Gyro

アストロボーイへの道　　 astro1

６．３軸ジャイロセンサ

　アストロ１号が動作している時の姿勢を検出する目的で３軸ジャイロセンサを導入する。現在はモータ駆動時間で調整している方向変更時の角度や、走行距離の算出も可能になると考えた。使用する３軸ジャイロセンサとしては、当方、全く使用経験がないため、ネット上で実施例がある秋月電子の「STマイクロL3GD20使用３軸ジャイロセンサーモジュール」（以下、ジャイロセンサ・モジュールと略す。）（単価：750円）とした。　　説明書　　使用半導体資料　　　　　　

（１）ジャイロセンサ・モジュールの外観

　図１にジャイロセンサ・モジュールの外観図を示す。
　特徴としては
        ・８ピンDIP
        ・電源は3.3 V、消費電流 6.1 mA
        ・インタフェースはI2C (inter-IC bus)またはSPI (Serial Peripheral Interface) の何れかを選択できる。ここでは、ArduinoがライブラリでサポートしているI2Cを選ぶことにした。
        ・X、Y、Zの３軸の角速度(dps : degree per second)を16ビットデータで読み取り可能。　　　　

図１．ジャイロセンサ・モジュール外観

図２．ジャイロセンサ・モジュール回路図とピン配置

（２）角度検出の仕組み

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図３．　角速度検出の仕組み

　　　　　　　　　　　　図４．ジャイロセンサ・モジュールのブロック図

（３）I2Cインタフェース

　　　　　図５．I2Cインタフェースのおけるマスタ・スレーブ構成

　　　　　　　図６．I2Cインタフェースにおけるアービトレーション

　　　　　　　　　　　図７．I2Cインタフェースにおけるデータ転送タイミング

　　　　　　　　　図８．I2Cインタフェースにおける基本データフォーマット

　　　　　　　　　図９．I2Cインタフェースにおける全体データフォーマット

（４）Arduinoとジャイロセンサ・モジュールの接続

ジャイロセンサ・モジュールは電源が3.3Vであり、入出力ピンの電圧は0 - 3.3Vになっている。そのため、Arduinoとの間に電圧レベル変換用として図10及び図11に示すI2C変換モジュールを挿入する。
その結果の全体接続回路図を図12に示す。I2Cインタフェース上はArduinoがマスタ、ジャイロセンサ・モジュールがスレーブの扱いとなる。

　　　　　　　　　　　図10．I2C変換モジュールの外観とピン配置

　　　　　　　図11．I2C変換モジュールの回路図

　　　　　　　　　　　　　　　　　　図12．全体接続回路図

（５）LSGD20 I2Cの仕様

     ・LSGD20のスレーブとしてのアドレス（７ビット）は、SDO/SA0をGNDにしているので、最下位ビットが０となり、B1101010 の７ビットになる。
    ・CSピンをVDDに接続して、I2Cモードで動作するようにした。

    ・LSGD20の主なレジスタは表１の通り

                　　　　　       表１．LSGD20の主なレジスタ

レジスタ名	意味	アドレス	読み出し値	デフォルト値
WHO_AM_I	接続確認用	0Fh	B11010100 (=D4h)	11010100
CTRL_REG1	バンド幅など設定	20h	DR1, DR0, BW1, BW0, PD, Zen, Xen, Yen	00000111
CTRL_REG4	分解能など設定	23h	BDU, BLE, FS1, FS0, - , 0, 0, SIM	00000000
OUT_X_L	X軸速度下位8ビット	28h
OUT_X_H	X軸速度上位8ビット	29h
OUT_Y_L	Y軸速度下位8ビット	2Ah
OUT_Y_H	Y軸速度上位8ビット	2Bh
OUT_Z_L	Z軸速度下位8ビット	2Ch
OUT_Z_H	Z軸速度上位8ビット	2Dh

