Ocenę projektu IMU z akcelerometrem, żyroskopem i magnetometrem w ATmega328

Fri Dec 17, 2010 8:30 pm   

Hej,
projektuję IMU oparte o 2 osiowy akcelerometr, dwa żyra (na osobnych
płytkach, wpięte prostopadle do głównej płytki.) i magnetometr.
Całością ma sterować ATmega328. Będzie podpinane do innej sterującej
płytki; całość zasilana z 5V.

Wszystko prócz magnetometru ma analogowe interfejsy, w związku z tym
chciałem chętnych prosić o rzucenie okiem na płytkę i wytknięcie mi
jakichś (możliwe, że oczywistych) błędów, które
popełniam, lub może jakiś ogólnych rad:

http://temp.thera.be/IMU

Parę pytań jakie mi przychodzą do głowy:

1) Warto rozlewać coś poza GND na jednej stronie płytki? W płytce z
żyroskopem rozlałem VCC po drugiej stronie. Są jakieś przeciwskazania?
Może lepiej GND? Nie robią się wtedy cykle zamknięte na masie co jest
nie wskazane? (Kiedyś słyszałem, że są złe. ;D)

2) Wszędzie prócz magnetometru (który jest strasznie mały, w lewym
górnym rogu płytki IMU) używam ścieżek 16mils i tam gdzie mogę je
pogrubiam. Przesadzam? Daje to coś? Może to ma sens tylko dla
zasilania? Ma dla sygnałów analogowych?

3) Wyjście z akcelerometru wrzucam na dwa filtry low-pass RC. Czy
ułożenie R i C na płytce ma jakieś znaczenie? Czy filtr umieszczać przy
akcelerometrze czy przy procku? Czy może to nie ma znaczenia specjalnie?

4) Absolutnie maksymalny prąd to 250mA; Chcę tam wstawić polimerowy
bezpiecznik 0.3A. To dużo biorąc pod uwagę, że prąd faktyczny pewnie
nie przekroczy 100mA? Lepiej zamiast niego wstawić diodę
zabezpieczającą kierunek przepływu? Płytka ma 4x6cm, czy jeśli
maksymalny prąd to 250mA stosowanie ścieżek 32mils (0.8mm) jest
przesadą?

5) W paru miejscach prowadzę pomiędzy nogami pinheada ścieżki.
Powinienem je zwęzić czy to 16mils jest ok? Eagle błędów tu nie
zgłasza.

6) Do wpięcia dwóch płytek z żyro użyję giętego pinheada w płytce żyro
i gniazda 2x5 pinów prostego; żeby podpiąć tą płytkę IMU do głównej
chcę użyć taśmy i wtyków pinhead 2x8. Czy to ma sens? Czy są inne
(mniejsze?) proste w użyciu i dostępne równoległe wtyczki/gniazda?


Za wszelki feedback wielkie dzięki,
pozdrawiam,
--
Tomasz bla Fortuna
jid: bla(at)af.gliwice.pl
pgp: 0x90746E79 @ pgp.mit.edu
www: http://bla.thera.be

Fri Dec 17, 2010 9:53 pm   

Do czego to ma służyć? Jeżeli do odwróconego wahadła to po co magnetometr a
jeżeli to ma być klasyczne IMU to dlaczego tylko dwie osie?


ósemka? One mają słaby przetwornik A/C.


nieprofesjonalnie. Dodatkowo część ścieżek jest zginana pod dowolnym kątem,
część ma łuki - bałagan. Przyjrzyj się płytkom w jakimś profesjonalnym
urządzeniu.
Zastanawiam się czy przy przetworniku 10-bitowym i niskomocowych układach
analogowych jest sens rozdzielać masy. Tak naprawdę nie ma tam układów,
które wprowadzały by zakłóćenia do pomiarów. Ja bym dał jedną masę.


mi się że robi się tak dlatego że:
- masa jako obwód o zerowym potencjale jest jednocześnie ekranem,
- zwykle jest najczęściej wystepującą ścieżką,
- wylana płaszczyzna daje najkrótszą drogę powrotną dla prądu, dzieki temu
nie tworzą się pętle mogące coś emitować lub zbierać z otoczenia.
Rozdzielając masy "gwałcisz" tą ostatnią regułę :-)


