Korzystanie z czujnika bezwładnościowego z VEX V5

Opis

Czujnik bezwładnościowy to połączenie akcelerometru 3-osiowego (X, Y i Z) i 3-osiowego żyroskopu. Akcelerometr wykryje zmianę ruchu (przyspieszenie) w dowolnym kierunku, a żyroskop elektronicznie utrzymuje pozycję odniesienia, dzięki czemu może mierzyć obrotową zmianę pozycji w dowolnym kierunku względem tego odniesienia.

Połączenie tych dwóch urządzeń w jednym czujniku pozwala na efektywną i dokładną nawigację, a także kontrolowanie wszelkich zmian w ruchu robota. Wykrycie zmiany ruchu może pomóc zmniejszyć ryzyko przewrócenia się robota podczas jazdy lub wspinania się po przeszkodzie.

Obudowa tego czujnika posiada pojedynczy otwór montażowy, który pozwala na łatwy montaż go do konstrukcji robota. Dodatkowo przed otworem montażowym znajduje się niewielkie wcięcie wyznaczające punkt odniesienia czujnika. Na spodzie obudowy znajduje się okrągła wypustka dostosowana do włożenia w kwadratowy otwór w kawałku blachy konstrukcyjnej. Dzięki temu czujnik będzie zamocowany w punkcie mocowania. Z tyłu obudowy czujnika znajduje się inteligentny port V5.

Punkt odniesienia czujnika	Okrągły występ na spodzie obudowy

Na obudowie obok otworu montażowego znajduje się schemat, który wskazuje orientację osi czujnika bezwładnościowego.

Aby czujnik inercyjny współpracował z V5 Brain, inteligentny port V5 czujnika i inteligentny port V5 Brain muszą być połączone za pomocą kabla V5 Smart Cable. Czujnik inercyjny będzie współpracował z dowolnym z 21 inteligentnych portów w mózgu. Podłączając kabel Smart Cable V5 do portów, upewnij się, że złącze kabla jest całkowicie włożone do portu i zatrzask blokujący złącza jest całkowicie zatrzaśnięty.

Czujnik bezwładnościowy V5	Inteligentny port czujnika bezwładności	V5 Brain Smart Port

Jak działa czujnik bezwładnościowy

Zarówno część akcelerometru, jak i część żyroskopu tego czujnika wytwarzają inteligentny sygnał zwrotny do mózgu V5.

Akcelerometr: Akcelerometr mierzy, jak szybko czujnik zmienia swój ruch (przyspiesza) wzdłuż osi X, osi Y i/lub osi Z. Osie te są określone przez orientację czujnika inercyjnego. Na przykład jedna orientacja może obejmować oś X robota jako ruch do przodu i do tyłu, oś Y jako ruch z boku na bok i oś Z jako ruch w górę i w dół (np. robot podnoszący się z góry) pole na drążku podwieszanym).

Akcelerometr mierzy zmianę ruchu, gdy jego wewnętrzna elektronika wykryje zmianę bezwładności, co powoduje zmianę jego odczytu. Im szybsza zmiana ruchu, tym bardziej zmienia się odczyt. Uwaga: Może to być większa wartość dodatnia lub większa wartość ujemna, w zależności od kierunku ruchu wzdłuż osi.

Przyspieszenie mierzy się w g (jednostka przyspieszenia grawitacyjnego). Maksymalny limit pomiaru dla części akcelerometru czujnika bezwładnościowego wynosi do 4g. To więcej niż wystarcza do pomiaru i kontrolowania większości zachowań robotów.

Żyroskop: Żyroskop zamiast mierzyć ruch liniowy wzdłuż 3 osi, mierzy ruch obrotowy wokół 3 osi. Czujnik mierzy ten obrót, gdy wewnętrzna elektronika tworzy stały punkt odniesienia. Gdy czujnik obraca się od tego punktu odniesienia, zmienia się sygnał wyjściowy.

