Акселерометр производит измерение ускорения (изменения скорости) всего, к чему он прикреплен. Как он работает? Внутри MEMS акселерометра находятся небольшие микромеханические устройства, которые изгибаются под действием ускорения и гравитации. Когда они испытывают ускорение в каком-либо виде, эти крошечные структуры изгибаются пропорционально ускорению. Этот изгиб можно измерить и представить в виде электрического сигнала. Сегодня акселерометры легкодоступны и недороги, что делает их использование актуальным для создания недорогих роботов как энтузиастами, так и коммерческими компаниями.
На видео ниже представлена работа сервопривода по сигналам от акселерометра.
Акселерометры очень важны для измерения окружающей среды, потому что они могут определить широкий диапазон различных движений. Они используются в современных ноутбуках Apple PowerBook, сотовых телефонах и коммуникаторах. В ноутбуках они используются для определения того что компьютер был сдвинут или приподнят и последующей блокировки жесткого диска. В камерах они используются для стабилизации изображения, в шагомерах и других устройствах. Они используются в игровых контроллерах для измерения наклона. Они используются в автомобилях для управления подушками безопасности при столкновении. И все равно остается бесчисленное множество применений для этих устройств
- Балансирующие роботы
- Контроллеры наклона
- Автопилоты для беспилотников
- Охранные системы
- Обнаружение столкновений
- Мониторинг движения человека
- Инклинометры
- Детекторы вибрации для виброизоляции
- Датчики притяжения земли
Небольшие микромеханические устройства способны измерять ускорение только в одном направлении или на одной оси. Это значит, что таким устройством можно произвести измерение ускорения только одной оси X, Y или Z но не возможно определить все остальные ускорения. Например акселерометр по оси Х дает возможность определить столкновение при горизонтальном движении вдоль оси. Но если в бок нашего робота врежется другой робот (ось Y) то мы не сможем определить это. Хорошим решением этой проблемы является использование многоосевых акселерометров.
Гравитация является ускорением, поэтому наш акселерометр всегда будет показывать ускорение -9,81 м/с^2 (минус означает направление вектора к земле). Благодаря этому наш робот всегда может определить свой угол относительно поверхности земли. Если наш робот двуногий, и нам нужно что бы он постоянно балансировал в вертикальном положении, то этого можно добиться используя двухосевой акселерометр. Если показания X и Y акселерометров равны нулю, то робот идеально сбалансирован и находится в вертикальном положении.
Когда мы покупаем акселерометр, мы увидим надписи вроде 'rated at 2g' или '3g accelerometer' Это максимальное значение ускорения, которое может быть измерено этим датчиком. Гравитация ускоряет предметы на 1g или 9,81 м/с^2. Например, если наш робот движется вверх с ускорением 1g, то гироскоп будет показывать ускорение 2g для большинства приложений максимального ускорения 2g будет вполне достаточно. Почему же тогда не сделать номинальное ускорение как можно больше? Чем меньше номинальное ускорение, тем больше чувствительность акселерометра и тем более слабые вибрации можно отследить. Чем меньше номинальное ускорение, тем более точную настройку можно произвести, с другой стороны слишком чувствительные датчики легко перегружаются интенсивной вибрацией.
Для расчета значения ускорения одноосевого акслерометра можно использовать следующее выражение:
acceleration_max = sqrt(x^2) = x
2-осевой акселерометр
acceleration_max = sqrt(x^2+y^2)
3-осевой акселерометр
acceleration_max = sqrt(x^2+y^2+z^2)
Для расчета силы действующей на акселерометр относительно гравитации можно использовать следующее выражение:
Force_gravity = -g*cos(angle) (зависит от датчика)
Скорее всего нам не понадобится измерение этой силы на практике, но если составить обратное уравнение, мы сможем расчитать угол, зная значение силы.
Угол наклона = cos(sensor_value*conversion_constant / -g)^-1
MEMS микросхемы легко доступны и не дороги. Обычно все они требуют обвязку и поставляются в SMD корпусах. Не советую начинать работу с акселерометрами с "голых" микросхем, гораздо удобнее использовать отладочные платы с припаяными акселерометрами, которые можно купить в интернет-магазинах. Сегодня представлено большое разнообразие акселрометров, начиная от одноканальных с аналоговым выходом, и заканчивая цифровыми трехосевыми моделями с настраиваемыми номинальными ускорениями. Так же существуют модели со встроенными гироскопами!
Любой акселерометр требует подключения питания и земли. Акселерометр может иметь как аналоговый, так и цифровой выход для каждой из осей. Некоторые модели могут иметь дополнительные возможности, такие как встроенные гироскопы, магнитные компасы. Подробнее о возможностях какждой модели описывается в документации.
Дополнительные советы по использованию
Размещение акселерометра на мобильном роботе, который испытывает вибрации может вызывать непреднамерненные срабатывания. Использование конденсатора подключенного параллельно аналоговому выходу акселерометра позволит сгладить эти помехи (емкость конденсатора определяется ) экспериментально. Цифровая обработка сигнала так же позволит исключить ложные срабатывания и повысит надежность.
Вольный перевод с английского для сайта http://www.robochamp.ru cтатьи расположенной по адресу http://www.societyofrobots.com/sensors_accelerometer.shtml
