سنسور ژایروسکوپ 9 محوره ICM-20948

سنسور ژایروسکوپ 9 محوره ICM-20948 یک حسگر حرکتی MEMS پیشرفته از شرکت TDK InvenSense است که سه حسگر اصلی موردنیاز برای تشخیص حرکت و جهت را در یک تراشه کوچک یکپارچه می‌کند. این قطعه شامل ژیروسکوپ سه‌محوره، شتاب‌سنج سه‌محوره و قطب‌نمای دیجیتال سه‌محوره است و در مجموع اطلاعات حرکتی 9 محور یا 9DOF را در اختیار میکروکنترلر قرار می‌دهد.

وجود پردازنده حرکتی داخلی DMP باعث می‌شود بخشی از پردازش‌های مربوط به حرکت، کالیبراسیون و ترکیب داده‌های حسگرها داخل خود تراشه انجام شود. در نتیجه، بار پردازشی میکروکنترلر اصلی کاهش پیدا می‌کند و طراحی سیستم‌های حرکتی، رباتیک و قابل حمل ساده‌تر می‌شود.

ICM-20948 در پکیج بسیار کوچک QFN-24 با ابعاد 3×3×1 میلی‌متر عرضه شده و برای پروژه‌هایی که محدودیت فضا و مصرف انرژی دارند انتخاب مناسبی است.

سنسور 9 محوره ICM-20948 چگونه کار می‌کند؟

این حسگر برای اندازه‌گیری حرکت و جهت از سه بخش استفاده می‌کند:

ژیروسکوپ سه‌محوره

ژیروسکوپ، سرعت چرخش جسم را حول محورهای X، Y و Z اندازه‌گیری می‌کند. محدوده اندازه‌گیری آن متناسب با نوع پروژه قابل تنظیم است:

• ±250 درجه بر ثانیه
• ±500 درجه بر ثانیه
• ±1000 درجه بر ثانیه
• ±2000 درجه بر ثانیه

محدوده‌های پایین‌تر برای اندازه‌گیری حرکت‌های دقیق و آهسته مناسب هستند، درحالی‌که محدوده‌های بالاتر در پهپادها، ربات‌های متحرک و تجهیزاتی که چرخش سریع دارند کاربرد دارند.

شتاب‌سنج سه‌محوره

شتاب‌سنج داخلی، شتاب خطی و اثر نیروی جاذبه را در سه محور اندازه‌گیری می‌کند. محدوده قابل انتخاب آن عبارت است از:

• ±2g
• ±4g
• ±8g
• ±16g

با استفاده از اطلاعات شتاب‌سنج می‌توان حرکت، لرزش، تغییر وضعیت، سقوط، تکان‌خوردن و زاویه تقریبی جسم نسبت به جاذبه را تشخیص داد.

قطب‌نمای سه‌محوره

مغناطیس‌سنج یا قطب‌نمای دیجیتال داخلی، میدان مغناطیسی را در سه محور اندازه‌گیری می‌کند. محدوده اندازه‌گیری این بخش ±4900 میکروتسلا و تفکیک‌پذیری خروجی آن 16 بیت است.

داده‌های قطب‌نما در کنار داده‌های ژیروسکوپ و شتاب‌سنج برای تعیین جهت مطلق، اصلاح خطای تجمعی ژیروسکوپ و پیاده‌سازی الگوریتم‌های Sensor Fusion استفاده می‌شوند.

پردازنده حرکتی DMP

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های ICM-20948، برخورداری از پردازنده داخلی Digital Motion Processor یا DMP است. این پردازنده می‌تواند بخشی از محاسبات مربوط به پردازش حرکت، کالیبراسیون حسگرها و ترکیب اطلاعات 6 یا 9 محور را انجام دهد.

استفاده از DMP مزایای زیر را دارد:

• کاهش بار پردازشی میکروکنترلر
• کاهش مصرف انرژی کل سیستم
• ساده‌تر شدن معماری نرم‌افزار
• بهبود هماهنگی زمانی داده‌های حسگرها
• امکان اجرای کالیبراسیون در زمان کار
• مناسب برای سیستم‌های باتری‌خور و قابل حمل

برای استفاده کامل از قابلیت‌های DMP، باید درایور و Firmware سازگار با ICM-20948 در نرم‌افزار پروژه پیاده‌سازی شود.

خروجی دیجیتال 16 بیتی

ژیروسکوپ، شتاب‌سنج و مغناطیس‌سنج این تراشه دارای خروجی دیجیتال 16 بیتی هستند. این ویژگی امکان دریافت داده‌های حرکتی با تفکیک‌پذیری مناسب را فراهم می‌کند.

ICM-20948 همچنین دارای فیلترهای پایین‌گذر دیجیتال قابل برنامه‌ریزی است. با تنظیم این فیلترها می‌توان نویز اندازه‌گیری را متناسب با سرعت پاسخ موردنیاز پروژه کاهش داد.

پشتیبانی از ارتباط I2C و SPI

سنسور ICM-20948 از دو رابط ارتباطی متداول پشتیبانی می‌کند:

• رابط I2C با سرعت استاندارد 100 کیلوهرتز
• رابط I2C در حالت Fast Mode تا 400 کیلوهرتز
• رابط SPI با سرعت حداکثر 7 مگاهرتز

رابط I2C برای بسیاری از پروژه‌های میکروکنترلری و آموزشی مناسب است. در پروژه‌هایی که سرعت انتقال اطلاعات اهمیت بیشتری دارد، می‌توان از رابط SPI استفاده کرد.

