Гироскоп акселерометр что это: Чем отличается гироскоп от акселерометра

Содержание

Чем отличается гироскоп от акселерометра

Многие из современных мобильных гаджетов — смартфонов и планшетов — оснащены гироскопами и акселерометрами. Что это за аппаратные компоненты?

Что такое гироскоп?

Гироскоп, встраиваемый в мобильный гаджет, это небольшое устройство, способное определять собственный (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) угол наклона относительно земной поверхности и передавать соответствующие координаты в то или иное приложение. Например — в игру, установленную на смартфоне либо планшете или иной вид ПО. Использование приложениями данных с гироскопа дает возможность пользователю эффективно управлять интерфейсом девайса или, например, игровыми персонажами.

Гироскопы — это девайсы, которые находят самое широкое применение не только в индустрии мобильных решений, но и в иных сегментах рынка электронных устройств, а также в автомобильной, аэрокосмической промышленности. Принцип их работы вне зависимости от сферы применения одинаковый — они используются для определения положения объекта относительно земной поверхности.

к содержанию ↑

Что такое акселерометр?

Акселерометр в мобильном гаджете — это устройство, позволяющее измерять собственное (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) ускорение. Даже если длина «разгона» составляет миллиметры. Как и гироскоп, акселерометр, инсталлированный на смартфоне или планшете, может передавать сведения об ускорении в игру или приложение. При этом соответствующий сигнал призван выполнять, в принципе, ту же функцию, что и в случае с задействованием гироскопа — он помогает программе, работающей на гаджете, определить свое положение относительно земной поверхности.

Вместе с тем у акселерометра есть одно важное преимущество — измерение ускорения позволяет устройству весьма точно вычислять расстояние, на которое оно перемещено в пространстве. Поэтому мобильный гаджет с акселерометром можно использовать, к примеру, как шагомер.

Способность акселерометра измерять ускорение исключительно полезна для работы систем защиты некоторых электронных устройств от последствий падения или неудачной «перепасовки» одним пользователем другому. Подобные системы могут устанавливаться на жестких дисках ноутбуков: если они обнаруживают, что винчестер куда-то летит, то временно блокируют его записывающую головку — самый хрупкий элемент. Если жесткий диск все же упадет, то сохранится шанс на то, что его кластеры останутся в целости.

к содержанию ↑

Сравнение

Главное отличие гироскопа от акселерометра — в принципах работы данных аппаратных компонентов. Первый вычисляет свой угол наклона относительно земли, второй подсчитывает собственное ускорение — но, опять же, относительно земной поверхности. На практике обе функции могут в ряде случаев заменять друг друга или же удачно дополнять. Поэтому многие мобильные девайсы оснащаются как акселерометром, так и гироскопом.

Вместе с тем у акселерометра есть ряд возможностей, недоступных для гироскопа. В частности — формирование сигналов, позволяющих определить расстояние, пройденное пользователем мобильного устройства.

Определив то, в чем разница между гироскопом и акселерометром, зафиксируем ее ключевые критерии в таблице.

к содержанию ↑

Таблица

ГироскопАкселерометр
Что между ними общего?
Оба устройства позволяют определить их положение относительно земли, а также того гаджета, в котором они инсталлированы, и могут задействоваться в этих целях одновременно
В чем разница между ними?
Определяет собственный угол наклона относительно землиОпределяет ускорение относительно земной поверхности
Не может использоваться в целях измерения длительности перемещения устройстваМожет применяться для измерения длительности перемещения устройства

что это, в чем разница, главные отличия

Положение в пространстве, направление движения и ускорение — наверное одни из тех факторов, которые попросту нужно знать логической части множества контролирующих устройств. Речь идет не только о специфичной самолетной, вертолетной или морской технике, изменение ориентации которой важно в навигации и пилотировании.