    ・レジスタ WHO_AM_I は７ビットのアドレスに０を加えて、B11010100 (=B4h)がレジスタの内容になる。　　
    ・CTRL_REG1のバンド幅のデフォルトは、ODR 95Hz、Cut-Off 12.5となる。
　　・CTRL_REG4の分解能のデフォルトは、測定範囲：± 250 dps、分解能：0.00865 dps/digit となる。

      ・LSGD20の特定レジスタに１バイト書き込む場合のシーケンスを図13に、特定レジスタから１バイト読み込む場合のシーケンスを図１４に示す。

　　　ここで、ST : Start Condition、　SAD : Slave Address、　W : Write bit、　SAK : Slave Acknowledge、　SUB : register adress、　SP : Stop Condition
                    R : Read bit、　NMAK : No Master Acknowledge

　　　　　　　図13．特定レジスタに１バイト書き込む場合のシーケンス

　　　　　　図14．特定レジスタから１バイト読み込む場合のシーケンス
　　　　

（６）Wire.h の内容

　Arduino IDEのライブラリにI2Cに対応したWire.hがある。今回は、これを使用する。Wire.hの主なコマンドを表２に示す。
　図13、図14のシークエンスをWire.hで実行するためのコマンド順序を表２の下に記載する。

表２．Wire.hの主なコマンド

コマンド	意味	パラメータ	戻り値
Wire.beginTransmission(address)	指定するスレーブのアドレスのI2Cに送信開始を宣言	address：送信対象アドレス（7ビット）	なし
Wire.write(value)	指定したデータを送信。今回はレジスタアドレスを送信	value：送信する１バイトのデータ	送信したバイト数
Wire.endTransmission()	スレーブに対する送信完了を宣言		送信結果　0: 成功
Wire.requestFrom(address, count)	他のデバイスにデータを要求	address: デバイスアドレス（7ビット） count: バイト数	受信したバイト数
Wire.read()	データの読み取り。今回はレジスタ内のデータ読み取り	なし	受信データ

       ・特定レジスタに１バイト書き込む場合のコマンド順序　（図13に対応）
                Wire.beginTransmission(L3GD20 address)
                Wire.write(resgister address)
                Wire.write(value)
                Wire.endTransmission()

       ・特定レジスタから１バイト読み込む場合のコマンド順序　（図14に対応）
                Wire.beginTransmission(L3GD20 address)
                Wire.write(resister address)
                Wire.endTransmission()
                Wire.requestFrom(L3GD20 address, 1)
                Wire.read()
　　　　　

（７）Arduinoプログラム

　ジャイロセンサ・モジュールの評価を目的として作成したサンプル・プログラムを図15に示す。
　また、本プログラムをアストロ１号に組み込んだ時の実行例（IDEのモニタ画面）を図16、図17に示す。
　図16ではWHO_AM_I 、CTRL_REG4 の内容は期待値通りだった。静止状態で検出された角速度は0または１dpsで問題ない。
　図17に、手動にて約２秒で９０度回転させた時の結果を示す。また、図18にその時間推移をグラフ化した。プログラムで0.1秒間隔でZ軸の角速度を積分して、角度の変動量を求めたところ、88 度との結果になった。大きな差異はなく、実用レベルにあると考える。

    行#5は指定したレジスタの内容を読み出す関数。戻り値は正の整数なので、unsigned int で定義。
    行#14は指定したレジスタの内容を書き換える関数。
    行#25, 26で、レジスタ "WHO_AM_I" からデータ D4h を読み出して、接続を確認する。
    行#28, 29で、レジスタCTRL_REG4 からデータ 00h を読み出して、デフォルト値になっていることを確認する。
    行#64のzDegは、zのバイナリの値に0.00875を掛けた後、丸めて角速度を整数表示しています。そのため、精度は余り良くない。
    そのため、積分してzの速度zDegSumを求める際、zDegを積分するのではなく、zのバイナリのままで積分し、行#66で0.0085を掛けるようにした。

図15．Arduinoプログラム

　　　図16．実行例（初期）

図17．実行例（アストロ１号を約２秒間で９０度回転させた時）

　　　図18. 実施例（図17）Z軸の角速度、角度時間推移

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