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Home»Hardware & GPIO»Rotationssensor MPU-6050 mit WebGL am Raspberry Pi visualisieren

Rotationssensor MPU-6050 mit WebGL am Raspberry Pi visualisieren

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Der Raspberry Pi ist zu vielem in der Lage, so können einfach Rotations- und Beschleunigugnswerte mittels eines Sensors, wie dem MPU-6050, ausgelesen werden. Das Ergebnis sind jedoch einfache Zahlen, worunter man sich im Normalfall nicht all zu viel vorstellen wird. Jedoch ist es sehr einfach diese Zahlen zu visualisieren. Dies geht in modernen Browsern ganz einfach mittels WebGL, womit man 2D und 3D Objekte im Browser rendern kann.

Dazu lassen wir einen Node.JS Webserver auf dem Raspberry Pi laufen, der die Daten sowohl abruft, als auch visualisiert. Der Beispielcode dafür ist am Ende des Tutorials angehängt.

Dieses Tutorial ist aufgrund einer der vielen Tutorial-Wünsche für den Raspberry Pi entstanden.

 

Zubehör

Neben einem Computer mit Browser, benötigst du folgendes Zubehör, um zu beginnen:

  • Raspberry Pi (Modell egal)
  • Beschleunigungssensor MPU 6050 (mit Pin Headern)
  • Female-Female Jumper Kabel, ebay

Bei diesem Modul sind 2 unterschiedliche Pin Header anbei, wovon einer gebogen ist. Lötet man den gebogenen Pin Header an, spart man ein wenig Platz und die Bewegung später ist intuitiver.

Rotationssensor MPU 6050
Rotationssensor MPU 6050

Aufbau und Anschluss des MPU 6050 Sensors am Raspberry Pi

Um den Rotationssensor auslesen zu können, nutzen wir den sog. I2C Bus. Damit lassen sich verschiedene Sensoren mit lediglich einer Datenleitung (SDA) und einer „Clock“ (SCL) auslesen. Dies funktioniert mittels der Hardware Adresse eines Sensors (in unserem Fall 0x68). Der Vorteil von I2C ist, dass man nicht viele GPIO Pins belegen braucht und dennoch viele Daten auslesen kann.

Wir schließen die Jumper Kabel also an den MPU 6050 Sensor und an den Raspberry Pi wie folgt an:

Raspberry Pi MPU 6050
Pin 1 (3.3V) VCC
Pin 3 (SDA) SDA
Pin 5 (SCL) SCL
Pin 6 (GND) GND

Schematisch sieht das ganze folgendermaßen aus. Wie du siehst, werden die unteren vier Anschlüsse nicht benötigt und können frei bleiben.

GY-521_accelerometer_Gyroscope_Steckplatine

 

 

Installation der benötigten Raspberry Pi Bibliotheken

Standardmäßig ist I2C am Raspberry Pi nicht aktiviert. Dies ist der erste Schritt, den wir durchführen. Öffne eine SSH Konsole und gib folgendes ein:

sudo raspi-config

Navigiere unter „Advanced Options“ und anschließend unter „Interfacing Options“. Hier findet sich u.a. ein Eintrag zu „I2C“. Diesen wählen wir aus und aktivieren es. Danach kannst du das Tool mit „Finish“ beenden.

Zeit für einen ersten Test! Wir orüfen, ob der Sensor erkannt wurde. Dazu geben wir folgendes ein und erhalten die untere Ausgabe:

sudo i2cdetect -y 1

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- -

Genaueres zur Installation (z.B. falls du Probleme dabei hast) findest du hier.

An Adresse 0x68 (Hexadezimal) befindet sich also ein I2C Gerät – in unserem Fall ist es das MPU 6050 Gyroskop.

Nun können wir auch bereits bestimmte Adressen des Sensors auslesen, wie bspw:

sudo i2cget -y 1 0x68 0x75

Die Registerdaten sind hierbei im Datenblatt definiert. Je nach Position, wirst du hier einen anderen Wert finden. Da wir mit den Hexadezimalen Ergebnissen nicht all zu viel anfangen können, gehen wir vorerst weiter zum nächsten Punkt.

Node.JS und Pakete installieren

Bevor die den Server starten können, müssen wir zunächst Node.JS und den Package Manager npm installieren (wer lieber yarn als Paketmanager nutzen möchte, kann das natürlich auch tun). Davor aktualisieren wir noch die Paketquellen:

sudo apt-get update
curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_13.x | bash -
sudo apt-get install git nodejs npm -y

Anschließend klonen wir uns das Projekt aus Github, in dem der gesamte Code enthalten ist, gehen in das Verzeichnis und laden die benötigten Bibliotheken herunter:

git clone https://github.com/tutRPi/Raspberry-Pi-WebGL-Gyroscope
cd Raspberry-Pi-WebGL-Gyroscope
npm install

Der Vorgang dauert ein paar Minuten, aber sollte sich ohne weitere Probleme abschließen.

 

Node.JS Server starten und Rotation im Browser testen

Um den Server zu starten, reicht es folgendes Befehl einzugeben:

node index.js

Dadurch wird nun unter http://raspberrypi:3000/ verfügbar (ggf. musst du „raspberrypi“ mit der internen IP Adresse deines Pi’s ersetzen). Im Browser sieht das ganze dann so aus:

Zunächst einmal wird eine HTML Seite ausgegeben, die folgenden Inhalt hat und sich die Rotationsdaten unter http://raspberrypi:3000/api/data holt und diese visualisiert.

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<html>
<head>
    <title>My First Node Project</title>
    <link rel="stylesheet" type="text/css" href="css/style.css">
    <script src="js/jquery.min.js"></script>
</head>
<body>
    <canvas id="gl"></canvas>
 
<script>
         // https://www.tutorialspoint.com/webgl/webgl_cube_rotation.htm
         /*============= Creating a canvas =================*/
         var canvas = document.getElementById('gl');
         gl = canvas.getContext('experimental-webgl');
 
         /*============ Defining and storing the geometry =========*/
 
         var vertices = [
            -1,-1,-1, 1,-1,-1, 1, 1,-1, -1, 1,-1,
            -1,-1, 1, 1,-1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1,
            -1,-1,-1, -1, 1,-1, -1, 1, 1, -1,-1, 1,
            1,-1,-1, 1, 1,-1, 1, 1, 1, 1,-1, 1,
            -1,-1,-1, -1,-1, 1, 1,-1, 1, 1,-1,-1,
            -1, 1,-1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,
         ];        
         // transform cube to cuboid
         vertices = vertices.map(function(vertex, pos) {
            var p = (pos+1) % 12;
            if ( p % 3 == 2) {
                return vertex * 0.1;
            }
            return vertex;
         });
 
         var colors = [
            5,3,7, 5,3,7, 5,3,7, 5,3,7,
            1,1,3, 1,1,3, 1,1,3, 1,1,3,
            0,0,1, 0,0,1, 0,0,1, 0,0,1,
            1,0,0, 1,0,0, 1,0,0, 1,0,0,
            1,1,0, 1,1,0, 1,1,0, 1,1,0,
            0,1,0, 0,1,0, 0,1,0, 0,1,0
         ];
 
         var indices = [
            0,1,2, 0,2,3, 4,5,6, 4,6,7,
            8,9,10, 8,10,11, 12,13,14, 12,14,15,
            16,17,18, 16,18,19, 20,21,22, 20,22,23
         ];
 
         // Create and store data into vertex buffer
         var vertex_buffer = gl.createBuffer ();
         gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertex_buffer);
         gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
 
         // Create and store data into color buffer
         var color_buffer = gl.createBuffer ();
         gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, color_buffer);
         gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(colors), gl.STATIC_DRAW);
 
         // Create and store data into index buffer
         var index_buffer = gl.createBuffer ();
         gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index_buffer);
         gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(indices), gl.STATIC_DRAW);
 
         /*=================== Shaders =========================*/
 
         var vertCode = 'attribute vec3 position;'+
            'uniform mat4 Pmatrix;'+
            'uniform mat4 Vmatrix;'+
            'uniform mat4 Mmatrix;'+
            'attribute vec3 color;'+//the color of the point
            'varying vec3 vColor;'+
 
            'void main(void) { '+//pre-built function
               'gl_Position = Pmatrix*Vmatrix*Mmatrix*vec4(position, 1.);'+
               'vColor = color;'+
            '}';
 
         var fragCode = 'precision mediump float;'+
            'varying vec3 vColor;'+
            'void main(void) {'+
               'gl_FragColor = vec4(vColor, 1.);'+
            '}';
 
         var vertShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
         gl.shaderSource(vertShader, vertCode);
         gl.compileShader(vertShader);
 
         var fragShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
         gl.shaderSource(fragShader, fragCode);
         gl.compileShader(fragShader);
 
         var shaderProgram = gl.createProgram();
         gl.attachShader(shaderProgram, vertShader);
         gl.attachShader(shaderProgram, fragShader);
         gl.linkProgram(shaderProgram);
 
