Construye una Brújula Digital en Tiempo Real con Arduino y Processing

En este proyecto de Arduino veremos cómo podemos hacer esta brújula de aspecto genial usando un Arduino, un magnetómetro MEMS y el IDE de Processing. Aquí tienes un vídeo de demostración de la brújula:

Visión General

Todo lo que necesitamos para este proyecto es un magnetómetro MEMS, para medir el campo magnético terrestre, una placa Arduino y algunos cables jumper. Como ejemplo usaré el HMC5883L, un magnetómetro de 3 ejes integrado en la placa breakout GY-80.

Cómo Funciona la Brújula

Parte Arduino

Primero necesitamos obtener los datos del sensor usando la placa Arduino a través del protocolo I2C. Luego, usando los valores del eje X y eje Y del sensor, calcularemos el rumbo y enviaremos su valor al IDE de Processing a través del puerto serie. El siguiente código hará ese trabajo:

/* Brújula Arduino
 *
 * por Dejan Nedelkovski,
 * www.HowToMechatronics.com
 * */
 #include <Wire.h> //Librería I2C Arduino
 #define Magnetometer_mX0 0x03
 #define Magnetometer_mX1 0x04
 #define Magnetometer_mZ0 0x05
 #define Magnetometer_mZ1 0x06
 #define Magnetometer_mY0 0x07
 #define Magnetometer_mY1 0x08
 int mX0, mX1, mX_out;
 int mY0, mY1, mY_out;
 int mZ0, mZ1, mZ_out;
 float heading, headingDegrees, headingFiltered, declination;
 float Xm,Ym,Zm;
 #define Magnetometer 0x1E //Dirección I2C 7bit de HMC5883
 void setup(){
 // Inicializar comunicaciones Serial e I2C
 Serial.begin(115200);
 Wire.begin();
 delay(100);
 Wire.beginTransmission(Magnetometer);
 Wire.write(0x02); // Seleccionar registro de modo
 Wire.write(0x00); // Modo de medición continua
 Wire.endTransmission();
 }
 void loop(){
 //---- Eje X
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mX1);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mX0 = Wire.read();
 }
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mX0);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mX1 = Wire.read();
 }
 //---- Eje Y
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mY1);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mY0 = Wire.read();
 }
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mY0);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mY1 = Wire.read();
 }
 //---- Eje Z
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mZ1);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mZ0 = Wire.read();
 }
 Wire.beginTransmission(Magnetometer); // transmitir al dispositivo
 Wire.write(Magnetometer_mZ0);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(Magnetometer,1);
 if(Wire.available()<=1) {
 mZ1 = Wire.read();
 }
//---- Eje X
 mX1=mX1<<8;
 mX_out =mX0+mX1; // Datos en bruto
 // De la hoja de datos: 0.92 mG/dígito
 Xm = mX_out*0.00092; // Unidad Gauss
 //* El campo magnético terrestre varía de 0.25 a 0.65 Gauss, así que estos son los valores que necesitamos obtener aproximadamente.
 //---- Eje Y
 mY1=mY1<<8;
 mY_out =mY0+mY1;
 Ym = mY_out*0.00092;
 //---- Eje Z
 mZ1=mZ1<<8;
 mZ_out =mZ0+mZ1;
 Zm = mZ_out*0.00092;
// ==============================
 //Calculando Rumbo
 heading = atan2(Ym, Xm);
// Corrigiendo el rumbo con el ángulo de declinación según tu ubicación
 // Puedes encontrar tu ángulo de declinación en: https://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/
 // En mi ubicación son 4.2 grados => 0.073 rad
 declination = 0.073;
 heading += declination;
// Corrigiendo cuando los signos están invertidos
 if(heading <0) heading += 2*PI;
// Corrigiendo debido a la adición del ángulo de declinación
 if(heading > 2*PI)heading -= 2*PI;
 headingDegrees = heading * 180/PI; // El rumbo en unidades Grados
 // Suavizando el ángulo de salida / Filtro pasa bajos
 headingFiltered = headingFiltered*0.85 + headingDegrees*0.15;
// Enviando el valor del rumbo a través del Puerto Serie al IDE Processing
 Serial.println(headingFiltered);
 delay(50);
 }Lenguaje: Arduino (arduino)

Si necesitas más detalles sobre cómo funciona el magnetómetro MEMS y cómo obtener datos de él, puedes consultar mi tutorial de sensores MEMS.

Parte IDE Processing

Aquí primero necesitamos recibir los valores de rumbo que vienen del puerto serie. Para más detalles sobre cómo se hace esto, puedes consultar mi tutorial de Arduino y Processing.

La brújula es en realidad una imagen, o más precisamente, está compuesta por múltiples imágenes transparentes cargadas en el IDE de Processing. Las imágenes deben estar ubicadas en el directorio de trabajo del sketch. Después de definir los objetos de imagen en la sección draw() usando la función image() cargamos la imagen de fondo (que es opcional, puedes usar solo un color simple para el fondo). Luego se carga la imagen de la Brújula, que usando la función rotateZ() se rota con los valores del rumbo. Encima de ellas se carga la imagen de la Flecha de la Brújula.

Aquí está el código del IDE de Processing:

/* Brújula Arduino
 *
 * por Dejan Nedelkovski,
 * www.HowToMechatronics.com
 * */
 import processing.serial.*;
 import java.awt.event.KeyEvent;
 import java.io.IOException;
 Serial myPort;
 PImage imgCompass;
 PImage imgCompassArrow;
 PImage background;
 String data="";
 float heading;
 void setup() {
 size (1920, 1080, P3D);
 smooth();
 imgCompass = loadImage("Compass.png");
 imgCompassArrow = loadImage("CompassArrow.png");
 background = loadImage("Background.png");
 myPort = new Serial(this, "COM4", 115200); // inicia la comunicación serial
 myPort.bufferUntil('\n');
 }
 void draw() {
 image(background,0, 0); // Carga la imagen de fondo
 pushMatrix();
 translate(width/2, height/2, 0); // Traslada el sistema de coordenadas al centro de la pantalla, para que la rotación ocurra justo en el centro
 rotateZ(radians(-heading)); // Rota la Brújula alrededor del eje Z
 image(imgCompass, -960, -540); // Carga la imagen de la Brújula y como el sistema de coordenadas se ha reubicado necesitamos establecer la imagen en -960x, -540y (mitad del tamaño de la pantalla)
 popMatrix(); // Trae el sistema de coordenadas de vuelta a la posición original 0,0,0
 image(imgCompassArrow,0, 0); // Carga la imagen de la Flecha de la Brújula que no se ve afectada por la función rotateZ() debido a la función popMatrix()
 textSize(30);
 text("Heading: " + heading,40,40); // Imprime el valor del rumbo en la pantalla
 delay(40);
 }
// comienza a leer datos del Puerto Serie
 void serialEvent (Serial myPort) {
 data = myPort.readStringUntil('\n');// lee los datos del Puerto Serie y los pone en la variable String "data"
 heading = float(data); // Convierte el valor String en valor Float
 } Lenguaje: Arduino (arduino)

Aquí puedes descargar los archivos del proyecto, las imágenes y los códigos fuente: