Considerações gerais

O chip MPU-6050 consiste praticamente em um processador combinado com um sensor giroscópio, um sensor acelerômetro e um sensor de temperatura, além de conversores analógico para digital (ADC) de 16 bits. A programação do dispositivo é realizada por meio da escrita de registradores de configuração e a comunicação é efetuada por meio de uma interface I²C até 400kHz ou SPI até 20MHz.

Por meio de seu Processador Digital de Movimentos (Digital Motion Processor - DMP), é possível desenvolver até mesmo algoritmos por meio da plataforma proprietária "MotionFusion" da InvenSense, que possui uma biblioteca específica para microcontroladores ARM e MSP430.

Nesta aplicação, demonstraremos apenas os resultados dos dados obtidos dos sensores desse interessante dispositivo e não nos aprofundaremos no driver Embedded MotionDriver neste artigo.

Giroscópio do MPU-6050

Um giroscópio consiste em um dispositivo capaz de detectar e mensurar rotações, importante para mensurar variações na orientação de um dispositivo e inclinação final em conjunto com acelerômetros e outros dispositivos para evitar erros inerentes conhecidos como "integration drift". O MPU-6050 é capaz de mensurar variações instantâneas nos três eixos separadamente de até 2000 graus por segundo (333,33 RPM) e possui quatro faixas de programação e precisão: +-250°/s, +-500°/s +-1000°/s e +-2000°/s.

Acelerômetro do MPU-6050

Acerca do acelerômetro, trata-se de sensor capaz de detectar e mensurar aceleração, tanto a aceleração gravitacional quanto qualquer outra aceleração de movimento. O MPU-6050 é capaz de mensurar acelerações nos três eixos separadamente de até 16g (156,896 m/s²) e possui quatro faixas de programação e precisão: +-2g, +-4g +-6g e +-16g, sendo a unidade não-SI G referente ao valor da aceleração gravitacional.

Oscilações aleatórias

Enfim, aplicamos oscilações e movimentos aleatórios ao sensor o MPU-6050 para testar o sistema de aquisição de dados. Os dados apresentados no gráfico se referem a movimentos moderados com um intervalo pequeno de repouso, resultando em uma aceleração de até 6 g's e rotações de até 1500 graus por segundo. Ressaltamos que caso você não seja um piloto de caça experiente, provavelmente perderia a consciência caso fosse acelerado até 6g m/s².

Perceba a aceleração no eixo Z é de cerca de 1 G (9,68 m/s²) em repouso, que equivale à aceleração gravitacional e houve detecção de uma pequena aceleração nos dois eixos X e Y mesmo em repouso pois o dispositivo MPU-6050 não estava totalmente plano:

Ainda, na imagem abaixo, os dados obtidos do MPU-6050 podem ser visualizados no LabVIEW por meio de gráficos distintos para os eixos X, Y e Z para melhor distinguir as variações em cada eixo cartesiano:

Rotações

Ao aplicarmos uma rotação no dispositivo, visualizamos claramente a variação nos dados obtidos do giroscópio e no eixo em que a aceleração gravitacional é aplicado. Perceba no gráfico abaixo, referente a uma rotação em torno do eixo X do dispositivo, que a aceleração gravitacional deixa de ser mensurada no eixo Z e passa a ser detectada no eixo X (azul) uma vez que esse eixo foi colocado de maneira colinear à força de gravitação e perpendicular ao plano do solo:

Ainda, para a rotação em torno do eixo Y, constatamos que a aceleração gravitacional passa a ser mensurada no eixo Y e visualizamos a respectiva rotação por meio do giroscópio:

Para uma rotação de apenas 180° entorno do eixo X, obtemos os dados abaixo. Perceba que a rotação foi mais rápida, sendo possível constatar uma variação de maior intensidade: 

Vibrações mecânicas em uma ventoinha com motor brushless

Para analisarmos as vibrações no rotor de uma ventoinha com motor brushless 12V, colocamos o sensor em cima do rotor para mensurarmos a frequência das vibrações (sem precisão em relação à inclinação do dispositivo pois o mesmo não foi fixado no rotor e visou analisar a apenas a frequência das oscilações). Durante a energização e desenergização, constatamos as seguintes variações (cerca de 12 oscilações por segundo):

Em regime permanente, obtemos as seguintes oscilações de aceleração:

Os mesmos dados podem ser visualizados por meio de eixo distintos (X-Y-Z). No caso abaixo, representamos as variações durante o período de aceleração da ventoinha:

Vibrações mecânicas durante o impacto decorrente de queda sobre uma mesa com ou sem amortecimento

Ao deixarmos a placa PCB do MPU-6050 cair de uma altura aproximada de 25cm sobre uma mesa de madeira, constatamos pulsos de aceleração levemente superiores a 2 g's após o impacto:

Com o amortecimento prestado por um mouse pad emborrachado, conseguimos constatar a existência de um segundo ciclo vibratório de aceleração e menor desaceleração em relação ao caso supramencionado:

Vibrações mecânicas durante o toque sobre a superfície de repouso da PCB do MPU-6050

No gráfico abaixo, um pequeno impulso é detectado ao aplicarmos um toque sobre a mesa em que o dispositivo se encontrava em repouso. Perceba que ocorre um pulso negativo no eixo Z (perpendicular ao plano da terra) referente a uma redução da aceleração gravitacional em 0,2g, enquanto houve dois pulsos positivos de 0,1g nos outros dois eixos:

Vibrações mecânicas em um fone de ouvido

No gráfico abaixo, referente a um tempo de análise maior, repousamos o MPU-6050 sob um fone de ouvido externo e reproduzimos um vídeo do YouTube de teste de audição (disponível em https://www.youtube.com/watch?v=H-iCZElJ8m0), no qual variando-se a frequência do sinal de áudio ao longo do tempo com cerca de dois intervalos de variações mais rápidas:

A variação da frequência das vibrações é melhor percebida em um intervalo de tempo menor. Na imagem abaixo, visualizamos a elevação da frequência do sinal de áudio e das vibrações mecânicas, respectivamente, com o decorrer do tempo:

Vibrações mecânicas em um fluido (água)

Por fim, analisamos as vibrações mecânicas nos sensores do MPU-6050 com o mesmo repousando sob a água após a aplicação de ondas em um recinto pequeno fechado. Caso o experimento seja realizado em um reservatório maior, seria possível analisar o tempo de propagação de ondas na água: