静的加速度と動的加速度

MEMS加速度センサーは一般的にDC(直流成分)の加速度を検出することが可能です。地球上には重力加速度が働いているため1[g]の加速度を検出することができます。下の図は加速度センサーを平らな机の上に置いた際の加速度波形を測定したものです。Ｚ軸は重力方向と垂直のため１ｇの加速度が時間軸にたいして一定となっていることが確認できます。重力加速度のような時間変化に対して常に一定の値をだすＤＣ成分の加速度を静的加速度、一方、モーションや振動などの動作に生じる加速度は、時間により変化する加速度となり動的加速度と呼ばれます。動的加速度を検出するモーション検知を実装したい場合、加速度の閾値設定が重要になってきます。しかし、重力加速度のDC成分がオフセットとなるため、取り除く必要が出てくるケースがあります。

ハイパスフィルターの実装

図のような重力加速度のようなDC成分を取り除き、動的な加速度を取得する方法としてハイパスフィルターがあります。アナログ出力タイプの加速度センサーの場合、AD変換前に、コンデンサーと抵抗でハイパスフィルターを組むことができます。今回は、 使用するADXL345はデジタル出力なので、ハイパスフィルターの機能はマイコンなどのホストプロセッサー側に入れる必要があります。

準備するもの

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「重力加速度を除去する」サンプルプログラムを作成していきます。

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)

・Arduino Nano 互換品ボード 

・加速度センサー ADXL345 

・その他（USB ケーブル (Arduino と PC 接続用)、ブレッドボード、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

ハイパスフィルターは簡易的な方法で実装します。プログラムの流れは、一定周期で加速度データを取得します。その後取得した前の状態のデータを保持し、現在のデータとの差分をとることで重力加速度の成分を取り除きます。今回はAndroidの開発ガイドに記載のある方法で実装しました。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で動作確認をしてみます。動画ではわかりやすくするためにArduinoIDEのシリアルプロッタ―上にZ軸のみを使用しています。また、比較のため重力加速度の除去前と除去後のデータを表示しました。簡易的なフィルタですが、重力加速度が取り除かれていることが確認できました。しかし、起動時の応答性、加速度の変化がゆっくりとした動きに対しては振幅が小さくなるなどの制限があるため、フィルタの調整が必要になるケースがでてくるかもしれません。しかしながら、シンプルな実装で重力加速度を取り除くことができましたので今後のモーション検知の使い方で活用してみたいと思います。

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