Akcelerometry a gyroskopy jsou ve spotřební elektronice stále populárnější, takže je možná načase, abyste je přidali do svého projektu! Procházením kategorie snímačů na SparkFun odhalíte obrovský seznam těchto snímačů, které by mohly být ideální pro váš příští projekt, jen kdybyste věděli, co dělají a který z nich se nejlépe hodí pro váš projekt. Cílem tohoto průvodce nákupem je přimět vás mluvit stejným jazykem jako datové listy těchto snímačů a pomoci vám vybrat ten, který nejlépe vyhovuje vašim potřebám.

Akcelerometry

Co měří akcelerometr? No přece zrychlení. Víte… jak rychle se něco zrychluje nebo zpomaluje. Zrychlení se zobrazuje buď v jednotkách metrů za sekundu na druhou (m/s2), nebo v síle G (g), což je přibližně 9,8 m/s2 (přesná hodnota závisí na vaší nadmořské výšce a hmotnosti planety, na které se nacházíte).

Akcelerometry se používají ke snímání statického (např. gravitace) i dynamického (např. náhlé rozjezdy/zastavení) zrychlení. Jednou z nejrozšířenějších aplikací akcelerometrů je snímání náklonu. Protože jsou ovlivněny gravitačním zrychlením, může akcelerometr říci, jak je orientován vzhledem k zemskému povrchu. Například iPhone od společnosti Apple je vybaven akcelerometrem, který mu umožňuje zjistit, zda je držen na výšku nebo na šířku. Akcelerometr lze použít také ke snímání pohybu. Například akcelerometr v ovladači WiiMote od společnosti Nintendo lze použít ke snímání emulovaných předních a zadních úderů tenisové rakety nebo hodů bowlingové koule. A konečně, akcelerometr lze použít také ke snímání, zda je zařízení ve stavu volného pádu. Tato funkce je implementována v několika pevných discích: pokud je detekován pád, pevný disk se rychle vypne, aby byl chráněn před ztrátou dat.

Teď, když víte, k čemu slouží, se zamysleme nad tím, jaké vlastnosti byste měli při výběru akcelerometru hledat:

• Rozsah – Horní a dolní hranice toho, co akcelerometr dokáže měřit, se také nazývá jeho rozsah. Ve většině případů znamená menší rozsah v plném rozsahu citlivější výstup; takže z akcelerometru s malým rozsahem v plném rozsahu můžete získat přesnější údaje.
  Chcete vybrat rozsah snímání, který bude nejlépe vyhovovat vašemu projektu; pokud bude váš projekt vystaven pouze zrychlení v rozmezí +2 g až -2 g, akcelerometr s rozsahem ±250 g vám neposkytne velkou přesnost, pokud vůbec nějakou.
  Máme dobrý sortiment akcelerometrů s maximálními rozsahy od ±1g do ±250g. Většina našich akcelerometrů je nastavena na pevný maximální/minimální rozsah, nicméně některé fanouškovské akcelerometry mají volitelné rozsahy.
• Rozhraní – Toto je další z důležitějších specifikací. Akcelerometry budou mít buď analogové, pulzně šířkově modulované (PWM), nebo digitální rozhraní.
  • Akcelerometry s analogovým výstupem budou produkovat napětí, které je přímo úměrné snímanému zrychlení. Při 0 g se analogový výstup obvykle nachází přibližně uprostřed dodávaného napětí (např. 1,65 V u 3,3V snímače). S tímto rozhraním se obecně pracuje nejsnáze, protože analogově-digitální převodníky (ADC) jsou implementovány ve většině mikrokontrolérů.
  • Akcelerometry s rozhraním PWM budou produkovat čtvercovou vlnu s pevnou frekvencí, ale pracovní cyklus impulsu se bude měnit podle snímaného zrychlení. Ty jsou poměrně vzácné; v našem katalogu máme pouze jeden.
  • Digitální akcelerometry mají obvykle sériové rozhraní, ať už SPI nebo I²C. V závislosti na vašich zkušenostech může být jejich integrace s mikrokontrolérem nejobtížnější. Přesto jsou digitální akcelerometry oblíbené, protože mají obvykle více funkcí a jsou méně náchylné na šum než jejich analogové protějšky.
• Počet měřených os – Tohle je velmi jednoduché: Kolik ze tří možných os (x, y a z) dokáže akcelerometr snímat? Tříosé akcelerometry jsou obvykle tou správnou cestou; jsou nejběžnější a ve skutečnosti nejsou dražší než stejně citlivé jednoosé nebo dvouosé akcelerometry.
• Spotřeba energie – Pokud je váš projekt napájen z baterií, možná byste měli zvážit, kolik energie bude akcelerometr spotřebovávat. Požadovaný odběr proudu se obvykle bude pohybovat v řádu stovek µA. Některé snímače jsou také vybaveny funkcí spánku, která šetří energii, když akcelerometr není potřeba.
• Bonusové funkce – Mnoho nověji vyvinutých akcelerometrů může mít několik šikovných funkcí, kromě pouhého vytváření údajů o zrychlení. Tyto novější akcelerometry mohou obsahovat funkce, jako jsou volitelné rozsahy měření, řízení spánku, detekce 0 g a snímání poklepu.

Gyros

Gyroskopy měří úhlovou rychlost, tedy jak rychle se něco točí kolem osy. Pokud se snažíte sledovat orientaci objektu v pohybu, akcelerometr vám nemusí poskytnout dostatek informací, abyste přesně věděli, jak je orientován. Na rozdíl od akcelerometrů gyroskopy nejsou ovlivněny gravitací, takže se navzájem skvěle doplňují. Obvykle se setkáte s úhlovou rychlostí vyjádřenou v jednotkách otáček za minutu (RPM) nebo stupňů za sekundu (°/s). Tři osy otáčení se označují buď jako x, y a z, nebo jako náklon, sklon a vychýlení.

