腳，通過連接到 VCC 或 GND 來選擇不同的 I2C 地址。
RST：復位引腳。
INT：中斷輸出引腳。

將 BNO055 的 VCC 和 GND 連接到 Arduino 對應的電源和地線。將 SDA 連接到 Arduino 的 A4（或 SDA 引腳），SCL 連接到 Arduino 的 A5（或 SCL 引腳）。

軟件庫

為了簡化 BNO055 的編程，通常會使用專門的庫。對于 Arduino 平臺，Adafruit BNO055 庫 是一個非常流行且功能完善的選擇。

基本編程步驟

引入庫：

C++

#include <Wire.h>        // I2C 庫
#include <Adafruit_Sensor.h> // Adafruit 傳感器通用庫
#include <Adafruit_BNO055.h> // BNO055 專用庫
#include <utility/imumaths.h> // 用于歐拉角、四元數等數據結構

創建 BNO055 對象：
C++

 Adafruit_BNO055 bno = Adafruit_BNO055(); // 默認 I2C 地址
// 如果 BNO055 有不同的 I2C 地址，例如 0x29：
// Adafruit_BNO055 bno = Adafruit_BNO055(55, 0x29);

初始化 BNO055：在 setup() 函數中，調用 begin() 方法初始化傳感器。

C++

void setup(void) {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("BNO055 Test");

  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);
  }

  delay(1000); // 等待傳感器穩定

  // 可選：設置操作模式
  // bno.setMode(OPERATION_MODE_NDOF); // 設置為九軸融合模式
}

讀取數據：在 loop() 函數中，可以根據需要讀取各種傳感器數據。
在實際應用中，你可能需要根據校準狀態來決定是否使用傳感器數據，或者提示用戶進行校準。

讀取歐拉角：
C++

sensors_event_t event;
bno.getEvent(&event);/* Display the floating point data */Serial.print("X: ");
Serial.print(event.orientation.x, 4); // 偏航 YawSerial.print("	Y: ");
Serial.print(event.orientation.y, 4); // 橫滾 RollSerial.print("	Z: ");
Serial.print(event.orientation.z, 4); // 俯仰 PitchSerial.println("");

讀取四元數：
C++

imu::Quaternion quat = bno.getQuat();
Serial.print("qW: ");
Serial.print(quat.w(), 4);
Serial.print(" qX: ");
Serial.print(quat.x(), 4);
Serial.print(" qY: ");
Serial.print(quat.y(), 4);
Serial.print(" qZ: ");
Serial.print(quat.z(), 4);
Serial.println("");

讀取線性加速度：
C++

imu::Vector<3> linearAcc = bno.getLinearAcceleration();
Serial.print("LinAcc X: ");
Serial.print(linearAcc.x(), 4);
Serial.print(" Y: ");
Serial.print(linearAcc.y(), 4);
Serial.print(" Z: ");
Serial.print(linearAcc.z(), 4);
Serial.println("");

讀取校準狀態：

C++

uint8_t system, gyro, accel, mag = 0;
bno.getCalibration(&system, &gyro, &accel, &mag);
Serial.print("CALIBRATION: Sys=");
Serial.print(system);
Serial.print(" Gyro=");
Serial.print(gyro);
Serial.print(" Accel=");
Serial.print(accel);
Serial.print(" Mag=");
Serial.println(mag);

重要注意事項

電源穩定性：BNO055 對電源的穩定性有一定要求，確保提供穩定的 3.3V 或 5V 電壓。
I2C 上拉電阻：大多數 BNO055 模塊自帶上拉電阻，但如果遇到 I2C 通信問題，請檢查是否需要外部上拉電阻。
校準：在使用 BNO055 的融合模式（特別是 NDOF 模式）時，進行充分的校準至關重要。校準后，校準數據會存儲在內部的非易失性存儲器中，即使斷電也能保存。
數據速率：可以配置 BNO055 的數據輸出速率，根據應用需求平衡功耗和響應速度。
坐標系：理解 BNO055 輸出的坐標系對于正確解釋數據非常重要。通常，BNO055 采用右手法則，X軸指向前方，Y軸指向左方，Z軸指向上方。但具體取決于模塊的安裝方向。

總結與展望

BNO055 作為一款智能9軸絕對定位傳感器，通過其內置的傳感器融合算法，極大地簡化了姿態感知的開發。它將復雜的數學運算和校準過程封裝在芯片內部，使得開發者可以更專注于應用層面的創新，而無需深究底層傳感器融合的細節。從消費電子到工業自動化，從虛擬現實到機器人，BNO055 在眾多領域展現出巨大的應用潛力。

盡管它有一些局限性，例如對磁場干擾的敏感性以及內部算法的“黑盒”性質，但其所帶來的便捷性、集成度和高性能使其成為市場上極具競爭力的解決方案。隨著物聯網和人工智能技術的飛速發展，對精確姿態和運動感知的需求將持續增長。BNO055 及其后續產品無疑將繼續在這些領域發揮關鍵作用，推動各種智能設備的進一步發展和普及。對于希望快速實現姿態感知功能的開發者而言，BNO055 仍然是構建創新應用時的強大工具。

責任編輯：David

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