Como rastrear o movimento de um ovendoor em movimento

No trabalho, estamos medindo vários parâmetros para testar um protótipo de forno recém-projetado. Para tornar as coisas mais eficientes, estou tentando criar uma configuração eletrônica para automatizar a medição, em particular o movimento da porta (de totalmente aberta para totalmente fechada).

O objetivo é medir a velocidade instantânea da porta nos vários pontos de seu movimento, que é um caminho radial fixo. Observe a ênfase no registro instantâneo de velocidade, em oposição a uma velocidade média determinada pelo tempo.

Como posso medir a velocidade do ovendoor / acompanhar seu movimento com razoável precisão? (Erro razoável implicando <1-2 cm / s)

Como é apenas um movimento radial fixo (e nenhum componente ao longo de qualquer outro eixo), e como existe um componente móvel e um componente estacionário, presumo que esse deva ser um problema mais fácil do que, por exemplo, medir a velocidade de um corpo independente como um pessoa ou mão.

Meu primeiro pensamento foi um método baseado em acelerômetro-giroscópio-IMU, ou seja, integrar a aceleração ao longo do tempo para obter a velocidade, mas ler sobre esse assunto sugere que isso levará a erros consideráveis.

Uma sugestão é ter um conjunto de lasers de baixa potência e baratos dispostos em um arco acima do plano superior de rotação da porta, apontando diretamente para baixo. Um arco correspondente de fotodiodos PIN ou fototransistores logo abaixo do plano inferior de rotação da porta pode ser conectado aos pinos GPIO de um microcontrolador, para detectar a interrupção da luz de cada feixe em sequência.

Fiz uma ilustração aproximada do arranjo, usando ângulos de detecção de 5 graus. Essa precisão pode ser reduzida a 1 grau por sensor, se necessário.

Esse laser vermelho do tipo ponto de 5 volts e 5 mW seria suficiente ( cerca de US $ 1 no eBay, incluindo frete internacional ):

Para o sensor, um fotodiodo PIN, como o OP906 ( US $ 0,59 em unidades únicas da Digikey ) pode ser usado:

No código do microcontrolador, os tempos para as sucessivas interrupções do feixe de laser fornecerão uma velocidade de rotação instantânea precisa entre dois pontos separados por 5 graus, conforme a porta for aberta ou fechada.

A taxa de amostragem ADC, a precisão do timer e a velocidade de processamento do microcontrolador determinarão a precisão dos dados alcançáveis.

Uma simplificação útil desse design ( obrigado, @ jippie , por me fazer pensar nessa direção ), se a precisão não for super-crítica, é usar uma única luz de tubo estreita , como um tubo fluorescente de 8 watts ou CFL, acima do porta, para substituir os lasers. Os detectores de luz permaneceriam como estão, a luz seria interrompida em sequência quando a porta se fechasse.

Não estou totalmente ciente do contexto desta porta do forno; mas gostaria de contribuir com uma sugestão.

Que tal um potenciômetro de qualidade na dobradiça da porta? Considere isso: você obtém a posição e a velocidade da porta dessa maneira; esse método é simples e robusto. A obtenção da posição da porta é trivial; através de alguns testes e medições, você pode encontrar o valor da saída do pote em determinadas entradas ou posições da porta.

Além disso, se você diferenciar a posição em relação ao tempo (na prática, você pode simplesmente dividir a taxa de mudança na posição obtida pela taxa de mudança no tempo), obterá a velocidade angular. A partir daí, você pode calcular a velocidade em que a porta está viajando.

Da figura acima, a velocidade angular seria pouco ômega. V é a velocidade que o fim da porta viaja. V, obviamente obtido com velocidade angular multiplicada pelo raio.

Estou surpreso que ninguém tenha mencionado o uso de um codificador ou potenciômetro de cordas. É uma solução bastante simples e precisa. Basicamente, uma string é conectada a um codificador com mola e o codificador mede o movimento da string. Há muito pouca massa móvel e não requer que o eixo do codificador seja colinear com a dobradiça ou exija qualquer modificação na dobradiça, como engrenagens ou correias.

Se o movimento primário for ao longo de um caminho circular, um único giroscópio deverá fornecer precisão suficiente. Exigiria alguma matemática para ir da velocidade angular à velocidade do centro de massa, mas esse é um cálculo único.

Basicamente, se a velocidade é limitada à velocidade angular, um giroscópio + matemática geralmente pode fornecer a velocidade instantânea.

O problema das abordagens do IMU e do tipo dead wreckoning é que, por um longo tempo, você obtém um erro de velocidade composto pela integração da aceleração linear. Isso acontece porque geralmente não há uma boa maneira de determinar genericamente a velocidade linear. Isso fica muito pior ao tentar determinar a posição, considerando desvios de rotação da velocidade linear, etc. etc.

Dependendo do tipo de teste que você está fazendo, você pode aumentar a IMU com um sensor para determinar quando a porta está fechada / em uma posição de parada e usá-la para zerar novamente a IMU. Com essa abordagem, a IMU precisa ser razoavelmente precisa ao longo do tempo necessário para abrir / fechar a porta (presumivelmente apenas alguns segundos), o que acredito ser razoável.