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BeitragVerfasst: Di 27. Mär 2012, 16:24 
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Hallo!

Während ich auf den Midi-USB-Adapter für meine Laserharfe warte, tüftle ich an der Umsetzung einer günstigen Segway-Variante mittels Arduino. Das Segway möchte sich ja im Grunde immer nur waagrecht ausrichten. Um dies elektronisch regeln zu können benötigt man logischerweise einen genauen Wert für den momentanen Neigungswinkel phi.

Dieser könnte sich bei einem ruhenden oder gleichmäßig, geradlinig bewegten Segway auch ganz einfach mittels Beschleunigungsmesser berechnen lassen nach der Formel (siehe Abbildung): sin(phi) = - a_x/g bzw. phi = arcsin(-a_x/g) mit a_x < 0 wie abgebildet. Man bräuchte also einfach nur den Beschleunigungswert in x-Richtung einlesen und schon hätte man den aktuellen Neigungswinkel.

Wäre da nicht die gemeine Trägheit, welche zu Trägheitskräften und demnach auch Beschleunigungen führt, die der Sensor ebenfalls registriert. Man könnte dieses Problem nun z.B. auf folgende 3 Arten lösen:

1.) Man verwendet anstelle des Beschleunigungsmessers einfach ein nicht auf Trägheitskräfte ansprechende sog. Gyrometer, welche eigentlich die Winkelgeschwindigkeit Omega ausgeben. Da wir aber den Winkel phi benötigen gilt demnach: phi_nachher - phi_vorher = Integral von t nach t + dt der Winkelgeschwindigkeit. Für sehr kleine Schritte dt läßt sich dieses Integral natürlich sehr einfach lösen, etwa mit der Trapezmethode oder anderen (genaueren) numerischen Verfahren. Das Problem sind hier aber die sich aufsummierenden Ungenauigkeiten. Der neue Winkel wird mittels altem Winkel bestimmt, welcher selbst schon einen Fehler aufweist. Dies führt unweigerlich nach endlich vielen Schritten zu mehr oder wenig unbrauchbaren Ergebnissen für den Ermittelten Winkel phi. Zudem sind die Gyrometer relativ temperaturempfindlich und die Genauigkeit ist auch nicht gerade berauschend. Also scheidet diese Methode mMn aus.

2.) Man verwendet aufwendige Filter (z.B. sog. Kalman-Filter), um die Messergebnisse zu verbessern. Obwohl ich auch Mathematiker bin (hoffentlich nicht :aufsmaul: ), erscheint mir diese Methode nicht elegant genug und wandert vorläufig einmal in den Mülleimer. Ich möchte es für meine Schüler und natürlich auch für mich so einfach wie möglich halten; dies hat ja einen besonderen Reiz... :P

3.) Mein theoretischer Ansatz war ein anderer und verwendet für die Bestimmung des aktuellen Winkels nur einen einzigen Beschleunigungsmesser. Mit diesem kann ich nun den Neigungswinkel phi auch bei beliebiger Beschleunigung a des Segway's ermitteln. Um zumindest die theoretische Brauchbarkeit meiner Herleitung zu überprüfen, habe ich mit Excel wieder einige Daten erstellt und überprüft. Dabei ergibt sich folgendes: Meine Herleitung liefert 2 Lösungsformeln. Die eine stimmt 100% für Beschleunigungen > 0 (segway beschleunigt also nach vorne), die andere für a < 0 (bremsen oder zurückfahren).
Mittels einfacher if-Bedingung müßte ich also im Arduino-Programm jeweils die richtige Formel verwenden. Dazu benötige ich aber eben die Beschleunigung a bzw. eigentlich nur ob a positiv oder negativ ist.

Positiv ist sie dann, wenn die an die Motoren gesandte Pulsweite des PWM-Signals zunimmt. Negativ genau dann, wenn die Pulsweite abnimmt. Nur zu fragen, fahre ich nach vorne oder nach hinten bringt hier nichts, denn ich kann ja nach vorne fahren und bremse ab. Dies würde ja auch eine negative Beschleunigung bedeuten. Dies dürfte aber Programmtechnisch auch nicht allzu schwierig sein. Ich frage einfach den letzten PWM-Wert (ist ja bei Arduino der Pseude-Analogausgang mit Werten von 0-512) und vergleiche ihn mit dem momentan auszugebenden. Ist die Differenz positiv --> a > 0 ---> Formel 1, sonst Formel 2.

