ساخت کوادکوپتر

شتاب سنج و سقوط آزاد (شتاب سنج چگونه سقوط آزاد را متوجه می شود؟){بخش اول}

شتاب سنج در شرایط سقوط آزاد

در این بخش می خواهیم ببینیم که شتاب سنج به چه طریق سقوط آزاد را متوجه می شود. در حقیقت با درک کردن این موضوع بخشی از مراحل کدنویسی یک شتاب سنج هم متوجه می شوید.

سقوط آزاد

به طور کلی نیروهایی که به اجسام وارد می شوند به دو طریق استاتیکی و دینامیکی وارد می شوند. نیروهایی استاتیکی که به واسطه نیروهایی همانند گرانش بر ما وارد می شوند و نیروهای دینامیکی که بواسطه حرکت ایجاد میشوند باعث به وجود شتاب های استاتیکی و دینامیکی می شوند. سقوط آزاد هم که ترکیبی از گرانش و حرکت می باشد نمونه ای از شتاب دینامیکی می باشد. برای تشخیص این شتاب نیازمند طراحی یک الگوریتم برای آن در شتاب سنج هستیم.

در حالت کلی ما سه نوع سقوط داریم:

1- سقوط خطی

در این نوع سقوط جسم مورد نظر از یک نقطه شروع به افتادن می کند و بدون اینکه دچار چرخش شود به زمین برخورد میکند.

2- سقوط چرخشی

در این نوع سقوط جسم مورد نظر از یک نقطه شروع به افتادن می کند و در حین افتادن دچار چرخش هم می شود تا به سطح زمین می رسد.

3- سقوط پرتابه ای

در این حالت جسم مورد نظر را تحت یک زاویه خاص و یا به صورت افقی پرتاب می کنند و جسم بعد از طی مسیری خاص به حالت سقوط چرخشی می رسد.

شتاب سنج یک سنسور اینرسی است که شتاب را اندازه می گیرد. یک شتاب سنج با کم کردن شتاب جاذبه از شتاب حرکتی در امتداد یک محور معین شتاب را اندازه گیری می کند. به بیان دیگر اگر ما یک شتاب سنج سه محوره داشته باشیم شتاب سنج شتاب این تفریق را در هر سه محور برای ما اندازه گیری می کند.

چنانچه شتاب جاذبه کره زمین را با g نشان دهیم و شتاب ناشی از حرکت را با a نشان دهیم چیزی که شتاب سنج برای ما اندازه گیری می کند مقدار زیر است:

A=a-g
در این فرمول g معرف شتاب جاذبه زمین است که جهت آن همیشه به سمت پایین و عمود بر سطح زمین است و با علامت + در نظر گرفته می شود. در شرایطی که سقوط آزاد داریم به دلیل اینکه شتاب سنج با شتاب g حرکت می کند شتاب اندازه گیری شده توسط شتاب سنج صفر نشان داده می شود.
با توجه به مسایل تئوری بیان شده در بالا هنگامی که مقدار خروجی از سه محور شتاب سنج دارای مقدار 0 باشد در شرایط سقوط آزاد هستیم. هنگامی که می گوییم جسم در شرایط سقوط آزاد است بدین معنی است که جسم مورد نظر عاری از هرگونه نیروی خارجی است و تنها نیرویی که به آن اعمال می شود نیروی جاذبه زمین است.

شرایطی که سقوط آزاد محسوب نمی شود

هنگامی که مقاومت هوا زیاد باشد این مقاومت به عنوان یک نیروی خارجی محسوب می شود. البته نیروهای خارجی دیگری همانند نیروی گریز از مرکز هم هنگامی که جسم در حال سقوط همزمان با سقوط دارای چرخش هم هست وجود دارد. دقت کنید که در صورتی که شتاب سنج در مرکز چرخش یک جسم(مثلا یک کره) قرار داشته باشد دیگر نیروی گریز از مرکز اثری بر آن ندارد. پس در صورتی که چنین نیروهایی وجود داشته باشد شرایط سقوط آزاد حاکم نیست چون در سقوط آزاد فقط نیروی جاذبه حاکم است.
در ادامه ما با استفاده از شتاب سنج H48C یک مثال عملی را شرح می دهیم.
شتاب سنج و سقوط آزاد

سیستم اندازه گیری شتاب صفر در شتاب سنج H48C

 سیستم اندازه گیری شتاب صفر همانند شکل زیر است که مرحله به مرحله نشان داده شده است.
سیستم اندازه گیری شتاب صفر شتاب سنج کوادکوپتر
در حقیقت در یک سیستم اندازه گیری شتاب صفر با مقایسه مقدار مطلق خروجی از سه محور شتاب سنج و مقدار آستانه مجاز Gt هر محور کار می کند و هنگامی که مقدار مطلق خروجی از شتاب سنج از مقدار آستانه مجاز هر سه محور کمتر باشد شتاب سنج شرایط شتاب صفر را تشخیص می دهد و یک ZeroG flag به عنوان خروجی به نمایش در می آید. این مقایسه کردن در هر 0.4ms اتفاق می افتد و در صورتی که در شرایط شتاب صفر نباشیم flag نشان داده نمی شود. آستانه مجاز استاندارد هم 0.4g است. البته دقتGt هم ±0.05g است. در سمت راست شکل بالایی هم مکعب مربوط به محدوده مجاز Gt نشان داده شده است.
پایه خروجی مربوط به شتاب صفر هم در شکل زیر نشان داده شده است.
پایه خروجی شتاب صفر در شرایط سقوط آزاد

آزمایش سقوط آزاد و تحلیل نتایج

ابتدا شتاب سنج را مطابق شکل زیر در یک بلوک قرار می دهیم و در شرایط متفاوت تست می کنیم. دقت کنید که ما فقط سه تا پایه را متصل نموده ایم که دوتا مربوط به تغذیه مثبت و منفی است و یکی هم مربوط به پایه شتاب صفر است که در شکل مشخص است.
 
بلوک دیاگرام شتاب سنج
هنگامی که بلوک از ارتفاع 60سانتی متری رها شد یک flag مربوط به شتاب صفر که معادل Vcc خروجی است نمایان می شود. همانطور که در شکل مشاهده می کنید زمان مربوط به شرایط سقوط آزاد 350ms  است. زمان های بعدی هم که مربوط به زمان برخورد و دوباره پرت شدن می باشد. برای هر شرایط از دونمودار استفاده شده است که یکی دسترسی مستقیم به داده ها است و دیگری استفاده از یک فیلتر پایین گذر CR را نشان می دهد. در آزمایش مربوط به حمل شتاب سنج با ارتعاش هم مشاهده می کنید که شرایط سقوط آزاد را در نظر گرفته است ولی با توجه به پهنای طول موجها کاملا مشخص است که کدام مربوط به ارتعاش است و کدامیک مربوط به شرایط سقوط آزاد واقعی است و شتاب سنج می تواند با دقت این کار را انجام دهد.
تست سقوط آزاد شتاب سنج
اینکه چطور و چگونه در میکروکنترلر الگوریتم بالا تحلیل می شود را در ادامه این مقاله که هفته آینده قرار داده می شود مشاهده کنید.

برای اطلاع از زمان انتشار بخش دوم این مقاله می توانید ما را در تلگرام و اینستاگرام دنبال کنید:

اگه هم که خیلی عاشق ما هستید که ما رو به دوستاتون هم معرفی کنید. ممنون از همکاریتون 😉

 
 

شاید دوست داشته باشید مطالب زیر را هم بخوانید :

9 نظر

  • عباس

    با سلام و خدا قوت
    کی بخش دوم را قرار میدهید؟

    • قاسم قاسمی

      با سلام
      بخش دوم این مقاله به دلیل مشغله زیاد به تاخیر افتاده است. ان شاالله سعی می کنیم در هفته های پیش رو بارگذاری کنیم.
      موفق باشید

  • محمد

    با سلام
    لطفا تشخیص سقوط ازاد با ماژول پرکاربرد و مشهور Adxl345 رو هم تو جلسه ی اینده شرح بدید و اگر میشه درباره ی تشخیص سقوط ازاد در سقوط پرتابه ای هم توضیح بدید
    خیلی ممنون میشم راهنمایم کنید . واجبه!!!

    • قاسم قاسمی

      با سلام خدمت شما دوست عزیز
      با توجه به اینکه بیان نموده بودید به صورت مفصل بیان شود در قالب جلسات جداگانه ای برایتان بارگذاری شد و در حال حاضر با توجه به اینکه نیاز به کار با Adxl345 دارید ما هم طبق درخواستتان جلسه بعد را بارگذاری می کنیم. با توجه به محدودیت زمان و درخواست های زیادی که به دستمان می رسد ممکن است یک هفته کاری زمان ببرد. هر چند تمام سعیمان را خواهیم نمود که در کوتاه ترین زمان انجام شود.
      پیشاپیش از صبر و حوصله جنابعالی سپاسگذاریم.
      در پناه حق باشید.

      • محمدرضاعابدینی

        دوستان نمیدونم چرا کم لطفی کردن ونظرات که باعث دلگرامی اندک هرنویسنده ای هسش وهمینطور فیدبکی از مطالب دریغ کردن..مهندس کارتون عالی هسش پرقدرت ادامه بدید

      • محمد

        بسیار بسیار ممنونم
        انشالله در زندگی موفق باشید

  • امید روزبه

    بسیار عالی
    متشکر

  • نوشتن نظر

    نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    Optionally add an image (JPEG only)