So verfolgen Sie die Bewegung eines sich bewegenden Ovendoors

Bei der Arbeit messen wir verschiedene Parameter, um einen neu entwickelten Ofenprototyp zu testen. Um die Dinge effizienter zu gestalten, versuche ich, ein elektronisches Setup zu erstellen, um die Messung zu automatisieren, insbesondere die Bewegung der Tür (von vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen).

Ziel ist es, die momentane Geschwindigkeit der Tür an den verschiedenen Punkten ihrer Bewegung zu messen , bei denen es sich um einen festen radialen Pfad handelt. Beachten Sie die Betonung der sofortigen Geschwindigkeitsprotokollierung im Gegensatz zu einer Durchschnittsgeschwindigkeit, die allein durch das Timing bestimmt wird.

Wie kann ich die Geschwindigkeit des Ovendoor messen / seine Bewegung mit angemessener Genauigkeit verfolgen? (Angemessener impliziter Fehler <1-2 cm / s)

Da es sich nur um eine feste radiale Bewegung handelt (und keine Komponente entlang einer anderen Achse) und es eine bewegliche Komponente und eine stationäre Komponente gibt, sollte dies ein einfacheres Problem sein, als beispielsweise die Geschwindigkeit eines unabhängigen Körpers wie a zu messen Person oder Hand.

Mein erster Gedanke war eine auf Beschleunigungsmesser-Gyroskop-IMU basierende Methode, dh die Integration der Beschleunigung über die Zeit, um die Geschwindigkeit zu erhalten, aber das Nachlesen dieses Themas legt nahe, dass dies zu beträchtlichen Fehlern führen wird.

Ein Vorschlag besteht darin, einen Satz kostengünstiger Laser mit geringer Leistung in einem Bogen über der oberen Ebene der Türrotation anzuordnen, der direkt nach unten zeigt. Ein entsprechender Bogen von PIN-Fotodioden oder Fototransistoren direkt unterhalb der unteren Ebene der Türrotation kann an GPIO-Pins eines Mikrocontrollers angeschlossen werden, um die Lichtunterbrechung jedes Strahls nacheinander zu erfassen.

Ich habe die Anordnung anhand von 5-Grad-Erfassungswinkeln grob dargestellt. Diese Präzision könnte bei Bedarf auf 1 Grad pro Sensor gesenkt werden.

Dieser rote 5-Volt-5-mW-Punktlaser würde ausreichen ( ca. 1 USD bei eBay einschließlich internationalem Versand ):

Für den Sensor kann eine PIN-Fotodiode wie die OP906 ( 0,59 USD in Einzeleinheiten von Digikey ) verwendet werden:

In Ihrem Mikrocontroller-Code liefern die Zeitpunkte für die aufeinanderfolgenden Laserstrahlunterbrechungen eine präzise momentane Rotationsgeschwindigkeit zwischen zwei beliebigen Punkten, die um 5 Grad voneinander getrennt sind, wenn die Tür geöffnet oder geschlossen wird.

Die ADC-Abtastrate, die Timergenauigkeit und die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers bestimmen die erreichbare Datengenauigkeit.

Eine nützliche Vereinfachung dieses Designs ( danke, @ jippie , dass Sie mich dazu gebracht haben, in diese Richtung zu denken ), wenn Präzision nicht überkritisch ist, ist die Verwendung einer einzelnen schmalen Röhrenleuchte , z. B. einer 8-Watt-Leuchtstoffröhre oder einer CFL-Röhre, über der Tür, um die Laser zu ersetzen. Die Lichtdetektoren würden so bleiben, wie sie sind, das Licht für sie würde nacheinander unterbrochen, wenn sich die Tür schließt.

Der Kontext dieser Ofentür ist mir nicht ganz bekannt. aber ich möchte einen vorschlag einbringen.

Wie wäre es mit einem Qualitätspotentiometer am Scharnier der Tür? Bedenken Sie, dass Sie auf diese Weise sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit der Tür erhalten. Diese Methode ist einfach und robust. Das Ermitteln der Position der Tür ist trivial. Durch einige Tests und Messungen können Sie herausfinden, welche Werte der Topf an bestimmten Eingängen oder Türpositionen ausgibt.

Wenn Sie die Position in Bezug auf die Zeit differenzieren (in der Praxis können Sie einfach die Änderungsrate der Position, die Sie erhalten, über die Änderungsrate der Zeit teilen), erhalten Sie die Winkelgeschwindigkeit. Von dort aus können Sie die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich die Tür bewegt.

Aus dem obigen Bild wäre die Winkelgeschwindigkeit wenig Omega. V ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Ende der Tür bewegt. V, offensichtlich erhalten mit Winkelgeschwindigkeit multipliziert mit Radius.

Ich bin überrascht, dass niemand die Verwendung eines String-Encoders oder eines String-Potentiometers erwähnt hat. Es ist eine ziemlich einfache und genaue Lösung. Grundsätzlich ist eine Saite mit einem federbelasteten Encoder verbunden und der Encoder misst die Saitenbewegung. Es gibt sehr wenig bewegliche Masse und es ist nicht erforderlich, dass die Geberwelle kolinear zum Scharnier ist oder dass Änderungen am Scharnier wie Getriebe oder Riemen erforderlich sind.

Wenn sich die primäre Bewegung entlang einer Kreisbahn befindet, sollte ein einzelnes Gyroskop eine ausreichende Genauigkeit bieten. Es würde etwas Mathematik erfordern, um von der Winkelgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts zu gelangen, aber das ist eine einmalige Berechnung.

Wenn die Geschwindigkeit auf die Winkelgeschwindigkeit begrenzt ist, kann ein Gyroskop + Mathematik im Allgemeinen die momentane Geschwindigkeit angeben.

Das Problem bei Ansätzen vom Typ IMU und Dead Wreckoning ist, dass Sie über einen langen Zeitraum einen zusammengesetzten Geschwindigkeitsfehler durch die Integration der linearen Beschleunigung erhalten. Dies geschieht, weil es im Allgemeinen keine gute Möglichkeit gibt, die Lineargeschwindigkeit generisch zu bestimmen. Dies wird viel schlimmer, wenn versucht wird, die Position zu bestimmen, Rotationsversätze der Lineargeschwindigkeit zu berücksichtigen usw. usw.

Abhängig von der Art des Tests, den Sie durchführen, können Sie die IMU mit einem Sensor erweitern, um festzustellen, wann die Tür geschlossen ist / an einer Stoppposition, und diesen dann verwenden, um die IMU wieder auf Null zu setzen. Bei diesem Ansatz muss die IMU nur über die Zeit, die zum Öffnen / Schließen der Tür benötigt wird (vermutlich nur einige Sekunden), einigermaßen genau sein, was ich für angemessen halte.