Accelerometry i żyroskopy stają się coraz bardziej popularne w elektronice użytkowej, więc może nadszedł czas, abyś dodał je do swojego projektu! Przeglądając kategorię czujników SparkFun odkryjesz ogromną listę tych czujników, które mogą być idealne do Twojego następnego projektu, jeśli tylko wiedziałbyś co robią i który z nich najlepiej pasuje do Twojego projektu. Celem tego przewodnika jest sprawienie, abyś mówił tym samym językiem, co karty katalogowe tych czujników i pomógł wybrać ten, który jest najlepiej dostosowany do Twoich potrzeb.

Akcelerometry

Co mierzy akcelerometr? Cóż, przyspieszenie. Wiesz… jak szybko coś przyspiesza lub zwalnia. Przyspieszenie jest wyświetlane albo w jednostkach metrów na sekundę do kwadratu (m/s2), albo w sile G (g), która wynosi około 9,8 m/s2 (dokładna wartość zależy od wysokości nad poziomem morza i masy planety, na której się znajdujesz).

Akcelerometry są używane do wykrywania zarówno statycznego (np. grawitacja) jak i dynamicznego (np. nagłe starty/zatrzymania) przyspieszenia. Jednym z szerzej stosowanych zastosowań akcelerometrów jest wykrywanie nachylenia. Ponieważ akcelerometr podlega wpływowi przyspieszenia grawitacyjnego, może on określić orientację urządzenia względem powierzchni Ziemi. Na przykład iPhone firmy Apple jest wyposażony w akcelerometr, dzięki któremu wiadomo, czy urządzenie jest trzymane w trybie pionowym czy poziomym. Akcelerometr może być również wykorzystywany do wykrywania ruchu. Na przykład akcelerometr w urządzeniu WiiMote firmy Nintendo może być wykorzystywany do wykrywania emulowanych uderzeń rakietą tenisową w przód i w tył lub toczenia kuli do kręgli. Wreszcie, akcelerometr może być również wykorzystywany do wykrywania, czy urządzenie znajduje się w stanie swobodnego spadania. Funkcja ta jest zaimplementowana w wielu dyskach twardych: w przypadku wykrycia upadku dysk twardy jest szybko wyłączany w celu ochrony przed utratą danych.

Skoro wiadomo już, do czego służą, zastanówmy się, jakich cech należy szukać przy wyborze przyspieszeniomierza:

• Zasięg – górna i dolna granica tego, co może zmierzyć przyspieszeniomierz, jest również znana jako jego zasięg. W większości przypadków mniejszy zakres pełnej skali oznacza bardziej czułe wyjście; można więc uzyskać bardziej precyzyjny odczyt z akcelerometru o niskim zakresie pełnej skali.
  Chcesz wybrać zakres pomiarowy, który najlepiej pasuje do twojego projektu, jeśli twój projekt będzie poddawany tylko przyspieszeniom pomiędzy +2g i -2g, akcelerometr o zakresie ±250g nie da ci dużo, jeśli w ogóle, precyzji.
  Mamy dobry asortyment akcelerometrów, z maksymalnymi zakresami rozciągającymi się od ±1g do ±250g. Większość naszych akcelerometrów jest ustawiona na twardy maksymalny/minimalny zakres, jednak niektóre z bardziej zaawansowanych akcelerometrów posiadają wybieralne zakresy.
• Interfejs – Jest to kolejna z ważniejszych specyfikacji. Akcelerometry będą miały albo interfejs analogowy, modulację szerokości impulsu (PWM), lub interfejs cyfrowy.
  • Akcelerometry z wyjściem analogowym będą wytwarzać napięcie, które jest wprost proporcjonalne do odczuwanego przyspieszenia. Przy 0g, wyjście analogowe będzie zwykle znajdować się mniej więcej w środku dostarczonego napięcia (np. 1.65V dla czujnika 3.3V). Generalnie ten interfejs jest najłatwiejszy do pracy, ponieważ przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) są zaimplementowane w większości mikrokontrolerów.
  • Przyspieszeniomierze z interfejsem PWM będą wytwarzać falę kwadratową o stałej częstotliwości, ale cykl pracy impulsu będzie się zmieniał w zależności od odczuwanego przyspieszenia. Są one dość rzadkie; mamy tylko jeden w naszym katalogu.
  • Przyspieszeniomierze cyfrowe zwykle posiadają interfejs szeregowy, czy to SPI czy I²C. W zależności od Twojego doświadczenia, mogą one być najtrudniejsze do zintegrowania z mikrokontrolerem. To powiedziawszy, cyfrowe akcelerometry są popularne, ponieważ zwykle mają więcej funkcji i są mniej podatne na zakłócenia niż ich analogowe odpowiedniki.
• Liczba mierzonych osi – Ta jest bardzo prosta: z trzech możliwych osi (x, y, i z), ile akcelerometr może wyczuć? Akcelerometry trzyosiowe są zazwyczaj najlepszym rozwiązaniem; są najczęściej stosowane i nie są droższe od równie czułych akcelerometrów jedno- lub dwuosiowych.
• Zużycie energii – Jeśli projekt jest zasilany z baterii, warto rozważyć, ile energii zużyje akcelerometr. Wymagany pobór prądu będzie zazwyczaj w zakresie 100 µA. Niektóre czujniki posiadają również funkcję uśpienia, aby oszczędzać energię, gdy akcelerometr nie jest potrzebny.
• Funkcje dodatkowe – Wiele ostatnio opracowanych akcelerometrów może mieć kilka ciekawych funkcji, poza samym wytwarzaniem danych o przyspieszeniu. Te nowsze akcelerometry mogą zawierać takie funkcje, jak wybierane zakresy pomiarowe, kontrola uśpienia, wykrywanie 0-g i wykrywanie stukania.

1

3

Gyros

Gyroskopy mierzą prędkość kątową, czyli jak szybko coś obraca się wokół osi. Jeśli próbujesz monitorować orientację obiektu w ruchu, akcelerometr może nie dać ci wystarczającej ilości informacji, aby wiedzieć dokładnie, jak jest zorientowany. W przeciwieństwie do akcelerometrów, na żyroskopy nie ma wpływu grawitacja, więc stanowią one doskonałe uzupełnienie. Zazwyczaj prędkość kątową przedstawia się w jednostkach obrotów na minutę (RPM) lub stopni na sekundę (°/s). Trzy osie obrotu są albo odnoszone jako x, y, i z, lub roll, pitch, i yaw.

W przeszłości, żyroskopy zostały wykorzystane do nawigacji kosmicznej, kontroli pocisków, podwodnego naprowadzania i naprowadzania lotu. Obecnie zaczynają być używane obok akcelerometrów w takich zastosowaniach jak motion-capture i nawigacja pojazdów.
Wiele z tego co było brane pod uwagę przy wyborze akcelerometru nadal ma zastosowanie przy wyborze idealnego żyroskopu:

• Zasięg – Upewnij się, że maksymalna prędkość kątowa, którą zamierzasz zmierzyć nie przekracza maksymalnego zasięgu żyroskopu. Ale również, w celu uzyskania najlepszej możliwej czułości, upewnij się, że zasięg twojego żyroskopu nie jest dużo większy niż to, czego oczekujesz.
• Interfejs – Właściwie nie ma zbyt dużej różnorodności w tej sekcji, 95% żyroskopów, które posiadamy charakteryzuje się *analogowym *wyjściem. Jest kilka, które posiadają interfejs cyfrowy – SPI lub I2C.
• Liczba mierzonych osi – W porównaniu do akcelerometrów, żyroskopy są nieco w tyle za krzywą. Dopiero niedawno na rynku zaczęły pojawiać się niedrogie, 3-osiowe żyroskopy. Większość naszych żyroskopów jest jedno- lub dwuosiowa. Wybierając je, musisz zwrócić uwagę na to, którą z trzech osi będzie mierzył żyroskop; na przykład, niektóre dwuosiowe żyroskopy będą mierzyły nachylenie i przechył, podczas gdy inne mierzą nachylenie i odchylenie.
• Pobór mocy – Jeśli twój projekt jest zasilany z baterii, możesz chcieć rozważyć jak dużo mocy będzie pobierał żyroskop. Wymagany pobór prądu będzie zazwyczaj w zakresie 100s µA. Niektóre czujniki posiadają również funkcję uśpienia, aby oszczędzać energię, gdy żyroskop nie jest potrzebny.
• Funkcje dodatkowe – Niewiele w tej sekcji będzie cię zachwycać. Wiele żyroskopów posiada wyjście temperatury, co jest bardzo przydatne przy kompensacji dryfu.