Ustalenie przez żyroskop punktu odniesienia (kalibracja) zajmuje krótką chwilę. Nazywa się to powszechnie czasem inicjalizacji lub uruchamiania. (Uwaga: zaleca się użycie 2 sekund na kalibrację lub rozpoczęcie kalibracji czujnika w części szablonu zawodów przed automatyczną. W przypadku korzystania z czujnika w ramach funkcji układu napędowego VEXcode V5/VEXcode Pro V5 funkcja ta uwzględnia kalibrację.)

Żyroskop elektroniczny ma również maksymalną prędkość obrotową. Oznacza to, że jeśli obiekt mierzony przez czujnik wiruje szybciej, niż żyroskop jest w stanie zmierzyć jego obrót, czujnik zwróci nieprawidłowe odczyty. Maksymalna prędkość obrotowa czujnika bezwładnościowego wynosi do 1000 stopni/sekundę. Po raz kolejny jest to więcej niż wystarczające do pomiaru i kontrolowania wszystkich zachowań robotów oprócz ekstremalnych.

Oś oznaczona na czujniku bezwładnościowym	3 osie	3 Oś obrotowa

Czujnik bezwładnościowy należy sparować z językiem programowania, takim jak VEXcode V5lub VEXcode Pro V5, aby utworzyć program użytkownika dla V5 Brain, który będzie wykorzystywał odczyty czujnika do sterowania zachowaniem robota.

V5 Brain w połączeniu z programem użytkownika może być używany do konwertowania odczytów czujnika bezwładnościowego na wiele pomiarów, w tym: kurs, wielkość obrotu, prędkość obrotu, orientację i wartość przyspieszenia.

Umiejscowienie czujnika bezwładnościowego

Umiejscowienie czujnika bezwładnościowego jest bardzo ważne dla jego dokładnych odczytów. Jak wspomniano wcześniej, istotne jest ustawienie czujnika bezwładnościowego wzdłuż osi, w której robot będzie doświadczał zmiany ruchu. To ustawienie określa sposób, w jaki czujnik generuje pomiary w odniesieniu do orientacji przestrzennej robota. Pomiary te umożliwiają programowi użytkownika zmianę zachowania robota.

Może zaistnieć odosobniony przypadek, w którym czujnik bezwładnościowy zostanie umieszczony na zewnętrznym komponencie robota, ale w większości zastosowań czujnik zostanie umieszczony na podwoziu układu napędowego.

Czujnik bezwładnościowy zawsze dostosowuje swoją orientację podczas kalibracji, tak aby pomiar obrotu był taki sam. Umożliwia to umieszczenie czujnika w dowolnej z 6 możliwych pozycji montażowych.

Sześć możliwych pozycji montażowych czujnika bezwładnościowego

Odczyt wartości czujnika bezwładnościowego: Pomocne jest skorzystanie z ekranu Informacje o urządzeniu w V5 Brain, aby zobaczyć wartości zwracane przez czujnik bezwładnościowy. Można to zrobić za pomocą czujnika podłączonego do mózgu poprzez:

Poruszaj czujnikiem bezwładnościowym do przodu i do tyłu, z boku na bok, w górę i w dół oraz obracaj go w różnych kierunkach. Powinno to zmienić wartości na ekranie i obrócić trójwymiarową kostkę.

Typowe zastosowania czujnika bezwładnościowego:

Czujnik bezwładnościowy może generować kilka pomiarów, które można wykorzystać do zmiany zachowania robota. Niektóre z nich obejmują:

Kurs: Gdy czujnik bezwładnościowy jest używany do przemieszczania robota w kierunku, robot porusza się do ustalonego kursu w odniesieniu do punktu ustalonego podczas kalibracji czujnika. Innymi słowy, jeśli robot jest ustawiony na kurs 90^o od pozycji początkowej, nie ma znaczenia, czy robot ma aktualny kurs 45^o czy 120^o, obróci się aby osiągnąć kurs 90^o.

