關於測量傾角的感測器

penguin19851025

我想請教一個問題

我們現在需要利用感測器來測量傾斜的角度，並且適時傳回測量值，最近有搜尋到傾斜感測器、3軸加速度計、陀螺儀這三類，不知道那一種比較適合只用在測量傾角的感測器？

麻煩各位高手給予指教
感激不盡

g921002

通常量頃角是在靜態為主，量到的只有重力加速度。透過重力在三軸份量決定頃角。基本上買三軸加速規就行了。
若需要動態量測，需要用到的是姿態儀。這兩者等級差異頗大。通常是加速規、陀螺儀、電子羅盤組合而成的AHRS系統。價格也是差好多個零。

penguin19851025

謝謝你的答案

再請教一些問題

所以在攀爬的時候，有速度，用三軸加速度計就一定會有誤差囉？
但如果在設計演算法時就將加速時的加速度先考慮進來做判別
這樣可以避免這個誤差嗎？
還是您有更好的方法？

而姿態儀 不是也是利用加速度計與地磁羅盤所組成的
這樣子 兩者就會在動態和靜態有這麼大的差別嗎？

感謝您的指教

g921002

不是有速度，是加速度。如果你的「車子？」速度變化緩慢，基本上可以視作沒有外力。那加速規就可以量測頃角。如果要把加速度考慮進來，、可以透過陀螺儀、電子羅盤等資訊進行修正。(如Kalman filter、partical filter等...)

電子羅盤如果放在電磁環境不好的地方效果也不會好。通常賣的頃角儀說明書都會寫不適合動態量測。而姿態儀則是透過多感測器的資料融合來作姿態估測。兩種用途不太一樣。

penguin19851025

那我大致瞭解了
感謝你的耐心答覆

Robert

請問大大有關傾斜感測器、3軸加速度計、陀螺儀這三類問題方便嗎? 因為 Paper 是探討這三樣東西,希望能深入請問一些問題,謝謝!

g921002

其實市面上的傾斜感測器多是用加速規去做的，所以都會規範使用條件和角度限制。
現在滿多文獻是用陀螺儀、加速規配合三軸電子羅盤組成AHRS系統來量測角度和方位角。

或是陀螺儀、加速規配合GPS進行Kalman filter做載體狀態估測。如果是用Kalman去做，通常是分直接濾波和間接濾波，前者的效能跟每次濾波的頻率有關，後者跟估測描述系統的階數有關，都很耗CPU資源。如果只是要做姿態穩定，用陀螺儀和加速規直接跑Kalmna即可。

實際使用案例：
http://diydrones.ning.com/profil ... de-dog-just-for-fun
都是用很便宜的Gyro和Accelermeter去做的。

mzw2008

哈哈, 這個實做還真有趣

請教一下喔
為何會說耗費CPU資源呢!? 不是感測器的值進來直接使用
CPU根本沒做到什麼事情啊
還是說為了計算上面那一堆正反三角函數導致的時間耗費?

另外這個飛行狗狗使用這樣的實作,這樣感覺可能會搖動的很厲害
因為他的感測器和馬達的搭配, 不曉得來不來的及修正角度?
這感覺比兩輪車還困難些哩

結果這個網站的遙控飛船我過年前才剛買了一台....

mzw2008

啊, 看到影片了, 感覺還滿穩的哩, 和想像中不一樣
改裝強力的風扇鷹能使他真的飛起來
不過g大您的作品還真多喔, 那台載著槍的車不曉得作一台約要多少呢!?

lakers3411

其實小弟也有在玩這方面的東西,只是我現在覺得,電子的東西蠻多干擾因素,
例如電子羅盤,每次換個地方或好幾天沒用,就要從新調整,蠻多奇怪的問題,
所以小弟我想了個東西,用最簡單的感應器+自製的一個有趣的東西,來達到這些
目前還在構想階段,也許下一台機器人裡會裝上,目標跟sony的機器人一樣,
可以站在一個支點上作平衡都不會倒,不過應該還要很久@@~
都怪我太沒耐性了~弄一弄覺得煩又跑去做別的~哈哈

mzw2008

這部分我自己有胡搞陀螺儀(用探針加電解液做的)
就完全不會有干擾問題, 但精度很待加強

另外也有做氣泡+webcam即時影像辨識, 可以"非常準確的水平",完全沒有干擾問題
一秒約接近50次的更新速度
成本就是兩百(webcam)
但長相一看就是窮人用的@@

但這好像有專利了, 就像之前想做多點即時影像辨識觸控
結果被XX院警告說這已經被微軟註冊走.......

g921002

浮點運算就是單晶片的天敵，讓單晶片做浮點的加減乘除是可怕的事情。XD
話說回來，以RC馬達來說，控制回路最快就是50Hz，不過其實也夠用了。意思就是說每一次得在20ms以跑完
1.尤拉角計算(Gyro和Accelermeter)
2.Kalman Filter(包含Accelermter協方差校正)
3.PID控制
4.其他零碎的工作（如UART通信、GPS解譯）

我自己用陀螺+加速規配合常規Kalman，不啟用DSP運算在24MIPS(96MHz)的MCU下，執行姿態估測完畢約0.5ms。這是三角函數全部都是用查表方式換取速度的狀態下。雖然dsPIC30有DSP，但是用Q15格式跑需要花心思在運算上做Scalar。如果用定點跑，應該效能會變好，但是用定點運算時需要針對中斷進行處理，所以才沒用。如果像可魯<--網頁連結那隻，由於載體是在平衡點附近，整個數學部分可以線性化和近似，所以一般8bits MCU就可以做到，原理跟四軸的差不多。

以Vikas Kumar在Integration of Inertial Navigation system and GPS Using Kalman Filter一文建立的聯合導航系統，用TI DSP執行所有需要運算和IO的時間約9.5ms＠75MHzM，不過我認為這是有點高估了。意思大概如果把完整的導航公式導入，用DSP做定點運算，效能應該不會比Kumar的好。所以現在我自己正在製作的飛控版直接用PIC32＠80MHz，讓他跑在120MIPS看看有沒有機會做到完整的組合導航。

那如果用一般8bits MCU，機會就很渺茫了。

g921002

哈哈, 這個實做還真有趣
另外這個飛行狗狗使用這樣的實作,這樣感覺可能會搖動的很厲害
因為他的感測器和馬達的搭配, 不曉得來不來的及修正角度?
這感覺比兩輪車還困難些哩
結果這個網站的遙控飛船我過年前才剛買了一台....

自己做的過程，覺得都大同小異，只要姿態出來，剩下調PID參數而已。第一版的狗晃的很厲害，不過不是控制的問題，而是風扇下方氣流場沒有弄好，造成下推力分散。
不過因為用9g的小舵機，倒是常常壞就是了。

兩輪車也做過，只是因為那是其他學校學生的碩論的東西，所以沒擺上Blog.姿態修正還OK，

那台車大概花了150萬左右，沒算過....反正一直燒錢的東西，離開學校後聽說沒有人能維護就放在車庫生灰塵。那台車當初也是自己找贊助弄出來的，只是為了驗證自己的理論能不能讓車子自主運動。上面有雷射雷達、DGPS、電子羅盤、IMU，攝影機。系統是P4跑QNX RTOS。目的很簡單，就是車子依賴上面這些裝備，完成障礙迴避、道路(地形)識別的功能並按照指定的目的地前進，本來要連SLAM一起做，無奈時間不夠。

上面的槍是要驗證之前幫軍方作的自動追瞄系統，不過做到一半對方不要(換長官囉！)，就胎死腹中。

mzw2008

哇!!!感謝分享, 受益良多啊

其中, RC馬達極限的問題可用普通DC馬達加光學尺改進
或是使用步進馬達搭減速齒輪也可以
我在國外看人做的版本很多都是至少用兩顆或四顆風扇
只用一顆風扇的真的不多見
前幾天我弟買了台全金屬的直昇機, 才800元, 也是飛的很平穩(只有兩顆微型馬達)
體積又超小, 也可以拿這個來改裝
現在的製造工藝真的是越來越進步了哩

不過您那台花了150萬的車子真是令人眼睛發亮
不曉得何時我才會有這種經費可以做
目前在家裡作的只是一台小小的車, 只能載紙團和BB槍, 載步槍...想都不敢想哩
對了, 再請教他的速度和行進距離約是多少呢?

g921002

說實話，一棵導風扇的東西，那叫噱頭。國外都是用3,4個無刷去帶大槳。沒辦法，就算鋰電，重量還是不輕。另外導風扇在低轉速推力很差，自己玩玩可以啦！見笑了！XD 四軸的飛行器現在都很成熟，就不是很想玩了。

RC馬達控制迴路在50Hz，已經夠用了。人都能飛了，用電腦飛應該要更輕鬆。真的要玩自主飛行，用直昇機還是要用大一點的機子，我自己是用油機去測(不過有試飛員幫我飛就是XD)，很多東西要載的時候，你就會覺得大隻的比較好用...呵。

速度 40km/h ，可以跑2小時。電車...不用想太多....f^_^

mzw2008

果然和我想的一樣 , 無刷通大電流的轉速才能載重
不過這種飛行器還是很多人在研究
畢竟人類一直想要飛上天啊
我做的話也是會往油機去想, 出力會比較大, 不過噪音也大就是

這很難讓我不想很多啊
您的車子時速40還可以ㄠ兩小時
這樣的航程非常厲害哩
馬達和載重和電池和車載的裝備都會直接影響續航力, 地形也會有嚴重影響
前陣子才因為玩鋰電玩過頭爆過一顆~@@

Robert

請教,那 HONDA ASIMO 的姿態感測是如何作的?