ścieżka ma mniejsza impedancję, jest bardzej odporna mechanicznie
(zarysowanie, pęknięcie przy zgięciu), lepiej przewodzi ciepło, jest
odporniejsza na błędy technologiczne, mniej odczyników do trawienia trzeba
zużyć :-)



zawsze na końcu obwodu, tuż przy przetworniku.


zabezpieczenie nie zaszkodzi, tym bardziej że nie masz polaryzowanego złacza
zasilania (można podłączyć odwrotnie). Jeżeli spadek jest problemem, to za
bezpiecznikiem wstaw diodę spolaryzowanę zaporowo. Jeżeli właczysz odwrotnie
dioda (najlepiej zenera albo jeszcze lepiej transil) zrobi zwarcie i
uruchomi bezpiecznik.





jakie ma zalecenia. Każda szanująca się firma takie podaje i nie należy ich
przekraczać.


sztywno do płytki, tak aby zawsze trzymały odpowiedni kat. Zobacz jak
zamocował żyra Procerus: http://www.procerusuav.com/ albo Micropilot:
http://www.micropilot.com/




--
Piotrek.
http://www.pitlab.pl

Fri Dec 17, 2010 10:58 pm   

Dnia Fri, 17 Dec 2010 21:53:40 +0100
"Pitlab" <pitlab@pulpka.wp.pl> napisał(a):


To ma być odwrócone wahadło, ale całkiem możliwe, że będzie latać
(przyjmuję to jako opcję, będę ją weryfikował jak dostanę części, a IMU
ma ją po prostu uwzględnić) - i wtedy będę potrzebował magnetometru do
korekcji prędkości obrotowej całej platformy. Zasadniczo magnetometr
miał mi zastąpić trzecie żyro dla osi prostopadłej do płytki IMU.

Trochę niewierzę, że całkowanie tego akcelerometru przy dokładności ADC
z AVR da mi rzetelną informację o prędkości i ostatecznie położeniu,
więc celem jest mniej/bardziej po prostu inklinometr.


Mają zgodny pinout; wstawię docelowo atmegę328. Ma lepszy ADC niż
ósemka? Wydawało mi się, że AVRki będą miały bardzo zbliżony.

Z moich doświadczeń wynika, że ADC z atmega644 (dip) jest do tego
zastosowania wystarczający. Miałem tylko w poprzednim projekcie (brak
filtrów RC akcelerometru) spore szumy od akcela, biegającą średnią, a i
tak całość ratował dopiero Kalman. Ale gyra zczytywał wystarczająco
dokładnie.

Zresztą prototyp poprzedniego projektu (bez zrobionego dołu) nawet mam
tutaj:
http://www.youtube.com/watch?v=-K9Z6itzl7A
IMU od tamtego filmu się nie zmieniło.



Ok, przyjrzę się. Wstępnie zakładam takie modyfikowanie kątów, by
skrócić ścieżki, tzn. brak kątów prostych gdzie się da. Co do łuków to
miałem ambiwalentne odczucia... wstawiałem gdzie chciałem zwiększyć
dystans.

Ścieżki, które myślałem, że mogą coś zakłócić to RXD/TXD (9600baud
minimum, może więcej), i I2C od magnetometru. Sama Atmega ma pracować
ze względu na obliczenia na tych 20MHz - nie będzie siała? Nie jestem
pewien czy zawsze będzie uśpiona.

+ Prawdopodobnie całość będzie miała jedno źródło zasilania (LiPo 12V)
ze stabilizatorem 5V (Powiedzmy, że elektronika nie pociągnie > 1A.
Jest sens babrać się w impulsowy?) i do tego samego zasilania będą
wpięte dwa silniki bezszczotkowe/szczotkowe. Nie wiem na ile to będzie
siało i na ile osobne GND cokolwiek pomaga.

Pewnie na tym etapie nie będę tej dodatkowej masy usuwał, ale spróbuję
kiedyś porównać wyniki.


