ATOM-IMU 模块 V5.3

参数

• 输出频率：2-2000Hz
• 支持电压：5V/24V
• 接口：USB / UART / CAN
• 支持数据类型：加速度计 (ACC) / 陀螺仪 (GYRO) / 欧拉角 (EULR) / 四元数 (QUAT)
• UART 波特率：2M (数据)
• CAN 波特率：1M
• 陀螺仪：最大量程 ±2000DPS
• 加速度计：最大量程 ±24G

usb接口会在电脑上枚举出两个CDC虚拟串口，分别为命令行与数据输出。虚拟串口输出的IMU数据与硬件串口格式相同。

不建议使用USB转TTL连接硬件串口。硬件串口波特率较高，需要选择支持此波特率（2M）的USB转TTL模块。模块自带的USB接口延迟更低，速度更快。

Yaw轴零漂测试

零偏通常在10°/h以下，校准环境较好时可达3°/h以下。

连接方式

• USB：UART1(数据输出) UART2(命令行)
• UART GH1.25 4P：
  • 1: SYNC / FSYNC（可配置为输入或输出）
  • 2: TX
  • 3: GND
  • 4: +5V_IN
• CAN GH1.25 4P：
  • 1: CANL
  • 2: CANH
  • 3: GND
  • 4: +5V_IN
• XT30 供电：24V_IN

示例代码

├── linux_uart_example      `Linux UART 解析示例`
├── ros_imu_publisher       `ROS IMU 发布节点`
├── ros_imu_subscriber      `ROS IMU 订阅节点`
├── ros_rviz_example.rviz   `ROS RViz 可视化`
└── stm32_can_example       `STM32 CAN 解析示例（5.3不支持CANFD）`

Linux UART 示例

编译并运行示例：

gcc main.c -o main
./main

ROS 示例

VERSION=rolling

发布

colcon build
source install/setup.zsh
ros2 run imu_publisher node_imu

订阅

colcon build
source install/setup.zsh
ros2 run imu_subscriber node_imu

RViz 可视化

使用 ros_rviz_example.rviz 在 RViz2 中打开。

STM32 CAN 示例

make

终端交互

使用 picocom、putty、MobaXTerm 等工具进行交互，连接USB枚举出的第二个串口设备即可。 示例操作：

linux@XRobot:~$ ls /dev/ttyACM*
/dev/ttyACM0  /dev/ttyACM1

linux@XRobot:~$ picocom /dev/ttyACM1

回车后示例输出：

XRobot:/$

IMU 设置

# 输入set_imu命令并回车
XRobot:/$ set_imu
# 这一行显示IMU CAN输出的状态，CAN/UART输出同时只能有一个开启
can output disabled.
# 这一行显示IMU 串口输出的状态
uart output enabled.
# 这一行表示帧同步信号FSYNC的模式：
#   0=不启用
#   1=检测上升沿
#   2=检测下降沿
#   3=同时检测上升沿/下降沿
#   4=输出FSYNC时钟（UART口 SYNC/FSYNC 引脚输出）
# 第二个数字代表最近一次FSYNC事件的时间（微秒）
# 第三个数字代表最近一次IMU数据时间戳（微秒）
FSYNC:4 6685000 6690413
# 当 fsync=4（输出）时，会额外显示输出分频参数（Div）
Div:10
# 这一行显示两次反馈数据的时间间隔，单位500us
feedback delay:1
# 这一行显示IMU数据帧的ID
id:48
# 这一行显示数据输出是否开启（见下文“停流 / 起流”，firmware_26-11-02 起）
stream:on

Usage:
        set_delay  [time]  设置发送延时 1=500us
        set_div    [div]   设置clk_out(FSYNC)分频
        set_can_id [id]    设置can id
        just_float         设置vofa+ just_float输出
        # accl/gyro/quat/eulr只对can模式发送有效
        enable/disable     [accl/gyro/quat/eulr/can/uart]
        fsync              [0: disable 1: rise 2: fall 3: both 4: output]           设置fsync模式
        stop / start       停流 / 起流，不写 flash，起流时刻写入 sync

