Συστήματα πλοήγησης αδράνειας

Τι είναι η αδράνεια;

Αδράνεια είναι η ιδιότητα των σωμάτων να αντιστέκονται σε οποιαδήποτε μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης. Όταν βρισκόμαστε σε ένα σταματημένο λεωφορείο που ξεκινάει απότομα το σώμα μας πηγαίνει προς τα πίσω λόγω της αδράνειας. Δοκιμάστε να κάνετε ένα απλό πείραμα: Τοποθετήστε ένα βιβλίο πάνω σε ένα τραπέζι και πάνω στο βιβλίο ένα μολύβι. Αρχίστε να κουνάτε το βιβλίο με το χέρι σας και σταματήστε την κίνηση απότομα. Το μολύβι θα πέσει από το βιβλίο και θα κυλίσει στο τραπέζι, λόγω της αδράνειας.

inertia

Που χρησιμοποιούνται τα συστήματα πλοήγησης αδράνειας

Τα συστήματα αυτά αξιοποιούν την αδράνεια των σωμάτων για να επιτρέπουν σε συσκευές να πλοηγούνται αυτόνομα χωρίς τον χειρισμό από πλευρά του ανθρώπου. Οι διαστημικοί πύραυλοι, οι αυτόματοι πιλότοι των αεροπλάνων, τα αυτόνομα αυτοκίνητα, οι στρατιωτικοί πύραυλοι διαθέτουν εξεζητημένα συστήματα πλοήγησης αδράνειας.

Τα τελευταία χρόνια τα συστήματα αυτά έχουν γίνει πολύ προσιτά και υπάρχουν πλέον σε συσκευές που διαθέτουν οι περισσότεροι άνθρωποι, όπως τα κινητά τηλέφωνα, τα smartwatches, τα drones κ.α.

Επιταχυνσιόμετρο – Accelerometer

Όπως φαίνεται από το όνομα του, το επιταχυνσιόμετρο μας επιτρέπει να μετρήσουμε την επιτάχυνση (δηλαδή τον ρυθμό με τον οποίο αλλάζει η ταχύτητα) ενός σώματος. Στην πιο απλή του μορφή είναι απλά μια σφαίρα που είναι προσαρμοσμένη σε ένα ελατήριο, μέσα σε ένα δοχείο.

Demonstration of a simple accelerometer

Αν μπορούσαμε λοιπόν να έχουμε τρία επιταχυνσιόμετρα, όπως φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, μέσα σε μια συσκευή, θα μπορούσαμε να ξέρουμε ανά πάσα στιγμή ποια πλευρά της είναι γυρισμένη προς τα κάτω, καθώς η βαρύτητα τραβάει την σφαίρα προς τα κάτω.

Φυσικά μια τόσο μεγάλη κατασκευή με σφαίρες και ελατήρια δεν μπορεί να χωρέσει μέσα σε ένα κινητό τηλέφωνο. Τα επιταχυνσιόμετρα που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές συσκευές ονομάζονται μικροηλεκτρομηχανικά, είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη και συνδέονται με τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά μέρη τους.

Γυροσκόπιο

Το γυροσκόπιο είναι μια συσκευή που μπορεί να διατηρεί σταθερό τον προσανατολισμό της μέσω της περιστροφής των μερών της και της αρχής της διατήρησης της στροφορμής. Εφευρέθηκε από τον Ζαν Μπερνάρ Λεόν Φουκώ το 1852.

Όπως και με τα επιταχυνσιόμετρα, τα γυροσκόπια που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές συσκευές είναι μικροηλεκτρομηχανικά και είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη.

Υπάρχει μια διαρκής κίνηση μπροστά – πίσω και όταν η συσκευή στρίψει δεξιά ή αριστερά τότε η μάζα που βρίσκεται στο εσωτερικό κινείται δεξιά – αριστερά αλλάζοντας την αντίσταση. Αυτή η λειτουργία βασίζεται στις ιδιότητες της δύναμης Κοριόλις.

Αισθητήρας GY-521

Μια από τις πιο δημοφιλείς μονάδες στην κατηγορία των συστημάτων πλοήγησης αδράνειας, είναι η GY-521, η οποία περιλαμβάνει τον ελεγκτή MPU6040. Σε αυτό το μικρό και οικονομικό “τσιπάκι” υπάρχει επιταχυνσιόμετρο, γυροσκόπιο, καθώς και ένα θερμόμετρο. Η επικοινωνία με το Arduino γίνεται μέσω του I2C Bus και απαιτεί 2 καλώδια, συν άλλα δυο για την γείωση και την τροφοδοσία.

Προσθήκη βιβλιοθήκης και δοκιμή μονάδας

Υπάρχουν πολλές βιβλιοθήκες για την μονάδα GY-521. Μια από τις πιο εύκολες στη χρήση είναι η βιβλιοθήκη MPU6050_tockn.

Αφού κάνουμε εγκατάσταση την βιβλιοθήκη, μπορούμε να πάμε από το μενού Αρχείο στα Παραδείγματα και από εκεί να πάμε στην βιβλιοθήκη MPU6050_tockn και να διαλέξουμε το παράδειγμα GetAngle. Το φορτώνουμε στο Arduino και παρατηρούμε τις τιμές που μας δίνει καθώς περιστρέφουμε τον αισθητήρα γύρω από τους άξονες X,Y,Z.