Einstieg in den 6-DOF-IMU-Bewegungssensor (MPU-6050) mit Arduino

Komponenten und Zubehör

Bauteil	Menge	Details
Arduino UNO	1
IMU-Sensor (6 Freiheitsgrade) – MPU-6050	1

Über dieses Projekt

Heute untersuchen wir den populären IMU-Sensor (Inertial Measurement Unit) MPU-6050 und seine Anbindung an Arduino. In einem Folge-Tutorial visualisieren wir die Bewegungsdaten in 3D.

Der MPU-6050 vereint auf einem Chip:

• 3-Achsen-Gyroskop
• 3-Achsen-Beschleunigungssensor
• Onboard Digital Motion Processor (DMP) für komplexe 6-Achsen-MotionFusion-Algorithmen

Diese Motion-Tracking-Geräte sind für niedrigen Stromverbrauch, niedrige Kosten und hohe Leistung in Smartphones, Tablets und Wearables konzipiert.

Benötigte Hardware & Software

• Hardware: Arduino UNO, MPU-6050 Sensor, Verbindungsdrähte
• Software: Arduino IDE
• Kommunikationsprotokoll: I²C-Bus

Einzeln genutzte Beschleunigungs- oder Gyroskop-Sensoren sind weniger präzise als dieses Kombimodul.

Verkabelung

Beziehen Sie sich auf die folgenden Abbildungen oder die Pin-Belegung:

Pin-Belegung:

• VCC (MPU-6050) → 5 V (Arduino) (falls Modul 5 V hat, sonst 3,3 V nutzen!)
• SDA (MPU-6050) → A4 (Arduino)
• SCL (MPU-6050) → A5 (Arduino)
• GND (MPU-6050) → GND (Arduino)
• INT (MPU-6050) → Pin 2 (Digital PWM, Arduino)

Bibliotheken installieren

1. MPU6050-Bibliothek herunterladen (MPU6050.zip), entpacken, Ordner „MPU6050“ in den Arduino-libraries-Ordner kopieren.
2. I2Cdev-Bibliothek herunterladen (I2Cdev.zip), ebenfalls in libraries kopieren.
3. Arduino IDE neu starten – beide Bibliotheken sollten unter Datei → Beispiele erscheinen.

Beispielcode laden & konfigurieren

1. In der IDE: Datei → Beispiele → MPU6050 → Examples → MPU6050_DMP6 öffnen.
2. Bibliotheken I2Cdev und MPU6050 im Sketch einbinden.
3. Kompilieren (Strg+R).
4. Richtigen COM-Port wählen (Werkzeuge → Port).
5. Sketch hochladen (Strg+U).
6. Serial Monitor öffnen (Strg+Umschalt+M), Baudrate auf 115200 einstellen.
   Hinweis: Bei 8-MHz-Prozessoren (z. B. Teensy 3,3 V, Arduino Pro Mini 3,3 V) nur 38400 Baud nutzen.
7. Falls „Initializing I2C devices…“ nicht erscheint: Reset-Taste drücken.

Wissensecke: DMP & I²C

DMP (Digital Motion Processing): Der MPU-6050 hat einen integrierten Motion Processor, der Beschleunigungs- und Gyroskopdaten zu präzisen 3D-Werten (Yaw, Pitch, Roll) fusioniert.

I²C (Inter-Integrated Circuit): Zwei bidirektionale Leitungen (SDA = Serial Data, SCL = Serial Clock) plus Masse. Jedes Gerät hat eine eindeutige Adresse. Mehrere Master möglich – hier ist Arduino Master, MPU-6050 Slave.

3D-Visualisierung

Die Bewegung in 3D visualisieren wir im nächsten Tutorial. (Link in Originalquelle)

Code

Arduino code for MPU sensor (Arduino)

// I2Cdev und MPU6050 müssen als Bibliotheken installiert sein
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"
// #include "MPU6050.h" // nicht nötig bei MotionApps

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
#include "Wire.h"
#endif

// Standard-I2C-Adresse 0x68 (AD0 low), 0x69 (AD0 high)
MPU6050 mpu; // MPU6050 mpu(0x69); // für AD0 high

/* =========================================================================
   HINWEIS: Neben 3,3V, GND, SDA, SCL benötigt dieser Sketch die Verbindung
   des MPU-6050 INT-Pins mit Arduino External Interrupt #0 (Pin 2 bei Uno/Mega).
   ========================================================================= */

