Czujnik położenia katowego AS5040

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Czujnik położenia katowego AS5040"

Błażej Wójcik
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wybrane czujniki i ich obsługa Marek Wnuk < marek.wnuk@pwr.wroc.pl > KCiR K7/W4 PWr MW:SteRo6 p.1 Czujnik położenia katowego AS5040 MW:SteRo6 p.2

2 Odczyt szeregowy AS5040 Odczyt licznikowy AS5040 MW:SteRo6 p.3 MW:SteRo6 p.4

3 Wyjście PWM układu AS5040 Sygnały do komutacji BLDC MW:SteRo6 p.5 MW:SteRo6 p.6

4 Programowanie parametrów AS5040 Zasilanie AS5040 MW:SteRo6 p.7 MW:SteRo6 p.8

5 Parametry i pozycjonowanie magnesu MW: SteRo6 p. 9 AS5040 na płytce laboratoryjnej MW: SteRo6 p. 10

6 Kilka skrótów AHRS(ang. Attitude and Heading Reference System)- system podajacy orientację obiektu, oparty na całkowaniu chwilowych prędkości zmian orientacji mierzonych przy pomocy żyroskopów oraz pomiarach z innych czujników. MARG(ang. Magnetic, Angular Rate, and Gravity)- system czujników wykorzystujacy azymut magnetyczny oraz kierunek siły grawitacji jako pomiary bezwzględne, a także prędkości katowe. IMU(ang. Inertial Measurement Unit)- urzadzenie dostarczajace pomiarów z czujników inercyjnych (akcelerometr i żyroskop = 6DOF +magnetometr = 9DOF +altimetr = 10DOF). MEMS(ang. Micro Electro-Mechanical Systems)- zintegrowane mikroukłady, najczęściej półprzewodnikowe, zawierajace elementy mechaniczne, i elektroniczne(akcelerometry, żyroskopy, barometry, magnetometry, przepływomierze itp.). Przykłady czujników MEMS MW:SteRo6 p.11 MW:SteRo6 p.12

7 Idea budowy akcelerometru MEMS MW:SteRo6 p.13 Struktura krzemowa akcelerometru 2D MW:SteRo6 p.14

8 Ilustracja siły Coriolisa MW:SteRo6 p.15 Zasada działania żyroskopu MEMS MW:SteRo6 p.16

9 Akcelerometr analogowy 2D ADXL202 MW:SteRo6 p.17 Akcelerometr analogowy 3D MMA7260 MW:SteRo6 p.18

10 Żyroskop analogowy 1D ENC-03J MW:SteRo6 p.19 Akcelerometr cyfrowy 3D MMA7660 MW:SteRo6 p.20

11 Układ aplikacyjny MMA7660 Komunikacja z MMA7660 MW:SteRo6 p.21 MW:SteRo6 p.22

12 Akcelerometr cyfrowy 3D MMA8451 Układ aplikacyjny MMA8451 MW:SteRo6 p.23 MW:SteRo6 p.24

13 Magnetometr 3D FXMS3110 MW:SteRo6 p.25 Czujnik 6D(ACC+MAG) FXOS8700 MW:SteRo6 p.26

14 Żyroskop cyfrowy 3D L3G4200 Układ aplikacyjny L3G4200 MW:SteRo6 p.27 MW:SteRo6 p.28

15 Przykłady minimodułów IMU magnetometr HMC5883L (3DOF) i moduł GY-521 z układem MPU6050 (3DOF akcelerometr i 3DOF z yroskop) moduł GY-80 (10DOF) - 3D akcelerometr (ADXL345), 3D z yroskop (L3G4200), 3D magnetometr (HMC5883L), altimetr (BMP085) moduł z układem inemo (LSM9DS0) - pomiar przyspieszen, predkos ci obrotowych i pola magnetycznego (9 DOF). MW: SteRo6 p. 29 Moduł INS 3D+3D ADIS16360 MW: SteRo6 p. 30

16 Wygl ad zewnętrzny ADIS16360 Filtry dolnoprzepustowe MW:SteRo6 p.31 MW:SteRo6 p.32

17 Porównanie filtrów dolnoprzepustowych Filtr eliptyczny MW:SteRo6 p.33 MW:SteRo6 p.34

18 Filtr programowalny MAX7400 f C = f CLK 100 V OUT =(V IN V COM )+V OS MW:SteRo6 p.35 Interfejs akcelerometru analogowego MW:SteRo6 p.36

19 Interfejs akcelerometru cyfrowego MW:SteRo6 p.37 Dobór akcelerometrów do zastosowań czułość zastosowanie 1-2g wykrywanie swobodnego spadku kompensacja przechyłów(inklinometry) rejestrowanie ruchu pojazdów 2-4g interfejsy człowiek-maszyna(hmi) kontrolery gier 4-6g analiza niewielkich wibracji monitorowanie wstrzasów transportowych 6-10g monitorowanie znacznych wibracji rejestrowanie udarów 10-50g wykrywanie zderzeń MW:SteRo6 p.38

20 Inklinometr sinα x = a x g,sinα y = a y g,cosα z = a z g g= a 2 x+a 2 y+a 2 z Analiza wibracji silnika MW:SteRo6 p.39 MW:SteRo6 p.40