Применяются датчики определяющие перечисленные факторы и в быту. К примеру, в смартфонах, фитнес-браслетах, планшетах, ноутбуках, экранах TV или мониторах. Для первых трех — технология положения используется в нише создания шагомеров или в качестве управляющей функциями аппарата опции. Доступно и позиционирование с участием детектора отображаемых элементов мобильного устройства. Остальные перечисленные, довольствуются определением текущей ориентации выводящего изображение экрана. В случае ее изменения, соответственно будет подстроен и формат — книжный (широкий) или альбомный (узкий) тип подачи картинки на текущий дисплей.

Есть еще одна ниша в быту, где властвуют аппараты, определяющие ускорение и положение в пространстве. Речь идет об игровых контроллерах, которые, на современных приставках, осуществляют действие не только от нажатия на кнопку, но и по вибрации джойстика или его наклона.

Встречаются акселерометры и в автомобильных регистраторах. Они включают запись событий в моменты резких остановок, экстренного торможения или изменения положения кузова. Последнее актуально для тех случаев, когда машина вылетает с дороги, обо что-то ударяется, а также переворачивается на бок или крышу.

В любом варианте использования, для аппаратов, определяющих положение, применяют два вида сенсоров — акселерометр или гироскоп. Каждый из которых, обладает своими плюсами и минусами. В настоящее время, сама механика каждого из перечисленных датчиков, упакована внутрь небольших микросхем. Хотя, в своей основе, — принцип их действия остается неизменным еще с XIX века. Именно тогда, давно известные физические свойства, относящиеся к механизмам, определяющим положение в пространстве, получили свое официальное наименование.

Редко, но встречаются случаи, участия обоих типов сенсоров — гироскопа и акселерометра в схеме одного устройства. Чаще используется какой-либо один из них, так как он, почти в полном объеме, выполняет функции другого. Хотя есть и небольшие различия, делающие применение аналогичного по возможностям датчика, но работающего на других физических основах, — в некоторых случаях невозможным.

Гироскоп

Изобретение устройства приписывается Иоанну Бонненбергеру, как первому человеку, описавшему механический гироскоп. Но, еще задолго до него, люди обращали внимание на поведение обычного волчка (юлы) — вращаясь, он всегда сохраняет одно положение, вне зависимости от действия сторонних сил. То есть, единовременный наклон плоскости, на которой находится крутящийся маховик не оказывает на его положение никакого влияния. В основе работы механического гироскопа заложен тот же принцип. Ротор, закреплен в корпусе на две подвижные рамы, позволяющие изменять его положение в пространстве по всем осям ординат. Вращаясь, он будет сохранять свой изначальный наклон, вне зависимости от угла смещения основы, на которой закреплена конструкция. Обусловлен этот фактор действием кориолисовой силы.

Чем выше оборот маховика и его вес, тем более устойчив гироскоп к внешним факторам изменения положения. С другой стороны, тем больше его размер. Современные устройства настоящего типа миниатюрны и представляют собой относительно небольшую микросхему с гранями менее сантиметра длинной. Наклон в таких приборах выявляется уже не положением маховика в подвижной раме, а местонахождением миниатюрного вибрирующего грузика по трем осям. Описанная система более надежна, чем ее классический вариант. Кроме того, результирующий чувствительный прибор очень мал. Впервые, для рынка мобильных устройств, гироскоп в составе МЭМС микросхемы стал доступен в смартфоне Apple iPhone 4s.

Акселерометр

Изначальным датчиком, определяющим положение в пространстве для устройств, был акселерометр, еще называемый G-сенсором. В состоянии покоя, он позволяет приблизительно, вычислить угол наклона детектора относительно вектора силы тяготения земли. Но основная функция устройства — определение ускорения движения.

В своей конструкции, акселерометр представлен грузом, закрепленным на подвижном основании и установленным вдоль пути возможного перемещения. При ускорении маятник будет смещаться на расстояние, зависящее от силы воздействия.

Практическое применение прибора с одним определяемым вектором направления — бессмысленно. Обычно используют датчики акселерометров с тремя линиями чувствительности воздействия, упакованные, как, и в случае гироскопов внутрь МЭСМ микросхем.

Рассматривая детектор со стороны внутренних электрических принципов работы, можно заметить, что чаще встречаются сенсоры ускорения емкостного или пьезоэлектрического действия.

Недостатки и преимущества

Гироскоп и акселерометр похожи по возможностям, тем не менее, отличаются определяемой характеристикой. В первом случае — положение, для второго — направление воздействия силы. Поэтому функциональность их востребована немного в разных жизненных областях. Рассмотрим их возможности, в разрезе плюсов и минусов.

Акселерометр

Плюсы:

  • Быстрое определение изменения действия вектора силы. Хорош в качестве датчика ускорения.
  • Проще конструктивно и дешевле гироскопа.

Минусы:

  • Положение относительно земли определяет неточно. Сильно зависит от воздействия гравитации. Дает показания, требующие введения коэффициента поправки в зависимости от текущего места и воздействия внешних факторов.
  • Чувствителен к сторонней вибрации.
  • Не может производить измерение угла наклона при ускорении. Требует для получения данных момент покоя.

Наиболее часто используется в обыденной жизни для автомобильных регистраторов, систем безопасности хрупкого оборудования, мобильных телефонов и планшетов, игровых контроллеров, фитнес-браслетов. Популярен за счет низкой цены, малого размера и надежности.

Гироскоп

Плюсы:

  • Точен в определении углов наклона по всем трем осям XYZ, или как их еще называют — крена, тангажа и рысканья.
  • Нулевое направление, от которого и выполняются измерения, не зависит от притяжения земли и может быть любым.
  • Практически не подвержен влиянию внешних факторов или сторонних сил. К примеру, работа устройства полностью, или по большей части, игнорирует вектор и состояние окружающего магнитного поля.

Минусы:

  • Не может определять ускорение.
  • Сложность конструкции увеличивает конечную стоимость устройства.
  • Время определения смены положения выше, чем в случае акселерометра.

Для гироскопов характерной нишей применения становятся системы равновесия транспортных средств, включая водные, воздушные и космические. Ими же оснащают качественные мобильные аппараты и всю электронику контролирующую изначальное положение в пространстве механизмов или производственных линий.

Как определить установленный тип датчика для мобильного устройства

В смартфоне или планшете определить, какой именно сенсор установлен — гироскоп или акселерометр очень просто, даже без использования специфичных программ. Достаточно включить «поворот экрана» и потрясти устройство вверх-вниз, влево-вправо, не переворачивая его в действительности.

Если экран сменит ориентацию, значит детектором выступает акселерометр. Если нет — гироскоп. Все дело именно в отличии определяемых сил. Если ускорение без покоя в случае акселерометра – процессор устройства «решит», что произошел поворот. Гироскопу тряска безразлична.

Точно помогут определить вид детектора и его модель специальные программы. К примеру, Sensor Box For Android, AnTuTu Benchmark, AIDA64.

Использование акселерометра или гироскопа с микроконтроллерами

Отдельно стоит упомянуть датчики положения, используемые в DIY- проектах. Речь идет об их вариантах, разработанных для совместного использования с Arduino или Raspberry PI.

С помощью подобных сенсоров и контролера можно определять текущее положение роботов или подвижной техники в пространстве. Доступно и вычисление текущей скорости. Для чего берется за основу импульсы изначального ускорения и характеристики торможения. Далее математически вычисляется текущее значение параметра. Причем крайний вариант применения не требует установки механической связи с подвижными частями подвески аппарата.

В некоторых случаях, настоящее действие может быть затруднено к исполнению.

Резюмируя

Датчики положения для техники делятся на акселерометры и гироскопы. Первые определяют ускорение, воздействующее на сенсор, вторые его угол наклона в пространстве. Акселерометры можно использовать и в качестве гироскопа, вычисляя текущий поворот детектора относительно вектора земного притяжения. К сожалению, точность настоящих измерений будет низкой и сильно зависеть от сторонних факторов. Включая то, что для определения текущего положения датчика ускорения — под углом, стоя или лежа, требуется чтобы он находился в состоянии покоя. Для гироскопов последнее не критично.

Видео по теме

Хорошая реклама

 

Мобильная диагностика: как работают датчики уровня кислорода, пульса, ЭКГ и шума | Смарт-часы и фитнес-браслеты | Блог

Непростой 2020 год показал, что за здоровьем надо тщательно следить даже при самой невероятной занятости. Тем более, что развитие технологий позволяет делать это при помощи смартфона, умных часов или фитнес-браслета. Комбинация различных датчиков и софта может контролировать ряд важных параметров и делать выводы: все ли в порядке или стоит запланировать визит к врачу.

Всплеск интереса к повседневному контролю здоровья случился после появления на рынке «умных» часов и браслетов. Разработчики с самого начала встраивали в них не только акселерометр и/или гироскоп с навигационным приемником, но и датчики контроля сердечных ритмов. Сейчас в такие устройства ставят несколько дополнительных чипов, позволяющих узнать о своем организме много полезного.

Давайте разберемся, какие датчики применяются в «умных» гаджетах, что они умеют и насколько точным получается результат измерений.

Акселерометр и гироскоп

Изначально эти датчики устанавливали в смартфоны. Когда появились «умные» часы и браслеты, их также оснастили такими чипами: на работе акселерометра, например, построена одна из основных задач всех «умных» гаджетов — подсчет количества шагов.

Сейчас все настолько привыкли к тому, что акселерометр и гироскоп есть в мобильных устройствах, что не видят между ними разницы. Тем более, что функции этих датчиков реализуются одной микросхемой. На самом деле разница есть. Если коротко, то акселерометр реагирует на ускорение предмета, а гироскоп — на изменение его положения в пространстве. Поэтому с помощью акселерометра можно, например, понять, нужно ли сменить ориентацию экрана смартфона или посчитать шаги. А с помощью гироскопа — точно определить положение тела.

Зачем это нужно в мобильной диагностике? С подсчетом шагов все ясно — это контроль здорового образа жизни. Но это больше относится к фитнесу. А как это помогает в плане наблюдений за своим самочувствием? 

Дело в том, что связка акселерометра и гироскопа обеспечивает работу функции, способной определить, что владелец устройства упал. «Умный» гаджет на основании резкого изменения показаний датчиков делает вывод, что пользователю необходима помощь, и автоматически вызовет экстренные службы, например, скорую или полицию. Зачем это нужно? Например, гаджет оперативно вызовет врачей, если с вами случится какая-то неприятность на улице. А при инсульте и инфаркте очень важно, чтобы квалифицированная медицинская помощь была оказана как можно быстрее.

К примеру, такая функция реализована в Apple Watch. По умолчанию она активируется у пожилых пользователей, также можно ее включить вручную.

Кстати, обратите внимание, что наличие акселерометра вместе с гироскопом позволяет получать более точные результаты тренировок: гироскоп точно распознает такие вещи, как бег на месте или прыжки, и понимает, когда вы идете пешком, а когда бежите.

Датчик пульса

Датчик пульса — первое устройство для мобильной диагностики, появившееся в носимых гаджетах. Он предназначен для контроля сердечных ритмов в состоянии покоя и при физической нагрузке. На основании собранной статистики можно оценить состояние здоровья и понять, оптимальны ли нагрузки на тренировках или, если имеются какие-либо заболевания, сориентироваться, не пора ли обратиться к специалисту.

Измерения пульса

Датчики пульса, используемые в мобильных гаджетах, работают на основе оптической технологии — фотоплетизмографии (PPG). Смысл ее заключается в следующем. При сокращении сердечной мышцы в кровеносных сосудах изменяется кровяное давление и происходит изменение интенсивности капиллярного кровотока. Увеличившееся количество крови в сосуде поглощает больше поступающего света. Если подать поток света определенной интенсивности, то на основании прошедшего через ткань или отраженного сигнала можно сделать вывод об изменениях анализируемой среды: например, подсчитать количество «всплесков» кровотока в минуту и сделать вывод о частоте пульса.

