ずれを差し引く ―
BNO055 のキャリブレーション

ジャイロは角速度を足して角度にします。足すから、わずかな偏りが消えずに積み上がっていきます。どのくらいずれるのかを測り、センサー自身に差し引かせるまでをまとめます。

この記事は、ジャイロセンサー BNO055 の続きです。あちらで角度が読めるようになったところから始めます。

読めた角度は、そのままでは信用できません。置いたまま放っておいても、少しずつずれていきます。まず、その理由から見ます。

なぜずれるのか ― 0.1度の偏りが、1分で6度になる

ジャイロを机に置いて、まったく動かさずに値を読んでみます。きれいに 0 が並ぶとはかぎりません。0.05 とか −0.12 とか、小さな値が出続けることがあります。

この「止まっているのに出てしまう値」をバイアス（偏り）といいます。製造上のばらつきや温度で生じるもので、大きさに差はあっても、たいていのジャイロが持っています。

BNO055 のように、これを自分で測って引いてくれるセンサーもあります。その場合、机に置いているあいだはほとんど動きません。とはいえ、引ききれなかったぶんは残ります。

問題は、さきほどの足し算がこれを足し続けることです。

センサーとしては 0.1 度／秒はごく小さな誤差です。しかし積分すると、10分で60度になります。ロボットは「まっすぐ進んでいる」と信じたまま、違う方向を向いていきます。

これがドリフトです。ジャイロの弱点は精度の低さではなく、誤差が消えずに積み上がることにあります。

測ってみた ― 静止で 0.03度／分

2026年10月30日、ブレッドボードに組んだ BNO055 を IMUPLUS で毎秒50回読み、静止している区間を抜き出しました。

1分で 0.05度未満。50cm先の的で 0.4mm です。ほかに測れたのは次の2つです。

ずれていく様子を目で見たいときは、角度を針で表すと一目でわかります。作り方は Processing のはじめ方 にあります。

ずれへの対応

ずれを小さくする方法は、いくつか知られています。どれを使うかはチームによって違います。

サッカーでは、地磁気を使わない IMUPLUS を選ぶチームが多くあります。モーターがセンサーのすぐ近くにあるからです。

そして、ずれは完全には消せません。得点のあとのリスタートでロボットを置き直せば、そこで 0 に取り直せます。けれども試合が流れているあいだは、向きを外から教える手段がありません。

ハーフは10分です。「その10分でどれだけずれるか」が、使えるかどうかを決めます。

キャリブレーション ― センサーのずれを測って差し引く

キャリブレーションは、さきほどのバイアスを測って差し引く作業です。バイアスの大きさは1個ずつ違ううえ、温度でも変わります。だから、工場であらかじめ決めておくことができません。使う場所で、そのつど測ります。

BNO055 は、この測定を動かしているあいだ、ずっと自分で続けています。データシートには「自動キャリブレーションは背景で動いており、止めることはできない」と書かれています。前の項の「止まっているあいだにバイアスを測って引く」を、センサーが自分でやっているということです。

いまどこまで合ったかは、センサー自身が教えてくれます。空の変数を4つ渡すと、そこに書き込んで返してきます。

uint8_t sys, gyro, accel, mag;
bno.getCalibration(&sys, &gyro, &accel, &mag);

センサーが入れてくるのは、0 から 3 の4段階です。0 はまだ合っておらず、3 で合った状態。ジャイロ・加速度・地磁気それぞれと、全体の目安で4つです。

IMUPLUS では mag は 0 のままです。地磁気を使わないモードなので、合っていなくて構いません。故障ではありません。

ここで区別しておくことがあります。モーターの磁気の影響は、キャリブレーションでは直りません。あれはセンサーのずれではなく、まわりの環境だからです。そちらは前の項のとおり、地磁気を使わない IMUPLUS を選んで避けます。

つまずいた話 ― 6方向を正確に置くと、かえって上がらない

最初、私たちは上下左右前後の6方向をきちんと置いていました。それでは accel は一度も動きませんでした。

疑わしいものを順に潰しました。

そのあいだ gyro は数秒で 3 になり、mag も 0 から 3 まで上がりきりました。センサーの計算そのものは動いています。加速度の欄だけが反応しません。

答えはログの中にありました。accel が初めて 1 に上がった瞬間の読みを調べると、それは6方向のどれでもありませんでした。

X-6.49  Y0.07  Z-7.26   ← ここで A0 → A1

X と Z の両方に重力が乗った、約42度の斜めの姿勢です。うまくいった日は、本に立てかけて手探りだったために、斜めの姿勢が偶然入っていました。きちんと6方向に置くようになってから、失敗するようになったのです。

