如何使用Arduino开发板和ADXL345加速度计跟踪方向
目录
- 有用的链接
- 1. ADXL345加速度计的工作原理
- 1.1 工作原理
- 1.2 如何使用Arduino读取ADXL345加速度计数据
- 1.2.1 电路图
- 1.2.2 ADXL345加速度计的Arduino代码
- 1.2.3 代码描述
- 2. ADXL345加速器校准
- 3. Arduino和ADXL345加速度计方向跟踪 - 三维可视化
- 3.1 Arduino代码
- 3.2 Processing代码
- 3.3 代码描述
- 附：Arduino开发板使用MPU6050加速度计和陀螺仪的方法
本文转载自：一板网https://www.yiboard.com/thread-1213-1-1.html
国外的网址：https://howtomechatronics.com，网站中的地址是：https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-to-track-orientation-with-arduino-and-adxl345-accelerometer/
本文是原文转载，目的是为了在学习的过程中，不断修改并补充自己的内容，如果有侵权请联系我，将尽快改正。
参考：
- 编程和校准ADXL345 数字加速度计)
- ADXL345： 如何校准
- ADXL345：新增自动加速度计校准
在本篇文章中，我们将学习如何使用Arduino开发板和ADXL345加速计传感器测量角度和跟踪方向。首先，我们将介绍传感器是如何工作以及如何从中读取数据，然后使用Processing开发环境，对加速度计方向进行3D可视化。
有用的链接
1.寻找IIC设备地址的代码
https://blog.csdn.net/acktomas/article/details/101419690
1. ADXL345加速度计的工作原理
ADXL345传感器芯片的三轴加速度测量轴向定义如下图：
下图举例了ADXL345传感器以各种不同方式静置时传感器的理想输出值（实际中由于器件偏差，尤其是Z轴很难保证输出纯正的±1g）：
知道了这一点，您可以计算传感器读数的校正输出。
首先，让我们来看看ADXL345传感器的工作原理。这是一个3轴加速度计，可以测量静态和动态加速度力。地球重力是静力的典型例子，而动态力可以由振动、运动等引起。
1.1 工作原理
加速度的测量单位是米每二次方秒（m/s2）。但是，加速计传感器通常以“g”或重力表示测量值。一个“g”是地球重力的值，它等于每平方秒9.8米。
因此，如果我们将加速度计平放，其Z轴朝上，与重力相反，则传感器的Z轴输出将为1g。另一方面，X和Y输出将为零，因为重力垂直于这些轴并且根本不影响它们。
ADXL345 3轴加速器输出数据
如果我们将传感器倒置，那么Z轴输出将为-1 g。这意味着传感器由于其重力方向的输出可以在-1g到+ 1g之间变化。
adxl345 z轴输出
因此，根据这些数据并使用一些三角函数数学，我们可以计算传感器定位的角度。
1.2 如何使用Arduino读取ADXL345加速度计数据
好的，现在让我们看看如何使用Arduino读取ADXL345加速度计数据。该传感器使用I2C协议与Arduino进行通信，因此我们只需要两条线连接它，另外还需要两条线来为它供电。
1.2.1 电路图
Arduino和ADXL345加速度计电路图
1.2.2 ADXL345加速度计的Arduino代码
以下是读取ADXL345加速度计数据的Arduino代码。
/*Arduino and ADXL345 Accelerometer Tutorialby Dejan, https://howtomechatronics.com
*/
#include <Wire.h> // Wire library - used for I2C communication
int ADXL345 = 0x53; // The ADXL345 sensor I2C address
float X_out, Y_out, Z_out; // Outputs
void setup() {Serial.begin(9600); // Initiate serial communication for printing the results on the Serial monitorWire.begin(); // Initiate the Wire library// Set ADXL345 in measuring modeWire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the deviceWire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D// Enable measurementWire.write(8); // (8dec -> 0000 1000 binary) Bit D3 High for measuring enableWire.endTransmission();delay(10);
}
void loop() {// === Read acceleromter data === //Wire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)Wire.endTransmission(false);Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registersX_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // X-axis valueX_out = X_out/256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheetY_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Y-axis valueY_out = Y_out/256;Z_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Z-axis valueZ_out = Z_out/256;Serial.print("Xa= ");Serial.print(X_out);Serial.print(" Ya= ");Serial.print(Y_out);Serial.print(" Za= ");Serial.println(Z_out);