В мобильных гаджетах подсчет пульса реализуется на основе как прошедшего через ткань света (в компактных пульсоксиметрах), так и отраженного — в «умных» часах и фитнес-браслетах. В них светодиод, размещенный на внутренней стороне устройства, испускает свет,который отражается от тканей запястья и поступает на фотодатчик, регистрирующий уровень отраженного сигнала.  

Для подсветки используется светодиод зеленого цвета (525 нм). Зеленый цвет излучения выбран потому, что является наиболее контрастным к красному цвету крови, согласно цветовому кругу Иттена, а следовательно, лучше всего поглощается. 

Связанные

Акселерометр: что это и как работает

Акселерометр — это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции.Сила, вызванная вибрацией или изменением движения (ускорением), заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который производит электрический заряд, который пропорционален приложенной к нему силе. Поскольку заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то заряд также пропорционален ускорению.

Подробнее об акселерометрах

ДАТЧИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИЛЫ Пьезоэлектрический датчик силы почти такой же жесткий, как кусок твердой стали сопоставимых размеров.Такая жесткость и прочность позволяет вставлять эти датчики непосредственно в машины как часть их конструкции.

Типы акселерометров
Существует два типа пьезоэлектрических акселерометров (датчиков вибрации). Первый тип — это акселерометр с выходом заряда с «высоким сопротивлением». В этом типе акселерометра пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами. Для вывода заряда требуются специальные приспособления и приборы, которые чаще всего встречаются в исследовательских центрах.Этот тип акселерометра также используется в высокотемпературных приложениях (> 120 ° C), где нельзя использовать модели с низким импедансом.

Второй тип акселерометра — это акселерометр с низким сопротивлением на выходе. Акселерометр с низким импедансом имеет акселерометр заряда в качестве переднего конца, но имеет крошечную встроенную микросхему и транзистор на полевом транзисторе, который преобразует этот заряд в напряжение с низким импедансом, которое может легко взаимодействовать со стандартными приборами. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности.Источник питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащее питание микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и снимает уровень смещения постоянного тока, они обычно вырабатывают выходной сигнал с нулевым значением до +/- 5 В в зависимости от Рейтинг акселерометра в мВ / г. Все акселерометры OMEGA (R) относятся к этому типу с низким импедансом.

Технические характеристики акселерометра
Динамический диапазон — это +/- максимальная амплитуда, которую акселерометр может измерить до искажения или ограничения выходного сигнала.Обычно указывается в g.

Частотная характеристика определяется массой, пьезоэлектрическими свойствами кристалла и резонансной частотой корпуса. Это частотный диапазон, в котором выходной сигнал акселерометра находится в пределах указанного отклонения, обычно +/- 5%. g 1g — ускорение свободного падения, которое составляет 32,2 фут / с2, 386 дюймов / с2 или 9,8 м / с2.

Заземление — В акселерометрах есть два типа сигнального заземления. У акселерометров с заземлением корпуса сторона низкого уровня сигнала подключена к корпусу.Поскольку корпус является частью пути прохождения сигнала и может быть прикреплен к проводящему материалу, при использовании акселерометра этого типа необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать шума от земли. У акселерометров с изоляцией от земли электрические компоненты изолированы от корпуса, и они гораздо менее восприимчивы к помехам, наводимым землей.

Верхний предел частоты — это частота, при которой выходной сигнал превышает указанное отклонение выходного сигнала. Обычно это определяется механическим резонансом акселерометра.

Отсечка по низкой частоте — это частота, при которой выходной сигнал начинает падать ниже заявленной точности. Выход не «отсекается», но чувствительность быстро уменьшается с понижением частоты.

Шум — Электронный шум генерируется схемой усиления. Шум может быть либо широкополосным (указанным в частотном спектре), либо спектральным — обозначенным на определенных частотах. Уровни шума указаны в g, т.е. 0,0025 g 2-25 000 Гц. Шум обычно уменьшается с увеличением частоты, поэтому шум на низких частотах является большей проблемой, чем на высоких частотах.

