加速度センサー

ラジコンヘリコプター又は飛行機用のパーツでジャイロセンサーなるものがあります。ラジコンヘリなどは飛んでいる時に風の影響をうけますが、操縦者には遠くにいるヘリがどちらから風を受けているかわかりません。この時にジャイロセンサーがヘリ自体の動きを検出してＲＣサーボを補正する信号を生成します。このようにジャイロセンサーは外部から加わる力を検出し、自動で補正をかける役割をしますが、１軸のもので一万円〜、２軸になると３万円〜と高価です。また、出力はＲＣサーボを補正するための波形が出るのでマイコンなどでセンサー出力を取ろうとする場合ジャイロセンサーの出力波形を知っている必要があります。
ジャイロセンサーの中には角速度センサー素子又は加速度センサー素子が入っています。これに外部回路を追加してＲＣサーボを補正しますが、市販のセンサー素子は５Ｖ駆動のものもありますので出来れば余分な回路は取り除いて安価にセンサーを作りたいものです。

重力と傾斜

加速度センサーを使ってどの方向にどれだけの速さで動いたかを測定することも出来ます。加速度というのは物体に加わる力によって変わります。地球には重力というものがありますが、重力も物体に加える力です。よってこのセンサーを傾けると重力によりセンサーの加速度検知部分に力が加えられますのでこの力を測定してどのぐらい傾斜しているかを測定することも出来ます。これは２足歩行ロボットの作成に有効なセンサーと言えるでしょう。

当ページではＭｅｍｓｉｃ２１２５を使い、必要な抵抗とＤＩＰ型ピンを取り付けた「２軸加速度センサー」を販売しています。 ここではこのセンサーとＢａｓｉｃＳｔａｍｐIIを使って傾きの測定をする方法を紹介します。



このセンサーから出力される波形は先に述べた波形がそのまま出ますのでＳｔａｍｐのＰＵＬＳＩＮ命令を使ってＨｉｇｈの長さを調べます。ＰＵＬＳＩＮ命令は ＰＵＬＳＩＮ　＜ポート番号＞，＜状態＞，＜結果格納変数名＞ という記述になります。状態はＨｉｇｈの時間を測定するなら"１"、Ｌｏｗを測定するなら"０"を記述します。この命令は指定した状態のパルス幅を結果を２μ秒単位で出力しますので、０Ｇの場合はＴ１が５０％のデューティーとなり、Ｔ２が１０ｍ秒なのでＴ１は５０％の５ｍ秒となり５ｍ秒を２μ秒で割ると「２５００」という数値が変数に格納されます。
実験用に下記のように配線をしました。



赤が＋５Ｖ、黒がＧＮＤ、黄色線がＸで白がＹの出力です。Ｓｔａｍｐ側は実験をしやすくするためにキャリアボードを使用していますが、９Ｖ電池の接続と、ＰＣへの接続部分を自作すればＳｔａｍｐと直接接続することが出来ます。ＰＣとの接続については「Ｓｔａｍｐマイコンの開発方法」を参照願います。

出力パルスの長さを測定するプログラムは次のようになります。

Xin CON 8
Yin CON 9

pulse VAR word
Xvalue VAR word
yvalue VAR word

LOOP:

PULSIN Xin, 1, Xvalue
PULSIN Yin, 1, Yvalue

DEBUG CLS
DEBUG "Xvalue=", SDEC Xvalue,CR
DEBUG "Yvalue=", SDEC Yvalue,CR
PAUSE 100

GOTO LOOP

RH10-5

上記プログラムはＬＯＯＰ内で１００ｍ秒ごとに値を計測するプログラムです。
温度によってＴ２の時間が変わりますので正確には２５００にはなりませんでしたが２４９０前後の数値が出ています。温度が低いと低く、高いと高い数値になるようです。センサーを動かすと、動かした瞬間にこの数値が変わります。
Ｍｅｍｓｉｃ２１２５は１Ｇでデｭーティーが１２．５％変化しますので加速度（Ｇ）を求める式は次のようになります。


この式を使って上記プログラムで出た数値を加速度の単位Ｇに変換するには次のようになります。単位をＧにすると小数点以下の数値になりＳｔａｍｐでは小数点の計算はあまり得意ではないのでｍＧ（ミリジー）に直しています。

