Rotation und Beschleunigung mit dem Raspberry Pi messen

7. April 2017
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Beschleunigs- und Rotationssensoren sind den meisten aus Smartphones bekannt. Dabei ist die Rotation des Geräts feststellbar und darauf kann direkt eingegangen werden.

Mit dem Raspberry Pi und einem Gyroskop/Beschleunigsssensor (Accelerator) ist es möglich die Rotation als auch die Beschleunigung der 3 Achsen zu messen.
In diesem Tutorial zeige ich, wie man mit Hilfe des MPU 6050 die Werte mittels I2C ausließt und demonstriere es in einem Video.

Zubehör

Folgende Teile habe ich verwendet:

Bei dem Modul sind 2 Pin Header dabei, wovon eines gebogen ist. Ich habe die gebogenen Pins auf den Sensor gelötet habe, was Platz spart (siehe Bild):

20151125_205159

 

Aufbau

Das praktische an I2C ist, dass nur sehr wenige Pins belegt werden. Von den acht Pins des Sensor, müssen wir nur die oberen 4 verbinden:

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

 

GY-521_accelerometer_Gyroscope_Steckplatine

 

I²C aktivieren

Als erstes aktivieren wir SPI und I2C. Falls du das bereits in einem vorherigen Tutorial gemacht hast, kannst du diesen Schritt überspringen.

sudo raspi-config

Unter „8. Advanced Options“ gibt es den Eintrag „A7 I2C“, welchen wir aktivieren. Bei älteren Raspbian Versionen müssen die Einträge in der Datei /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf auskommentiert (mit #) werden.

Anschließend bearbeiten wir die modules-Datei:

sudo nano /etc/modules

Falls die folgenden Zeilen nicht bereits enthalten sind, füge sie hinzu und starte den Pi anschließend neu (sudo reboot):

Nun installieren wir noch schnell die benötigten Tools:

sudo apt-get install i2c-tools python-smbus

Starten wir einen kleinen Test. Der Parameter -y 1 steht für Revision 2. Wer einen ganz alten Pi (vor 2013) hat, müsste stattdessen eine 0 angeben:

sudo i2cdetect -y 1

Falls das Gyroskop richtig angeschlossen ist, siehst du eine solche Ausgabe (falls du weitere I2C Module angeschlossen hast, sollten deren Hex-Adressen auch angezeigt werden):

pi@raspberrypi ~ $ 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: -- -- -- -- -- -- -- --

Um das Gerät mit Adresse 68 (Achtung: Hexadezimal) unter dem Register anzusprechen geben wir folgendes ein:

sudo i2cget -y 1 0x68 0x75

Weitere Informationen zum ansprechen von I²C Modulen, insbesondere zu den Registern findest du hier: GPIOs mittels I2C Port Expander erweitern – Teil 1

 

Modul auslesen

Der bequemste Weg, um den Beschleunigungssensor auszulesen, ist wohl Python. Daher erstellen wir eine Datei und fügen den folgenden Code ein.

sudo nano gyro.py

Gespeichert wird mit STRG+O und beendet mit STRG+X. Anschließend kannst du das Skript ausführen.

sudo python gyro.py

Nun wirst du eine solche Ausgabe sehen, worin alle erfassten Daten enthalten sind:

Gyroskop
--------
gyroskop_xout:   -260  skaliert:  -2
gyroskop_yout:   -154  skaliert:  -2
gyroskop_zout:     78  skaliert:  0

Beschleunigungssensor
---------------------
beschleunigung_xout:   -1048  skaliert:  -0.06396484375
beschleunigung_yout:    -676  skaliert:  -0.041259765625
beschleunigung_zout:   16644  skaliert:  1.01586914062
X Rotation:  -2.32121150537
Y Rotation:  3.59994842011

Wer sich mit Beschleunigssensoren und Gyroskopen genauer beschäftigen will, sollte diesen Artikel (Englisch) lesen.

Zum Schluss noch ein kleines Beispielvideo, das die Nutzung des Sensors live zeigt:

30 Kommentare

    • Mit einem kleinen Trick: Ich habe auf meinem Pi einen Webserver installiert und dauerhaft die Werte in eine Datei geschrieben. Da der Pi OpenGL nicht (vollständig) unterstützt, habe ich auf dem PC diese Daten vom Pi (gleiches Netzwerk) ausgelesen und mittels OpenGL visualisiert. War nicht Teil des Tutorials, da es nur zur Demonstration dienen sollte, was man damit anfangen kann.

      Antworten
  1. Ich bin ein Anfänger in diesem Gebiet und wollte fragen in welchen Einheiten die Messwerte denn angegeben werden. Und danke für den Code.

    Antworten
  2. Hallo Felix,

    super Tutorial, danke dafür!

    Mich interessiert nun eine dauerhafte Ausgabe der Werte. D.h. ich würde den Sensor quasi für eine definierte Zeit ( ca. 10 sec) Werte ausgeben und am besten in eine csv-Datei speichern lassen.

    Könntest du mir sagen ob dafür viel an deinem Python-script geändert werden muss?

    Vielen Dank schonmal!

    Grüße,

    Max

    Antworten
    • Hallo Max,
      eigentlich muss dafür kaum etwas geändert werden: Du brauchst zusätzlich eine Schleife und eine Funktion zum Speichern der Daten in der Datei. Der Rest ist ja bereits vorhanden.

      Antworten
  3. Hallo Felix, ich habe noch eine Frage. Kann es sein, dass der Sensor regelmäßig kalibriert werden muss? Die Winkelwerte die ich bekomme sind ziemlich ungenau. Ich halte den Sensor gerade und er schwankt von 0 bis 30 Grad. Falls ja, könntest du mir einen tipp geben wo ich den Code für die Kalibrierung finde?

    Grüße Max

    Antworten
    • Eine leichte Abweichung ist normal, da diese Sensoren ja recht günstig und daher nicht super genau sind. Dennoch reicht es für die meisten Anwendungen. Eine Kalibrierung war bei meinem Sensor nicht nötig (siehe Video)

      Antworten
  4. hallo ,

    ich möchte solch einen Beschleunigungssensor als Ein- Ausschalter nutzen .
    Quasi wenn 10 Grad erreicht sind an wenn 100 Grad erreicht sind aus.

    Ist das möglich ?

    Antworten
  5. Kann jemand sagen, was die kleinste sicher auslesbare Winkelverstellung (also Inkrement) bei diesem Sensor ist? Evtl. auch mit anderen Sensoren. Ich benötige Genauigkeiten im Bereich weniger Bogensekunden, denke allerdings, das geht so ohne weiteres nicht. Die Datenblattangaben sind da nicht sehr aussagekräftig.
    Danke!

    Antworten
  6. Hallo Miteinander,
    auch mich würde eine sehr genaue Messung des Neigungswinkels interessieren. Allerdings weiß ich nicht, ob es geeignete Sensoren zu vernünftigen Preisen hierfür gibt.
    Es kann sein, dass ich da falsch liege, aber bei einem Messbereich von +-2g erreicht man mit einer AD-Wandlung von 24 Bit eine Genauigkeit von knapp 3 Bogensekunden. Bei 20 Bit liegt man schon bei knapp 10 Bogensekunden. Bis jetzt habe ich noch keinen erschwinglichen Sensor dafür gesehen. Kennt jemand einen?

    Antworten
  7. Hallo, ich habe 2 Fragen die bis jetzt ungeklärt sind.
    Ich habe mir den verlinkten, englischsprachigen Artikel über Accelerometer durchgelesen.
    Dort wird beschrieben wir man die Rotation um die X- und Y-Achse berechnet.
    Für die Rotation um die X-Achse bspw.:
    Ax = atan2(x, dist(y, z));
    Im Code auf dieser Seite hier wird allerdings folgendes zur Berechnung gemacht.
    Ax = atan2(y, dist(x, z));
    Das allerdings wird im verlinkten Artikel als Berechnung der Rotation um die Y-Achse angegeben (man beachte die Parameter). Wie kann das sein?

    Zum Anderen würde ich gerne noch wissen warum hier nicht zusätzlich die Rotation um die Y-Achse berechnet wird? Für gewöhnlich brauche ich ja auch bei einem Rotationsvektor 3 Werte.