No fakt. To bez dwóch mas. Rozlewając VCC pewnie trochę nad wyraz
wyobrażałem sobie, że to może razem z wylanym GND tworzyć z płytki
kondensator. Pewnie jakby to przeliczyć jego pojemność z dokładnością
do dwóch miejsc po przecinku wyniesie 0.00uF.


Z tego co widzę jakby szeregowo wpiąć schottkiego (20V/1A 1N5817) spadek
dla 300mA wyniesie 0.2 do 0.3V. To mnie raczej na pewno nie boli
(wszystko zadziała tam przy 4.5V). Ten patent z diodą, o którym mówisz
jest bardzo dobry. Zener Vr=10V 0,5W SOD 80 (mini-melf) z tego co
rozumiem zagra tutaj dobrze.

Transil z tego co czytam wiki jest symetryczny, powstrzyma przepięcia,
ale odwrotną polaryzację by puścił - można by go dodać idealnie przed
zenerem (choć chyba w zasilaczu na głównej płytce miałby sens). Dobrze
zrozumiałem przesłanie wiki, czy kręcę?




Nie, nie. Żyra będą wpięte bezpośrednio. Tzn. płytka z żyrem ma gięty
pinhead na swojej krawędzi, ma bezpośrednio wejść w gniazdko na ten
pinhead na płytce IMU. Gniazdo jest trochę nadmiarowe żeby dobrze
trzymało płytkę.

Będą dwie płytki koło siebie, możliwe że połączę też na sztywno ich
końce żeby wyeliminować drgania.

Na taśmie będzie natomiast całe IMU - wpięte w główną płytkę. Rozumiem
same pinheady Cię nie odstraszają, więc będę się ich trzymał.


Zbiorcza odpowiedź:




--
Tomasz bla Fortuna
jid: bla(at)af.gliwice.pl
pgp: 0x90746E79 @ pgp.mit.edu
www: http://bla.thera.be

Sat Dec 18, 2010 12:37 am   

korekcji dryftu żyroskopu. Akcelerometr (poprzez filtry, np Kalmana)
koryguje pochylenie (pitch) i przechylenie (roll) a magnetometr koryguje
odchylenie (yaw).
Jeżeli masz konkretne połozenie pracy z miewielkimi odchyleniami to od biedy
wystarczą dwa akcelerometry i dwa magnetometry, ale jeżeli poduszczasz
dowolne połozenie w przestrzeni, to powinien być komplet: 3+3+3.
O ile na samych żyroskopach polecisz (trzeba będzie ręcznie korygować zero,
ale to i tak robisz lecąc normalnie) to na akcelerometrze będziesz miał masę
szumów od drgań + siły odśrodkowe + te wynikajace ze zmiany prędkości.
Magnetometr też przynajmnie jw przypadku elektryka potrafi szumieć od prądów
w ukłądzie napędowym.
Zerknij sobie tutaj: http://pitlab.pl/forum/viewtopic.php?f=12&t=294
porównywałem magnetometr bardzo podobny do tego któego chcesz użyć MMC3120 z
KMZ51 od NXP. Ten drugi wypada znacznie lepiej, ale to są układy 1-osiowe a
MMCX ma 2 lub 3 osie w małej kostce.


Zresztą akcelerometr w wachadle pokaże Ci że się odchyliło (już po ptakach)
a żyroskop da Ci informacjeże się odchyla i masz trochę więcej czasu na
reakcję. Po prędkości kątowej wiesz jak mocno masz korygować a z
akcelerometru dopiero musiałbyś wyliczyć tą prędkość.
Tak więc póki nie za późno wstawiaj trzeci żyroskop. W najgorszym wypadku
nie będziesz go używał, ale bez niego nie dasz rady policzyć wszystkich
katów orientacji w przestrzeni.




Też coś takiego muszę sobie zrobić.



