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六轴电子罗盘与加速度计感测器开发应用

六轴电子罗盘与加速度计感测器开发应用

2013/9/26 15:11:46
      目前台湾机器人研究正处于蓬勃发展阶段,许多自主性移动机器人所需要的感测器也日益增加,例如:为了能让机器人定位、避障、自主平衡,就会用到如超音波感测器、陀螺​​仪、加速度计、电子罗盘等等。 感测器的应用面广泛,种类也相当多(烟雾、煤气、压力、光线…),我们主要是藉由感测器上回传的数据来调整机器人的动作,使他们对外在的变化有适当的反应,进而增加其互动性、娱乐性与安全性。 本文将介绍如何使用RoBoard RB-110搭配RM-G144来量测6轴方向的磁场与加速度,求得目前位置在空间中的姿态,使机器人能得知目前与北方的夹角(方位角)之外,亦能得知俯角与旋转角。
RM-G144简介
      RM-G144为六轴电子罗盘与加速度计模组,使用一颗量测3轴加速度的ADXL345,以及一颗量测3轴磁力场的电子罗盘HMC5843,模组上除了感测晶片外,周围还多加了保护电路,可避免电压接错而误将感测晶片烧毁的情况发生(内部电路短路则不在此范围)。
      整个RM-G144大小为2cm x 2cm,以I2C介面通讯,最高传输速度可达400 kbps,具双向对接插座,可串联相同介面的sensor,并具有2个固定孔。 电压输入为DC 5V,下图1为RM-G144外观,对外连接脚位1~6分别是5V、GND、SCL、SDA、RESEVERED、RESERVERED。 图2为RB-110连接RM-G144的方式(红圈处为RB-110的I2C输出埠)。

图1 RM-G144外观(TOP面)

RB-110连接RM-G144

      图2 RB-110连接RM-G144利用RM-G144计算方位角在我们可以用RM-G144量测到三轴磁力的强度与三轴重力的大小之后,便   能进一歩利用这些数值得到罗盘的方位角。 本文中,方位角定义为Compass座标系的Yh轴(见图5,Yh可视为指南针的指针)与北极所夹的角度,若方位角0度即是正北方,90度即是正东方,180度即南方,270度即是正西方。 需要注意的是,Compass的座标系与G-sensor的座标系是相反的,如图3所示。
       RM-G144上两感测晶片的座标系图3 RM-G144上两感测晶片的座标系在说明如何计算罗盘的方位角之前,我们先简单地概述地球磁场的分布。
      地球的磁极及磁力线分布如图4所示,地球磁场的南北极与地理的南北极是有些偏离的,在这里我们所讲的南北极是指地磁的南北极,不要跟地理的南北极搞混了。 而地磁的南北极是会随时间而改变的。 在2001年时,地磁的北极在北纬81.3度、西经110.8度的位置。 而2005年时,地磁的北极转移到北纬82.7度、西经114.4度。 所以我们利用RM-G144所得到的方位角是指向地磁北极的角度,如果要得到指向地理北极的角度,需要再进一步的作换算,在此我们不讨论这个部份。
       地球磁极与磁力线分布图4 地球磁极与磁力线分布计算Compass水平时的方位角接着,我们开始介绍方位角的计算。 当RM-G144在保持水平的情形下,图5的Yh轴与Compass的Y轴是叠合的,因此我们可以从HMC5843上读取X轴与Y轴磁力,再直接利用C语言函式库里的atan2函数(arctan)做计算,便可以得到方位角的角度。 
      但是,当RM-G144不是水平的时候,方位角的计算方式便不是如此。 如图六所示,RM-G144倾斜时,我们必须求得C​​ompass的磁力分量在水平面上的投影(Xh与Yh)。 因此,我们必须先算出roll跟pitch角

在Compass座标系上p​​itch与roll的示意图

      图5 在Compass座标系上p​​itch与roll的示意图小结撷取RM-G144所回传的3轴磁力与重力加速度,再透过公式来计算方位角,就可以得到它在空间中的姿态,若将它装设于机器人身上,不仅可正确量测本身与北方的夹角,亦可测得在该点上机器人的roll与pitch角度,对机器人(或任何移动的物体)在行进方向的判定上是一个良好的解决方案。
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