/* =========================================================================
   HINWEIS: Arduino 1.0.1 mit Leonardo Board erzeugt Kompilierfehler bei
   Serial.write(buf, len). Fix in USBAPI.h nötig (in nächster IDE-Version).
   ========================================================================= */

#define OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL
// #define OUTPUT_READABLE_QUATERNION
// #define OUTPUT_READABLE_EULER
// #define OUTPUT_READABLE_REALACCEL
// #define OUTPUT_READABLE_WORLDACCEL
// #define OUTPUT_TEAPOT

#define LED_PIN 13
bool blinkState = false;

// MPU Steuerung/Status
bool dmpReady = false;
uint8_t mpuIntStatus, devStatus;
uint16_t packetSize, fifoCount;
uint8_t fifoBuffer[64];

// Orientierungs-/Bewegungsvariablen
Quaternion q;
VectorInt16 aa, aaReal, aaWorld;
VectorFloat gravity;
float euler[3], ypr[3];

// Teapot-Paket
uint8_t teapotPacket[14] = { '$', 0x02, 0,0, 0,0, 0,0, 0,0, 0x00, 0x00, '\r', '\n' };

// ================================================================
// INTERRUPT-ROUTINE
// ================================================================
volatile bool mpuInterrupt = false;
void dmpDataReady() { mpuInterrupt = true; }

// ================================================================
// SETUP
// ================================================================
void setup() {
  #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
    Wire.begin();
    TWBR = 24; // 400 kHz I2C-Takt (200 kHz bei 8 MHz CPU)
  #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
    Fastwire::setup(400, true);
  #endif

  Serial.begin(115200);
  while (!Serial); // Leonardo-Enumeration abwarten

  Serial.println(F("Initializing I2C devices..."));
  mpu.initialize();

  Serial.println(F("Testing device connections..."));
  Serial.println(mpu.testConnection() ? F("MPU6050 connection successful") : F("MPU6050 connection failed"));

  Serial.println(F("\nSend any character to begin DMP programming and demo: "));
  while (Serial.available() && Serial.read()); // Buffer leeren
  while (!Serial.available());                 // Auf Zeichen warten
  while (Serial.available() && Serial.read()); // Wieder leeren

  Serial.println(F("Initializing DMP..."));
  devStatus = mpu.dmpInitialize();

  // Eigene Gyro-Offsets (für minimale Empfindlichkeit skaliert)
  mpu.setXGyroOffset(220);
  mpu.setYGyroOffset(76);
  mpu.setZGyroOffset(-85);
  mpu.setZAccelOffset(1788); // 1688 Werkseinstellung

  if (devStatus == 0) {
    Serial.println(F("Enabling DMP..."));
    mpu.setDMPEnabled(true);
    Serial.println(F("Enabling interrupt detection (Arduino external interrupt 0)..."));
    attachInterrupt(0, dmpDataReady, RISING);
    mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();
    Serial.println(F("DMP ready! Waiting for first interrupt..."));
    dmpReady = true;
    packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize();
  } else {
    Serial.print(F("DMP Initialization failed (code "));
    Serial.print(devStatus);
    Serial.println(F(")"));
  }
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

// ================================================================
// HAUPTSCHLEIFE
// ================================================================
void loop() {
  if (!dmpReady) return;

  while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize) {
    // Andere Programmteile hier...
  }

  mpuInterrupt = false;
  mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();
  fifoCount = mpu.getFIFOCount();

  if ((mpuIntStatus & 0x10) || fifoCount == 1024) {
    mpu.resetFIFO();
    Serial.println(F("FIFO overflow!"));
  } else if (mpuIntStatus & 0x02) {
    while (fifoCount < packetSize) fifoCount = mpu.getFIFOCount();
    mpu.getFIFOBytes(fifoBuffer, packetSize);
    fifoCount -= packetSize;

    #ifdef OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL
      mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer);
      mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q);
      mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity);
      Serial.print("ypr\t");
      Serial.print(ypr[0] * 180/M_PI); Serial.print("\t");
      Serial.print(ypr[1] * 180/M_PI); Serial.print("\t");
      Serial.println(ypr[2] * 180/M_PI);
    #endif

    // Weitere Ausgabe-Modi per #define wählbar (siehe Code-Anfang)

    blinkState = !blinkState;
    digitalWrite(LED_PIN, blinkState);
  }
}

Schaltplan