Accelerometre og gyroer bliver mere og mere populære i forbrugerelektronik, så måske er det på tide, at du tilføjer dem til dit projekt! Når du bladrer gennem SparkFuns sensorkategori afslører du en stor liste af disse sensorer, som måske er perfekte til dit næste projekt, hvis bare du vidste, hvad de gjorde, og hvilken sensor der passer bedst til dit projekt. Målet med denne købsguide er at få dig til at tale det samme sprog som disse sensorers datablade og hjælpe dig med at vælge den, der passer bedst til dine behov.

Accelerometre

Hvad måler et accelerometer? Jo, acceleration. Du ved … hvor hurtigt noget accelererer eller bremser ned. Du vil se acceleration vist enten i enheder af meter pr. sekund i kvadrat (m/s2) eller G-kraft (g), som er ca. 9,8 m/s2 (den nøjagtige værdi afhænger af din højde og massen af den planet, du befinder dig på).

Accelerometre bruges til at registrere både statisk (f.eks. tyngdekraften) og dynamisk (f.eks. pludselig start/stop) acceleration. En af de mere udbredte anvendelser af accelerometre er hældningsmåling. Da de påvirkes af tyngdeaccelerationen, kan et accelerometer fortælle dig, hvordan det er orienteret i forhold til jordens overflade. Apples iPhone har f.eks. et accelerometer, som giver den mulighed for at vide, om den holdes i stående eller liggende tilstand. Et accelerometer kan også bruges til at registrere bevægelse. F.eks. kan et accelerometer i Nintendos WiiMote bruges til at opfatte emulerede for- og baghåndsslag med en tennisketsjer eller rulninger med en bowlingkugle. Endelig kan et accelerometer også bruges til at registrere, om en enhed befinder sig i frit fald. Denne funktion er implementeret i flere harddiske: Hvis der registreres et fald, slukkes harddisken hurtigt for at beskytte mod tab af data.

Nu ved du, hvad de gør, så lad os se på, hvilke egenskaber du skal kigge efter, når du vælger dit accelerometer:

• Rækkevidde – Den øvre og nedre grænse for, hvad accelerometeret kan måle, kaldes også for dets rækkevidde. I de fleste tilfælde betyder et mindre fuldskalaområde et mere følsomt output; så du kan få en mere præcis aflæsning af et accelerometer med et lavt fuldskalaområde.
  Du ønsker at vælge et måleområde, der passer bedst til dit projekt; hvis dit projekt kun vil blive udsat for accelerationer mellem +2g og -2g, vil et accelerometer med et ±250g-område ikke give dig meget, hvis overhovedet nogen, præcision.
  Vi har et godt sortiment af accelerometre med maksimale intervaller, der strækker sig fra ±1g til ±250g. De fleste af vores accelerometre er indstillet til et hårdt maksimum/minimumområde, men nogle af de finere accelerometre har valgbare intervaller.
• Grænseflade – Dette er endnu en af de vigtigere specifikationer. Accelerometre har enten en analog, pulsbreddemoduleret (PWM) eller digital grænseflade.
  • Accelerometre med en analog udgang producerer en spænding, der er direkte proportional med den registrerede acceleration. Ved 0 g vil den analoge udgang normalt ligge omkring midten af den leverede spænding (f.eks. 1,65 V for en 3,3 V-sensor). Generelt er denne grænseflade den nemmeste at arbejde med, da analog-til-digital-konvertere (ADC’er) er implementeret i de fleste mikrocontrollere.
  • Accelerometre med en PWM-grænseflade vil producere en firkantet bølge med en fast frekvens, men pulsens duty cycle vil variere med den registrerede acceleration. Disse er ret sjældne; vi har kun et enkelt i vores katalog.
  • Digitale accelerometre har normalt en seriel grænseflade, hvad enten det er SPI eller I²C. Afhængigt af din erfaring kan disse være de vanskeligste at få integreret med din mikrocontroller. Når det er sagt, er digitale accelerometre populære, fordi de normalt har flere funktioner og er mindre modtagelige for støj end deres analoge modstykker.
• Antal af målte akser – Denne er meget ligetil: Ud af de tre mulige akser (x, y og z), hvor mange kan accelerometeret registrere? Tre-akse-accelerometre er normalt den rigtige løsning; de er de mest almindelige, og de er faktisk ikke dyrere end tilsvarende følsomme en- eller to-akse-accelerometre.
• Strømforbrug – Hvis dit projekt er batteridrevet, bør du overveje, hvor meget strøm accelerometeret vil forbruge. Det nødvendige strømforbrug vil normalt ligge i 100-vis af µA-området. Nogle sensorer har også sleep-funktionalitet til at spare energi, når accelerometeret ikke er nødvendigt.
• Bonusfunktioner – Mange nyere udviklede accelerometre kan have et par smarte funktioner, ud over blot at producere accelerationsdata. Disse nyere accelerometre kan indeholde funktioner som valgbare måleområder, dvalekontrol, 0-g detektion og tap sensing.

1

3

Gyros

Gyroskoper måler vinkelhastighed, hvor hurtigt noget snurrer om en akse. Hvis du forsøger at overvåge orienteringen af et objekt i bevægelse, giver et accelerometer måske ikke nok oplysninger til at vide præcis, hvordan det er orienteret. I modsætning til accelerometre påvirkes gyroer ikke af tyngdekraften, så de udgør et godt supplement til hinanden. Du vil normalt se vinkelhastighed repræsenteret i enheder af rotationer pr. minut (RPM) eller grader pr. sekund (°/s). De tre rotationsakser angives enten som x, y og z eller roll, pitch og yaw.

