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Unidade de medição inercial 10DOF AltIMU-10 v4 - Pololu

O módulo AltIMU-10 v4 da Pololu possui um Giroscópio, um acelerômetro, uma bússola e altímetro. Ele possui uma interface I²C que acessa dez medições de pressão, rotação, aceleração e magnéticas independentes que podem ser usados ​​para calcular a altitude e orientação absoluta do sensor. Esta placa opera de 2,5 a 5,5 V e utiliza pinos header de 2,5mm.
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Descrição do Produto

Detalhes

O módulo Pololu AltIMU-10 v4 é uma placa compacta (25mm × 12,5mm) que basicamente combina o barômetro digital LPS25H, com o giroscópio de três eixos L3GD20H, com o acelerômetros de três eixos LSM303D e com o magnetômetro de três eixos para formar uma unidade de medição inercial (IMU) e altímetro. Recomendamos a leitura detalhada dos datasheets dos componentes LPS25H (1MB pdf), L3GD20H (3MB pdf), e LSM303D (1MB pdf) antes de utilizar este módulo. Estes sensores são excelente CIs mas seu tamanho diminuto torna difícil a utilização por hobistas ou estudantes. Eles também podem operar a voltagens inferiores a 3,6V que podem dificultar a interface com sistemas que operem a 5V. O AltIMU-10 v4 resolve estas dificuldades incorporando eletrônica adicional, incluindo um regulador de voltagem e um circuíto de alteração de nível lógico enquanto mantém o tamanho total tão pequeno quanto possível. A placa é enviada com todos os componentes SMD já soldados como mostrado nas imagens.

O AltIMU-10 v4 possui um novo sensor de pressão que possibilita medição de pressão e altitude com alta precisão e baixo ruído, ele conta ainda com uma larga faixa de detecção magnética e ótima precisão e estabilidade do giroscópio.

Os LPS331AP, L3GD20H, e LSM303D têm muitas opções configuráveis, incluindo faixas de resolução para o barômetro e sensibilidades selecionáveis para o giroscópio, o acelerômetro e o magnetômetro. Cada sensor também permite a escolha da taxa de dados de saída. Os três CIs podem ser acessados através da interface I²C/TWI, permitindo que os sensores sejam endereçados individualmente através de uma única linha de clock e de uma única linha de dados. Adicionalmente o pino SA0 está disponível permitindo ao usuário alterar o endereço escravo e ter dois AltIMUs conectados à mesma interface I²C.

As nove leituras independentes de rotação, aceleração, e de campo magnético fornecem todas as informações necessárias para um sistema de referência de atitude e direção ( attitude and heading reference system AHRS) e as leituras de pressão podem ser facilmente convertidas em altitudes fornecendo a você um total de 10 medições independentes (10DOF). Com um algoritmo apropriado um microcontrolador, ou um computador, pode usar a informação para calcular a orientação e a altitude da placa. O giroscópio pode ser utilizado para calcular a rotação com muita precisão em um curto intervalo de tempo, enquanto o acelerômetro e o magnetômetro podem auxiliar a compensar o devio do giroscópio através do tempo fornecendo um sistema de referência absoluto. Os eixos respectivos dos dois CIs estão alinhados na placa para facilitar o cálculo e fusão destas leituras.

 

Visualização de orientação AHRS calculada através do software MinIMU-9.

 

A placa inclui um regulador linear de voltagem que fornece 3,3V necessários para o funcionamento do LPS331AP, L3GD20H, e LSM303D, permitindo que o módulo seja alimentado através de uma única fonte entre 2,5 e 5,5V. A saída do regulador está disponível no pino VDD e pode fornecer até 150mA para dispositivos externos. Inclui ainda um circuito que altera os niveis lógicos das linhas de clock e de dados da I²C para o mesmo presente em VIN, tornando simples a interface com sistemas de 5V. Como a placa utiliza pinos header com espaçamento padrão de 2,5mm sua utilização com protoboards é extremamente fácil.

 

Dados Técnicos

  • Dimensões: 25 × 13 × 3mm
  • Peso sem as barras de pinos: 0.8g
  • Voltagem operacional: 2.5 V to 5.5 V
  • Consumo de corrente: 6 mA
  • Formato de saída (I²C):
    • Giroscópio: uma leitura de 16 bits por eixo
    • Acelerômetro: uma leitura de 16 bits por eixo
    • Magnetômetro: uma leitura de 16 bits por eixo
    • Barômetro: leitura de pressão de 24 bits (4096 LSb/mbar)
  • Faixa de sensibilidade:
    • Giroscópio: ±245, ±500, ou ±2000°/s
    • Acelerômetro: ±2, ±4, ±6, ±8, ou ±16G
    • Magnetômetro: ±2, ±4, ±8, or ±12 gauss
    • Barômetro: 260 a 1260 mbar (26 kPa a 126 kPa)
 
 

Componentes Inclusos

Uma barra de pinos header 180º de 6 pinos e uma barra de pinos header 90º de 5 pinossão enviadas juntamente com o módulo AltIMU-10 v4, como mostrado na figura a seguir. Desta forma você pode soldar os pinos header de sua escolha à placa para utilizar da melhor forma que preferir com cabos soldados diretamente, no protoboard ou com jumpers premium. A placa possui dois furos M2 para montagem do sensor ao seu projeto.

 

 

 

Usando o AltIMU-10 v4


Conexões

Para a utilização do AltIMU-10 são necessárias pelo menos 4 conexões: VIN, GND, SCL e SDA. VIN deve ser conectado a uma fonte entre 2,5 e 5,5V, GND a 0V, e SCL e SDA devem ser conectados a um I²C operando no mesmo nível lógico que VIN. Alternativamente, se estiver utilizando esta placa com com um sistema de 3,3V você pode deixar o VIN  desconectado e contornar o regulador embracado conectando 3,3V diretamente ao VDD.



Pinagem


PINO Descrição
SCL Linha de clock nivelada I²C: HIGH é VIN, LOW é 0V
SDA Linha de dados nivelada I²C: HIGH é VIN, LOW é 0V
GND  Conexão de terra (0V) da fonte de alimentação. Seu controlador I²C deve compartilhar o terra com esta placa.
VIN Esta é a conexão principal da fonte de alimentação entre 2,5 e 5,5V. Os conversores de nível lógico ajustam os bits HIGH das SCL e SDA para este nível.
VDD Saída do regulador de voltagem embarcado de 3,3V  ou alimentação lógica de baixa voltagem, dependendo de VIN. Quando VIN estiver presente e for maior que 3,3V, VDD é uma saída regulada de 3,3V que pode fornecer aproximadamente 150mA para componentes externos. Alternativamente, quando fazendo interface com sistemas que operam entre 2,5 a 3,3V VIN pode ser deixado desconectado e a alimentação pode ser fornecida diretamente ao VDD. Nunca alimente o VDD quando VIN estiver conectado, e nunca alimente este pino com mais de 3,6V.
SA0 Entrada de nível lógico de 3,3V para determinar para determinar o endereço escravo dos 3 CIs (veja abaixo). Está elevado por padrão através de um resistor de 10kΩ. Este pino não tem o nível convertido e não é tolerante a 5V. 

Os pinos CS, DEN, dados prontos, e de interrupção do LPS25H, L3GD20H, e LSM303D não estão acessíveis no AltIMU-10 v4.

 


Esquema Eletrônico

 

 

O esquema acima mostra os componentes adicionais que a placa de suporte incorpora para facilitar o uso doc CIs LPS331AP, L3GD20H, e LSM303D, incluindo o regulador de voltagem que permite à placa ser alimentada com uma única fonte entre 2,5 e 5,5V e o conversor de nível lógico que permite comunicação I²C no mesmo nível de VIN. Este esquema também está disponível em AltIMU-10 v4 schematic (202k pdf).

 

 

Comunicação I²C

O barômetro LPS331AP, o goroscópio L3GD20H e o acelerômetro e magnetômetro  LSM303D podem ser acessados e configurados através da I²C. Cada um dos 4 sensores atuam como dispositivo escravo na mesma conexão I²C (i.e. suas linhas de clock e de dados são conectadas para facilitar a comunicação). Adicionalmente conversores de nível nas linhas de clock e de dados permitem a comunicação I²C com dispositivo operando na mesma voltagem presente em VIN (entre 2,5 e 5,5V). Uma explanação dos protocolos utilizados por cada dispositivo pode ser encontrada nos datasheets LPS25H datasheet (1MB pdf), L3GD20H datasheet (3MB pdf), LSM303D datasheet (1MB pdf), NXP’s I²C-bus specification (371k pdf).

Cada um dos 3 CIs tem endereços de escravos separados na coenxão I²C. A placa conecta juntamente os pinos SA0 dos três CIs e os eleva ao nível de VDD através de de um resistor de 10 kΩ. Você pode colocar o pino SA0 para nível lógico baixo para alterar o endereço. Isto permite que você conecte dois AltIMUs na mesma conexão I²C. A seguinte tabela mostra os endereços dos sensores:


SensorENDEREÇO  (PADRÃO)                    ENDEREÇO (SA0 REBAIXADO)
L3GD20H (giroscópio) 1101011b 1101010b
LSM303D (acelerômetro e magnetômetro)                    0011101b 0011110b
LPS331AP (barômetro) 1011101b 1011100b

Todos os chips no AltIMU-10 v3 estão em conformidade com o módo rápido de I²C (400kHz) bem como com o modo normal.

 

 

Código Exemplo

O fabricante deste dispositivo desenvolveu biblitecas Arduino básicas para o LPS25H Arduino libraryL3GD20 Arduino library, e LSM303 Arduino library torando fácil a interface com placas Arduino bem como com seus compatíveis. Elas também tornam simples a configuração dos sensores e a leitura dos dados.

Para uma demonstração do que você pode fazer com estes dados você pode converter um Arduino conectado a um AltIMU-10 v4 em um sistema de referência e direcionamento (AHRS) com este programa. Ele usa os dados dos sensores para estimar os ângulos nos 3 eixos e você pode ainda vizualisar a saída do AHRS com um programa de teste 3D em seu PC como mostrado nas imagens acima.

 

 

Dicas de protocolo

Os datasheets fornecem toda a informaçãoque você necessita para utilzar os sensores do AltIMU-10 v4, mas considerar alguns detalhes importantes pode tomar algum tempo. Aqui estão algumas indicações para comunicação e configuração do LPS25H, L3GD20H, e LSM303D que esperamos que possam economizar algum tempo:

  • O sensor de pressão, o giroscópio, o acelerômetro e o magnetômetro estão todos desligados por padrão. Você deve ligar cada um deles através do ajuste dos registradores de configuração corretos.
  • Você pode ler ou escrever múltiplos registradores dos sensores através de de um único comando I²C afirmando o bit mais significativo do registrador de endereço para permitir auto-incremento de endereço.
  • O sensor de pressão fornece leituras de 24 bits. O giroscópio, o acelerômetro, e o magnetômetro fornecem leituras de 16 bits (obtidos pela combinação dos valores em dois registros de 8 bits para cada eixo).
  • Comparado com sensores anteriores da série LSM303, a interface de registradores para o magnetômetro no LSM303D é muito mais consistente com a interface do acelerômetro, e seu acelerômetro e magnetômetro dividem um mesmo endereço I²C comum ao invés de operarem como dois endereços de escravo separados no mesmo canal de comunicação.

 

 

Documentação


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