Akcelerometar i žiroskop

Savremeni elektroničari – hobisti imaju puno sreće, jer žive u vreme kad tehnologija napreduje tako da im se neprestano nude nove mogućnosti. Uz skromna ulaganja mogu da se realizuju izuzetni projekti u oblasti koja je do pre nekoliko godina pripadala samo istraživačkim laboratorijama sa ogromnim budžetima. Ovoga puta upoznaćemo se sa akcelerometrom i žiroskopom

slika1

Jedan od zanimljivih podsklopova, čija je cena niža od prosečnog računa u kafiću, jeste modul koji u sebi objedinjuje akcelerometar i žiroskop za sve tri ose. Ovaj minijaturni senzor je remek‑delo mikromehanike i elektronike, lako se koristi i dostupan je praktično svakome. U isto kućište ugrađen je i složen sklop filtera, pojačivača i grupa analogno‑digitalnih konvertora i periferala za serijsku komunikaciju sa mikrokontrolerom. Pride je tu i merač temperature, a postoje i slični sklopovi koji sadrže 3D magnetni kompas. Pored takvih modula, teško je odoleti iskušenju da se krene u gradnju zanimljivih „igračaka“. Pre toga, ipak, nije naodmet upoznati strukturu i princip rada ovih senzora.

Sve se meri mikrometrima

Za pojavu čitave familije novih mikro‑senzora možemo da zahvalimo tehnološkom prodoru u oblasti koja se zove MEMS (Mikro‑Elektro‑Mehanički Sistemi). Razvoj u ovoj grani tehnologije omogućio je jeftinu izradu mehaničkih delova sa preciznošću od pedesetog dela mikrometra (1µm = 1/1000 mm). Tako se sada proizvode složeni mehanizmi, dimenzija samo nekoliko mikrometara, koji sadrže zupčanike, zavrtnje, osovine, pa i male motore.

Senzori o kojima ovde govorimo ipak imaju jednostavniju strukturu – ne sastoje se od velikog broja delova, mada im oblik nije nimalo jednostavan. Princip je uglavnom takav da postoji jedna „velika“ i „teška“ masa (veličine delića milimetra) koja je razapeta između nekoliko opruga i ima ograničenu mogućnost ljuljanja u prostoru. Izvodi na toj masi formiraju kondenzatore sa sličnim izvodima koji miruju, pa se kapacitet tih kondenzatora menja u zavisnosti od njihovog međusobnog rastojanja, a to znači od dejstva gravitacije ili inercije na pokretnu masu.

Pojednostavljeni crtež pokazuje kako ovo izgleda u praksi. Masa (ovde označena sivom bojom) ima ograničenu mogućnost njihanja na oprugama. Ako se nagne na levu stranu, imaće manji kapacitet u odnosu na žute nego na crvene elektrode, a pomeranje po Y osi će menjati kapacitet prema crvenim i plavim elektrodama. Treća osa, koja ovde nije prikazana, zahtevala bi postavljanje još jednog ovakvog senzora vertikalno, ali je tehnološki mnogo jednostavnije (a samim tim i jeftinije) napraviti mali mehanički prenosnik koji će vertikalne pokrete pretvoriti opet u horizontalne, pa sve integrisati u istu ravan.

accelero

Sklop može da radi ne samo kao 3D akcelerometar (u prevodu merač ubrzanja), nego i kao 3D inklinometar (merač nagiba), jer i gravitacija isto tako deluje na masu, a uz malo srednjoškolske trigonometrije lako može da se izračuna ugao pod kojim deluje gravitacija.

Žiroskop, koji umesto promene položaja (translaciju) meri promenu ugla (rotaciju), mogao bi da se realizuje sa istim senzorom, samo što bi, umesto sabiranja, izmerene vrednosti naspramnih kondenzatora trebalo oduzimati. Prilikom ubrzanja rotacije, recimo u smeru kazaljke na satu, elektrode kondenzatora će se približiti levim crvenim i desnim plavim, kao i gornjim žutim i donjim zelenim elektrodama. Ipak se u praksi žiroskop realizuje odvojeno, pošto su njegove karakteristike znatno bolje ako se geometrija sklopa prilagodi merenju promene ugla.

Kako sve to pretočiti u praksu

Ovde ćemo govoriti o modulu akcelerometra i žiroskopa GY‑521, koji kod nas može da se nabavi u specijalizovanim prodavnicama ili preko domaćih Internet sajtova sa oglasima. Ako imate problema da ga pronađete, najbolje je da se poslužite ključnom reči Arduino, jer se ovaj modul u svim oglasima pogrešno tretira kao pločica za proširenje sistema Arduino, mada s njim ima isto toliko veze koliko i sa svakim drugim sistemom. Osim GY‑521, pronaći ćete i ponudu za modul ADXL345, koji je nešto jeftiniji ali ne sadrži žiroskop, a ima i nešto viši šum u očitavanju, pa nije baš najbolje rešenje za primene u kojima je potrebna visoka preciznost.