         /* ====== Associating attributes to vertex shader =====*/
         var Pmatrix = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "Pmatrix");
         var Vmatrix = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "Vmatrix");
         var Mmatrix = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "Mmatrix");
 
         gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertex_buffer);
         var position = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "position");
         gl.vertexAttribPointer(position, 3, gl.FLOAT, false,0,0) ;
 
         // Position
         gl.enableVertexAttribArray(position);
         gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, color_buffer);
         var color = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "color");
         gl.vertexAttribPointer(color, 3, gl.FLOAT, false,0,0) ;
 
         // Color
         gl.enableVertexAttribArray(color);
         gl.useProgram(shaderProgram);
 
         /*==================== MATRIX =====================*/
 
         function get_projection(angle, a, zMin, zMax) {
            var ang = Math.tan((angle*.5)*Math.PI/180);//angle*.5
            return [
               0.5/ang, 0 , 0, 0,
               0, 0.5*a/ang, 0, 0,
               0, 0, -(zMax+zMin)/(zMax-zMin), -1,
               0, 0, (-2*zMax*zMin)/(zMax-zMin), 0
            ];
         }
 
         var proj_matrix = get_projection(40, canvas.width/canvas.height, 1, 100);
 
         //var mov_matrix = [1,0,0,0, 0,1,0,0, 0,0,1,0, 0,0,0,1];
         var view_matrix = [1,0,0,0, 0,1,0,0, 0,0,1,0, 0,0,0,1];
 
         // translating z
         view_matrix[14] = view_matrix[14]-6;//zoom
 
         /*==================== Rotation ====================*/
 
         function rotateZ(m, angle) {
            var c = Math.cos(angle);
            var s = Math.sin(angle);
            var mv0 = m[0], mv4 = m[4], mv8 = m[8];
 
            m[0] = c*m[0]-s*m[1];
            m[4] = c*m[4]-s*m[5];
            m[8] = c*m[8]-s*m[9];
 
            m[1]=c*m[1]+s*mv0;
            m[5]=c*m[5]+s*mv4;
            m[9]=c*m[9]+s*mv8;
         }
 
         function rotateX(m, angle) {
            var c = Math.cos(angle);
            var s = Math.sin(angle);
            var mv1 = m[1], mv5 = m[5], mv9 = m[9];
 
            m[1] = m[1]*c-m[2]*s;
            m[5] = m[5]*c-m[6]*s;
            m[9] = m[9]*c-m[10]*s;
 
            m[2] = m[2]*c+mv1*s;
            m[6] = m[6]*c+mv5*s;
            m[10] = m[10]*c+mv9*s;
            
         }
 
         function rotateY(m, angle) {
            var c = Math.cos(angle);
            var s = Math.sin(angle);
            var mv0 = m[0], mv4 = m[4], mv8 = m[8];
 
            m[0] = c*m[0]+s*m[2];
            m[4] = c*m[4]+s*m[6];
            m[8] = c*m[8]+s*m[10];
 
            m[2] = c*m[2]-s*mv0;
            m[6] = c*m[6]-s*mv4;
            m[10] = c*m[10]-s*mv8;
         }
 
 
         /*================= Drawing ===========================*/
         var time_old = 0;
 
         var animate = function() {
 
            // get data
            $.ajax({
                type: 'GET',
                contentType: 'application/json',
                url: '/api/data',
                success: function(data) {
                    var mov_matrix = [1,0,0,0, 0,1,0,0, 0,0,1,0, 0,0,0,1];
                    var mov_matrix = [1,0,0,0, 0,1,0,0, 0,0,1,0, 0,0,0,1];
                    rotateZ(mov_matrix, ( data.rotation.y / 180) * Math.PI);
//                    rotateY(mov_matrix, ( data.rotation.y / 180)  * Math.PI);
                    rotateX(mov_matrix, ( data.rotation.x / 180) * Math.PI);
 