メーカーの解説動画にも、「少なくとも1軸を中心に、45度ずつ回す」と書かれていました。6方向だけ、という手順はどこにもありません。

何軸まわせばよいか ― 測って決めた

1軸で足りるのか、2軸要るのか。実際に比べました。良し悪しは、重力の大きさで測れます。正しく合っていれば、どの向きに置いても 9.807 になるはずです。

1軸でも accel は 3 になります。ただし、そこには穴があります。

1本の軸を中心に回すと、その軸自身には重力が一度も乗りません。私たちの試験では Y 軸が回転軸になり、Y の値は −1.05 〜 1.62 の範囲にしか振れませんでした。それでも 3 になったのは、この基板の Y のくせがもともと小さかったからです。くせの大きい基板なら、見逃します。

2軸やれば、3つの軸すべてに重力が乗ります。かかる時間は1分増えるだけです。

もうひとつ。取れる数字は、やり直すたびにかなり変わります。

幅にすると 0.1 m/s² ほど。数字そのものを見ても、合っているかは分かりません。重力の大きさが 9.807 にどれだけ近いかで見るほうが確実です。

合わせるプログラム ― 全文

集まった向きの数を数えるプログラムです。そのまま書き込めます。配線は ジャイロセンサーの記事のとおりで、ライブラリも同じ2つです。

6姿勢のチェックリストは持っていません。前に集めた向きから30度以上離れていれば「別の向き」として数えます。12通り集めるのを目安にしています。

A も G も 3 になると、貼り付け用の数字が自動で出ます。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BNO055.h>

// アドレスは基板によって違う。2つ用意して、見つかったほうを使う
Adafruit_BNO055 bno29(55, 0x29, &Wire);
Adafruit_BNO055 bno28(55, 0x28, &Wire);
Adafruit_BNO055* bno = nullptr;

const int   TARGET_DIRS = 12;    // これだけ集めれば、たいてい A は 3 になる
const float MIN_SEP_DEG = 30.0;  // 前に集めた向きから、これだけ離れていれば別の向き
const float STILL_TOL   = 0.30;  // 前回の読みとの差がこれ未満なら静止
const unsigned long STILL_MS = 3000;   // 3秒静止で1つぶん

const int MAX_DIRS = 24;
float dirs[MAX_DIRS][3];         // 集めた向き（長さ1にそろえたもの）
int   nDirs = 0;

unsigned long stillStart = 0;
float prevX = 0, prevY = 0, prevZ = 0;
bool  counted = false;           // いまの静止で、もう数えたか
bool  dumped = false;
bool  paused = false;            // 数字を出したあとは表示を止める

// この向きは、まだ集めていない向きか
int whichSlot(float x, float y, float z) {
  float n = sqrtf(x * x + y * y + z * z);
  if (n < 5.0) return -1;                   // 重力が乗っていない。落下中など
  float u[3] = { x / n, y / n, z / n };

  const float limit = cosf(MIN_SEP_DEG * 3.14159265f / 180.0f);
  for (int i = 0; i < nDirs; i++) {
    float dot = u[0] * dirs[i][0] + u[1] * dirs[i][1] + u[2] * dirs[i][2];
    if (dot > limit) return -1;             // 前のどれかと近すぎる
  }
  if (nDirs >= MAX_DIRS) return -1;

  dirs[nDirs][0] = u[0];
  dirs[nDirs][1] = u[1];
  dirs[nDirs][2] = u[2];
  return nDirs++;
}

// 合わせ終わった値を、貼り付けられる形で出す
// 出せたら true。出したあとは表示を止める（でないと流れて読めない）
bool dumpOffsets() {
  uint8_t sys, gy, ac, mg;
  bno->getCalibration(&sys, &gy, &ac, &mg);

  adafruit_bno055_offsets_t o;
  if (!bno->getSensorOffsets(o)) {
    Serial.print("\nまだ読み出せません。いま A");
    Serial.print(ac); Serial.print(" G"); Serial.println(gy);
    Serial.println("A と G の両方が 3 になる必要があります。");
    return false;
  }