校准（Calibration）

完整校准过程约需 20 分钟，过程中需要保证 IMU 稳定，每次更改IMU方向后需要等待1分钟以上来使角度稳定。校准的每一步都无顺序要求，可以多次尝试。

# 上电后等待十分钟，IMU预热
XRobot:/$ imu1 show 600000 1000
# IMU平放，LOGO面朝上
XRobot:/$ imu1 cali
...
# 校准误差绝对值在0.00003以下视为校准成功，理想情况下应当小于0.000015
Calibration error -0.000013
Calibration data saved.
# 更改方向，USB接口面朝下
XRobot:/$ imu1 cali
...
# 侧放IMU，使GH1.25接口朝上
XRobot:/$ imu1 cali
...
# 再次将IMU平放，LOGO面朝上
XRobot:/$ imu2 cali
...
# 搜索得到当地的经纬度，可在谷歌地图中直接右键复制。例如格拉斯哥的经纬度为：55.87241068336635 -4.290120205979219
XRobot:/$ ahrs set_location 55.87 -4.29
Done.
# 校准完成

测量零漂

仅作参考，以实际情况为准

XRobot:/$ ahrs test
Please keep the device steady, start measurement
Please wait
Zero offset:-0.035189°/min

VOFA+ 可视化数据

请添加以下自定义命令，使用VOFA+可视化数据。 数据分别为：w x y z pitch roll yaw

ahrs print_quat 1000000 10\r\n

调整恒温温度

# 设置恒温温度  
# 两个IMU温度同步，修改一个即可
XRobot:/$ imu1 set_temp 45

# 重新上电并校准

FSYNC 输入模式（fsync=1/2/3）

根据触发模式的不同，Data.sync会记录输入信号的边沿触发时间。

FSYNC 输出模式（fsync=4）

当 fsync 设置为 4 时，模块会在 UART GH1.25 的 1 号脚（SYNC/FSYNC） 输出方波时钟，用于外部同步。

• Data.sync 字段记录最近一次 FSYNC 输出上升沿所对应的 IMU 采样结束/数据就绪时间戳（微秒）
• Data.sync 仅在 FSYNC 上升沿发生时更新，其余数据帧会保持为“最近一次上升沿对应的 sync 值”
• FSYNC 输出上升沿相对 Data.sync 的延迟约为 8.5µs（典型值）
• 输出分频由 set_div [div] 控制（仅 fsync=4 时生效）
• set_delay [delay] 为发送/反馈节拍，单位 500µs（delay=1 即 500µs）
• 在当前固件中，内部数字滤波带来的群延迟典型值约为 1.5ms

输出周期计算：

• 翻转间隔：500µs × delay × div
• 方波周期：500µs × delay × div × 2

示例：delay=2（1ms），div=5
方波周期 = 500µs × 2 × 5 × 2 = 10ms，即 100Hz。

停流 / 起流（set_imu stop / start，firmware_26-11-02 起）

不接 FSYNC 线时的第二种同步方式。这两条命令只改内存，不写 flash，可以反复使用；重新上电后总是按保存的设置输出。

• set_imu stop：停止输出（UART 和 CAN），IMU 数据和 FSYNC 照常更新。
• set_imu start：记下收到命令时的微秒时间，从时间不早于它的第一个样本起恢复输出。这个时间比已记下的 FSYNC 事件新时，成为之后数据帧的 Data.sync，直到出现更新的 FSYNC 事件。
• 用法：主机发 set_imu stop，清空数据串口的接收缓冲，再发 set_imu start；之后收到的帧里 Data.sync 就是 IMU 收到 start 时的时间。
• 精度受 USB 命令延迟限制（约 1 ms 量级）；需要微秒级同步时使用 FSYNC。
• 两次 start 之间请间隔至少 1 ms。