Nachtrag: Die Beschleunigung a ist eigentlich immer negativ, wenn der Steigungswinkel phi positiv ist. Dies gilt für beide Bewegungsrichtungen! Fährt man nach vorne, bremst der Segway (a < 0) damit der Steigungswinkel abnimmt. Fährt man rückwärts, beschleunigt das Segway noch weiter nach hinten (also auch hier a <0) damit der Steugungswinkel abnimmt. Es gilt also der einfache Zusammenhang: phi > 0 ---> a < 0 und phi < 0 ---> a > 0. Dies würde sich programmtechnisch natürlich noch einfacher umsetzen als obige Überlegung mit der Zu/Abnahme der PWM-Werte. :omg:

Das angefügte Bild zeigt den mittels Formeln berechneten Neigungswinkel phi in Abhängigkeit von der Segway-Beschleunigung a, wenn gilt phi = 16°. Wie man sieht, ist die eine Formel für a > 0 immer richtig, die andere für a < 0. Man erkennt aber auch, dass die einfache Formel zur Berechnung von phi, welche nur die Erdbeschleunigung g berücksichtigt, mit zunehmenden bzw. abnehmenden a starke Fehler aufweist und keinesfalls mehr die 16° ergibt.

Selbst wenn ich mich (bzw. das Programm sich :tztz: ) bei der Ermittlung von a geringfügig irren sollte, wäre es laut Graph auch nicht so schlimm, da sich die "falsche" Kurve ja nur langsam von der richtigen entfernt. Und bei größeren bzw. kleineren a-Werten läßt sich das a dann wohl leichter richtig bestimmen...

Zwei Fragen habe ich aber auch noch (mußte ja kommen :aufsmaul: ): Als Motoren möchte ich zwei 24V/250W DC-Motoren aus China (in Elektroscooter verbaut) verwenden. Da ich mir aber keinen teuren Motortreiber kaufen möchte, soll eine von einem 7667-er angesteuerte Vollbrücke Verwendung finden (siehe Abbildung). Der 7667-er hat ja bei positiven Eingang 0 am Ausgang und umgekehrt. Diese wäre für selbstsperrende Mosfest, wie ich sie eigentlich bisher immer verwendet habe, nicht gerade günstig. Dies macht aber auch nichts, da ich dann halt das PWM-Signal "umdrehen" muss, d.h. Vollgas = kurze Pulse bzw. Langsam = lange Pulse. Programmtechnisch auch kein Problem. Oder soll ich auf selbstleitende umstellen?

So, meine eigentlichen Fragen:

a.) Paßt der Treiber so wie abgebildet, oder fehlt da noch irgend eine "Schutzmaßnahme" für die Mosfets durch vielleicht entstehende Spannungsspitzen beim schnellen Ein- und Ausschalten?

b.) Taugt dieser Mosfet (http://www.neuhold-elektronik.at/catsho ... ts_id=3744) für die H-Brücke oder soll die Spannungsfestigkeit noch höher liegen?

Und soll (kann) ich vier n-channel Typen wie abgebildet verwenden oder muss (soll) ich oben 2 p-channel Typen einbauen (bzgl. Potentialunterschied der beiden Gates...)?

Vielen Dank im voraus für eure Bemühungen und Hilfe, lg stoppi

P.S.: Erwartet aber bitte nicht, dass ich schon nächste Woche in der Gegend herumbrause. Vielleicht dann schon eher so, wie es der ehemalige Eigentümer von segway bei seiner letzten Ausfahrt gemacht hat... :mrgreen:


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Zuletzt geändert von stoppi am Di 27. Mär 2012, 18:56, insgesamt 1-mal geändert.

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BeitragVerfasst: Di 27. Mär 2012, 18:52 
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Ohne den gesamten Beitrag gelesen zu haben ein Kommentar zur H-Brücke: Das wird wohl kaum funktionieren. Abgesehen davon, dass, externe Freilaufdioden angebracht wären, werden die High-Side-MOSFETs jede Menge Leistung verheizen, da sie im Linearbetrieb arbeiten. Selbst bei 12V am Gate können sie nicht durchsteuern. An der Source sollen ja schon rd. 24V anliegen, die Spannung am Gate muss dann nochmals höher liegen. Du brauchst also zwei Halbbrücken- oder einen Vollbrückentreiber, andernfalls wird das nichts.

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BeitragVerfasst: Di 27. Mär 2012, 18:58 
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Hallo Hustensaft!

Danke für die Hinweise. Und wenn ich oben p-channel Mosfets verwende, ginge es dann so?

Oder ich könnte ja die 4 Mosfets über GDT's sekundärseitig jeweils einzeln ansteuern und primärseitig die beiden Ausgänge des 7667-er mit GND an den GDT anschließen?


