Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Precyzyjna lokalizacja małych przemieszczeń

WAKWAK 11 Nov 2011 13:45 2398 19
Optex
  • #1
    WAKWAK
    Level 9  
    Mam pytanie odnośnie następującego układu lokalizacyjnego:

    Cztery nieruchome czujniki zainstalowane w jednej płaszczyźnie tworzące prostokąt o wymiarach 15,0 m x 40,0 m i jeden czujnik zainstalowany ok. 5,0 m powyżej tej płaszczyzny w jej środku.
    Z jaką dokładnością i jakimi metodami można mierzyć przemieszczenie pionowe czujnika w środku?
    Zainteresowany jestem układem na bazie fal radiowych, czujniki będą się wzajemnie widzieć, pomiar w warunkach zewnętrznych. Na obecnym etapie nieważne jest zasilanie oraz gabaryty, jak i koszt. Powiedzmy, że chodzi o taki lokalny GPS...

    Przeglądałem tutejsze posty na podobny temat, ale część była dość stara (wiadomo, elektronika idzie naprzód), albo układy posiadały nieco inne warunki brzegowe. Informacji w internecie nie byłem w stanie znaleźć - opisy systemów, bez konkretów. No i większość systemów lokalizacyjnych dotyczyła zupełnie innych odległości.

    Nie jestem elektronikiem, zajmuję się zupełnie inną dziedziną inżynierii - układ jest mi potrzebny do moich pomiarów. Na razie sprawdzam, na ile jest on w ogóle możliwy do realizacji. Będę wdzięczy za konstruktywny głos w dyskusji.
  • Optex
  • #2
    Rzuuf
    Level 43  
    Na czujniku "górnym" zainstaluj mysz optyczną z optyką ogniskującą "widok z góry". Odczyt z myszy da Ci informację o przesunięciach we współrzędnych prostokątnych.
    Powinno się dać rejestrować przesunięcia o pojedyncze milimetry (zależy od jakości optyki!).
  • #3
    WAKWAK
    Level 9  
    Bardzo ciekawy sposób, nie spotkałem się z nim. Mysz optyczna - nawet zmodyfikowana - naprawdę zadziałałaby na takich odległościach (5,0 m od poziomu odniesienia)? No i to jednak system optyczny, w przypadku zakłóceń atmosferycznych chyba zawodny...
    No, ale jest jego podstawowa jego wada - nie wnikając w sposób realizacji - system mierzy dobrze chyba tylko przemieszczenia w poziomie, a mi głównie zależy na przemieszczeniach pionowych...
    Ale dziękuję za pierwszy głos w dyskusji...
  • Optex
  • #4
    Rzuuf
    Level 43  
    Przemieszczenia pionowe: pomiar ultradźwiękowy (nie radiowy!).
    Dokładność pomiaru na poziomie 2 - 3 długości fali w powietrzu (przy 40kHz to są pojedyncze centymetry). Nietoperze też "pracują" na takich częstotliwościach i mają całkiem dobrą precyzją lokalizacji nawet niewielkich obiektów.
    Przy pomiarach "fazowych" można uzyskać precyzję kilka razy lepszą.
  • #5
    WAKWAK
    Level 9  
    A dokładność rzędu 0,1 mm jest jakąkolwiek metodą realna?
  • #7
    WAKWAK
    Level 9  
    Tylko to jest pomiar w warunkach laboratoryjnych...
  • #8
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    WAKWAK wrote:
    A dokładność rzędu 0,1 mm jest jakąkolwiek metodą realna?


    Jest możliwe zrobienie urządzenia wykorzystującego ultradźwięki, które w podanych warunkach będzie miało dokładność 0,1mm lub lepszą. Ale nie jest to zadanie banalne i nie sądzę, żeby ktoś miał jakieś gotowe rozwiązanie. Sam pomiar odległości z taką dokładnością jest łatwy, problemem jest kompensacja fluktuacji wynikających ze zmian temperatury na drodze, po której porusza się fala. To jest możliwe, ale wymaga "nieco" wysiłku.

    Na falach radiowych dokładność tego rzędu nie wydaje się możliwa. Optycznie tak, ale komplikacja urządzenia będzie większa.

    Nie rozumiem jednak jednej rzeczy: Po co te cztery czujniki? Nie wystarczy mierzyć odległość od płaszczyzny odniesienia?
  • #9
    WAKWAK
    Level 9  
    Z ultradźwiękami byłby chyba jednak problem, bo pomiar miałby miejsce w otwartym terenie, więc warunki byłyby zmienne - inna wilgotność, temperatura, możliwa obecność mgły, kwestia zacinającego deszczu, śniegu...

    Jeśli chodzi o fale radiowe - a jak to wygląda z systemem GPS albo z sieciami komórkowymi? Pierwszy może dać podobno dokładność w pionie ok. 5 cm (przy pomiarze uśrednianym z wielu "próbkowań" i zastosowaniu możliwości systemu niedostępnych ogółowi użytkowników). Odnośnie zaś drugiego nie wiem, jak to wygląda w pionie, ale pomiar siły sygnału przez sąsiadujące z nadajnikiem (komórką) stacje bazowe daje jakie takie pojęcie o lokalizacji w poziomie.

    Wiem, że w jednym i w drugim przypadku odległości między mierzonymi punktami a punktami odniesienia są bardzo duże w porównaniu do stosowanej długości fali i właśnie to daje sporą rozdzielczość (która w tej skali odległości jest jednak centymetrowa lub metrowa), ale sądziłem, że jednak da się coś zrobić i przy mniejszych odległościach - wykorzystując przesunięcie w fazie, kilka częstotliwości nałożonych na siebie (jak wspominałem nie znam się na tym, więc rzucam tu tylko hasła, które wydaje mi się, że gdzieś - tu? - wyczytałem, ale mogę być nieprecyzyjny...). I że może kombinacja kilku metod pomiarów coś w tej małej skali da...

    Rzeczywista płaszczyzna odniesienia nie istnieje. Mierzony punkt znajduje się nad terenem, który jest porośnięty roślinnością. Więc pomiar musi być między czujnikiem a czujnikiem, z tego jeden w założeniu nieruchomy.

    Jeśli chodzi o liczbę punktów odniesienia, to dla mnie mogą być dwa. Przy jednym nie ma pewności, czy jednak nie ruszył się ten z założenia nieruchomy. Przy dwóch można to już sprawdzić. Lepiej jest przy trzech, a przy czterech... Założyłem cztery punkty tylko i wyłącznie z subiektywnego poczucia porządku (bo cztery rogi wspomnianego prostokąta). Jeśli system będzie się opierał na dziesięciu punktach - mogę sobie wyobrazić sytuację, że ostateczny wynik jest średnią z tych pomiarów - też będę ucieszony. Byleby tylko dokładność wynosiła 0,1 mm....
  • #10
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    W przypadku dźwięków zmienność warunków można kompensować, choć znacząco komplikuje to cały układ. Głównie wskutek zwiększenia ilości czujników.

    Przy dokładności rzędu 0,1mm w grę wchodzą tylko urządzenia używające odpowiednio krótkich fal, czyli optyczne, pracujące na THz lub akustyczne.

    Szacuję, że system akustyczny będzie najtańszy. Optyczny na pewno jest do zrealizowania, ale chyba tylko w oparciu o bardzo precyzyjną triangulację, a to bardzo droga sprawa, szczególnie na takich dystansach.

    W systemach akustycznych trzeba tylko skompensować wpływy zmian ośrodka (czyli temperatury i ruchów powietrza, inne są nieistotne). To nie jest banalne, ale realizowalne.

    Chciałbym jeszcze zwrócić uwagę na to, że przy takich dystansach czujników służących za odniesienie trzeba także kompensować zmiany położenia tych czujników wskutek zmian temperatury otoczenia.
  • #11
    Rzuuf
    Level 43  
    Przyjmując jako minimalny czas trwania impulsu ultradźwiękowego czas odpowiadający dystansowi 0,1mm, mamy częstotliwość 3,3MHz. Ultradźwięki o takiej częstotliwości praktycznie nie rozchodzą się w powietrzu (są bardzo silnie tłumione)!
    Dla czujnika optycznego rozróżnienie 0,1mm wymagało by rozdzielczości systemu pomiarowego 3,33E-13 sekundy (0,33 pikosekundy) - czarno to widzę ...
    Przypuszczam, że zbudowanie takiego systemu pomiarowego "siłami amatorskimi" nie jest możliwe. Chyba, że NASA ma coś podobnego?
  • #12
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    Rzuuf wrote:
    Przyjmując jako minimalny czas trwania impulsu ultradźwiękowego czas odpowiadający dystansowi 0,1mm, mamy częstotliwość 3,3MHz. Ultradźwięki o takiej częstotliwości praktycznie nie rozchodzą się w powietrzu (są bardzo silnie tłumione)!
    Dla czujnika optycznego rozróżnienie 0,1mm wymagało by rozdzielczości systemu pomiarowego 3,33E-13 sekundy (0,33 pikosekundy) - czarno to widzę ...
    Przypuszczam, że zbudowanie takiego systemu pomiarowego "siłami amatorskimi" nie jest możliwe. Chyba, że NASA ma coś podobnego?

    Jest to błędne rozumowanie. Mierzyć trzeba czas propagacji, a nie przeliczać na częstotliwość. To oznacza dla 0,1mm i 340m/s ok. 300ns. Pomiar takiego przedziału czasu nie jest żadnym problemem, kompensacja zmian w środowisku jest. Dla przykładu: przy pomocy naszych standardowych urządzeń mierzymy czasy przejścia dźwięku z dokładnością ok. 100ps, a to jest jeszcze daleko od granic dokładności dzisiaj osiągalnych. Dla realistycznych tutaj częstotliwości rzędu najwyżej pojedynczych setek kHz dochodzi jeszcze konieczność znalezienia odpowiedniego algorytmu, ale to jest osiągalne.

    System tego typu nie jest zadaniem dla amatorów. O tym można od razu zapomnieć, to jest duża sprawa w każdym wykonaniu,

    Dodano po 12 [minuty]:

    Dodam jeszcze może tyle: dźwięki idelanie nadają się do pomiaru odległości (a zatem także położeń) ze względu na małą szybkość propagacji, a nie długość fali (czego wcześniej nie podkreśliłem). Ale nie jest sprawą banalną skompensowanie wpływów zmian własności ośrodka - szczególnie w otwartym terenie.

    Jest to możliwe, ale przedstawia bardzo ambitne zadanie - trzeba nie tylko mierzyć czas propagacji na drodze, ale też parametry drogi (stąd konieczna większa ilość czujników). Dla małych dystansów i kontrolowanych warunków pozwala to na dokładności pomiaru dużo lepsze niż mikrometry. Na większych dystansach i w niekontrolowanym środowisku sprawa zaczyna być "bardzo niebanalna". Szacuję jednak, że cel postawiony przez startującego ten wątek jest osiągalny, tylko jedynie budżet takiego projektu może być nieco porażający.

    Pomiar optyczny na takich dystansach też będzie obarczony błędem spowodowanym fluktuacjami ośrodka i też trzeba to będzie kompensować.

    Pomiar oparty o czas propagacji światła nie da wymaganej dokładności, interferencyjny nie wchodzi w grę, a triangulacja to chyba raczej do zapomnienia. To już robi wrażenie czegoś monstrualnego. Urządzenia na THz chyba odpadają, bo ich ceny mogłyby być prohibicyjne i nie wiem, czy pomiar fazy z potrzebną dokładnością wchodzi tu w grę.

    Na małych odległościach możliwy jest pomiar o pola stacjonarne, ale też raczej nie tak dokładny. Przy dużych to odpada.
  • #13
    WAKWAK
    Level 9  
    Czyli ultradźwięki odpadają. Ewentualne zmniejszenie dokładności do 0,2 mm też pewnie niewiele da?

