Inertial Measurement Unit - GY-80 Module for Arduino: Part 1 ADXL345

    วันนี้เรามาดูการใช้งานโมดูล GํY-80 เพื่อวัดค่าความเร่ง (Acceleration)  ความเร็วเชิงมุม (Angular Speed) ระดับความสูง (ฺBarometer) สนามแม่เหล็กของโลก (Magnetometer) กันครับ 

    อ่านครั้งแรกอาจจะเห็นว่าทำไมหลายอย่างจัง  แต่ทั้งหมดนี้อยู่บนโมดูลขนาดเท่าข้อนิ้วโป้งเราเองครับ Sensor แต่ละอย่างเท่าเม็ดถั่วเขียวเท่านั้น  ทำให้สามารถบรรจุ อุปกรณ์ที่วัดค่าดังที่กล่าวมาได้ทัั้งหมดในโมดูลเดียวกันเลย    โมดูล GํY-80 นี้ใน spec เขียนว่ามี 10 Degree of Freedom (DOF) ซึ่งประกอบด้วย ความเร่ง 3 แกน ความเร็วเชิงมุม 3 แกน สนามแม่เหล็ก 3 แกน และ  ความสูง ครับ   

  การใช้งานนี้ก็มีตั้งแต่ Tablet  Ipad Iphone  Smart phone ของเรา  remote Game Wii  เครื่องบินบังคับวิทยุ multirotor  Helicopter  ไปจนกระทั้งระบบนำทางของเครื่องบิน ดาวเทียม   ทั้งนี้ก็ขึ้นกับคุณภาพของ Sensor ว่าจะมีความแม่นยำ สัญญาณรบกวย (SN ratio) มากน้อยแค่ไหน  แน่นอนครับ ในโทรศัพท์มือถือก็อาจจะเป็นรุ่นที่มีราคาถูกหน่อย  แต่ถ้าใช้นำร่องเครื่องบินแล้วคงจะแพงมากๆครับ

    การวัดค่าความเร่ง ความเร็วเชิงมุม  สนามแม่เหล็ก นั่้นเอาไปทำอะไรเหรอครับ  คำตอบคือเอาไปหาทิศทาง ลักษณะการวางตัวของ Rigid body ต่างๆ  การหามุมต่างๆ เช่น Roll  Pitch Yaw ของเครื่องบิน หรือวัตถุที่ต้องการครับ   ถ้าเอาตัวอย่างที่ใกล้ตัวหน่อยก็คือ โทรศัพท์มือถือของเรารู้ได้ไงว่ามันเอียงไปทางไหน เขย่าเมื่อไหร่  คว่ำหรือหงายอยู่  หรือ เวลาเล่นเกมส์ที่ต้องใช้การเอียง  เช่น  Fligh simulator ครับ  อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในการหาทิศทาง มุม และการเคลื่อนที่นี้ เรียกรวมๆ กันว่า Inertial Measurement Unit (IMU) ครับ

ทีนี้มาดูกันครับว่าแต่ละตัวมีรายละเอียดอะไรบ้าง ลองดูภาพประกอบด้านล่างนะครับ

• ตัวแรกที่จะกล่าวถึงคือ Accelerometer ADXL345 IC  (datasheet) ตัวจิ๋วนี้ผลิตโดยเทคโนโลยี MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ทำหน้าที่วัดความเร่งออกมาให้ทั้ง 3 แกน คือ X, Y, Z 
• Gyroscope L3G4200D (datasheet) วัดความเร็วเชิงมุม ทังสามแกนเช่นกัน
• BMP085 Barometer / Temp (datasheet) ตัวนี้วัดความสูงโดยการรับค่าความกดอากาศมาคำนวณครับ  ด้วยเหตุที่วัดความกดอากาศมาแปรความเป็นความสูงทำให้ต้องมีการชดเชยทางอุณหภูมิด้วย จึงมีความสามาถในการวัดอุณหภูมิมาด้วยในตัว
• MC5883L Magnetometer  (datasheet)  ตัวนี้ทำหน้าที่วัดสนามแม่เหล็กของโลกเพื่อใช้ในการหาทิศทาง (ทิศเหนือใต้ออกตก) ดังนั้นจึงเรียกกันโดยทั่วไปว่า Digital Compass หรือ เข็มทิศดิจิตอล