Dobierz wartość eksperymentalnie tak aby lekko zaokrąglało zbocza a było
wsytarczajaco prostokątne do odczytania przez procesor. Zaczął bym od
dziesiatek pikofaradów. W ten sposób pozbywasz się wyższych harmonicznych.
Głównej harmonicznej transmisji nie odfiltrujesz :-)



żadnych przetowornic. Chyba że musi być 12. Wtedy (12-5)*0,25A da nam 1,75W
strat mocy co też od biedy da się rozproszyć na niewielkim radiatorze


elektroniki. Do tego rozdzielić oba obwody jakimś filtrem np z ferrytu +
kondensatory. Dzielić masę na płytce warto było by, gdyby te silniki brały
prąd z płytki, to wtedy wydzielił bym osobną masę dla silników i połączył
bym z masą układu jakimś filtrem ferrytowym np BLM cośtam Muraty, albo PBY
cośtam.


To się nawet da policzyć, ale o tej porze chce mi się już tylko jedno :-)


Zerknąłem na schemat, ale jest OK jest poganiane z AREF. Nawet jak AREF się
zmieni to dalej będzie poprawny odczyt.


npięcia do układu. Na płytce IMU nie widzę stabilizatora a żyroskopy
(kosztujące ponad stówkę każdy) mają absolute maximum VDD = 6V, więc
żyroskopy padną zanim zadziała zabezpieczenie przeciwnapieciowe zrobione z
tej diody. Polecałbym wstawić tam stabilizator. W porównaniu do żyroskopu
kosztuje grosze a jest poważnym zabezpieczeniem cennych układów i od razu
filtruje zakłócenia po zasilaniu.


zenerki szeregowo przeciwsobnie).
W patencie z zabezpieczeniem od odwrotnego podłączenia zasilania powinien
być pojedyńczy.
Od klasycznej zenerki różni się tym że przenosi znacznie wieksze prądy.
Jeżeli podłaczysz odwrotnie zailanie, to zanim nagrzeje się bezpiecznik
przez diodę pójdą grube ampery. Może nie wytrzymać, przepali sie cienki
drucik w środku i przestanie zabezpieczać układ. Transile maą solidne
elektrody i jak padną (krzem) to palą się na zwarcie i tylko lepiej
zabezpieczają układ
Do małych mocy od biedy możesz wstawić zwykłą zenerkę, ale jak będziesz
robił zakupy to transile też nie są drogie.



Złącze utrzyma taką płytkę. A bym tylko zmniejszył płytkę żyra. Przyjrzyj
sie płytkom w linkach które podałem we wcześniejszym liście. Tam PCB jest
nieznacznie większe od żyroskopu a tutaj jest ok 4 razy większe. Jeżeli masz
mało miejsca to zrób szeroką płytkę ale nie jedź w górę, bo moment od tak
dużego ramienia będzie poruszał modułem.
Poza tym żyroskpy i akcelerometry powinny być w środku ciężkości a na takiej
płytce masz żyroskopy o te ~4cm wyżej niż akcelerometry. Ja sobie zrobiłem
taką płyteczkę: http://pitlab.pl/loger/gyro.jpg W otworki lutuję złącze
szpilkowe, katowe i wtykam w żeńskie proste. Scalak jest ok 2mm nad płytką
główną.



się zdemontować.

--
Piotrek.
http://www.pitlab.pl

Sat Dec 18, 2010 12:50 am   

Tomasz bla Fortuna wrote:

transile są jednokierunkowe i dwukierunkowe np.:
1.5KE12A - Dioda zabezpieczająca 1,5kW 12V 1-kierunkowa
1.5KE12CA - Dioda zabezpieczająca 1,5kW 12V 2-kierunkowa

Jeśli na końcu jest "A"- jednokierunkowy, działa jak dioda Zenera
"CA" - dwukierunkowy działa jak 2 diody Zenera połączone szeregowo
katodami.

--
pzdr, j.r.

Sat Dec 18, 2010 12:26 pm   

Dnia Sat, 18 Dec 2010 00:37:04 +0100
"Pitlab" <pitlab@pulpka.wp.pl> napisał(a):


Jakie szumy łapie akcelerometr się na własnej skórze przekonałem, ale
nie sądziłem, że magnetometr też do tego stopnia może szumić.

Dość łatwo mogę podmienić tą kostkę memsica 2 osiowego akcelerometru na
3 osiowy. Z żyrem trochę większy problem; zobaczę czy zmieszczę tam
jeszcze jedno gniazdo, natomiast miałbym pytanie:

Gdzie w Polsce można kupić żyra AD? Poprzez jakiegoś reprezentanta jak
pytałem dowiedziałem się, że kwoty są raczej nie "ponad 100zł" tylko "w
okolicach 500zł", co mnie trochę odstraszyło.


Tak, ale o kątowej. Miałem na myśli, że znając kierunek wektora
przyśpieszenia ziemskiego (inklinację) można całkować przyśpieszenia
dynamiczne i określać zmianę położenia względem początkowego. Łodzie
podwodne czasem tak zdaje się robią.


Spróbuję dołożyć trzeci socket na żyro; magnetometr faktycznie mocno
śmieci. Natomiast wyjątkowo cisnąć nie będę. Nawet jak wybiorę opcję
'latanie' to w tej osi powinna mi wystarczyć informacja czy się
obracam, i w którym kierunku. Nawet z dokładnością do 10-20 stopni.



po TWI jakoś szybko gonił; nie potrzebuję dużo tych pomiarów.


Musi być 12V; do tego mam parę takich baterii, więc tego się będę
trzymał. Mógłbym natomiast z gniazda ładowania li-po wyciągnąć chyba
7.2V. Natomiast będzie jeszcze płytka z głównym procem i i tak chciałem
tam wrzucić stabilizator. Teraz sobie jeszcze pomyślałem, że na 5V będę
musiał podpiąć też dwa serwa (w jednej z wersji projektu). Wtedy prąd
trochę przekroczy te 250mA pewnie. W razie czego zrobię impulsowy.
Jednego na pająka już zrobiłem i działa.


O, taki filtr chyba zrobię. Rozdzielę nim zasilanie mechaniki i
elektroniki.


Stabilizator będzie kawałek dalej, dlatego nie dałem go tutaj. Pewnie
gdybym dał jakiś liniowy LDO to dałby radę stabilizować z jakichś 5V.
I rozumiem już jak byś chciał wpiąć zenerkę. Myślałem o wpięciu jej
przeciwnie, głównie z myślą o zabezpieczeniu tej odwrotnej polaryzacji,
wtedy jej Vr nie ma dużego znaczenia. Ale faktycznie dobrze dobrana
dodatkowo ograniczy napiecie.

Przyjrzę się jeszcze transilom, Ty oraz j.r. fajnie wytluszczyliście mi
gdzie się pomyliłem przy oglądaniu ich wczoraj.


Czyli transil dobrze zabezpieczy odwrotną polaryzację, oraz - tak jak
zener - dodatkowo ograniczy mi napięcie 'dobrze podpięte'. Cool.



No słusznie. Płytkę żyra już trochę zmniejszyłem. Projektuję je trochę
zachowawczo bo miałem ostatnio sporo problemów z lutowaniem. Wprawdzie
już wiem jaki zrobiłem błąd... użyłem standardowych kulek w tym BGA,
które są ROHS-complaint i topią się w o wiele za wysokiej temperaturze.
Dlatego chcę tam mieć mały zapas miejsca.

Jakbym się przełamał to jeszcze dałbym radę ją trochę zmniejszyć.
Zobaczę...


Pozdrawiam,
--
Tomasz bla Fortuna
jid: bla(at)af.gliwice.pl
pgp: 0x90746E79 @ pgp.mit.edu
www: http://bla.thera.be

Sat Dec 18, 2010 1:19 pm   

zmianą pola. W każdym bądź razie widać że czujnik cyfrowy ma zdecydowanie
mniejszą rozdzielczość od czujnika analogowego + 16 bitowy ADC. Na pierwszym
widać kroki kwantyzacji gdy drugi jeszcze ma gładki wykres.
Szumy od instalacji widać na wykresach gdzie porównywałem osie X i Y obu
czujników. Czujnik KMZ51 był w kabinie i to na niego wpływało pole
magntyczne z przewodów zasilajacych silnik. Czujnik MMC siedział dalej,
gdzieś w okolicy ogona. Jak się dobrze przyjrzysz, to na czerwonej linii
widać 3 fragmenty jakby pogrubienia wykesu. W tym czasie był włączony silnik
i to ewidentnie jest szum od instalacji.