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BeitragVerfasst: Di 27. Mär 2012, 19:18 
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Bei P-Channel-MOSFETs müsste die Spannung, die der Treiber liefert, gleich der sein, die an der Brücke anliegt, sonst würden die High-Side-MOSFETs immer leiten. Außerdem wird diese Lösung problematisch, da es durch die nicht unendlich steilen Flanken zu Zeitpunkten kommt, an denen sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-MOSFET leitet.
Über einen GDT wäre das prinzipiell möglich, allerdings bräuchtest du dann entweder einen größeren GDT, oder du müsstest die PWM-Frequenz sehr hoch setzen (was für die Effizienz ziemlich ungut wäre). Ein Dauer-An wäre unmöglich (wäre es mit Halb-/Vollbrückentreiber in Bootstrapschaltung allerdings auch).

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BeitragVerfasst: Di 27. Mär 2012, 19:26 
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Danke nochmals, hustensaft.

GDT war eine Schnapsidee, da ich ja kein schön periodisches Signal habe wie bei einem Teslatrafo (Schande über mich), sondern wie du richtig schreibst ja auch längere Perioden mit dauerhaft an oder aus...

Habe nun eine H-Brücke mit IRL540N und IRF9540 aufgebaut und an einen kleinen Motor bereits auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft; funktioniert :mrgreen: . Die beiden Hochlastwiderstände werden dann auch noch gegen ästhetischere gewechselt. Jetzt warte ich noch auf die beiden 250W-Motoren, den Beschleunigungsmesser usw., dann geht's weiter.


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BeitragVerfasst: Fr 30. Mär 2012, 19:44 
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Beiträge: 2999
hahahahaha... die Freilaufdiödchen .... :D Man könnte Arduinonutzern eine gewisse Lebensunfähigkeit abseits der dunkelblauen Fertigplatten attestieren :P

probiers mal mit Snubbern UND angemessenen (10-15A) FREDs.

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Zuletzt geändert von hboy007 am So 22. Apr 2012, 10:50, insgesamt 1-mal geändert.

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BeitragVerfasst: Fr 30. Mär 2012, 20:53 
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Spezialgebiet: Microcontroller, Linux, IT
WTF?? DAS Ding hält doch niemals den Strom aus, den ein ordentlicher Motor zieht. Alleine schon die Schraubklemme über der Motor steht. Wenn da der Motor dran soll... Die Platine ist vermutlich auch noch zu dünn verkabelt. Du solltest die Verkabelung mindestens mit 2mm Durchmesser wählen. Wenn die Motörchen mehr als 10A Ziehen sogar eher 3-4mm. So wie das aufgebaut ist, raucht das innerhalb von <10 Sekunden ab. Da ist nix mehr mit Schraubklemmen von dem Kaliber. Am besten alles direkt fest verlöten. Und wie hboy schon sagte: Die Freilaufdioden.. :facepalm: Die sollten schon den Strom des Motors aushalten. Wenn die Motoren PWMt werden sind die besonders stark belastet. Ich spreche diesbezüglich aus Erfahrung. Mir sind schon öfter unter dimensionierte "Freilaufdioden" gestorben. Zuletzt bei einem Gerät, dass einen Metallgegenstand bis 1kg über eine Distanz von ~1-3cm zu einem E-Magnet in der Schwebe hält. Da hat die 8A Freilaufdiode bei ~90% PWM-Verhältniss gebrannt. Bevor du das Ding anschließt musst du auf jeden Fall alle diese Tipps umsetzen. Sonst verbrennst du nur unnötig Geld.

mfg, NanoTessIII

Edit: Hab gerade gesehen, dass die Motörchen 24V brauchen. Dann reichen ja schon 1mm Kupfer. Und schnelle 12A Freilaufdioden.

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Die letzten Worte des Elektrikers:
Tausendmal berührt, tausendmal ist nix passiert *brzz* :tesla:


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BeitragVerfasst: Sa 31. Mär 2012, 16:41 
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Beiträge: 835
Hallo!

Danke für eure Hinweise. Meine "Freilaufdiödchen" habe ich ja auch nur zum Testen für einen kleinen 5W-Probemotor. Da kommen dann schon richtig dimensionierte drauf. Die Schraubklemme für den Motor wechsle ich dann natürlich auch. Unter der Platine habe ich die Leiterbahnen doppelt gezogen und dann noch verbunden. Das dürfte wohl für die max. 10A reichen. Die erhalte ich aber wohl eh nur in den seltensten Fällen, da ich ja die Motoren bei einer Neigung des Segways nicht gleich voll ansteuere sondern den Winkel abfrage und wenn dieser ungleich 0 ist, die PWM der Motoren um einen bestimmten Schritt solange erhöhe, bis phi = 0 gilt. Also werde ich wohl nur ganz selten die Motoren mit voller Leistung betreiben.

