Pinaliit na Nakasuot na Lock-in Amplifier (at Sonar System para sa Mga Nakasuot, Atbp ..): 7 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Bumuo ng isang pinaliit na low-cost lock-in amplifier na maaaring mai-embed sa mga frame ng eyeglass at upang lumikha ng isang sonar vision system para sa mga bulag, o isang simpleng ultrasound machine na patuloy na sinusubaybayan ang iyong puso at gumagamit ng Human-Machine Learning upang bigyan ng babala ang mga problema bago sila mangyari

Ang isang lock-in amplifier ay isang amplifier na maaaring mag-lock-in sa isang tukoy na signal (sanggunian na input) habang hindi pinapansin ang iba pa. Sa isang mundo ng patuloy na pambobomba na may ingay at nakakagambala, ang kakayahang balewalain ang isang bagay (hal. Ignor-ance) ay isang mahalagang pag-aari.

Ang pinakamahusay na amplifier na naitayo sa buong kasaysayan ng sangkatauhan ay ang PAR124A na ginawa noong 1961, at habang marami ang nagtangkang malampasan o pantay ang pagganap nito, wala namang nagtagumpay [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Ang mga lock-in amplifier ay mahalaga sa sonar, radar, tutupar, at maraming iba pang mga uri ng sensing, at ang magagaling ay karaniwang nagkakahalaga ng humigit-kumulang na $ 10, 000 hanggang $ 50, 000, depende sa mga pagtutukoy, atbp.

S. Mann, Stanford University, Kagawaran ng Electrical Engineering, 2017.

Cite Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 pp. 63-70

Hakbang 1: Kunin ang Mga Sangkap

Ang naisusuot na WearTech na estudyanteng club ng mag-aaral sa Unibersidad ng Toronto ay bukas-palad na nag-abuloy ng isang mga kit sa bawat mag-aaral na nakatala sa ECE516.

Maaari kang sumali sa WearTech at makakuha ng isang bahagi ng kit, o kahalili, bumili ng mga bahagi mula sa Digikey.

Bill of Materials:

• Signal generator (na magkakaroon ka pa rin mula sa Lab 1 at sa una ay hindi mo kakailanganin ang buong kumplikadong generator ng signal, ibig sabihin, para sa unang bahagi ng lab na ito, gagawin ang anumang angkop na generator ng signal na talagang nagkakahalaga);
• LM567 o NE567 tone decoder (8-pin chip);
• R_T = tuktok na risistor ng sanggunian na input ng boltahe ng divider: tinatayang. 5340 ohms;
• R_B = ilalim na risistor ng sanggunian na input voltage divider: tinatayang. 4660 ohms;
• R_L = load resistor para sa output (Pin 3): tinatayang 9212 ohms;
• Ang tatlong capacitor (mga capacitor ng pagkabit para sa sanggunian at pag-input ng signal, pati na rin ang lowpass filter capacitor sa output);
• Opsyonal na switch;
• Ang output amplifier tulad ng TL974 (maaari mo ring gamitin ang isang sapat na sensitibong audio amplifier o headphone amplifier na may sapat na mataas na impedance sa pag-input upang hindi ma-overload ang output filter capacitor);
• Iba pang mga magkakaibang sangkap;
• Breadboard o iba pang circuitboard para sa pagpupulong ng mga sangkap.

Bilang karagdagan, upang makagawa ng isang bagay na kapaki-pakinabang sa lock-in amplifier, gugustuhin mong makakuha ng:

• Mga ultrasonic transduser (dami ng dalawa);
• Audio headset o speaker system;
• Computer system o processor o microcontroller (mula sa Lab 1) para sa bahagi ng pag-aaral ng makina.

R_T, R_B, at R_L ay medyo kritikal, ibig sabihin, mga halagang pinili nating maingat sa pamamagitan ng pag-eeksperimento.

Hakbang 2: Wire Up ang Mga Components

Ikonekta ang mga bahagi ayon sa ipinakitang diagram.

Ang diagram ay isang magandang timpla sa pagitan ng isang eskematiko diagram at isang diagram ng mga kable, ibig sabihin ipinapakita nito ang layout ng circuit pati na rin kung paano nakakonekta ang circuit.