http://pitlab.pl/forum/viewtopic.php?f=12&t=296 ale u mnie to nie działało.
Wykres odjeżdza w kosmos i wymagna jest bardzo precyzjna kalibracja zera.
Nawet manipulując poziomem zera na zarejestrowanych danych nie udawało mi
się uzyskać nawet przybliżonego odwzorowania trasy zarejestrowanej przez
GPS.
Ten eskperyment był robiony dawno, wtedy miałem jeszcze dosyć proste
obliczenia i może popełniałem jakiś błąd. Trzeba będzie do tego wrócić.



dla elektroniki.



zaledwie ok 50%, czyli połowa jest do poprawki. Lutuję to gorącym powietrzem
na pastę nakładaną strzykawką z igłą 0,5mm. Ważne jest przewidzieć możliwość
testowania połączeń a zwłaszcza zwarć między sąsiednimi rzędami kulek.

Przy okazji jeżeli mógłbym prosić o sprawdzenie moich schematów:
http://pitlab.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=23:aplschematy-wersja-20beta&catid=1:komputer-pokadowy&Itemid=21
Akurat robię płytkę główną do tego projektu, więc jest ostatnia szansa na
wyłapanie byków.

--
Piotrek.
http://www.pitlab.pl

Thu Dec 23, 2010 10:49 pm   

Hej,

wysyłałem Ci odpowiedź bezpośrednio na maila, ale mi WP go właśnie
odbiło:

--
Hej,
na stronie
http://pitlab.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=23:aplschematy-wersja-20beta&catid=1:komputer-pokadowy&Itemid=21
nie działa mi link do głównego schematu:
http://pitlab.pl/autopitlot/sch/plyta_glown_201.pdf
(404).

Do modułów (przynajmniej niektórych) działa.


--
Tomasz bla Fortuna
jid: bla(at)af.gliwice.pl
pgp: 0x90746E79 @ pgp.mit.edu
www: http://bla.thera.be

Fri Dec 24, 2010 12:14 am   

Już działa. Przy okazji uaktualniłem dokument do najnowszej wersji ze
zmianami zrobionymi przy projektowaniu płytki.
Jak znajdziesz byka to pisz od razu, bo płytka w poniedziałek idzie do
produkcji - jest ostatnia szansa coś poprawić.

--
Piotrek.
http://www.pitlab.pl

Sat Dec 25, 2010 7:51 pm   

Użytkownik "Pitlab" <pitlab@pulpka.wp.pl> napisał w wiadomości
news:if0ksc$gj0$1@news.net.icm.edu.pl...

nie wiem czy to blad, czy celowe dzialanie
ale bateria podtrzymujaca nie musi byc podlaczona
do vbat przez diody, a przynajmniej to sugeruje manual.
Tyle ze rtc podobno nie do konca im dziala w obecnych
rewizjach procka, za to pobiera 0.4ua (zmierzona na lpc1766
w temperaturze pokojowej).
pozdrawiam.
michal m.

Sun Dec 26, 2010 8:16 pm   

Witam po świętach
Tutaj dałem dualne zasilanie i dioda jest po to aby nie ładować 3,0 woltowej
baterii z systemowego 3,3V. Nie wiem co się może dziać z ładowanym ogniwem -
może wybuchnie? Lepiej unikać takich sytuacji bo w powietrzu było by to
nieciekawie. Dioda powoduje spadek napięcia, ale zegarek spokojnie będzie
jeszcze pracował do 2,1V. Mógłbym nie dawać tej diody i podłączyć wyłącznie
do baterii, ale gdy bateria padnie w warunkach polowych to nie będę miał
zegara a tak będzie działał z głównego zasilania. Będzie niewłaściwa godzina
na starcie (problem z utworzeniem pliku logu), ale po chwili zsynchronizuje
się z GPSem i da się przeżyć taką awarię.


że za jakiś czas poprawią.
Właśnie zmierzyłem pobór prądu w zegarze LPC2148 obecnej wersji komputera -
7,5uA - prawie 20 razy więcej a i tak bateryjka CR2032 starcza na sezon.

--
Piotrek.
http://www.pitlab.pl