Welche Möglichkeiten habe ich, um die Position eines kleinen sich bewegenden Metallobjekts zu erfassen?

Dies ist eine Luftgewehr-Pelletfalle:

Ich feuere kleine Metallkugeln mit bis zu 120 m / s = 390 fps ab (4,5 mm Durchmesser).

Welche Möglichkeiten habe ich, um die X / Y-Position zu ermitteln, an der sie in das Ziel eintritt?

Ist es einfacher, wenn ich nur den Abstand zum Zentrum kennen muss? (Die Punktzahl)

Im Moment sind meine Pellets bleifrei, aber nicht ferromagnetisch (sie haften nicht an einem Magneten.) Wenn ich ferromagnetische Pellets bekommen würde, hätte ich mehr Optionen? Irgendein induktiver oder sonstiger elektromagnetischer Effekt vielleicht?

Momentan fällt mir ein:

1. Eine auf einem Stativ montierte Kamera, die aufeinanderfolgende Bilder vergleicht und eventuelle Unterschiede auf dem Zielpapier erkennt. Nachteile: Es würde ordentliche Rechenleistung benötigen (mindestens ein Raspberry Pi) und es würde wahrscheinlich ein Pellet fehlen, das direkt durch ein Loch geht, das vom vorherigen Pellet geschnitzt wurde. Es würde auch nicht so gut gegen die schwarzen Bänder funktionieren.

2. Zwei Laser- oder CCD-Scanner, z. B. wiederverwendete Barcodescanner, sind entlang der Zielkanten in einem Winkel von 90 ° zueinander angebracht. Nachteile: Bei CCD müsste die Optik angepasst werden. sie würden wahrscheinlich einen weißen Referenzhintergrund auf der anderen Seite benötigen; und sie müssten sehr schnell sein, denn die Pellets bewegen sich sehr schnell.

Irgendwelche anderen Ideen?

Kann ich am Rand angebrachte Antennen verwenden, um elektromagnetische Effekte zu erkennen? Was ist, wenn ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird? Würde das Metallpellet merklich mit ihm interagieren? Würde ein ferromagnetisches Pellet dies tun?

Kann ich zwei Ultraschall-Entfernungsmesser verwenden, die in einem Winkel von 90 ° zueinander montiert sind? Können sie ein so kleines Objekt entdecken, das sich schnell fortbewegt?

Eine kreisförmige Spule um den Außenumfang des Ziels erzeugt einen magnetischen Fluss:

Die Flussdichte ist in der Mitte minimal (aber nicht null) und wenn Sie sich dem Spulenumfang nähern, nimmt die Flussdichte zu.

$\sqrt2$

Natürlich würde ein größeres Pellet auch eine größere Frequenzabweichung erzeugen, so dass es für Pellets von 0,77 bis 0,22 unterschiedlich kalibriert werden muss.

Verwenden Sie eine Art Frequenzdetektor, um einen (demodulierten) Gleichstrom-Blip zu erzeugen. Die Größe des Blips ist proportional dazu, wie nahe oder wie weit Sie von der Spulenkante entfernt sind. Ein Nachteil ist, dass es außerhalb der Spule etwas geben muss, um zu verhindern, dass sich Streupellets innerhalb der Schleife registrieren. Sie möchten eine vernünftig hohe Frequenz von wahrscheinlich einigen MHz haben, damit der Detektor mehrere Dutzend Zyklen registrieren kann, die sich ändern, wenn das Projektil durchgeschossen wird.

Bei 120 Metern pro Sekunde zeigt das Gefühl, dass es anfängt, etwas zu registrieren, wenn die Spule etwa 50 mm von der Spule entfernt ist. Vielleicht gibt es also einen Sweet-Spot-Abstand von etwa 10 mm, in dem sich die Frequenz am meisten ändert. Bei 120 m / s wird 1 m in 8,333 ms zurückgelegt, also entspricht 10 mm einer Zeitspanne von 83,33 us, so dass möglicherweise 83 Zyklen von 1 MHz akzeptabel erfasst werden könnten, aber bei 10 MHz wäre es besser.

Dies erfordert nur eine Schleife mit 1 Umdrehung und einigen hundert pF Abstimmung.

Es ist machbar.

Früher habe ich pharmazeutische Metalldetektoren entworfen, um nach Metallkontaminanten bei der Herstellung von Pillen zu suchen. Es verwendete 1 MHz und konnte Partikel mit einem Durchmesser von nur 0,25 mm (Eisen und Nichteisen, aber nicht rostfreier Stahl) erkennen. Es hatte eine quadratische Spule von ungefähr 100 mm mal 35 mm, also war es ein bisschen kleiner als eins für ein Ziel, aber wenn Sie bedenken, dass "Erkennungslevel" proportional zur Masse und Masse proportional zum berechneten Abstand sind, sollte es OK sein.

Man kann davon ausgehen, dass ein .177-Pellet eine Kugel mit einem Durchmesser von 4,5 mm ist - dies ist 18-mal größer als 0,25 mm und daher ist seine Masse 5,832-mal größer und das Signal ist ungefähr 5,832-mal größer.

Sie können eine Reihe von Mikrofonen ausprobieren, die um den Weg des Projektils herum angeordnet sind.

Ich habe einmal eine Zieldrohne gesehen, die mit einer Reihe von Mikrofonen die Fehlentfernung der daran vorbeifliegenden Runden ermittelt hat. In diesem Fall waren die Runden überschalltönend, sodass der Klang etwas lauter und schärfer war als bei Ihnen, aber das Prinzip könnte immer noch funktionieren.