}
1.2.3 代码描述
- 我们需要包含用于I2C通信的Wire.h库。每个使用I2C通信的器件都有一个唯一的I2C地址，该地址可以在传感器的数据手册中找到（ADXL345数据手册）。因此，我们定义了三个输出的地址和变量之后，首先在setup函数部分中，我们需要初始化wire库，然后将加速度计设置为测量模式。为了实现这一点，如果我们再次查看数据手册，可以看到需要将POWER_CTL寄存器的位D3置为高电平。
adxl345电源寄存器 - 启用测量模式
- 使用beginTransmission()函数，我们开始通信，然后使用write()函数，我们告诉要访问哪个寄存器，再次使用write()函数，将D3位设置为HIGH，通过写入十进制的数字8，对应于将D3位设置为HIGH。
// Set ADXL345 in measuring modeWire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the deviceWire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D// Enable measurementWire.write(8); // (8dec -> 0000 1000 binary) Bit D3 High for measuring enableWire.endTransmission();
现在我们在loop()函数部分中读取传感器的数据。每个轴的数据存储在两个字节或寄存器中。我们可以从数据手册中看到这些寄存器的地址。
adxl345加速器x y z数据寄存器
- 为了全部读取它们，我们从第一个寄存器开始，并使用
requestFrom()函数，我们要求读取6个寄存器。然后使用read()函数，我们从每个寄存器读取数据，并且由于输出是两个补码，我们将它们适当地组合以获得正确的值。
// === Read acceleromter data === //Wire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)Wire.endTransmission(false);Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registersX_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // X-axis valueX_out = X_out/256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheetY_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Y-axis valueY_out = Y_out/256;Z_out = ( Wire.read()| Wire.read() << 8); // Z-axis valueZ_out = Z_out/256;
传感器的输出值实际上取决于所选的灵敏度，灵敏度可在±2g到±16g之间变化。默认灵敏度为±2g，这就是为什么我们需要将输出除以256以获得-1到+1g的值。 256 LSB / g意味着我们每g有256个计数。
adxl345灵敏度范围
- 根据应用，我们可以选择适当的灵敏度。在本例中，对于跟踪方向，±2g灵敏度很好，但对于需要从突然移动、冲击等感知更高加速力的应用，我们可以使用DATA_FORMAT寄存器和它的D1和D0位选择一些其他灵敏度范围。
adxl345灵敏度范围寄存器和真值表
2. ADXL345加速器校准
然而，一旦我们读取数据，我们可以简单地在串行监视器上打印它以检查值是否符合预期。本例中，我得到的值并不完全正确，特别是Z轴有0.1g的明显误差。
adxl345加速度计校准
为了解决这个问题，我们需要使用3个偏移校准寄存器来校准加速度计，以下是如何做到这一点。我们需要将传感器平放，并打印RAW值而不将它们除以256。
adxl345加速度计校准过程
从现在开始，我们可以注意到输出偏移了多少，在我的例子中，Z输出大约是283。这相差27，为正。现在我们需要将此值除以4，这就是需要写入Z轴偏移寄存器的数字。如果我们现在上传代码，Z轴输出将正好是256或1g。
ADXL345需要通过放在绝对水平的位置，进行校准。涉及到校准的寄存器包括(0X1E,0X1F,0X20)。校准寄存器比例因子为15.6mg/LSB，也就是说0X7F代表2G；这个寄存器的数值会自动加到加速度值中。
加速度传感器内含MEMS机械结构，这个器件组装到PCB上之后，由于安装等各种原因，可能导致并非绝对精准，从而需要进行数据校准。通常校准时，Z轴为1G， X,Y为0G。校准时，通常采用默认的100Hz采样率连续采样10个样板（也就是对应于0.1秒采样时间），测量的值为X，Y，Z的偏移量，分别对应X,Y在0G， Z在1G的情况。
偏移寄存器的数值是用加法 计算的。因此，如果水平位置原始值为负值，则偏移寄存器数值为正，如果水平位置原始值为正，则偏移寄存器数值为负（用反码表示，反码中0XFF表示-1）
例如：水平放置时，X读数-5，y读数2， Z读数270；这时，正常值应该是0,0,255，因此需要把偏移量设置为5， -2， -15。但是这里注意了，ADXL345默认13位分辨率，16G量程时，1 LSB为1/256 = 3.9mg/LSB。
由于== 偏移寄存器为15.6mg/LSB，所以偏移寄存器写1个LSB，相当于偏移了4个LSB，所以偏移寄存器的值，需要除以4==。所以实际偏移量应该为5/4=1, -2/4=0, -15/4=-4, 其中负数用反码表示，所以为1， 0 ， FC, 分别写入off_x, off_y和off_z即可。
// This code goes in the SETUP section
// Off-set Calibration//X-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x1E); // X-axis offset registerWire.write(1);Wire.endTransmission();delay(10);//Y-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x1F); // Y-axis offset registerWire.write(-2);Wire.endTransmission();delay(10);//Z-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x20); // Z-axis offset registerWire.write(-7);Wire.endTransmission();delay(10);
