Langaton inertiamittausyksikkö Wi-Fi-yhteydellä

Abstract

Lisääntyvä automaatio ja älykkäät ominaisuudet lisäävät useiden anturien tarpeellisuutta työkoneissa. Työkoneissa käytetään monia erityyppisiä antureita koneen eri osien paikan ja liikkeen mittaukseen. Eräs laajasti käytetty mittalaite on inertiamittausyksikkö eli IMU (engl. Inertial Measurement Unit). IMU mittaa kiihtyvyyttä sekä kulmanopeutta, ja sen suurimpia etuja muihin mittalaitteisiin nähden on sen helppo paikoilleen asennus. Tässä työssä kehitetään IMU-laite, joka soveltuisi työkoneen pyörien liikkeiden mittaamiseen. Koska sähköisen mittalaitteen johdottaminen pyörään olisi haastavaa, laitteesta kehitetään täysin langaton käyttämällä tiedonsiirrossa Wi-Fi (engl. Wireless Fidelity) -yhteyttä.

Tämän työn alussa tutustutaan anturitekniikkaan sekä tiedonsiirtomenetelmiin, joita kehitettävässä IMU-laitteessa tarvitaan. Työssä tutkitaan tarkemmin erilaisten kiihtyvyysanturien ja gyroskooppien toimintaan sekä myös IMU:n toimintaa. Kehitettävän laitteen tiedonsiirrossa tullaan käyttämään SPI-väylää (engl. Serial Peripheral Interface), UDP-protokollaa (engl. User Datagram Protocol), IP-protokollaa (engl. Internet Protocol) sekä Wi-Fi-verkkoa (engl. Wireless Fidelity). Työssä tutkitaan näiden tiedonsiirtomenetelmien toimintaa sekä verrataan niitä OSI-mallin (engl. Open Systems Interconnection) kerroksiin ja pohditaan tiedonsiirron reaaliaikaisuutta.

Näitä tietoja hyväksi käyttäen työssä rakennetaan ja ohjelmoidaan mittalaite, joka sisältää IMU:n sekä Wi-Fi-lähettimen. IMU-laitteen eri komponentit ja kokoonpano esitellään työssä. Työn lopussa toteutetaan testi, jolla tutkitaan kehitettyjen IMU-laitteiden toimintaa. Testissä yksi laite kiinnitetään työkoneen pyörään ja luetaan mittausdataa koneen liikkuessa. IMU:n gyroskoopin mittaamaa kulmanopeutta vertaillaan pyörien akselilla olevien pulssikulma-anturien datasta laskettuun kulmanopeuteen.

Mittaustuloksista huomattiin, että IMU:n gyroskoopin mittauksen vaihesiirto on pienempi kuin pulssikulma-antureilla. Lisäksi gyroskoopin resoluutio on huomattavasti parempi kuin pulssikulma-anturin, joten gyroskooppianturi itsessään toimi mittauksissa hyvin. Testeissä havaittiin lisäksi, että Wi-Fi-yhteys katkesi useita kertoja mittausten aikana. Katkonaisen yhteyden takia tiedonsiirto ei ollut luotettavaa ja reaaliaikaista, joten laitteiden tiedonsiirrossa olisi vielä parannettavaa.