rejestracja parametrów ruchu obiektu przy użyciu czujników z

MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Dr hab. inż. Jan PIETRASIEŃSKI, prof. WAT
Mgr inż. Kamil DZIĘGIELEWSKI
Wojskowa Akademia Techniczna
REJESTRACJA PARAMETRÓW RUCHU OBIEKTU PRZY
UŻYCIU CZUJNIKÓW Z RODZINY MEMS
Streszczenie: W niniejszym referacie zostało zaprezentowane rozwiązanie
programowo- sprzętowe systemu, do rejestracji parametrów ruchu obiektu,
do budowy którego wykorzystano czujniki MEMS. W artykule zostały
zaprezentowane wybrane czujniki, rozwiązanie przetwarzania sygnału przy
wykorzystaniu mikroprocesora z rodziny AVR oraz zapis danych
pomiarowych na układzie pamięci FLASH.
OBJECT MANEUVER REGISTRATION USING MEMS
SENSORS
Abstract: This paper presents software/hardware solution of object
maneuver registration system based on MEMS angular rate and
acceleration sensors. Moreover chosen sensors are presented. Acquisition
and measurement data recording is explained basing on Atmel AVR
microcontroller with use of flash memory card.
Słowa kluczowe: rejestracja, parametry ruchu, czujniki
Keywords: registration, motion parameters, sensors
1. WPROWADZENIE
Określanie parametrów ruchu obiektu jest zagadnieniem znajdującym zastosowanie
w
wielu dziedzinach. Rejestracja parametrów, takich jak przyspieszenia liniowe
i prędkości kątowe, jest często wykorzystywana w celu identyfikacji parametrycznej obiektu.
Systemy do pomiaru parametrów ruchu znajdują się w wielu urządzeniach mechatronicznych.
Obiektem
takim
może
być
zarówno
pojazd,
robot
mobilny,
jak
i bezzałogowy statek latający (BSL).
W motoryzacji czujniki ruchu wykorzystywane są w systemach kontroli trakcji, układach
antykradzieżowych, jak również w systemach wykrywających zdarzenia krytyczne (kolizje,
wypadki).
Obecnie bezzałogowe statki latające używane są w takich branżach, jak [1]: organizacja
imprez
masowych,
budownictwo
drogowe,
dziennikarstwo,
geodezja
i kartografia, geologia i geotechnika, media, ochrona i monitoring, służby mundurowe,
rolnictwo i leśnictwo, teledetekcja i fotogrametria.
Układy określania parametrów ruchu obiektu są niezbędnym elementem w systemach
autopilotów BSL. Do zaprojektowania odpowiedniego algorytmu sterowania BSL potrzebne
są charakterystyki aerodynamiczne takiego obiektu, co wiąże się z potrzebą ich identyfikacji.
643
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
W związku z rosnącym zainteresowaniem systemami określania parametrów ruchu został
wykonany układ, którego zadaniem była rejestracja zmierzonych parametrów ruchu obiektu.
Pomiar parametrów ruchu wykonano poprzez umieszczenie układu mierzącego parametry
ruchu na badanym obiekcie. Dane pomiarowe z czujników, czyli wartości przyspieszeń
liniowych i prędkości kątowych w trzech osiach, przetwarzane były przez mikrokontroler,
a następnie zapisywanie na pamięci typu FLASH.
2. BUDOWA SYSTEMU
System można podzielić na następujące części: układ pomiarowy, układ przetwarzania
danych, układ akwizycji. Układem przetwarzania danych jest mikrokontroler. Informacje
pomiarowe dostarczane są do układu przetwarzania danych z układu pomiarowego oraz
zapisywane za pomocą układu akwizycji danych. Schemat ideowy systemu został
przedstawiony na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat blokowy systemu
Wykorzystane elementy
Jako
jednostka
obliczeniowa
systemu
wykorzystany
został
mikrokontroler
z Atmega32 z rodziny mikrokontrolerów AVR firmy Atmel. Poniżej przedstawione zostały
podstawowe parametry układu [2]:

częstotliwość zegara 8-16 MHz,

niskie zużycie energii (1,1 mA przy 1 MHz, 3 V zasilania w temperaturze 25°C),

zintegrowany 8-kanałowy, 10-bitowy przetwornik Analogowo- cyfrowy (A/C),

wbudowana obsługa interfejsów I2C oraz SPI.
644
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Do budowy układu pomiarowego wykorzystane zostały czujniki wykonane
w technologii MEMS (z ang. Micro Electro-Mechanical Systems). Żyroskopy wykonane
w technologii MEMS w porównaniu do żyroskopów światłowodowych, stosowanych
w komercyjnych rozwiązaniach, charakteryzują się mniejszym poborem energii, mniejszymi
wymiarami oraz niższą ceną [3]. W rozwiązaniach systemów inercyjnych znajdują
zastosowanie głównie akcelerometry elektromechaniczne oraz piezoelektryczne.
Akcelerometry piezoelektryczne charakteryzują się szerokim pasmem pomiarowym
w porównaniu do akcelerometrów elektromechanicznych, małą stabilnością oraz małą
odpornością na uszkodzenia mechaniczne. Akcelerometry MEMS charakteryzują się
niewielkimi wymiarami (rzędu kilku milimetrów) oraz dużą odpornością na uszkodzenia
mechaniczne [4].
Do pomiaru przyspieszeń liniowych wykorzystano akcelerometr Analog Devices ADXL 345.
Jest to trójosiowy akcelerometr z wyjściem cyfrowym o rozdzielczości
13 bitów. Komunikacja pomiędzy czujnikiem a mikrokontrolerem może odbywać się
zarówno z użyciem interfejsu SPI, jak i I2C. Rozdzielczość pomiarowa czujnika zależna jest
od wykorzystywanego zakresu pomiarowego (odpowiednio dla zakresów rozdzielczość
wynosi: 2g – 10 bit, 4g – 11 bit, 8g – 12 bit, 16g – 13 bit). Częstotliwość próbkowania
czujnika można zmieniać w zakresie od 6,25 Hz do 3,2 kHz [5].
Początkowo do pomiaru prędkości kątowej został wykorzystany jednoosiowy czujnik Analog
Devices ADXRS 612. Następnie system został wyposażony w dodatkowy żyroskop
dwuosiowy STMicroelectronics LPR 510AL. Zarówno ADXRS 612,
jak
i LPR 510AL są żyroskopami z wyjściem analogowym. Wybrane parametry żyroskopów
przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Wybrane parametry wykorzystanych żyroskopów [6, 7]
Parametr\Żyroskop
ADXRS 612
LPR 510 AL
Zakres pomiarowy
± 300 °/s
± 100 °/s, ± 400 °/s
Czułość
7 mV/°/s
2,5 mV/°/s, 10 mV/°/s
Prąd zasilania
0.35 mA
6,8 mA
Zasilanie
5V
3V
Do budowy układu wykorzystano zestaw uruchomieniowy z mikrokontrolerem ATmega32.
Zaletą wykorzystania takiego zestawu jest łatwość zmiany konfiguracji połączeń elementów
systemu, możliwość bezpośredniego zasilania czujników oraz rozbudowy systemu o nowe
elementy. Dodatkową zaletą jest umieszczone gniazdo kart pamięci MMC (z ang. Multi
Media Card). Wykorzystane czujniki umieszczone były również na zestawach
ewaluacyjnych, co eliminowało konieczność wykonywania dedykowanych układów płytek
drukowanych, układów zasilania, co znacznie przyspieszyło proces budowy układu
pomiarowego.
Dane pomiarowe z czujników zapisywane były na karcie pamięci Flash. Pamięć FLASH
cechuje niskie zużycie energii oraz duża wytrzymałość na uszkodzenia mechaniczne.
Zastosowanie karty pamięci umożliwia również szybkie przeniesienie danych pomiarowych
do pamięci komputera w celu dalszej analizy wyników pomiarów.
Pomiar parametrów ruchu
645
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Akwizycja próbek sygnału z żyroskopów została zrealizowana przy wykorzystaniu
wewnętrznego przetwornika A/C mikrokontrolera. Konfiguracja parametrów przetwornika,
takich jak wybór napięcia zasilania, sposób zapisu danych pomiarowych, wybór kanału
przetwornika, odbywa się poprzez zapis odpowiednich wartości do rejestru ADMUX
mikrokontrolera. Jako napięcie odniesienia wykorzystano stabilizowane źródło napięcia
zestawu ewaluacyjnego. Sterowanie pracą przetwornika (uruchomienie, wybór częstotliwości
próbkowania) odbywa się poprzez ustawienie odpowiednich wartości w rejestrze ADSCRA.
Dane pomiarowe (10 bitów) zapisywane są w dwóch rejestrach mikrokontrolera.
Odczytanie próbek z pamięci podręcznej akcelerometru odbywało się poprzez łącze cyfrowe
pracujące w interfejsie szeregowym I2C. Obsługa tego interfejsu wspomagana jest przez
mikrokontroler (w nomenklaturze firmy Atmel interfejs ten określany jest jako TWI – z ang.
Two Wire Interface). Zaletą wykorzystania interfejsu I2C jest ograniczenie ilości połączeń (do
transmisji danych wymagane są dwa przewody). Możliwa prędkość transmisji w tym
interfejsie wynosi 400 kbps [2], co umożliwia odczyt danych pomiarowych z częstotliwością
800 Hz [5].
Wymiana danych pomiędzy mikrokontrolerem a akcelerometrem opierała się na zapisie lub