如果需要，我们应该使用相同的方法校准另一个轴。 有一点需要注意的是，此校准不会永久写入寄存器。 我们需要在传感器每次上电时将这些值写入寄存器。
完成校准后，我们现在可以使用这两个公式计算出滚动和俯仰，或绕X轴旋转和围绕Y轴旋转的度数。
(传感器的X轴与自然界的X轴夹角)yaw=arctanaccy2+accz2accx×180PI.(传感器的Y轴与自然界的Y轴夹角)roll=arctanaccx2+accz2accy×180PI.(传感器的Z轴与自然界的Z轴夹角)pitch=arctanaccx2+accy2accz×180PI.(传感器的X轴与自然界的X轴夹角)yaw = \arctan{\frac{\sqrt{acc_y^2+acc_z^2}}{acc_x}} \times \frac{180}{PI} \\.\\ (传感器的Y轴与自然界的Y轴夹角)roll = \arctan{\frac{\sqrt{acc_x^2+acc_z^2}}{acc_y}} \times \frac{180}{PI} \\.\\ (传感器的Z轴与自然界的Z轴夹角)pitch = \arctan{\frac{\sqrt{acc_x^2+acc_y^2}}{acc_z}} \times \frac{180}{PI}\\.\\ (传感器的X轴与自然界的X轴夹角)yaw=arctanaccxaccy2+accz2×PI180.(传感器的Y轴与自然界的Y轴夹角)roll=arctanaccyaccx2+accz2×PI180.(传感器的Z轴与自然界的Z轴夹角)pitch=arctanacczaccx2+accy2×PI180.
// Calculate Roll and Pitch (rotation around X-axis, rotation around Y-axis)roll = atan(Y_out / sqrt(pow(X_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;pitch = atan(-1 * X_out / sqrt(pow(Y_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;
有关这些公式如何工作的更多详细信息，请查看此飞思卡尔半导体应用说明：https://www.nxp.com/files-static/sensors/doc/app_note/AN3461.pdf。
3. Arduino和ADXL345加速度计方向跟踪 - 三维可视化
好吧，让我们现在制作加速度计3D可视化示例。
Arduino和ADXL345加速度计方向跟踪 - 三维可视化
3.1 Arduino代码
因此，我们使用相同的代码，通过串口发送Roll和Pitch值。 以下是完整的Arduino代码：
/*Arduino and ADXL345 Accelerometer - 3D Visualization Exampleby Dejan, https://howtomechatronics.com
*/
#include <Wire.h> // Wire library - used for I2C communication
int ADXL345 = 0x53; // The ADXL345 sensor I2C address
float X_out, Y_out, Z_out; // Outputs
float roll,pitch,rollF,pitchF=0;
void setup() {Serial.begin(9600); // Initiate serial communication for printing the results on the Serial monitorWire.begin(); // Initiate the Wire library// Set ADXL345 in measuring modeWire.beginTransmission(ADXL345); // Start communicating with the deviceWire.write(0x2D); // Access/ talk to POWER_CTL Register - 0x2D// Enable measurementWire.write(8); // Bit D3 High for measuring enable (8dec -> 0000 1000 binary)Wire.endTransmission();delay(10);//Off-set Calibration//X-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x1E);Wire.write(1);Wire.endTransmission();delay(10);//Y-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x1F);Wire.write(-2);Wire.endTransmission();delay(10);//Z-axisWire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x20);Wire.write(-9);Wire.endTransmission();delay(10);
}
void loop() {// === Read acceleromter data === //Wire.beginTransmission(ADXL345);Wire.write(0x32); // Start with register 0x32 (ACCEL_XOUT_H)Wire.endTransmission(false);Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true); // Read 6 registers total, each axis value is stored in 2 registersX_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // X-axis valueX_out = X_out / 256; //For a range of +-2g, we need to divide the raw values by 256, according to the datasheetY_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // Y-axis valueY_out = Y_out / 256;Z_out = ( Wire.read() | Wire.read() << 8); // Z-axis valueZ_out = Z_out / 256;// Calculate Roll and Pitch (rotation around X-axis, rotation around Y-axis)roll = atan(Y_out / sqrt(pow(X_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;pitch = atan(-1 * X_out / sqrt(pow(Y_out, 2) + pow(Z_out, 2))) * 180 / PI;// Low-pass filterrollF = 0.94 * rollF + 0.06 * roll;pitchF = 0.94 * pitchF + 0.06 * pitch;Serial.print(rollF);Serial.print("/");Serial.println(pitchF);
}
3.2 Processing代码
现在在Processing开发环境中，我们需要接收这些值并使用它们来旋转我们将创建的3D对象。 这是完整的Processing代码：
/*Arduino and ADXL345 Accelerometer - 3D Visualization Exampleby Dejan, https://howtomechatronics.com
*/
import processing.serial.*;
import java.awt.event.KeyEvent;
import java.io.IOException;
Serial myPort;
String data="";
float roll, pitch;
void setup() {size (960, 640, P3D);myPort = new Serial(this, "COM8", 9600); // starts the serial communicationmyPort.bufferUntil('\n');
}
void draw() {translate(width/2, height/2, 0);background(33);textSize(22);text("Roll: " + int(roll) + " Pitch: " + int(pitch), -100, 265);// Rotate the objectrotateX(radians(roll));rotateZ(radians(-pitch));// 3D 0bjecttextSize(30); fill(0, 76, 153);box (386, 40, 200); // Draw boxtextSize(25);fill(255, 255, 255);text("www.HowToMechatronics.com", -183, 10, 101);//delay(10);//println("ypr:\t" + angleX + "\t" + angleY); // Print the values to check whether we are getting proper values
}
// Read data from the Serial Port
void serialEvent (Serial myPort) {// reads the data from the Serial Port up to the character '.' and puts it into the String variable "data".data = myPort.readStringUntil('\n');// if you got any bytes other than the linefeed:if (data != null) {data = trim(data);// split the string at "/"String items[] = split(data, '/');if (items.length > 1) {//--- Roll,Pitch in degreesroll = float(items[0]);pitch = float(items[1]);}}
}
3.3 代码描述
在这里，我们需要包括串行库，定义串口和波特率，这需要与上传的Arduino草图的波特率相匹配。然后我们读取输入数据并将其放入相应的roll和pitch变量中。在主draw循环中，我们使用这些值来旋转3D对象，本例中是一个具有特定颜色和文本的简单框。
如果我们运行草图，3D对象将出现，它将跟踪加速度计传感器的方向。我们在这里可以注意到，物体实际上有点不稳定，这是因为加速度计不仅捕获了重力，而且捕获了我们手的运动产生的小力。为了获得更平滑的结果，我们可以使用简单的低通滤波器。在这里，我在Arduino代码中实现了这样一个过滤器，它占用了之前状态的94％，并且增加了当前状态或角度的6％。
// Low-pass filterrollF = 0.94 * rollF + 0.06 * roll;pitchF = 0.94 * pitchF + 0.06 * pitch;
使用此过滤器，我们可以注意到对象现在移动得更顺畅，但也有副作用，响应速度较慢。我们还可以注意到我们确实Yaw，或绕Z轴的旋转值。仅使用3轴加速度计数据，我们无法计算偏航。
为了实现这一目标并提高定向跟踪传感器的整体性能，我们实际上需要包括一个额外的传感器，一个陀螺仪，并将其数据与加速度计融合。
adxl345加速度计和l3g4200d gyrscope或mpu6050 6dof模块
因此，我们可以将ADXL345加速度计与一些陀螺仪传感器结合使用，或者使用MPU6050 IMU，它将3轴加速度计和3轴陀螺仪集成在一个芯片上。我希望你喜欢这篇文章并学到新的东西。
附：Arduino开发板使用MPU6050加速度计和陀螺仪的方法
网址：https://www.yiboard.com/thread-1212-1-1.html
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