Отслеживание ориентации с Arduino и акселерометром ADXL345

Обзор

ADXL345 — 3-осевой акселерометр (I2C/SPI), измеряет статическое (гравитация) и динамическое ускорение. Используем для вычисления roll (крен) и pitch (тангаж) и 3D-визуализации в Processing.

Принцип работы

Единица измерения — g (9.8 м/с²). Датчик лежит горизонтально, Z вверх → Z=1g, X=Y=0. Перевернули → Z=-1g. Наклон меняет проекции g на оси: выходы варьируются от -1g до +1g. По тригонометрии вычисляем углы.

Подключение к Arduino (I2C)

• VCC → 3.3V/5V, GND → GND;
• SDA → A4, SCL → A5 (Uno/Nano);
• Адрес I2C: 0x53 (ALT ADDRESS заземлён).

Базовый код чтения данных

#include <Wire.h>
int ADXL345 = 0x53;
float X_out, Y_out, Z_out;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  // Режим измерения: бит D3 в POWER_CTL (0x2D) = 1
  Wire.beginTransmission(ADXL345);
  Wire.write(0x2D); Wire.write(8); // 0b00001000
  Wire.endTransmission();
  delay(10);
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(ADXL345);
  Wire.write(0x32); // ACCEL_XOUT_H
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true);
  X_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0; // ±2g → 256 LSB/g
  Y_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0;
  Z_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0;
  Serial.print("Xa= "); Serial.print(X_out);
  Serial.print(" Ya= "); Serial.print(Y_out);
  Serial.print(" Za= "); Serial.println(Z_out);
}

Калибровка смещения (Offset Calibration)

Сырые значения могут иметь ошибку (например, Z=283 вместо 256). Метод:

1. Положите датчик идеально горизонтально.
2. Выводите RAW значения (без деления на 256).
3. Ошибка = (RAW - 256) / 4 → записываем в регистры смещения: 0x1E (X), 0x1F (Y), 0x20 (Z).
4. Повторяем при каждом включении (не сохраняется в энергонезависимой памяти).

// В setup() после включения измерения:
Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x1E); Wire.write(1);   Wire.endTransmission(); delay(10); // X
Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x1F); Wire.write(-2);  Wire.endTransmission(); delay(10); // Y
Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x20); Wire.write(-9);  Wire.endTransmission(); delay(10); // Z

Вычисление Roll и Pitch

roll  = atan(Y_out / sqrt(X_out*X_out + Z_out*Z_out)) * 180/PI;
pitch = atan(-X_out / sqrt(Y_out*Y_out + Z_out*Z_out)) * 180/PI;

Формулы из аппноута Freescale (AN3461). Yaw (рыскание) акселерометром не измерить.

3D-визуализация в Processing

Arduino шлёт roll/pitch через Serial. Processing вращает коробку.

// Arduino: полный код с калибровкой и LPF
#include <Wire.h>
int ADXL345 = 0x53;
float X_out, Y_out, Z_out, roll, pitch, rollF=0, pitchF=0;

void setup() {
  Serial.begin(9600); Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x2D); Wire.write(8); Wire.endTransmission(); delay(10);
  // Калибровка (ваши значения!)
  Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x1E); Wire.write(1); Wire.endTransmission(); delay(10);
  Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x1F); Wire.write(-2); Wire.endTransmission(); delay(10);
  Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x20); Wire.write(-9); Wire.endTransmission(); delay(10);
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(ADXL345); Wire.write(0x32); Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(ADXL345, 6, true);
  X_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0;
  Y_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0;
  Z_out = (Wire.read() | Wire.read() << 8) / 256.0;

  roll  = atan(Y_out / sqrt(X_out*X_out + Z_out*Z_out)) * 180/PI;
  pitch = atan(-X_out / sqrt(Y_out*Y_out + Z_out*Z_out)) * 180/PI;

  // Low-pass filter (сглаживание)
  rollF  = 0.94 * rollF  + 0.06 * roll;
  pitchF = 0.94 * pitchF + 0.06 * pitch;

  Serial.print(rollF); Serial.print("/"); Serial.println(pitchF);
}

// Processing
import processing.serial.*;
Serial myPort; String data=""; float roll, pitch;

void setup() {
  size(960, 640, P3D);
  myPort = new Serial(this, "COM8", 9600); // Ваш порт
  myPort.bufferUntil('\n');
}

void draw() {
  translate(width/2, height/2, 0);
  background(33);
  textSize(22); text("Roll: " + int(roll) + " Pitch: " + int(pitch), -100, 265);
  rotateX(radians(roll));  // Обратите знаки под вашу систему координат
  rotateZ(radians(-pitch));
  fill(0, 76, 153); box(386, 40, 200);
  fill(255); textSize(25); text("www.HowToMechatronics.com", -183, 10, 101);
}

void serialEvent(Serial myPort) {
  data = myPort.readStringUntil('\n');
  if (data != null) {
    data = trim(data);
    String[] items = split(data, '/');
    if (items.length > 1) { roll = float(items[0]); pitch = float(items[1]); }
  }
}

LPF сглаживает дрожание (акселерометр улавливает вибрации руки), но добавляет задержку. Нет Yaw — нужен гироскоп (MPU6050).

Заключение

ADXL345 позволяет отслеживать крен и тангаж. Калибровка смещения критична для точности. LPF улучшает визуальную плавность. Для полной 3D-ориентации (включая yaw) нужен IMU с гироскопом (MPU6050) или фузия датчиков.