¿Cómo puedo medir las RPM de un disco volador?

Me gustaría hacer un pequeño dispositivo que pueda adherir a un Frisbee que pueda medir estadísticas como RPM / velocidad del Frisbee cuando se lanza. ¿Sería esto realmente posible?

Estaba buscando comunicación de campo cercano para transferir los datos del Frisbee a un teléfono inteligente, pero es solo una idea. Parece que sería difícil hacer algo lo suficientemente pequeño como para no afectar el vuelo del Frisbee. ¿Alguien puede pensar en alguna idea para esto?

En la parte superior de mi noggin aquí hay una idea. Construya un pequeño generador de tonos y un pequeño altavoz en el frisbee con el altavoz alrededor del borde (masa equilibrada en el otro lado, por supuesto).

Cuando gira el disco volador, puede grabar el sonido que se está haciendo y tendrá características Doppler dependiendo de qué tan rápido esté girando. Si puede analizar los datos registrados, debería poder determinar la velocidad de rotación.

El RPM de un disco volador es algo así como 10 rps, por lo que puede pintar con spray un patrón en blanco y negro sobre el disco volador y grabarlo en video. Una videocámara de 60 fps (120 campos por segundo) debería poder capturarla de manera bastante confiable.

Para la noche, monte un pequeño LED superbrillante y una celda de litio balanceada mecánicamente.

Aquí hay un documento que describe un método para hacer esto: Mediciones de dinámica de vuelo en un disco volador instrumentado . Las técnicas funcionaron bien; Yo usaría esto como punto de partida.

Esencialmente era un microcontrolador (BS2IC) y un acelerómetro de 2 ejes (ADXL202), montado en el centro del frisbee con pegamento de silicona, y luego equilibrado por las baterías (CR2032) que se montaron con cinta. El hardware fue elegido específicamente por su bajo consumo de energía.

Se instaló un pequeño interruptor cerca del borde para permitir una fácil activación cerca del momento del lanzamiento, nuevamente para reducir el consumo de energía y también porque el espacio para el registro de datos es limitado:

Mi propia idea al leer su pregunta era montar un acelerómetro / sensor de presión de 1 eje cerca del borde del disco volador y medir la fuerza centrífuga, aunque montarlo cerca del borde puede dificultar el equilibrio. El acelerómetro de 2 ejes no es un gran paso adelante y terminas obteniendo muchos más datos.

Podría usar un sistema de radio de campo cercano de baja potencia como Zigbee (o Bluetooth; que es menos conveniente para la configuración inicial y requiere al menos la adición de un botón o alguna otra lógica para ayudar a que el emparejamiento sea utilizable pero compatible de forma nativa por muchos dispositivos, por ejemplo, su teléfono inteligente) para transmitir datos a un dispositivo cercano, o puede registrar datos en el microcontrolador y recuperarlos más tarde.

En cualquier caso, ese documento obtuvo algunos datos interesantes. En particular, tenga en cuenta la observación del autor de que los datos directos pueden extraerse más fácilmente durante períodos constantes de lecturas del acelerómetro:

Ese gráfico ofrece una buena vista de la oscilación inicial que se estabiliza durante el vuelo, así como la fuerza centrífuga.

Realmente no parece necesario complicarlo demasiado con sensores de luz / sonido; aunque si lo hace, registraría / transmitiría datos sin procesar y realizaría el procesamiento real en el dispositivo receptor para limitar el consumo de energía y los requisitos de rendimiento del microprocesador, a expensas de mayores requisitos de memoria (para el registro).

Dos pequeños circuitos integrados SMD, uno un acelerómetro, el otro un giroscopio, en los extremos opuestos de un FPC, con un microcontrolador, EEPROM y una batería de celda de moneda igualmente equilibrada en el medio del disco volador. Peso mínimo y fricción de aire. Haga que el microcontrolador registre la salida del IC en la EEPROM. La combinación del acelerómetro gráfico y la salida del giroscopio le darán una aproximación de la velocidad y las rpm.

FPC no es necesario; algunos PCB personalizados delgados con un cable magnético que los conecta también funcionarían. Estamos hablando de gramos y onzas como máximo de todos modos.

Para el acceso inalámbrico, un microcontrolador o SoC con Bluetooth de baja energía sería genial. Mire la etiqueta del sensor de Texas Instruments para obtener un kit de desarrollo completo que tiene un acelerómetro y giroscopios SoC e I²C habilitados para BTLE , así como ejemplos de aplicaciones para iPhone / Android con una sola celda de moneda CR2032 Hell, puede tomar la etiqueta del sensor, quitar el rojo carcasa, y pégalo al frrisbee y el resto está sacando datos de la aplicación gratuita.

Simplemente lanzando una idea, no tengo idea de cuán factible es: los giroscopios MEMS son sensores pequeños, rentables y de baja potencia capaces de medir la velocidad angular. En cuanto a la velocidad de medición, suponiendo que se refiere a velocidad lineal y no angular, entonces lo único en lo que puedo pensar que no es extremadamente complejo es usar un módulo GPS como este . Dadas dos posiciones consecutivas, y sabiendo cuándo se realizó cada medición, puede calcular fácilmente la velocidad lineal.

Puede medir la velocidad de rotación con un acelerómetro orientado radialmente. La aceleración 'hacia afuera' desde el centro del frisbee indica rotación (o el frisbee está en ángulo, pero puede promediar eso). Como conoce la distancia desde el centro hasta el acelerómetro, es un simple cálculo de aceleración rotacional.

