Como posso medir o RPM de um frisbee?

Eu gostaria de criar um pequeno dispositivo que eu possa usar em um Frisbee que possa medir estatísticas como RPM / velocidade do Frisbee quando lançado. Isso seria realisticamente possível?

Eu estava olhando para a comunicação de campo próximo para transferir os dados do Frisbee para um smartphone, mas é apenas uma ideia. Parece que seria difícil fazer algo pequeno o suficiente para não afetar o vôo do próprio Frisbee. Alguém pode pensar em alguma idéia para isso?

Do alto da minha cabeça, aqui está uma idéia. Construa um pequeno gerador de tons e um alto-falante minúsculo no frisbee, com o alto-falante ao redor da borda (massa equilibrada do outro lado, é claro).

Quando você gira o frisbee, você pode gravar o som que está sendo produzido e ele terá recursos de doppler, dependendo da velocidade da rotação. Se você puder analisar os dados gravados, poderá informar a velocidade de rotação.

O RPM de um frisbee é algo como 10rps, para que você possa pintar um padrão preto e branco no frisbee e gravar em vídeo. Uma câmera de vídeo a 60fps (120 campos por segundo) deve ser capaz de capturá-la com bastante confiabilidade.

Durante a noite, monte um pequeno LED super brilhante e uma célula de lítio balanceada mecanicamente.

Há um artigo descrevendo um método para fazer exatamente isso aqui: Medições da Dinâmica de Vôo em um Frisbee Instrumentado . As técnicas funcionaram bem; Eu usaria isso como ponto de partida.

Essencialmente, era um microcontrolador (BS2IC) e um acelerômetro de 2 eixos (ADXL202), montado no centro do frisbee com cola de silicone e depois equilibrado pelas baterias (CR2032) montadas com fita adesiva. O hardware foi escolhido especificamente por seu baixo consumo de energia.

Um pequeno comutador foi montado próximo à borda para permitir uma ativação fácil no momento do lançamento, novamente para reduzir o consumo de energia e também porque o espaço para o registro de dados é limitado:

Minha própria idéia ao ler sua pergunta foi montar um acelerômetro de 1 eixo / sensor de pressão próximo à borda do frisbee e medir a força centrífuga, embora montar perto da borda possa tornar o balanceamento mais desafiador. O acelerômetro de 2 eixos não é um grande avanço e você acaba obtendo muito mais dados.

Você pode usar um sistema de rádio de campo próximo de baixa potência, como o Zigbee (ou Bluetooth; que é menos conveniente para a configuração inicial e requer pelo menos a adição de um botão ou alguma outra lógica para ajudar a tornar o emparelhamento utilizável, mas suportado nativamente por muitos dispositivos, por exemplo, seu smartphone) para transmitir dados para um dispositivo próximo, ou você pode registrar dados no microcontrolador e recuperá-los mais tarde.

De qualquer forma, esse documento obteve alguns dados interessantes. Em particular, observe a observação do autor de que os dados diretos podem ser extraídos com mais facilidade durante períodos constantes de leituras do acelerômetro:

Esse gráfico fornece uma boa visão da oscilação inicial se tornar estável durante o vôo, bem como a força centrífuga.

Realmente não parece necessário complicar demais com sensores de luz / som; embora, se você fizer isso, eu registraria / transmitiria dados brutos e faria o processamento real no dispositivo receptor para limitar os requisitos de consumo de energia e desempenho do microprocessador, às custas de um aumento nos requisitos de memória (para registro).

Dois pequenos ICs SMD, um acelerômetro e outro giroscópio, nas extremidades opostas de um FPC, com um microcontrolador, EEPROM e bateria de célula tipo moeda igualmente equilibrados na mediana do frisbee. Peso mínimo e atrito do ar. Faça com que o microcontrolador registre a saída do IC na EEPROM. A combinação do acelerômetro gráfico e da saída do giroscópio fornecerá uma aproximação de velocidade e rpm.

FPC não é necessário; alguns PCBs finos e personalizados com um fio magnético conectando-os também funcionariam. De qualquer maneira, estamos falando em gramas e onças.

Para acesso sem fio, seria ótimo um microcontrolador ou SoC com Bluetooth de baixa energia. Olhe para a Texas Instruments Sensor Tag para obter um kit de desenvolvimento completo que possui um acelerômetro e giroscópios SoC e I²C habilitados para BTLE , bem como exemplos de aplicativos para iPhone / Android alimentados por uma única célula tipo moeda CR2032 Inferno, você pode pegar a etiqueta do sensor e remover o invólucro e cole-o no frrisbee e o restante está obtendo dados do aplicativo gratuito.

Apenas lançando uma idéia lá fora, nenhuma idéia de quão viável é: os giroscópios MEMS são pequenos, econômicos, sensores de baixa potência capazes de medir a velocidade angular. Quanto à medição da velocidade, assumindo que você quer dizer velocidade linear e não angular, a única coisa em que consigo pensar que não é extremamente complexo é usar um módulo GPS como este . Dadas duas posições consecutivas e sabendo quando cada medição foi feita, você pode calcular facilmente a velocidade linear.