odczycie wartości rejestru TWDR mikrokontrolera. W zależności od wartości rejestru TWCR
dane z rejestru TWDR były wysyłane do akcelerometru lub dane z akcelerometru były
zapisywane do TWDR. Konfiguracja parametrów transmisji, ustawień czujnika oraz dostęp do
próbek pomiarowych polegały na zapisie lub odczycie odpowiednich rejestrów danych
akcelerometru. Należy zwrócić uwagę na sposób odczytu danych pomiarowych. W użytym
akcelerometrze dane z jednego pomiaru zapisywane są w sześciu ośmiobitowych rejestrach.
Zapis oraz prezentacja danych pomiarowych
Dane pomiarowe zapisywane były przez mikrokontroler na karcie pamięci MMC,
w nowo utworzonym pliku. W poszczególnych kolumnach zapisywane były kolejno próbki
z odpowiednich czujników. Utworzenie pliku na karcie pamięci, który można odczytać
w komputerze z systemem operacyjnym Windows, wymagało zapisu danych na karcie
pamięci w formacie FAT (z ang. File Allocation Table).
Do zapisu danych w systemie FAT 32 została użyta biblioteka ze strony [8]. Biblioteka ta
służy do zarządzania danymi na karcie pamięci z użyciem mikrokontrolera z rodziny AVR.
Zapis i odczyt danych na karcie pamięci z użyciem biblioteki [8] odbywał się w oparciu
o komendy wysyłane z komputera do mikrokontrolera za pośrednictwem portu RS – 232.
W związku z tym wprowadzono modyfikacje do biblioteki w celu umożliwienia
bezpośredniego zapisu danych pomiarowych na karcie pamięci bez użycia komputera.
Opracowano program komputerowy w środowisku C++ Builder do akwizycji
i prezentacji danych pomiarowych z układu pomiarowego na ekranie komputera PC
z systemem operacyjnym Windows. Na rysunku 2 został przedstawiony graficzny interfejs
wspomnianego oprogramowania.
646
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Rys. 2. Interfejs graficzny programu do prezentacji danych pomiarowych
w trybie online
W celu weryfikacji działania systemu wykonane zostały pomiary polegające na umieszczeniu
urządzenia
na
motocyklu.
Układ
pomiarowy
został
zamontowany
w schowku pod siedzeniem kierowcy. Na rysunkach 3 i 4 zostały przedstawione odpowiednio
wykresy przyspieszeń liniowych oraz prędkości kątowych dla przyspieszenia i hamowania.
5
przyspieszenie[g]
4
3
2
y
1
x
z
0
0
10
20
30
40
50
-1
-2
-3
t [s]
Rys. 3. Wykresy przyspieszeń liniowych podczas przyspieszenia i hamowania
motocykla
647
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
60
prędkość kątowa[°/s]
40
20
giro x
0
giro y
0
10
20
30
40
50
giro z
-20
-40
-60
t [s]
Rys. 4. Wykresy prędkości kątowych podczas przyspieszenia i hamowania motocykla
Porównując wyniki pomiarów opublikowanych w pracy [9] z wynikami pomiarów
zaprezentowanymi na rysunkach 3 oraz 4, można stwierdzić poprawność działania
opracowanego systemu.
3. PODSUMOWANIE
Różnorodność czujników ruchu obecnych na runku stwarza szerokie możliwości ich
wykorzystania. Czujniki MEMS sprawdzają się w zastosowaniach mobilnych
do pomiaru parametrów ruchu obiektów, takich jak pojazdy drogowe czy BSL. Dostępność
i wybór
mikrokontrolerów
umożliwia
dobór
optymalnego
urządzania
do przetwarzania i akwizycji danych pomiarowych w opisywanym systemie.
Niskie zużycie energii, wymiary oraz masa przemawiają za użyciem opisanych czujników do
budowy taniego systemu wykorzystywanego w wielu rozwiązaniach (identyfikacja
parametrów aerodynamicznych BSL, badanie charakterystyk pojazdów).
LITERATURA
[1] http://www.robokopter.pl.
[2] Dokumentacja techniczna ATmega32 firmy Atmel, USA: Atmel, 2009.
[3] Tanenhaus M.: Miniature UMU/INS with Optimally Fused Low Drift MEMS Gyro and
Accelerometers for Applications in GPS-denied Environments, Position Location and
Navigation Symposium (PLANS), 2012.
[4] Dong Y., Zwahlen P., Nguyen A.M., Rudolf F., Stauffer J.M., High Performance
Inertial Navigation Grade Sigma- Delta MEMS Accelerometer, Mechatronics and
Automation, 2009.
[5] Dokumentacja techniczna ADXL 345 firmy Analog Devices, USA: Analog Devices,
2013.
648
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
[6] Dokumentacja techniczna ADXRS 612 firmy Analog Devices, USA: Analog Devices,
2007.
[7] Dokumentacja
techniczna
LPR510AL
firmy
STMicroelectronics,
USA:
STMicroelectronics, 2009.
[8] http://http://www.dharmanitech.com/
[9] Pietrasieński J., Rodzik D., Bużantowicz W., Miernik J., Paramuszczak K., Analiza
możliwości detekcji zdarzeń krytycznych z udziałem motocykla. Część I. Wykorzystanie
drgań i wibracji motocykla, WAT, Warszawa, 2012.
649
MECHANIK 7/2013
XVII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
650