MPU-6050 IMU

Présentation

Le MPU-6050 est la façon dont un robot sent son propre mouvement. C’est une centrale inertielle 6 axes — un gyroscope et un accéléromètre sur une puce — qui rapporte l’inclinaison du robot, sa vitesse de rotation et son accélération. Là où un capteur ultrason regarde le monde extérieur, une centrale inertielle regarde vers l’intérieur, vers le corps du robot, ce qu’il faut à un robot auto-équilibré ou à une navigation à l’estime.

Fonctionnement

Il contient deux capteurs. L’accéléromètre mesure l’accélération linéaire sur X, Y et Z — à l’arrêt, c’est juste la gravité, qui indique au robot où est le bas (son inclinaison). Le gyroscope mesure la vitesse à laquelle le robot tourne autour de chaque axe. On lit les deux en I²C (SCL/SDA).

Aucun capteur ne suffit seul : intégrez le gyro pour obtenir un angle et il dérive lentement ; croyez l’accéléromètre et il est bruité dès que le robot bouge. La correction est la fusion de capteurs — mélangez-les pour que l’accéléromètre corrige la dérive du gyro et que le gyro lisse le bruit de l’accéléromètre. Cette technique est exactement ce que couvre bruit, biais et filtrage des capteurs.

Quand l’utiliser

Prenez un MPU-6050 quand un robot doit connaître sa propre orientation ou son mouvement :

• Robots auto-équilibrés — l’angle d’inclinaison que la boucle de commande s’acharne à garder à zéro.
• Cap et navigation à l’estime — sentir les virages pour améliorer l’odométrie entre lectures de codeurs.
• Détection de mouvement / gestes — réagir quand on le soulève, le penche ou le secoue.

Pour mesurer la distance aux choses (murs, obstacles), prenez plutôt un capteur de distance comme le HC-SR04 ou le VL53L0X — une centrale inertielle sent le robot, pas le monde.

Câblage et pièges

• I²C, 3,3–5 V. La plupart des cartes (la violette GY-521) ont un régulateur, donc 5 V convient ; la puce nue est 3,3 V seulement.
• Fusionnez gyro et accéléro — ne pilotez jamais sur une lecture brute. Un seul échantillon d’accéléromètre en mouvement est inutilisable comme angle d’inclinaison.
• Le lacet dérive sans magnétomètre ; utilisez le MPU-6050 pour tangage/roulis et virages à court terme, pas pour un cap absolu au compas.
• Gardez-le rigide et monté de niveau ; un capteur qui bouge ajoute des vibrations que le filtre ne peut pas retirer.

Brochage

La carte violette GY-521 est la carte que presque tout le monde entend par « MPU-6050 ». Huit broches, et quatre d’entre elles restent généralement non connectées.

AD0 est la broche qui rend possibles deux MPU-6050 sur un bus, et c’est la raison pour laquelle la collision d’adresses a ici une réponse facile que la plupart des capteurs n’offrent pas.

Le câbler à un Arduino

Il y a une subtilité à connaître sur un Arduino 5 V. Les résistances de pull-up de la GY-521 vont à son rail régulé 3,3 V, donc les lignes I²C reposent à 3,3 V, pas 5 V. Un ATmega328P lit haut au-delà de 0,6 × Vcc = 3,0 V, donc 3,3 V passe le seuil — mais de justesse, 0,3 V. Cela marche fiablement en pratique et c’est une raison pour laquelle un bus I²C long ou bruité se comporte mal sur cette carte plus tôt que sur une carte 5 V.

Le lire : les registres qui comptent

Vous pouvez piloter ce capteur avec une bibliothèque sans jamais voir un registre, mais quatre d’entre eux expliquent presque tous les problèmes rencontrés.

Les deux registres de configuration fixent le facteur d’échelle par lequel diviser les comptes bruts, et se tromper est la source la plus fréquente de « mes angles sont quatre fois trop grands » :

Choisissez la gamme la plus petite qui ne saturera pas. Un robot équilibriste dépasse rarement ±250 °/s, et la gamme étroite donne quatre fois la résolution de ±1000 °/s gratuitement.

Code minimal fonctionnel

Sans bibliothèque — c’est tout, et cela vaut la peine de l’exécuter une fois pour savoir ce que la bibliothèque fait pour vous.

#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);
}

Deux choses que cela ne fait délibérément pas : jamais fusionner les deux capteurs, et jamais soustraire un biais. Les deux suivent.

Étalonnage : les vingt lignes qui comptent le plus

À l’arrêt, un gyro ne lit pas zéro. Il lit un petit décalage assez constant, et parce que vous intégrez le gyro pour obtenir un angle, ce décalage s’intègre en une erreur croissante. Un biais de juste 2 °/s non corrigé fait 120° de dérive après une minute.

Moyennez quelques centaines d’échantillons avec le capteur complètement immobile, puis soustrayez :

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

Trois notes pratiques que la fiche technique ne dira pas :

• Refaites-le à chaque mise sous tension, pas une fois. Le biais du gyro bouge avec la température, et un robot qui tourne depuis dix minutes n’est pas le robot étalonné à froid.
• « Immobile » signifie immobile. Un étalonnage pris pendant qu’on s’appuie sur le bureau grave ce mouvement dans le biais pour toujours.
• L’accéléromètre a besoin d’une référence de niveau, pas d’un zéro. Il doit lire 1 g sur l’axe qui pointe vers le bas. S’il lit 0,97 g, c’est votre erreur d’échelle, et elle apparaîtra comme un angle d’inclinaison faux de constamment quelques degrés.

Pourquoi un capteur seul ne suffit jamais

Les deux capteurs échouent de façons exactement opposées, ce qui rend leur fusion si efficace.

Un filtre complémentaire prend la bonne moitié de chacun — croyez le gyro à court terme, laissez l’accéléromètre ramener lentement l’estimation vers le vrai :

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

Ce 0,98 fixe le croisement. Plus haut croit le gyro plus longtemps, plus doux mais dérivant plus ; plus bas répond au bruit de l’accéléromètre. Le tutoriel sur le filtre complémentaire explique comment le choisir délibérément plutôt qu’au feeling.

Dépannage

MPU-6050 ou quelque chose de plus récent ?

Le MPU-6050 est en fin de vie chez le fabricant et reste la centrale inertielle la plus utilisée en robotique amateur, car économique, documentée partout et prise en charge par toute bibliothèque.

Le résumé honnête : si votre robot a besoin du tangage et du roulis — ce qu’il faut pour s’équilibrer — le MPU-6050 suffit amplement et la fusion est une bonne chose à avoir écrite soi-même. S’il lui faut un cap absolu, aucun filtrage ne l’obtiendra de six axes, et il faut un magnétomètre.