6軸IMUモーションセンサー（MPU-6050）入門ガイド

部品と材料

Arduino UNO		1
IMUセンサーモジュール（6自由度）	MPU-6050搭載	1

このプロジェクトについて

最高性能のIMU（慣性計測ユニット）センサーであるMPU-6050について学び、Arduinoとのインターフェース方法を解説します。次回のチュートリアルでは3Dでのモーション可視化に挑戦します。

MPU-6050は、同一シリコンダイ上に3軸ジャイロスコープと3軸加速度計を搭載し、さらにオンボードのDMP（Digital Motion Processor™）が複雑な6軸MotionFusionアルゴリズムを処理します。

これらのモーショントラッキングデバイスは、スマートフォン、タブレット、ウェアラブルセンサー向けに、低消費電力、低コスト、高性能を実現するよう設計されています。

必要なもの

ハードウェア:

1. Arduino UNO
2. MPU-6050センサー
3. 接続用ワイヤー

ソフトウェア: Arduino IDE

通信プロトコル: I2CバスプロトコルでArduinoと通信します。

加速度計とジャイロスコープを別々に使うこともできますが、この統合モジュールほど正確ではありません。

配線図と接続プロファイル

以下の2つの図のいずれかを参照して接続してください。

上記で不明な場合は、以下のピン接続表を参照してください：

IMU MPU-6050 の 5V (または VCC)	→ Arduino の 5V (または 3.3V)
IMU MPU-6050 の SDA	→ Arduino アナログ入力 A4
IMU MPU-6050 の SCL	→ Arduino アナログ入力 A5
IMU MPU-6050 の GND	→ Arduino GND
IMU MPU-6050 の INTピン	→ Arduino デジタルピン 2 (PWM)

※モジュールに5VピンがあればArduinoの5Vに、なければ3.3Vに接続して過電圧を防いでください。

ライブラリのインストール

1. MPU6050ライブラリ（MPU6050.zip）をダウンロードし、解凍してArduinoのlibrariesフォルダに配置
2. I2Cdevライブラリ（I2Cdev.zip）も同様にインストール（未導入の場合）

Arduino IDEを再起動し、[ファイル] → [スケッチ例] → [MPU6050] → [Examples] → [MPU6050_DMP6] を開きます。

I2CdevとMPU6050ライブラリをインクルードします。

コンパイルしてエラーがないか確認してください。

アップロードとシリアルモニター

正しいポート（COMポート）が選択されているか確認し、スケッチをアップロードします。

アップロード後、シリアルモニター（Ctrl+Shift+M）を開き、ボーレートを115200に設定します。他のボーレートでは文字化けします。

「Initializing I2C devices…」が表示されない場合はリセットボタンを押してください。

知識コーナー: DMPとは？

画面に「Send any character to begin DMP programming and demo:」と表示されます。DMPはDigital Motion Processing（デジタルモーション処理）の略です。MPU-6050には内蔵モーションプロセッサがあり、加速度計とジャイロスコープの値を処理して正確な3D値（ヨー、ピッチ、ロール）を出力します。

知識コーナー: I2Cとは？

I2Cバスは2本のアクティブな線（SDA、SCL）とグラウンドで構成されます。両線は双方向で、SDAはシリアルデータ、SCLはシリアルクロックです。バス上の各デバイスは固有アドレスを持ち、マスター（ここではArduino）が通信を開始し、スレーブ（MPU-6050）が応答します。マルチマスターバスで、複数のマスターを接続可能です。

次回予告

次回のチュートリアルでは、このモーションデータを3Dで可視化します。

コード

Arduino code for MPU sensor (Arduino)

DMP（Digital Motion Processor）を使用した完全なサンプルコードです。ヨー/ピッチ/ロール角度を出力する設定（OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL）が有効になっています。

// I2Cdev and MPU6050 must be installed as libraries
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"
//#include "MPU6050.h" // not necessary if using MotionApps include file

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

MPU6050 mpu; // AD0=LOWで0x68、HIGHで0x69

// ================================================================
// 注意: INTピンをArduinoの外部割り込み#0（Uno/Megaではデジタルピン2）に接続必須
// ================================================================

#define OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL
#define LED_PIN 13

bool blinkState = false;
bool dmpReady = false;
uint8_t mpuIntStatus;
uint8_t devStatus;
uint16_t packetSize;
uint16_t fifoCount;
uint8_t fifoBuffer[64];

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

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

volatile bool mpuInterrupt = false;
void dmpDataReady() { mpuInterrupt = true; }

void setup() {
    #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
        Wire.begin();
        TWBR = 24; // 400kHz I2Cクロック
    #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
        Fastwire::setup(400, true);
    #endif

    Serial.begin(115200);
    while (!Serial); // Leonardo対応

    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());
    while (!Serial.available());
    while (Serial.available() && Serial.read());

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

    // ジャイロ/加速度オフセット（各チップで調整必要）
    mpu.setXGyroOffset(220);
    mpu.setYGyroOffset(76);
    mpu.setZGyroOffset(-85);
    mpu.setZAccelOffset(1788);

    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);
}

void loop() {
    if (!dmpReady) return;

    while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize) {
        // 他の処理をここに記述可能
    }

    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

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

回路図