КАК ВЫБРАТЬ АКСЕЛЕРОМЕТР?
  1. 1. Какую амплитуду вибрации следует контролировать?
  2. 2. Какой частотный диапазон нужно контролировать?
  3. 3. Каков температурный диапазон установки?
  4. 4. Каков размер и форма исследуемого образца?
  5. 5. Есть ли электромагнитные поля?
  6. 6. Имеется ли поблизости высокий уровень электрических шумов?
  7. 7. Заземлили ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?
  8. 8.Является ли окружающая среда агрессивной?
  9. 9. Требуются ли в данной зоне искробезопасные или взрывозащищенные приборы?
  10. 10. Область влажная или вымытая?

Частота резонанса — это частота, на которой датчик резонирует или звонит. Измерения частоты должны быть намного ниже резонансной частоты акселерометра.

Чувствительность — это выходное напряжение, создаваемое определенной силой, измеряемой в g. Акселерометры обычно делятся на две категории — производящие 10 мВ / г или 100 мВ / г.Частота выходного переменного напряжения будет соответствовать частоте колебаний. Уровень выходного сигнала будет пропорционален амплитуде колебаний. Акселерометры с низкой выходной мощностью используются для измерения высоких уровней вибрации, а акселерометры с высокой выходной мощностью используются для измерения вибраций с низким уровнем.

Температурная чувствительность — это выходное напряжение на градус измеренной температуры. Датчики имеют температурную компенсацию, чтобы поддерживать изменение выходного сигнала в указанных пределах при изменении температуры.

Диапазон температур ограничен электронной микросхемой, которая преобразует заряд в выходной сигнал с низким сопротивлением. Обычно диапазон составляет от -50 до 120 ° C.

Другие соображения при выборе акселерометра:
Масса акселерометров должна быть значительно меньше массы контролируемой системы. Динамический диапазон акселерометра должен быть шире, чем ожидаемый диапазон амплитуды колебаний образца. Частотный диапазон акселерометра должен соответствовать ожидаемому частотному диапазону.Чувствительность акселерометра должна обеспечивать электрический выходной сигнал, совместимый с существующими приборами. Используйте акселерометр с низкой чувствительностью для измерения вибраций с высокой амплитудой и, наоборот, используйте акселерометр с высокой чувствительностью для измерения вибраций с низкой амплитудой.

Выберите правильный акселерометр

Акселерометр премиум-класса
Эти акселерометры изготовлены из отборных кристаллов премиум-класса и используют малошумную схему для создания первоклассного малошумящего акселерометра.Их корпус из нержавеющей стали 316L герметично защищен от воздействия окружающей среды, поэтому они могут выдерживать суровые промышленные условия. У них также есть варианты искробезопасности FM и CSA. ACC793 — это стандартная конфигурация верхнего кабеля, а ACC797 — низкопрофильная конфигурация бокового кабеля.

Учить больше

ПОЧЕМУ ВАМ НУЖЕН ГИРОГРАФ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

Bowflex SelectTech 560® (ST560) — это «умная» гантель, тренажер со встроенными датчиками и обработкой, обеспечивающими обратную связь во время тренировки.ST560 имеет инерциальный измерительный блок (IMU) для определения движения устройства. Пользовательские алгоритмы преобразуют необработанные данные о движении в информацию о качестве и скорости повторения упражнения, а также позволяют устройству подсчитывать успешные повторения. Эти знания можно использовать для повышения эффективности тренировки, а также в качестве простого метода записи завершенных тренировок. Он также может сделать эту информацию доступной в социальных сетях для неформального соревнования с друзьями.Компания Simplexity Product Development активно участвовала в разработке ST560, владея большей частью встроенного программного обеспечения продукта, а также создавая все алгоритмы обработки данных, используемые для преобразования необработанных данных датчиков в ключевые показатели упражнений.

Чтобы точно объяснить, почему нужен гироскоп, я проработаю упрощенный двумерный пример движения ST560 для случая использования сгибания бицепса. В этом примере движение, которое мы рассматриваем, — это вращение устройства вокруг моего локтя.У меня длина предплечья около 14 дюймов (355 мм), и мы предположим, что я делаю повторение, которое перемещает гантель на 180 градусов чуть менее чем за одну секунду, скажем, за 800 миллисекунд (мс). Путь для анализа показан на изображении слева.