Ang paraan kung saan ginagamit ang 567 tone decoder ay itinuturing ng ilan bilang isang malikhaing pag-alis mula sa normal na maginoo na paggamit nito. Karaniwan ang Pin 8 ay ang output pin, ngunit hindi namin iyon ginagamit sa lahat. Karaniwan ang aparato ay nakakakita ng isang tono at nagbukas ng isang ilaw o iba pang item kapag nakita ang tono.

Narito ginagamit namin ito sa isang paraan na ganap na naiiba mula sa paraan kung saan inilaan itong gamitin.

Sa halip, kumukuha kami ng output sa Pin 1 na siyang output ng isang "Phase Detector". Sinasamantala namin ang katotohanang ang isang "Phase Detector" ay isang multiplier lamang.

Gayundin, ang Pin 6 ay karaniwang ginagamit bilang isang koneksyon ng kapasitor ng tiyempo.

Sa halip, malikhaing, ginagamit namin ang Pin 6 bilang sanggunian na input para sa paggamit ng 567 chip bilang isang lock-in amplifier. Pinapayagan kaming ma-access ang multiplier sa isa sa mga input nito.

Upang makuha ang maximum na pagiging sensitibo sa mga sanggunian na input, nalaman namin na kung bias namin ang pin na ito sa 46.6% ng supply rail, at capacitively na mag-asawa dito, nakakakuha kami ng pinakamahusay na mga resulta. Maaari mo ring subukang pakainin ang signal ng sanggunian nang direkta dito, tulad ng ipinahiwatig ng switch (maaari mo lamang gamitin ang isang jumper wire sa iyong breadboard sa halip na ang switch).

Ang nag-iisang input / output pin na ginagamit namin ng maginoo (ibig sabihin, ang paraang ginamit na gamitin ito) ay ang Pin 3 na dapat gamitin bilang input, na talagang ginagamit namin bilang input!

Hakbang 3: Ilagay ang Lock-in Amplifier sa Mahusay na Paggamit: Tulong sa Pangitain para sa Bulag

Nais naming gamitin ang lock-in amplifier upang lumikha ng isang tulong sa paningin (nakakakita ng tulong) para sa mga bulag.

Ang ideya dito ay ginagamit namin ito para sa sonar, upang lumikha ng isang Doppler sonar sensing system.

Bagaman maaari kang bumili ng isang sonar sensor bilang isang kalakip na Arduino, pipiliin naming itayo ang system sa aming sarili mula sa mga unang prinsipyo sa Instructable na ito para sa mga sumusunod na kadahilanan:

1. Malalaman ng mga mag-aaral ang mga pangunahing kaalaman kapag itinayo nila ang mga bagay sa kanilang sarili;
2. Binibigyan ka nito ng direktang pag-access sa mga hilaw na signal para sa karagdagang pagsasaliksik at pag-unlad;
3. Ang system ay mas tumutugon at madalian, kumpara sa mga naka-prepack na system na nag-uulat lamang ng pinagsamang impormasyon na may medyo pagkaantala (latency).

I-mount ang dalawang mga transduser ng ultrasound sa isang headset (headphone), na nakaharap. Nais naming ilagay ang mga ito sa magkabilang panig upang ang ulo ay kalasag sa transmiter mula sa direktang signal mula sa tatanggap.

Ikonekta ang mga ito sa lock-in amplifier ayon sa ibinigay na diagram.

Ikonekta ang isang output ng amplifier sa headset. Ang uri ng "Extra Bass" na headset ay pinakamahusay na gumagana, dahil ang tugon sa dalas ay umaabot hanggang sa pinakamababang mga frequency.

Ngayon ay makakarinig ka ng mga bagay sa silid at bumuo ng isang mental visual na mapa ng mga bagay ng silid na gumagalaw.

Hakbang 4: Pag-aaral ng Human-Machine

Ang "Ama ng AI", si Marvin Minsky (inimbento niya ang buong larangan ng pag-aaral ng makina), kasama si Ray Kurzweil (Direktor ng Engineering sa Google), at ako mismo, ay nagsulat ng isang papel sa IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance ", 2013) sa isang bagong uri ng pag-aaral ng makina, na tinatawag na Humanistic Intelligence.

Ito ay nagmumula sa pag-aaral ng makina sa mga naisusuot na teknolohiya, ibig sabihin, "HuMachine Learning", kung saan ang mga sensor ay naging isang tunay na pagpapalawak ng isip at katawan.