Muchos de estos deberían poder hacerse muy ligeros y pequeños:

Un acelerómetro que apunta en algún ángulo entre radial y vertical tendrá un componente de gravedad variable a medida que gira. Incluso uno radial tendrá esto, excepto cuando el vuelo sea exactamente horizontal.

Un sensor de luz en la mayoría de los casos también hará lo mismo. A medida que transita entre las características del terreno o del terreno al cielo y viceversa, verá cambios de brillo y estos tendrán un componente de velocidad de rotación correlacionable.

Un LED que transmite radialmente con una frecuencia de modulación podrá ser detectado a una distancia sustancial electrónicamente. Puede buscar modulación o grabarla en video y buscar la firma de LED en cuadros (posiblemente más difícil).

Si proporciona una fuente modulada de papelería que la ilumina, puede colocar un detector en el disco volador. Si es aceptable que otra persona ayude a seguir el rayo, puede ser más estricto y pueden ubicarlo a simple vista para rastrearlo. Un sitio simple de poste y círculo o dos anillos probablemente permitirán que se sostenga un haz de aproximadamente 30 grados en el disco volador, lo que aumentará mucho el nivel de señal.

RF dfing debería ser viable.

Las fuerzas de presión de aire probablemente varían en un punto del periférico a medida que el frisbee gira mientras está en tránsito. Un sensor de presión con un puerto en el borde debería ver un patrón repetido.

La parte más difícil, ópticamente, es apuntar a un frisbee en vuelo. Aparte de eso, puedes hacer todo de forma óptica.

• Dado que el momento de rotación del frisbee no cambia en vuelo, podemos asumir con seguridad que la rotación más rápida ocurrirá justo después de que el usuario lance el frisbee. Entonces, para apuntar al frisbee, puede enfocarse en el usuario mientras lanza el juguete.

• Haga el experimento por la noche, con un frisbee oscuro con una tira delgada pintada alrededor del borde exterior y una mancha blanca y gruesa en una parte del borde exterior. Construya usted mismo una lámpara estroboscópica (muchos bricolaje disponibles en línea, o alquile uno).

• Pide prestada la DSLR de alguien, configúrala en modo Bulb (o obturador de 30 segundos). Use un ISO bajo y una apertura muy pequeña, ya que desea profundidad de campo y baja ganancia.

• Encuentre un amigo con un buen brazo y dispuesto a lanzar un frisbee cien veces por el bien de la ciencia.

• Juega con la configuración de frecuencia estroboscópica y la configuración de la cámara.

• Calcule la frecuencia. Recuerde que el teorema de Nyquist pone un límite superior a la frecuencia máxima que puede medir.

Una cámara con un frisbee correctamente pintado es una buena solución de baja tecnología. Sin embargo, si insiste en una solución electrónica, una de las pocas cosas que funcionaría es usar una brújula digital.

He investigado este problema porque estoy planeando construir un monocóptero (consulte: http://www.youtube.com/watch?v=1n6ZmwzSL0Y ) y descubrí que los giroscopios no tienen una velocidad lo suficientemente rápida para hacerlo. No es el problema de la velocidad de los datos, sino uno más básico de la velocidad angular máxima medible por los giroscopios como se indica en las hojas de datos. La mayoría de los giroscopios (de hecho, todos los que he visto) simplemente informarán algo así como 0xffff todo el tiempo cuando estén unidos a algo como un frisbee.

Sin embargo, la brújula digital no tiene este problema porque no mide la velocidad angular sino la posición / rumbo absoluto. De hecho, los monocopters exitosos como el MIT y el Embry Riddle usan la brújula digital para orientarse.

Otra solución que he considerado es un detector de luz. Algo como esto: https://www.sparkfun.com/products/9768 . Luego, simplemente busque el punto más brillante y suponga que es el sol y mide el tiempo entre puntos brillantes para obtener el tiempo de una sola rotación.

Coloque un sensor de luz con un campo de visión estrecho + chip que pueda detectar los pulsos de luz recibidos y su intervalo. Filtre la luz recibida para cierta frecuencia para evitar la detección espuria, y haga que la fuente de luz coincida con esa frecuencia.

Descargue los datos del disco.

Busque "Frisbee Cam". Usaron una veleta para evitar que la cámara girara. La misma idea podría usarse para evitar que un sensor óptico gire para poder contar las marcas que pasan para medir las rpm.

El giroscopio bluetooth TI cc2541 podría estar acostumbrado a esto. Solo $ 25 y solo pesa una onza o dos. http://www.ti.com/tool/cc2541dk-sensor

Puede usar un acelerómetro como MMA8451 y agregarle un módulo Bluetooth HC06 y un pequeño microcontrolador. El RPM es fácil de calcular ... ¡Has leído la fuerza a lo largo del eje Z! Ahora tienes tu fuerza centrífuga. Esta fuerza simplemente aumenta proporcionalmente a las RPM.

Consideraría optar por un sensor de luz detrás de una rendija como parte de un oscilador alimentado en una simple portadora de RF: podría recibir la señal y la variación del tono le daría la cantidad de veces por segundo que la luz más brillante pasó espacio. También podría considerar usar un ant DF para verificar la posición del Frisbee que le brinda velocidad de rotación y absoluta.