IMUs

Żyroskopy i akcelerometry są świetne, ale same w sobie nie dają wystarczającej ilości informacji, aby móc wygodnie obliczyć takie rzeczy jak orientacja, pozycja i prędkość. Aby zmierzyć te i inne zmienne, wiele osób łączy te dwa czujniki, tworząc inercyjną jednostkę pomiarową (IMU), która zapewnia od dwóch do sześciu stopni swobody (DOF). IMU są szeroko stosowane w urządzeniach, które wymagają wiedzy na temat ich dokładnej pozycji, na przykład w ramionach robotów, pociskach kierowanych i narzędziach używanych do badania ruchu ciała.

IMU firmy SparkFun można podzielić na dwie klasy: proste płytki combo IMU, które po prostu montują akcelerometr i żyroskop na jednej płytce PCB, oraz bardziej złożone jednostki, które łączą mikrokontroler z czujnikami, aby wyprodukować wyjście szeregowe. Jeśli przejrzałeś poprzednie rozdziały, powinieneś wiedzieć, jakich specyfikacji należy szukać w jednostkach IMU: liczby osi (zarówno dla akcelerometru, jak i żyroskopu), zakresu pomiarowego czujników oraz interfejsu.

4

4

7

Glossary of Terms

Range: Zakres wartości, które urządzenie jest w stanie zmierzyć, jest ważnym czynnikiem przy podejmowaniu decyzji, który z nich jest odpowiedni dla danego projektu. Oczywiście akcelerometr o masie 24g nie przyda się do śledzenia ruchu ciała, chyba że planujesz zostać wyrzucony w kosmos przez największą na świecie procę. Podobnie, jeśli akcelerometr osiąga maksimum przy 1 g, nie uzyskasz zbyt wielu użytecznych danych, np. podczas startu rakiety. Zasięg akcelerometru mierzony jest w g-force, czyli wielokrotności przyspieszenia ziemskiego. Zasięg żyroskopu, który mierzy przyspieszenie obrotowe, jest podawany w stopniach obrotu na sekundę.

Interfejs: Metoda, za pomocą której wysyłasz i odbierasz dane pomiędzy kontrolerem a urządzeniem, nazywana jest interfejsem. Istnieje kilka dostępnych standardów i każdy z nich ma swoje wady i zalety. Sygnały analogowe są łatwe do odczytania i mogą być mierzone przez większość mikrokontrolerów z bardzo małym kodem. Komunikacja szeregowa w tym przypadku odnosi się do UART i wymaga trochę więcej przetwarzania nad głową, ale jest w stanie przenosić więcej informacji niż sygnały analogowe, szeregowe lub I2C są powszechne w sytuacjach, gdy wiele osi muszą być odczytywane do kontrolera. I2C to dwuprzewodowy interfejs szeregowy, który pozwala kilku urządzeniom dzielić magistralę i komunikować się ze sobą, jest to również bardzo powszechna zdolność wśród mikrokontrolerów.

Axes: Odnosi się to do liczby kierunków, w których można mierzyć przyspieszenie. Akcelerometry mierzą przyspieszenie wzdłuż określonych osi, podczas gdy żyroskopy mierzą przyspieszenie wokół osi.

Wymagania zasilania: Jest to ilość energii, którą urządzenie będzie zużywać podczas pracy. System powinien być zdolny do dostarczenia co najmniej tyle prądu, a następnie trochę, aby uniknąć nieregularnych zachowań lub warunków „brown-out”. Wiele urządzeń posiada również tryby niskiego poboru mocy lub oszczędzania energii, w których zużywają znacznie mniej energii. Dla Twojej wygody podaliśmy również napięcie znamionowe urządzenia.

Cechy bonusowe: Każdy producent urządzeń ma swoje własne pomysły na to, jakie 'dzwonki i gwizdki’ powinny być dodane do żyroskopu lub akcelerometru. W tej kolumnie wymieniamy te dodatkowe cechy, które odróżniają każde urządzenie od pozostałych.

.