Cómo rastrear el movimiento de un exterior en movimiento

En el trabajo, estamos midiendo varios parámetros para probar un prototipo de horno de nuevo diseño. Para hacer las cosas más eficientes, estoy tratando de crear una configuración electrónica para automatizar la medición, en particular del movimiento de la puerta (desde completamente abierta hasta completamente cerrada).

El objetivo es medir la velocidad instantánea de la puerta en los diversos puntos de su movimiento, que es una trayectoria radial fija. Tenga en cuenta el énfasis en el registro de velocidad instantánea, en oposición a una velocidad promedio determinada por el tiempo solo.

¿De qué manera puedo medir la velocidad del sobrealimentador / seguir su movimiento con una precisión razonable? (Error que implica razonable <1-2 cm / s)

Como solo se trata de un movimiento radial fijo (y ningún componente a lo largo de ningún otro eje), y dado que hay un componente móvil y un componente estacionario, supongo que este debería ser un problema más fácil que, por ejemplo, medir la velocidad de un cuerpo independiente como un persona o mano

Mi primer pensamiento fue un método basado en acelerómetro-giroscopio-IMU, es decir, integrar la aceleración con el tiempo para obtener la velocidad, pero leer sobre este tema sugiere que esto conducirá a errores considerables.

Una sugerencia es tener un conjunto de láseres económicos de baja potencia dispuestos en un arco sobre el plano superior de la rotación de la puerta, apuntando directamente hacia abajo. Un arco correspondiente de fotodiodos o fototransistores PIN justo debajo del plano inferior de la rotación de la puerta se puede conectar a los pines GPIO de un microcontrolador, para detectar la interrupción de la luz de cada haz en secuencia.

Hice una ilustración aproximada de la disposición, utilizando ángulos de detección de 5 grados. Esta precisión bien podría reducirse a 1 grado por sensor, si es necesario.

Este láser rojo tipo punto de 5 voltios y 5 mW sería suficiente ( alrededor de $ 1 en eBay, incluido el envío internacional ):

Para el sensor, se puede usar un fotodiodo PIN como el OP906 ( $ 0.59 en unidades individuales de Digikey ):

En su código de microcontrolador, los tiempos para las sucesivas interrupciones del rayo láser proporcionarán una velocidad de rotación instantánea precisa entre dos puntos separados por 5 grados, a medida que la puerta se abre o se cierra.

La frecuencia de muestreo de ADC, la precisión del temporizador y la velocidad de procesamiento del microcontrolador determinarán la precisión de datos que se puede lograr.

Una simplificación útil de este diseño ( gracias, @ jippie , por hacerme pensar en esta dirección ), si la precisión no es súper crítica, es usar una única luz de tubo angosto , como un tubo fluorescente de 8 vatios o un tubo CFL, sobre el puerta, para reemplazar los láseres. Los detectores de luz permanecerían como están, la luz para ellos se interrumpiría en secuencia a medida que se cierra la puerta.

No estoy completamente consciente del contexto de esta puerta del horno; pero me gustaría aportar una sugerencia.

¿Qué tal un potenciómetro de calidad en la bisagra de la puerta? Considera esto, obtienes la posición y la velocidad de la puerta de esta manera; Este método es simple y robusto. Obtener la posición de la puerta es trivial, a través de algunas pruebas y mediciones, puede encontrar qué valores produce el potenciómetro en las entradas dadas, o en las posiciones de las puertas.

Además, si diferencia la posición con respecto al tiempo (en la práctica, simplemente puede dividir la tasa de cambio en la posición que obtiene sobre la tasa de cambio en el tiempo), obtendría la velocidad angular. Luego, desde allí, puede calcular la velocidad a la que viaja la puerta.

De la imagen de arriba, la velocidad angular sería poco omega. V es la velocidad que recorre el final de la puerta. V, obviamente obtenida con velocidad angular multiplicada por el radio.

Me sorprende que nadie haya mencionado el uso de un codificador de cadena o un potenciómetro de cadena. Es una solución bastante simple y precisa. Básicamente, una cadena está conectada a un codificador de resorte y el codificador mide el movimiento de la cadena. Hay muy poca masa en movimiento y no requiere que el eje del codificador sea colineal con la bisagra ni requiera ninguna modificación en la bisagra, como engranajes o correas.

Si el movimiento primario es a lo largo de una trayectoria circular, un solo giroscopio debería dar suficiente precisión. Requeriría algunas matemáticas para pasar de la velocidad angular a la velocidad del centro de masa, pero ese es un cálculo de una sola vez.

Básicamente, si la velocidad se limita a la velocidad angular, un giroscopio + matemática generalmente puede darle la velocidad instantánea.

El problema con los enfoques de IMU y de tipo de demolición muerta es que, durante mucho tiempo, se obtiene un error de velocidad compuesto por la integración de la aceleración lineal. Esto sucede porque generalmente no hay una buena manera de determinar genéricamente la velocidad lineal. Esto empeora mucho al tratar de determinar la posición, teniendo en cuenta las compensaciones rotacionales de velocidad lineal, etc., etc.

Dependiendo del tipo de prueba que esté haciendo, puede aumentar la IMU con un sensor para determinar cuándo la puerta está cerrada / en una posición de parada, luego use eso para volver a poner a cero la IMU. Con ese enfoque, la IMU solo necesita ser razonablemente precisa durante el tiempo que lleva abrir / cerrar la puerta (presumiblemente solo unos segundos), lo que creo que es razonable.