MPU6050: акселерометр и определение наклона

Антенну на мачте я выставлял по пузырьковому уровню: держишь трубку, щуришься на пузырь, а руки тем временем дрожат — высота, ветер, неудобная поза. Вечером придумал: пусть платка сама пищит, когда её перекосило за допуск. Через час на столе лежал электронный уровень из MPU6050, светодиода и зуммера: наклонил за тридцать градусов — запищал, вернул — замолчал. С тех пор так стоит и полка в гараже: повернул кронштейн — зуммер сказал правду без единого пузырька.

MPU6050 — акселерометр и гироскоп на одной платке по I2C. В продаже она зовётся GY-521: восемь пинов в ряд, из которых вам нужны четыре — VCC, GND, SCL, SDA; XDA, XCL и INT — для внешних магнитометров и прерываний, AD0 — для смены адреса. В этом уроке возьмём только акселерометр: разберём, как гравитация превращается в числа ax/ay/az, почему один g — это 16384, достанем готовые углы getAngleX/getAngleY и соберём уровень с гистерезисом и зуммером. В симуляторе платку можно тащить мышью — она наклоняется в перспективе, и скетч видит ровно те же углы, что и настоящая на столе.

Акселерометр меряет проекции ускорения на три оси, и в покое это ускорение одно — гравитация. Платка лежит ровно: вся тяжесть приходится на ось Z, az читается около 16384, ax и ay — около нуля. Число 16384 не случайное: при диапазоне ±2 g, который стоит по умолчанию, один g размечен в 16384 единицы — удобное битовое число, два в четырнадцатой. Наклонили платку на тридцать градусов вокруг оси X — гравитация растеклась по осям: ax = sin(30°) × 16384 ≈ 8192, az упал до cos(30°) × 16384 ≈ 14188. Поставили на ребро — ax = 16384, az = 0. Перевернули вверх ногами — az ≈ −16384. Углы сидят в проекциях прямо, без даташитовой магии: арксинус от доли g, умножить на 57,3 — вот и весь угол.

Оси подписаны на плате: X и Y напечатаны на шёлке, Z торчит перпендикулярно плате. Проверить несложно: ровная платка с большим az — значит, Z смотрит в небо. Для точных приборов помните, что g не константа: на полюсе она на 0,3 % больше, чем на экваторе, а на высоте — меньше, так что az идеального уровня на Эльбрусе не дотянет до 16384. Уровню для полки такая поправка безразлична, а инклинометру в экспедиции — уже нет.

Библиотека Adafruit MPU6050 ставится из менеджера вместе с Unified Sensor; в симуляторе класс встроен и церемония — mpu.begin(), всё. Дальше два этажа значений. Нижний — сырые целые: mpu.ax(), mpu.ay(), mpu.az() возвращают те самые единицы со 16384 на g; mpu.readAcceleration() отдаёт то же самое, но в g с плавающей точкой — az ровной платки читается как 1.00, и пороги в g иногда удобнее: тревога на удар от 1,5 g записывается одной строкой вместо сравнения с 24576. Верхний этаж — готовые углы: mpu.getAngleX() и getAngleY() возвращают наклон в градусах от −90 до +90, и в симуляторе именно они двигают картинку платки. Честная оговорка: на живой плате готовых углов в чипе нет — их считают из проекций через atan2, и у меня есть целый урок про этот расчёт с фильтром от дребезга и разбором, почему угол врёт на разгоне. Симуляторный getAngleX — тот же atan2, посчитанный за вас: подвигайте платку в симе и сверьте Serial с картинкой.

Адрес модуля — 0x68 при AD0 на земле; провод AD0 к питанию сдвигает его на 0x69. Хуже того: 0x68 — родной адрес часов DS3231, и две платы на одной шине дерутся молча, обе отвечают чушью. Как разводить такие конфликты джамперами и проводами — урок про конфликты адресов. Гироскоп, шум ±0,02 g на покое и побайтовый разбор регистров — в первом уроке про MPU6050; здесь на них не отвлекаемся.

Теперь порог. Почему тридцать градусов, а не пять: у акселерометра есть шум порядка ±0,02 g на покое, что у нуля даёт больше градуса; плюс дрожь стола и шаги по полу. Опустите порог до пяти градусов — уровень запищит от того, что вы встали со стула. Тридцать — рабочий допуск полки: кривизна, которую глаз и так видит. Вторая половина решения — гистерезис: тревогу включаю на 30°, а гашу только когда обе оси вернулись внутрь 27°. Без этого граница дребезжала бы: платка колышется у 29,9° — зуммер щёлкает в такт каждой волне. Та же схема, что у термостата с реле: два порога вместо одного.

И последняя честная граница метода: акселерометр отличает наклон от ускорения только в покое. Телефон в кармане при ходьбе показывает углы-химеры — гравитация и тряска складываются в одно поле, и разобрать их по трём осям невозможно. Поэтому для подвижных платформ — роботов, подвесов, балансиров — к акселерометру добавляют гироскоп и сводят их фильтром: акселерометр задаёт долгосрочную правду, гироскоп сглаживает мгновенную. Для уровня на полке и наклона лотка всего этого не нужно: платка стоит, поле одно, и atan2 прав.

Зуммер беру активный: пин D8, digitalWrite HIGH — и он орёт, tone() не нужен. Если хочется различать тревоги, зуммер умеет пищать частотой: за 30° — 2000 Гц, за 60° — 3000 Гц, разница слышна даже из соседней комнаты. Азбука tone и первая мелодия — в уроке про зуммер; а если захотите нарисовать углы в Serial Plotter, печатайте пары angleX= и angleY= — как устроены такие кадры, показано в уроке про график. Ритм печати у уровня 200 мс: пять кадров в секунду, глазу достаточно, а шина I2C при этом загружена на доли процента — угол не обязан обновляться быстрее, чем дрожит рука.

Где ещё такой уровень приживается у меня: наклон лотка автокормушки перед выдачей, контроль крена солнечной панели и сигнализация на дверь гаража — откат створки дёргает платку за порог мгновенно. Везде логика одна: сырые единицы — для порогов по ускорению, готовые углы — для наклона, гистерезис — обязательно.

Что в симуляторе честно, а что упрощено. Честно: перетаскивание платки пересчитывается в сырые единицы на лету — наклон по X на тридцать градусов даёт ax около 8192 и az около 14188, как на настоящем чипе, и углы getAngleX/getAngleY совпадают с картинкой. Упрощено: гироскоп. gx/gy/gz в симе отдают нули — вращение без наклона движок не эмулирует, так что скетчам на угловых скоростях здесь делать нечего. На живой плате к этому добавится дрейф: гироскоп MPU6050 плывёт на 2–5 градусов в секунду без калибровки — ещё одна причина считать наклон из акселерометра и связывать его с гироскопом фильтром, когда дойдёт до балансира.