  Serial.println("\n---- ここから下を bno_offsets.h に貼る ----");
  Serial.print("// 温度 "); Serial.print(bno->getTemp()); Serial.println("C");
  Serial.println("static const adafruit_bno055_offsets_t BNO_OFFSETS = {");
  Serial.print("  ");
  Serial.print(o.accel_offset_x); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.accel_offset_y); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.accel_offset_z); Serial.println(",   // 加速度 X Y Z");
  Serial.print("  ");
  Serial.print(o.mag_offset_x); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.mag_offset_y); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.mag_offset_z); Serial.println(",   // 磁気 X Y Z");
  Serial.print("  ");
  Serial.print(o.gyro_offset_x); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.gyro_offset_y); Serial.print(", ");
  Serial.print(o.gyro_offset_z); Serial.println(",   // ジャイロ X Y Z");
  Serial.print("  "); Serial.print(o.accel_radius); Serial.println(",");
  Serial.print("  "); Serial.print(o.mag_radius);   Serial.println("");
  Serial.println("};");
  Serial.println("------------------------------------------");
  Serial.println("表示を止めました。続けるときは r を送ってください。");
  return true;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.setSDA(4);
  Wire.setSCL(5);
  Wire.begin();
  delay(2000);

  if      (bno29.begin(OPERATION_MODE_IMUPLUS)) bno = &bno29;
  else if (bno28.begin(OPERATION_MODE_IMUPLUS)) bno = &bno28;

  // 見つからないときは、黙らずに言い続ける
  if (bno == nullptr) {
    while (true) {
      Serial.println("BNO055 not found. check 3V3 / GND / SDA / SCL");
      delay(1000);
    }
  }

  delay(1000);
  Serial.println("\n基板の1辺を軸にして、45度ずつ転がしてください。");
  Serial.println("1姿勢5秒。一周したら90度持ち替えて、別の辺を軸にもう一周。");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == 'd') paused = dumpOffsets();   // 出せたら表示を止める
    if (c == 'r') {
      nDirs = 0;
      dumped = false;
      paused = false;
      Serial.println("\n>>> 集めた向きを捨てて、やり直します");
    }
  }

  imu::Vector<3> a = bno->getVector(Adafruit_BNO055::VECTOR_ACCELEROMETER);
  float x = a.x(), y = a.y(), z = a.z();

  // 止まっているか。前回の読みとの差で見る
  bool still = (fabs(x - prevX) < STILL_TOL &&
                fabs(y - prevY) < STILL_TOL &&
                fabs(z - prevZ) < STILL_TOL);
  prevX = x; prevY = y; prevZ = z;

  if (!still) {
    stillStart = millis();
    counted = false;
  } else if (!counted && millis() - stillStart >= STILL_MS) {
    counted = true;                          // この静止では一度だけ数える
    if (whichSlot(x, y, z) >= 0) {
      Serial.print("\n>>> ");
      Serial.print(nDirs);
      Serial.print(" / ");
      Serial.print(TARGET_DIRS);
      Serial.println(" 通りめ の向きを数えました");
    }
  }

  // --- 表示 ---
  // ふだんは1行だけ。8行も出すと、出た数字がすぐ上へ流れて読めなくなる。
  static unsigned long lastPrint = 0;
  if (!paused && millis() - lastPrint >= 500) {
    lastPrint = millis();

    uint8_t sys, gy, ac, mg;
    bno->getCalibration(&sys, &gy, &ac, &mg);

    Serial.print("X");    Serial.print(x, 2);
    Serial.print(" Y");   Serial.print(y, 2);
    Serial.print(" Z");   Serial.print(z, 2);
    Serial.print("  A");  Serial.print(ac);
    Serial.print(" G");   Serial.print(gy);
    Serial.print("  向き "); Serial.print(nDirs);
    Serial.print("/");       Serial.print(TARGET_DIRS);
    if (still && !counted) {
      Serial.print("   静止 ");
      Serial.print((millis() - stillStart) / 1000.0, 1);
      Serial.print(" / 3.0 秒");
    }
    Serial.println();

    // A と G がそろったら、一度だけ自動で出す
    if (!dumped && ac >= 3 && gy >= 3) {
      dumped = true;
      paused = dumpOffsets();
    }

    // 向きは十分なのに A が上がらないときは、10秒ごとに助言する
    static unsigned long lastHint = 0;
    if (nDirs >= TARGET_DIRS && ac < 3 && millis() - lastHint >= 10000) {
      lastHint = millis();
      Serial.println();
      Serial.print("向きは ");
      Serial.print(nDirs);
      Serial.println(" 通り集まりましたが、A がまだ上がりません。");
      Serial.println("  もう1軸ぶん、持ち替えて転がしてみてください。");
      Serial.println("  肘を机につけて持つと、揺れが収まります。");
      Serial.println();
    }
  }

  delay(20);
}

読むところは3つです。

手で持ったままで構いません。実測すると、手持ちの揺れは半分の時間が 0.04 m/s² 以下でした。STILL_TOL の 0.30 には十分おさまります。肘を机につけて持つと、さらに安定します。

