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Modern Embedded Recipes · 57/152

IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion

· Hawk · 6분 읽기

#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)

Address이름역할
0x6BPWR_MGMT_1sleep, clock source
0x1BGYRO_CONFIG±250/500/1000/2000 °/s
0x1CACCEL_CONFIG±2/4/8/16 g
0x19SMPLRT_DIVsample rate divider
0x1ACONFIGDLPF (low-pass filter)
0x3B-48ACCEL/TEMP/GYRO14 byte raw data
0x75WHO_AM_I0x68 (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 filterKalman filter — quaternion 기반.

#5. INT pin으로 sampling 동기화

// MPU INT pin = PA0 EXTI0
void 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;
}
// main
while (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.

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  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
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  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX