ArduinoでMPU6050を使う方法｜加速度・角速度の取得と配線を解説

01MPU6050とは｜加速度と角速度を同時に測れるセンサー

6軸IMUとは何か

MPU6050は、3軸の加速度センサーと3軸のジャイロセンサーを1つに統合したICです。ジャイロセンサーは角速度センサーとも呼ばれます。これらを合わせて「6軸IMU（慣性計測ユニット）」と呼びます。加速度センサーは、X・Y・Z方向にかかる力を測定します。ジャイロセンサーは、X・Y・Z軸まわりの回転の速さを測定します。この2種類のデータを組み合わせれば、物体の傾きや動きを詳しく捉えられます。

I2C通信で複数のセンサーを同時に使える

MPU6050は、I2Cという通信方式でArduinoとやり取りします。I2Cには利点があります。SDA・SCLというたった2本の信号線で通信できるのです。さらに、1本のI2Cバスに複数のセンサーを接続することもできます。可変抵抗やCdSセルのようなアナログセンサーとは、配線の考え方が異なります。この点には注意してください。

02基礎知識｜測定レンジと単位

加速度のレンジと分解能

MPU6050の加速度センサーには機能があります。測定できる範囲（レンジ）を切り替えられるのです。選べるのは±2g、±4g、±8g、±16gの4種類です。初期設定は±2gです。この設定の場合、変換方法は決まっています。センサーが出力する生の値（16ビット）を16384で割ると、重力加速度を1とした単位（g）に変換できます。

角速度のレンジと分解能

ジャイロセンサー側にも、同様にレンジの設定があります。選べるのは4種類です。±250、±500、±1000、±2000°/s（1秒あたりの回転角度）です。初期設定は±250°/sです。この設定の場合、生の値を131で割ります。すると、1秒あたりの回転角度（°/s）に変換できます。

03配線方法：Arduino UnoとMPU6050

基本の4本配線

MPU6050モジュール（GY-521など）には主要なピンがあります。VCC・GND・SCL・SDAという4つです。Arduino Unoの場合、SDAはA4に、SCLはA5につなぎます。VCCとGNDは、それぞれArduinoの5VとGNDにつなぎます。

電源電圧について

MPU6050のチップ自体は3.3V駆動です。ただし、多くの市販モジュールには電圧レギュレータが搭載されています。そのため、Arduinoの5Vを直接つないでも問題なく動作します。基板にレギュレータ用の部品が見当たらない場合もあるでしょう。そのときは、念のため3.3V側に接続してください。

04基本のコード｜Wireライブラリで生データを読み取る

スリープモードの解除が最初の一歩

MPU6050には特徴があります。電源投入直後は省電力のスリープモードに入っているのです。Arduino公式のWireライブラリを使いましょう。電源管理用のレジスタ（0x6B番地）に0を書き込みます。これでスリープを解除できます。これを忘れると、値がまったく取得できません。

読み取るデータの内訳

スリープを解除したら、次のステップに進みます。加速度データが格納されている0x3B番地から、14バイトをまとめて読み取ります。内訳は決まっています。加速度3軸（6バイト）、温度（2バイト）、角速度3軸（6バイト）です。追加のライブラリを使わずに、Wireライブラリだけで完結する書き方です。

// MPU6050からライブラリなしで生データを読み取るコード
#include <Wire.h>

const int MPU = 0x68; // MPU6050のI2Cアドレス（AD0がLOWの場合）

void setup() {
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B); // 電源管理レジスタ
  Wire.write(0);    // スリープを解除
  Wire.endTransmission(true);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B); // 加速度データの先頭アドレス
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU, 14, true); // 14バイトまとめて読み取る

  float accX = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0;
  float accY = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0;
  float accZ = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0;

  Wire.read(); Wire.read(); // 温度データは今回使わないのでスキップ

  float gyroX = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 131.0;
  float gyroY = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 131.0;
  float gyroZ = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 131.0;

  Serial.print("Acc(g): ");
  Serial.print(accX); Serial.print(", ");
  Serial.print(accY); Serial.print(", ");
  Serial.println(accZ);

  Serial.print("Gyro(deg/s): ");
  Serial.print(gyroX); Serial.print(", ");
  Serial.print(gyroY); Serial.print(", ");
  Serial.println(gyroZ);

  delay(200);
}

この方式の利点と欠点

この方式には利点があります。ライブラリのインストールが不要な分、動作原理を理解しやすいのです。一方で、欠点もあります。コードはやや長くなります。基本文法については、下記の記事も参考にしてください。

05ライブラリを使ってもっと簡単に扱う

Adafruit_MPU6050ライブラリの利点

生データを直接扱う方法は、仕組みを学ぶには最適です。しかし、実際のプロジェクトでは事情が異なります。ライブラリを使ったほうが効率的な場合が多いのです。代表的な選択肢の1つが、Adafruit社が提供するAdafruit_MPU6050ライブラリです。導入方法はシンプルです。Arduino IDEのライブラリマネージャーから、Adafruit MPU6050とAdafruit Unified Sensorの2つをインストールするだけです。

ライブラリを使ったコード例

// Adafruit_MPU6050ライブラリを使ったコード
#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Wire.h>

Adafruit_MPU6050 mpu;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  if (!mpu.begin()) {
    Serial.println("MPU6050が見つかりません");
    while (1) {
      delay(10);
    }
  }

  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_2_G);
  mpu.setGyroRange(MPU6050_RANGE_250_DEG);
}

void loop() {
  sensors_event_t a, g, temp;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp); // 加速度・角速度・温度をまとめて取得

  Serial.print("Acc(m/s^2): ");
  Serial.print(a.acceleration.x); Serial.print(", ");
  Serial.print(a.acceleration.y); Serial.print(", ");
  Serial.println(a.acceleration.z);

  Serial.print("Gyro(rad/s): ");
  Serial.print(g.gyro.x); Serial.print(", ");
  Serial.print(g.gyro.y); Serial.print(", ");
  Serial.println(g.gyro.z);

  delay(200);
}

単位の違いに注意

ライブラリを使う場合、単位変換をあらかじめ済ませた値を取得できます。ただし、注意点があります。単位がg（重力加速度比）やm/s²ではなく、ライブラリによって異なる場合があるのです。使用前にドキュメントで単位を確認する習慣をつけましょう。ライブラリの入れ方については、下記の記事も参考にしてください。

06計測データの活用｜傾き角度とリハビリでの応用

加速度から傾き角度を求める

センサーが静止しているとき、加速度センサーは重力の向きを検出しています。この性質を利用しましょう。三角関数を使うと、センサーの傾き（ロール角・ピッチ角）を計算できます。ただし、加速度センサー単体の計算には弱点があります。振動や急な動きがあると、値が乱れやすいのです。

角速度と組み合わせる発想

そこで登場するのが、ジャイロセンサーの角速度データです。角速度を時間で積分すると、角度の変化量を求められます。ただし、これにも弱点があります。誤差が少しずつ蓄積していく「ドリフト」という現象が起きるのです。実用的なシステムでは工夫が必要です。加速度センサーとジャイロセンサーの両方の長所を組み合わせます。これを「センサーフュージョン」と呼びます。

リハビリ・動作解析での活用

MPU6050には応用先があります。関節の角度変化や、歩行時の体幹の揺れといった動作を、簡易的に可視化する用途に活用できるのです。当サイトでは、圧センサーや筋電センサーを使ったリハビリ応用についても解説しています。あわせて参考にしてください。ただし、注意点もあります。正確な臨床評価に使う場合は、専門家による精度の検証が欠かせません。

07よくあるトラブルと対処法

症状別の対処早見表

原因を素早く切り分けるコツ

08よくある質問

基本のQ&A

応用のQ&A