    THz... Tak na szybko znalazłem http://www.pcworld.pl/news/83634/Setki.THz.w.karcie.sieciowej.html, ale to nie jest o pomiarach odległości. Tu pewnie nie liczy się czas, tylko zakodowany sygnał. Na pewno nie da się obejść tych pikosekund? Może wysyłać jakiś zmieniający się w czasie kod... Dobra, nie kończę myśli, bo zorientowałem się, że też musiałby się on zmieniać w skali pikosekund, a to nie do zrealizowania... Błędne koło ;-)
    ....
    O, widzę nowy komentarz. Bardziej profesjonalny od moich wynurzeń i dający nadzieję. Czyli jednak THz...?

    Zastanawia mnie jeszcze emisja akustyczna. Tego zupełnie nie brałem pod uwagę i na obecnym etapie trudno mi to sobie wyobrazić. Nurtuje mnie też problem takiej ciągłej emisji w terenie - byłoby to uciążliwe... Zakładając nawet pasmo niesłyszalne dla człowieka, to pewnie ochrona środowiska by się przyczepiła, że zwierzętom przeszkadza...

    Jeśli chodzi o przejście od pomysłu do realizacji: jakiego rzędu kwota mogłaby wchodzić w rachubę, gdyby wziąć pod uwagę budowę takiego urządzenia niekoniecznie amatorsko - czyli pewnie drogie podzespoły oraz wkład pracy zespołu (?) wykonawczego. Jak napisałem, jest mi to potrzebne do badań, a czasem w ramach badań można podziałać nieco bardziej niż amatorsko...

    A tak na marginesie - dziękuję za żywe zainteresowanie zagadnieniem.
  • #14
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    Gdyby zastosować ultradźwięki to emitowane sygnały mogłyby przeszkadzać np. nietoperzom. Pewnie by odleciały gdzieś. Innych wpływów bym nie oczekiwał. Przy odpowiednio dobranej częstotliwości zasięg takich dźwięków będzie niezbyt wielki.

    Kosztu realizacji takiego systemu nie można szacować od razu. Trzeba go realizować w przynajmniej dwóch etapach i być może po pierwszym etapie będzie on już znany. Tu wchodzą na pewno w grę sumy rzędu kilkuset tysięcy zł.
  • #15
    WAKWAK
    Level 9  
    Kwota jednak nieosiągalna...
    Ale - rozważając akademicko już nieco trochę - największe szanse rokują: ultradźwięki, THz, podczerwień czy - wrócę dla porządku - fale radiowe?
  • #16
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    WAKWAK wrote:
    Kwota jednak nieosiągalna...
    Ale - rozważając akademicko już nieco trochę - największe szanse rokują: ultradźwięki, THz, podczerwień czy - wrócę dla porządku - fale radiowe?


    Z grubsza tak.
  • #18
    agent.orange
    Level 15  
    WAKWAK wrote:
    Mam pytanie odnośnie następującego układu lokalizacyjnego:

    Cztery nieruchome czujniki zainstalowane w jednej płaszczyźnie tworzące prostokąt o wymiarach 15,0 m x 40,0 m i jeden czujnik zainstalowany ok. 5,0 m powyżej tej płaszczyzny w jej środku.
    Z jaką dokładnością i jakimi metodami można mierzyć przemieszczenie pionowe czujnika w środku?


    W sumie bez podstawowych danych ("do czego to ma służyć") trudno cokolwiek powiedzieć - jak na razie ludzie proponują jakieś rozwiązania a potem piszesz że nie bo coś-tam (zwierzęta i ultradźwięki). Może trzeba to rozwiązać inaczej: zamontować czujnik przesunięcia na mechanizmie poruszającym ruchomym czujnikiem.

    Od razu piszę: THz odpadają - brak tanich i prostych źródeł, z detektorami tak samo.
  • #19
    Nuspakk
    Level 10  
    Witam!
    Chciałbym odnowić temat.
    Myślał ktoś może nad umieszczeniem jakiegoś markera na poruszającym się przedmiocie?
    Pozdrawiam!
  • #20
    Wieslaw Bicz

    Level 18  
    Wygląda na to, że cały czas była mowa o tym, żeby taki marker umieszczać.