Comment suivre le mouvement d'une porte en mouvement

Au travail, nous mesurons divers paramètres pour tester un nouveau prototype de four. Pour rendre les choses plus efficaces, j'essaie de créer une configuration électronique pour automatiser la mesure, en particulier du mouvement de la porte (de complètement ouverte à complètement fermée).

L'objectif est de mesurer la vitesse instantanée de la porte aux différents points de son mouvement, qui est une trajectoire radiale fixe. Notez l'accent mis sur l'enregistrement de vitesse instantané, par opposition à une vitesse moyenne telle que déterminée par la synchronisation seule.

De quelle façon puis-je mesurer la vitesse du plancher / suivre son mouvement avec une précision raisonnable? (Erreur implicite raisonnable <1-2 cm / s)

Puisqu'il ne s'agit que d'un mouvement radial fixe (et pas de composant le long d'un autre axe), et puisqu'il y a un composant mobile et un composant stationnaire, je suppose que cela devrait être un problème plus facile que, disons, de mesurer la vitesse d'un corps indépendant comme un personne ou main.

Ma première pensée a été une méthode basée sur accéléromètre-gyroscope-IMU, c'est-à-dire intégrant l'accélération dans le temps pour obtenir la vitesse, mais la lecture à ce sujet suggère que cela conduira à des erreurs importantes.

Une suggestion est d'avoir un ensemble de lasers à faible puissance bon marché disposés en arc au-dessus du plan supérieur de la rotation de la porte, pointant directement vers le bas. Un arc correspondant de photodiodes ou phototransistors PIN juste en dessous du plan inférieur de la rotation de la porte peut être raccordé aux broches GPIO d'un microcontrôleur, pour détecter l'interruption de la lumière de chaque faisceau en séquence.

J'ai fait une illustration approximative de l'arrangement, en utilisant des angles de détection de 5 degrés. Cette précision pourrait bien être ramenée à 1 degré par capteur, si nécessaire.

Ce laser rouge de type point 5 volts 5 mW suffirait ( environ 1 $ sur eBay, y compris l'expédition internationale ):

Pour le capteur, une photodiode PIN telle que l' OP906 ( 0,59 $ en unités individuelles de Digikey ) peut être utilisée:

Dans votre code de microcontrôleur, les horaires des interruptions successives du faisceau laser fourniront une vitesse de rotation instantanée précise entre deux points séparés de 5 degrés, lorsque la porte est ouverte ou fermée.

La fréquence d'échantillonnage ADC, la précision de la minuterie et la vitesse de traitement du microcontrôleur détermineront la précision des données réalisable.

Une simplification utile de cette conception ( merci, @ jippie , de m'avoir fait penser dans cette direction ), si la précision n'est pas super-critique, est d'utiliser une seule lampe à tube étroit , comme un tube fluorescent ou CFL de 8 watts, au-dessus du porte, pour remplacer les lasers. Les détecteurs de lumière resteraient tels quels, la lumière pour eux serait interrompue en séquence à la fermeture de la porte.

Je ne suis pas pleinement conscient du contexte de cette porte de four; mais je voudrais faire une suggestion.

Que diriez-vous d'un potentiomètre de qualité à la charnière de la porte? Considérez ceci, vous obtenez à la fois la position et la vitesse de la porte de cette façon; cette méthode est simple et robuste. Obtenir la position de la porte est trivial, grâce à des tests et des mesures, vous pouvez trouver quelles valeurs les sorties de pot aux entrées données, ou positions de porte.

De plus, si vous différenciez la position en fonction du temps (en pratique, vous pouvez simplement diviser le taux de changement de position que vous obtenez sur le taux de changement de temps), vous obtiendrez la vitesse angulaire. Ensuite, vous pouvez calculer la vitesse à laquelle la porte se déplace.

De l'image ci-dessus, la vitesse angulaire serait peu oméga. V est la vitesse à laquelle la fin de la porte se déplace. V, évidemment obtenu avec une vitesse angulaire multipliée par le rayon.

Je suis surpris que personne n'ait mentionné l'utilisation d'un encodeur de cordes ou d'un potentiomètre de cordes. C'est une solution assez simple et précise. Fondamentalement, une chaîne est connectée à un codeur à ressort et le codeur mesure le mouvement de la chaîne. Il y a très peu de masse mobile et cela ne nécessite pas que l'arbre du codeur soit colinéaire avec la charnière ni ne nécessite de modification de la charnière telle qu'un engrenage ou des courroies.

Si le mouvement principal se fait le long d'une trajectoire circulaire, un seul gyroscope devrait donner une précision suffisante. Il faudrait des calculs pour passer de la vitesse angulaire à la vitesse du centre de masse, mais c'est un calcul unique.

Fondamentalement, si la vitesse est limitée à la vitesse angulaire, un gyroscope + mathématiques peut généralement vous donner la vitesse instantanée.

Le problème avec les approches IMU et de type épave morte est que sur une longue période, vous obtenez une erreur de vitesse aggravée par l'intégration de l'accélération linéaire. Cela se produit car il n'y a généralement pas de bon moyen de déterminer génériquement la vitesse linéaire. Cela devient bien pire lorsque vous essayez de déterminer la position, en tenant compte des décalages de rotation de la vitesse linéaire, etc., etc.

Selon le type de test que vous effectuez, vous pouvez augmenter l'IMU avec un capteur pour déterminer quand la porte est fermée / en position d'arrêt, puis l'utiliser pour réinitialiser l'IMU. Avec cette approche, l'IMU n'a besoin d'être raisonnablement précis que dans le temps qu'il faut pour ouvrir / fermer la porte (probablement seulement quelques secondes), ce qui, à mon avis, est raisonnable.