---

路径延迟

在当前配置下，IMU 采样周期约为 500µs。
IMU 采样结束到 FSYNC 输出上升沿需要约 8.5µs。

例如使用 FSYNC 触发相机采集时：

• IMU 采样时间中点约为：Data.sync - 250µs
• 相机采集时间中点约为：Data.sync + 8.5µs + 相机触发上升沿延迟 + 曝光时间/2

因此可结合 Data.sync 与 Data.time，在 IMU 数据流中选择距离相机采集时间中点最近的 IMU 数据帧。

此外，更改 set_delay [delay] 或 set_div [div] 均会在当前周期结束后生效，运行时更改不会导致相位偏移。
因此可通过调整 div，并同时监控相机帧时间差与IMU 数据时间差（相对上一帧的 Δt）来对齐相机与 IMU 数据。

3D 模型

Top Model

Bottom Model

传输协议

UART 协议

• 数据帧包括：前缀，微秒时间戳（time），同步时间戳（sync），四元数，角速度，加速度，欧拉角，CRC8 校验。

typedef struct __attribute__((packed)) {
  float x;
  float y;
  float z;
} Vector3;

typedef struct __attribute__((packed)) {
  float q0;
  float q1;
  float q2;
  float q3;
} Quaternion;

typedef struct __attribute__((packed)) {
  float yaw;
  float pit;
  float rol;
} EulerAngles;

typedef struct __attribute__((packed))
{
  uint8_t prefix;
  uint64_t time : 40;
  uint64_t sync : 40;
  Quaternion quat_;
  Vector3 gyro_;
  Vector3 accl_;
  EulerAngles eulr_;
  uint8_t crc8;
} Data;

CAN 协议

#define ENCODER_21_MAX_INT ((1u << 21) - 1)
#define CAN_PACK_ID_ACCL 0
#define CAN_PACK_ID_GYRO 1
#define CAN_PACK_ID_EULR 3
#define CAN_PACK_ID_QUAT 4

typedef union {
  struct __attribute__((packed)) {
    int32_t data1 : 21;
    int32_t data2 : 21;
    int32_t data3 : 21;
    int32_t res : 1;
  };
  struct __attribute__((packed)) {
    uint32_t data1_unsigned : 21;
    uint32_t data2_unsigned : 21;
    uint32_t data3_unsigned : 21;
    uint32_t res_unsigned : 1;
  };
  uint8_t raw[8];
} CanData3;

typedef struct __attribute__((packed)) {
  union {
    int16_t data[4];
    uint16_t data_unsigned[4];
  };
} CanData4;

typedef struct {
  struct {
    float x, y, z;
  } accl;
  struct {
    float x, y, z;
  } gyro;
  struct {
    float pitch, roll, yaw;
  } eulr;
  struct {
    float w, x, y, z;
  } quat;
  uint64_t timestamp;
  uint64_t sync_time;
} ImuData;

ImuData imu_data;

static float DecodeFloat21(uint32_t encoded, float min, float max) {
  float norm =
      (float)(encoded & ENCODER_21_MAX_INT) / (float)ENCODER_21_MAX_INT;
  return min + norm * (max - min);
}

static float DecodeInt16Normalized(int16_t value) {
  return (float)value / (float)INT16_MAX;
}

static void ProcessClassicCanPacket(uint32_t id, uint8_t *data) {
  uint32_t packet_type = id - IMU_DEVICE_ID;

  switch (packet_type) {
  case CAN_PACK_ID_ACCL: {
    /* Accelerometer data: ±24g range */
    CanData3 *can_data = (CanData3 *)data;
    imu_data.accl.x = DecodeFloat21(can_data->data1_unsigned, -24.0f, 24.0f);
    imu_data.accl.y = DecodeFloat21(can_data->data2_unsigned, -24.0f, 24.0f);
    imu_data.accl.z = DecodeFloat21(can_data->data3_unsigned, -24.0f, 24.0f);
    break;
  }

