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圧電振動ジャイロ(ジャイロスター)の回路を設計する

今日もひたすらロボトレ用マシーンのルーティングでした。
今回の機体にも姿勢制御のためにジャイロを導入します。採用したジャイロは秋月で買える、村田製作所製圧電振動ジャイロENC-03RCです。

ジャイロ周辺の回路設計は以下の図のようになっています。
Photo_4
■クリックで図を拡大■ ジャンパ用の0Ω抵抗がいっぱいで申し訳ない…

この回路のポイントは2つ。
・ハイパスフィルタを用いないDC結合
・電源電圧の半分を中心とする信号を吐き出すアンプ回路
・(実用)微分回路を搭載
です。さて微分回路は何に使うんでしょうか…(笑)

一般に、オペアンプによる反転増幅回路、微分回路などは正負の両電源が必要となります。そのため正の単電源だけでは使うことが出来ません。
しかし、これらの回路の非反転入力(+端子)を0V(GND)ではなく適当な電圧を加えると、あたかも両電源があるかのごとく演算を行うことが出来ます。(紙と鉛筆で自分で解析してみてください。画像の回路は"IC5D"が電圧源となっています)

オペアンプを用いた回路は、工夫したり基本となる回路を組み合わせることで、多種多様な機能を簡単に持たせられるのが面白いですね♪(たとえば加算回路+積分回路とか、減算回路+ローパスフィルターとかを1回路で実現できるscissors)

…ところで話は戻りますが、このジャイロスターはロボット搭載するには難ありであるようです。私は真面目に使ったことが無いのですが周りの話によれば、
・左右の特性の不対称性
・大きい温度ドリフト(停止時の出力電圧の変化)
という問題があるようです。

私は両方ともソフトウェアで補おうと考えています。
まあ、何とかなるでしょう。

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コメント

本格的にジャイロに挑むみたいだね。
どうなるか楽しみだ。

見てすぐ気になったのは、アンプをいくつも通すことで、位相遅れが発生しないかということかな。
アンプの選定次第なのかもしれないが。

あと、

>・左右の特性の不対称性
>・大きい温度ドリフト(停止時の出力電圧の変化)

左右の出力特性が非対称であるのは、5V系だと仕方がないこと。
Vrefが1.35Vと低いのを、2.5Vまで引き上げれば、かなり使えるようになるよ。

温度ドリフトとリニアリティが他の素子に比べて弱いってのは、確かだと思う。
その辺は、ソフトで対応かなぁ。

最後に、ロボットに向いていないと言うけど、
ムラタセイサク君はどんな制御が掛かってるんだろう・・・。
不倒停止は明らかな角度制御だし、手法次第で使い勝手を向上させる余地はまだあると思うよ。

投稿: ハセ | 2009年8月20日 (木) 01時34分

ジャイロのドリフトと左右の特性の違いを打ち消すために2つのジャイロを向かい合わせで導熱体でくっつけて使う方法もあるようですよ.
片方を反転して加算するとドリフトが打ち消し合って角速度データ自体は2倍になって出力するので1軸でジャイロが2つにはなってしまうけどソフトの負担がへるらしいです.

投稿: 通りすがりの扇風機 | 2009年8月20日 (木) 13時15分

>ハセ先輩
今回は制御のメインにジャイロが入ってきます。左右独立二輪ですし。
上手く使えればよいのですが。

アンプとフィルターですが、ロボットに必要だと考えられる周波数帯では位相遅れは気にならないと考えています(定数をそのように設定してます)。まあ、これも実験で試してみるしかありません。

左右の特性の非対称性についてですが、
3.3V系で用いるので、中心は1.65Vの出力になるようにアンプを組みました。(それは回路図で分かります)
また飽和しないようにアンプのゲインは標準回路の半分になっています。まあこれも実機で試してみるほかありません。

ムラタセイサク君は積分(角速度→角度への変換)を制御で用いていないそうです…。制御則を知りたいですよね。

>通りすがりの扇風機さん
コメありがとうございます!
2対のジャイロを導熱体で張り合わせるというのはかなりの力技ですねhappy02
でも、確かに理論的にはドリフトと特性の変化は最小限に抑えられそうです。貴重な情報ありがとうございました!

投稿: さとぅー | 2009年8月21日 (金) 23時23分

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