姿勢を定量化する2つの物理量加速度と角速度

M5 StampFlyで実習マルチコプタ制御プログラミング

加速度計とジャイロの基本原理

M5 StampFlyで実習する場合，姿勢は加速度と角速度という2つの物理量で定量化できます．加速度計は3軸の加速度を測定でき，物体の速度変化を捉えます． 重力の方向も測定でき，物体の傾きの推定に役立ちます．

加速度計の基本原理

加速度計は重りが棒の上に配置され，加速度が加わると棒が曲がるしくみです．曲がり具合を検知することで加速度の大きさや向きがわかります．静止状態では，重力加速度の方向を測定でき，Z軸方向下では重力加速度がマイナスで出力されます．プログラム時にはこの正負方向の扱いを確認しながら使用します．

ジャイロの基本原理

ジャイロは3軸周りの回転速度を測定します．回転速度を積分することで角度を算出でき，物体の傾きを推定可能です．ただし，積分にはオフセットが含まれるため，誤差が累積します．

加速度計とジャイロの融合

加速度計はノイズが大きく，ジャイロは積分誤差があるため，両方の情報を融合することで精度を向上させます．使用されるアルゴリズムには以下があります．

1. カルマン・フィルタ：加速度と角速度のデータを統合して推定値を補正
2. マドウィック・フィルタ：軽量でリアルタイム制御向け
3. 双方向フィルタ：過去と現在の情報を利用して誤差を抑制

振動ジャイロのしくみ

発電型振動ジャイロでは，振動する棒に回転運動が加わると横方向の力が発生します．この力は棒の曲げ状態に比例し，曲げ状態を測定することで角速度が算出されます．

実習での使用ポイント

今回の実習では各速度の制御が中心のため，ジャイロだけで十分です．スタンプライのスケルトン・プログラムには角度推定プログラムも含まれており，興味があれば参照できます．マドウィック・フィルタを使用することで，軽量でリアルタイムな角度推定が可能です．

〈著：ZEPマガジン〉

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