MPU6050 IMU

Qué es

El MPU-6050 es la forma en que un robot siente su propio movimiento. Es una unidad de medición inercial de 6 ejes: un giroscopio y un acelerómetro en un mismo chip, que informa de cómo está inclinado el robot, con qué rapidez gira y cómo se está acelerando. Donde un sensor ultrasónico mira hacia afuera al mundo, una IMU mira hacia adentro, al propio cuerpo del robot, que es lo que necesita un robot autoequilibrado o un navegador por navegación muerta.

Cómo funciona

Dentro hay dos sensores. El acelerómetro mide la aceleración lineal en X, Y y Z: en reposo, eso es solo la gravedad, que le dice al robot hacia dónde es abajo (su inclinación). El giroscopio mide con qué rapidez gira el robot alrededor de cada eje. Ambos se leen por I²C (SCL/SDA).

Ninguno de los dos sensores basta por sí solo: integra el giroscopio para obtener un ángulo y deriva lentamente; confía en el acelerómetro y es ruidoso en cuanto el robot se mueve. La solución es la fusión de sensores: combinarlos de modo que el acelerómetro corrija la deriva del giroscopio y el giroscopio suavice el ruido del acelerómetro. Esa técnica es exactamente lo que cubre el ruido de sensores, el sesgo y el filtrado.

Cuándo usarlo

Recurre a un MPU-6050 cuando un robot necesite conocer su propia orientación o movimiento:

• Robots autoequilibrados: el ángulo de inclinación con el que lucha el lazo de control para mantenerlo en cero.
• Rumbo y navegación muerta: detectar giros para mejorar la odometría entre lecturas de los encoders.
• Detección de movimiento o gestos: reaccionar a que lo cojan, lo inclinen o lo sacudan.

Para medir la distancia a cosas (paredes, obstáculos) quieres un sensor de distancia como el HC-SR04 o el VL53L0X: una IMU siente al robot, no al mundo.

Cableado y errores comunes

• I²C, 3,3–5 V. La mayoría de placas adaptadoras (la GY-521 morada) llevan regulador, así que 5 V está bien; el chip desnudo es solo de 3,3 V.
• Filtra el giroscopio y el acelerómetro: no directions con una lectura en crudo. Una sola muestra de acelerómetro en movimiento es inservible como ángulo de inclinación.
• El guiñada se desvía sin magnetómetro; usa el MPU-6050 para cabeceo y alabeo y para giros a corto plazo, no para rumbo absoluto de brújula.
• Móntalo rígido y a nivel: un sensor suelto añade vibración que el filtro no puede quitar.

Patillaje

La placa adaptadora GY-521 morada es la que casi todo el mundo quiere decir con «MPU-6050». Ocho pines, y cuatro de ellos normalmente se quedan sin conectar.

AD0 es el pin que hace posibles dos MPU-6050 en un mismo bus, y es la razón de que aquí la colisión de direcciones tenga una respuesta fácil que la mayoría de los sensores no ofrecen.

Cablearlo a un Arduino

Hay un detalle que conviene saber en un Arduino de 5 V. Las resistencias de pull-up de la GY-521 van a su riel regulado de 3,3 V, así que las líneas de I²C quedan en reposo a 3,3 V, no a 5 V. Un ATmega328P lee alto por encima de 0,6 × Vcc = 3,0 V, así que 3,3 V supera el umbral, pero solo por 0,3 V. En la práctica funciona de forma fiable, y es una de las razones por las que un tramo de I²C largo o ruidoso se comporta mal en esta placa antes que en una de 5 V.

Leerlo: los registros que importan

Puedes manejar este sensor con una biblioteca y no ver nunca un registro, pero cuatro de ellos explican casi todos los problemas que la gente tiene con él.

Los dos registros de configuración fijan el factor de escala por el que divides las cuentas en crudo, y equivocarse es la causa más habitual de «mis ángulos son cuatro veces más grandes»:

Elige el rango más pequeño que no sature. Un robot equilibrador rara vez pasa de ±250 °/s, y el rango estrecho te da cuatro veces la resolución de ±1000 °/s gratis.

