Beschreibung
Der Inertialsensor ist eine Kombination aus einem 3-Achsen-Beschleunigungsmesser (X, Y und Z) und einem 3-Achsen-Gyroskop. Der Beschleunigungsmesser erkennt eine Bewegungsänderung (Beschleunigung) in jede Richtung und das Gyroskop behält elektronisch eine Referenzposition bei, sodass es eine rotatorische Positionsänderung in jede Richtung anhand dieser Referenz messen kann.
Die Kombination dieser beiden Geräte in einem Sensor ermöglicht eine effektive und genaue Navigation sowie die Steuerung jeglicher Bewegungsänderungen eines Roboters. Die Erkennung einer Bewegungsänderung kann dazu beitragen, das Risiko zu verringern, dass ein Roboter beim Fahren oder beim Überwinden eines Hindernisses umfällt.
Das Gehäuse dieses Sensors verfügt über ein einziges Montageloch, das eine einfache Montage an der Roboterstruktur ermöglicht. Zusätzlich befindet sich vor dem Montageloch eine kleine Vertiefung, die den Referenzpunkt des Sensors markiert. Auf der Unterseite des Gehäuses befindet sich ein runder Vorsprung, der so dimensioniert ist, dass er in ein quadratisches Loch eines Stücks Strukturmetall eingesetzt werden kann. Dadurch bleibt der Sensor an seinem Befestigungspunkt fixiert. Auf der Rückseite des Sensorgehäuses befindet sich ein V5 Smart Port.
| Bezugspunkt des Sensors | Runder Zapfen an der Unterseite des Gehäuses |
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Auf dem Gehäuse neben dem Montageloch befindet sich ein Diagramm, das die Ausrichtung der Achse für den Trägheitssensor angibt.
Damit der Inertialsensor mit dem V5 Brain funktioniert, müssen der V5 Smart Port des Sensors und der Smart Port eines V5 Brain mit einem V5 Smart Cable verbunden werden. Der Trägheitssensor funktioniert mit jedem der 21 Smart Ports im Gehirn. Stellen Sie beim Anschließen eines V5 Smart Cable an die Anschlüsse sicher, dass der Stecker des Kabels vollständig in den Anschluss eingesteckt ist und die Verriegelungslasche des Steckers vollständig eingerastet ist.
| V5 Trägheitssensor | Intelligenter Port für Trägheitssensoren | V5 Brain Smart Port |
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So funktioniert der Trägheitssensor
Sowohl der Beschleunigungsmesserteil als auch der Gyroskopteil dieses Sensors erzeugen eine intelligente Signalrückmeldung an das V5-Gehirn.
Beschleunigungsmesser: Der Beschleunigungsmesser misst, wie schnell der Sensor seine Bewegung entlang der X-Achse, der Y-Achse und/oder der Z-Achse ändert (beschleunigt). Diese Achsen werden durch die Ausrichtung des Inertialsensors bestimmt. Beispielsweise könnte eine Ausrichtung die X-Achse eines Roboters als Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, seine Y-Achse als Seitwärtsbewegung und seine Z-Achse als Auf- und Abwärtsbewegung haben (z. B. wenn sich der Roboter selbst abhebt). das Feld an einer Aufhängestange).
Der Beschleunigungsmesser misst eine Bewegungsänderung, wenn seine interne Elektronik eine Änderung der Trägheit erkennt und dies zu einer Änderung seines Messwerts führt. Je schneller die Bewegungsänderung, desto stärker ändert sich der Messwert. Hinweis: Abhängig von der Richtung der Bewegung entlang der Achse kann es sich um einen größeren positiven oder einen größeren negativen Wert handeln.
Die Beschleunigung wird in g (Einheit der Erdbeschleunigung) gemessen. Die maximale Messgrenze für den Beschleunigungsmesserteil des Trägheitssensors beträgt bis zu 4 g. Dies ist mehr als genug, um die meisten Roboterverhalten zu messen und zu steuern.
Gyroskop: Das Gyroskop misst nicht die lineare Bewegung entlang der 3-Achse, sondern die Rotationsbewegung um die 3-Achse. Der Sensor misst diese Drehung, wenn die interne Elektronik einen festen Referenzpunkt schafft. Wenn sich der Sensor von diesem Referenzpunkt weg dreht, ändert sich das Ausgangssignal.
