MPU-6050 IMU

Che cos’è

MPU-6050 è il modo in cui un robot percepisce il proprio movimento. È un’unità di misura inerziale a 6 assi, cioè un giroscopio e un accelerometro su un solo chip, che riporta l’inclinazione del robot, la rapidità con cui ruota e la sua accelerazione. Mentre un sensore ultrasonoro guarda il mondo esterno, un IMU guarda verso l’interno, verso il corpo stesso del robot: è ciò di cui hanno bisogno un robot autobilanciante o un navigatore basato sulla navigazione stimata.

Come funziona

All’interno ci sono due sensori. L’accelerometro misura l’accelerazione lineare sugli assi X, Y e Z; a riposo corrisponde alla gravità, che indica al robot quale direzione è verso il basso, cioè la sua inclinazione. Il giroscopio misura la velocità con cui il robot ruota attorno a ciascun asse. Li leggi entrambi tramite I²C (SCL/SDA).

Nessuno dei due sensori basta da solo: se integri il giroscopio per ottenere un angolo, l’angolo deriva lentamente; se ti fidi dell’accelerometro, diventa rumoroso ogni volta che il robot si muove. La soluzione è la fusione dei sensori, che li combina in modo che l’accelerometro corregga la deriva del giroscopio e il giroscopio smorzi il rumore dell’accelerometro. Questa tecnica è trattata esattamente in rumore, bias e filtraggio dei sensori.

Quando usarlo

Scegli MPU-6050 quando un robot deve conoscere il proprio orientamento o movimento:

• Robot autobilancianti — l’angolo di inclinazione che il ciclo di controllo combatte per mantenere a zero.
• Direzione e navigazione stimata — rilevamento delle rotazioni per migliorare l’odometria tra una lettura e l’altra degli encoder.
• Rilevamento del movimento / gesti — reazione quando il robot viene sollevato, ribaltato o scosso.

Per misurare la distanza dagli oggetti, come muri o ostacoli, usa invece un sensore di misura come HC-SR04 o VL53L0X: un IMU percepisce il robot, non il mondo.

Cablaggio e problemi comuni

• I²C, 3.3–5 V. La maggior parte delle schede di sviluppo, come la GY-521 viola, ha un regolatore, quindi 5 V vanno bene; il chip nudo funziona soltanto a 3.3 V.
• Combina gyro e accelerometro: non sterzare in base a una singola lettura grezza. Un unico campione dell’accelerometro durante il movimento non è utilizzabile come angolo di inclinazione.
• La rotazione attorno all’asse verticale deriva senza un magnetometro; usa MPU-6050 per l’inclinazione avanti/indietro e laterale e per rotazioni a breve termine, non per una direzione assoluta da bussola.
• Tienilo rigido e montato in piano; un sensore allentato aggiunge vibrazioni che il filtro non può eliminare.

Piedinatura

La scheda di sviluppo viola GY-521 è quella che quasi tutti intendono con «MPU-6050». Ha otto pin, di cui quattro restano normalmente scollegati.

AD0 è il pin che rende possibili due MPU-6050 sullo stesso bus ed è il motivo per cui qui la collisione degli indirizzi ha una soluzione semplice che la maggior parte dei sensori non offre.

Collegamento a un Arduino

Su un Arduino a 5 V c’è una sfumatura da conoscere. I resistori di pull-up della GY-521 collegano le linee I²C alla sua tensione regolata a 3.3 V, quindi le linee I²C si trovano a riposo a 3.3 V, non a 5 V. Un ATmega328P considera alto un segnale sopra 0.6 × Vcc = 3.0 V, perciò 3.3 V supera la soglia, ma soltanto di 0.3 V. In pratica funziona affidabilmente ed è uno dei motivi per cui un collegamento I²C lungo o rumoroso si comporta male su questa scheda prima che su una a 5 V.

Lettura: i registri che contano

Puoi pilotare questo sensore con una libreria e non vedere mai un registro, ma quattro di essi spiegano quasi tutti i problemi che le persone incontrano.

I due registri di configurazione impostano il fattore di scala con cui dividi i conteggi grezzi, e sbagliarlo è la causa più comune di «i miei angoli sono quattro volte troppo grandi»:

Scegli la portata più piccola che non vada in saturazione. Un robot bilanciatore supera raramente ±250 °/s e la portata stretta offre quattro volte la risoluzione di ±1000 °/s senza alcun costo.

Codice minimo funzionante

Nessuna libreria: questo è tutto, e vale la pena eseguirlo una volta per capire che cosa fa la libreria al posto tuo.

#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);
}

Due cose che questo codice deliberatamente non fa: non unisce i due sensori e non sottrae il bias. Sono entrambe le prossime.

Calibrazione: le venti righe più importanti

A riposo un giroscopio non legge zero. Legge un piccolo scostamento abbastanza costante e, poiché integri il giroscopio per ottenere un angolo, quello scostamento diventa un errore che cresce continuamente. Un bias di soli 2 °/s non corretto produce 120° di deriva dopo un minuto.

Calcola la media di qualche centinaio di campioni con il sensore completamente fermo, poi sottrai:

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

Tre note pratiche che il datasheet non ti darà:

• Fallo a ogni accensione, non una sola volta. Il bias del giroscopio cambia con la temperatura e un robot che ha funzionato per dieci minuti non è più quello che hai calibrato quando era freddo.
• «Fermo» significa fermo. Una calibrazione eseguita mentre qualcuno si appoggia al tavolo incorpora quel movimento nel bias in modo permanente.
• L’accelerometro richiede un riferimento di livello, non uno zero. Deve leggere 1 g sull’asse rivolto verso il basso. Se legge 0.97 g, quello è il tuo errore di scala e si manifesta come un angolo di inclinazione costantemente sbagliato di qualche grado.

Perché un solo sensore non basta mai

I due sensori falliscono in modi esattamente opposti ed è questo che rende così efficace la loro unione.

Un filtro complementare prende la parte buona di ciascuno: si fida del giroscopio nel breve termine e lascia che l’accelerometro riporti lentamente la stima verso la verità:

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

Il valore 0.98 determina il passaggio. Un valore maggiore si fida del giroscopio più a lungo, producendo un risultato più fluido ma con maggiore deriva; uno minore rende la stima più sensibile al rumore dell’accelerometro. Il tutorial sul filtro complementare spiega come sceglierlo deliberatamente anziché a istinto.

Risoluzione dei problemi

MPU-6050 o qualcosa di più recente?

MPU-6050 non è più prodotto dal produttore, ma resta l’IMU più diffuso nella robotica hobbistica perché è economico, documentato ovunque e supportato da ogni libreria.

Per riassumere con onestà: se il tuo robot ha bisogno di inclinazione avanti/indietro e laterale, ciò che serve al bilanciamento, MPU-6050 è più che sufficiente e scrivere la fusione è un’ottima cosa da fare. Se serve la direzione assoluta, nessun filtraggio la ricaverà da sei assi: serve un magnetometro.