Tidligere er gyroer blevet anvendt til rumnavigation, missilstyring, styring under vand og flystyring. Nu begynder de at blive brugt sammen med accelerometre til applikationer som motion-capture og køretøjsnavigation.
Meget af det, der blev overvejet, da man valgte et accelerometer, gælder stadig for valg af det perfekte gyro:

• Rækkevidde – Sørg for, at den maksimale vinkelhastighed, du forventer at måle, ikke overstiger gyrosystemets maksimale rækkevidde. Men for at få den bedst mulige følsomhed skal du også sikre dig, at gyrosystemets rækkevidde ikke er meget større end det, du forventer.
• Grænseflade – Der er faktisk ikke meget forskellighed i dette afsnit. 95% af de gyroer, vi har, har en *analog *udgang. Der er et par stykker, der har en digital grænseflade – enten SPI eller I2C.
• Antal målte akser – Sammenlignet med accelerometre er gyroer lidt bagud i forhold til accelerometre. Først for nylig er der begyndt at dukke billige 3-aksede gyroer op på markedet. De fleste af vores gyroer er enten 1- eller 2-aksede. Når du vælger disse, skal du være opmærksom på, hvilken af de tre akser gyroen skal måle; f.eks. vil nogle 2-akse gyroer måle pitch og roll, mens andre måler pitch og yaw.
• Strømforbrug – Hvis dit projekt er batteridrevet, bør du måske overveje, hvor meget strøm gyroen vil forbruge. Det nødvendige strømforbrug vil normalt ligge i 100-vis af µA-området. Nogle sensorer har også sleep-funktionalitet for at spare energi, når gyroen ikke er nødvendig.
• Bonusfunktioner – Der er ikke meget i dette afsnit, der vil blæse dig omkuld. Mange gyroer har en temperaturudgang, hvilket er meget nyttigt, når du kompenserer for drift.

IMU’er

Gyroskoper og accelerometre er fantastiske, men alene giver de dig ikke helt nok oplysninger til at kunne beregne ting som orientering, position og hastighed på en komfortabel måde. For at måle disse og andre variabler kombinerer mange mennesker de to sensorer for at skabe en inertimåleenhed (IMU), som giver to til seks frihedsgrader (DOF). IMU’er anvendes i vid udstrækning i enheder, der kræver kendskab til deres nøjagtige position, f.eks. robotarme, styrede missiler og værktøjer, der anvendes til undersøgelse af kroppens bevægelser.

SparkFuns IMU’er kan egentlig opdeles i to klasser: enkle IMU-kombinationskort, som blot monterer et accelerometer og gyro på et enkelt printkort, og mere komplekse enheder, der forbinder en mikrocontroller med sensorerne for at producere et serielt output. Hvis du har kigget på de foregående afsnit, burde du vide, hvilke specifikationer du skal kigge efter i IMU’er: antallet af akser (både for accelerometeret og gyroen), sensorernes måleområde og grænsefladen.

7

Glossar over begreber

Rækkevidde: Det interval af værdier, som en enhed kan måle, er en vigtig faktor, når det skal afgøres, hvilken enhed der er egnet til dit projekt. Det er klart, at et accelerometer på 24 g ikke vil gøre dig meget gavn til at spore kroppens bevægelser, medmindre du har planer om at blive slynget ud i rummet af verdens største slangebøsse. På samme måde vil du heller ikke få mange nyttige data om f.eks. en raketaffyring, hvis dit accelerometer kun har en maksimal styrke på 1 g. Et accelerometers rækkevidde måles i g-kraft, eller et multiplum af den acceleration, der skyldes tyngdekraften på Jorden. Rækkevidden for et gyro, som måler rotationsaccelerationen, angives i rotationsgrader pr. sekund.

Interface: Den metode, hvormed du sender og modtager data mellem en styring og en enhed, kaldes grænsefladen. Der findes flere standarder, og hver standard har sine fordele og ulemper. Analoge signaler er lette at aflæse og kan måles af de fleste mikrocontrollere med meget lidt kode. Seriel kommunikation henviser i dette tilfælde til UART og kræver lidt mere behandlingsoverhead, men er i stand til at overføre flere oplysninger end analoge signaler, Seriel eller I2C er almindelige i situationer, hvor flere akser skal aflæses til en controller. I2C er en to-tråds seriel grænseflade, der gør det muligt for flere enheder at dele en bus og kommunikere med hinanden, det er også en meget almindelig mulighed blandt mikrocontrollere.

Akser: Dette henviser til antallet af retninger, i hvilke acceleration kan måles. Accelerometre måler acceleration langs de angivne akser, mens gyroer måler acceleration omkring akserne.

Strømsbehov: Dette repræsenterer den mængde strøm, som enheden typisk vil forbruge under drift, dit system bør være i stand til at levere mindst denne mængde strøm og lidt til for at undgå uregelmæssig adfærd eller brown-out-tilstande. Mange enheder har også lavt strømforbrug eller strømsparetilstande, hvor de bruger betydeligt mindre strøm. Vi har også angivet enhedens nominelle spænding for din bekvemmelighed.

Bonusfunktioner: Hver enhedsproducent har sine egne ideer om, hvilke “klokker og fløjter” der bør tilføjes til en gyro eller et accelerometer. I denne kolonne opregner vi de ekstra funktioner, der adskiller den enkelte enhed fra de andre.