なぜ3秒も止めるのか。センサーの中の計算が、その姿勢を1点として受け入れるまでに時間がかかるためです。

なぜ30度で区切るのか。45度ずつ回すつもりでも、手でやれば30度や60度になります。30度にしておけば、45度のつもりの姿勢はほぼ別物として数えられ、同じ向きへの置き直しは数えられません。

画面の見かた ― 数字が出るまで

書き込んだら、シリアルモニタを 115200bps で開きます。0.5秒ごとに、いまの状態が流れ続けます。

X-2.52 Y-0.04 Z9.48  A1 G3  向き 4/12
X-2.54 Y-0.02 Z9.50  A1 G3  向き 4/12   静止 1.5 / 3.0 秒
X-2.53 Y-0.03 Z9.49  A1 G3  向き 4/12   静止 2.0 / 3.0 秒

ふだんは1行だけです。何行も出すと、せっかく出た数字がすぐ上へ流れてしまいます。

向きが1つ増えるたびに、こう出ます。

>>> 5 / 12 通りめ の向きを数えました

6つそろって A も G も 3 になった瞬間、貼り付け用の数字が流れます。こちらから何もしなくても出ます。

---- ここから下を bno_offsets.h に貼る ----
// 温度 27C
static const adafruit_bno055_offsets_t BNO_OFFSETS = {
  -15, 6, 28,   // 加速度 X Y Z
  0, 0, 0,   // 磁気 X Y Z
  -2, 1, -2,   // ジャイロ X Y Z
  1000,
  480
};
------------------------------------------

数字を出したら、0.5秒ごとの表示は止まります。止めないと、せっかく出た数字がすぐ上へ流れて読めません。

表示を止めました。続けるときは r を送ってください。

この数字をコピーして、次の項のとおりソースコードに貼ります。

向きが12通り集まっても A が上がらないことがあります。そのときは10秒ごとにこう出ます。

向きは 12 通り集まりましたが、A がまだ上がりません。
  もう1軸ぶん、持ち替えて転がしてみてください。
  肘を机につけて持つと、揺れが収まります。

d と r は、シリアルモニタの送信欄に打って送ります。Arduino IDE なら上の入力欄、PlatformIO ならそのままキーを押します。自動で出るのを待たずに d を送ると、いま何が足りないかを教えてくれます。

まだ読み出せません。いま A1 G3
A と G の両方が 3 になる必要があります。

合わせた値を、保存して使い回す

測った値は、電源を切ると消えます。試合前に毎回ぐるぐる回して合わせ直す方法もありますが、うまく合ったかどうかが、そのときによって変わります。

そこで、一度しっかり合わせた値をソースコードに書いておきます。Pico のフラッシュは電源を切っても消えないので、ソースコードそのものが保存場所になります。なお、データシートやライブラリでは、このバイアスのことを オフセット（offset）と呼びます。

作業は3つに分かれます。①と③は別のプログラムです。変数は電源を切れば消えるので、1本のプログラムではつながりません。

① 合わせる用のプログラムで、値を画面に出す。全部 3 になってから bno.getSensorOffsets(offsets); を呼び、Serial.print で表示します。

② 出た数字を、ソースコードに貼る。私たちは bno_offsets.h というファイルを作って、ここに置いています。

// この基板の実測値（2026-11-01・2軸スイープ・温度 26度）
static const adafruit_bno055_offsets_t BNO_OFFSETS = {
  -15, 6, 28,     // 加速度 X Y Z
  0, 0, 0,        // 磁気 X Y Z    IMUPLUS では未使用
  -2, 1, -2,      // ジャイロ X Y Z
  1000,           // accel_radius
  480             // mag_radius
};

この数字は、この1枚の基板だけのものです。別の基板に書いても合いません。基板を替えたら取り直します。基板に番号を書いておくと取り違えません。

③ ロボットのプログラムで、起動時に書き戻す。bno.setSensorOffsets(BNO_OFFSETS); の1行です。これで電源を入れた直後から合った状態で始められます。

書き戻すときは、いったん設定モードに入る必要があります。Adafruit のライブラリは中でやってくれますが、自分でレジスタを書く場合は忘れないようにします。

ただし、ジャイロのぶんは当てにしません。ジャイロの偏りは温度で変わります。起動のたびに、gyro が 3 になるまで置いたまま待ちます。実測で3〜12秒です。焼き込んだ値は、そこまでの出発点にすぎません。

動かないときに見るところ ― 症状から原因を引く

この表の症状は、ひととおり実際に出たものです。

配線やアドレスにかかわる症状は、ジャイロセンサーの記事にまとめてあります。