GY-H1

GY-H1是使用MEMS传感器的6轴IMU模块。它可由用户通过图形化上位机配置数据输出形式、数据输出速率、数据输出接口，并对6轴稳态误差进行修正。

GY-H1支持以航向角四元数、加速度与角速度形式输出数据，并通过串口或USB进行配置。GY-H1除TTL电平串口输出数据外，还另外支持通过USB-CDC或CAN(2.0b)输出数据。

GY-H1开放了原理图、加工文件、固件及其源代码、上位机及其源代码。通讯协议及控制命令也进行了详细说明。

更新记录

2023/08/31

V1.3.0
修改航向角估计算法为拓展卡尔曼滤波，使用韭菜的菜_ 王洪玺开源算法

2023/05/26

V1.2.2
修复了ICM42688配置的一个BUG, 该BUG导致了额外100us的延迟

2023/05/20

V1.2.1
优化了四元数支持函数, 此次更新内容没有被项目使用

2023/05/07

V1.2
修复CAN通讯严重BUG, 此BUG导致了系统崩溃
新增CAN通讯接收协议

2023/04/09

V1.1
首个发行版发布

开源代码及项目使用

V1.3.0(不含)之前版本代码，航向角估计算法使用 MahonyAHRS 互补滤波算法
https://x-io.co.uk/open-source-imu-and-ahrs-algorithms/
自V1.3.0起，航向角估计算法改用来自韭菜的菜_ 的拓展卡尔曼滤波算法，感谢王工❤
https://github.com/WangHongxi2001/RoboMaster-C-Board-INS-Example
自V1.3.0起，Keil5工程添加来自 nikola 的 Keil5_disp_size_bar_v0.4 工具用于显示单片机资源占用 https://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=119993

已知问题

丝印V1.0版本PCB(PCB相关文件版本V1.1), GH1.25 CAN线序为左H右L, 这与RoboMaster系列开发板不一致

使用GH1.25-2P-立式代替设计稿中GH1.25-2P-卧式, 可以调整线序为左L右H

基本硬件信息

主传感器使用ICM42688-P，配有避震孤岛结构设计及温度补偿电路。
主控制器使用GD32F303CET6，超频至288MHz使用。

288MHz主频下MCU可以稳定工作

通讯接口

GY-H1支持UART、USB-C CDC串口、CAN三种通讯方式，CAN-ID可调节。

UART波特率864000Bit/s

CAN波特率1MBit/S

USB-C使用CDC串口

USB-C与CAN不支持同时工作

数据输出

GY-H1支持输出四元数或原始6轴数据。当使用原始6轴数据时，用户还可以向GY-H1请求各轴偏移矫正量，从而对数据进行修正

四元数以单精度浮点输出，1位浮点数被拆分为4 Bytes发送

输出原始6轴数据时，IMU的原始16位有符号整型数据被拆分为2个Bytes发送。此数据的单位是1/LSB

输出6轴偏移矫正量时，矫正量被乘以1000成为16位有符号整型，并被拆分为2个Bytes发送。此数据的单位是1000/LSB
特别的是，加速度计Z轴(Accel-Z)被设计为800/LSB以获得更大的补偿范围

按钮

GY-H1 有RST和Key两个按钮。更靠近边缘的是Key按钮。
RST按钮用于复位单片机。
Key按钮可切换输出模式，并在CAN模式下调整CAN-ID。

无按压操作5S后用户设置将被写入内存，GY-H1将自动重启以应用新设置

任何模式下，长按按钮3S进入输出模式设置，短按按钮可切换输出模式。板载LED绿灯常亮表示当前为USB输出，蓝灯常亮表示CAN输出

CAN输出模式下，短按按钮进入ID设置模式，每一次按压后LED会闪烁1次，表示设置ID加1。
如果需要将ID设置为0，则进入ID设置模式后不应当按压按钮
ID最大值为9，按压次数大于9次后ID仍被设置为9

LED

板载LED动态变换色彩指示系统正常运行。CAN通讯模式下，LED灯将通过闪烁次数指示ID。

板载LED闪烁[N]次表示ID为[N-1]
板载LED搭载WS2812芯片，使用SPI控制，控制频率125Hz

上位机: GY-H1_Assistance_V1.1.exe

上位机V1.1具有设置和校准两大功能。可以帮助用户使用图形菜单完成对 GY-H1 各项参数的配置，并对加速度计和陀螺仪的稳态误差进行校准。

上位机的操作逻辑是直观与易懂的，但有如下事项请注意：

加速度使用六向校准法，建议配合3D打印治具使用

使用完校准或观测功能后请手动修改回必要的数据输出形式与速率

上位机基于 Python-3.11.0 编写

附录

通讯协议

UART与USB数据包：

开启USB-C输出下，GY-H1将以指定速率向总线广播四元数或者原始6轴数据。用户还可以使用控制命令，使GY-H1向总线广播一次6轴偏移量校正值

串口通讯波特率为 864000 Bits/s
UART GH1.25接口将始终按照用户设置对外输出数据

6轴偏移量校正值发送时被乘以1000，成为16位有符号整型
矫正数据 = 原始数据 + 偏移量校正值/1000
特别的是，加速度计Z轴偏移量(Accel-Z)被设计为800/LSB以获得更大的补偿范围

输出旋转四元数时，数据包以下面的方式发送 :

Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]	Data[08]
0x40	四元数A[0]	四元数A[1]	四元数A[2]	四元数A[3]	四元数B[0]	四元数B[1]	四元数B[2]	四元数B[3]

Data[09]	Data[10]	Data[11]	Data[12]	Data[13]	Data[14]	Data[15]	Data[16]	Data[17]
四元数C[0]	四元数C[1]	四元数C[2]	四元数C[3]	四元数D[0]	四元数D[1]	四元数D[2]	四元数D[3]	CRC8

输出原始6轴数据时，数据包以下面的方式发送 :

Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]	Data[08]
0x41	GyX_H	GyX_L	GyY_H	GyY_L	GyZ_H	GyZ_H	AcX_H	AcX_L

Data[09]	Data[10]	Data[11]	Data[12]	Data[13]
AcY_H	AcY_L	AcZ_H	AcZ_L	CRC8

输出偏移量校正值时，数据包以下面的方式发送 :

Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]	Data[08]
0x42	GyXC_H	GyXC_L	GyYC_H	GyYC_L	GyZC_H	GyZC_H	AcXC_H	AcXC_L

Data[09]	Data[10]	Data[11]	Data[12]	Data[13]
AcYC_H	AcYC_L	AcZC_H	AcZC_L	CRC8

您可以获取六轴偏移量以对原始数据进行校准

UART与USB控制包：

控制包可以对系统输出状态进行设置。控制包共4 Bytes

如果您需要通过UART快速发送大量控制命令，建议首先关闭GY-H1对外输出，写入指令完成后再打开，否则有可能导致GY-H1串口输出异常

控制包分为直接控制指令和配置指令，直接控制指令的控制符是0x00，调用直接控制指令将会立即生效

其他控制符的指令是配置指令，调用配置指令前必须进入配置模式，系统才会响应配置信息。退出配置模式后，系统立即重启，配置的设置生效

GY-H1将在收到有效信息时，重复收到的信息作为应答。对外发送一次6轴校正值例外(30 00 03 BF)，收到这条指令后GY-H1将直接回复6轴校正值

以0x30开头的，控制符不在下列的数据包，GY-H1仍会回复，但不会影响系统状态，因此可以用于检测GY-H1是否离线

Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	命令含义
包头	控制符	命令数据	CRC8	这是模板
0x30	0x00	0x00	0xDE	重启GY-H1
0x30	0x00	0x01	0x80	重置旋转四元数
0x30	0x00	0x02	0x62	开启对外数据输出
0x30	0x00	0x03	0x3C	关闭对外数据输出
0x30	0x00	0x04	0xBF	对外发送一次6轴校正值

0x30	0x01	0x00	0x1A	进入配置模式
0x30	0x01	0x01	0x44	退出配置模式
0x30	0x02	0x00	0x4F	设置输出为USB-C
0x30	0x02	0x01	0x11	设置输出为CAN
0x30	0x02	0x02	0xF3	对外输出四元数
0x30	0x02	0x03	0xAD	对外输出6轴原始数据
0x30	0x03	0x00	0x8B	设置输出速率1KHz
0x30	0x03	0x01	0xD5	设置输出速率500Hz
0x30	0x03	0x02	0x37	设置输出速率250Hz
0x30	0x03	0x03	0x69	设置输出速率125Hz
0x30	0x04	0~0x09	CRC8	设定ID
0x30	0x10	GyX_H	CRC8	设定校正值GyroX_H
0x30	0x11	GyX_L	CRC8	设定校正值GyroX_L
0x30	0x12	GyY_H	CRC8	设定校正值GyroY_H
0x30	0x13	GyY_L	CRC8	设定校正值GyroY_L
0x30	0x14	GyZ_H	CRC8	设定校正值GyroZ_H
0x30	0x15	GyZ_L	CRC8	设定校正值GyroZ_L
0x30	0x16	AcX_H	CRC8	设定校正值AccelX_H
0x30	0x17	AcX_L	CRC8	设定校正值AccelX_L
0x30	0x18	AcY_H	CRC8	设定校正值AccelY_H
0x30	0x19	AcY_L	CRC8	设定校正值AccelY_L
0x30	0x1A	AcZ_H	CRC8	设定校正值AccelZ_H
0x30	0x1B	AcZ_L	CRC8	设定校正值AccelZ_L

CAN数据包：

开启CAN输出下，GY-H1将以指定速率向总线广播四元数或原始6轴数据。数据将通过两个CAN标识符发送，它们分别是 [0x300+(ID<<8)] 以及 [0x301+(ID<<8)]。用户也可以通过CAN总线控制GY-H1基础功能, 对应的CAN标识符是 [0x302+(ID<<8)]。

CAN总线的波特率1MBit/s, DLC=8, 数据帧, 标准标识符长度

CAN模式下，UART GH1.25接口依然按照用户设置对外输出数据

当ID设置0x01时，旋转四元数将按照下面两种CAN数据包发送 :

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x310	四元数A[0]	四元数A[1]	四元数A[2]	四元数A[3]	四元数B[0]	四元数B[1]	四元数B[2]	四元数B[3]

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x311	四元数C[0]	四元数C[1]	四元数C[2]	四元数C[3]	四元数D[0]	四元数D[1]	四元数D[2]	四元数D[3]

四元数的ABCD四个单精度浮点数被拆分为16个字节发送

当ID设置0x02时，原始6轴数据将按照下面两种CAN数据包发送 :

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x320	GyXH	GyXL	GyYH	GyYL	GyZH	GyZL	0x03	保留

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x321	AcXH	AcXL	AcYH	AcYL	AcZH	AcZL	0x03	保留

原始数据的6个半字整型有符号数被拆分为12个字节发送。CAN包的第7字节数据为0x03，表征CAN传输的是原始6轴数据

当ID设置0x02时，6轴校正值将按照下面两种CAN数据包发送 :

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x320	GyXH	GyXL	GyYH	GyYL	GyZH	GyZL	0x04	保留

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x321	AcXH	AcXL	AcYH	AcYL	AcZH	AcZL	0x04	保留

通过CAN发送6轴校正值需要上位机向GY-H1通过CAN请求

原始数据的6个半字整型有符号数被拆分为12个字节发送。CAN包的第7字节数据为0x04，表征CAN传输的是6轴校正值

当ID设置0x03时，通过下面形式的数据包控制GY-H1 :

CANID	Data[00]	Data[01]	Data[02]	Data[03]	Data[04]	Data[05]	Data[06]	Data[07]
0x332	CMD	保留	保留	保留	保留	保留	保留	保留

CMD	含义
0x01	重启GY-H1
0x02	重置旋转四元数
0x03	发送一次6轴校正值

用户配置信息存储

Flash地址:0x803F800
总长度:20 Bytes

如果单片机中没有存储用户配置，或者配置CRC校核失败，则会重新搭建配置信息

偏移量	+00	+01	+02	+03	+04	+05	+06	+07
数据信息	OTSEL	ID	ODR	MOD	GyXH	GyXL	GyYH	GyYL

偏移量	+08	+09	+0A	+0B	+0C	+0D	+0E	+0F
数据信息	GyZH	GyZL	AcXH	AcXL	AcYH	AcYL	AcZH	AcZL

偏移量	+10	+11	+12	+13
数据信息	CRC[0]	CRC[1]	CRC[2]	CR[3]

OTSEL: 选择输出接口，范围 [0x00-0x01]。 0:USB-C 1:CAN。
ID: CAN总线ID设置，范围 [0x00-0x09]。CAN总线输出使用的两个ID分别为 [0x300+(ID<<8)] 和 [0x301+(ID<<8)]。
ODR: 对外输出速率设置，范围 [0x00-0x03]。0:1KHz 1:500Hz 2:250Hz 3:125Hz。
MOD：对外输出模式设置，范围 [0x00-0x01]。0:四元数 1:原始6轴数据
GyNH\AcNL: N方向陀螺仪/加速度计稳态误差修正值高/低字节。1×int16_t被拆分为2×uint8_t存储。
CRC32: 多项式0x4C11DB7
默认的用户配置信息: 0x00020000U | 0x00000000U | 0x00000000U | 0x00000000U | 0x0AF3CE57U

