Drone's DIYer

MPU6050 센서는 가속도계(Accelerometer)와 자이로(Gyroscope)가 1개의 칩에 모두 포함하고 있는 6DOF(Degrees of Freedom) MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 센서로, I2C(Inter Integrated Circuit) 통신 프로토콜을 통해서 데이터를 가져올 수 있습니다. 다음은 MPU6050의 메뉴얼입니다.

http://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf

MPU6050의 특징입니다.

• 3-axis Accel + 3-axis Gyroscope DMP(Digital Motion Processor)

• ±1% Temperature Sensor( Digital output )

• 7개의 16bit ADC를 내장하여 16bit 정교한 기울기 출력

• ±250,±500,±1000,±2000(˚/sec) dps 자이로, ±2,±4,±8,±16g 가속도 (User programable)

• 1024byte fifo buffer

• I2C 400KHz

• Programable Interrupts

• High-G Interrupts

• VDD: 2.375V ~ 3.46V

• Gyroscope Operating current 3.6mA( Standby 5uA )

• Accelerometer Operating current 500uA( Low Power mode 10uA~ )

• Programable Low-Pass Filter

• -40℃ ~ +85℃ (TA 25℃ )

• StartUp time 30msec

• Self Test

• I2C Address : 0x68 ( except R/W 0x1 )

• I2C Master or Slave

• Auxiliary I2C bus for communicating to an off-chip 3-Axis digital output magnetometer(지자계 센서) or other sensors.

MPU6050은 24pin QFN 패키지로 내부 timing generator를 사용하지 않는 경우 외장 32.768kHz 혹은 19.2MHz 클럭이 필요합니다. 따라서 사용이 용이하도록 주변 소자를 내장한 MPU6050의 Breakout 보드가 있으며 GY-521의 그 중의 하나입니다.

GY-521의 회로도

GY-521 모듈

(가속도계와 자이로의 방향은 MPU6050 칩의 1번 핀을 기준으로 3차원 축이 결정되며 MPU6050과 동일함을 알 수 있습니다)

MPU6050(GY-521)은 가속도계를 포함하므로 가속도를 측정하는 센서는 아닙니다. 단지 가속도를 이용하여 3차원 공간상 X, Y 그리고 Z 축을 중심으로 기울어진 각도(기울기)를 얻는 센서입니다. 가속도는 중력 방향과의 반대 방향일 때 양(+)이고 아래에서 각 축에 곡선 화살표는 자이로의 회전방향을 나타냅니다. 가속도계와 자이로 외에도 온도도 측정할 수 있는데 이는 이와같은 센서가 온도에 따라 약간 변화하기 때문에 이를 보정하는 목적으로 제공합니다.

만일 MPU6050을 비행기에 탑재하고 진행방향이 Y축 방향과 같다면 가속도계 출력 AccX는 롤(Roll), AccY는 피치(Pitch)그리고 AccZ는 요(Yaw)가 됩니다. 즉 AccX는 X축을 기준으로 기울어진 각도를 의미합니다. 가속도계는 X, Y축에 대해서 기울어진 정도를 중력가속도[g]의 단위로 출력합니다. 이때 기준 방향은 중력방향입니다. 그러나 Z축이 중력방향이 일치하는 경우 요를 구할 수 없다는 것입니다.

만일 움직이지 않고 이동하는 경우 진행 방향의 가속도의 영향으로 중력 방향이 변하게 되어 부정확하게 된다는 것입니다. 이러한 이유로 자이로의 측정 결과를 참조하게 되는데, 자이로는 짧은 시간은 정확하기 때문입니다. 하지만 긴 시간에 대해서는 자이로 센서가 측정시 함유하는 잡음 등을 각속도를 적분하여 기울기를 얻기 때문에 적분하는데, 이 과정에서 오차(적분상수)는 누적되고 시간에 따라 자이로 측정값은 드리프트하게 됩니다. 이때 변화분을 bias라고도 부릅니다.

위 그림에서 X축을 중심으로 회전한 각도 φ와 Y축을 중심으로 회전한 각도 ρ의 계산식입니다. 만일 X축 자체가 기울어지지 않았다면, 중력이 X축 상에 기여도는 없어 φ는 arctan(Ay/Az)으로 간략하게 됩니다. 여기서 Ax, Ay, Az는 AccX, AccY, AccZ입니다. ρ에서 음의 부호는 X축 중심으로 회전각도는 Y축이 위쪽으로 기울어져야 양이지만, Y축 중심으로 회전각도는 X축이 아래로 기울어져야 양이기 때문입니다.

MPU6050을 사용해 실시간으로 기울기를 요구하는 시스템은 가속도계의 측정값과 자이로의 측정값을 적절히 잡음을 고려하여 융합하고 최적의 가장 정확한 기울기를 얻어냅니다. 이때 사용하는 필터는 보상필터(Complementary filter; 혹은 상보필터)와 칼만필터(Kalman filter)로 알려집니다.

MPU6050은 7개의 채널에 대해서 16bit 크기의 값을 출력해주는 고성능 ADC를 내장하므로 각 축의 센서 출력값에 대해서 int16_t(-32768~32767)의 자료형으로 접근해야 합니다. 또한 MPU6050은 update rate(sampling time)이 가속도, 자이로에 대해서 각각 4~1000Hz, 4~8000Hz으로 출력값을 제공합니다.

