Важно је знати

Сваки од ова три сензора има своје предности и недостатке.

• Акцелерометар добро показује нагиб, али реагује и на вибрације.
• Жироскоп прецизно мери ротацију, али временом може да акумулира грешку.
• Магнетометар показује смер, али му могу сметати магнети и метални предмети.

Због тога се у стварним системима користе сва три сензора истовремено. Комбиновањем њихових мерења добија се много прецизнија процена оријентације у простору.

Где се користи MPU-9250?

IMU сензори се налазе у дроновима, роботима, мобилним телефонима, паметним сатовима и многим другим електронским уређајима.

Како функционише I2C комуникација?

I2C (Inter Integrated Circuit) представља серијски комуникациони протокол који омогућава да више уређаја користи исте SDA и SCL линије. Сваки уређај има своју адресу, па ESP32 може да комуницира са више сензора истовремено.

Најчешћа адреса MPU-9250 модула је:

• 0x68 (AD0 повезан на GND)
• 0x69 (AD0 повезан на 3.3V)

Уколико нисте сигурни коју адресу има ваш модул, можете покренути I2C Scanner програм у Arduino IDE и проверити адресу аутоматски.

Напомена о напајању

Иако неки MPU-9250 модули имају уграђен стабилизатор напона и могу да се напајају са 5V, за рад са ESP32 препоручује се напајање од 3.3V.

На тај начин су логички нивои идентични и избегава се могућност оштећења микроконтролера или сензора.

Шта ће ученици научити?

• шта је IMU сензор,
• како функционише I2C комуникација,
• како се повезује MPU-9250 са ESP32,
• како се читају подаци са сензора,
• како се добијени подаци могу приказати у Arduino IDE и касније у Processing окружењу.

Вежба 1 – Рад са магнетометром (дигитални компас)

У овој вежби ученици ће први пут комуницирати са MPU-9250 сензором и научити како да очитавају вредности магнетног поља. Магнетометар ради као дигитални компас и мери јачину Земљиног магнетног поља по три осе (X, Y и Z).

Циљ није да одмах направимо компас, већ да разумемо како изгледају подаци које сензор шаље ESP32 микроконтролеру.

Магнетометар

Мери Земљино магнетно поље и омогућава одређивање смера кретања.

Потребна опрема

• ESP32 развојна плоча
• MPU-9250 модул
• Breadboard
• Повезне жице
• USB кабл
• Arduino IDE

Инсталација библиотеке

Пре покретања програма потребно је инсталирати библиотеку:

• Sketch → Include Library → Manage Libraries
• потражити MPU9250_asukiaaa
• инсталирати последњу верзију библиотеке

Повезивање MPU-9250 са ESP32

Иако у овој вежби користимо само магнетометар, повезује се цео MPU-9250 модул. Магнетометар се налази унутар сензора и није потребно посебно повезивање његових пинова. Довољно је успоставити I2C комуникацију између ESP32 и MPU-9250 модула.

Повезивање за Вежбу 1

За очитавање магнетометра користе се само четири жице: VCC, GND, SDA и SCL.

Инсталација библиотеке

Библиотека омогућава једноставно очитавање свих сензора MPU-9250.

Arduino програм

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginMag();

}

void loop() {

  mpu.magUpdate();

  Serial.print("MX: ");
  Serial.print(mpu.magX());

  Serial.print("  MY: ");
  Serial.print(mpu.magY());

  Serial.print("  MZ: ");
  Serial.println(mpu.magZ());

  delay(200);

}

Објашњење програма

Приказ у Serial Monitor-у

Вредности се непрекидно мењају приликом окретања сензора.

Шта треба испробати?

1. Покрените програм.
2. Отворите Serial Monitor.
3. Полако ротирајте сензор.
4. Посматрајте како се мењају вредности MX, MY и MZ.
5. Приближите магнет сензору и посматрајте велике промене.

Визуелизација у Processing окружењу

Уместо приказа бројева могуће је направити једноставну графичку визуелизацију. Processing ће читати серијске податке и ротирати стрелицу која представља смер магнетног поља.

Предлог визуелизације

Стрелица се ротира у зависности од вредности које шаље MPU-9250.

Пример Processing кода

import processing.serial.*;

Serial port;

float angle = 0;

void setup(){

  size(600,600);

  port = new Serial(this,"COM5",115200);

}

void draw(){

  background(240);

  translate(width/2,height/2);

  rotate(radians(angle));

  strokeWeight(5);

  line(0,0,0,-180);

  fill(255,0,0);

  triangle(-12,-170,12,-170,0,-210);

}

void serialEvent(Serial p){

  String s=p.readStringUntil('\n');

  if(s!=null){

    // Ovde se kasnije može izračunavati ugao
    // iz MX i MY vrednosti.
  }

}

Задатак за ученике

• Испробати програм.
• Посматрати промене вредности приликом ротирања сензора.
• Утврдити која оса највише реагује приликом окретања око вертикалне осе.
• Размислити како би се од MX и MY могао израчунати угао компаса.