GY‑521 je modul na štampanoj pločici dimenzija 16×21 mm, sagrađen sa integrisanim kolom MPU6050. Osim ovog kola, na pločici se nalazi i LDO (Low Drop Out) stabilizator napona koji obezbeđuje potreban napon od 3,3 V u slučaju da se modul napaja naponom od 5 V, a naponski radni opseg kola GY‑521 inače iznosi 2,375 do 3,46 V. Upotrebljeni regulator može da radi sa veoma malom razlikom između ulaznog i izlaznog napona (što oznaka LDO garantuje), tako da će modul podjednako dobro raditi ako se napaja iz stabilisanog izvora napona 5 V, ili iz prilično istrošene litijumske baterije nazivnog napona 3 V.

GY-521

Iz priložene šeme veza se vidi da na modulu postoji sve što je potrebno za njegov neometan rad. Potrebno je samo priključiti signale SCL (Serial Clock) i SDA (Serial Data) na portove za serijsku komunikaciju mikrokontrolera. Podržan je protokol sinhrone serijske (SPI) ili I2C komunikacije. Signali XDA i XCL su za podršku nekih hipotetičnih daljih modula, ali je mala mogućnost da će nam to ikada u praksi zatrebati. Sve neiskorišćene kontakte na uređaju treba ostaviti nepriključenim.

Osim SCL i SDA, mogao bi da nam bude zanimljiv i izlazni signal INT. On se normalno priključuje na ulazni port mikrokontrolera, po mogućnosti na neki od portova koji mogu da izazovu prekid (Interrupt) programa ili da „probude“ mikrokontroler koji je u sleep modu. Programiranjem registara ovog žiroskopa, moguće ga je dovesti u režim u kome će aktivirati ovaj izlaz u odabranom kritičnom trenutku – recimo, ako je očitana vrednost iznad neke unapred zadate granice, ako je akcelerometar registrovao kratak udarac („Tap“) ili dva takva udarca („Double tap“) prstom, što bi moglo da predstavlja neku od komandi za uređaj, ili ako je registrovao nultu gravitaciju, što je znak da se nalazi u slobodnom padu. Mnogi hard‑diskovi, recimo, koriste baš ovaj signal da bi hitno „parkirali“ glavu diska, jer je nulta gravitacija znak da hard‑disk upravo pada i da treba očekivati udarac sa mogućim teškim posledicama.

Posle hardverskog povezivanja, provere i puštanja u pogon, čeka nas ozbiljan posao – izrada programa za mikrokontroler, podešavanje porta za komunikaciju i programiranje registara žiroskopa i akcelerometra. To je posebna, opširna tema o kojoj ovde neće biti reči, jer je za to potreban priručnik za rad sa ovim kolom, kao i dosta vremena i strpljenja. Ipak, za minimalni početak rada sa akcelerometrom, reći ćemo da od nekoliko desetina raspoloživih registara treba podesiti registre na heksadecimalnim adresama 6B, 6C, 1A, 1b i 1C, a onda samo očitavati gotove očitane vrednosti za ose X, Y i Z iz registara od 3B do 3F.

Nekoliko konkretnih ideja

Najvažniji, ali na neki način i najlepši zadatak koji se postavlja pred konstruktora jeste prvi korak u izradi projekta: šta napraviti. Akcelerometri i žiroskopi su široko primenljivi u raznim projektima, i skoro da bi se moglo reći da bi ovi moduli mogli da nađu mesto u svakom od njih.

Kvadkopteri se ne mogu ni zamisliti bez ovih senzora, jer je njima „čulo za ravnotežu“ od ključne važnosti za stabilan let. Takođe se često koriste i u robotici, posebno kod nestabilnih robota koji moraju da održavaju uspravan položaj, ali i u praćenju kretanja njihovih udova. Ima ih i u mobilnim telefonima, tabletima, digitalnim kamerama, kao i u raznim igračkama.

Za nas hobiste takođe važi da je malo uređaja u kojima nema mesta bar za akcelerometar, ako ne i za žiroskop. Evo jedne ideje koja bi mogla da donese nesvakidašnje rezultate. Ako imate više smisla za softver nego za hardver, razmislite o „nevidljivoj olovci“, zapravo o akcelerometarskom modulu koji je fizički prikačen za kažiprst, tako da može da registruje svaki njegov pokret.

Uređaj, koji služi za nadzor nad plovnim objektom, objedinjuje akcelerometar, žiroskop, magnetni kompas, GPS i GSM
Uređaj, koji služi za nadzor nad plovnim objektom, objedinjuje akcelerometar, žiroskop, magnetni kompas, GPS i GSM

 

Tako bi, recimo, bilo moguće pisati „u vazduhu“, pa da se u mikrokontroleru ili u računaru ti pokreti pretvaraju u vektore kojima se tekst ispisuje na ekranu, ili čak da se vode u neuronsku mrežu u kojoj bi se prepoznavao tekst i pretvarao u digitalni zapis. Ovakav projekat bi bio veoma zahtevan jer iziskuje veliko majstorstvo i iskustvo u izradi softvera, ali bi možda doveo do nečega za šta vredi uložiti veliki trud.

