Accelerometers en gyroscopen worden steeds populairder in consumenten elektronica, dus misschien is het tijd om ze toe te voegen aan je project! Scrollen door SparkFun’s sensoren categorie onthult een enorme lijst van deze sensoren die perfect zouden kunnen zijn voor je volgende project, als je maar wist wat ze deden, en welke het beste bij je project past. Het doel van deze koopgids is om u het spreken van dezelfde taal als deze sensoren ‘datasheets en om u te helpen selecteert u degene die het meest geschikt is voor uw behoeften.

Accelerometers

Wat is een versnellingsmeter meten? Nou, versnelling. Je weet wel…hoe snel iets versnelt of vertraagt. Versnelling wordt weergegeven in meters per seconde in het kwadraat (m/s2), of in G-kracht (g), die ongeveer 9,8 m/s2 bedraagt (de precieze waarde hangt af van de hoogte en de massa van de planeet waarop u zich bevindt).

Accelerometers worden gebruikt om zowel statische (b.v. zwaartekracht) als dynamische (b.v. plotselinge start/stops) versnelling waar te nemen. Een van de meest gebruikte toepassingen van versnellingsmeters is tilt-sensing. Omdat ze worden beïnvloed door de versnelling van de zwaartekracht, kan een versnellingsmeter je vertellen hoe het toestel is georiënteerd ten opzichte van het aardoppervlak. De iPhone van Apple heeft bijvoorbeeld een versnellingsmeter, die aangeeft of het toestel in staande of liggende positie wordt gehouden. Een versnellingsmeter kan ook worden gebruikt om beweging te registreren. Zo kan de versnellingsmeter in Nintendo’s WiiMote worden gebruikt om de voor- en achterhand van een tennisracket of de rol van een bowlingbal te simuleren. Ten slotte kan een versnellingsmeter ook worden gebruikt om te voelen of een apparaat zich in een vrije val bevindt. Deze functie is geïmplementeerd in verschillende harde schijven: als een val wordt waargenomen, wordt de harde schijf snel uitgeschakeld om te beschermen tegen gegevensverlies.

Nu u weet wat ze doen, laten we eens kijken naar welke kenmerken u moet zoeken bij het selecteren van uw versnellingsmeter:

• Bereik – De boven- en ondergrens van wat de versnellingsmeter kan meten, staat ook bekend als het bereik. In de meeste gevallen betekent een kleiner bereik een gevoeligere output; u kunt dus een nauwkeurigere meting krijgen van een versnellingsmeter met een klein bereik.
  U wilt een meetbereik kiezen dat het beste bij uw project past; als uw project alleen wordt blootgesteld aan versnellingen tussen +2g en -2g, zal een versnellingsmeter met een bereik van ±250g u niet veel, of zelfs helemaal geen, precisie geven.
  We hebben een goed assortiment versnellingsmeters, met een maximaal bereik van ±1g tot ±250g. De meeste van onze versnellingsmeters zijn ingesteld op een hard maximum/minimum bereik, maar sommige van de meer verfijnde versnellingsmeters hebben selecteerbare bereiken.
• Interface – Ook dit is een van de belangrijkere specificaties. Versnellingsmeters hebben een analoge, pulsbreedte gemoduleerde (PWM) of digitale interface.
  • Accelerometers met een analoge uitgang produceren een spanning die recht evenredig is met de waargenomen versnelling. Bij 0g zal de analoge uitgang gewoonlijk ongeveer in het midden van de geleverde spanning liggen (b.v. 1,65V voor een 3,3V sensor). Over het algemeen is deze interface het gemakkelijkst om mee te werken, omdat analoog-digitaal-converters (ADC’s) in de meeste microcontrollers zijn geïmplementeerd.
  • Accelerometers met een PWM-interface produceren een blokgolf met een vaste frequentie, maar de duty cycle van de puls varieert met de waargenomen versnelling. Deze zijn vrij zeldzaam; we hebben er slechts een in onze catalogus.
  • Digitale versnellingsmeters hebben meestal een seriële interface, zij het SPI of I²C. Afhankelijk van uw ervaring, kunnen deze het moeilijkst te integreren zijn met uw microcontroller. Dat gezegd hebbende, digitale versnellingsmeters zijn populair omdat ze meestal meer mogelijkheden hebben, en minder gevoelig zijn voor ruis dan hun analoge tegenhangers.
• Aantal gemeten assen – Deze is heel eenvoudig: van de drie mogelijke assen (x, y, en z), hoeveel kan de versnellingsmeter er waarnemen? Drie-assige versnellingsmeters zijn meestal de beste keus; ze komen het meest voor en zijn echt niet duurder dan gelijkwaardig gevoelige versnellingsmeters met één of twee assen.
• Stroomverbruik – Als uw project door batterijen wordt gevoed, kunt u overwegen hoeveel stroom de versnellingsmeter zal verbruiken. Het benodigde stroomverbruik zal meestal in het 100s of µA bereik liggen. Sommige sensoren hebben ook een slaapfunctie om energie te besparen als de versnellingsmeter niet nodig is.
• Bonusfuncties – Veel recenter ontwikkelde versnellingsmeters hebben een paar handige functies, die verder gaan dan alleen het produceren van versnellingsgegevens. Deze nieuwere versnellingsmeters kunnen functies hebben zoals selecteerbare meetbereiken, slaapcontrole, 0-g detectie, en tap sensing.