Aber trotzdem wirklich Danke für eure Hilfe, die ich wohl noch öfters bei der Umsetzung dieser Idee in Anspruch nehmen werde (muss :roll: ).


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BeitragVerfasst: So 1. Apr 2012, 20:07 
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Registriert: Mi 25. Okt 2006, 00:01
Beiträge: 1875
Wohnort: Südniedersachen
Hab da noch so einen schönen Drehzahlregler für Elektrofahrzeuge rumliegen, aber mit einem
1,6kW Motor in einem Segway drehste beim Anfahren bestimmt erstmal ein paar Salti :D

(edit: viewtopic.php?f=11&t=1618&start=4650#p169555)

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Liebe Kinder, das Christkind hat eure Fotos und Posts auf Facebook gesehen - darum bekommt ihr dieses Jahr ein Wörterbuch und was zum Anziehen!


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BeitragVerfasst: Do 12. Apr 2012, 20:54 
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Beiträge: 835
Sodale, heute habe ich die beiden 24V/250W Motoren und den Beschleunigungsmesser bekommen. Leider ist mein Arduino-Atmel abgeraucht und die Ersatz-IC's funktionieren trotz Bootloader nicht. Muss jetzt auf meinen 2-ten Arduino warten, damit ich die die ATmegas mit dem bootloader neu beschreiben kann. Es geht aber auf alle Fälle weiter, denn ich kann es nicht erwarten, aufgrund eines Programmierfehlers bei 20 km/h nach vorne oder hinten katapultiert zu werden. Und viel schlimmer als dem ehemaligen Segway-Chef kann's mir dabei auch nicht ergehen... :roll:


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BeitragVerfasst: So 22. Apr 2012, 09:57 
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Sodale, Laufräder sind diese Woche angekommen und so nebenbei beschäftige ich mich mit der Software. Der Beschleunigungssensor liefert recht ´"unruhige" Werte, sodaß ich auch noch auf einen Gyrosensor zurückgreifen muss. Dieser ist bereits bestellt und kommt wohl nächste Woche.

Zur Software: Während der Beschleunigungen habe ich verschiedene Winkel-Messwerte (der ADXL335 liefert mir im Moment auf 3 verschiedene Arten ermittelte Winkel), wenn a aber im Bereich von 0 liegt, stimmen diese drei Winkelwerte (fast) überein und ich weiß, dass es sich nun um richtige Werte handelt. Meine weitere Vorgangsweise wird sein: Zwischen den Zeitpunkten richtiger ADXL335-Winkelwerte werde ich mit dem Gyrosensor die Winkel bestimmen und dann immer den Gyrosensor mit den richtigen Winkelwerten vom Beschleunigungssensor neu kalibrieren. Ich bekomme bei "wilden" Bewegungen etwa jede Sekunde richtige Winkelwerte. Ich hoffe, dass in dieser Zeitspanne der Gyrowinkel nicht zu sehr abdriftet. Aber eine wirklich spannende Geschichte, da man den Programmcode dann auch wirklich ganz praktisch nutzt...

Bis bald, stoppi


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BeitragVerfasst: So 22. Apr 2012, 11:14 
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Beiträge: 2999
stoppi hat geschrieben:
Der Beschleunigungssensor liefert recht ´"unruhige" Werte


hast du gedacht es ginge ohne DSP?
Nimm die Werte der letzten 50ms und bestimmte durch lineare Regression den Momentanwert neu


achja, man verlagert dennoch die Bauteile an eine Kante der Platine oder stellt sie in Reihen auf, nicht kunterbunt, wie sie eben im Layout stehen. (edit: du hast es ja oben schon so gemacht gehabt!)

Angenommen du müsstest aktiv kühlen, wo würdest du bei deinem ... design ... den Lüfter anbringen? ;-) (*)

Im Zweifelsfalle kannst du noch immer die Standkühlkörper aus ATX SNTs herausklauen.


(*) Not sure where to blow? Blow everywhere!

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Zuletzt geändert von hboy007 am So 22. Apr 2012, 12:25, insgesamt 2-mal geändert.

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BeitragVerfasst: So 22. Apr 2012, 11:29 
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Registriert: Do 24. Feb 2011, 17:30
Beiträge: 184
Wohnort: Rheinland Pfalz
Sehr cooloes Projekt!
Allerdings solltest du bei den Reifen die Kugellager austauschen , das sind nämlich Pocketdirtbike-reifen und das sind mir die Lager auch nach 2 mal fahren verreckt :cry:
Sind halt china-dinger :?
Viel Glück noch bei dem Teil!

Gruß

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"Die andere Seite dunkel sein"
Halt die Klappe Yoda und iss deinen Toast!.


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BeitragVerfasst: So 22. Apr 2012, 11:31 
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Registriert: Fr 28. Nov 2008, 20:55
Beiträge: 1309
Wohnort: Dresden

Spezialgebiet: Mikrocontroller und Co
Schule/Uni/Arbeit: TU Dresden
Ohne Gyro geht das eher nicht...
Das Ganze ist auch nicht so ganz einfach, da auch ein Gyro einen Drift hat, das einfachste (wenn man nicht unbedingt sich mit der Mathematik des Kalmann-Filters beschäftigen will) ist wohl das verwenden eines komplementärfilter zur "Bereinigung" der Ausgangsdaten von Gyro und Beschleunigungssensor. Google weiß sehr voel dadrüber (oft im Zusammenhang Quadrocopter).

MFG

_________________
Meine NEUE WEBSEITE: (Programmieren, E-Tech. und Co): http://fthiessen.de
Mein Linux-Projekt: http://ossc.bplaced.de


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BeitragVerfasst: So 22. Apr 2012, 17:27 
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Registriert: Mo 29. Mär 2010, 21:39
Beiträge: 835
Hallo!

Danke einmal für eure Hinweise und Anregungen. Das Design der Halbbrücke werde ich wohl nochmals überdenken; bin selbst absolut nicht glücklich damit nur habe ich den vier Freilaufdioden auch noch einen Kühlkörper spendieren wollen. Habe ja im Moment noch keine Ahnung, wie heiß sie im Betrieb werden.

Zur Software: Also den Beschleunigungsmesser nach der simplen Formel phi = asin(a_x/g) oder phi = atan(a_x/a_z) zu verwenden, funktioniert ja überhaupt nicht, denn diese Formeln berücksichtigen die Beschleunigung des segways ja nicht. Wenn ich den Beschleunigungssensor ruhig halte bzw. nur langsam drehe, passen die Werte wieder einigermaßen bzw. recht gut nur weiß der Sensor ja nicht, wann seine Werte gut bzw. schlecht sind...

Deshalb habe ich ja auch einige Beziehungen basierend auf den Beschleunigungssensordaten hergeleitet, welche mir rein theoretisch den Neigungswinkel für positive Beschleunigungen bzw. negative Beschleunigungen des segways "exakt" ausgeben. Das Problem hierbei ist aber, dass ich ja auch erst ermitteln muss, ob die Beschleunigung eben > 0 oder < 0 ist und dann die richtige Formel wählen. Dies könnte ich wie schon oben erwähnt über Abfrage der "letzten" Motorspannungen herausfiltern. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin den Neigungswinkel abzufragen. Ist dieser z.B. positiv, so muss das Segway negativ beschleunigen und ich weiß, welche Formel ich verwenden muss. Bei negativen Neigungswinkel werden die Motoren aber so angesteuert, dass a > 0 ist und nun verwende ich die andere Formel.

Dies ist mir aber im Moment noch etwas zu unsicher, da ich ja immer Winkel als Ausgangsbasis benötige, für deren Berechnung ich ja noch keinen Anhaltspunkt für a habe. Also ist das Ganze eine etwas schwammige Angelegenheit.

Deshalb meine letzte Idee, die 3 vom ADXL335 extrahierten Winkelwerte zu vergleichen und wenn sich diese ähneln, weiß ich dass a = ca. 0 und demnach stimmen alle 3 Formeln bzw. auch die ganz einfache mit dem asin bzw. atan. Dazwischen muss ich mich halt mit den Gyrowerten "drüberretten", was hoffentlich gelingt.

Also zusammenfassend: die richtigen Winkelwerte des Beschleunigungsmessers bilden die Eckpunkte der Berechnungen, dazwischen werden die Gyrowerte verwendet.

Ich halte euch aber am Laufenden, bis dann stoppi

P.S.: Ja ja, die Kugellager. Eines habe ich schon gegen ein SKF-Lager austauschen müssen, da es schon im "Neuzustand" derart rauh lief... Aber ich sag' mal so: Für einen bestimmten Preis kann man halt nicht Qualitätsware a la "Made in Germany" erwarten ;)


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