IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
#한 줄 요약
“6축 또는 9축 raw data를 100-1000 Hz로 sampling.” 그 위에 sensor fusion (Madgwick, Mahony, EKF)이 올라갑니다.
#어떤 상황에서 쓰나
drone flight controller, self-balancing robot, smartphone orientation, VR headset, athletic activity tracker — 모두 IMU + fusion algorithm. IMU가 raw accel + gyro + mag를 빠르게 sampling, fusion이 roll·pitch·yaw로 변환.
이 글은 MPU6050 (6축, I2C, 가장 흔함)과 BMI270 (6축, SPI, 더 최신)을 다룹니다. magnetometer는 HMC5883L 또는 BMI270 + BMM150 조합.
#핵심 개념
#IMU의 세 sensor
Accelerometer (가속도계):
- 3축 가속도 (g 단위)
- 중력 + linear motion 측정
- 사용: tilt 각도, motion detection
Gyroscope (자이로):
- 3축 angular velocity (°/s)
- rotation rate 직접 측정
- 사용: turn rate, drift 보정
Magnetometer (지자기):
- 3축 magnetic field (µT)
- 지구 자기장 방향
- 사용: yaw absolute reference (compass)
6축 = accel + gyro. 9축 = + mag.
#MPU6050 register map (요약)
| Address | 이름 | 역할 |
|---|---|---|
| 0x6B | PWR_MGMT_1 | sleep, clock source |
| 0x1B | GYRO_CONFIG | ±250/500/1000/2000 °/s |
| 0x1C | ACCEL_CONFIG | ±2/4/8/16 g |
| 0x19 | SMPLRT_DIV | sample rate divider |
| 0x1A | CONFIG | DLPF (low-pass filter) |
| 0x3B-48 | ACCEL/TEMP/GYRO | 14 byte raw data |
| 0x75 | WHO_AM_I | 0x68 (chip id) |
I2C address 0x68 (ADO=GND) 또는 0x69 (ADO=VDD).
#Scale 환산
Accel:
- ±2 g → 16384 LSB/g
- ±4 g → 8192
- ±8 g → 4096
- ±16 g → 2048
Gyro:
- ±250 °/s → 131 LSB/(°/s)
- ±500 → 65.5
- ±1000 → 32.8
- ±2000 → 16.4
raw_int16 / scale = physical value.
#Sampling 전략
Polling (low-rate ≤ 100 Hz):
- 매 SysTick으로 read
Interrupt-driven (≤ 1 kHz):
- Data Ready (DRDY) 핀에 IMU가 1 kHz로 pulse → ISR → read
FIFO + DMA (high-rate, batch):
- IMU 내부 FIFO에 누적 → 가득 차면 DMA로 한꺼번에 read
#Calibration
Accel:
- 6-position calibration (각 축 ±g) → bias, scale 보정
Gyro:
- 정지 상태 평균 → bias offset (drift 보정)
Magnetometer:
- hard iron (offset) + soft iron (matrix)
- → 8자 또는 구 모양으로 회전시키며 calib
calibration 없으면 zero에 떠 있을 때도 0이 아님 — fusion이 drift합니다.
#코드 예제
#1. MPU6050 init + read
#define MPU_ADDR 0x68
uint8_t mpu_read(uint8_t reg) { uint8_t v; i2c_read_reg(MPU_ADDR, reg, &v, 1); return v;}
void mpu_write(uint8_t reg, uint8_t val) { uint8_t buf[2] = {reg, val}; i2c_write(MPU_ADDR, buf, 2);}
int mpu_init(void) { if (mpu_read(0x75) != 0x68) return -1;
mpu_write(0x6B, 0x80); // reset delay_ms(100); mpu_write(0x6B, 0x01); // wake up, gyro clock mpu_write(0x1A, 0x03); // DLPF: 44 Hz BW mpu_write(0x19, 9); // sample rate 1kHz / (1+9) = 100 Hz mpu_write(0x1B, (1 << 3)); // gyro ±500 °/s mpu_write(0x1C, (1 << 3)); // accel ±4 g return 0;}
typedef struct { float ax, ay, az; // g float gx, gy, gz; // °/s float temp_c;} mpu_data_t;
void mpu_read_all(mpu_data_t *d) { uint8_t buf[14]; i2c_read_reg(MPU_ADDR, 0x3B, buf, 14);
int16_t ax = (buf[0] << 8) | buf[1]; int16_t ay = (buf[2] << 8) | buf[3]; int16_t az = (buf[4] << 8) | buf[5]; int16_t t = (buf[6] << 8) | buf[7]; int16_t gx = (buf[8] << 8) | buf[9]; int16_t gy = (buf[10] << 8) | buf[11]; int16_t gz = (buf[12] << 8) | buf[13];
d->ax = ax / 8192.0f; // ±4 g → 8192 d->ay = ay / 8192.0f; d->az = az / 8192.0f; d->gx = gx / 65.5f; // ±500 °/s → 65.5 d->gy = gy / 65.5f; d->gz = gz / 65.5f; d->temp_c = t / 340.0f + 36.53f;}#2. Gyro bias calibration
typedef struct { float bx, by, bz;} gyro_bias_t;
void gyro_calibrate(gyro_bias_t *b) { // 보드를 정지시킨 상태에서 호출 float sum_x = 0, sum_y = 0, sum_z = 0; const int N = 500;
for (int i = 0; i < N; i++) { mpu_data_t d; mpu_read_all(&d); sum_x += d.gx; sum_y += d.gy; sum_z += d.gz; delay_ms(2); } b->bx = sum_x / N; b->by = sum_y / N; b->bz = sum_z / N;}
void mpu_read_calibrated(mpu_data_t *d, const gyro_bias_t *b) { mpu_read_all(d); d->gx -= b->bx; d->gy -= b->by; d->gz -= b->bz;}#3. Roll/pitch — accelerometer only
float atan2_deg(float y, float x) { return atan2f(y, x) * (180.0f / 3.14159f);}
void accel_to_rp(const mpu_data_t *d, float *roll, float *pitch) { *roll = atan2_deg(d->ay, d->az); *pitch = atan2_deg(-d->ax, sqrtf(d->ay * d->ay + d->az * d->az));}accel만으로 정적 자세는 정확하지만, 동적 motion은 부정확. fusion이 필요한 이유.