Gyros

Gyroscopen meten de hoeksnelheid, hoe snel iets rond een as draait. Als u de oriëntatie van een bewegend voorwerp wilt controleren, geeft een versnellingsmeter u wellicht niet genoeg informatie om precies te weten hoe het is georiënteerd. In tegenstelling tot versnellingsmeters worden gyroscopen niet beïnvloed door de zwaartekracht, zodat zij een goede aanvulling op elkaar vormen. De hoeksnelheid wordt meestal weergegeven in eenheden van rotaties per minuut (RPM) of graden per seconde (°/s). De drie rotatie-assen worden aangeduid als x, y, en z, of roll, pitch, en yaw.

In het verleden zijn gyroscopen gebruikt voor ruimtenavigatie, raketbesturing, onderwatergeleiding, en vluchtgeleiding. Nu beginnen ze te worden gebruikt naast versnellingsmeters voor toepassingen zoals motion-capture en voertuignavigatie.
Veel van wat werd overwogen bij het selecteren van een versnellingsmeter geldt nog steeds voor het selecteren van de perfecte gyro:

• Bereik – Zorg ervoor dat de maximale hoeksnelheid die u verwacht te meten niet groter is dan het maximale bereik van de gyro. Maar ook, om de best mogelijke gevoeligheid te krijgen, zorg ervoor dat het bereik van uw gyro niet veel groter is dan wat u verwacht.
• Interface – Er is eigenlijk niet veel diversiteit in deze sectie, 95% van de gyroscopen die we hebben hebben een *analoge * uitgang. Er zijn er een paar die een digitale interface hebben – hetzij SPI of I2C.
• Aantal gemeten assen – Vergeleken met versnellingsmeters, lopen gyroscopen een beetje achter. Pas sinds kort zijn er goedkope, 3-assige gyroscopen op de markt. De meeste van onze gyroscopen zijn of 1- of 2-assig. Bij de keuze van de gyroscoop moet u er op letten welke van de drie assen de gyroscoop zal meten; sommige gyroscopen met twee assen meten bijvoorbeeld pitch en roll, terwijl andere gyroscopen pitch en yaw meten.
• Stroomverbruik – Indien uw project op batterijen werkt, moet u er rekening mee houden hoeveel stroom de gyroscoop zal verbruiken. Het benodigde stroomverbruik zal meestal in de 100s van µA bereik liggen. Sommige sensoren hebben ook een slaap functie om energie te besparen als de gyro niet nodig is.
• Bonus Features – Niet veel in deze sectie zal je versteld doen staan. Veel gyroscopen beschikken over een temperatuur uitgang, die zeer nuttig is bij het compenseren voor drift.

