ThereminVision. Электромагнитное зрение роботов на основе терменвокса.



Очень давно, порядка 7 лет назад, на просторах интернета существовал проект, посвященный дешевому и довольно точному способу определить, есть ли в опасной зоне вокруг мобильного робота препятствие ( или сходный по габаритам с ним объект). Это устройство основано на принципе работы терменвокса. Большое преимущество этого в том, что этот способ неконтактный. Кроме того, он позволял определить расстояние до препятствия. К сожалению, в нынешнем виде это устройство не позволяет построить карту объектов вокруг, поэтому в случае наличия нескольких объектов вокруг будет получена некая оценочная величина до препятствия, однако этот способ подходит для задачи избегания столкновения в таких соревнованиях, как роботы-сумо и Евробот, где на поле действует 2 робота.  Возможны и другие более экзотические применения, например вы хотите сделать устройство, реагирующее на подход к нему пользователя или охранную сигнализацию. Об этом и другом - в этой статье.




Немного истории

Как и многие начинания в области техники, основа работы устройства разработана русским ученым-изобретателем Львом Сергеевичем Терменом. Работа терменвокса заключается в изменении музыкантом расстояния от своих рук до антенн инструмента, за счёт чего изменяется ёмкость колебательного контура и, как следствие, частота звука.

Лев Термен - уникальный человек своего времени, будучи первопроходцем в радиотехнике, он обучался одновременно в консерватории и  физическом и астрономическом факультетах Петербургского университета.

Позже работал в секретном ведомстве, разрабатывая системы подслушивания. Есть мнения, что именно он руководил разработкой подслушивающего устройства, основанного на модуляции звуком отраженного от стекла луча лазера, обеспечивая бесконтактную прослушку комнат, имеющих окна.





Система в современном виде.

В отличие от старых версий, это устройство является полностью цифровым. Система может очень быстро просканировать область вокруг и обнаружить изменение емкости между антенной и объектами вокруг робота. Каждая из четырех антенн  может быть выбрана микроконтроллером  и в результате значение  емкости возвращается в процессор в виде переменной ширины импульса.Когда объект приближается к антенне , увеличение емкости приводит к тому, что  ширина строба сигнала уменьшается и наоборот.
Чувствительность системы порядка 0,001 пикоФарад. Любой объект, с относительной диэлектрической проницаемостью, отличной от "1" будет обнаружен. Поскольку практически все твердые вещества имеют значительные относительные диэлектрические постоянные,  можно перечислить несколько материалов,  которые система не может обнаружить. К ним относятся воздух, вакуум, большинство
газов. Система является относительно нечувствительной  к слишком низкой плотности материала:  пенополистирол к примеру, который может иметь относительную диэлектрическую проницаемость ниже, чем 1,01. Конечно, такие материалы, как металл, человеческая плоть, пластик, дерево и другие общие
строительные материалы легко обнаруживаются данной системой.

Система не зависит от света, звука, радиоволн и магнитного полей. Система использует очень мало энергии осцилляторов, которые зависят от емкость антенны.  ThereminVision система использует менее 2 мА при 5 DC вольт.

Принцип работы

 Изменяющаяся емкость между антенной и объектом задает частоту работы осцилятора (сенсорная частота).
Второй очень похожий генератор установлен на ближайшей  частоте,  но с  неизменной емкостью и используется для обеспечения опорной частоты.  Выход из этих двух осцилляторов объединяются в сигнал, частота которого есть "Разница" между сенсорной и опорной. Например, если сенсорная частота генератора составляет 1000000 Гц и опорного сигнала  1000100 Гц, разностный сигнал будет 100 Гц.


Теперь предположим, что объект приближается к антенне зондирования,  изменяя частоту до 999999 Гц.  Затем сигнал на выходе гетеродина станет 101 Гц. Таким образом, 1 миллионная часть  изменения емкости антенны меняет выход на 1%, что и  является ключом к отличной чувствительности ThereminVision на объекты возле антенны.

Поэтому для типовой емкости антенны в 10 пФ мы и  получаем чувствительность к измерению емкости в 0.001 пФ.  На практике, в качестве опорной частоты применяется треугольный сигнал размахом 1.5 вольта и частотой  1.8 МГц и сенсорной частотой 1.7 МГц, разница между ними - 100 КГц, что дает коэффициент усиления датчика - 18.

Аппаратная часть

В В данной системе используется антенна емкостью 22-25 пф. Такой разброс параметров представляет статическую ошибку и может быть откалиброван введением переменного резистора, который откалибрует сенсорную частоту.

Итак, система состоит из базового модуля и датчика. Датчик имеет свою сенсорную частоту в зависимости от емкости между антенной и объектами вокруг, базовый модуль выбирает нужный датчик и определяет длительность импульса гетеродинированной частоты.  Дальше длительность пересчитывается в частоту, а частота в емкость.

Кратко состав системы:

1. Микронотроллер.

2. LMC555CN
3. CD4052 CMOS
4. CD4013 CMOS
5. 74HC4040 CMOS

Требования к антенне

  При установке модуля с антенной рекомендуется оставлять как можно больше свободного пространства вокруг, кроме того, теряется смысл системы, если возле антенны будут постоянно изменяющие свое положение предметы.

Емкость между антенной и объектом как правило, дается по уравнению: C = k A / d
Где:
C = емкость между антенной и объектом (Фарад).
к = константа (8,854 Фарада / метр).
А = Площадь  между двумя объектами (квадратных метров).
D = расстояние между объектами (в метрах).
Хотя это конкретное уравнение не является действительно необходимым для нашей работы, несколько идей
из него следует понимать.
1. Емкость будет увеличиваться обратно пропорционально  расстоянию. Таким образом, на объекте 2
метров будет иметь 1 / 4 емкости по объекту 1 фут прочь.
2. Емкость пропорциональна площади между объектами.

   Робот может обнаруживать края платформы, глядя на увеличение длительность импульса. Он обнаруживает противника роботов, глядя на уменьшение ширины импульса.  Это больше похоже на датчик присутствия, нежели на датчик для мобильного робота.  Хотя использование порогового сравнения может быть и решит задачу в некоторых случаях.  Как бы то ни было, будет интересно узнать, что получится у тех, кто соберет данную штуку. К сожалению, у меня пока на это нет времени и я вернусь к этой теме чуть позже.

Изначально, был разработан базовый модуль и система датчиков, выглядело это примерно так:

Также изначально использовался контроллер BasicStamp BP24. Хотя можно использовать практически любой другой. Основная его задача - частотомер.

Шематик самого сенсора:

Система требует мало компонентов, они дешевы и доступны:

Очевидна одна особенность системы - так как будет измеряться емкость, то неизбежно влияние паразитных емкостей в соединениях схемы, поэтому нужно очень качественное изготовление платы  и монтажа, калибровка каждого датчика. В любом случае, хотелось бы получить более качественный и определенный результат, поэтому приветствую советы радиолюбителей, как это сделать.

Скачать полное описание системы

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.