Компас QMC5883L: курс и стороны света по I2C

Робот, который должен был ехать строго на юг к зарядной станции, первые выезды делал с точностью до наоборот. Виноват был не мотор, а компас: модуль GY-271 с рынка, библиотека для HMC5883L — и вечно нули в ответе. Разбор занял два вечера и одной фразой в даташите: на одинаковых с виду модулях стоят разные чипы, и библиотеки у них не взаимозаменяемые.

В этом уроке разведём эти два чипа по именам, настроим QMC5883L на непрерывную работу, вытащим магнитные проекции X и Y, соберём из них курс в градусах и нарисуем на LCD стрелку со сторонами света. По пути разберём калибровку поворотом на 360 градусов, магнитное склонение и почему компас нельзя ставить вплотную к мотору. Всё по голому Wire — как и датчик движения из прошлых уроков, компас живёт на общих A4 и A5 и делит шину с чем угодно.

Зачем это в самоделках? Флюгер, который пишет в лог, откуда дует ветер, робот, возвращающийся к базе не по памяти о траектории, а по честному курсу, солнечная панель, поворачивающаяся на юг. Во всех трёх случаях на шину вешается один маленький магнитометр, и двадцать строк кода превращают его в стрелку. Единственная непривычная часть — то, что компас меряет не ваши намерения, а реальное магнитное поле, включая всё железо вокруг; с этим и будем разбираться.

Первое, что я делаю с новым компасом, — спрашиваю его имя сканером I2C-адресов: ответ 0x0D — это QMC5883L, ответ 0x1E — оригинальный HMC5883L. Дальше конфигурация двумя записями: в регистр 0x09 кладём 0x1D — чувствительность на максимуме, диапазон 8 Гаусс, опрос 200 раз в секунду, режим непрерывный; в регистр 0x0B — единицу, так требует даташит для периодического сброса магнитных доменов. Без второй записи курс медленно плывёт — я проверял на своём флюгере, час работы стоил пять градусов вранья.

Данные лежат с 0x00 по 0x05 — по три оси, и порядок байтов обратный к MPU6050: младший байт первый. Читаем Wire.read() | (Wire.read() << 8) — и не наоборот. Я однажды перепутал и получал курс с зеркалом по диагонали: повороты на восток читались как повороты на юг. Для курса хватает четырёх байтов — X и Y; ось Z нужна только с наклонной поправкой.

Пара слов про режимы из старшего полубайта конфигурации: OSR 512 ужимает шум, но требует больше времени на замер, OSR 128 шумнее — зато бодрее. Частота опроса 200 Гц нужна только быстро вращающимся штукам; флюгеру хватает десяти, а батарейный проект на 200 Гц высадит аккумулятор в считанные дни. Для медленной самоделки я ставлю 0x01 вместо 0x1D — те же оси, опрос раз в сотую секунды, ток падает во много раз.

Если датчик молчит, а сканер не видит 0x0D — проверьте питание: модуль трёхвольтовый, на платах с 5 В должен стоять стабилизатор, и на дешёвых клонах его иногда забывают. А про саму шину — два провода, подтяжки, борьбу с длинными линиями — я подробно писал в уроке про два провода на все устройства.

Курс вылезает из горизонтальных проекций магнитного поля: heading = atan2(my, mx) * 57.2958, а если число вышло отрицательным — прибавляем 360 и получаем честные 0-359. Ноль — север, 90 — восток, 180 — юг. atan2 здесь не украшение, а необходимость: на диагоналях оба плеча могут быть любыми, и деление в лоб рвётся на нулях — тот же аргумент, что и с углом наклона из акселерометра.

Сырой курс — магнитный, а на картах географический: между ними магнитное склонение, в средней полосе России порядка восьми-одиннадцати градусов к востоку, и оно медленно меняется год от года. Для флюгера разница неважна, для похода на азимут — уже важна. Точное значение для своего города берите из свежих геофизических таблиц, а не из старых гайдов десятилетней давности.

Третья поправка — наклон. Стоит поднять край платы на десяток градусов, и часть поля переливается из горизонтальных осей в вертикальную, курс уезжает на десятки градусов. Полное лечение — измерять наклон акселерометром и выправлять оси: такой угол мы только что собирали в уроке про наклон из MPU6050. Дешёвая профилактика — держать плату горизонтально: лежащий компас честен.

Как проверить собранный курс, не выходя из комнаты, — моё любимое: телефон. Любое приложение-компас показывает магнитный курс, и его отклонение от вашего на два-три градуса — норма, на десять — ищите железо рядом или калибруйте заново. Телефон, правда, сам компенсирует наклон, поэтому сверяться нужно с платой, лежащей на столе, а не висящей в воздухе.

Для человека градусы — мусор, сторона света — еда. Восемь секторов по 45 градусов решают вопрос цепочкой if: от 22,5 до 67,5 — северо-восток, от 67,5 до 112,5 — восток и так по кругу; сектор севера живёт с двух концов диапазона, потому что круг замыкается через ноль. На LCD печатаю латиницей — N, NE, E: в знакогенераторе HD44780 кириллицы нет, а самодельные шрифты — отдельное развлечение, разобранное в уроке про кириллицу на LCD.

Стрелку рисую символами: уголок-«стрелочка» поворачивается вместе с сектором, либо печатается само название — как в симуляторе этого урока. Если хочется плавной стрелки, курс с экрана перекладывается в угол сервопривода один в один; а подключение самого экрана по I2C я показывал в уроке про первый текст на LCD1602 — компас и дисплей мирно делят одну шину, у каждого свой адрес. Только помните: 16 столбцов LCD — это пять символов на курс и шесть на сектор, печатайте без хвостов и затирите пробелами остаток прошлой строки, иначе получите то самое призрачное «NW», которое на самом деле «N» от прошлого поворота.

В панели I2C видно весь сеанс: две записи конфигурации в 0x09 и 0x0B, затем постоянные запросы по четыре байта с регистра 0x00. Сектора и курс на LCD обновляются раз в триста миллисекунд — быстрее не нужно, флюгер направление не меняет чаще. Три задачи на закрепление: впишите своё магнитное склонение строкой heading = heading + 10; снизьте опрос с 200 до 10 Гц, заменив 0x1D на 0x01, — для батарейного флюгера это правильный режим; замените печать сектора стрелкой-символом из if-цепочки — на HD44780 отлично живут символы и латиница. А когда решите убрать delay() из батарейного флюгера и опрашивать компас по таймеру — урок про millis вместо delay покажет, как это делается без ломки логики.

И практическое напутствие: компас — датчик с характером, он верит в магнитное поле земли, а не в ваши ожидания. Калибруйте там, где он будет работать, держите подальше от моторов и не ставьте его вертикально без наклонной поправки — и тогда двадцать строк кода дают курс, который не стыдно показать на экране.