Um diese Idee zu untersuchen, könnten Sie zwei kleine Elektretmikrofone beschaffen, sie richtig vorspannen und mit einem digitalen Speicheroszilloskop testen. Wenn Sie keine haben, können Sie sie auch an die Soundkarte Ihres Computers anschließen (Line-In, damit Sie Stereo bekommen). Befestigen Sie sie in einem Abstand von 30 cm auf einem Stab, erstellen Sie eine Audioaufnahme mit der höchsten Samplerate und schießen Sie ein paar Pellets in verschiedenen Positionen darüber. Durchsuchen Sie die WAV-Dateien mit Audacity und prüfen Sie, ob 1) ein nützlicher Impuls vorliegt und 2) ob die Ankunftszeitdifferenz den verschiedenen Pfaden der Aufnahme entspricht.

330 m / s geteilt durch 44 kHz sind 7,5 mm. Wenn die Mikrofone also über eine ausreichende Bandbreite verfügen, haben Sie meines Erachtens die Möglichkeit, die Position mit der Soundkarte zu erkennen.

Wenn Sie mit einer Soundkarte gute Ergebnisse erzielen, besteht der nächste Schritt darin, eine Detektorschaltung zu entwerfen, die den Schallimpuls einigermaßen genau erfasst und einen einfachen Übergang von niedrig zu hoch an seinem Ausgang erzeugt. Es könnte so einfach sein wie ein Hochpassfilter, ein Verstärker und ein Komparator. Machen Sie dann mindestens 3, besser 4 oder 5 davon, ordnen Sie die Mikrofone um das Ziel herum an und verbinden Sie sie mit Ihrem Arduino, um das Timing zu übernehmen. Sie brauchen nur relative Zeit und nur eine Auflösung von vielleicht 10 us, also ist ein Arduino perfekt.

Dann ist es nur ein bisschen Mathe, wahrscheinlich auf Ihrem PC und nicht auf dem Arduino, um die Position des Pellets im Mikrofonarray herauszufinden.

Ein paar kleine Gedanken: Achten Sie auf das Geräusch des Gewehrs selbst, das die Detektoren auslöst - vielleicht ein Software-Gate, das nur den zweiten Satz von Impulsen aufzeichnet? Die Detektorschaltung muss schnell zurückgesetzt werden und darf nicht lange oben bleiben. Beachten Sie auch, dass Ihre Detektorschaltungen laute Geräusche nicht früher lesen als leise - dies würde die Entfernungsberechnung ungenauer machen. Abgesehen davon, dass der Detektor den Peak besser erfassen kann, können Sie die Mikrofone weiter auseinander platzieren, nicht nur an den Ecken des Ziels. Halten Sie die Mikrofone weit vor dem Ziel, damit keine Schallreflexionen vom Karton ausgehen.

Sie könnten eine "gummierte" Membranmatrix mit eng beabstandeten Kontakten verwenden (ähnlich einer Tastatur). Abhängig von der von Ihnen benötigten Auflösungsgenauigkeit können Sie eine 10 x 10- oder 100 x 100-Drahtmatrix verwenden. Durch elektronisches Scannen der Kontakte können Sie feststellen, wo das Pellet aufschlägt.

Sie haben bereits die praktischste und einfachste Lösung genannt, eine Kamera, aber anscheinend haben Sie den Wald und keine Bäume gesehen: Der Punkt ist, dass es alle Arten von Kameras gibt, und Sie zeigen, dass Sie die Erfahrung gemacht haben, die Sie brauchen, NICHT einzuschließen : eine Hochgeschwindigkeitskamera. Eine typische Kamera macht ein Bild, wenn Sie die Taste einmal drücken. Eine teurere Kamera kann mit einem automatischen Aufwickler ausgestattet werden (für die FILM-basierten Kameras im alten Stil, die mittlerweile fast veraltet sind). Der Aufwickler öffnet den Verschluss und nimmt eine weitere Belichtung auf, sobald der Film zum nächsten Bild vorgerückt ist. Aber eine High-Speed-Kamera, die NICHT auf Filmen basiert, kann eine fast unglaubliche Anzahl von Bildern pro Sekunde aufnehmen, die sich in einem Bereich von 20.000 Bildern pro Sekunde oder mehr bewegen. DAS ist Ihre Lösung, wenn Sie es sich leisten können. Es wird, Natürlich muss die Pelletpistole elektronisch mit dem TRIGGER synchronisiert werden. Dies bedeutet, dass sowohl die Pelletpistole als auch die Kamera automatisch gestartet werden. Die Kamera würde kurz vor dem Abschuss mit dem Fotografieren beginnen, und ein vorsichtiges Zielen in Verbindung mit (ich vermute) einem automatischen Fokus (oder einem sehr weiten Feld) wird das Projektil vom Verlassen des Laufs bis zum Auftreffen verfolgen das Ziel. Alles was Sie tun müssen, ist es wiederzugeben und die Aufnahme anzusehen. Dabei spielt es keine Rolle, ob das aktuelle Pellet ein ALTES Loch im Ziel durchläuft. SIE SEHEN ES, egal was passiert. Nun die schlechte Nachricht: Obwohl dies die einfachste und effektivste Lösung für Ihr Problem ist, wird es NICHT GÜNSTIG. Nur Sie können entscheiden, wie viel es Ihnen wert ist, über die Flugbahnen absolut sicher zu sein. Ich gehe davon aus, dass die HIGH-SPEED-Kamera, die Sie benötigen (a-la-Mythbusters), viele tausend Dollar kosten wird und viele hundert Dollar für kurze Zeit zu leihen sind, WENN Sie jemanden finden, der Ihnen eine leiht (macht FLUKE?) Kameras? Sie vermieten elektronische Geräte (oder zumindest früher); aber es ist ein DANDY einer Lösung für Ihr Problem, wenn Sie es sich leisten können!