1

7

IMUs

Gyroscopen en versnellingsmeters zijn geweldig, maar alleen geven ze je niet genoeg informatie om zaken als oriëntatie, positie en snelheid comfortabel te kunnen berekenen. Om die en andere variabelen te meten combineren veel mensen de twee sensoren tot een inertiële meeteenheid (IMU) die twee tot zes vrijheidsgraden (DOF) biedt. IMU’s worden veel gebruikt in apparaten die kennis vereisen van hun exacte positie, bijvoorbeeld robotarmen, geleide raketten, en instrumenten die worden gebruikt in de studie van lichaamsbeweging.

SparkFun’s IMU’s kunnen echt worden onderverdeeld in twee klassen: eenvoudige IMU combo boards, die alleen een versnellingsmeter en gyro op een enkele PCB monteren, en meer complexe eenheden die een microcontroller met de sensoren verbinden om een seriële uitgang te produceren. Als je de vorige secties hebt doorgenomen, zou je moeten weten wat voor specificaties je moet zoeken in IMUs: het aantal assen (zowel voor de versnellingsopnemer als de gyro), het meetbereik van de sensoren, en de interface.

4

Glossary of Terms

Range: Het bereik van de waarden die een apparaat kan meten is een belangrijke factor bij de beslissing welke geschikt is voor uw project. Het is duidelijk dat een 24g versnellingsmeter niet veel zal uithalen voor het volgen van lichaamsbewegingen, tenzij je van plan bent om de ruimte in geslingerd te worden door ’s werelds grootste katapult. Als uw versnellingsmeter een maximum van 1 g heeft, zult u ook niet veel nuttige gegevens krijgen over bijvoorbeeld een raketlancering. Het bereik van een versnellingsmeter wordt gemeten in g-krachten, of veelvouden van de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht op aarde. Het bereik van een gyro, die de rotatieversnelling meet, wordt gegeven in rotatiegraden per seconde.

Interface: De methode waarmee u gegevens zendt en ontvangt tussen een controller en een apparaat wordt de interface genoemd. Er zijn verschillende standaarden beschikbaar en elk heeft zijn voor- en nadelen. Analoge signalen zijn gemakkelijk af te lezen en kunnen door de meeste microcontrollers met zeer weinig code worden gemeten. Seriële communicatie verwijst in dit geval naar UART en vereist iets meer verwerkingsoverhead maar kan meer informatie overdragen dan analoge signalen, Seriële of I2C zijn gebruikelijk in situaties waar meerdere assen moeten worden uitgelezen aan een controller. I2C is een tweedraads seriële interface waarmee verschillende apparaten een bus kunnen delen en met elkaar kunnen communiceren, het is ook een veelgebruikte mogelijkheid onder microcontrollers.

Axen: Dit verwijst naar het aantal richtingen waarin versnelling kan worden gemeten. Accelerometers meten de versnelling langs de gespecificeerde assen, terwijl gyroscopen de versnelling om de assen meten.

Vereist vermogen: Dit is de hoeveelheid stroom die het apparaat tijdens het gebruik zal verbruiken. Uw systeem moet in staat zijn ten minste deze hoeveelheid stroom te leveren om grillig gedrag of brown-out-condities te voorkomen. Veel apparaten hebben ook een spaarstand of energiebesparingsmodus waarin ze aanzienlijk minder stroom verbruiken. We hebben ook de nominale spanning van het apparaat vermeld voor uw gemak.

Bonus Features: Elke fabrikant heeft zijn eigen ideeën over de toeters en bellen die aan een gyro of een versnellingsmeter moeten worden toegevoegd. In deze kolom worden de extra’s opgesomd waarmee elk apparaat zich onderscheidt van de rest.