Accelerometri e giroscopi stanno diventando sempre più popolari nell’elettronica di consumo, quindi forse è il momento di aggiungerli al tuo progetto! Scorrere la categoria dei sensori di SparkFun rivela una lista enorme di questi sensori che potrebbero essere perfetti per il tuo prossimo progetto, se solo sapessi cosa fanno, e quale si adatta meglio al tuo progetto. L’obiettivo di questa guida all’acquisto è di farti parlare la stessa lingua delle schede tecniche di questi sensori e di aiutarti a scegliere quello più adatto alle tue esigenze.

Accelerometri

Cosa misura un accelerometro? Beh, l’accelerazione. Sai… quanto velocemente qualcosa sta accelerando o rallentando. Vedrai l’accelerazione visualizzata in unità di metri al secondo quadrato (m/s2), o forza G (g), che è circa 9,8m/s2 (il valore esatto dipende dalla tua elevazione e dalla massa del pianeta su cui ti trovi).

Gli accelerometri sono utilizzati per rilevare sia l’accelerazione statica (ad esempio la gravità) che quella dinamica (ad esempio partenze/arresti improvvisi). Una delle applicazioni più usate per gli accelerometri è il rilevamento dell’inclinazione. Poiché sono influenzati dall’accelerazione di gravità, un accelerometro può dirti come è orientato rispetto alla superficie terrestre. Per esempio, l’iPhone di Apple ha un accelerometro che gli permette di sapere se è tenuto in modalità verticale o orizzontale. Un accelerometro può anche essere usato per rilevare il movimento. Per esempio, un accelerometro nel WiiMote di Nintendo può essere usato per percepire i dritti e i rovesci emulati di una racchetta da tennis, o i rotolamenti di una palla da bowling. Infine, un accelerometro può anche essere usato per sentire se un dispositivo è in uno stato di caduta libera. Questa caratteristica è implementata in diversi dischi rigidi: se viene rilevata una caduta, il disco rigido si spegne rapidamente per proteggere dalla perdita di dati.

Ora che sai cosa fanno, consideriamo quali caratteristiche dovresti cercare quando scegli il tuo accelerometro:

• Range – Il limite superiore e inferiore di ciò che l’accelerometro può misurare è noto anche come range. Nella maggior parte dei casi, un range di fondo scala più piccolo significa un’uscita più sensibile; così si può ottenere una lettura più precisa da un accelerometro con un range di fondo scala basso.
  Vuoi selezionare un range di rilevamento che si adatta meglio al tuo progetto, se il tuo progetto sarà sottoposto solo ad accelerazioni tra +2g e -2g, un accelerometro con range di ±250g non ti darà molta, se non nessuna, precisione.
  Abbiamo un buon assortimento di accelerometri, con gamme massime che vanno da ±1g a ±250g. La maggior parte dei nostri accelerometri sono impostati su una gamma massima/minima rigida, tuttavia alcuni degli accelerometri più sofisticati dispongono di gamme selezionabili.
• Interfaccia – Questa è un’altra delle specifiche più importanti. Gli accelerometri avranno un’interfaccia analogica, modulata a larghezza di impulso (PWM) o digitale.
  • Gli accelerometri con un’uscita analogica produrranno una tensione che è direttamente proporzionale all’accelerazione rilevata. A 0g, l’uscita analogica risiederà di solito a circa la metà della tensione fornita (ad esempio 1,65V per un sensore a 3,3V). Generalmente questa interfaccia è la più facile da usare, poiché i convertitori analogico-digitali (ADC) sono implementati nella maggior parte dei microcontrollori.
  • Gli accelerometri con un’interfaccia PWM produrranno un’onda quadra con una frequenza fissa, ma il duty cycle dell’impulso varierà con l’accelerazione rilevata. Questi sono piuttosto rari; ne abbiamo solo uno nel nostro catalogo.
  • Gli accelerometri digitali di solito hanno un’interfaccia seriale che sia SPI o I²C. A seconda della vostra esperienza, questi possono essere i più difficili da integrare con il vostro microcontrollore. Detto questo, gli accelerometri digitali sono popolari perché di solito hanno più caratteristiche e sono meno suscettibili al rumore rispetto alle loro controparti analogiche.
• Numero di assi misurati – Questo è molto semplice: dei tre assi possibili (x, y e z), quanti ne può rilevare l’accelerometro? Gli accelerometri a tre assi sono di solito la strada da percorrere; sono i più comuni e non sono davvero più costosi degli accelerometri a uno o due assi con sensibilità equivalente.
• Consumo di energia – Se il tuo progetto è alimentato a batteria, potresti voler considerare quanta energia consumerà l’accelerometro. Il consumo di corrente richiesto sarà solitamente nell’ordine dei 100 µA. Alcuni sensori sono anche dotati di funzionalità di sospensione per risparmiare energia quando l’accelerometro non è necessario.
• Caratteristiche bonus – Molti accelerometri di recente sviluppo possono avere alcune caratteristiche interessanti, oltre alla semplice produzione di dati di accelerazione. Questi accelerometri più recenti possono includere caratteristiche come intervalli di misurazione selezionabili, controllo del sonno, rilevamento di 0-g e rilevamento del rubinetto.

Gyros

Igiroscopi misurano la velocità angolare, quanto velocemente qualcosa sta girando intorno a un asse. Se stai cercando di monitorare l’orientamento di un oggetto in movimento, un accelerometro potrebbe non darti abbastanza informazioni per sapere esattamente come è orientato. A differenza degli accelerometri, i giroscopi non sono influenzati dalla gravità, quindi sono un ottimo complemento. Di solito vedrai la velocità angolare rappresentata in unità di giri al minuto (RPM), o gradi al secondo (°/s). I tre assi di rotazione sono indicati come x, y e z, o roll, pitch e yaw.