V minulosti se gyroskopy používaly pro vesmírnou navigaci, řízení raket, navádění pod vodou a řízení letu. Nyní se začínají používat spolu s akcelerometry pro aplikace, jako je zachycení pohybu a navigace vozidel.
Mnoho z toho, co bylo zvažováno při výběru akcelerometru, platí i pro výběr ideálního gyroskopu:

• Dosah – Ujistěte se, že maximální úhlová rychlost, kterou očekáváte, že budete měřit, nepřesahuje maximální dosah gyroskopu. Ale také, abyste získali co nejlepší citlivost, ujistěte se, že rozsah gyroskopu není o mnoho větší, než očekáváte.
• Rozhraní – V této části vlastně není velká rozmanitost, 95 % gyroskopů, které máme, je vybaveno *analogovým *výstupem. Existuje několik, které mají digitální rozhraní – buď SPI, nebo I2C.
• Počet měřených os – Ve srovnání s akcelerometry jsou gyroskopy trochu pozadu. Teprve nedávno se na trhu začaly objevovat levné tříosé gyroskopy. Většina našich gyroskopů je buď jednoosá, nebo dvouosá. Při jejich výběru je třeba věnovat pozornost tomu, kterou ze tří os bude gyroskop měřit; například některé dvouosé gyroskopy měří náklon a sklon, zatímco jiné měří sklon a odklon.
• Spotřeba energie – Pokud je váš projekt napájen z baterie, možná byste měli zvážit, kolik energie bude gyroskop spotřebovávat. Požadovaný odběr proudu se obvykle bude pohybovat v řádu stovek µA. Některé snímače jsou také vybaveny funkcí spánku, která šetří energii, když gyroskop není potřeba.
• Bonusové funkce – V této části vás toho moc neohromí. Mnoho gyroskopů má teplotní výstup, který je velmi užitečný při kompenzaci driftu.

IMU

Gyroskopy a akcelerometry jsou skvělé, ale samy o sobě neposkytují dostatek informací, abyste mohli pohodlně vypočítat věci, jako je orientace, poloha a rychlost. Pro měření těchto a dalších veličin mnoho lidí kombinuje oba snímače a vytváří inerciální měřicí jednotku (IMU), která poskytuje dva až šest stupňů volnosti (DOF). IMU se široce používají v zařízeních, která vyžadují znalost své přesné polohy, například v robotických ramenech, řízených střelách a nástrojích používaných při studiu pohybu těles.

IMU od společnosti SparkFun lze ve skutečnosti rozdělit do dvou tříd: jednoduché kombinované desky IMU, které pouze osazují akcelerometr a gyroskop na jednu desku plošných spojů, a složitější jednotky, které propojují mikrokontrolér se snímači a vytvářejí sériový výstup. Pokud jste si prošli předchozí části, měli byste vědět, jaké specifikace je třeba u IMU hledat: počet os (pro akcelerometr i gyroskop), měřicí rozsah snímačů a rozhraní.

Slovníček pojmů

Rozsah: Rozsah hodnot, které je přístroj schopen měřit, je důležitým faktorem při rozhodování, který je vhodný pro váš projekt. Je zřejmé, že akcelerometr o hmotnosti 24 g vám pro sledování pohybu těla příliš nepomůže, pokud nemáte v plánu nechat se vymrštit do vesmíru největším prakem na světě. Stejně tak, pokud váš akcelerometr dosáhne maximální hodnoty 1 g, nezískáte příliš užitečných údajů například při startu rakety. Rozsah akcelerometru se měří v g-síle neboli v násobcích gravitačního zrychlení na Zemi. Rozsah gyroskopu, který měří rotační zrychlení, se udává ve stupních otáčení za sekundu.

Rozhraní: Metoda, kterou se odesílají a přijímají data mezi řídicí jednotkou a zařízením, se nazývá rozhraní. Existuje několik standardů a každý z nich má své výhody a nevýhody. Analogové signály se snadno čtou a většina mikrokontrolérů je může měřit s velmi malým množstvím kódu. Sériová komunikace se v tomto případě týká UART a vyžaduje o něco větší režii zpracování, ale je schopna přenášet více informací než analogové signály, Sériová komunikace nebo I2C jsou běžné v situacích, kdy je třeba do řídicí jednotky načíst údaje z více os. I2C je dvouvodičové sériové rozhraní, které umožňuje několika zařízením sdílet sběrnici a komunikovat mezi sebou, je to také velmi rozšířená schopnost mezi mikrokontroléry.

Osi: Jedná se o počet směrů, ve kterých lze měřit zrychlení. Akcelerometry měří zrychlení podél zadaných os, zatímco gyroskopy měří zrychlení kolem os.

Potřeba energie: Váš systém by měl být schopen dodávat alespoň toto množství proudu, aby nedocházelo k nevyzpytatelnému chování nebo výpadkům proudu. Mnoho zařízení má také režimy nízké spotřeby nebo úspory energie, ve kterých budou spotřebovávat podstatně méně energie. Pro vaše pohodlí uvádíme také jmenovité napětí zařízení.

Bonusové funkce: Každý výrobce zařízení má vlastní představu o tom, jaké „zvonky a píšťalky“ by měly být přidány k gyroskopu nebo akcelerometru. V tomto sloupci uvádíme tyto přídavné funkce, které každé zařízení odlišují od ostatních.