Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- 2018:accel-roll-pitch [2019/01/14 12:06]
Ondrej Vörös vytvořeno
+++ 2018:accel-roll-pitch [2019/01/14 23:58] (aktuální)
Ondrej Vörös
@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
-====== Zadanie ======
+====== Výpočet náklonu z akcelerometru ======
-Na vývojové desce STM32F4DISCOVERY s akcelerometrem LIS302DL/LIS3DSH realizujte výpočet příčného a podélného náklonu (roll, pitch). Uvažujte libovolnou polohu akcelerometru vůči základně, tj. implementujte derotaci vstupního datového vektoru dle postupu v [[https://www.st.com/resource/en/design_tip/dm00358510.pdf|DT0076]].
+===== Zadanie =====
+Na vývojové desce STM32F4DISCOVERY s akcelerometrem LIS302DL/LIS3DSH realizujte výpočet příčného
+a podélného náklonu (roll, pitch). Uvažujte libovolnou polohu akcelerometru vůči základně,
+t.j. implementujte derotaci vstupního datového vektoru dle postupu
+v [[https://www.st.com/resource/en/design_tip/dm00358510.pdf|DT0076]].
 ----
+===== Úvod =====
+Cieľom tohto projektu je:
+   * realizovať výpočet priečneho a pozdĺžneho náklonu(angl. roll a pitch)
+   * kompenzovať náklon pomocou derotačnej matice pre ľubovoľnú polohu akcelerometru voči referenčnej rovine
+Derotačná matica bude počítaná pomocou Matlabu, pretože obsahuje goniometrické funkcie.
+Program bude možné ovládať cez UART konzolu (vložiť derotačnú maticu, kompenzovať výpočet náklonu).
+{{https://www.novatel.com/assets/Web-Phase-2-2012/Solution-Pages/AttitudePlane.png }}
+===== Hardware =====
+K realizácii projektu bola použitá vývojová deska
+[[https://www.st.com/en/evaluation-tools/stm32f4discovery.html|STM32F4DISCOVERY]]
+ od firmy STMicroelectronics, súčasťou ktorej je 3-osový MEMS akcelerometer LIS302DL/LIS3DSH.
+Vývojová doska taktiež obsahuje ST-Link/V2 programátor/debugger. Je založená na jadre ARM Cortex-M4, ktorý je
+taktovaný 8MHz kryštálom, má 1MB Flash pamäť a 192kB RAM. K umožneniu ovládania programu z počítača cez konzolu
+pomocou sériovej linky bol použitý UART-USB prevodník s čipom CP2102.
+===== Software =====
+Ako vývojové prostredie bolo použitý EmBitz. Základné části programu s nastavením periférií boli vytvorené
+v programe STM32CubeMX, nastavené bolo sériové rozhranie UART s DMA kontrolérom  a časovač Timer2.
+K ovládaniu akcelerometru bol použitý BSP (Board Support Package) knižnice vývojovej dosky.
+==== Výpočet náklonu ====
+Pre výpočet pozdĺžneho a priečneho náklonu roll a pitch bola vytvorená funkcia ''get_degree_tilt''. Pri pomalom otáčaní
+pôsobí na akcelerometer hlavne gravitačná sila, zrýchlenie v jednotlivých osách akcelerometru je dané gravitačným
+zrýchlením. Skusmým otáčaním dosky s akcelerometrom boli zistené maximálne hodnoty zrýchlenia v jednotlivých osách,
+pre účely merania náklonu bolo urobené obmedzenie hodnôt zrýchlenia zhora a nasleduje prepočet na uhly 0° až 90°
+(-90° až 0° resp.).
+<code c>
+float get_degree_tilt(float val, int16_t max_val)
+{
+    float deg_tilt;
+    /* constrain values */
+    if(val > max_val) {
+      val = max_val;
+    }
+    else if(val < -max_val) {
+      val = -max_val;
+    }
+   /*map values to range -90° - 90° */
+   deg_tilt = (90*val) / max_val;
+   return deg_tilt;
+}
+</code>
+Na nasledujúcom obrázku je zobrazený pravotočivý súradnicový systém na vývojovej doske. Podľa hodnôt získaných
+z akcelerometru má ten orientáciu osí podľa ľavotočivého súradnicového systému, preto pri výpočte náklonu sa
+hodnotám zrýchlenia v ose x otáča znamienko (otáčame x-ovú os), keďže výpočet derotačnej matice podľa
+[[https://www.st.com/resource/en/design_tip/dm00358510.pdf|DT0076]]  aj podľa
+[[https://www.mathworks.com/help/phased/ref/rotx.html| funkcií MATLABU]] prebieha v pravotočivom súradnicovom
+systéme.
+{{ 2018:accel-roll-pitch:sur_system-na-doske.png?400 }}
+Priečny náklon je definovaný ako rotácia okolo osi x (použité hodnoty zrýchlenia  v osi y) a pozdĺžny náklon
+ako rotácia okolo osi y (použité hodnoty zrýchlenia  v osi x). Náklon v jednotlivých smeroch je indikovaný aj
+pomocou štyroch LED diód umiestených  na vývojovej doske do kríža po stranách akceleremetru (funkcia ''tilt_light'').
+<code c>
+while (1)
+{
+  if ((HAL_GetTick() - tick) >= per_meas) { // period of measurement
+    BSP_ACCELERO_GetXYZ(buffer);
+    accX = buffer[0];
+    accY = buffer[1];
+    accZ = buffer[2];
+    tilt_light(accX, accY);
+    pitch = get_degree_tilt(-accX, max_xval); //pitch- acceleration around axis y --> accX , -accX --turning around axis X to get right-rotated coordinate system
+    roll = get_degree_tilt(accY, max_yval); // get roll- acceleration around axis x --> accY
+    printf("roll,pitch:\t%2.1f%c\t%2.1f%c\n", roll, deg_sign, pitch, deg_sign);
+    tick = HAL_GetTick();
+  }
+...
+}
+</code>
+==== Výpočet derotačnej matice a kompenzácia náklonu ====
+Derotačná matica je inverzná alebo transponovaná rotačná matica. Rotačné matice pre rotáciu okolo jednotlivých osí
+sú [[https://www.mathworks.com/help/phased/ref/rotx.html|definované]] takto:
+  Rx = [1 0 0; 0 cos(roll) -sin(roll); 0 sin(roll) cos(roll)];     % rotacna matica okolo osi x- counterclockwise
+  Ry = [cos(pitch) 0 sin(pitch); 0 1 0; -sin(pitch) 0 cos(pitch)]; % rotacna matica okolo osi y- counterclockwise
+  Rz = [cos(yaw) -sin(yaw) 0; sin(yaw) cos(yaw) 0; 0 0 1];         % rotacna matica okolo osi z- counterclockwise
+Keďže pomocou akcelerometru nie je možné počítať uhol kurzu (otočenie okolo osi z- yaw), rotačnú maticu ''Rz''
+nevyužijeme. Ako derotačnú maticu sme použili ''M = Rx*Ry'' (bola určená experimentálne, aby vektor zrýchlenia
+[1000 0 0] pri rotácii o 90° pozdĺžneho náklonu-pitch sa otočil do polohy [0 0 1000]- nasmerovanie osi z
+do smeru gravitačného zrýchlenia). Rovnako, pri použití rotačnej matice M sa vektor zrýchlenia [0 -1000 0]
+pri rotácii o 90° priečneho náklonu-roll otočí do polohy [0 0 1000].
+Derotovanie dátového vektora (v našom prípade vektoru zrýchlenia) prebieha vynásobením vektoru s derotačnou maticou.
+Následne možno z derotovaného vektoru znovu vypočítať uhly náklonu.
+  accXr = M(1,1)*accX + M(1,2)*accY + M(1,3)*accZ
+  accYr = M(2,1)*accX + M(2,2)*accY + M(2,3)*accZ
+  accZr = M(3,1)*accX + M(3,2)*accY + M(3,3)*accZ
+==== Štruktúra programu ====
+Štruktúra programu je nasledovná, v nekonečnej smyčke prebieha výpočet a zobrazovanie náklonu v časovom intervale
+jedna sekunda a tiež spracovanie znakov z kruhového zásobníka prijímaných sériovým rozhraním UART. K ovládaniu
+programu cez sériové rozhranie slúžia dva príkazy:
+  * ''COMPENSATE'' - spustenie kompenzovaného výpočtu náklonu (30 meraní s periódou 1 sekunda)
+  * ''MATRIX m11 m12 m13 m21 m22 m23 m31 m32 m33'' - zadanie derotačnej matice (zadanie prvkov matice po riadkoch)
+-----
 ====== Záver ======
+Výsledkom riešenia projektu je meranie pozdĺžneho a priečneho náklonu. Tiež bola implementovaná derotácia dátového
+vektoru zrýchlenia pre ľubovoľnú polohu akcelerometru voči referenčnej rovine. Kompenzácia dát derotáciou
+dátového vektoru zrýchlenia podľa hodnôt náklonu akcelerometru vo zvolenej polohe nie je žiaľ presná (nepresnosť
+kolíše v závislosti na zvolenej polohe akcelerometru) a nepodarilo sa mi prísť (kvôli nedostatku času) na to,
+kde môže byť chyba.
+[[https://drive.google.com/open?id=16A5mXGF80x7sn3EjSTIg6NrUqWS896O5|zdrojové súbory]]
+[[https://drive.google.com/open?id=17qJpzuhK15dT8O1v8BeUGPA5j-lbc9JG|videoukážka]]
 ----
-====== Zdroje ======
-DT0076- Compensating for accelerometer installation error: zeroing pitch and roll for a reference orientation: [[https://www.st.com/resource/en/design_tip/dm00358510.pdf]]
-[[https://www.zive.cz/clanky/pojdme-programovat-elektroniku-jak-vlastne-funguje-akcelerometr-a-gyroskop-nejen-ve-vasem-telefonu/sc-3-a-194858/default.aspx#articleStart]]
+====== Zdroje ======
+https://www.st.com/resource/en/design_tip/dm00358510.pdf\\
-Rotation matrix for rotations around x-axis: https://www.mathworks.com/help/phased/ref/rotx.html
+https://www.zive.cz/clanky/pojdme-programovat-elektroniku-jak-vlastne-funguje-akcelerometr-a-gyroskop-nejen-ve-vasem-telefonu/sc-3-a-194858/default.aspx#articleStart\\
+https://www.mathworks.com/help/phased/ref/rotx.html

Individální projekty MPOA

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku