加速度センサを用いて物体の傾斜角度を測定する

1説明


物体の傾斜角度を測定するにはアクセルセンサの一般的な応用である。その基本原理は非常に簡単であるが、傾斜角度の精度問題、数学的計算が複雑すぎるなど、具体的な実現には多くの困難がある。本文は精度問題について詳細に討論し、簡略化された計算方法を提供する。


2基本原理


加速度センサは静止配置時に重力作用を受けるため、1 gの重力加速度がある。この性質を利用して、加速度センサのX軸とY軸における重力加速度の成分を測定することにより、垂直平面における傾斜角度を算出することができる。

このように、上記の原理に従って2軸加速度センサはX−Y平面上の傾斜角度を測定することができる。


2軸加速度センサはX軸とY軸上の重力成分しか測定できないので、X-Y平面上の傾斜角度しか測定できないことに注意してください。しかし、物体が空間的に傾斜している場合、傾斜*がX-Y平面上にあることを保証するのは難しいため、2軸加速度センサだけで測定するには限界があるため、3軸加速度センサを使用することを考えています。下図に示すように、3軸加速度センサはX軸、Y軸、Z軸の重力成分を測定することができ、空間傾斜角度を計算する公式は。

この式は本文で物体の傾斜角度を測定するための基本原理である。なお、ここでは静止時に物体が重力を受ける性質を利用しているが、物体に同時に運動加速度があれば、この公式は正確ではない。したがって、式に制約を追加する必要があります。つまり、



3ハードウェア実装


現在、消費者向け製品に使用されている加速度センサは、デジタル出力（例えばADXL 345）とアナログ出力（例えばADXL 335）の2種類に分類されている。デジタル出力の加速度センサは、I 2 CまたはSPIバスを介してMCUと直接接続することができ、アナログ出力の加速度センサはADCを用いてサンプリングする必要がある。現在、一般的に使用されているMCUには基本的に内蔵されたADCチャネルがあるため、デジタル出力でもアナログ出力でも加速度センサをMCUと容易に接続でき、測定機能を実現することができる。