STREDNÁ  PRIEMYSELNÁ  ŠKOLA  J.  MURGAŠA  BANSKÁ  BYSTRICA                          Elektrotechnické  laboratóriá
	Odbor:						Dátum merania:
	Trieda:						Dátum odovzdania:
	Skupina:						Vyučujúci: doc.RNDr.Juraj Pančík, CSc.
	Laboratórium:						Klasifikácia:	Známka:		Podpis:
	Meno a priezvisko žiaka:
LABORATÓRNE  CVIČENIE  č. 35 Meranie vlastností inerciálnej meracej jednotky (9 axis IMU)
	OBSAH:
	1. Názov cvičenia a jednotlivých úloh.
	2. Súpis prístrojov a pomôcok pri meraní.
	3. Popis meracej metódy a schéma merania.
	4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.
	5. Vyhodnotenie merania.
	1. NÁZOV CVIČENIA:		Meranie vlastností inerciálnej meracej jednotky (9 axis IMU)
	Úlohy      a)		Oboznámte sa s hardvérovým a softvérovým riešenia meracieho prípravku –  9 osová inerciálna meracia jednotka (IMU) so snímačom typu MEMS  BNO 055. Vysvetlite zmerané a vypočítané veličiny poskytované týmto snímačom.
	b)		Vykonajte merania vlastností pohybu a dynamickej zmeny polohy objektu. Pre meranie použite koncový bod jednoduchého kyvadla ako zdroj pohybu.
	c)		Na základe vlastných meraní určite hodnotu dobu kyvu pri pohybe koncového bodu kyvadla.
	d)		Zobrazte získané časové rady vybraných veličín vhodným zobrazovacím sw nástrojom (napríklad on line nástroj CHART STUDIO od fy. PLOTLY
	e)
	2.SÚPIS POUŽITÝCH PRÍSTROJOV
	Prístroj – pomôcka			Typové označenie a rozsah				Výrobca		Inventárne číslo
1.	MP c.35 Merací prípravok so snímačom typu MEMS  BNO 055
2.	Mechanická zostava jednoduchého kyvadla
3.	SW:  Putty, Notepad++, EXCEL
Nedostatky pri hodnotení (zapíše vedúci merania  učiteľ):

3. Popis meracej metódy a schéma merania

Jednoduché kyvadlo – teória

Jednoduché kyvadlo má na rozdiel od dvojitého (či zloženého) iba jedno rameno. Vzťahy medzi fyzikálnymi  veličinami dobre popisuje zdroj napr.  (Blevins, 2016) a  Obrázok 1. Vlastná frekvencia kyvadla nezávisí od hmotnosti kyvadla a je nepriamo úmerná druhej odmocnine z dĺžky ramena podľa rovnice nižšie (platí pre maximálny uhol výchylky  menší ako 1 rad cca 57 ). Hodinové kyvadlo s periódou 2 s je 0,99 m dlhé a jeho spúšťací mechanizmus tiká raz za sekundu v krajných polohách kyvu kyvadla.   

  Obrázok 1 Zjednodušený model jednoduchého kyvadla ZDROJ:  (Blevins, 2016)

Jednoduché kyvadlo – konštrukcia

Fotografia použitého jednoduchého kyvadla (v pohybe ) je uvedená na  Obrázok 2 a v pokoji Obrázok 3

 Obrázok 2 Snímok z videa pohybujúceho sa jednoduchého kyvadla so 9 axis IMU snímačom  na jeho konci (ZDROJ: vlastné spracovanie)

Obrázok 3 Voľno visiace kyvadlo s detailami jeho konštrukcie. (ZDROJ: vlastné spracovanie)

Obrázok 4 ARDUINO rozširujúca doska 9axis IMU so snímačom BNO 055. ZDROJ: (ARDUINO Ltd., 2020)

Princíp merania parametrov pohybu koncového bodu jednoduchého  kyvadla  

Merací prípravok bol pripevnený na koniec ramena jednoduchého kyvadla Obrázok 3 s dĺžkou ramena L = 560 mm. Rameno kyvadla je vyrobené z plotovej smrekovej dosky so šírkou = 82 mm a hrúbkou = 18 mm. 