این تراشه همچنین دارای رابط I2C کمکی برای ارتباط با حسگرهای خارجی است.

حافظه FIFO و وقفه‌های قابل برنامه‌ریزی

ICM-20948 دارای حافظه FIFO با ظرفیت اسمی 4 کیلوبایت است. ظرفیت قابل استفاده FIFO ممکن است با توجه به قابلیت‌های فعال‌شده در DMP تغییر کند.

FIFO به تراشه اجازه می‌دهد داده‌های حسگر را موقتاً ذخیره کند. در نتیجه، میکروکنترلر مجبور نیست برای دریافت هر نمونه به‌طور پیوسته حسگر را بررسی کند.

این سنسور از وقفه‌های قابل برنامه‌ریزی نیز پشتیبانی می‌کند. برخی کاربردهای وقفه عبارت‌اند از:

• اعلام آماده شدن داده جدید
• تشخیص حرکت
• بیدار کردن میکروکنترلر از حالت کم‌مصرف
• مدیریت FIFO
• هماهنگ‌سازی زمانی داده‌ها

قابلیت Wake-on-Motion

قابلیت Wake-on-Motion امکان تشخیص حرکت در حالت کم‌مصرف را فراهم می‌کند. در این حالت می‌توان میکروکنترلر اصلی را در وضعیت Sleep نگه داشت و تنها هنگام تشخیص حرکت، سیستم را فعال کرد.

این ویژگی برای دستگاه‌های باتری‌خور، تجهیزات پوشیدنی، سیستم‌های امنیتی و گره‌های اینترنت اشیا کاربرد زیادی دارد.

مشخصات فنی ICM-20948

کاربردهای سنسور ICM-20948

این حسگر برای اندازه‌گیری حرکت، زاویه، چرخش و جهت در کاربردهای مختلف قابل استفاده است، از جمله:

• ربات‌های متحرک و ربات‌های خودتعادل
• پهپاد و کنترل‌کننده پرواز
• سیستم‌های تثبیت‌کننده حرکت
• تجهیزات پوشیدنی
• گام‌شمار و پایش فعالیت
• سامانه‌های اینترنت اشیا
• کنترلرهای حرکتی
• ثبت‌کننده‌های حرکت و لرزش
• پروژه‌های مسیریابی و تخمین وضعیت
• گوشی، تبلت و تجهیزات قابل حمل
• پروژه‌های آموزشی پردازش داده‌های IMU

آیا ICM-20948 زاویه را مستقیماً اندازه‌گیری می‌کند؟

خروجی اصلی این حسگر شامل داده‌های خام شتاب، سرعت زاویه‌ای و میدان مغناطیسی است. برای محاسبه زاویه‌های Roll، Pitch و Yaw باید از الگوریتم‌های ترکیب حسگر مانند فیلتر مکمل، فیلتر کالمن، Madgwick یا Mahony استفاده شود.

پردازنده DMP داخلی نیز می‌تواند بخشی از پردازش و ترکیب داده‌ها را انجام دهد؛ بااین‌حال نحوه دسترسی به خروجی‌های پردازش‌شده به کتابخانه و Firmware مورد استفاده بستگی دارد.

اتصال ICM-20948 به آردوینو و میکروکنترلر

از نظر پروتکل ارتباطی، این حسگر را می‌توان به آردوینو، ESP32، STM32، Raspberry Pi و سایر میکروکنترلرها متصل کرد. بااین‌حال باید به نوع محصول توجه شود.

اگر محصول، تراشه خام ICM-20948 باشد:

• به طراحی PCB مناسب نیاز دارد.
• لحیم‌کاری پکیج QFN به تجهیزات مناسب نیاز دارد.
• ولتاژ VDDIO نباید از محدوده مجاز تراشه بیشتر شود.
• اتصال مستقیم خطوط منطقی 3.3 یا 5 ولت بدون بررسی مدار مجاز نیست.

اگر محصول یک ماژول آماده باشد، ممکن است روی برد رگولاتور یا مبدل سطح ولتاژ قرار گرفته باشد. در این حالت باید مشخصات همان برد ملاک قرار گیرد.

تفاوت حسگر 9 محوره با حسگر 6 محوره چیست؟

یک حسگر 6 محوره معمولاً شامل ژیروسکوپ و شتاب‌سنج سه‌محوره است. ICM-20948 علاوه بر این دو حسگر، یک مغناطیس‌سنج سه‌محوره نیز دارد.

وجود مغناطیس‌سنج کمک می‌کند جهت مطلق نسبت به میدان مغناطیسی زمین تشخیص داده شود و خطای تدریجی زاویه Yaw کاهش پیدا کند.

جمع‌بندی

سنسور 9 محوره ICM-20948 مجموعه کاملی از ژیروسکوپ، شتاب‌سنج، قطب‌نما و پردازنده حرکتی DMP را در یک پکیج کوچک ارائه می‌دهد. خروجی 16 بیتی، محدوده‌های اندازه‌گیری قابل تنظیم، رابط‌های I2C و SPI، حافظه FIFO و قابلیت تشخیص حرکت، این قطعه را برای انواع پروژه‌های رباتیک، پهپاد، تجهیزات پوشیدنی و اینترنت اشیا مناسب کرده است.