  case CAN_PACK_ID_GYRO: {
    /* Gyroscope data: ±2000 deg/s converted to rad/s */
    CanData3 *can_data = (CanData3 *)data;
    float min_gyro = -2000.0f * M_PI / 180.0f;
    float max_gyro = 2000.0f * M_PI / 180.0f;
    imu_data.gyro.x =
        DecodeFloat21(can_data->data1_unsigned, min_gyro, max_gyro);
    imu_data.gyro.y =
        DecodeFloat21(can_data->data2_unsigned, min_gyro, max_gyro);
    imu_data.gyro.z =
        DecodeFloat21(can_data->data3_unsigned, min_gyro, max_gyro);
    break;
  }

  case CAN_PACK_ID_EULR: {
    /* Euler angles: ±π rad */
    CanData3 *can_data = (CanData3 *)data;
    imu_data.eulr.pitch = DecodeFloat21(can_data->data1_unsigned, -M_PI, M_PI);
    imu_data.eulr.roll = DecodeFloat21(can_data->data2_unsigned, -M_PI, M_PI);
    imu_data.eulr.yaw = DecodeFloat21(can_data->data3_unsigned, -M_PI, M_PI);
    break;
  }

  case CAN_PACK_ID_QUAT: {
    /* Quaternion data: normalized int16 */
    CanData4 *can_data = (CanData4 *)data;
    imu_data.quat.w = DecodeInt16Normalized(can_data->data[0]);
    imu_data.quat.x = DecodeInt16Normalized(can_data->data[1]);
    imu_data.quat.y = DecodeInt16Normalized(can_data->data[2]);
    imu_data.quat.z = DecodeInt16Normalized(can_data->data[3]);
    break;
  }

  default:
    /* Unknown packet type */
    break;
  }
}

固件说明

• bootloader.bin
  • Bootloader 镜像，仅用于写入 Bootloader
• firmware/ 目录下的 firmware_*.elf
  • 应用固件，用于通过 WebDFU 下载到设备
  • 例如：
    • firmware_25-12-21.elf
    • firmware_25-12-28.elf
    • firmware_26-11-02.elf（最新）

固件版本记录

• firmware_26-11-02.elf
  • 角速度输出（UART 帧和 CAN）在全量程内都取低噪声 IMU（BMI270），其量程改为 ±2000°/s；不再在约 425°/s 以上与 BMI088 混合。高转速时角速度噪声明显降低。
  • 新增 set_imu stop / set_imu start（停流 / 起流，不写 flash），见上文。
  • 修复：输出线程偶尔落后时，同一个样本会连续发两帧（时间戳相同）。现在改为跳过，不再重复。
  • 修复：BMI270 的 SPI 偶发卡死后数据不再更新、直到复位的问题。
  • 底层改用新版 LibXR。帧格式、CAN ID 与编码、命令名和参数不变；ahrs set_location / set_offset 不再接受科学计数法（如 1e3）。长命令（如 cali）执行期间，主机若继续向命令串口写入，写操作可能阻塞到命令结束，主机脚本请为串口设置写超时。

请勿将 bootloader.bin 作为应用固件下载，否则设备将停留在 Bootloader / DFU 模式。

首次烧录流程

用于首次装配后的上电，或设备中尚无应用固件时。

1. 写入 Bootloader。
   • 使用 1.25 4P 探针连接 SWD 接口，烧录 bootloader.bin
   • 或按硬件流程短接 boot（R66），进入 DFU 下载模式后烧录 Bootloader
2. 重启设备。
3. 若设备中尚无应用固件，重启后会自动进入 Bootloader。
4. 重新插拔 USB。
5. 打开此网站：ATOM-IMU 固件更新
6. 选择 firmware/ 目录下的 firmware_*.elf 作为应用固件。
7. 按页面提示完成下载。
8. 再次重新插拔 USB。
9. 命令串口回车后出现 XRobot:/$，表示应用固件已启动。