 
                    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
                    gl.depthFunc(gl.LEQUAL);
                    gl.clearColor(0.5, 0.5, 0.5, 0.9);
                    gl.clearDepth(1.0);
 
                    gl.viewport(0.0, 0.0, canvas.width, canvas.height);
                    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
                    gl.uniformMatrix4fv(Pmatrix, false, proj_matrix);
                    gl.uniformMatrix4fv(Vmatrix, false, view_matrix);
                    gl.uniformMatrix4fv(Mmatrix, false, mov_matrix);
                    gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index_buffer);
                    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
                },
                error: function(data) {
                    console.error(data);
                }
            });
 
            window.requestAnimationFrame(animate);
         }
        
        canvas.width = window.innerWidth;
        canvas.height = window.innerHeight;
        animate();
 
 
</script>
</body>
</html>

Unter dem Endpunkt /api/data befindet sich ein Controller, der nichts weiter tut, als den Sensor mittels I2C Adresse auszulesen und die Werte im JSON Format auszugeben:

JavaScript
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const i2c = require('i2c-bus');
const MPU6050 = require('i2c-mpu6050');
 
const MPU_6050_ADDR = 0x68;
 
exports.data = function(req, res) {
    const i2c1 = i2c.openSync(1);
    const sensor = new MPU6050(i2c1, MPU_6050_ADDR);
    const data = sensor.readSync();
    i2c1.closeSync();
    res.json(data);
};
 
 

Das hier gezeigt Demo Projekt ist natürlich sehr einfach gehalten. Es können dementsprechend noch sehr viel komplexere Projekte und Visualisierungen mit WebGL und dem Raspberry Pi erstellt werden. Falls du ein ähnliches Projekt umgesetzt hast, oder dieses dir als Grundlage dient, kannst du es auf Github gerne forken und/oder hier für andere verlinken.

 

PS: Solltest auch du einen Tutorial-Wunsch haben, kannst du diesen natürlich gerne mit einer kleinen Beschreibung äußern 🙂

Accelerometer Beschleunigungssensor GY-521 Gyroscope i2c Kreiselinstrument Kreiselstabilisator MPU-6050 Node.js WebGL
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10 Kommentare

  1. Elias am 5. Januar 2020 11:04

    Gutes Projekt, echt gut 👍

    Antworten
    • Felix am 5. Januar 2020 12:34

      Danke 🙂

      Antworten
  2. Felix Schürmann am 6. Januar 2020 1:34

    Für ein Projekt in der Uni hab ich etwas ähnliches gemacht. Eine quasi Fernbedienung mit der etwas auf dem Schirm gezeigt bzw. gezeichnet werden kann und Gesten erkannt werden können. Umgesetzt ist das mit ThreeJS. Ist dann jetzt mit Dokumentation auf Github hochgeladen 🙂
    https://github.com/FelixSchuermann/imu-remote

    Antworten
    • Felix am 6. Januar 2020 2:40

      Das klingt ziemlich interessant! Hättest du vielleicht Lust daraus ein Gast-Tutorial zu machen? 🙂

      Antworten
      • Felix Schürmann am 6. Januar 2020 13:02

        Das mach ich gerne! Im moment schreibe ich allerdings meine Masterthesis, daher würde es wohl etwas dauern, bzw. muss ich dann gucken wie ich die Zeit finde. Ich melde mich bei dir, wenn ich etwas habe.
        Lieben Gruß

      • Felix am 6. Januar 2020 13:05

        Super, dann wünsche ich dir viel Erfolg dabei!
        Viele Grüße
        Felix

  3. Matthias Krafeld am 17. Februar 2021 9:55

    Hallo Felix

    Verwende dein Projekt für mein Wohnmobilprojekt um die Lage des Fahrzeugs darzustellen. Meine Idee wäre ein Fahrzeugimage zu nutzen anstatt den Cube aus deiner Darstellung.
    Gibt es für dieses Vorhaben schon was ähnliches ?
    Vielen Dank für einen Hinweis.
    Gruß Matthias Krefeld

    Antworten
    • Felix am 17. Februar 2021 21:46

      Du müsstest dein Model als Mesh (zusammenhängende Dreiecke, die die Oberfläche repräsentieren) erstellen. Dafür kannst du Tools wie Blender nehmen, oder sie selbst in einem Koordinatensystem erzeugen.

      Antworten
  4. Shan am 7. März 2021 21:09

    hello sir,
    Thanks for you nice tutorial.
    I am try to get z axis rotation but I cant find a way.
    Plase can you give me some hint about that.

    Thank you very much

    Antworten
  5. Greg Nauta am 12. Januar 2022 17:21

    In Bullseye (with Python 3 preinstalled) when making the final „npm install“ and receiving not supported Python version error try:
    sudo apt-get install python2.7
    npm install –python=python2.7

    Antworten

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