CRC-8算法

Mode: CRC-8/MAXIM
Polynomial: X8+X5+X4+1(0x31)
Init: 0x00
XOROUT: 0x00

/**
  * @brief          计算CRC8
  * @param[in]      ptr: 数据指针
  * @param[in]      len: 校验长度
  * @retval         CRC-8值
  */
uint8_t cal_crc8_table(uint8_t *ptr, uint8_t len)
{
	uint8_t uc_index;
	uint8_t ucCRC8 = 0x00;
    while (len--)
    {
        uc_index = ucCRC8^(*ptr++);
        ucCRC8 = CRC8_table[uc_index];
    }
    return(ucCRC8);
}

CRC-8表:

const uint8_t CRC8_table[256] =
{
    0x00, 0x5e, 0xbc, 0xe2, 0x61, 0x3f, 0xdd, 0x83, 0xc2, 0x9c, 0x7e, 0x20, 0xa3, 0xfd, 0x1f, 0x41,
    0x9d, 0xc3, 0x21, 0x7f, 0xfc, 0xa2, 0x40, 0x1e, 0x5f, 0x01, 0xe3, 0xbd, 0x3e, 0x60, 0x82, 0xdc,
    0x23, 0x7d, 0x9f, 0xc1, 0x42, 0x1c, 0xfe, 0xa0, 0xe1, 0xbf, 0x5d, 0x03, 0x80, 0xde, 0x3c, 0x62,
    0xbe, 0xe0, 0x02, 0x5c, 0xdf, 0x81, 0x63, 0x3d, 0x7c, 0x22, 0xc0, 0x9e, 0x1d, 0x43, 0xa1, 0xff,
    0x46, 0x18, 0xfa, 0xa4, 0x27, 0x79, 0x9b, 0xc5, 0x84, 0xda, 0x38, 0x66, 0xe5, 0xbb, 0x59, 0x07,
    0xdb, 0x85, 0x67, 0x39, 0xba, 0xe4, 0x06, 0x58, 0x19, 0x47, 0xa5, 0xfb, 0x78, 0x26, 0xc4, 0x9a,
    0x65, 0x3b, 0xd9, 0x87, 0x04, 0x5a, 0xb8, 0xe6, 0xa7, 0xf9, 0x1b, 0x45, 0xc6, 0x98, 0x7a, 0x24,
    0xf8, 0xa6, 0x44, 0x1a, 0x99, 0xc7, 0x25, 0x7b, 0x3a, 0x64, 0x86, 0xd8, 0x5b, 0x05, 0xe7, 0xb9,
    0x8c, 0xd2, 0x30, 0x6e, 0xed, 0xb3, 0x51, 0x0f, 0x4e, 0x10, 0xf2, 0xac, 0x2f, 0x71, 0x93, 0xcd,
    0x11, 0x4f, 0xad, 0xf3, 0x70, 0x2e, 0xcc, 0x92, 0xd3, 0x8d, 0x6f, 0x31, 0xb2, 0xec, 0x0e, 0x50,
    0xaf, 0xf1, 0x13, 0x4d, 0xce, 0x90, 0x72, 0x2c, 0x6d, 0x33, 0xd1, 0x8f, 0x0c, 0x52, 0xb0, 0xee,
    0x32, 0x6c, 0x8e, 0xd0, 0x53, 0x0d, 0xef, 0xb1, 0xf0, 0xae, 0x4c, 0x12, 0x91, 0xcf, 0x2d, 0x73,
    0xca, 0x94, 0x76, 0x28, 0xab, 0xf5, 0x17, 0x49, 0x08, 0x56, 0xb4, 0xea, 0x69, 0x37, 0xd5, 0x8b,
    0x57, 0x09, 0xeb, 0xb5, 0x36, 0x68, 0x8a, 0xd4, 0x95, 0xcb, 0x29, 0x77, 0xf4, 0xaa, 0x48, 0x16,
    0xe9, 0xb7, 0x55, 0x0b, 0x88, 0xd6, 0x34, 0x6a, 0x2b, 0x75, 0x97, 0xc9, 0x4a, 0x14, 0xf6, 0xa8,
    0x74, 0x2a, 0xc8, 0x96, 0x15, 0x4b, 0xa9, 0xf7, 0xb6, 0xe8, 0x0a, 0x54, 0xd7, 0x89, 0x6b, 0x35,
};

IMU信号链路

经测试，RM机器人板材震动频率在120~150Hz,，陀螺仪和角速度计输出频率被配置为1000Hz，经过片内536Hz抗混叠滤波器后，输入片内111Hz低通滤波器。输出数据传入单片机，减去偏移值后，送入MahonyAHRS算法以1KHz更新四元数。

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