Акселерометры и гироскопы: как выбрать и подключить IMU

Сравнение

По даташитам Bosch Sensortec:

Адрес I²C у BMI задаёт вывод SDO: на общем проводе — 0x68, на питании VDDIO — 0x69. У BNO055 его выбирает вывод COM3. Датчики питаются от 1,7–3,6 В: к микроконтроллеру с логикой 5 В их подключают через преобразователь уровней.

Шум и дрейф

Шум в даташите задан плотностью — на корень из герца полосы. Реальный шум зависит от полосы фильтра: у BMI160 по даташиту при плотности 0,007 °/с/√Гц и фильтре 74,6 Гц шум гироскопа — 0,07 °/с среднеквадратично. Чем уже полоса, тем меньше шум, но тем медленнее датчик реагирует.

Главная беда гироскопа — не шум, а смещение нуля: в покое он показывает не ноль, а небольшую скорость поворота. У BMI160 по даташиту это до ±3 °/с при 25 °C без компенсации, у BMI270 — ±0,5 °/с за срок службы после пайки. Угол поворота получают интегрированием скорости, и смещение интегрируется вместе с ней: 0,5 °/с за минуту дают 30° ошибки. Поэтому:

• смещение измеряют в покое при старте и вычитают;
• угол наклона корректируют по акселерометру, который в покое видит направление силы тяжести;
• курс корректируют по магнитометру — акселерометр поворот вокруг вертикали не видит.

Такое объединение показаний называют слиянием данных (sensor fusion). Его считает либо микроконтроллер — для BMI160, BMI270 и BMI323, — либо сам датчик.

BNO055: слияние внутри датчика

BNO055 — 9-осевой модуль со своим процессором. По даташиту он объединяет показания гироскопа, акселерометра и магнитометра и выдаёт готовые величины: кватернион, углы Эйлера, вектор поворота, линейное ускорение без гравитации, вектор гравитации и курс — 100 раз в секунду. Микроконтроллеру остаётся прочитать регистры.

Цена — потребление и время запуска: до 12,3 мА в нормальном режиме против долей миллиампера у BMI, 400 мс от включения до режима настройки и 650 мс после сброса. Ещё одна особенность из даташита: интерфейс I²C BNO055 использует растягивание такта — ведущий должен его поддерживать.

BMI270: запуск через конфигурационный файл

У BMI270 есть особенность, о которой узнают, когда датчик «не работает». По даташиту после включения нужно выполнить последовательность инициализации: отключить расширенное энергосбережение, подождать не меньше 450 мкс, загрузить в регистр INIT_DATA конфигурационный файл из репозитория Bosch BMI270-Sensor-API и через 20 мс проверить, что инициализация прошла. Без этого функции датчика не запускаются. Поэтому BMI270 почти всегда подключают через библиотеку Bosch или её обёртку, а не «вручную» через регистры.

BMI160 и BMI323 такого шага не требуют, а BMI323 по даташиту умеет работать и по новой шине I3C.

Как выбрать

• Нужна готовая ориентация, питание не критично — BNO055: углы и кватернион без расчётов на микроконтроллере.
• Батарейное устройство, шагомер, жесты — BMI270 или BMI323: ток 685–790 мкА и встроенные функции распознавания движений.
• Высокая частота отсчётов — BMI270 и BMI323: до 6,4 кГц у гироскопа.

Другие датчики — давление и высота в статье «Датчики давления», общий обзор — в разделе «Датчики».