MPU6050 - cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển cho robot ESP32

MPU6050 là gì?

MPU6050 là module IMU (Inertial Measurement Unit - đơn vị đo quán tính) 6 bậc tự do, tích hợp gia tốc kế 3 trục và con quay hồi chuyển (gyroscope) 3 trục trên một chip, giao tiếp qua I2C. Với giá chỉ 25.000-40.000 đ, nó là cánh cửa rẻ nhất để robot "cảm nhận được chính mình": đang nghiêng bao nhiêu độ, đang quay nhanh hay chậm, vừa bị va chạm hay đang rơi tự do.

Ứng dụng tiêu biểu: robot tự cân bằng hai bánh, đo góc rẽ chính xác cho xe robot, phát hiện robot bị lật, con trỏ không gian và game điều khiển bằng cử động.

Gia tốc kế và gyro đo gì? Hiểu đúng bản chất

Gia tốc kế (accelerometer)

Đo gia tốc theo 3 trục X, Y, Z với đơn vị g (9.8 m/s²). Khi module nằm yên, nó vẫn đo được gia tốc trọng trường hướng xuống — nhờ đó tính được góc nghiêng tĩnh: nằm ngang thì trục Z đọc 1g, nghiêng đi thì thành phần trọng lực phân bố lại giữa các trục.

Điểm yếu: khi robot rung hoặc tăng tốc, gia tốc chuyển động trộn lẫn với trọng lực khiến góc tính ra nhảy loạn.

Con quay hồi chuyển (gyroscope)

Đo tốc độ quay quanh 3 trục, đơn vị độ/giây. Tích phân tốc độ quay theo thời gian ra góc đã quay — mượt và nhanh, không sợ rung.

Điểm yếu: sai số nhỏ cộng dồn theo thời gian gây trôi (drift) — để yên 5 phút, góc tích phân có thể lệch vài độ đến vài chục độ.

Kết hợp cả hai - lọc bù

Gia tốc kế đúng về lâu dài nhưng nhiễu ngắn hạn; gyro mượt ngắn hạn nhưng trôi dài hạn. Bộ lọc bù (complementary filter) lấy ưu điểm của cả hai bằng một dòng code — xem phần code bên dưới. Đây là bài học xử lý tín hiệu giá trị nhất mà MPU6050 mang lại cho học sinh.

Thông số kỹ thuật

Đấu nối với ESP32

I2C chỉ cần 4 dây:

Gắn module chắc chắn vào khung robot (vít hoặc băng dính 2 mặt dày) — module lỏng lẻo rung tự do làm dữ liệu vô nghĩa. Hướng đặt module quyết định trục nào là "nghiêng trước sau" của robot; in trên mạch có mũi tên X, Y để đối chiếu.

Code mẫu - đọc góc nghiêng với lọc bù

Cài thư viện "Adafruit MPU6050" (kèm Adafruit Unified Sensor) từ Library Manager.

#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Wire.h>

Adafruit_MPU6050 mpu;
float angle = 0;          // góc nghiêng quanh trục X (độ)
unsigned long lastTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!mpu.begin()) {
    Serial.println("Khong tim thay MPU6050! Kiem tra day I2C.");
    while (true) delay(100);
  }
  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_2_G);
  mpu.setGyroRange(MPU6050_RANGE_250_DEG);
  mpu.setFilterBandwidth(MPU6050_BAND_44_HZ);
  lastTime = millis();
}

void loop() {
  sensors_event_t a, g, temp;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp);

  float dt = (millis() - lastTime) / 1000.0;
  lastTime = millis();

  // Góc từ gia tốc kế (đúng khi đứng yên, nhiễu khi rung)
  float accAngle = atan2(a.acceleration.y, a.acceleration.z) * 180 / PI;

  // Tốc độ quay từ gyro (độ/giây)
  float gyroRate = g.gyro.x * 180 / PI;

  // Lọc bù: 98% tin gyro tích phân, 2% kéo về gia tốc kế
  angle = 0.98 * (angle + gyroRate * dt) + 0.02 * accAngle;

  Serial.print("Goc nghieng: ");
  Serial.println(angle);
  delay(10);  // ~100 lần đọc mỗi giây
}

Chạy thử: nghiêng module từ từ — góc thay đổi mượt; gõ nhẹ vào bàn — góc chỉ nhiễu thoáng qua rồi ổn định lại. Đổi hệ số 0.98 thành 1.0 (chỉ tin gyro) rồi để yên vài phút để tận mắt thấy hiện tượng trôi — thí nghiệm đáng giá cho học sinh.

Hiệu chuẩn - bước bắt buộc cho dữ liệu tốt

Mỗi con MPU6050 xuất xưởng có độ lệch không (offset) riêng: để yên hoàn toàn nhưng gyro vẫn báo quay 1-3 độ/giây. Hiệu chuẩn đơn giản lúc khởi động:

1. Đặt robot đứng yên tuyệt đối 2 giây sau khi bật nguồn
2. Đọc 200 mẫu gyro, tính trung bình từng trục — đó là offset
3. Trừ offset khỏi mọi lần đọc sau

Không hiệu chuẩn, góc tích phân trôi ngay từ giây đầu tiên và robot cân bằng không thể đứng được.

Ứng dụng theo cấp độ

• Cơ bản: phát hiện robot bị lật (trục Z đổi dấu) để tự tắt động cơ — tính năng an toàn dễ làm
• Trung bình: rẽ đúng 90 độ — tích phân gyro trục Z trong lúc quay, dừng khi đủ góc; chính xác hơn hàng chục lần so với rẽ theo thời gian delay
• Nâng cao: robot hai bánh tự cân bằng — đọc góc 100+ lần/giây, PID điều khiển động cơ giữ góc bằng 0; dự án đỉnh cao của chương trình robot phổ thông
• Chuyên sâu: dùng DMP đọc quaternion cho góc 3D không bị khóa gimbal, kết hợp la bàn HMC5883L thành IMU 9 trục

Câu hỏi thường gặp

Vì sao code báo "Khong tim thay MPU6050"?

Kiểm tra: dây SDA/SCL có đổi chỗ không (21-SDA, 22-SCL); nguồn VCC-GND chắc chưa; chạy chương trình I2C scanner xem địa chỉ có hiện 0x68 không. Module hàng trôi nổi đôi khi chết chip — hiện tượng scanner không thấy gì dù đấu đúng.

MPU6050 có đo được hướng la bàn (heading) không?

Không bền vững — gyro trục Z cho biết đã quay bao nhiêu so với lúc đầu nhưng trôi dần theo thời gian. Muốn hướng tuyệt đối như la bàn cần thêm cảm biến từ trường (HMC5883L/QMC5883) hoặc dùng module 9 trục như MPU9250, BNO055.

MPU6050 và MPU9250 khác gì nhau?

MPU9250 = MPU6050 + la bàn 3 trục (9 bậc tự do), giá gấp 2-3 lần. Robot cân bằng và đo góc nghiêng chỉ cần MPU6050; định hướng tuyệt đối ngoài trời mới cần 9250 hoặc BNO055.

Robot cân bằng cần đọc cảm biến nhanh cỡ nào?

Tối thiểu 100 lần/giây (100 Hz), lý tưởng 200 Hz. Vì vậy vòng loop không được chứa delay dài hay Serial.print quá nhiều — in log 10 lần/giây là đủ, phần còn lại dành cho điều khiển.