¿Cómo medir la inclinación en un dispositivo dinámico?

Estoy tratando de instrumentar un componente del vehículo. Quiero medir el ángulo de un componente durante un ciclo de conducción. El componente tiene un solo grado de libertad, tiene un eje fijo. Estoy tratando de encontrar una manera eficiente de medir esto. Espero utilizar la tecnología de Internet de las cosas (Raspberry Pi/Arduino) según corresponda. Sin entrar en detalles, debo alimentar esta cosa a través de la batería. Supongo que las pruebas se realizarán durante el día, sobre asfalto o pavimento de hormigón.

Sensores que parecen ofrecer posibilidades:

  • Acelerómetro (X,Y,Z)
  • Sensor de inclinación electrolítico
  • Sensor infrarrojo pasivo (PIR)
  • sensor de radar
  • sensor sónico
  • Tiempo de vuelo del láser

Mi idea original fue usar un acelerómetro, conectarlo a la parte inferior del dispositivo y analizar la dirección de la gravedad para deducir el ángulo del componente. Sé que esto funcionaría en un vehículo fijo, pero mi situación es cualquier cosa menos arreglada. No podré deducir la dirección de viaje del vehículo. Además, la velocidad de mi vehículo no es constante. Estaré monitoreando la aceleración (pero restando la gravedad) mientras busco otras características...

Debido a mi gran variación en las aceleraciones, tampoco creo que un sensor de inclinación electrolítico basado en fluidos funcione.

Mi siguiente pensamiento es medir con precisión la distancia desde el componente hasta el suelo. Fijaría el sensor en el extremo móvil de mi componente, luego calibraría la distancia observada al ángulo del componente, mientras el vehículo se detiene por completo. Puedo monitorear la distancia en tiempo real para deducir el ángulo del componente en relación con el suelo.

Scratch infrarrojo pasivo. Estoy bastante seguro de que la luz del sol arruinará eso.

El radar es una tecnología bastante buena, pero parece estar orientada al metal, el agua o los humanos , y tiene un tiempo de respuesta muy lento. Rasca eso.

Y eso me lleva a un sensor de distancia sónico o a un sensor láser de tiempo de vuelo . A primera vista, ambos métodos son rentables y parecen funcionar en los rangos que me interesan. Pero no tengo experiencia aquí. Lo que no sé es si las pruebas en carretera a la luz del día afectarán a estos dispositivos. ¿El ruido ambiental estropeará las cosas? ¿Qué pasa con la luz solar reflejada?

Sensor láser de tiempo de vuelo

¿Alguien tiene alguna experiencia aquí con esas dos últimas tecnologías (Sonic Distance o Laser Time of Flight)?

¿Existe alguna tecnología que ofrezca un método alternativo para medir el ángulo de un componente (en relación con el suelo) en un vehículo dinámico en movimiento, tal vez algo que me haya perdido?

Nota: he trabajado mucho con magnetómetros y acelerómetros (Uf, ¿recuerdas el producto vectorial cruzado?) pero nunca he tocado un dispositivo giroscópico. ¿Hay oportunidades allí?

Los giroscopios son sensores de velocidad. Tienes que integrar para obtener el ángulo, y se desvían (y no tienen una referencia cero). Puede combinarlos con otros sensores, pero luego se parece más a una IMU que a un solo sensor.
Este breve comentario sobre las Unidades de Medida Inercial es muy útil. ¿Alguna referencia? ¿Cómo lidias con la deriva? (¿o simplemente recalibrar entre pruebas?) Muchas gracias.
Con un inclinómetro
Estoy agradecido por las respuestas aquí... todas las cuales me indican el uso de un giroscopio. No me di cuenta de que el giroscopio estaba disponible en el iPhone. Mi licencia de Apple Dev está pagada, por lo que puedo probar el código (fusión de sensores y filtro kalman, etc.) sin gastar un centavo. Tengo personas de prueba en una variedad de lugares. si podemos llegar a un recinto impreso en 3D decente, este es un ganador. El problema ahora es: ¿cómo elegir una respuesta aceptada? Todos los envíos agregan una respuesta oportuna y/o un gran valor...

Respuestas (3)

Mi Ipod 6th gen y otros dispositivos móviles tienen un controlador Gyro (sensor de inclinación) que con una aplicación adecuada puede mostrar la inclinación X, Y con una resolución de 0.1 grados lo suficientemente rápido> 10 sps. Mi iPod tiene una aplicación de nivel de burbuja 2D en una aplicación multifunción.

He trabajado mucho en aplicaciones móviles. Siempre he utilizado el acelerómetro para determinar el ángulo. Pero si el giroscopio funciona como se anuncia, puedo ver dónde puede ser útil. Supongo que programo uno (Swift o Flutter/Dart) y veo si esto funciona en mi iPhone. Podría imprimir en 3D una caja protectora para el teléfono, adjuntarla y probarla antes de comprometerme con la lógica del giroscopio. En última instancia, preferiría no usar mi teléfono, pero eso definitivamente funcionará para probar...
Los giroscopios y acelerómetros 6D pueden tener límites con los que no estoy familiarizado

Quiero medir el ángulo de un componente... El componente tiene un solo grado de libertad, tiene un eje fijo. Estoy tratando de encontrar una manera eficiente de medir esto.

¿"Esto" siendo qué? ¿Un ángulo en el sistema de coordenadas del vehículo o un ángulo con un horizonte? Si su componente tiene un eje, un simple potenciómetro o codificador puede brindarle un ángulo entre el componente y el vehículo.

Mi idea original era usar un acelerómetro... y analizar la dirección de la gravedad para deducir el ángulo del componente.

Bien, supongamos que desea un ángulo con un horizonte. Sí, para eso se usan a menudo los acelerómetros. Y esta es probablemente tu mejor opción.

No podré deducir la dirección de viaje del vehículo.

Umm... entonces, ¿qué es lo que está tratando de medir con el acelerómetro, el ángulo o la dirección de viaje? Estos dos son completamente diferentes.

Si quiere decir que no podrá interpretar las lecturas del acelerómetro debido al movimiento del vehículo, entonces no ha investigado. Mediante el uso de una combinación de acelerómetros 3D, giroscopios 3D y algoritmo de fusión de sensores, la orientación del sensor se puede calcular fácilmente con buena precisión.

No hay manera de instrumentar un codificador al eje de rotación. Sobre la discusión del ángulo, (horizonte o sistema de coordenadas del vehículo). Disculpas. En mi caso, la rueda de seguimiento es sólida y no hay suspensión. Realmente quiero ángulo al horizonte. El vehículo viaja a una gran variedad de velocidades (la aceleración es +/0/-) y la ruta de viaje no es recta ni es una sinusoide regular. Tal vez mis palabras "Nunca he tocado un dispositivo giroscópico. ¿Hay oportunidades allí?" le dio la pista de que haven't done [my] research?no estoy seguro exactamente cuál es su recomendación aquí. ¿Referencia para cosas inerciales?
Pensé que mi recomendación es clara: use un chip combinado de giroscopio/acelerómetro de 6 ejes y aplique el algoritmo de fusión del sensor a su salida. (solo busque en Google la fusión del sensor o el filtro kalman ). Como alternativa, puede usar chips fabricados por InvenSense, como MPU-6050 , que tienen DMP integrado.

Mi primer pensamiento, si entiendo su aplicación, es un sensor de orientación integrado. El de facto es el Bosch Sensortec BNO055. Puede encontrar una placa de conexión en Adafruit o colocarla en su propia placa de circuito impreso. El sensor tiene un acelerómetro de 3 ejes, un giroscopio de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes (no muy útil en este caso). Lo más importante es que el chip tiene su propia CPU, cargada con un algoritmo patentado Sensor Fusion. Además de los datos del sensor sin procesar, el chip genera datos de orientación Euler Vector y Quaternion. El chip es compatible con i2c, por lo que debería poder conectarlo a la mayoría de las plataformas IoT.

Las limitaciones de este enfoque:

  • El sensor debe montarse en lo que desea medir. No estoy totalmente claro en su aplicación, pero asumiré que es posible.
  • El Sensor Fusion solo puede manejar tanta velocidad angular. Nuevamente, no conozco los detalles, pero si está tratando de medir el ángulo de un cigüeñal o algo que realmente se mueve, tendrá problemas.

Siéntase libre de agregar más detalles de la aplicación si he entendido mal.

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