Как использовать инерциальный измерительный прибор?: 6 шагов

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:04

Контекст:

Я создаю для развлечения робота, которого хочу автономно перемещать внутри дома.

Это долгая работа, и я делаю ее постепенно.

Я уже опубликовал 2 инструкции по этой теме:

• один о создании колесного энкодера
• один о подключении к Wi-Fi

Мой робот приводится в движение двумя двигателями постоянного тока с помощью моего самодельного энкодера.

В настоящее время я улучшаю управление движением и потратил некоторое время на гироскоп, акселерометр и IMU. С удовольствием поделюсь этим опытом.

Хотите узнать больше о локализации? Вот статья о том, как объединить искусственный интеллект и ультразвук для локализации робота.

Шаг 1. Зачем использовать инерциальный измерительный прибор?

Так почему я использовал ИДУ?

Первая причина заключалась в том, что если колесный энкодер достаточно точен для управления прямым движением, даже после настройки я не смог получить точность вращения менее + - 5 градусов, а этого недостаточно.

Итак, я попробовал 2 разных датчика. Сначала использую магнитометр (LSM303D). Принцип был прост: перед вращением получите ориентацию на север, вычислите цель и отрегулируйте движение, пока цель не будет достигнута. Было немного лучше, чем с кодировщиком, но со слишком большой дисперсией. После этого попробовал воспользоваться гироскопом (L3GD20). Принцип заключался в том, чтобы просто интегрировать скорость вращения, обеспечиваемую датчиком, для вычисления вращения. И все работало нормально. Я смог контролировать вращение на + - 1 градус.

Тем не менее мне было любопытно попробовать немного ИДУ. Выбираю компонент BNO055. Я потратил некоторое время на то, чтобы разобраться и протестировать этот IMU. В итоге я решил выбрать именно этот датчик по следующим причинам.

• Я могу управлять вращением так же хорошо, как и с L3GD20
• Я могу заметить небольшое вращение при движении прямо
• Мне нужно получить ориентацию на север для определения местоположения робота, а калибровка компаса BNO055 очень проста.

Шаг 2: Как использовать BNO055 для 2D-локализации?

BNO055 IMU - это 9-осевой интеллектуальный датчик Bosch, обеспечивающий абсолютную ориентацию.

В техническом описании представлена полная документация. Это высокотехнологичный компонент, это довольно сложный продукт, и я потратил несколько часов, чтобы узнать, как он работает, и попробовать разные способы его использования.

Думаю, было бы полезно поделиться этим опытом.

Сначала я использовал библиотеку Adafruit, которая предоставляет хороший инструмент для калибровки и обнаружения датчика.

В конце и после множества тестов я решил

• использовать библиотеку Adafruit только для сохранения калибровки
• использовать 3 всех возможных режима BNO055 (NDOF, IMU, Compss)
• выделить Arduino Nano для вычисления локализации на основе измерений BNO055

Шаг 3. Аппаратная точка Vue

BNO055 - это компонент I2C. Таким образом, для связи требуется источник питания, SDA и SCL.

Просто следите за тем, чтобы напряжение Vdd соответствовало купленному вами продукту. Чип Bosch работает в диапазоне: от 2,4 В до 3,6 В, и вы можете найти компоненты на 3,3 и 5 В.

С подключением Nano и BNO055 сложностей нет.

• BNO055 питается от Nano
• SDA и SCL подключаются с помощью подтягивающих резисторов 2 x 2 кОм.
• 3 светодиода подключены к Nano для диагностики (с резисторами)
• 2 разъема для определения режима после загрузки
• 1 разъем к BNO (Gnd, Vdd, Sda, Scl, Int)
• 1 разъем к роботу / Mega (+ 9V, Gnd, sda, Scl, Pin11, Pin12)

Немного пайки и все!

Шаг 4: Как это работает?

Из точки связи vue:

• Nano - мастер шины I2C
• Робот / Мега и BNO055 - подчиненные устройства I2C.
• Nano постоянно читает регистры BNO055
• Робот / Мега выдает числовой сигнал, чтобы запросить слово от Nano.

С точки зрения расчетов: Nano в сочетании с BNO055 обеспечивает

• Курс компаса (используется для локализации)
• Относительный заголовок (используется для управления поворотами)
• Абсолютный курс и позиция (используются для управления ходами)

С функциональной точки зрения: Нано:

• управляет калибровкой BNO055
• управляет параметрами и командами BNO055

Подсистема Nano & BNO055:

• вычислить для каждого колеса робота абсолютный курс и местоположение (с коэффициентом масштабирования)
• вычислить относительный курс во время вращения робота

Шаг 5: Архитектура и программное обеспечение

Основное программное обеспечение работает на Arduino Nano

• Архитектура основана на коммуникации I2C.
• Я решил выделить Nano из-за того, что Atmega, которая запускает робота, была уже загружена, и эта архитектура упрощает повторное использование в другом месте.
• Nano считывает регистры BNO055, вычисляет и сохраняет заголовок и локализацию в своих собственных регистрах.
• Arduino Atmega, которая запускает код робота, отправляет информацию кодировщика колес в Nano и считывает заголовки и локализацию внутри регистров Nano.

Код подсистемы (Nano) доступен здесь, на GitHub

Инструмент калибровки Adafruit, если здесь, на GitHub (калибровка будет храниться в eeproom)

Шаг 6: Что я узнал?

Что касается I2C

Сначала я попытался установить 2 мастера (Arduino) и 1 подчиненный (датчик) на одной шине, но в конце можно и проще всего установить только Nano в качестве главного и использовать GPIO-соединение между двумя Arduino для «запроса токена»..

Относительно BNO055 для 2D-ориентации

Я могу сконцентрироваться на трех различных режимах работы: NDOF (объединить гироскоп, акселерометр и Compas), когда робот находится в режиме ожидания, IMU (объединить гироскоп, акселерометр), когда робот движется, и Compass во время фазы локализации. Переключение между этими режимами выполняется легко и быстро.

Чтобы уменьшить размер кода и сохранить возможность использования прерывания BNO055 для обнаружения коллизий, я предпочитаю не использовать библиотеку Adafruit и делать это самостоятельно.