In passato, i giroscopi sono stati usati per la navigazione spaziale, il controllo dei missili, la guida sott’acqua e la guida del volo. Ora stanno iniziando ad essere usati insieme agli accelerometri per applicazioni come la cattura del movimento e la navigazione dei veicoli.
Molto di ciò che è stato considerato nella scelta di un accelerometro si applica ancora alla scelta del giroscopio perfetto:

• Range – Assicuratevi che la massima velocità angolare che vi aspettate di misurare non superi il range massimo del giroscopio. Ma anche, al fine di ottenere la migliore sensibilità possibile, assicuratevi che il range del vostro giroscopio non sia molto più grande di quello che vi aspettate.
• Interfaccia – In realtà non c’è molta diversità in questa sezione, il 95% dei giroscopi che abbiamo hanno un’uscita *analogica *. Ce ne sono alcuni che hanno un’interfaccia digitale – SPI o I2C.
• Numero di assi misurati – Rispetto agli accelerometri, i giroscopi sono un po’ indietro. Solo recentemente sono apparsi sul mercato giroscopi economici a 3 assi. La maggior parte dei nostri giroscopi sono a 1 o 2 assi. Quando si selezionano quelli, è necessario prestare attenzione a quale dei tre assi il giroscopio misurerà; per esempio, alcuni giroscopi a due assi misureranno passo e rollio, mentre altri misureranno passo e imbardata.
• Consumo di energia – Se il vostro progetto è alimentato a batteria, si potrebbe voler considerare quanta potenza il giroscopio consumerà. Il consumo di corrente richiesto sarà di solito nell’ordine dei 100 µA. Alcuni sensori dispongono anche di funzionalità di sospensione per risparmiare energia quando il giroscopio non è necessario.
• Caratteristiche bonus – Non c’è molto in questa sezione che ti lascerà a bocca aperta. Molti giroscopi dispongono di un’uscita di temperatura, che è molto utile quando si compensa la deriva.

IMU

Giroscopi e accelerometri sono ottimi, ma da soli non danno abbastanza informazioni per poter calcolare comodamente cose come orientamento, posizione e velocità. Per misurare queste e altre variabili molte persone combinano i due sensori, per creare un’unità di misura inerziale (IMU) che fornisce da due a sei gradi di libertà (DOF). Le IMU sono ampiamente utilizzate in dispositivi che richiedono la conoscenza della loro esatta posizione, per esempio bracci robotici, missili guidati e strumenti utilizzati nello studio del movimento del corpo.

Le IMU di SparkFun possono essere davvero suddivise in due classi: semplici schede combo IMU, che montano semplicemente un accelerometro e un giroscopio su un singolo PCB, e unità più complesse che interfacciano un microcontroller con i sensori per produrre un’uscita seriale. Se avete dato un’occhiata alle sezioni precedenti, dovreste sapere che tipo di specifiche cercare nelle IMU: il numero di assi (sia per l’accelerometro che per il giroscopio), il campo di misura dei sensori e l’interfaccia.

Lossario dei termini

Range: La gamma di valori che un dispositivo è in grado di misurare è un fattore importante per decidere quale sia appropriato per il vostro progetto. Ovviamente un accelerometro da 24 g non vi servirà a molto per tracciare il movimento del corpo, a meno che non abbiate intenzione di essere scagliati nello spazio dalla fionda più grande del mondo. Allo stesso modo, se il vostro accelerometro arriva al massimo a 1g allora non otterrete molti dati utili, per esempio, sul lancio di un razzo. La portata di un accelerometro si misura in g-force, o multipli dell’accelerazione dovuta alla gravità sulla Terra. La portata di un giroscopio, che misura l’accelerazione rotazionale, è data in gradi di rotazione al secondo.

Interfaccia: Il metodo con cui si inviano e ricevono dati tra un controller e un dispositivo è chiamato interfaccia. Ci sono diversi standard disponibili e ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi. I segnali analogici sono facili da leggere e possono essere misurati dalla maggior parte dei microcontrollori con pochissimo codice. La comunicazione seriale in questo caso si riferisce a UART e richiede un po’ più di elaborazione ma è in grado di trasportare più informazioni rispetto ai segnali analogici, la seriale o I2C sono comuni in situazioni in cui più assi devono essere letti da un controllore. I2C è un’interfaccia seriale a due fili che permette a diversi dispositivi di condividere un bus e comunicare tra loro, è anche una capacità molto comune tra i microcontrollori.

Assi: Si riferisce al numero di direzioni in cui l’accelerazione può essere misurata. Gli accelerometri misurano l’accelerazione lungo gli assi specificati, mentre i giroscopi misurano l’accelerazione intorno agli assi.

Richiesta di potenza: Questo rappresenta la quantità di energia che il dispositivo consumerà tipicamente durante il funzionamento, il vostro sistema dovrebbe essere in grado di generare almeno questa quantità di corrente e poi un po’ per evitare un comportamento erratico o condizioni di brown-out. Molti dispositivi hanno anche modalità a basso consumo o di risparmio energetico in cui consumeranno molto meno energia. Abbiamo anche elencato la tensione nominale del dispositivo per vostra comodità.

Caratteristiche bonus: Ogni produttore di dispositivi ha le proprie idee su quali ‘campanelli e fischietti’ dovrebbero essere aggiunti a un giroscopio o a un accelerometro. Questa colonna è dove elenchiamo quelle caratteristiche extra che distinguono ogni dispositivo dal resto.