MPU6050でキューブ　Pythonプログラム

MPU6050ビューアーインタラクティブ解説

ESP32とPythonで実現する3D可視化

このアプリケーションは、MPU6050加速度センサーから取得したデータを、PC上でリアルタイムに3Dグラフィックスとして可視化するPythonプログラムの仕組みをインタラクティブに解説します。物理的なセンサーの動きが、どのようにして画面上のデジタルな表現に変換されるのか、そのプロセスを紐解いていきましょう。

目的

ESP32に接続されたMPU6050センサーからのシリアルデータ（加速度）をPythonで受信し、その値に基づいて3Dの立方体をリアルタイムに回転させます。これにより、センサーの傾きを直感的に把握できます。

使用技術スタック

Python:プログラムのメイン言語
Pygame:ウィンドウ管理、イベント処理、テキスト描画
PyOpenGL:3Dグラフィックス描画（立方体の回転）
PySerial:ESP32とのシリアル通信

システム構成

このプロジェクトは、ハードウェア（ESP32とMPU6050）とソフトウェア（PC上のPythonプログラム）が連携して動作します。以下の図は、センサーからのデータがPCに送られ、最終的に画面に描画されるまでの流れを示しています。

📡

MPU6050 on ESP32

加速度データを取得し、
シリアル信号として送信

→

💻

PC (Python)

シリアルデータを受信・解析し、
回転角度を計算

→

🖼️

OpenGL Display

計算された角度に基づき
立方体を回転描画

コード解説

プログラムはいくつかの主要な関数で構成されています。ここでは、設定部分と各関数の役割をタブ形式で詳しく見ていきます。タブをクリックして、各コードブロックとその解説を切り替えてください。

主要な設定

プログラムの動作を環境に合わせるための重要な設定項目です。特に`SERIAL_PORT`は、ご自身のPC環境に合わせて変更する必要があります。

# --- 設定 ---
# ESP32が接続されているシリアルポート名を指定
SERIAL_PORT = 'COM3'  # ★★★★★自分の環境に合わせて変更★★★★★
BAUD_RATE = 115200    # ESP32のプログラムと合わせる
WINDOW_WIDTH = 800
WINDOW_HEIGHT = 600
# --- 設定ここまで ---

`draw_cube()` - 3D立方体の描画

この関数は、OpenGLを使用して画面に色付きの立方体を描画します。頂点、辺、面を定義し、それぞれを指定された色で描画することで立体を表現します。

def draw_cube():
    vertices = ( (1,-1,-1), (1,1,-1), (-1,1,-1), (-1,-1,-1), (1,-1,1), (1,1,1), (-1,-1,1), (-1,1,1) )
    edges = ( (0,1), (0,3), (0,4), (2,1), (2,3), (2,7), (6,3), (6,4), (6,7), (5,1), (5,4), (5,7) )
    surfaces = ( (0,1,2,3), (3,2,7,6), (6,7,5,4), (4,5,1,0), (1,5,7,2), (4,0,3,6) )
    colors = ( (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (1,1,0), (0,1,1), (1,0,1) )

    glBegin(GL_QUADS)
    for i, surface in enumerate(surfaces):
        glColor3fv(colors[i])
        for vertex_index in surface:
            glVertex3fv(vertices[vertex_index])
    glEnd()

    glColor3fv((0, 0, 0))
    glLineWidth(1)
    glBegin(GL_LINES)
    for edge in edges:
        for vertex_index in edge:
            glVertex3fv(vertices[vertex_index])
    glEnd()

`draw_text()` - 2Dテキストの描画

この関数は、3D空間に2Dのテキスト（加速度データなど）を描画します。Pygameでテキスト画像を生成し、それをOpenGLのテクスチャとして貼り付けるという手法を用いています。

def draw_text(x, y, text, font):
    text_surface = font.render(text, True, (0, 0, 0, 255))
    text_data = pygame.image.tostring(text_surface, "RGBA", True)
    width, height = text_surface.get_width(), text_surface.get_height()

    glMatrixMode(GL_PROJECTION)
    glPushMatrix()
    glLoadIdentity()
    gluOrtho2D(0, WINDOW_WIDTH, 0, WINDOW_HEIGHT)
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
    # ... (描画処理) ...
    glMatrixMode(GL_PROJECTION)
    glPopMatrix()
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
    glPopMatrix()

`main()` - メイン処理

プログラム全体の流れを制御します。初期化、無限ループ内でのイベント処理、シリアルデータ読み取り、移動平均計算、そして描画処理の呼び出しを担います。

def main():
    # PygameとOpenGLの初期化
    # ...
    # シリアルポートの初期化
    # ...
    while True:
        # イベント処理 (ウィンドウを閉じるなど)
        # ...
        # シリアルデータの読み取りと平均値の計算
        try:
            # ...
        except (ValueError, UnicodeDecodeError):
            continue
        
        # --- 描画処理 ---
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glPushMatrix()
        glRotatef(-avg_x * 5, 1, 0, 0) # X軸回転
        glRotatef(-avg_y * 5, 0, 0, 1) # Z軸回転
        draw_cube()
        glPopMatrix()

        draw_text(10, 10, f"Avg X: {avg_x:.2f}", font)
        draw_text(10, 50, f"Avg Y: {avg_y:.2f}", font)

        pygame.display.flip()
        pygame.time.wait(33)

実行方法

このプログラムを実行するには、いくつかの準備が必要です。以下のステップに従って、環境を構築し、プログラムを実行してください。

ライブラリのインストール

Pythonプログラムを実行するために必要なライブラリをインストールします。ターミナルで以下のコマンドを実行してください。

pip install pygame PyOpenGL PyOpenGL_accelerate pyserial

ESP32の準備

MPU6050センサーをESP32に接続し、センサーデータをシリアルポートに出力するファームウェアを書き込みます。出力形式はカンマ区切りの文字列です。

// Arduino C++ Example
Serial.print(accelX);
Serial.print(",");
Serial.print(accelY);
Serial.print(",");
Serial.println(accelZ);

シリアルポートの確認と設定

PCのデバイスマネージャーでESP32が接続されているCOMポートを確認し、Pythonコード内の`SERIAL_PORT`変数をその値に書き換えます。

プログラムの実行

全ての準備が整ったら、ターミナルでPythonスクリプトを実行します。

python mpu6050_viewer.py

ウィンドウが表示され、MPU6050の傾きに応じて立方体が回転すれば成功です。

IZUMO Lab.

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