Εργαστήρια

Συστήματα πλοήγησης αδράνειας

Τι είναι η αδράνεια;

Αδράνεια είναι η ιδιότητα των σωμάτων να αντιστέκονται σε οποιαδήποτε μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης. Όταν βρισκόμαστε σε ένα σταματημένο λεωφορείο που ξεκινάει απότομα το σώμα μας πηγαίνει προς τα πίσω λόγω της αδράνειας. Δοκιμάστε να κάνετε ένα απλό πείραμα: Τοποθετήστε ένα βιβλίο πάνω σε ένα τραπέζι και πάνω στο βιβλίο ένα μολύβι. Αρχίστε να κουνάτε το βιβλίο με το χέρι σας και σταματήστε την κίνηση απότομα. Το μολύβι θα πέσει από το βιβλίο και θα κυλίσει στο τραπέζι, λόγω της αδράνειας.

inertia
Βίντεο στα Αγγλικά που περιγράφει την αδράνεια και τις μορφές της.

Που χρησιμοποιούνται τα συστήματα πλοήγησης αδράνειας

Τα συστήματα αυτά αξιοποιούν την αδράνεια των σωμάτων για να επιτρέπουν σε συσκευές να πλοηγούνται αυτόνομα χωρίς τον χειρισμό από πλευρά του ανθρώπου. Οι διαστημικοί πύραυλοι, οι αυτόματοι πιλότοι των αεροπλάνων, τα αυτόνομα αυτοκίνητα, οι στρατιωτικοί πύραυλοι διαθέτουν εξεζητημένα συστήματα πλοήγησης αδράνειας.

Σύστημα πλοήγησης αδράνειας διαστημικού αεροσκάφους
Πηγή: Wikipedia

Τα τελευταία χρόνια τα συστήματα αυτά έχουν γίνει πολύ προσιτά και υπάρχουν πλέον σε συσκευές που διαθέτουν οι περισσότεροι άνθρωποι, όπως τα κινητά τηλέφωνα, τα smartwatches, τα drones κ.α.

Επιταχυνσιόμετρο – Accelerometer

Όπως φαίνεται από το όνομα του, το επιταχυνσιόμετρο μας επιτρέπει να μετρήσουμε την επιτάχυνση (δηλαδή τον ρυθμό με τον οποίο αλλάζει η ταχύτητα) ενός σώματος. Στην πιο απλή του μορφή είναι απλά μια σφαίρα που είναι προσαρμοσμένη σε ένα ελατήριο, μέσα σε ένα δοχείο.

Demonstration of a simple accelerometer

Αν μπορούσαμε λοιπόν να έχουμε τρία επιταχυνσιόμετρα, όπως φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, μέσα σε μια συσκευή, θα μπορούσαμε να ξέρουμε ανά πάσα στιγμή ποια πλευρά της είναι γυρισμένη προς τα κάτω, καθώς η βαρύτητα τραβάει την σφαίρα προς τα κάτω.

Πηγή: Make A GIF

Φυσικά μια τόσο μεγάλη κατασκευή με σφαίρες και ελατήρια δεν μπορεί να χωρέσει μέσα σε ένα κινητό τηλέφωνο. Τα επιταχυνσιόμετρα που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές συσκευές ονομάζονται μικροηλεκτρομηχανικά, είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη και συνδέονται με τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά μέρη τους.

Όταν υπάρχει αλλαγή στην κίνηση της συσκευής το εσωτερικό μέρος κινείται και λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση. Τα δεδομένα μεταφέρονται στον επεξεργαστή όπου τα ερμηνεύει για να βρει τον προσανατολισμό της συσκευής.
Πηγή: HowToMechatronics

Γυροσκόπιο

Το γυροσκόπιο είναι μια συσκευή που μπορεί να διατηρεί σταθερό τον προσανατολισμό της μέσω της περιστροφής των μερών της και της αρχής της διατήρησης της στροφορμής. Εφευρέθηκε από τον Ζαν Μπερνάρ Λεόν Φουκώ το 1852.

Αποτέλεσμα εικόνας για gyroscope animation gif
Πηγή: kamlesh on DeviantArt
Βίντεο στα Αγγλικά που εξηγεί την λειτουργία του γυροσκόπιο σε ένα αεροπλάνο για τα όργανα ενδείξεων

Όπως και με τα επιταχυνσιόμετρα, τα γυροσκόπια που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές συσκευές είναι μικροηλεκτρομηχανικά και είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη.

Πηγή: HowToMechatronics

Υπάρχει μια διαρκής κίνηση μπροστά – πίσω και όταν η συσκευή στρίψει δεξιά ή αριστερά τότε η μάζα που βρίσκεται στο εσωτερικό κινείται δεξιά – αριστερά αλλάζοντας την αντίσταση. Αυτή η λειτουργία βασίζεται στις ιδιότητες της δύναμης Κοριόλις.

Βίντεο από το MIT για την αναπαράσταση του φαινόμενου Κοριόλις.

Αισθητήρας GY-521

Αποτέλεσμα εικόνας για GY-521
Η μονάδα GY-521. Στο κάτω μέρος της υπάρχουν ενδείξεις για το ποιος είναι ο άξονας X και ο Y και τι σημαίνει η περιστροφή γύρω από αυτούς. Πηγή: Deal Extreme

Μια από τις πιο δημοφιλείς μονάδες στην κατηγορία των συστημάτων πλοήγησης αδράνειας, είναι η GY-521, η οποία περιλαμβάνει τον ελεγκτή MPU6040. Σε αυτό το μικρό και οικονομικό “τσιπάκι” υπάρχει επιταχυνσιόμετρο, γυροσκόπιο, καθώς και ένα θερμόμετρο. Η επικοινωνία με το Arduino γίνεται μέσω του I2C Bus και απαιτεί 2 καλώδια, συν άλλα δυο για την γείωση και την τροφοδοσία.

Σύνδεση της μονάδας GY-521 στο Arduino Mega. Χρησιμοποιούμε τα pins SDA και SCL τα οποία βρίσκονται στις θέσεις 20 και 21 αντίστοιχα.

Σύνδεση της μονάδας GY-521 στο Arduino Uno. Το SCL της μονάδας συνδέεται στο A5 του Uno και το SDA στο pin Α4.

Σύνδεση της μονάδας GY-521 στο Arduino Nano. Το SCL της μονάδας συνδέεται στο A5 του Nano και το SDA στο pin Α4.

Προσθήκη βιβλιοθήκης και δοκιμή μονάδας

Υπάρχουν πολλές βιβλιοθήκες για την μονάδα GY-521. Μια από τις πιο εύκολες στη χρήση είναι η βιβλιοθήκη MPU6050_tockn.

Πηγαίνουμε στο μενού Σχέδιο, συμπερίληψη βιβλιοθήκης και πατάμε Διαχείριση βιβλιοθηκών
Αναζητούμε την βιβλιοθήκη mpu6050_tockn και την κάνουμε εγκατάσταση

Αφού κάνουμε εγκατάσταση την βιβλιοθήκη, μπορούμε να πάμε από το μενού Αρχείο στα Παραδείγματα και από εκεί να πάμε στην βιβλιοθήκη MPU6050_tockn και να διαλέξουμε το παράδειγμα GetAngle. Το φορτώνουμε στο Arduino και παρατηρούμε τις τιμές που μας δίνει καθώς περιστρέφουμε τον αισθητήρα γύρω από τους άξονες X,Y,Z.

Αφήστε μια απάντηση

Μετάβαση σε γραμμή εργαλείων