U službi zdravlja

Ako vam se prethodna ideja čini suviše zahtevnom, evo jedne znatno jednostavnije. Akcelerometar je vrlo pogodan za rad u pedometru, malom uređaju koji korisnik nosi sa sobom i koji registruje koliko koraka je napravio u toku dana. Ovakvi uređaji već decenijama postoje na tržištu u mehaničkoj izvedbi, a elektronska varijanta sa akcelerometrom bi mogla da donese brojne prednosti. Regostrovali bi se ne samo koraci, nego i kompletna fizička aktivnost: koliko vremena smo proveli u sedenju za kompjuterom, spavanju, laganoj šetnji, trčanju… takav pedometar bi mogao i da nas upozori da je dosta bilo sedenja i da treba prošetati. Svi mi koji previše vremena provodimo za računarom dobro znamo da ćemo jednom zažaliti zbog nedostatka fizičke aktivnosti. Zašto onda ne bismo preduhitrili posledice i sagradili uređaj koji nas vodi u zdraviji život?

Ovakav uređaj je zapravo već napravljen u obliku bedža, na štampanoj pločici dimenzija 32×75 mm, a napaja se malom litijumskom baterijom. Nema očekivanog displeja za pokazivanje rezultata, tu su samo dva niza od po pet raznobojnih LED‑ova koji pokazuju aktivnost u poslednjih 7 sati i u poslednjih 7 dana. Može da razlikuje tempo šetnje i teže od lakših aktivnosti, ili sedenje od vožnje automobilom. Od ostalih funkcija, postoji upozorenje da je dosta bilo sedenja i da treba krenuti u šetnju, i to je sve.

Sada sledi neizbežno pitanje: da li ovaj bedž koristim u svakodnevnom životu? Naravno da ne, ali je bilo zadovoljstvo praviti ga. Sada razmišljam i o novim funkcijama, recimo kako da isti bedž preprogramiram tako da mi pomogne u pravilnom držanju tela dok satima sedim za kompjuterom, ali će ishod verovatno opet biti isti: projekat je završen, vreme je da se stavi na policu na kojoj će samo da skuplja prašinu.

Morski izazovi

Akcelerometarski senzor je pogodan za stalni nadzor nad predmetima koje ugrožava naglo kretanje, padovi, krađa, rušenje, udarci i sve što remeti njihov mir. Jedna od takvih primena je za nadzor nad plovnim objektom, naročito ako se taj objekat povremeno napušta i prepušta samom sebi. Potrebno je, naravno, da na tom objektu postoji neko suvo mesto za elektroniku, kao i stalno električno napajanje. Zbog toga nije pogodan za male čamce, ali je praktično idealan za jahte.

Upravo za tu svrhu je građen projekat o kome je ovde reč. To je mali, ali kompleksan uređaj koji ima nekoliko senzora i grupu rezervnih ulaza, koji dojavljuju o mogućoj provali, gubitku napajanja, smanjenju napona na akumulatoru, praznom rezorvoaru za „belu vodu“ (za piće) ili prepunjenom rezervoaru za „crnu vodu“ (otpadnu), predugom radu pumpe za ispumpavanje vode sa broda, požaru ili nekom drugom događaju koji zahteva hitnu intervenciju.

Umesto da uključi alarm, koji bi u slučaju da posada nije prisutna verovatno bio beskoristan, uređaj šalje SMS poruke na unapred upisane telefonske brojeve. Moguća je i dvosmerna komunikacija, da korisnik pošalje poruku sa upitom i da u odgovoru na tu poruku dobije status sa broda. Od senzora, pored opisanih ulaznih signala, postoji akcelerometar koji registruje nagli pokret ili udarac, zatim žiroskop koji je osetljiv na ljuljanje zbog vetra i talasa, pa elektronski kompas koji bi poslao signal ako bi se ugao broda promenio, recimo ako bi se otkačio i otplovio, a tu je i GPS koji bi u sličnom slučaju registrovao nedozvoljeno veliku promenu pozicije. Sve granične vrednosti mogu da se podešavaju preko tastature i malog alfanumeričkog displeja.

slika3

Mogućnosti su velike, treba samo imati mašte i dovoljno spretnosti da se ideje sprovedu u život. Možda nije naodmet još jednom reći – srećni smo što živimo u vremenu u kome se svakome nudi da svoj dan ispuni novim kreacijama!

Voja Antonić

Objavljeno u časopisu PC#231

Facebook komentari:

Panasonic

PC Press CRM
Tagovi: ,