Распространенное заблуждение о таких продуктах, как ST560 и HSI Loop CPR Training Device®, состоит в том, что единственный требуемый датчик — это акселерометр. Чтобы создать жизнеспособный IMU для измерения положения устройства в свободном пространстве, критически важно иметь как 3-осевой акселерометр, так и 3-осевой гироскоп скорости.

В момент t = 0 моя рука прямо вниз. Я вращаю гантель вокруг локтя (красный кружок), пока она не поднимется прямо на t = 800 мс. Для простоты движения предположим, что я ускоряюсь половину времени (от t = 0 до t = 400 мс), а затем замедляю вторую половину (до t ​​= 800 мс).

Основная концепция устройства ST560 заключается в том, что мы хотим использовать недорогой акселерометр для измерения этого движения. Для этого мы измеряем ускорение устройства в направлениях X и Z, а затем дважды интегрируем каждый из этих сигналов, чтобы преобразовать ускорение в положение в каждом направлении.

Следующие три диаграммы показывают положение, скорость и ускорение устройства в обоих направлениях X и Z. Это дает нам первое представление о сигналах акселерометра, с которыми мы будем иметь дело.


Обратите внимание, что я добавил смещение из-за гравитационного ускорения к данным ускорения по оси Z. Акселерометры улавливают это, поэтому важно добавить.

Если вы думаете о профиле движения и помните свои базовые вычисления (ускорение — это производная скорости по времени, скорость — производная по времени от положения), эти графики должны составлять смысл.

Чтобы получить измерение положения, нам просто нужно удалить гравитационное ускорение с акселерометра Z, дважды интегрировать, и у нас есть положение. Звучит просто, правда?

Вот где начинаются сложности. Графики работают в предположении, что канал X акселерометра измеряет ускорение X, а канал Z измеряет ускорение Z. Что произойдет, если пользователь повернет устройство во время движения? На самом деле, когда я сгибаю бицепс, я стараюсь крепко сжимать гантель, что заставляет все устройство вращаться в пространстве, чтобы оставаться на одной линии с моей рукой.Таким образом, вместо того, чтобы каналы акселерометра оставались выровненными с глобальной системой отсчета, используемой для измерения движения, они фактически измеряли во вращающейся системе отсчета. На рисунке слева показано, как оси X-Z вращаются (маленькие черные стрелки) во время движения.

На рисунке ниже показано, как вращение влияет на измеренные сигналы ускорения. Измерения без поворота показаны синим цветом, а измерения с повернутой системой координат — красным.

Понятно, что эти сигналы очень разные.Чтобы взглянуть на данные с другой стороны, диаграмма слева показывает вектор ускорения X-Z на снимках каждые 100 мс во время движения. И снова синие стрелки представляют собой измерения без поворота, а красные стрелки показывают измерения из повернутой системы координат. Число возле стрелки — время, когда было произведено измерение. Обратите внимание, что при t = 0 стрелки располагаются друг над другом, поскольку локальный опорный кадр выровнен с глобальным опорным кадром.

Как ясно видно на графике, когда устройство начинает вращаться, измеренный вектор ускорения начинает вращаться от значения, которое мы хотим измерить.Если бы мы интегрировали повернутые сигналы, мы бы в конечном итоге оценили совершенно неверное положение. Фактически, с повернутыми сигналами неясно, как убрать гравитацию из измерения, поскольку мы знаем, что сигнал гравитации не является 100% -ным в измерении Z. Какую часть силы тяжести в 1 G следует вычесть из каждого измерения?

Если бы мы знали точное движение заранее, у нас был бы шанс. Однако когда мы хотим измерить общее движение чего-то вроде гантели ST560, у нас просто не хватает информации.

ВОЙДИТЕ В ГИРОСКОП!