#4. Complementary filter — 간단한 fusion
typedef struct { float roll, pitch; float dt; float alpha; // 0.98 등} compl_t;
void compl_update(compl_t *f, const mpu_data_t *d) { float roll_acc, pitch_acc; accel_to_rp(d, &roll_acc, &pitch_acc);
// gyro integration f->roll += d->gx * f->dt; f->pitch += d->gy * f->dt;
// blend f->roll = f->alpha * f->roll + (1 - f->alpha) * roll_acc; f->pitch = f->alpha * f->pitch + (1 - f->alpha) * pitch_acc;}alpha = 0.98이면 gyro 98% + accel 2%. gyro의 빠른 응답 + accel의 long-term 정확도 결합.
더 정교한 방법은 Madgwick filter나 Kalman filter — quaternion 기반.
#5. INT pin으로 sampling 동기화
// MPU INT pin = PA0 EXTI0void mpu_int_init(void) { mpu_write(0x37, 0x20); // INT pin: latched, clear on read mpu_write(0x38, 0x01); // data ready interrupt enable
EXTI->IMR |= (1u << 0); EXTI->RTSR |= (1u << 0); NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);}
volatile int data_ready;
void EXTI0_IRQHandler(void) { EXTI->PR = (1u << 0); data_ready = 1;}
// mainwhile (1) { if (data_ready) { data_ready = 0; mpu_read_all(&d); process(&d); }}100 Hz보다 빠른 sampling은 INT 동기가 jitter를 줄입니다.
#측정 / 동작 확인
보드 평평한 책상 위:
- ax = 0.00 g, ay = 0.00 g, az = 1.00 g
- gx = 0, gy = 0, gz = 0 (calibration 후)
보드를 좌측으로 90°:
- ax = 0, ay = 1.00 g, az = 0
값이 변하면 sensor 동작. drift가 몇 °/min 정도면 정상, 더 크면 calibration 부족.
#자주 보는 함정
⚠️ Wake up 안 함
PWR_MGMT_1 = 0x40 (sleep mode)이 default. 0x01로 wake.
⚠️ Scale factor 잘못
±2g인데 ±4g scale 적용 → 값이 절반. config register 확인.
⚠️ Calibration 없음
gyro drift가 수 °/sec씩 누적 → integration이 빠르게 발산.
⚠️ DLPF disable
cutoff 너무 높으면 vibration noise가 들어옴. application에 맞게 (drone 44 Hz, 일반 motion 10 Hz).
⚠️ I2C 400 kHz 한계
14 byte read @ 400 kHz = 280 µs. 1 kHz sampling이면 28% I2C bus. SPI가 더 빠름.
⚠️ Magnetometer를 motor·전류 옆에 둠
motor·고전류 wire의 magnetic field가 지자기보다 훨씬 큼. mag sensor는 전기 noise source에서 떨어진 위치에.
#정리
- IMU = accel (g) + gyro (°/s) + (optional) mag (µT) raw output.
- Calibration: gyro bias (정지 평균), accel 6-position, mag hard/soft iron.
- **Complementary filter (alpha=0.98)**가 가장 간단한 fusion.
- INT pin + EXTI로 jitter-free sampling.
- 더 정교한 fusion은 Madgwick·Mahony·Kalman — quaternion 기반.
다음 편은 CAN 통신입니다. frame format, filter, bit timing, error frame을 다룹니다.
#관련 항목
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- 5-08: 환경 센서
- 5-10: CAN 통신
- 9-05: PID 제어 기본
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