应用固件更新

用于设备已具备可运行的应用固件，需要升级版本时。

1. 准备新的 firmware_*.elf。

2. 通过命令串口执行：

   power bl

3. 设备进入 Bootloader 后，重新插拔 USB。

4. 打开此网站：ATOM-IMU 固件更新

5. 选择新的 firmware_*.elf，按页面提示完成更新。

6. 再次重新插拔 USB。

7. 命令串口回车后出现 XRobot:/$，表示更新完成。

若当前应用固件无法进入命令串口，可按“首次烧录流程”重新进入 Bootloader，再重新下载应用固件。

焊接建议

• BMI088、BMI270 可先对引脚和焊盘植锡，再整体吹焊；可按类似 BGA 的回流焊法操作。
• 若多次重焊 BMI088、BMI270 后仍无法恢复，再排查 STM32 侧焊接、SPI、CS、中断、供电或芯片本体损坏。

常见问题与故障处理

下面的时间戳、文件行号会随固件版本变化，排查时优先看日志关键字。

现象 / 日志特征	最可能原因	处理建议
上电后始终停在 Bootloader，或设备行为一直像 DFU 更新设备	将 bootloader.bin 当成了应用固件烧录	bootloader.bin 仅用于 Bootloader，本体固件请使用 firmware/ 目录中的 app 固件；重新进入 Bootloader 后，按上面的固件更新流程重新烧录 app
烧录 bootloader.bin 后，或短接 boot（R66）后，USB 仍不枚举	通常不是应用固件问题，应优先视为 USB 硬件链路异常	检查 USB 连接器、USB 相关电阻、STM32 USB 引脚、USB 相关晶振及其周边焊点
两个 COM 口都能枚举，但 IMU 没有正常输出 / 陀螺仪不出数据	通常不是 USB 枚举问题，而是 IMU 相关焊接问题	优先检查 BMI088、BMI270 及其周边焊接；如果串口和 CLI 正常，但传感器数据异常，先不要把问题归到上位机
W [200933] (./Modules/BMI270/BMI270.hpp:398) IMU2:Writesingle timeout reg=0x7E data=0xB6	BMI270 寄存器写入后读回不一致，常见原因为 SPI 虚焊、连焊或芯片本体异常	重点检查 BMI270 供电、SPI 焊点和芯片姿态；建议补锡后热风重焊，必要时更换芯片
W [201044] (./Modules/BMI270/BMI270.hpp:341) IMU2:bad CHIP ID	BMI270 软复位后再次读取 CHIP_ID 失败，常见原因为 SPI 虚焊	优先按 BMI270 SPI 焊接问题处理；先查焊点、再查芯片
E [112547] (./Modules/BMI088/BMI088.hpp:260) IMU1: Init failed.	BMI088 初始化失败。源码里对应的是加速度计或陀螺仪 CHIP_ID 读取不正确，常见原因为 SPI 虚焊，也可能是供电 / 片选异常	重点检查 BMI088 本体焊接、SPI 引脚、CS 连接与供电连通；建议先植锡再回流重焊
W [28734] (./Modules/BMI088/BMI088.hpp:368) IMU1 wait timeout.	BMI088 初始化后 50ms 内未等到新数据中断，常见原因为中断引脚虚焊	这类问题常见于 能读到器件但等不到中断；优先检查 BMI088 中断脚及其到 MCU 的走线/焊点
BMI088、BMI270 多次重焊后仍无法通信，或 IMU 仍无法识别	除传感器本体外，也可能是 STM32 侧虚焊	检查 STM32 与 IMU 相连的 SPI、CS、中断、供电等相关焊点
加热电阻不工作，或温度长时间无法上升	可能是加热回路异常，也可能是 STM32 PWM 引脚虚焊	检查加热电阻、供电回路及 STM32 PWM 输出相关焊点

附上：XRobot 开源 IMU 手动焊接烈士榜 包含最近交流群内的焊接成功/失败记录

相关资源

• Bilibili 视频演示