Un modo per utilizzare un'unità di misura inerziale?: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Il contesto:

Sto costruendo per divertimento un robot che voglio muovere autonomamente all'interno di una casa.

È un lavoro lungo e lo sto facendo passo dopo passo.

Ho già pubblicato 2 istruttori su quell'argomento:

• uno sulla creazione di un codificatore a ruota
• uno sulla connessione wifi

Il mio robot è guidato da 2 motori CC con l'aiuto del mio codificatore a ruota fatto in casa.

Attualmente sto migliorando il controllo del movimento e ho passato un po' di tempo con giroscopio, accelerometro e IMU. Mi farebbe piacere condividere questa esperienza.

Vuoi saperne di più sulla localizzazione? Ecco un articolo su come combinare intelligenza artificiale e ultrasuoni per localizzare il robot

Passaggio 1: perché utilizzare un'unità di misura inerziale?

Allora perché ho usato un IMU?

La prima ragione era che se l'encoder della ruota è abbastanza preciso da controllare il movimento rettilineo, anche dopo la messa a punto non sono stato in grado di ottenere una precisione per la rotazione inferiore a +- 5 gradi e questo non è sufficiente.

Quindi ho provato 2 sensori diversi. Per prima cosa utilizzo un magnetometro (LSM303D). Il principio era semplice: prima della rotazione ottenere l'orientamento nord, calcolare l'obiettivo e regolare lo spostamento fino a raggiungere l'obiettivo. Era un po' meglio che con l'encoder ma con troppa dispersione. Successivamente ho provato a utilizzare un giroscopio (L3GD20). Il principio era proprio quello di integrare la velocità di rotazione fornita dal sensore per calcolare la rotazione. E ha funzionato bene. Sono stato in grado di controllare la rotazione a +- 1 grado.

Tuttavia ero curioso di provare qualche IMU. Scelgo un componente BNO055. Ho passato un po' di tempo per capire e testare questa IMU. Alla fine ho deciso di selezionare questo sensore per i seguenti motivi

• Posso controllare la rotazione così come con L3GD20
• Riesco a rilevare una leggera rotazione quando ci si sposta in linea retta
• Ho bisogno di ottenere l'orientamento nord per la localizzazione del robot e la calibrazione della bussola del BNO055 è molto semplice

Passaggio 2: come utilizzare BNO055 per la localizzazione 2D?

BNO055 IMU è un sensore intelligente a 9 assi Bosch che potrebbe fornire un orientamento assoluto.

La scheda tecnica fornisce una documentazione completa. È un componente ad alta tecnologia è un prodotto piuttosto complesso e ho passato alcune ore per imparare come funziona e provare diversi modi di usarlo.

Penso che potrebbe essere utile condividere questa esperienza.

Per prima cosa ho utilizzato la libreria Adafruit che fornisce un buon strumento per calibrare e scoprire il sensore.

Alla fine e dopo tante prove ho deciso di

• usa la libreria Adafruit solo per salvare la calibrazione
• utilizzare 3 di tutte le possibili modalità di BNO055 (NDOF, IMU, Compss)
• dedicare un Arduino Nano per calcolare la localizzazione basata su misurazioni BNO055

Passaggio 3: punto di vista hardware

BNO055 è un componente I2C. Quindi ha bisogno di alimentazione, SDA e SCL per comunicare.

Basta fare attenzione alla tensione Vdd in base al prodotto che hai acquistato. Il chip Bosch funziona nella gamma: da 2,4 V a 3,6 V e puoi trovare componenti da 3,3 V e 5 V.

Non ci sono difficoltà per collegare il Nano e il BNO055.

• Il BNO055 è alimentato dal Nano
• SDA e SCL sono collegati con resistori di pull-up 2 x 2k.
• 3 LED collegati al Nano per diagnosi (con resistenze)
• 2 connettori utilizzati per definire la modalità dopo l'avvio
• 1 connettore verso il BNO (Gnd, Vdd, Sda, Scl, Int)
• 1 connettore verso Robot/Mega (+9V, Gnd, sda, Scl, Pin11, Pin12)

Un po' di saldatura e il gioco è fatto!

Passaggio 4: come funziona?

Dal punto di vista della comunicazione:

• Il Nano è il master del bus I2C
• Il Robot/Mega e il BNO055 sono slave I2C
• Il Nano legge permanentemente i registri BNO055
• Il Robot/Mega emette un segnale numerico per richiedere la parola al Nano

Dal punto di vista del calcolo: il Nano combinato con il BNO055 offre

• La direzione della bussola (usata per la localizzazione)
• Un titolo relativo (usato per controllare le rotazioni)
• La rotta e la posizione assolute (utilizzate per controllare le mosse)

Dal punto di vista funzionale: Il Nano:

• gestisce la calibrazione BNO055
• gestisce i parametri e i comandi del BNO055

Il sottosistema Nano & BNO055:

• calcolare per ogni ruota robot la rotta assoluta e la localizzazione (con un fattore di scala)
• calcolare la rotta relativa durante la rotazione del robot

Passaggio 5: l'architettura e il software

Il software principale è in esecuzione su un Arduino Nano

• L'architettura si basa sulla comunicazione I2C.
• Ho scelto di dedicare un Nano per il fatto che l'Atmega che gestisce il robot era piuttosto già caricato e questa architettura lo rende più facile da riutilizzare altrove.
• Il Nano legge i registri BNO055, calcola e memorizza l'intestazione e la localizzazione nei propri registri.
• L'Arduino Atmega che esegue il codice del robot, invia le informazioni degli encoder delle ruote al Nano e legge le intestazioni e la localizzazione all'interno dei registri Nano.

Il codice del sottosistema (Nano) è disponibile qui su GitHub

Lo strumento di calibrazione Adafruit se qui su GitHub (la calibrazione verrà archiviata su eeproom)

Passaggio 6: cosa ho imparato?

Per quanto riguarda I2C

Per prima cosa ho provato ad avere 2 master (Arduino) e 1 slave (sensore) sullo stesso bus ma alla fine è possibile e più semplice impostare solo il Nano come master e utilizzare la connessione GPIO tra i 2 Arduino per "richiedere il token".

Per quanto riguarda BNO055 per l'orientamento 2D

Posso concentrarmi su 3 diverse modalità di funzionamento: NDOF (combina giroscopio, accelerometro e Compas) quando il robot è fermo, IMU (combina giroscopio, accelerometro) quando il robot è in movimento e Compass durante la fase di localizzazione. Il passaggio tra queste modalità è facile e veloce.

Per ridurre la dimensione del codice e mantenere la possibilità di utilizzare l'interrupt BNO055 per rilevare la collisione, preferisco non utilizzare la libreria Adafruit e farlo da solo.