Stopień obrotu: W przeciwieństwie do wartości kursu, wielkość obrotu powoduje, że robot obraca się o pewien stopień w stosunku do swojej bieżącej orientacji. W tym przypadku, jeśli robot obróci się o 90^o , a następnie ponownie obróci się o 90^o , to jego pozycja wyjściowa będzie wynosić 180^o.

Szybkość obrotu: Szybkość obrotu to prędkość obracania się robota. Niezależnie od tego, czy robot skręca w określonym kierunku, czy też obraca się o pewien obszar, prędkość, z jaką obracają się koła napędowe, określi szybkość, z jaką robot się obraca. Niektóre jednostki używane do pomiaru tego to stopnie na sekundę (dps) i obroty na minutę (rpm).

Przyspieszenie: Jak wspomniano wcześniej, czujnik bezwładnościowy może mierzyć przyspieszenie, czyli szybkość zmiany ruchu robota wzdłuż osi. Co ciekawe, gdy robot jest nieruchomy, jego przyspieszenie na boki oraz przyspieszenie do przodu i do tyłu będzie wynosić 0 g, ale przyspieszenie robota w górę i w dół będzie wynosić 1 g, ponieważ grawitacja Ziemi wywiera na robota siłę 1 g.

Wahadło: Ciekawym ćwiczeniem w klasie jest zamontowanie czujnika bezwładnościowego na długim kawałku metalu konstrukcyjnego, a następnie przymocowanie drugiego końca do nieruchomej wieży za pomocą wału lub śruby pasowanej, aby mógł on odchylać się w dół jak wahadło. Następnie podłącz długi inteligentny kabel pomiędzy mózgiem/systemem sterowania V5 a czujnikiem. Zaprogramuj V5 Brain tak, aby drukował wartości przyspieszenia czujnika na kolorowym ekranie dotykowym Brain. Niech uczniowie zbadają, w jaki sposób kołysanie czujnikiem bezwładności na końcu wahadła zmienia wartości czujnika.

Upadkowy Robot

Robot Tumble: Kolejną zabawną zabawą w klasie jest poproszenie uczniów o złożenie robota Tumble. Robot bębnowy został zaprojektowany tak, aby móc jeździć zarówno do góry nogami, jak i prawą stroną do góry. Poproś uczniów, aby napisali program użytkownika wykorzystujący czujnik inercyjny do nawigacji po ścieżce. Następnie poproś ich, aby sprawdzili, jak zmienia się zachowanie robota, gdy jedzie do góry nogami.

Zastosowania czujnika bezwładnościowego w robocie konkursowym:

Czujnik inercyjny zapewni dużą przewagę konkurencyjną robotom wyczynowym. Niektóre z tych zastosowań obejmują:

Nawigacja: Oprócz ustawiania kursów lub wielkości obrotu robota, odczyty czujnika bezwładnościowego mogą zostać wykorzystane do zaprogramowania robota tak, aby poruszał się po linii prostej wzdłuż danego kursu. Jest to szczególnie przydatne podczas autonomicznej części meczu lub podczas biegu Umiejętności Programowania. Ponadto, dzięki zastosowaniu matematyki wyższego rzędu, możliwe jest wykorzystanie wartości przyspieszenia do napisania funkcji, która może określić zmianę położenia robota.

Stabilność: Być może jedną z najbardziej przygnębiających rzeczy jest widok robota leżącego na boisku po tym, jak się przewrócił. Czujnika bezwładnościowego można używać zarówno w okresach kontrolowanych przez operatora, jak i w okresach autonomicznych, aby wykryć, czy robot zaczyna się przewracać, a następnie program użytkownika może zmusić robota do podjęcia automatycznej akcji korygującej. Może to mieć miejsce, gdy robot jedzie w pełni wysunięty lub gdy robot próbuje wspiąć się na przeszkodę.

Bez względu na to, do czego zostanie użyty czujnik bezwładnościowy VEX, nie ma wątpliwości, że będzie on mile widzianym nabytkiem dla zespołów. Funkcja wartości czujnika jest otwarta dla wyobraźni użytkownika.

Czujnik bezwładnościowy jest dostępny na stronie internetowej VEX.