Акселерометър

[Mozo]

Акселерометърът е сензор който измерва ускорението по 3 оси. Чрез трите измерени стойности (X, Y и Z), може да се определи в какво положение се намира подвижен обект, на който е инсталиран сензора. Сензорът намира приложение и при процедури за засичане на свободно падащи обекти. Акселерометрите са много важна част от света на сензорите и са едни от най често използваните. Използват се в последните серии Apple PowerBooks (и в други преносими компютри), за да се открие внезапно преместване или падане, така че да може твърдият диск да премести движещата си глава в крайно положение, което да предпази устройството от повреждане.Те се използват и в:
-оптични прибори (за стабилизация на изображението); -крачкомери; -уреди за упражнения и физиотерапия;
-игрални конзоли и мобилни телефони; -автомобили (за отваряне на въздушните възглавници) и др.

ИЗЛОЖЕНИЕ 1. Оси на ускорение

Микро-структурите, които съдържа акселерометричен сензор с една ос, могат да измерват ускорението само в една посока или ос. Това означава, че с показанията отчетени от него можем да изчислим преместването по X, Y или Z оста, но не и по трите. Ако имаме робот оборудван с акселерометър, отчитащ Х оста, при сблъсък в стена по посока Х, той ще разбере за сблъсъка, но ако друг робот се удари в него от страна Y, първия няма да отчете това. Има много други ситуации, при които измерването на ускорението само по едната ос не е достатъчно. Затова вече се произвеждат акселетометри, които измерват ускоренито и по трите оси.









Фиг. 1. Разположение на осите на
Фиг. 2. Общ вид на 3-осев
самобалансиращ се робот
акселерометричен сензор




2. Приложение на сензора в роботиката

Благодарение на данните, отчетени от акселерометърът, може да се изчисли под какъв ъгъл се намира роботът спрямо земната повърхност(1,2 и 3). Автономните безпилотни летателни системи използват този тип сензор за автоматично поддържане на височината на полета спрямо земната повърхност, а също така и за автоматична компенсация на странични фактори като вятър. Ако роботът е двуколесен, и основната задача е той да бъде винаги балансиран и изправен, е необходимо да се използва 2-осев акселерометър (фиг.3). Когато измерванията по X и Y осите установят нулево ускорение, това означава, че роботът е напълно неподвижен и балансиран.









Фиг. 3. Примерна конструкция на самобалансиращ се автономен робот (Self-balancing Robot )
3. Изчисляване на ускорението и ъгъл спрямо гравитацията

За да се изчисли ускорението и ъгълът спрямо посоката на земната гравитация в зависимост от началното положение на сензора (фиг. 4) се използват следните изрази:

3.1. За да се изчисли степента на ускорение за едноосев акселерометър
acceleration_max = SQRT (х ^ 2) = х
(1)
3.2. За да се изчисли степента на ускорение за двуосев акселерометър
acceleration_max = SQRT (X ^ 2 + Y ^ 2)
(2)
3.3. За да се изчисли степента на ускорение за триосев акселерометър
acceleration_max = SQRT (X ^ 2 + Y ^ 2 + Z ^ 2)
(3)
3.4.За да се изчисли отчетената сила на акселерометър, спрямо
гравитацията:

Force_gravity =-g * cos(angle)
(4)

Гравитация
Ъгъл спрямо

Z оста

Ъгъл спрямо Х оста





Фиг. 4. Положение на ъглите на примерен самобалансиращ се робот


4. Примерна употреба на триосев акселерометър управляван от микропроцесор

MMA7361L е сензор за измерване на ускорението по 3 оси X, Y и Z. Тъй като е малък и труден за използване от начинаещи, фирмата Pololu го предлага монтиран върху прототипна платка с вграден регулатор на напрежение, което позволява сензорът да се захрани с напрежение до 16V на пин Vin. Информация за ускорението по 3те оси, сензорът връща като аналогово напрежение на три изходни пина.

Когато сензорът се намира в покой, изходното напрежение за всяка ос е наполовина на захранващото. Когато ускорението е в положителна посока, напрежението нараства, а когато е в обратната посока намалява. Положителните посоки са означени на самата платка(Фиг.5).




Фиг. 5. Положителни посоки на осите

4.1 Примерна постановка

За настоящата разработка за получаване, извличане и обработване на данни от този сензор, ще използване на микроконтролер, реализиран като интегрирана платформа. Сензорите и задвижващите механизми са компонентите, които позволяват на електронните устройства да взаимодействат със заобикалящата ги среда. Тъй като микроконтролерът е много опростен компютър, той може да обработва единствено електрически сигнали и за да усеща светлина, температура и други физични свойства се уждае от нещо, което да ги конвертира в електричество. В електрониката се използва просто устройство наречено фоторезистор, който измерва отразеното върху него количество светлина и генерира електрически сигнал, който може да бъде обработен от микроконтролера. След като получи данни от сензорите устройството има нужната информация за да „реши” как да реагира на база на вградения в него алгоритъм. Реакцията се извършва чрез изпълнителни механизми. Те са електронни компоненти, които превръщат електрически сигнали във физически действия. Това се изпълнява от задвижващи механизми като електромоторите. С помощта на интегрираната платформа „Ардуино“ може много лесно да се навлезе в света на микроконтролерите. Програмирането му става с безплатния предоставен за свободно ползване развоен софтуер ArduinoIDE, който е изключително удобен и лесен за използване. Ардуино има голяма обществена подкрепа в цял свят и обширен набор от библиотеки и примери за използването на платформата.

Те се използват и в:
-оптични прибори (за стабилизация на изображението); -крачкомери; -уреди за упражнения и физиотерапия;
-игрални конзоли и мобилни телефони; -автомобили (за отваряне на въздушните възглавници) и др.

ИЗЛОЖЕНИЕ 1. Оси на ускорение

Микро-структурите, които съдържа акселерометричен сензор с една ос, могат да измерват ускорението само в една посока или ос. Това означава, че с показанията отчетени от него можем да изчислим преместването по X, Y или Z оста, но не и по трите. Ако имаме робот оборудван с акселерометър, отчитащ Х оста, при сблъсък в стена по посока Х, той ще разбере за сблъсъка, но ако друг робот се удари в него от страна Y, първия няма да отчете това. Има много други ситуации, при които измерването на ускорението само по едната ос не е достатъчно. Затова вече се произвеждат акселетометри, които измерват ускоренито и по трите оси.

Фиг. 1. Разположение на осите на
Фиг. 2. Общ вид на 3-осев
самобалансиращ се робот
акселерометричен сензор


2. Приложение на сензора в роботиката

Благодарение на данните, отчетени от акселерометърът, може да се изчисли под какъв ъгъл се намира роботът спрямо земната повърхност(1,2 и 3). Автономните безпилотни летателни системи използват този тип сензор за автоматично поддържане на височината на полета спрямо земната повърхност, а също така и за автоматична компенсация на странични фактори като вятър. Ако роботът е двуколесен, и основната задача е той да бъде винаги балансиран и изправен, е необходимо да се използва 2-осев акселерометър (фиг.3). Когато измерванията по X и Y осите установят нулево ускорение, това означава, че роботът е напълно неподвижен и балансиран.

Целият материал: