Akselerometre, Jiroskop ve IMU

AKSELOMETRE JİROSKOP VE İMU ÜZERİNE 

Akselerometreler ve jiroskoplar tüketici elektroniğinde giderek daha popüler hale gelen ürünlerdir. Belkide onları projelerinize ekleme zamanı gelmiştir. Bu ürünlerden birini seçerken kafanız karışabilir. O yüzden bu yazıda bazı özellikleri hakkında bilgi vermeye çalıştım. Özellikle sensörlerin bilgi kitapçıklarında bulunan ve her biri onlarca sayfa tutan kafa karıştıran konular hakkında bazı bilgiler aktararak başlangıç bilgisi vermeye çalışacağım.

AKSELEROMETRE

Akselerometre neyi ölçer? İvmeölçer veya akselerometre, bir kütleye uygulanan ivmeyi ölçen cihazlardır. Nesne durabilir, bazen nesne hızlanıp yavaşlayabilir. Akselerometrenin tam olarak yaptığı işlem nesnelerin bu özelliğini ölçmek. Akselerasyonun birimi metre/sn2 veya G kuvveti olarak ifade edilebilir. G kuvvetti de 9.8 metre/sn2 olarak ifade edilir. G kuvveti rakım ve üzerinde bulunduğumuz gezegenin boyutuna göre değişiklik gösterir.  Uygulanan ivmenin ölçümünde, koordinat ivmesi (referans ivme) bilinmesine gerek yoktur. Bunun yerine ivmeölçer, içindeki test kütlesine referans eksenindeki, kütleden kaynaklı olan uygulanan kuvvetlere bakar. Örneğin, dünya üzerinde deniz seviyesine yakın bir bölgede düz bir yüzey üzerinde ivmeölçerin gösterdiği değer 9.81 m/s2 olurken, serbest düşen bir cisim üzerinde veya boş uzayda göstereceği değer 0 m/s2 olacaktır.

Akselerometreler statik veya dinamik kuvvetleri bize gösterebilirler. En çok kullanılan akselerometreler tilt yani eğim sensörleridir. Dünya yüzeyine göre ölçüm cihazının ne zaman, nasıl, ne kadar eğildiğini gösterebilirler. Akselerometreler ayrıca hareket sensörü olarak da kullanılabilirler. Örneğin Nintendo Wii’nin el kumandasında bir adet akselerometre bulunmaktadır. Pekçok raket hareketi, yumruk hareketi gibi hareketi gibi hareketi Wii’nin konsolu içindeki akselerometre algılamaktadır. Akselerometrelerin, ivmeölçerler, sanayide ve bilimsel çalışmalarda birçok uygulama alanında kullanılmaktadır. Yüksek hassasiyete sahip ivmeölçerler füzelerde, uçaklarda, gemilerde ve denizaltılarda navigasyon sistemlerinde kullanılan en önemli parçalardan biridir. Bunun yanı sıra, döner makinelerde titreşimi tespit edip, bu titreşimin hangi sınırlar içinde gerçekleştiğini gözler. Günümüzde tablet bilgisayarlar ve dijital kameralarda titreşim engelleyici sistemlerin devreye girmesinde, görüntü netleştirmede ve kullanıcı duyarlı sistemlerin etkinleşmesinde kullanılmaktadır. İvmeölçerin verdiği bilgiler içinden bir cismin serbest düşüşte olup olmadığı, hızlanıp hızlanmadığı gibi ikincil bilgiler hesaplanabilir. Örneğin bu özelliğe bakarak düşmekte olan bir uçanın motorunu tekrar çalıştırmak veya düşmekte olan bir donanımın zarar görmemesi için otomatik kapatmak, paraşüt açtırmak gibi özellikler eklenebilir. Akselerometre seçerken bazı donanım parametrelerine dikkati etmemiz gerekir. Şimdi akselerometre seçerken dikkate edilecek parametrelere bir bakalım.

Range veya aralık diyebileceğimiz ölçümün alt ve üst sınırları dikkat etmemiz gereken parametrelerden bir tanesidir. Her akselerometrenin üst ve alt algı sınır aralığı aynı olmamaktadır. Örneğin bir akselerometrenin üst sınırı 1g iken başka bir akselerometrenin üst sınırı 250g olabilmektedir. Kullanım alanına göre sizin için ne tür bir akselerometre gerektiğini zamanla öğreneceksiniz. Satın alma sırasında bu aralık +/- g şeklinde ifade edilmektedir. Bazı akselerometrelerin değişken aralıkları bulunmaktadır. Buda satın alma sırasında değil kullanım sırasında aralığın belirlenmesine kolaylık sağlamaktadır.

Ara birim akselerometrelerin başka bir özelliğidir. Akselerometrelerin çıktısı analog, (pulse-wave) dalga modülasyonu (PWM) veya dijital olabilmektedir. Analog akselerometreler özelliklerine göre pin üzerinde 0-3.3 volt veya 0-5 volt arasında bir voltaj / gerilim üreterek değerleri diğer cihaza bildirirler. Bu ara birimle çalışmak kolaydır. Ancak hassasiyeti çok yüksek değildir. En kolay bilgi analog olarak alınabilir. Pek çok akselerometrede ara birim olarak analog çıktı bulunmaktadır.

Dalga modülasyonu (PWM) yapan akselerometreler kare dalga şeklinde sabit bir frekansta bir dalga üretirler ancak dalganın şekli ölçülen akselerasyonla değişmektedir. Bu dalga modülasyonlu akselerometreler oldukça nadirdir ve kolay bulunmazlar. Onlarla çalışmak ise zordur.

Dijital akselerometreler seri bir ara birimle başka bir cihaza bağlanabilirler. Bu seri ara birim SPI veya I2C olabilir. Deneyiminize göre SPI veya I2C ara birimini tercih edebilirsiniz. Bu akselerometreler oldukça popülerdir. Çünkü daha çok özelliği daha az kablo bağlantısı ile aktarabilirler. Gürültüye oranları daha azdır. Dezavantajları ise programlamak için biraz daha fazla programlama bilgisi gerektirmesidir.

Ölçülen eksenlerin sayısı başka bir parametredir. Akselerometreniz, ölçülebilen 3 eksenden X, Y ve Z’den kaçını ölçebilmektedir. Satın alacağımız akselerometrede bakmanız gereken parametrelerden biri kaç eksen ölçtüğüdür. En pahalı olanlar en fazla eksende ölçüm yapar şeklinde bir kural yok. Alım esnasında bilgi formalarına, kitapçıklarına bakarak kaç eksende ölçüm yaptıklarını öğrenebilirsiniz.

Güç tüketimi. Eğer kullanacağınız proje pil beslemeli olacak ise, gücünü pilden alacaksa akselerometrenizin ne kadar güç tüketeceği sizin için önemli olacaktır. Genelde çoğu cihazın güç tüketimi mikroamper cinsinden belirtilir. Bazı cihazlarda kullanılmadığı durumlar için uyku modu devreye girebilmektedir.

Çalışma gerilimi satılan akselerometrelerin bir kısmı sabit voltajla çalışabilir. Giriş voltajı sabit şekilde 3.3 ile 5 volt arasında değişir. Bazı akselerometrelerde giriş gerilimi esnekliği sağlayan gerilim regülatörü bulunmaktadır.

Ek özellikler. Yeni cihazlarda bazı ek özellikler bulunabilmektedir. Bunların bir kısmı termometre, uyku modu, 0g tanıma, hareketsizlik tanıma ve vuruş/darbe tanıma şeklinde özetlenebilir.

JİROSKOP

Jiroskop, (İngilizce: Gyroscope, Gyro) veya Yalpalık, Cayroskop, Cayro, jiroskoplar açısal hızı ölçen cihazlardır. Yön ölçümü veya ayarlamasında kullanılan, açısal dengenin korunması ilkesiyle çalışırlar. Jiroskopik hareketin temeli fizik kurallarına ve açısal momentumun korunumu ilkesine dayalıdır.
Jiroskop olarak bilinen alet ilk olarak 1817’de J. Bohnenberger tarafından icat edilmiştir ve jiroskop adı 1852’de Dünya'nın dönüş hareketini incelemek üzere yaptığı deneyler sırasında J. Foucault tarafından verilmiştir. Bir jiroskop presesyon ve nutasyon olarak bilinen hareketleri de içine alan çeşitli hareketler yapar. Günlük hayatta, uçak ve gemilerde yön bulmak için, uzay teleskoplarında yörünge kararlılığını sağlayabilmek için yaygın olarak jiroskoplardan yararlanılmaktadır.

Bisiklete binen herkes, bir bisiklet hızlı gittiği vakit dengeyi sağlamanın, yavaş gittiği vaktinkine göre çok daha kolay olduğunu bilir. Bir topaç, dönme hızı büyükse, dik kalarak dönmeye devam eder, fakat yavaşladıkça yana yatmaya başlar ve sonunda devrilir. Bu örneklerin her ikisinde de, kararsız olan (yani kolayca düşebilecek olan) cisimler, yeterli hızla hareket halinde oldukları vakit sabit eksende  durabilmektedir.
Bunlarda gördüğümüz, bir defa bir düzlemde dönmeye başlatılan bir cismin o düzlemde dönmeye devam etmesi özelliğinden kombine bir cihaz olan jiropusulalarda ve denizcilik ile havacılıkta kullanılan başka çeşitli seyir yardımcılarında faydalanılır. Bu özellik, ağırlığının büyük bir kısmı çevresine yakın toplanmış bulunan tekerleklerde daha açıktır. Bu cins ağır tekerleklerin hepsine jiroskop denir.

Jiroskoplar nesnenin tanımlanan eksen etrafında dönüş hızını vermektedir. Eğer dönen bir cismin duruş açısını ölçmek istiyorsanız tek başına jiroskop yeterli bir cihaz olmayabilir. Jiroskoplar akselerometrelerden farklı olarak yer çekimi tarafından etkilenmezler. Jiroskoplar ve akselerometreleri birbirlerini tamamlayıcı cihazlar olarak düşünebilirsiniz. Dönüş hızı farklı birimlerle ifade edilebilir. Örneğin dönüş hızı dönüş/dakika (RPM) veya derece°-açı/saniye şeklinde ifade edilebilir. X, Y, Z esenleri etrafında dönüş rol, pitch ve yaw kelimeleri ile ifade edilir. Pitch:  uçan araç burnunun aşağı yukarı hareketi, yaw: araç burnunun sola sağa dönüşü, roll ise kokpit’ten bakınca sağa sola yuvarlanma hareketini ifade eder. Geçmişte jiroskoplar uzayda navigasyon, füze kontrolü, su altında navigasyon ve uçuş navigasyonu için kullanıldılar. Şimdi jiroskoplar hareket kaydı, robotlar ve araç navigasyonu gibi cihazlarda kullanımlarına tanık olmaktayız. Bir jiroskop seçerken dikkat etmemiz gereken parametrelerin pek çoğu akselerometre seçerken kullandığımız parametrelere benzerdir.
Range veya aralık seçmek istediğimiz, beklediğimiz açısal hıza uygun olmalıdır. Özellikle jiroskopun maksimum açısal hızı sizin ölçmek istediğiniz beklediğiniz maksimum açısal hızdan çok fazla olmamalıdır.
Jiroskoplarda ara birimler yine akselerometrelere benzer şekildedir. Jiroskopların büyük bir çoğunluğu analog çıktı ile çalışmaktadır. Ancak jiroskop ara birimleri akselerometreler gibi dalga modülasyonu, analog, veya dijital ara yüze sahip olabilirler.

Analog ara yüze sahip olan jiroskoplar  0-5 veya 0-3.3 volt arasında bir gerilim üreterek ölçüm değerlerini diğer cihaza bildirirler. Analog ara birimle çalışmak kolaydır. Ancak hassasiyeti çok yüksek değildir. Pek çok jiroskopta analog ara birim bulunmaktadır.

Dalga modülasyonu yapan akselerometreler kare dalga şeklinde sabit bir frekansta bir dalga üretirler. Ancak dalganın şekli hissedilen akselerasyonla değişmektedir. Bu dalga modülasyonlu akselerometreler oldukça nadirdir ve kolay bulunmazlar. Bunlarda çalışmak ise oldukça zordur.

Magnetometre

Magentometreler dünyanın manyetik alanı ve çevrede bulunan nesnelerin manyetizmasından etkilenir. X, Y, Z ekesininde manyetik alan ölçümü yapılabilir. Hassas bir ölçüm için her bölge için ayrı kalibrasyon önerilir.

IMU

İvmeölçerler ve jiroskoplar harika cihazlardır ancak tek başlarına oryantasyon, pozisyon ve hız hakkında yeterli bilgi sağlamazlar. Bu ve benzeri değişkenleri hesaplamak için iki cihazdan gelen bilgiler birleştirilir. IMU (Inertial Measurment Unit) ile 6 serbestlik derecesinde (DOF, Degree Of Freedom) hesaplar yapılır. Robot kolları gibi cihazlarda IMU yaygın olarak kullanılır.

IMU’lar basit ve kompleks olarak ikiye ayrılır. Basit IMU’lar iki cihazı aynı kart üzerinde sunan devrelerdir. Hesap işlerinin tamamı kullanıcı tarafından yapılır.

Kompleks IMU’lar üzerinde hesaplamaları yapan ufak devreler bulunmakta olup, seri port üzerinden pek çok parametre çıktısı alınabilmektedir.

IMU’ların yaptığı hesaplamalarda zaman ile kaymalar gerçekleşmektedir. Bu kaymalar ölçüm, sıklığı, hassasiyeti ve ölçümlerin başladığı andan itibaren geçen zaman ile ilgilidir.