MPU6050은 내부 레지스터를 이용해서 출력 값의 범위를 조정할 수 있습니다. 예를 들어 가속도계에서 AFS_SEL=0으로 설정함으로써 출력은 ±2[g]까지 나타낼 수 있으며 이를 2byte 크기로 나타내게 됩니다. 만일 AFS_SEL=0과 FS_SEL=0을 설정하였다면 다음과 같습니다.

가속도계에서는 최대 ±2[g]이고(-2g에서 +2g까지 측정하여 -32768에서 +32767까지 매핑) Scale Factor가 1g당 16,384로 출력에 이를 나누어주면 실제 [g] 단위를 얻을 수 있습니다. 그러나 우리가 원하는 것은 기울어지 각도이므로 arctan에서는 비율(ratio)만을 사용하므로 단위는 의미가 없게 됩니다. 자이로에서는 최대 ±250[deg/s]이고(-250에서 +250까지 측정하여 -32768에서 32767까지 매핑) Scale Factor가 131(32767/250)로 출력에 이를 나누어주면 실제 [deg/s] 단위의 각가속도를 얻을 수 있습니다. 각 센서는 감도(Sensitivity)를 증가시킬수록 미세하게 측정 가능하지만 정확도는 떨어집니다.

다음은 아두이노(Arduino) 보드와 GY-521(MPU6050) 모듈과의 연결 방법과 Wire 라이브러리를 이용하여 실행한 MPU6050의 데이터 출력의 예제입니다.

아두이노 보드와 연결 방법

아두이노(Arduino) 환경에서 전형적인 MPU6050 센서 입력에 사용되는 칼만 필터(Kalman filter)의 예제입니다.

http://blog.tkjelectronics.dk/2012/09/a-practical-approach-to-kalman-filter-and-how-to-implement-it/#comment-57783

MPU6050은 가속도와 자이로센서가 1개의 센서에 모두 포함하고 있는 6DOF(Degrees of Freedom) 센서로, I2C(Inter Integrated Circuit) 통신 프로토콜을 통해서 데이터를 추출 할 수 있습니다. 위 모듈은 MPU6050을 포함하며 사용하기 쉽게 만든 모듈입니다. 

MPU6050의 간단한 스펙입니다.

가속도계(accelerometer)는 움직임이 있을때 일반적으로 많은 잡음(noise)을 포함합니다. 자이로(gyroscope)의 문제는 시간이 누적되면 DC 성분(혹은 이를 bias라 표현)이 누적된다는 것입니다. 결론적으로 자이로는 짧은 시간에 믿을 수 있지만, 반면 가속도계는 긴 시간에 더 신뢰성이 있다는 것입니다.

그렇기 때문에 상보 필터(complimentary filter, 혹은 보상 필터)의 적용이 쉽습니다. 기본적으로 가속도계에 대해서 디지털 low pass filter(LPF), 자이로에 대해서는 디지털 high pass filter(HPF)를 적용하는 것입니다. 그러나 칼만 필터(Kalman filter) 만큼 정확하지는 않다는 것입니다. 근래에 아두이노를 이용하여 처리가 가능하지만 칼만 필터는 아두이노가 주로 제공하는 MCU에서는 무겁다는 단점이 있습니다.

k 시간에 시스템의 상태는 다음과 같습니다.

여기서 는 상태 행렬로 다음과 같습니다.

는 각도 의 시간에 따라 누적된 양으로 bias라고 하며 자이로에서 측정된 값에서 이 bias를 빼는 것에 의하여 현재의 각도를 얻을 수 있습니다.

그러므로 이전 상태 로부터의 전이 행렬 는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

는 제어 입력으로 k 시점에서 자이로의 측정값으로 [˚/s]의 단위를 가지며 이 로 상태방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다.

여기서 는 제어 입력 행렬로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

는 프로세스 잡음으로, 주어진 k 시간에서 '0'의 평균과 의 공분산(covariance)을 갖는 가우시안 분포(Gaussian distribution)(혹은 정규분포)를 갖습니다.

는 프로세스 잡음 공분산 행렬이고, 이 경우에 가속도계와 bias의 상태 추정치 공분산 행렬이 됩니다. 우리는 bias와 가속도계의 추정이 서로 독립적임을 가정합니다.

위 식에서 처럼  공분산 행렬은 현재 시간 k에 의존합니다. 따라서 가속도계 분산 와 bias의 분산 은 미소 시간 에 곱하여집니다.

프로세스 잡음은 시간이 길어질수록 커지게 됨을 의미합니다. 이는 상태의 마지막 업데이트이기 때문입니다. 예를 들어 자이로는 드리프트(drift) 할 수 있습니다. 우리는 칼만 필터의 동작을 위해서 이들 상수들을 알아야 합니다. 만일 여러분이 큰 값을 설정한다면 상태 추정에 잡음이 커진다는 것을 기억해야 합니다. 예를 들어, 추정 각도가 드리프트 하기 시작하면 여러분은 의 값을 증가시켜야 합니다. 반면에 추정이 여러분이 생각하는 것보다 너무 많이 느려진다면 반응이 빠르도록 의 값을 감소시켜 볼 수 있습니다.