Código mínimo funcional

Sin biblioteca: esto es todo, y merece la pena ejecutarlo una vez para saber qué está haciendo la biblioteca por ti.

#include <Wire.h>

const uint8_t MPU = 0x68;          // 0x69 if AD0 is tied high

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();

  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B);                 // PWR_MGMT_1
  Wire.write(0);                    // wake up — the chip boots asleep
  Wire.endTransmission(true);
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B);                 // ACCEL_XOUT_H
  Wire.endTransmission(false);      // repeated start, do not release the bus
  Wire.requestFrom(MPU, (uint8_t)14);

  int16_t ax = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  int16_t ay = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  int16_t az = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  Wire.read(); Wire.read();         // temperature, discarded here
  int16_t gx = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  int16_t gy = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  int16_t gz = Wire.read() << 8 | Wire.read();

  // Default ranges: +/-2 g and +/-250 deg/s
  float pitch = atan2(ax, sqrt((float)ay * ay + (float)az * az)) * 57.2958f;
  float rateY = gy / 131.0f;        // deg/s

  Serial.print(pitch); Serial.print(' '); Serial.println(rateY);
  delay(20);
}

Dos cosas que esto deliberadamente no hace: nunca fusiona los dos sensores, y nunca resta un sesgo. Las dos vienen ahora.

Calibración: las veinte líneas que más importan

En reposo un giroscopio no lee cero. Lee un desplazamiento pequeño y bastante constante, y como integras el giroscopio para obtener un ángulo, ese desplazamiento se integra en un error que crece sin parar. Un sesgo de solo 2 °/s sin corregir son 120° de deriva al cabo de un minuto.

Promedia unos cientos de muestras con el sensor completamente quieto y luego resta:

long sum = 0;
for (int i = 0; i < 500; i++) { sum += readGyroY(); delay(3); }
const float gyroBias = sum / 500.0f;   // subtract from every later reading

Tres notas prácticas que la ficha técnica no te va a decir:

• Hazlo en cada encendido, no una vez. El sesgo del giroscopio se mueve con la temperatura, y un robot que lleva diez minutos en marcha no es el robot que calibraste en frío.
• «Quieto» significa quieto. Una calibración hecha mientras alguien se apoya en el escritorio graba ese movimiento en el sesgo de forma permanente.
• El acelerómetro necesita una referencia de nivel, no un cero. Debe leer 1 g en el eje que apunte hacia abajo. Si lee 0,97 g, ese es tu error de escala, y aparecerá como un ángulo de inclinación que siempre se va un par de grados.

Por qué un solo sensor nunca basta

Los dos sensores fallan de exactamente manera opuesta, y por eso fusionarlos funciona tan bien.

Un filtro complementario se queda con la buena mitad de cada uno: confía en el giroscopio a corto plazo y deja que el acelerómetro tire poco a poco de la estimación de vuelta hacia la verdad:

angle = 0.98f * (angle + rate * dt) + 0.02f * accelAngle;

Ese 0,02 fija el punto de conmutación. Un valor más alto confía más tiempo en el giroscopio, lo que es más suave pero deriva más; uno más bajo responde al ruido del acelerómetro. El tutorial del filtro complementario analiza cómo elegirlo a conciencia en lugar de por sensación.

Resolución de problemas

¿MPU-6050 o algo más nuevo?

El MPU-6050 está fuera de producción en el fabricante y sigue siendo la IMU más usada en robótica de afición, porque es barata, está documentada en todas partes y la admiten todas las bibliotecas.

El resumen honesto: si tu robot necesita cabeceo y alabeo, que es lo que necesita el equilibrio, el MPU-6050 es más que suficiente y la fusión es algo que está bien que escribas tú mismo. Si necesita rumbo absoluto, ningún cantidad de filtrado lo sacará de seis ejes, y lo que quieres es un magnetómetro.