Srdcom meracieho prípravku je 9 osová inerciálna meracia jednotka (IMU) so snímačom typu MEMS  BNO 055 osadenom v rámci ARDUINO UNO shield-u (ARDUINO Ltd., 2020). Snímače parametrov pohybu MEMS (Bharath University, 2023), (Keim, 2018), (Analog Devices, 2015) sú veľmi významné pre technické odbory. Funkcie senzora BNO055 sú nasledovné : trojrozmerné zrýchlenie, rýchlosť odklonu (gyroskop v 3 osiach), údaje o intenzite magnetického poľa v 3 na seba kolmých osiach. Snímač poskytuje aj vypočítané signály fúzie senzorov, ako sú kvaternióny, eulerove uhly, vektor rotácie, lineárne zrýchlenie a vektor gravitácie. Inteligentný senzor BNO055  (BOSCH Sensortec. , 2023)je riešenie SiP (System in Package), ktoré integruje trojosový 14-bitový akcelerometer, presný trojosový 16-bitový gyroskop s uzavretou slučkou, trojosový geomagnetický senzor a 32-bitový mikrokontrolér so softvérom BSX3.0 FusionLib. Tento inteligentný senzor je výrazne menší ako porovnateľné riešenia. Integráciou senzorov a fúzie senzorov v jednom zariadení BNO055 uľahčuje integráciu, vyhýba sa zložitým multidodávateľským riešeniam, a tým zjednodušuje inovácie, napr. nové aplikácie, ako je hardvér internetu vecí.  Snímač BNO055 je ideálnou voľbou pre rozšírenú realitu, hry, osobné zdravie a fitnes, navigáciu v interiéri a všetky ostatné aplikácie, ktoré vyžadujú kontextové povedomie. Ideálne sa hodí pre náročné aplikácie, ako je rozšírená realita, navigácia, hry, robotika alebo priemyselné aplikácie. Spoločnosti BOSCH Sensortec Ltd. a ARDUINO Ltd.  poskytujú zadarmo sw knižnicu IMU ARDUINO LIBRARY : Arduino_NineAxesMotion. Táto sw knižnica umožnila integráciu nášho snímača do meraní.

Data acquisition – zber údajov

=~=~=~=~=~=~=~=~=~=~=~= PuTTY log 2024.01.20 09:50:51 =~=~=~=~=~=~=~=~=~=~=~= lY: -0.53  lZ: -0.02  gX: 0.50  gY: -9.78  gZ: e: 0.10  aZ: -0.78  lX: -0.26  lY: 0.02  lZ: 0.00  gX: 9.77  gY:10909  qX: 2405  qY: -11794  qZ: 2133Time: 310627  aX: 9.50  aY: 0.10  aZ: -0.78  lX: -0.26  lY: 0.02  lZ: 0.00  gX: 9.77  gY:rţDefault accelerometer configuration settings…Range: 1 Bandwidth: 3 Power Mode: 0 Streaming in …3…2…1…Time: 3990  aX: 9.48  aY: 0.11  aZ: -0.81  lX: -0.29  lY: -0.01  lZ: -0.08  gX: 9.77  gY: 0.13  gZ: -0.72  eH: 0.00  eR: 85.69  eP: -179.19  qW: 11149  qX: 161  qY: -12004  qZ: -3Time: 4017  aX: 9.49  aY: 0.10  aZ: -0.78  lX: -0.28  lY: -0.02  lZ: -0.05  gX: 9.77  gY: 0.13  gZ: -0.72  eH: 0.00  eR: 85.69  eP: -179.19  qW: 11149  qX: 161  qY: -12004  qZ: -3

Bol napísaný program pre platformu ARDUINO UNO založený na spomenutej sw knižnici ARDUINO LIBRARY Arduino_NineAxesMotion. Program inicializuje snímač BNO 055 a cyklicky vyčítava všetky zmerané a snímačom vypočítané „fusion“ údaje tieto posiela  na sériovú linku. Terminálový program v počítači (PUTTY.EXE) umožňuje záznam (tzv. „log“) údajov vysielaných ARDUINOM do textového súboru (napríklad) putty_LOG.txt. Záznam tlmených kyvov jednoduchého kyvadla trvá 2 minúty, frekvencia čítania dát je 50 Hz (120 s x 50 = cca 6000 riadkov). Zaznamenaný súbor putty_LOG.txt sa upravil – pomocou textového editora (Notepad++) sa  desatinné bodky  zamenili za čiarky (je to kvôli kompatibilite s EXCEL – om pri importe dát). Následne sa súbor putty_LOG.txt  importoval do EXCEL-u a excelovský súbor sa uložil (ako napr.) 230118 PENDULUM_1.xlsx. Zaznamenané dáta v čase (tzv. TIME SERIES) sa „vizualizovali“ a spracovávali v online nástroji CHART STUDIO PLOTLY (PLOTLY, 2024), ktorého výrobca je spoločnosť PLOTLY.

Obrázok 5 Úvodná sekvencia textového záznamu ukazujúca počiatočné nastavenia snímača  BNO 055. ZDROJ: vlastné spracovanie

Obrázok 6 Časová séria údajov zo snímača BNO055 importovaná zo súboru TXT určená pre  ďalšie spracovanie.  ZDROJ: vlastné spracovanie

Data processing – vyhodnotenie údajov

Údaje sme vyhodnocovali pre zmeranie doby kyvu kyvadla pre zmeranú dĺžku ramena L=560 mm. Z časovej série pre Eulerov uhol eR (ROLL) (viď. Obrázok 7) sme po zväčšení  (viď. Obrázok 8) sme vybrali časy prechodu hodnoty eR cez nulu a zaznamenali sme výsledky do Tabuľka 1.