    Wäre super wenn mich da jemand aufklären und weiterhelfen würde 🙂

    Antworten
  8. Hallo,
    Danke für das Tutorial. Bei mir wird der Sensor nicht erkannt. Alle es ist alles richtig verkabelt und ich habe auch alle Schritte befolgt.
    MfG Luca

    Antworten
    • Wird der Sensor schon per i2cdetect nicht erkannt bzw. werden andere I2C Module erkannt? Das deutet nämlich in den aller meisten Fällen auf eine Falsche Verkabelung / defekten Sensor hin.
      LG, Felix

      Antworten
    • Danke für die schnelle Antwort. Das Gerät wird von I2C nicht erkannt ich bestell mir nochmal einen neuen Sensor da die Verkabelung korrekt ist.

      Antworten
  9. Hallo.

    Danke für das Tutorial.
    Eine Frage will mir jedoch nicht aus dem Kopf gehen..
    Wofür sind die anderen Anschlüsse des Chips da ?
    Sprich:
    XCL, XDA, ADO und INT ?

    Wenn du mir das noch beantworten würdest, ist alles perfekt 🙂

    Lg
    Christian

    Antworten
    • Super danke! 🙂
      Klasse das du so schnell antwortest.
      Das Interrupt Signal wird dann wohl das sein, was für mich noch hilfreich sein wird.
      Einfach an einen GPIO Pin anschließen und einlesen richtig ?
      Wenn du nichts dagegen hast gern direkt noch eine andere Frage:
      Bei Amazon steht in so manchem Kommentar, dass der MPU 6050 noch einen eingebauten Temperatursensor hat.
      Weißt du mehr darüber?

      Antworten
      • Ja, das stimmt (ich zitiere mal das Datenblatt):
        The MPU-60X0 collects gyroscope and accelerometer data while synchronizing data sampling at a user defined rate. The total dataset obtained by the MPU-60X0 includes 3-Axis gyroscope data, 3-Axis accelerometer data, and temperature data. The MPU’s calculated output to the system processor can also include heading data from a digital 3-axis third party magnetometer.
        Muss aber dazu sagen, dass ich den Temperatursensor bisher nicht genutzt habe.

    • Mittlerweile habe ich aber auch das Gefühl, dass bei dem Programm nicht alles stimmt kann das ?
      Die werte die zum teil rauskommen können so nicht ganz stimmen.
      Ich bin mir noch nicht ganz sicher, ob es an einem Stack Overflow liegt oder die Rechnung an sich falsch ist.
      Aber was das Tutorial an sich angeht, das Konfigurieren und ansprechen des Sensors, hilft es ungemein.
      Nochmal danke.

      Antworten
      • Hi Christian,
        das kann ich nicht bestätigen. In meinen Tests hat es wunderbar funktioniert (siehe Video).
        LG, Felix

  10. Hi Felix,
    vielen Dank für das Tutorial!
    Könntest du erklären, wie du auf die Skalierung der Werte gekommen bist?
    LG,
    Lukas

    Antworten
  11. Hallo
    ich habe genau den gleichen Sensor für ein Projekt an dem ich grade arbeite.
    Danke für den Code, der funktioniert.
    Hast du vielleicht ein Tutorial, wo es erklärt wird wie man auf den Code kommt. Ich habe selber keine ahnung von I2C würde mich gerne da mal reinarbeiten um es für das Projekt anzupassen.
    Danke im vorraus!

    Antworten
  12. Hallo,
    echt tolles Tutorial. Funktioniert alles wie es sollte. Bräuchte aber höhere Werte des Beschleunigungssensor, da dieser ja bereits nach 2G in die Sättigung geht. Wie kann ich dies verstellen, weil der MPU6050 ja bis zu 16G aufnehmen kann?

    Antworten
  13. Hallo,
    Danke für das tuorial. Bei mir finde ich die option i2c im raspi config nicht. Unter advanced options gibt es kein A7. Meine rasbian version ist die neueste die es gibt.
    Lg Moritz

    Antworten
  14. Hallo Felix,
    Top gemacht, das hilft Anfängern wie mir absolut.
    kannst Du mir sagen ob ich mit den Daten die Ausgegeben werden einen Schrittmotor ansteuern kann? Ich würde gerne eine GoPro über die bewegung des PI steuern.

    Antworten

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