Você pode medir a velocidade de rotação com um acelerômetro orientado radialmente. A aceleração 'para fora' do centro do frisbee indica rotação (ou o frisbee está em ângulo, mas você pode calcular a média). Como você sabe a distância do centro ao acelerômetro, é um cálculo simples de aceleração rotacional.

Muitos destes devem poder ser feitos muito leves e pequenos:

Um acelerômetro que aponta para algum ângulo entre radial e vertical terá um componente de gravidade variável à medida que gira. Mesmo um radial terá isso, exceto quando o vôo for exatamente horizontal.

Na maioria dos casos, um sensor de luz também faz o mesmo. Ao transitar entre as características do solo ou do solo para o céu e para trás, ele verá mudanças de brilho e elas terão um componente de velocidade de rotação correlacionável.

Um LED transmitindo radialmente com uma frequência de modulação poderá ser detectado eletronicamente a uma distância substancial. Você pode procurar por modulação ou vídeo e procurar a assinatura do LED nos quadros (sem dúvida mais difícil).

Se você fornecer uma fonte modulada de artigos de papelaria que a ilumine, poderá colocar um detector no Frisbee. Se for aceitável que outra pessoa ajude a rastrear o feixe, pode ser mais apertado e eles podem localizar por olho para segui-lo. Um local simples de post e círculo ou dois anéis provavelmente permitirá que um feixe de 30 graus seja mantido no frisbee, aumentando assim o nível do sinal.

O dfing de RF deve ser viável.

As forças de pressão do ar provavelmente variam em um ponto no periférico, à medida que o frisbee gira enquanto em trânsito. Um sensor de pressão com uma porta na borda deve ter um padrão repetido.

A parte mais difícil, opticamente, é mirar um frisbee em voo. Além disso, você pode fazer a coisa toda opticamente.

• Como o momento de rotação do frisbee não muda em voo, podemos assumir com segurança que a rotação mais rápida ocorrerá logo após o usuário iniciar o frisbee. Então, para atingir o frisbee, você pode se concentrar no usuário enquanto ele lança o brinquedo.

• Faça o experimento à noite, com um frisbee escuro com uma tira fina pintada ao redor da borda externa e uma bolha branca grossa em uma parte da borda externa. Crie uma lâmpada estroboscópica (muitos DIY disponíveis on-line ou alugue uma).

• Emprestar a DSLR de alguém, defina-a no modo Bulb (ou obturador de 30 segundos). Use um ISO baixo e uma abertura muito pequena, pois deseja profundidade de campo e baixo ganho.

• Encontre um amigo com um bom braço e vontade de jogar um frisbee cem vezes por causa da ciência.

• Brinque com as configurações de frequência do flash e as configurações da câmera.

• Calcule a frequência. Lembre-se de que o teorema de Nyquist coloca um limite superior na frequência máxima que você pode medir.

Uma câmera com um frisbee adequadamente pintado é uma boa solução de baixa tecnologia. No entanto, se você insistir em uma solução eletrônica, uma das poucas coisas que funcionaria é usar uma bússola digital.

Analisei esse problema porque estou planejando construir um monocopter (consulte: http://www.youtube.com/watch?v=1n6ZmwzSL0Y ) e descobri que os giroscópios não têm uma taxa suficientemente rápida para fazer isso. Não se trata do problema da taxa de dados, mas de uma velocidade mais básica da velocidade angular máxima mensurável pelos giroscópios, conforme indicado nas folhas de dados. A maioria dos giroscópios (na verdade, todos os que eu observei) simplesmente reportam algo como 0xffff o tempo todo quando anexados a algo como um frisbee.

A bússola digital, no entanto, não tem esse problema porque não está medindo a velocidade angular, mas a posição / direção absoluta. De fato, os monocópteros de sucesso, como o MIT e o Embry Riddle, usam bússola digital para orientação.

Outra solução que considerei é um detector de luz. Algo assim: https://www.sparkfun.com/products/9768 . Em seguida, basta procurar o ponto mais brilhante e assumir que é o sol e o tempo que dura entre os pontos brilhantes para obter o tempo de uma única rotação.

Coloque um sensor de luz com um campo de visão estreito + chip que possa detectar os pulsos de luz recebidos e seu intervalo. Filtre a luz recebida por alguma frequência para evitar detecção espúria e faça a fonte de luz corresponder a essa frequência.

Faça o download dos dados do disco.

Procure por "Frisbee Cam". Eles usaram uma palheta para impedir que a câmera girasse. A mesma idéia pode ser usada para impedir que um senor óptico gire, para contar as marcas que passam para medir a rotação.

O giroscópio bluetooth TI cc2541 pode ser usado para isso. Apenas US $ 25 e pesa apenas uma onça ou duas. http://www.ti.com/tool/cc2541dk-sensor

You can use a accelerometer like MMA8451 and add a HC06 Bluetooth Module and a small microcontroller to it. The RPM is easy to calculate.. You read out the force along the Z-Axis! Now you have your centrifugal force. This force is simply increasing proportional to the RPM.

I would consider going for a light sensor behind a slit as a part of an oscillator fed into a simple rf carrier - you could receive the signal and the variation of the tone would give you the number of times per second that the brightest light passed the slot. You could also consider using a DF antto check the position for the Frisbee giving you rotational and absolute velocity.