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

Obrázok 7 Záznam časovej série eulerovho uhlu eR (ROLL). ZDROJ: vlastné spracovanie

Obrázok 8  Detail záznamu časovej série eulerovho uhlu eR (ROLL). ZDROJ: vlastné spracovanie

n.	Časová značka (ms)	Doba trvania polperiody (ms)	Zmeraná frekvencia kyvu kyvadla (Hz)	Vypočítaná frekvencia kyvadla pre L = 0,560m	Rozdiel medzi zmeranou a vypočítanou frekvenciou kyvu (s)
0	6697
	7553	856	0,58	0,6664704	0,08
1	8380	827	0,60	0,6664704	0,06
	9262	882	0,57	0,6664704	0,10
2	10065	803	0,62	0,6664704	0,04
	10920	855	0,58	0,6664704	0,08
3	11724	804	0,62	0,6664704	0,04
	12552	828	0,60	0,6664704	0,06
4	13383	831	0,60	0,6664704	0,06
	14188	805	0,62	0,6664704	0,05
5	15014	826	0,61	0,6664704	0,06
	15796	782	0,64	0,6664704	0,03
6	16601	805	0,62	0,6664704	0,05
	17428	827	0,60	0,6664704	0,06
7	18182	754	0,66	0,6664704	0,00
	19013	831	0,60	0,6664704	0,06
8	19789	776	0,64	0,6664704	0,02
	20594	805	0,62	0,6664704	0,05
9	21348	754	0,66	0,6664704	0,00
	22153	805	0,62	0,6664704	0,05
10	22933	780	0,64	0,6664704	0,03
	23711	778	0,64	0,6664704	0,02
	15331,18	810,19	0,62	0,67	0,05

Tabuľka 1 Zmerané časy prechodu uhla eR (ROLL) cez nulu, vypočítané a zmerané doby kyvu kyvadla. ZDROJ: vlastné spracovanie

5. Vyhodnotenie merania

Merania doby kyvu jednoduchého kyvadla na základe záznamu jedného z eulerových uhlov (ROLL) poukázali na výbornú zhodu s vypočítanou (0,05s t.j. 7%). Hodnota L reprezentuje vzdialenosť teoretického bodu ťažiska kyvadla od bodu otáčania a preto je L predmetom odhadu. Doba kyvu pri tlmených kmitoch kyvadla sa nemení a naše je dôkazom fyzikálnej teórie. Záznam tlmených kyvov jednoduchého kyvadla trvá 2 minúty, frekvencia čítania dát je 50 Hz (120 s x 50 = cca 6000 riadkov) čo už predstavuje príklad tzv. BIG DATA. Technika  zobrazenia a analýzy dlhých časových radov pomocou dedikovaných nástrojov je moderná metóda. Pre pochopenie meraných a vypočítavaných veličín snímačom BNO055 je táto metóda veľmi účinná.  

6. Informačné zdroje

Analog Devices. 2015. Accelerometer and Gyroscopes Sensors: Operation, Sensing, and Applications. [Online] 17. 3 2015. [Dátum: 25. 2 2024.] https://www.analog.com/en/technical-articles/accelerometer-and-gyroscopes-sensors-operation-sensing-and-applications.html.

ARDUINO Ltd. 2020. ARDUINO 9 Axis Motion Shield. [Online] 2020. [Dátum: 25. 2 2024.] https://docs.arduino.cc/hardware/9-axis-motion-shield.

Bharath University. 2023. Introduction to MEMS (Microelectromechanical Systems). [Online] 2023. [Dátum: 25. 02 2024.] https://www.bharathuniv.ac.in/page_images/pdf/courseware_eee/Notes/NE3/BEE026%20MEMS.pdf.

Blevins, Robert D. 2016. Formulas for dynamics, acoustics and vibration. s.l. : Willey, 2016. s. 119-120. ISBN 978-1-119-03811-5.

BOSCH Sensortec. . 2023. Smart sensor: BNO055 Integrated MCU + flash. Integrated sensor fusion. [Online] 2023. [Dátum: 25. 2 2024.] https://www.bosch-sensortec.com/products/smart-sensor-systems/bno055/.

Keim, Robert. 2018. Introduction to MEMS (Microelectromechanical Systems). [Online] 4. 12 2018. [Dátum: 25. 2 2024.] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-mems-microelectromechanical-systems/.

PLOTLY. 2024. CHART STUDIO PLOTLY. [Online] https://en.wikipedia.org/wiki/Plotly, 2024. [Dátum: 25. 02 2024.] https://chart-studio.plotly.com/create/#/.