Как вы уже догадались, решение проблемы состоит во внедрении гироскопа в конструкцию. Гироскопы скорости — стандартные компоненты в недорогих IMU сотовых телефонов. Гироскоп измеряет скорость вращения тела. При использовании в сочетании с акселерометром вы теоретически имеете всю информацию, необходимую для оценки ориентации устройства. Я говорю «теоретически», потому что с этими устройствами есть несколько практических проблем, которые усложняют ситуацию.Я обращусь к ним в следующей публикации в блоге. А пока предположим, что у нас есть идеальные сенсоры.

Поскольку я для удобства отбросил немного реальности, мы можем использовать следующий высокоуровневый алгоритм для оценки положения нашего устройства в 2D-пространстве. Шаги следующие:

  1. Когда мы не в движении, устанавливаем базовую ориентацию.
    1. Мы можем сказать, не движемся ли мы, потому что величина вектора ускорения будет равна 1,0, в то время как на сигналах гироскопа в течение некоторого времени будут нули (вам нужно выяснить, сколько времени это для вашего применение).
    2. Когда вы не в движении, вы измеряете только силу тяжести, чтобы знать, где находится нижняя сторона. В случае 2D-изображения это все, что вам нужно для определения базовой ориентации.
  2. Начиная с базовой ориентации, начните интегрирование сигналов гироскопа. Интегрированный сигнал гироскопа представляет ориентацию устройства.
  3. Измерьте сигналы на каналах акселерометра.
  4. Используя информацию об ориентации из шага 2, поверните данные акселерометра, чтобы выровнять их с глобальной системой отсчета.
  5. Вычтите сигнал силы тяжести из глобально ориентированного сигнала ускорения Z.
  6. Дважды интегрируйте глобально ориентированные сигналы ускорения, чтобы получить ускорение и занять позицию.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ КРЕДИТ!

В приведенном выше анализе и алгоритме мы сделали неявное предположение, которое может быть проблематичным в некоторых проектах. Все, что я представил до сих пор, предполагает, что акселерометр установлен в центре масс вашего устройства. Если это не так, то простое вращение устройства вызовет ускорение на датчике.Для небольших монтажных смещений и медленных вращений этот сигнал можно игнорировать. Если нет, вы можете использовать данные гироскопа, чтобы удалить этот сигнал ошибки. Для этого выполните следующие действия:

  1. Считайте сигналы гироскопа скорости напрямую (без интегрирования, мы после скорости вращения). Скорость вращения обозначена ω.
  2. Оцените угловое ускорение , взяв производную по времени сигналов гироскопа. Это можно оценить, просто вычтя предыдущее показание из текущего и разделив на время выборки.Это угловое ускорение обозначается как α.
  3. Рассчитайте линейные тангенциальные и центростремительные ускорения, вызванные вращением:

Acceltangental = α x r

, где r представляет собой расстояние от центра масс до датчика.

Accelcentripital = ω 2 / r

  1. Считайте показания акселерометров.
  2. Вычтите значения ускорения, вычисленные на шаге 3, из измеренных значений ускорения до выполнения любых вращений.
  3. Продолжайте обработку сигналов, как описано ранее.

Для Bowflex SelectTech 560 использование акселерометра и гироскопа было критически важным для создания пригодных для использования данных о местоположении. Описанный выше алгоритм лег в основу обработки наших данных. Конечно, реалии неидеальных датчиков и работы в трехмерной среде значительно усложняют ситуацию.

ПОЧЕМУ МОЖЕТ НУЖАТЬСЯ КОМПАС

Как это обычно бывает, в реальности все может быть немного сложнее.Гироскопы — не идеальные датчики. У них есть как смещение постоянного тока, так и шум в сигнале. Когда вы объединяете сигналы с такими типами ошибок, интегрированное значение дрейфует. При одновременном использовании нескольких датчиков вам понадобится какой-то алгоритм слияния датчиков (когда я это делал, я использовал расширенный фильтр Калмана). Алгоритм слияния датчиков отвечает за «стабилизацию» гироскопа. То есть оценка смещения и шума и их устранение, чтобы интегрированный сигнал не дрейфовал.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.