使用 Cwiid Python 从 Wiimote Motion Plus 进行俯仰和偏航

Question

我正在尝试在 python 中使用 cwiid 提取 wiimote 的方向。我设法获得了加速度计值，但似乎没有任何与纯陀螺仪数据相关的对象属性。

这家伙设法在 python 中做到了，但据我所知，网上没有带有示例的 python 代码。 https://www.youtube.com/watch?v=cUjh0xQO6eY wiibrew 上有关于控制器数据的信息，但这似乎被排除在任何 python 库之外。

有人有什么建议吗？ This 链接有一个获取陀螺仪数据的示例，但使用的包似乎不可用。

Answer 1

几天前我实际上正在寻找这个，发现这个帖子：https://ofalcao.pt/blog/2014/controlling-the-sbrick-with-a-wiimote。更具体地说，我认为您正在寻找的代码是：

# roll = accelerometer[0], standby ~125
# pitch = accelerometer[1], standby ~125

...

    roll=(wm.state['acc'][0]-125)
    pitch=(wm.state['acc'][1]-125)

我假设您可以使用 z 轴（索引 2）进行偏航

Answer 2

所以这个问题有几个部分，首先是如何从运动加传感器中提取陀螺数据。为此，首先需要启用 Motion Plus。

陀螺仪提供角旋转矢量，但由于积分误差引起的漂移，您不能简单地使用这两者的组合来获得欧拉角。问题的第二部分是如何使用这些数据给出位置，这是通过使用卡尔曼滤波器（高度复杂的矩阵序列）或互补滤波器（一种不太复杂的数学运算）来完成的。这两个滤波器本质上是结合陀螺仪和加速度计数据，因此如上面评论中所述，可实现更稳定的测量、更少的漂移以及在摇晃遥控器时系统不易损坏。

卡尔曼滤波器： http://blog.tkjelectronics.dk/2012/09/a-practical-approach-to-kalman-filter-and-how-to-implement-it/

Using PyKalman on Raw Acceleration Data to Calculate Position

互补过滤器 https://www.instructables.com/Angle-measurement-using-gyro-accelerometer-and-Ar/

目前仍在开发核心，但会在我完成后发布，希望明天。 我用来测试测量的基础代码可以在这里找到： http://andrew-j-norman.blogspot.com/2010/12/more-code.html。非常方便，因为它会在记录后自动绘制传感器读数。通过这样做，您可以看到，即使在静止时，通过使用角速度的简单积分进行的位置估计也会导致位置矢量发生漂移。

编辑： 对此进行测试可以让陀螺仪传感器准确计算随时间变化的角度，但加速度仍然存在漂移——我认为这是不可避免的。

这是一个演示陀螺运动传感器的图像：

刚刚完成代码：

#!/usr/bin/python

import cwiid
from time import time, asctime, sleep, perf_counter
from numpy import *
from pylab import *
import math
import numpy as np
from operator import add
HPF = 0.98
LPF = 0.02

def calibrate(wiimote):
    print("Keep the remote still")
    sleep(3)
    print("Calibrating")
    
    messages = wiimote.get_mesg()
    i=0
    accel_init = []
    angle_init = []
    while (i<1000):
        sleep(0.01)
        messages = wiimote.get_mesg()
        for mesg in messages:
            # Motion plus:
            if mesg[0] == cwiid.MESG_MOTIONPLUS:
                if record:
                    angle_init.append(mesg[1]['angle_rate'])
            # Accelerometer:
            elif mesg[0] == cwiid.MESG_ACC:
                if record:
                    accel_init.append(list(mesg[1]))
        i+=1

    accel_init_avg = list(np.mean(np.array(accel_init), axis=0))
    print(accel_init_avg)
    angle_init_avg = sum(angle_init)/len(angle_init)
    print("Finished Calibrating")
    return (accel_init_avg, angle_init_avg)
    
def plotter(plot_title, timevector, data, position, n_graphs):
   subplot(n_graphs, 1, position)
   plot(timevector, data[0], "r",
        timevector, data[1], "g",
        timevector, data[2], "b")
   xlabel("time (s)")
   ylabel(plot_title)

print("Press 1+2 on the Wiimote now")
wiimote = cwiid.Wiimote()

# Rumble to indicate a connection
wiimote.rumble = 1
print("Connection established - release buttons")
sleep(0.2)
wiimote.rumble = 0
sleep(1.0)

wiimote.enable(cwiid.FLAG_MESG_IFC | cwiid.FLAG_MOTIONPLUS)
wiimote.rpt_mode = cwiid.RPT_BTN | cwiid.RPT_ACC | cwiid.RPT_MOTIONPLUS

accel_init, angle_init = calibrate(wiimote)
str = ""
print("Press plus to start recording, minus to end recording")
loop = True
record = False
accel_data = []
angle_data = []
messages = wiimote.get_mesg()
while (loop):
   sleep(0.01)
   messages = wiimote.get_mesg()
   for mesg in messages:
       # Motion plus:
       if mesg[0] == cwiid.MESG_MOTIONPLUS:
           if record:
               angle_data.append({"Time" : perf_counter(), \
                   "Rate" : mesg[1]['angle_rate']})
       # Accelerometer:
       elif mesg[0] == cwiid.MESG_ACC:
           if record:               
               accel_data.append({"Time" : perf_counter(), "Acc" : [mesg[1][i] - accel_init[i] for i in range(len(accel_init))]})
       # Button:
       elif mesg[0] == cwiid.MESG_BTN:
           if mesg[1] & cwiid.BTN_PLUS and not record:
               print("Recording - press minus button to stop")
               record = True
               start_time = perf_counter()
           if mesg[1] & cwiid.BTN_MINUS and record:
               if len(accel_data) == 0:
                   print("No data recorded")
               else:
                   print("End recording")
                   print("{0} data points in {1} seconds".format(
                       len(accel_data), perf_counter() - accel_data[0]["Time"]))
               record = False
               loop = False
       else:
           pass

wiimote.disable(cwiid.FLAG_MESG_IFC | cwiid.FLAG_MOTIONPLUS)
if len(accel_data) == 0:
   sys.exit()


timevector = []
a = [[],[],[]]
v = [[],[],[]]
p = [[],[],[]]
last_time = 0
velocity = [0,0,0]
position = [0,0,0]

for n, x in enumerate(accel_data):
   if (n == 0):
       origin = x
   else:
       elapsed = x["Time"] - origin["Time"]
       delta_t = x["Time"] - last_time
       timevector.append(elapsed)
       for i in range(3):
           acceleration = x["Acc"][i] - origin["Acc"][i]
           velocity[i] = velocity[i] + delta_t * acceleration
           position[i] = position[i] + delta_t * velocity[i]
           a[i].append(acceleration)
           v[i].append(velocity[i])
           p[i].append(position[i])
   last_time = x["Time"]

n_graphs = 3
if len(angle_data) == len(accel_data):
   n_graphs = 5
   angle_accel = [(math.pi)/2 if (j**2 + k**2)==0 else math.atan(i/math.sqrt(j**2 + k**2)) for i,j,k in zip(a[0],a[1],a[2])]
   ar = [[],[],[]] # Angle rates
   aa = [[],[],[]] # Angles
   angle = [0,0,0]
   for n, x in enumerate(angle_data):
       if (n == 0):
           origin = x
       else:
           delta_t = x["Time"] - last_time
           for i in range(3):
               rate = x["Rate"][i] - origin["Rate"][i]
               angle[i] = HPF*(np.array(angle[i]) + delta_t * rate) + LPF*np.array(angle_accel)
               ar[i].append(rate)
               aa[i].append(angle[i])
       last_time = x["Time"]


plotter("Acceleration", timevector, a, 1, n_graphs)
if n_graphs == 5:
   plotter("Angle Rate", timevector, ar, 4, n_graphs)
   plotter("Angle", timevector, aa, 5, n_graphs)

show()