Subukang kunin ang pagbabalik ng sonar ng Doppler at ibigay ang mga ito sa input ng analog na system ng isang computer, at magpatakbo ng kaunting pag-aaral ng makina sa data na ito.

Dadalhin tayo nito ng isang hakbang na malapit sa paningin ni Simon Haykin tungkol sa isang radar o sonar system na may kakayahang makilala.

Isaalang-alang ang paggamit ng neural network ng LEM (Logon Expectation Maximization).

Tingnan ang

Narito ang ilang karagdagang mga papel sa pag-aaral ng machine at chirplet transform:

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16830941

pdfs.semanticscholar.org/21d3/241e70186a9b…

arxiv.org/pdf/1611.08749.pdf

pdfs.semanticscholar.org/21d3/241e70186a9b…

www.researchgate.net/publication/22007368…

Hakbang 5: Iba Pang Mga Pagkakaiba-iba: Monitor ng Puso

Ang bilang 1 na sanhi ng pagkamatay ay sakit sa puso, at makakalikha tayo ng isang naisusuot na system na makakatulong na tugunan ito. Gumamit ng dalawang hydrophone o geophones upang "makita" sa iyong sariling puso. Ang parehong teknolohiya na tumutulong sa bulag na "makita" ay maaari nang buksan sa loob upang tumingin sa loob ng iyong sariling katawan.

Ang nasabing isang monitor ng puso, na sinamahan ng tradisyonal na ECG pati na rin ang nakaharap sa labas na video para sa konteksto, ay nagbibigay sa iyo ng isang naisusuot na monitor na may kinalaman sa konteksto para sa personal na kalusugan at kaligtasan.

Ang pag-aaral ng makina ay maaaring makatulong na hulaan ang mga problema bago sila bumangon.

Hakbang 6: Iba Pang Pagkakaiba-iba: Sistema ng Kaligtasan ng Bisikleta

Ang isa pang aplikasyon ay isang sistema ng paningin sa likuran para sa isang bisikleta. Ilagay ang mga transduser na nakaharap sa likuran sa isang helmet ng bisikleta.

Dito nais naming balewalain ang kalat sa lupa at sa pangkalahatan ang lahat ng bagay na lumalayo sa iyo, ngunit "nakikita" lamang ang mga bagay na nakukuha sa iyo.

Para sa layuning ito gugustuhin mong gumamit ng isang kumplikadong-nagkakahalaga ng sonar system, tulad ng ipinahiwatig sa mga diagram ng mga kable sa itaas.

Pakain ang mga output (real at haka-haka) sa isang 2-channel na AtoD (Analog to Digital) converter at i-compute ang Fourier transform, pagkatapos ay isaalang-alang lamang ang mga positibong frequency. Kapag may malakas na positibong mga bahagi ng dalas mayroong isang bagay na nakakakuha sa iyo. Maaari nitong buhayin ang isang pagpapalaki ng iyong feed sa likuran-camera, upang tawagan ang pansin sa mga bagay sa likuran mo na nakakakuha sa iyo.

Para sa mas mahusay na mga resulta, kalkulahin ang tranform ng chirplet. Kahit na mas mahusay: gamitin ang Adaptive Chirplet Transform (ACT) at gamitin ang LEM neural network.

Tingnan ang Kabanata 2 ng aklat na "Intelligent Image Processing", John Wiley and Sons, 2001.

Mga karagdagang sanggunian:

wearcam.org/all.pdf

wearcam.org/chirplet.pdf

wearcam.org/chirplet/adaptive_chirplet1991/

wearcam.org/chirplet/adaptive_chirplet1992/…

arxiv.org/pdf/1611.08749.pdf

www.diva-portal.org/smash/get/diva2aktos127523…

Hakbang 7: Iba Pang Pagkakaiba-iba: Binaural Seeing Aid para sa Bulag

Gumamit ng sa itaas na kumplikadong-nagkakahalaga ng lock-in amplifier upang magbigay ng stereoscopic na tunog, na may mga tunay at haka-haka na output sa dalawang mga stereo channel ng audio.

Sa ganitong paraan maaari mong marinig ang kumplikadong likas na katangian ng mundo sa paligid mo, dahil ang pandinig ng tao ay lubos na nakakaayon sa bahagyang mga pagbabago sa yugto, at ito ay napaka sanay sa pag-alam na maunawaan ang banayad na mga pagbabago sa pagitan ng mga in-phase at quadrature channel ng pagbalik ng Doppler.