實驗--使用 MPU6050 與 arduino nano 製作球型感測器
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:::info
這實驗來自於 **成大資訊 訊號與系統** ，由 `蘇文鈺` 老師發想
並且由修課學生 `李東霖`,`張文瑋`,`江家銘`,`趙韓信` 共同製作
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## 目的

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期望可以測量 球的速度、轉速與角度
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## 器材

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- Arduino Nano
- GY-521 (MPU6050) 六軸感測器(三軸加速度 + 三軸角速度)
- HC05 藍芽模組 (可替換成 HC06)
- 麵包版
- 9V 電池
- 9V 電池座
- 9V 轉 5V 穩壓晶片
- 透明球殼 (可參考[這裡](https://shopee.tw/%E9%80%8F%E6%98%8E%E7%90%83-%E5%A3%93%E5%85%8B%E5%8A%9B%E9%80%8F%E6%98%8E%E5%A1%91%E8%86%A0%E7%90%83%E6%AE%BC-%E6%B0%B8%E7%94%9F%E8%8A%B1-%E7%99%82%E7%99%92%E5%95%86%E5%93%81-%E6%89%8B%E4%BD%9C-8cm-10cm-12cm%E8%B3%A3%E5%A0%B4-i.14278942.269943438))
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## 使用軟體

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- Arduino IDE
- Process IDE

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詳細程式碼在 [github](https://github.com/csielee/2017SignalSystem_Team3_SmartBall)
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## 實驗過程

### 硬體接線圖


### 如何重現實驗

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1. 先將 ardunio code 燒進 Arduino Nano
記得在 ardunio IDE 上選擇燒錄對象是 Nano
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2. 將藍芽模組使用 AC指令 進行設定，將 baud rate 設定成 115200
如果想要更改名稱或配對密碼都可以，要確保之後電腦能夠正確連上藍芽模組並工作
這部份如果遇到困難，可以先用 USB 進行 serial 傳輸
另外不附上操作教學，是因為各個相同型號模組在操作上有所不同，請上網搜尋或詢問賣方
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3. 將硬體進行接線，因為怕圖不夠清楚，用文字加以敘述

| | |
|:--------:|:--------:|
| Nano TX1 | 藍芽模組 RX |
| Nano RX0 |藍芽模組 TX |
|Nano 5V | 藍芽模組 Vcc |
|Nano A4 | GY521 SDA |
|Nano A5 | GY521 SCL |
|Nano pin 2 | GY521 INT |
|Nano Vin | GY521 VCC + 穩壓晶片 Vout |
|Nano Gnd | GY521 Gnd + 藍芽模組 Gnd + 穩壓晶片 Gnd |

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4. 最後在電腦上連接藍芽並檢查是否有 serial 的傳輸訊號
可以使用 ardunio 本身附帶的序列埠監控畫面，先選取正確的序列埠
使用裝置管理員看藍芽連上後是哪一個 COM

5. 執行 Process 程式，運用方向左右鍵選取顯示模式
顯示模式有

A. **加速度&速度**

B. **角度**

C. **角速度&轉速**

可點擊滑鼠左鍵，重置數值
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:::danger
如果執行 Process 出現問題，請檢查程式是否有連接到正確的 COM
或是那個 COM 正在被使用的話，執行也會出現問題
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## 實驗數據與結果

* 角速度測量:
**測量方式：**
將事先量好為0.5公尺的繩子綁在球體頂端，並利用圓周運動原理可以輕易算出球到達底端理論值的角速度，再與實際測量數據做比較。
**利用簡易物理公式可以推得理論角速度：**
$$mgL = {1\over2}*mv^2------1$$
$$F_c = {mv^2 \over L} = mLw^2------2$$
將1式代入2式可以求得角速度為：
$$w = \sqrt{2g \over L}$$
因此以半徑0.5m之繩子綁著球做此運動可以算出理論底端之角速度為 6.26 rad/s = 358.729 ^o^/s。
＊利用角速度也可推得球體的切線速度：
$$v=Lw$$
理論速度為：3.1305 m/s

十次實驗得到數據：

| 次數 | 得到數據(^o^/s) | 次數| 得到數據 |推算速度(m/s)|
|:------:|:--------:|:------:|:-------:|:-:|
| 1 | 374.44 | 6 | 337.04|2.9412
| 2 | 353.77 | 7 | 404.42|3.5292
| 3 | 407.38 | 8 | 415.21|3.6233
| 4 | 438.50 | 9 | 473.32|4.1304
| 5 | 421.16 | 10| 391.12|3.4131
|平均|401.639|誤差|42.91

:::warning
誤差推測：藍芽傳輸速率為0.1秒傳送一筆資料，推測在實驗過程可能會每次記錄到的位置差異有點大，因此我們試著多做幾次實驗來減少誤差。
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* 速度測量：
由於上次的實驗並未利用藍芽模組將數據傳出，因此這次我們補充上一次的實驗。
**測量方式：**
繼續沿用上個實驗0.5公尺的繩子，將球自由落體0.5公尺，可以算出理論值速度，再與得到的數據做比較。
$$V^2 = V_0^2 + 2gS$$
$$V = \sqrt{2gS}$$
理論速度為：3.1305 m/s

十次實驗得到數據：
| 次數 | 得到數據(m/s) | 次數| 得到數據(m/s) |
|:------:|:--------:|:------:|:-------:|
| 1 | 1.082 | 6 | 1.180|
| 2 | 0.999 | 7 | 1.100|
| 3 | 1.094 | 8 | 1.160|
| 4 | 1.060 | 9 | 1.082|
| 5 | 1.188 | 10| 1.041|
|平均|1.0986|誤差|-2.0319

:::warning
誤差推測：由於得到的結果與理論值誤差過大，因此我們推斷是因為藍芽傳送速率的關係，由於每0.1秒傳送一筆資料，若用加速度積分取速度會少計算到許多資料。
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## 參考資料

[訊號與系統第3組 hackmd](https://hackmd.io/s/rJ1fTlNce)