เรขาคณิตการนำทางทางการบินและอวกาศ: 3D Artificial Horizon

เมื่อเครื่องบินบินผ่านเมฆ นักบินจะไม่มีข้อมูลอ้างอิงทางสายตาจากพื้นดินเลย; หากปีกเครื่องบินเอียง พวกเขาอาจบินกลับหัวโดยไม่ตั้งใจและตกได้ 3D Artificial Horizon คือความสำเร็จทางวิศวกรรมที่น่าทึ่ง ซึ่งดึงเวกเตอร์ Cartesian Acceleration และ Gyroscopic ที่บริสุทธิ์ออกมาจาก MPU6050 (GY-521) IMU ซิลิคอนขนาดเล็ก จากนั้นถ่ายโอนการคำนวณทางคณิตศาสตร์ผ่าน serial ไปยัง Processing IDE เพื่อวาดกล่อง 3D เทียมขนาดใหญ่ที่เคลื่อนไหวได้อย่างราบรื่นบนหน้าจอคอมพิวเตอร์!

โครงสร้างเอาต์พุต Quaternion ของ I2C MPU6050

ข้อมูล accelerometer ดิบ (X=15000, Y=3000, Z=-1500) นั้นสับสนวุ่นวาย หาก Uno สั่นเล็กน้อยบนโต๊ะ ตัวเลขจะสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง ซึ่งจะทำให้ภาพเครื่องบิน 3D บนหน้าจอฉีกขาดออกจากกัน!

1. MPU6050 มีคุณสมบัติที่ทรงพลังอย่างยิ่งที่เรียกว่า DMP (Digital Motion Processor)
2. Arduino ต้องใช้ประโยชน์จากไลบรารี I2Cdev.h และ MPU6050_6Axis_MotionApps20.h ขนาดใหญ่เพื่อเข้าถึงการทำงานภายในของซิลิคอน!
3. ชิป DMP ภายในจะผสานเวกเตอร์แรงโน้มถ่วงของ Accelerometer เข้ากับโมเมนตัมการหมุนของ Gyroscope เพื่อคำนวณ Quaternions และ Euler Angles ทางคณิตศาสตร์!
4. มันจะส่งออกค่าทศนิยมที่ราบรื่นอย่างไม่น่าเชื่อ: Pitch: 14.5 degrees, Roll: 32.1 degrees, Yaw: 180.0 degrees

Serial Bridge ไปยัง Processing IDE (การเรนเดอร์ด้วย Java)

Uno ไม่สามารถวาดเครื่องบิน 3D ที่สวยงามได้

• Uno ทำหน้าที่เป็นเพียงท่อส่งข้อมูลเท่านั้น มันจะส่งข้อมูลตัวเลขทศนิยมที่สมบูรณ์แบบออกมาทาง Serial.println(String(ypr[0]) + "," + String(ypr[1]) + "," + String(ypr[2])); ด้วยความเร็วสูงสุด 115200 baud!
• สถาปัตยกรรม Java ของ PC: โปรแกรมเมอร์เปิด sketch Java ที่ซับซ้อนอย่างมากใน Processing IDE
• ผ่านสาย USB, Processing จะดักจับ string!

// Java code applying physical rotation directly to a 3D geometry shape!
rotateZ(radians(roll)); 
rotateX(radians(pitch));
rotateY(radians(yaw));
box(200, 10, 200); // Draws the physical 3D wings of the plane dynamically updating 60 frames per second!

ส่วนประกอบระบบวัดแรงเฉื่อย

• Arduino Uno/Nano (ฟังก์ชันการทำงานมาตรฐาน)
• MPU6050 (GY-521) 6-Axis Accelerometer/Gyroscope Module (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสาย I2C SDA และ SCL เชื่อมต่ออย่างแน่นหนา สายที่หลวมอาจทำให้การเริ่มต้น array ของ DMP ล้มเหลวโดยสิ้นเชิง!)
• Processing IDE Software (ติดตั้งบน PC/Mac เพื่อจัดการ pipeline การเรนเดอร์ 3D ด้วย WebGL ที่ซับซ้อนและใช้ทรัพยากรมาก!)
• สาย USB ขนาด 12 นิ้ว ที่เชื่อมโยงสถาปัตยกรรมทั้งหมดเข้ากับหน้าจอแสดงผลหลักได้อย่างราบรื่น!