อุปกรณ์ทั้งหมดนี้บางตัวสามาถคุยแบบ (Serial Peripheral Interface) SPI ก็ได้ และ (Inter - Integrated Circuit) I2C ก็ได้  แต่บางตัวก็ได้แค่ I2C ดังนั้น อุปกรณ์บนโมดูลนี้จึงต้องสารกับบอร์ด Arduino ด้วย I2C ทีมีมาให้ใน library มาตรฐาน (wire.h) ครับ

  ทีนี้ปัญหาก็เกิดขึ้นตรงที่เราจะต้องติดต่อกับอุปกรณ์ต่างๆบนบอร์ดด้วย I2C ที่อยู่บนบัสเดียวกัน 3 ตัว  ดังนั้นเราต้องทำให้มันคุยกันให้ดีครับ ต้องรู้ Address ของแต่ละอุปกรณ์  ต้องรู้วิธีการปรับตั้งค่าการทำงานของอุปกรณ์  ซึ่งหาได้จาก Specification ครับ  แต่จะบอกให้นิดครับ กว่าจะอ่านเข้าใจและเอาไปใช้ได้แต่ละตัว ก็เหงื่อหยดกันทีเดียว  ไม่เป็นไรครับ  เรามีวิธีแก้ไข วิธีแรกคืออ่านบทความนี้ให้เข้าใจ และใช้ Library กับตัวอย่างที่จะให้ไปครับ

 มาดูการทำงานของ ADXL345  Accelorometer กันก่อนครับ  อุปกรณ์ตัวนี้วันค่าความเร่งได้ถึง +-16g  ด้วยความละเอียดถึง 13 bit  มีรายละเอียดให้ Setup registor กันมากมายเป็นสิบตัว  สำหรับผู้ใช้แบบ Advanced แล้ว คงต้องลงไปดูกันเองครับว่ามันใช้แต่ละ registor ทำอะไรกันบ้าง  สำหรับบทความนี้ผมขอเขียนสำหรับผู้ใช้งานทั่วไปกันนะครับ  แต่ก็เพียงพอสำหรับการใช้ประโยชน์สำหรับการคำนวณหาความเร่ง มุมเอียงครับ

   อีกนิดนะครับ สำหรับคนที่สนใจใช้งานแต่ตัว ADXL345 เพื่อการหามุมเอียง หรือ แจ้งเตือนการตก (Detect free fall) นั้น  โมดูล GY-291 ก็เพียงพอครับ ซึ่งความสามารถของ Chip ADXL345 ก็ทำได้ทั้ง SPI และ I2C ครับ ดังนั้นจึงเห็น Library ทั้งสองแบบให้ใช้งานได้ครับ  แต่ผมจะให้ดูวิธีการต่อกับ GํY-80 นะครับ ดังนั้นวันนี้เราใช้ I2C กัน

  รายละเอียดการทำงานของ Protocol I2C สามารถหาอ่านได้ในบทความของร้าน Arduitronics.com ตาม Link นี้ครับ (เราไม่ได้ขายของอย่างเดียวนะ  )

ทีนี้มาถึงการต่อและลง Sketch กันละครับ ก่อนอื่นนะครับ

Download Library ตามนี้ครับ แล้วเอาเฉพาะ 4 ไฟล์นี้ไปใส่ใน Libarries ของ Arduino นะครับ ตั้งชื่อ Folder ของ Library นี้ว่า ADXL345 

https://github.com/Anilm3/ADXL345-Accelerometer

ถ้าบังเอิญเปิด Arduino IDE อยู่  ลง Library เสร็จแล้วปิด IDE แล้วเปิดใหม่ด้วยนะครับ ไม่งั้นจะหาไม่เจอ

 จากนั้นต่อสายแบบ I2C ตามที่แต่ละบอร์ดกำหนดนะครับ  VCC กับ GND ตามระเบียบ จากนั้นใครใช้บอร์ดอะไรก็ต้องไปเช็คนิดนึงที่นี่ครับ ว่า I2C หรือ TWI Port ของแต่ละบอร์ดมันอยู่ที่ไหน เช่น Arduino UNO ก็อยู่ที่ A4 -> SDA   A5 -> SCL   (ถ้า UNO ก็ตามรูปด้านล่างเลยครับ)

 เสร็จแล้วเข้าไปที่ Examples -> ADXL345 -> pitch_roll เพื่อเปิด Sketch ตัวอย่างครับ

 มาดูรายละเอียดของ Sketch กันนิดนึงครับ  จะเห็นว่ามีการเรียกใช้ wire.h ซึ่งเป็น library ที่ใช้ในการติดต่อแบบ I2C กับตัวอุปกรณ์ภายนอกทั้งหลาย จากนั้นมี ADXL345.h ซึ่งเป็น header file ที่เก็บข้อมูล Address ของ register ที่สำคัญ ซึ่ง Library ต้องการใช้ setup ภายใน

 ข้อมูลก็จะถูกเรียกด้วยคำสั่ง  acc.read(&Xg, &Yg, &Zg);  ซึ่งจะอ่านค่าความเร่งมาเก็บไว้ที่ตัวแปรที่ Xg, Yg, Zg ผ่านการป้อน Address เข้าไปในฟังก์ชั่น

 จากนั้นข้อมูลจะถูกผ่านไปที่ Low pass filter เพื่อกรองเอาความถี่สูงทิ้ง  เนื่องจาก Sensor ให้ค่าที่มี noise ที่มีความถี่สูงมามากครับ ต้องกรองออกหน่อย

และเราสามารถหามุมเอียงได้จากความสัมพันธ์ของตรีโกณมิติ

//Roll & Pitch Equations

roll  = (atan2(-fYg, fZg)*180.0)/M_PI;

pitch = (atan2(fXg, sqrt(fYg*fYg + fZg*fZg))*180.0)/M_PI;

ซึ่งก็จะเห็นตัวเลขแสดงความเอียง roll และ pitch ตามรูปด้านล่างครับ

ลองเอียงพร้อมกับสังเกตตัวเลข และแกนที่ระบุบนตัวโมดูลนะครับ ว่ามันสัมพันธ์กันอย่างไร

หรือถ้าลองให้แสดงค่า G ที่วัดได้ตามแกน Z 

        Serial.print("G :");

        Serial.println(fZg);

ก็จะเห็นช่วงที่อยู่นี่งๆ ว่าค่า G เป็น 1 เท่า (9.81 m/s^2)

แต่ถ้ายกขึ่้นเร็วๆ ก็จะเห็นค่า G เพิ่มขึ้น ในขณะที่ยกลงกลับมาที่เดิม จะเห็นค่า G ลดลงครับ

อันนี้ก็เหมือนกันกับเวลาเราขึ้นลิฟท์ละครับ  ตอนขึ้นเหมือนตัวเราจะหนักขึ้น แต่ตอนลงก็เป็นตรงกันข้ามครับ

เอาละครับ วันนี้พอแค่นี้  เรายังมีอีกหลาย sensor บนตัว GY-80 แถมด้วยการใช้งานกับ Complementary filter และ Kalman filter กันอี่ก

ติดตามตอนต่อๆไปนะครับ

เราให้คำปรึกษาหลังการขายกับลูกค้าด้วยนะครับ

ติดต่อผ่าน facebook โทรศัพท์ หรือ line ได้ครับ  

 ไม่ได้คิดแต่จะขายของถูกๆ อย่างเดียวครับ  

โดย  Mountain A

www.arduitronics.com

www.facebook.com/arduitronics