Sensordata integreren in een Raspberry Pi: Een praktische gids

Samenvatting

Leer hoe u data van een GPS-module en een MPU-9150 IMU op een Raspberry Pi kunt verbinden en uitlezen via I²C- en UART-interfaces, en de informatie in realtime verwerkt voor autonome navigatie.

Trefwoorden: I2C-communicatie, UART-communicatie, Adafruit Ultimate GPS Breakout, Sparkfun MPU-9150 Breakout, Raspberry Pi Setup

Inleiding

Sensor-data-acquisitie is de ruggengraat van elk digitaal besturingssysteem. Wanneer een embedded controller deze inputs verwerkt, wordt de keuze van de communicatieinterface kritiek. Voor een robotnavigatieproject zijn continue GPS-locatie-updates en accurate koersmetingen essentieel. Deze tutorial demonstreert hoe u een GPS-module en een magnetometer aan een Raspberry Pi kabelt, de data extern bekijkt en integreert in besturingssoftware.

Doel

Deze geavanceerde tutorial veronderstelt bekendheid met Raspbian en basis bash-commando's. Het begeleidt u door het uitlezen van accelerometer- en GPS-data via de seriële interfaces van de Pi, het bedraden van de sensoren en het configureren van de benodigde hardware-drivers.

Informatie

Hardware

• Sparkfun 9-Degrees-of-Freedom Breakout (MPU-9150)
• Adafruit Ultimate GPS Breakout

De MPU-9150 is een multi-chip-module die een MPU-6050 (3-as gyroscoop & accelerometer) en een AK8975 digitale kompas combineert. Het wordt wijd gebruikt in smartphones en tablets vanwege zijn lage stroomverbruik en hoge prestaties.

De Adafruit Ultimate GPS is gebouwd rond een MTK3339-chip, met een 10 Hz-updaterate, 22-satelliet-tracking en een externe antennepoort. De rode LED geeft signaalstatus aan: 1 Hz tijdens zoeken en 15-seconde knipperingen wanneer een fix bereikt is.

Communicatiestandaarden

I²C gebruikt twee bidirectionele lijnen (SDA & SCL) om een master (de Pi) met meerdere slaves te verbinden, elk met een uniek adres.

UART transmiteert data asynchroon in 5–8-bit frames op een door de programmeur gedefinieerde baudrate, met afzonderlijke TxD- en RxD-lijnen.

Onderdelenlijst

• Raspberry Pi
• Voeding
• Wi-Fi-dongle
• Sparkfun MPU-9150 breakout
• Adafruit Ultimate GPS breakout
• USB-naar-TTL-adapter (optioneel)
• Breadboard
• M-naar-F jumper wires

Aannames

• Internettoegang is beschikbaar.
• Raspbian is geïnstalleerd en ingesteld op desktop-modus.
• Een muis, toetsenbord en HDMI-monitor zijn aangesloten.

Procedures

1. Identificeer de GPIO-pins van de Pi: UART gebruikt GPIO 14 (Tx) & 15 (Rx); I²C gebruikt GPIO 2 (SDA) & 3 (SCL).
2. GPS bedraden: Verbind de GPS's Tx met Pi's Rx, Rx met Pi's Tx, voorzie 3,3 V of 5 V aan Vin, en verbind GND met de ground van de Pi.
3. MPU-9150 bedraden: Verbind Vcc met 3,3 V, GND met ground, SDA met GPIO 2, en SCL met GPIO 3.
4. I²C op de Pi inschakelen:
   • Voer sudo apt-get update && sudo apt-get install i2c-tools libi2c-dev uit.
   • Installeer WiringPi: git clone git://git.drogon.net/wiringPi && cd wiringPi && sudo nano /etc/modules en voeg snd-bcm2835, i2c-bcm2708, i2c-dev toe.
   • Bewerk /boot/config.txt om dtparam=i2c1=on en dtparam=i2c_arm=on toe te voegen, herstart daarna.
5. MPU-6050 demo installeren:
   • Kloon git://github.com/richardghirst/PiBits.git, navigeer naar MPU6050-Pi-Demo, installeer libgtkmm-3.0-dev.
   • Bewerk I2Cdev.cpp en setup-i2c.sh om /dev/i2c-0 te vervangen door /dev/i2c-1.
   • Compileer met make, voer ./setup-i2c.sh uit, verifieer met sudo i2cdetect -y 1.
   • Voer de demo uit met ./demo_raw om ruwe gyro- en accelerometerdata te bekijken.
6. GPS-data-acquisitie instellen:
   • Adafruit's GPS Daemon-gids is een startpunt, maar voor custom handling gebruiken we de open-source libgps-bibliotheek.
   • Kloon git://github.com/wdalmut/libgps.git, compileer met make && sudo make install.
   • Test met het meegeleverde position_logger.c voorbeeld: compileer via gcc -o position_logger position_logger.c -lgps -lm en voer ./position_logger uit. Wanneer een fix verkregen is, print latitude en longitude in decimale graden.

Conclusie

Deze tutorial dekte de hardware-bedrading, het inschakelen van communicatieprotocollen en de basissoftware-setup voor twee gangbare sensoren op een Raspberry Pi. Hoewel de voorbeelden zich richten op dataweergave, strekken dezelfde principes zich uit naar het integreren van sensoroutputs in geavanceerde navigatie- of besturingsalgoritmes. Beheersing van elke sensorbibliotheek en een solide greep op C/C++-ontwikkeling zullen complexere, realtime sensorfusie mogelijk maken.

Referenties

• Kevin Townsend. Adafruit Ultimate GPS on the Raspberry Pi, 15 juli 2014.
• Walter Dal Mut. UART NMEA GPS library for Raspberry Pi, 08 sept 2014.
• InvenSense. MPU-9150 Datasheet, 18 sept 2013.