【加速度センサー入門】第４回～自由落下(Free Fall) 機能を使ってみよう～ - 半導体事業

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【加速度センサー入門】シリーズでは、アナログ・デバイセズ社の加速度センサーを中心に、基本的な使い方や応用方法を解説します。前回の記事では、加速度センサー「ADXL345」と「Arduino」を使い「FIFO機能」の使い方を紹介しました。今回は、ADXL345に搭載されている「自由落下(Free Fall)機能」を解説したいと思います。

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自由落下(Free Fall) 機能について

自由落下とは

「自由落下(Free Fall)」は、物体が空気の摩擦や抵抗などの影響を受けずに、重力の働きだけによって落下する現象です。落下時に発生した回転運動、空気抵抗などを無視すると加速度センサーでは、自由落下の際には慣性力がつりあう現象が生じるため加速度が「0」の状態になります。

自由落下は遊園地のフリーフォール（ゴンドラ）で体験することができます。落下中に体が宙に浮くような感覚を感じたことがあると思われます。これが慣性力がつりあう現象の「自由落下」となります。

加速度センサーは静止状態において地面方向に重力加速度の1Ｇが加わっていますが、自由落下中は加速度が「0」になるという特性を応用し、様々なアプリケーションに活用されています。

パソコンを落としてしまった際のハードディスクの保護の用途、人が転倒した際の転倒検知の用途などに応用されています。また最近ではドローンが空中で故障した際の落下検出に応用され、パラシュートの起動スイッチに使用されていると聞いたことがあります。

ADXL345の自由落下(FreeFall)機能について

加速度データを取得してみようで作成したプログラムを活用し、自由落下時の加速度データを取得してみました。机の上から約30cm離れたところで手で支えている際は重力加速度の1Gがみえていますが、手を放した後から机の上に到達するまでの自由落下中は下図の通り約0Ｇとなることが確認できます。

自由落下検出に関しては、加速度実効値の「0Ｇ検出範囲」と「その検出期間」を判断することでホストプロセッサー側でアルゴリズムを組むことも可能です。しかし、ADXL345は自由落下機能を搭載しているのでHostプロセッサーは加速度データからの自由落下検出アルゴリズムを組む必要がありません。この機能によりホストプロセッサーのリソースを減らすことやアルゴリズムを作る手間が省けます。自由落下機能は割り込み機能のひとつです。加速度センサーの割込み機能を使ってみようで割り込み機能の解説をしていますので併せてご確認ください。

自由落下機能を使ってみよう

加速度センサーADXL345 とハードウェアのオープンプラットフォームであるArduinoを使い「自由落下(FreeFall)機能」のプログラムを作成していきます。

準備するもの

今回、加速度センサーを評価するうえで準備したものはこちらです。

・Arduino IDE がインストール済みの PC (Arduino IDE のダウンロードはこちらから)

・USB ケーブル (Arduino と PC 接続用)

・Arduino Nano 互換品ボード

・加速度センサー ADXL345

・ブレッドボードとワイヤー

上記の部品を組み合わせて、下図のように回路を組んでいきます。Arduino Nano への電源は、PC からの USB バスパワーで供給します。ADXL345は、SPI インターフェースとI2C インターフェースに対応していますが、今回はI2C インターフェースを使用します。

プログラムの内容

プロブラムの内容は下記となります。レジスタの詳細についてはデータシートをご確認ください。

①自由落下とみなす加速度閾値・自由落下継続時間の設定を行う
②自由落下割り込みの設定を行う
③自由落下割り込みを有効にしている場合、割り込み端子(INTピン）、割り込みステータスレジスタのINT_SOURCEレジスタに結果が反映される
④自由落下を検出した場合にArduinoのコンソール上に「Free Fall Detected]と表示をさせる

まず自由落下機能を使うためには、自由落下とみなす加速度閾値と継続時間の設定を決める必要があります。

・加速度閾値はTHRESH_FFレジスタ(アドレス:0x28)で設定します。自由落下時に回転運動なども加わる可能性があるため少し余裕をもたせます。データシートの推奨値は300ｍｇ～600ｍｇとなります。

・継続時間はTIME_FFレジスタ(アドレス:0x29)で設定します。継続時間は想定される落下時間と加速度センサーのサンプリングレート(ODR)により検討します。データシートの推奨値は100ｍｓ～350ｍsとなります。

今回はTHRESH_FF=0x07(450mg), TIME_FF=0x14(100msec)に設定しました。なお、ODR=100Hz(10msec)なので10サンプル分のデータが連続して閾値内に入っている場合に自由落下検出となります。

次に、割り込み機能を有効にするために INT_ENABLEレジスタ（アドレス0：０x2E)の FREE_FALLビットのBIT[2]="1" に設定します。

最後に、割り込み検出後にはArduinoのシリアルコンソール上の"Free Fall Detected"のメッセージを出力させます。

Arduino IDE で作成したプロジェクトファイルはダウンロードできますので、ご興味のある方は下記「資料ダウンロード」より入手ください。

動作確認

作成したプログラムを使って動作確認をしてみます。加速度センサーを落下させるとＡrduinoのシリアルコンソールに"Free Fall Detected"が表示され自由落下が正常に検出されたことが確認できました。また、加速度センサーを振った時の動き（シェイク動作）において自由落下を誤検知しないかの確認もしてみました。動作確認の様子を動画にしましたので是非ご確認ください。