Arduinoで加速度センサーを使ってみよう。

加速度センサー

アナログ出力３軸加速度センサー（約１０００円）KXM52-1050を使って加速度を読み取ります。上の写真の左端の真ん中で赤と黒のケーブルに埋もれてしまっています。これを用いてボードが動き始めるのを加速度として感知します。
このあいだ作ったバーコードリーダーと組み合わせて、装置が動いたら、バーコードリーダーを作動させ、読み取ったデーターをEtherNetを通じてWEBサーバーとなって公開します。装置が静止していたらバーコードリーダーを休ませておきます。

この素子は、電源電圧を5Vとして、加速度　a m/s^2で加速すると、 Vout= a/g +2.5 (V)　のアナログ出力が得られます。ここでgは重力加速度(g = 9.8m/s^2)で2.5Vはセンサーの出力が常に正の電圧になるようにするためのオフセット電圧です。
たとえば、素子のz軸を上向きにして静止させると、x方向とy方向の加速度は0 なのでVx=Vy=2.5Vの出力が、z方向には重力により Vz=3.5Vの出力がでます。
さらにこの素子をxが負の方向に5 m/s^2で加速すると、 Vx=-5/9.8+2.5=1.99V、Vy=2.5V、Vz=3.5Vの出力が得られます。
また、静止した状態でx軸を中心に30度傾けたとすると、重力加速度がｚ軸のセンサーとy軸のセンサーの両方で測定されるので、 Vx=2.5V、Vy=sin(30°)+2.5V、Vz=cos(30°)+2.5となり、静止していても姿勢が変化すると出力も変化します。
さて、この加速度センサーの電圧の変化ででボードの運動をモニターするわけですが、実際に使うときにボードの向きがどのように置かれるかはわかりませんし、ボード必ず水平におく必要があったりするのは面倒です。またオフセットの2.5Vも安定して変化しない保証は余りないでしょうから、データの扱いにすこし工夫が必要です。地球上で「静止」（正しくは「静止を含む等速度運動」）しているとは、「重力の大きさが一定で、向きも変わらない」ということなのでセンサーの出力をxyz３次元のベクトルで扱い重力の効果とオフセットの値を差し引く必要があります。

ArduinoのexamplesにあるAnalog/Smoothingを参考に過去何回かの測定結果を平均したものを「加速度なし」の基準とする方法を用いる。
測定結果をx軸、y軸、z軸別々に過去何回か保存しておく。またこの値の平均をとり、これを重力加速度のベクトルとする。
新しく加速度を測定したときその結果から得られる加速度ベクトルと前項で求めた平均の重力による加速度ベクトルの差をとりこれを「加速度」とする。
この「加速度」の大きさがある値を超えたとき「加速した」とみなす。
新しく測定した値を、最も古い過去のデータと入れ替え、平均の値を更新する。

平均する個数をNdataとする。ここでは2のべき乗とすると、たとえば、

グローバル変数の定義。和をとるsum_gXはint(2byte)の上限を越えることもありうるので、longとしておく。
```
#define Ndata 16
#define Dg 100

int   ave_gX[Ndata];
int   ave_gY[Ndata];
int   ave_gZ[Ndata];
long  sum_gX,sum_gY,sum_gZ;
.....
```

アナログ値を読み込む

  aX=(analogRead(sX));
  aY=(analogRead(sY));
  aZ=(analogRead(sZ));
  .....

ポインタwpで示される最も古い測定値ave_gX[wp]を測定値の和sum_gX 　から引いて、新しい測定値aXを和sum_gXに加え、この値を最も新しい　測定値としてave_gX[wp]に書き込む。
```
  sum_gX-=ave_gX[wp];
  ave_gX[wp]=aX;
  sum_gX+=aX;
  sum_gY-=ave_gY[wp];
  ave_gY[wp]=aY;
  sum_gY+=aY;
  sum_gZ-=ave_gZ[wp];
  ave_gZ[wp]=aZ;
  sum_gZ+=aZ;
```
次のポインタを計算する。すなわちwpに１を足すか、wpがNdataを越える場合は0とする（いわゆるリングバッファ）。
```
  wp=(wp+1)&(Ndata-1);
```
加速とベクトルの変化を計算する。またその大きさを計算する。この部分で平均との差をとるのでオフセットは無視しておいてもよりが、sum_gXの値があまり大きくならないようにしたければ、analogReadのときにオフセットのあたいを引いておいてもよい。
```
  a0X=aX-sum_gX/Ndata;
  a0Y=aY-sum_gY/Ndata;
  a0Z=aZ-sum_gZ/Ndata;
  g=a0X*a0X+a0Y*a0Y+a0Z*a0Z;
```
「加速度あり」「加速度なし」の判定
```
  if((g>(Dg))||(g<(-Dg))){
```

実行結果

大体期待したように動きます。ボードの方向を変えると、加速度の平均が重力の向きと一致するまで、しばらくは「加速度あり」を示ていますが、そっと置いておくとすぐに「加速度なし」になり正常に動いていることがわかります。また手でそっと持っていると少しくらい動いていても「加速度なし」になります。一方机の上にボードをおいて机を爪で軽くたたくと「加速度あり」の判定が出て、撃力には敏感のようです。上記のコードの例で、新しい測定値も何度かの平均をとることによりこの点はチューニング可能でしょう。