21 Wykrywanie zderzeń MW:SteRo6 p.41 Filtry używane do pomiaru orientacji filtr Kalmana- iteracyjna estymacja procesu w układzie ze sprzężeniem zwrotnym; w każdym kroku wykonywane sa naprzemiennie dwie operacje: estymacja stanu procesu i sprzężenie zwrotne w postaci pomiarów zaburzonych szumem. filtr Madgwicka- oparty na kwaternionowej reprezentacji obrotów; zawiera kompensację zniekształceń dla magnetometru i kompensację dryfu żyroskopu; wykorzystuje różniczkowanie kwaternionu i metodę najszybszego spadku w celu wyznaczenia kierunku błędu żyroskopu. filtr komplementarny- kombinacja odfiltrowanych pomiarów z dwóch czujników, z których żaden nie jest idealny; jedenzaburzony zakłóceniami szybkozmiennymi(niezbędny filtr dolnoprzepustowy wprowadza do mierzonego sygnału opóźnienie; pomiary z drugiego- z błędem wolnozmiennym (dryf),s a poddane filtracji górnoprzepustowej. MW:SteRo6 p.42

22 Prosta implementacja Iteracyjnedocałkowywaniesygnałuprędkości ω n doaktualnej estymatypołożenia α n 1 zzastosowaniemkombinacjiwypukłej zaktualnympomiarempołożeniaa n a : α n =(1 ε)(α n 1 + τ c ω n )+εa n, (1) gdzie τ c odpowiadaokresowipróbkowania. Przybardzomałychprędkościachobrotowych(ω n 0): α n =(1 ε)α n 1 + εa n, (2) coodpowiadafiltracjidolnoprzepustowejpomiarupołożeniaa n przez człon inercyjny o stałej czasowej: T = τ c ln(1 ε). (3) a K.Lauszus.ApracticalapproachtoKalmanfilterandhowtoimplementit. MW:SteRo6 p.43 Parametry filtru Dlaż adanej stałej czasowej T filtru można wyznaczyć parametr ε: ( ε=1 exp τ c T ). (4) Często wygodniej jest wyjść od częstotliwości granicznej: sk ad otrzymujemy: f g = 1 2πT = ln(1 ε) 2πτ c, (5) ε=1 exp( 2πτ c f g ). (6) MW:SteRo6 p.44

2D- samopoziomujaca się platforma Platforma2Rowzajemnieprostopadłychosiach a minimoduł GY-521(akcelerometr i żyroskop MPU6050) moduł z 16-bitowym mikrokontrolerem 9S12 a A.Jurasik.

23 2D- samopoziomujaca się platforma Platforma2Rowzajemnieprostopadłychosiach a minimoduł GY-521(akcelerometr i żyroskop MPU6050) moduł z 16-bitowym mikrokontrolerem 9S12 a A.Jurasik.Systemstabilizującypoziomepołożenieplatformy.I-6PWr,Projektinżynierski2014. MW:SteRo6 p.45 Bezpośredni pomiar katów Bezpośredni pomiar dwóch katów(a x,a y )pochylenianapodstawie danych z akcelerometru: ( gy a x =arctg g Z ( gx a y =arctg g Z ), (7) ), (8) gdzieg X,g Y,g Z s a składowymi wektora grawitacji mierzonymi przez akcelerometr 3D. Pomiar ten jest bezwzględny, lecz obarczony znacznymi szumami wysokoczęstotliwościowymi. MW:SteRo6 p.46

24 Pomiar prędkości katowych Odczyty prędkości katowych z żyroskopu, wględem obu osi (ω X,ω Y ),musz a być całkowane: a x (t i )=a x (0)+ a y (t i )=a y (0)+ i ω X (t j )(t j t j 1 ), (9) j=1 i ω Y (t j )(t j t j 1 ). (10) j=1 Niedokładność zera żyroskopu powoduje dryf, który trzeba kompensować przy pomocy odpowiedniego filtru(zastosowano filtr Kalmana, jak i komplementarny). MW:SteRo6 p.47 Odczyty przy ruchach powolnych W przypadku ruchów powolnych filtr komplementarny zachowuje się podobnie jak filtr Kalmana. MW:SteRo6 p.48

Odczyty przy ruchach szybkich Minimalne róz nice widac przy ruchach bardzo szybkich, ale oba filtry usuwaja zarówno szybkozmienne zakłócenia z akcelerometru, jak i dryf z yroskopu. MW: SteRo6 p.

25 Odczyty przy ruchach szybkich Minimalne róz nice widac przy ruchach bardzo szybkich, ale oba filtry usuwaja zarówno szybkozmienne zakłócenia z akcelerometru, jak i dryf z yroskopu. MW: SteRo6 p. 49 1D - orientacja myszy w labiryncie Czujniki orientacji wzgledem osi pionowej dla robota a Micromouse. całkowanie sygnału z z yroskopu (LY3200ALH), magnetometr 3D (FXOS8700CQ) - orientacja wzgledem pola magnetycznego Ziemi. a P. Urbaniak. System czujników do robota klasy Micromouse. I-6 PWr, Projekt inz ynierski MW: SteRo6 p. 50

26 Odczyty orientacji 1D Podobnie jak w porzednim przypadku, zastosowano zarówno filtr Kalmana, jak i filtr komplementarny. Dryf całkowania prędkości z żyroskopu jest przez oba filtry usuwany, a zakłócenia szybkozmienne z magnetometru- istotnie osłabione. MW:SteRo6 p.51

Podobne dokumenty

Katedra Cybernetyki i Robotyki, Wydział Elektroniki

Katedra Cybernetyki i Robotyki, Wydział Elektroniki Seria: SPR nr 3/2014 Grant S30080 Filtracja komplementarna w inercyjnych czujnikach orientacji Marek Wnuk Słowa kluczowe: orientacja, żyroskop, akcelerometr,