ｍＧ＝（（ｘｖａｌｕｅ　／　５）　−５００）×　８

Ｘｖａｌｕｅが２５００の時に２５００／５＝５００となり、５００を引いていますのでｍＧは０になります。上記プログラムのＤＥＢＵＧ命令（ＰＣに結果を表示する命令）を

DEBUG "Xvalue=", SDEC ((Xvalue/5)-500)*8,CR
DEBUG "Yvalue=", SDEC ((Yvalue/5)-500)*8,CR

よって、このようにするとｍＧ単位での結果が表示されます。 今、実験をしている温度環境で２５００と出るべきところが２４９０と出ていましたので補正のために値１０を足した結果が次のようになります。この補正値は環境によって変える必要がありますが、たいていは１％以下の誤差なので精密な制御を行う必要の無い場合には補正は不要です。
'補正して結果に１０を足したところ
DEBUG "X(mG)=", SDEC ((Xvalue+10/5)-500)*8,CR
DEBUG "Y(mG)=", SDEC ((Yvalue+10/5)-500)*8,CR

RH10-7

次に傾斜の測定を考えます。
重力とセンサーから出力される加速度の値は比例関係ではなく、下記のような関係になります

傾斜（°）	Ｘ出力（Ｇ）	Ｙ出力（Ｇ）
９０	１．０００	０．０００
８５	０．９９６	０．０８７
８０	０．９８５	０．１７４
７０	０．９４０	０．３４２
６０	０．８６６	０．５００
４５	０．７０７	０．７０７
３０	０．５００	０．８６６
２０	０．３４２	０．９４０
１０	０．１７４	０．９８５
５	０．０８７	０．９９６
０	０．０００	１．０００

出力から傾斜確度を求めるにはアークサイン関数が必要になりますが、Ｓｔａｍｐの場合にはサインとコサイン関数しかありません。しかし、アメリカのＴｒａｃｙＡｌｌｅｎ博士が作ったアークサインを求めるコードがありますのでこれを使用して作成したプログラムが次のようになります。

Xin CON 8
Yin CON 9
HiPulse CON 1
pulse VAR word
xmG VAR word
ymG VAR word
disp VAR Byte
angle VAR Byte
xTilt VAR Word
yTilt VAR Word

LOOP:
GOSUB Read_G_Force
DEBUG CLS
DEBUG "X(mG)=", SDEC xmG,CR
DEBUG "Y(mG)=", SDEC ymG,CR
GOSUB Read_Tilt
DEBUG "X_Tilt(do)=", SDEC xTilt,CR
DEBUG "Y_Tilt(do)=", SDEC yTilt,CR
PAUSE 100
GOTO LOOP

Read_G_Force:
PULSIN Xin, Hipulse, pulse xmG = ((pulse / 5) - 500) * 8
PULSIN Yin, Hipulse, pulse ymG = ((pulse / 5) - 500) * 8
RETURN

Read_Tilt:
GOSUB Read_G_Force
disp = ABS xmG / 10 MAX 100
GOSUB Arcsine
xTilt = angle * (-2 * xmG.bit15 +1)
disp = ABS ymG / 10 MAX 100
GOSUB Arcsine
yTilt = angle * (-2 * ymG.bit15 +1)
RETURN

Arcsine:
GOSUB Arccosine
angle = 90 - angle
RETURN

Arccosine:
disp = disp */ 983 / 3 angle = 63 - (disp / 2)
LOOP2:
IF (COS angle <= disp) THEN EXIT
angle = angle + 1
GOTO LOOP2
EXIT:
angle = angle */ 360 RETURN


Y軸方向に４５°傾けたとき。Yが重力を表し、Tiltが角度を表します。重力が７２０ｍGつまり０．７２０Gで傾斜角度が４５°に表示されました。


Y軸を垂直にしたところです。傾斜角度が９０°とでました。


今度は反対方向に傾けます。角度の数値はマイナスになります。


垂直にすると、Gが−１．０４０Gとほぼ１Gになりました。角度も−９０°とでます。

写真ではＹ軸の傾きしか表していませんが、Ｘ軸も同様の結果になりました。計算結果を１°単位（Ｇでは８ｍＧ単位にまるめている）でまるめていますので、温度によるパルス幅の変化については無視できるものになっています。

Ｓｔａｍｐではないマイコンを使用している方は当ページの「ロボット作成入門」にＳｔａｍｐＢＡＳＩＣのコマンド解説がありますのでそちらを参照にしながら上記プログラムを解析してください。基本的には、入力されたパルス幅を測定する機能があるマイコンであればこのセンサーを使って２軸の傾きを計測することが出来ます。