Es dauert eine kurze Zeit, bis ein Gyroskop seinen Referenzpunkt ermittelt (Kalibrierung). Dies wird üblicherweise als Initialisierungs- oder Startzeit bezeichnet. (Hinweis: Es wird empfohlen, 2 Sekunden für die Kalibrierungszeit zu verwenden oder die Kalibrierung des Sensors innerhalb des Pre-Auton-Teils der Wettbewerbsvorlage zu starten. Bei Verwendung des Sensors innerhalb der Antriebsstrangfunktionen VEXcode V5/VEXcode Pro V5 ist die Kalibrierung in der Funktion enthalten.)
Ein elektronisches Gyroskop hat auch eine maximale Rotationsgeschwindigkeit. Das heißt, wenn sich das vom Sensor gemessene Objekt schneller dreht, als das Gyroskop seine Drehung messen kann, gibt der Sensor falsche Messwerte zurück. Die maximale Rotationsgeschwindigkeit des Trägheitssensors beträgt bis zu 1000 Grad/Sekunde. Auch dies ist mehr als genug, um alle außer extremen Roboterverhalten zu messen und zu steuern.
| Achse auf Trägheitssensor beschriftet | 3 Achsen | 3 Rotationsachse |
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Der Trägheitssensor muss mit einer Programmiersprache wie VEXcode V5oder VEXcode Pro V5 gekoppelt werden, um ein Benutzerprogramm für das V5 Brain zu erstellen, das die Messwerte des Sensors zur Steuerung des Verhaltens des Roboters nutzt.
Das V5 Brain kann in Verbindung mit einem Benutzerprogramm verwendet werden, um die Messwerte des Trägheitssensors in viele Messwerte umzuwandeln, darunter: einen Kurs, eine Rotationsmenge, eine Rotationsrate, eine Ausrichtung und eine Beschleunigungsmenge.
Platzierung des Trägheitssensors
Die Platzierung des Trägheitssensors ist für seine genauen Messwerte sehr wichtig. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, den Trägheitssensor entlang der Achse auszurichten, an der der Roboter eine Bewegungsänderung erfährt. Diese Ausrichtung bestimmt, wie der Sensor Messungen in Bezug auf die räumliche Ausrichtung des Roboters erzeugt. Diese Messungen ermöglichen es dem Benutzerprogramm, das Verhalten des Roboters zu ändern.
Es mag einen Einzelfall geben, in dem ein Trägheitssensor an der externen Komponente eines Roboters angebracht wird, aber für die meisten Anwendungen wird der Sensor am Chassis des Antriebsstrangs angebracht.
Der Trägheitssensor passt bei der Kalibrierung immer seine Ausrichtung an, sodass die Rotationsmessung gleich ist. Dadurch kann der Sensor in jeder der 6 möglichen Montagepositionen platziert werden.
| Sechs mögliche Montagepositionen für den Inertialsensor |
Werte des Trägheitssensors lesen: Es ist hilfreich, den Bildschirm „Geräteinfo“ auf dem V5 Brain zu verwenden, um die Werte anzuzeigen, die der Trägheitssensor zurückgibt. Dies kann mit dem an das Gehirn angeschlossenen Sensor folgendermaßen erfolgen:
Entfernen Sie die magnetische Displayschutzfolie des V5 Brain, schalten Sie das Brain ein und berühren Sie das Gerätesymbol.
Berühren Sie das Trägheitssensor-Symbol auf dem Bildschirm „Geräteinformationen“.
Berühren Sie den Kalibrierrahmen auf dem Trägheitsbildschirm.
Bewegen Sie den Trägheitssensor vorwärts und rückwärts, seitwärts, auf und ab und drehen Sie ihn in verschiedene Richtungen. Dadurch sollten sich die Werte auf dem Bildschirm ändern und der 3D-Würfel rotieren.
Häufige Verwendungszwecke des Trägheitssensors:
Der Inertialsensor kann mehrere Messungen erzeugen, die zur Änderung des Verhaltens des Roboters verwendet werden können. Einige davon umfassen:
Kurs: Wenn der Trägheitssensor verwendet wird, um den Roboter auf einen Kurs zu bewegen, bewegt er sich auf einen festen Kurs in Bezug auf einen Punkt, der bei der Kalibrierung des Sensors festgelegt wurde. Mit anderen Worten: Wenn der Roboter von seiner Startposition aus auf einen Kurs von 90o eingestellt ist, spielt es keine Rolle, ob der Roboter einen aktuellen Kurs von 45o oder einen Kurs von 120ohat, er wird sich drehen um eine Überschrift von 90ozu erreichen.
Rotationsbetrag: Im Gegensatz zum Kurswert bewirkt der Rotationsbetrag, dass sich der Roboter um einen bestimmten Betrag von seiner aktuellen Ausrichtung dreht. Wenn sich der Roboter in diesem Fall um 90° dreht und sich dann erneut um 90 °° dreht, befindet er sich bei 180° in seiner Ausgangsposition.
Rotationsrate: Die Rotationsrate gibt an, wie schnell sich der Roboter dreht. Unabhängig davon, ob sich der Roboter in eine bestimmte Richtung oder um einen bestimmten Betrag dreht, bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sich die Antriebsräder drehen, wie schnell sich der Roboter dreht. Die zur Messung verwendeten Einheiten sind beispielsweise Grad pro Sekunde (dps) und Umdrehungen pro Minute (rpm).
Beschleunigung: Wie bereits erwähnt, kann der Inertialsensor die Beschleunigung messen, also wie schnell der Roboter seine Bewegung entlang einer Achse ändert. Interessanterweise beträgt die Seitwärts- und Vorwärts- und Rückwärtsbeschleunigung des Roboters im stationären Zustand 0 g, die Auf- und Abwärtsbeschleunigung des Roboters beträgt jedoch 1 g, da die Schwerkraft der Erde eine Kraft von 1 g auf den Roboter ausübt.
Pendel: Eine interessante Unterrichtsaktivität besteht darin, einen Trägheitssensor an einem langen Stück Strukturmetall zu montieren und dann das andere Ende mit einem Schaft oder einer Schulterschraube an einem stationären Turm zu befestigen, damit er wie ein Pendel nach unten schwingen kann. Als nächstes befestigen Sie ein langes Smart Cable zwischen einem V5 Brain/Control System und dem Sensor. Programmieren Sie das V5 Brain so, dass die Beschleunigungswerte des Sensors auf dem Farb-Touchscreen des Brain gedruckt werden. Lassen Sie die Schüler untersuchen, wie das Schwingen des Trägheitssensors am Ende des Pendels die Werte des Sensors verändert.
| Tumble-Roboter |
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Tumble Robot: Eine weitere unterhaltsame Unterrichtsaktivität besteht darin, die Schüler einen Tumble Robot zusammenbauen zu lassen. Ein Tumble-Roboter ist so konzipiert, dass er sowohl kopfüber als auch mit der rechten Seite nach oben fahren kann. Lassen Sie die Schüler ein Benutzerprogramm schreiben, das den Trägheitssensor verwendet, um auf einem Pfad zu navigieren. Lassen Sie sie dann untersuchen, wie sich das Verhalten des Roboters ändert, wenn er kopfüber fährt.
Einsatzmöglichkeiten des Trägheitssensors bei einem Wettkampfroboter:
Der Trägheitssensor wird Wettbewerbsrobotern einen großen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Zu diesen Verwendungszwecken zählen unter anderem:
Navigation: Zusätzlich zum Festlegen der Richtung oder der Drehung des Roboters können die Messwerte des Trägheitssensors verwendet werden, um den Roboter so zu programmieren, dass er sich in einer geraden Linie entlang einer bestimmten Richtung bewegt. Dies ist besonders hilfreich während des autonomen Teils eines Spiels oder während eines Programming Skills-Laufs. Durch den Einsatz höherer Mathematik ist es außerdem möglich, die Beschleunigungswerte zum Schreiben einer Funktion zu verwenden, die die Positionsänderung des Roboters bestimmen kann.
Stabilität: Eines der vielleicht entmutigendsten Dinge ist es, zu sehen, wie der Roboter ausgestreckt auf dem Spielfeld liegt, nachdem er umgekippt ist. Der Trägheitssensor kann sowohl während bedienergesteuerter als auch autonomer Phasen verwendet werden, um zu erkennen, ob der Roboter zu kippen beginnt, und dann kann das Benutzerprogramm den Roboter veranlassen, eine automatische Korrekturmaßnahme durchzuführen. Dies kann passieren, während der Roboter vollständig ausgefahren fährt oder während der Roboter versucht, ein Hindernis zu überwinden.
Unabhängig von der Anwendung, für die der VEX-Trägheitssensor verwendet wird, besteht kein Zweifel, dass er für Teams eine willkommene Ergänzung sein wird. Die Funktion der Sensorwerte bleibt der Fantasie des Benutzers überlassen.
Der Trägheitssensor ist auf der VEX-Websiteverfügbar.