Вежба 2 – Рад са акцелерометром (детекција нагиба)

У овој вежби користимо само акцелерометар који се налази унутар MPU-9250 сензора. Акцелерометар мери убрзање по три осе (X, Y и Z), али када сензор мирује, он заправо мери утицај Земљине теже. Управо захваљујући томе можемо одредити нагиб плоче у простору.

Овај принцип користи се у мобилним телефонима, дроновима, паметним сатовима, роботима и многим индустријским системима.

Повезивање MPU-9250 са ESP32

Акцелерометар је такође интегрисан унутар MPU-9250 модула. Ни у овој вежби није потребно посебно повезивање додатних пинова, већ се користи исто I2C повезивање као и код претходне вежбе.

Повезивање за Вежбу 2

И код рада са акцелерометром користе се иста четири прикључка јер су сви сензори интегрисани у једном модулу.

Акцелерометар

Мери убрзање по X, Y и Z оси и омогућава одређивање нагиба уређаја.

Циљ вежбе

• Очитавање вредности акцелерометра.
• Посматрање промена приликом нагиба плоче.
• Разумевање координатног система X, Y и Z.
• Приказ вредности у Serial Monitor-у.

Arduino програм

#include <Wire.h>
#include <MPU9250_asukiaaa.h>

MPU9250_asukiaaa mpu;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  Wire.begin(21,22);

  mpu.setWire(&Wire);

  mpu.beginAccel();

}

void loop() {

  mpu.accelUpdate();

  Serial.print(mpu.accelX());
  Serial.print(",");

  Serial.print(mpu.accelY());
  Serial.print(",");

  Serial.println(mpu.accelZ());

  delay(50);

}

Објашњење програма

Приказ у Serial Monitor-у

Вредности по осама X, Y и Z мењају се приликом нагињања плоче.

Шта треба испробати?

1. Поставити сензор на сто.
2. Посматрати вредности по све три осе.
3. Нагнути плочу улево и удесно.
4. Нагнути плочу напред и назад.
5. Уочити која оса највише реагује.

Визуелизација у Processing окружењу

Уместо приказа бројева можемо направити електронску либелу. На екрану се приказује круг унутар кога се налази куглица. Како се ESP32 плоча нагиње, тако се куглица помера у одговарајућем смеру.

Електронска либела

Куглица прати нагиб сензора у реалном времену.

Processing програм

import processing.serial.*;

Serial port;

float ax=0;
float ay=0;

void setup(){

  size(600,600);

  port=new Serial(this,"COM5",115200);

}

void draw(){

  background(245);

  translate(width/2,height/2);

  noFill();

  strokeWeight(3);

  ellipse(0,0,320,320);

  fill(0,180,255);

  ellipse(ax*120,-ay*120,35,35);

}

void serialEvent(Serial p){

  String s=p.readStringUntil('\n');

  if(s!=null){

    String[] data=split(trim(s),",");

    if(data.length==3){

      ax=float(data[0]);

      ay=float(data[1]);

    }

  }

}

Рад програма

Померањем ESP32 плоче помера се и куглица на екрану.

Задатак за ученике

• Покренути програм и посматрати вредности у Serial Monitor-у.
• Проверити како реагују X и Y осе приликом различитих нагиба.
• Покренути Processing програм и упоредити положај куглице са положајем плоче.
• Покушати да задржите куглицу у самом центру круга.

Идеје за употребу у пројектима

Након што сте научили како се читају подаци са акцелерометра, жироскопа и магнетометра, можете почети да правите сопствене пројекте. MPU-9250 је један од најкоришћенијих IMU сензора у роботици, аутоматизацији и IoT системима јер омогућава праћење положаја, кретања и оријентације уређаја у простору.

Примене MPU-9250 сензора

Од робота и дронова до паметних уређаја и STEM пројеката.

Визуелизација података у Processing окружењу

Једна од најзанимљивијих примена овог сензора јесте приказ мерења у реалном времену. Processing омогућава да податке које ESP32 шаље преко серијске комуникације претворимо у графике, показиваче, инструменте или чак тродимензионалне моделе.

Processing визуелизација

Подаци са ESP32 могу се приказивати као графици, казаљке или 3D модел.

У овој лекцији приказали смо једноставан пример визуелизације магнетометра, али исти принцип може да се примени и за приказ акцелерометра или жироскопа.

Предлог домаћег задатка

• Приказати вредности акцелерометра као три покретне линије различитих боја.
• Направити график који приказује промене X, Y и Z осе током времена.
• Приказати положај виртуелне куглице која се помера у зависности од нагиба сензора.
• Направити 3D коцку која прати оријентацију MPU-9250 сензора.

Шта смо научили?