¿Cómo puedo medir las RPM de un Frisbee?

Me gustaría hacer un pequeño dispositivo que pueda pegar en un Frisbee que pueda medir estadísticas como RPM/velocidad del Frisbee cuando se lanza. ¿Sería esto realmente posible?

Estaba investigando la comunicación de campo cercano para transferir los datos del Frisbee a un teléfono inteligente, pero es solo una idea. Parece que sería difícil hacer algo lo suficientemente pequeño como para no afectar el vuelo del frisbee. ¿Alguien puede pensar en alguna idea para esto?

Toda la fuerza de rotación sería tangente a la trayectoria circular del Frisbee. Me imagino que esta fuerza tangencial es proporcional a las RPM de alguna manera, por lo que podría ser algo a tener en cuenta. Cualquier dispositivo que mida la velocidad del aire sería bastante pesado o introduciría una resistencia significativa a través de la fricción. La idea inmediata que me viene a la mente sería un punto pintado en el dispositivo y el uso de una cámara terrestre que capture el movimiento.
Pondría un sensor de luz en el frisbee apuntando hacia afuera y vería qué tipo de datos recopila cuando gira. Apuesto a que existe una correlación entre la tasa de cambios y RPM.
@MathewFoscarini, me gusta esa idea. Estaba pensando en experimentos usando acelerómetros y sensores de fuerza para ver si existe alguna relación entre la fuerza y ​​las RPM. Si tomó su idea y colocó el Frisbee en un entorno controlado en el que una luz brillante fija estaba en una pared, entonces la respuesta del sensor de luz podría usarse para determinar cuántas veces por segundo (escala por minuto para RPM) que la luz fija se detecta luz.
@sherrellbc si el frisbee tiene dos sensores de luz en los extremos polares entre sí, entonces solo necesita cronometrar la diferencia entre los picos. Así miden la velocidad de los coches usando tiras en la carretera.
Si decide utilizar sensores a bordo, ¿necesita los datos en tiempo real? Puede reducir la electrónica (y los requisitos de energía) almacenando los datos en la memoria RAM del micro y luego descargándolos después de que termine el vuelo.
Creo que poner un patrón en el frisbee (tal vez solo una línea) y filmarlo será una ruta mucho más fácil para obtener algunos datos realistas.
Podrías colocar un iPhone debajo del frisbee y registrar todos los sensores usando una aplicación simple. Esto al menos le dirá si los giroscopios tienen alguna posibilidad de funcionar. Usaría el teléfono de tu novia... dile que es para ciencia.
No estoy buscando datos en tiempo real; la descarga posterior funcionaría bien. Pero parece que sería complicado para el circuito saber cuándo comienza y termina un lanzamiento.
@Barodapride, si elige algo como un sensor de luz controlado por una MCU, simplemente puede establecer intervalos de 10 segundos (ejemplo arbitrario) en los que se recopilan datos válidos. Podría tener un LED parpadeante o algo que indique cuándo ha comenzado un período de muestreo válido. Dependiendo del tamaño de la EEPROM de su MCU, puede almacenar varias "ejecuciones" de datos. Luego simplemente descarga la EEPROM y analiza los datos quizás usando otro programa escrito por usted.
Parece que no sería confiable usar un sensor de luz porque tendrías que estar en una habitación con una fuente de luz fija como dijiste. Tal vez solo funcionaría en días soleados.
@Barodapride "Pero parece que sería complicado para el circuito saber cuándo comienza y termina un lanzamiento". Un acelerómetro se encargaría de eso.
Cualquier cosa que pongas en el frisbee tendrá que ser muy ligera (unos pocos gramos como máximo) para evitar que impacte significativamente en su vuelo, aunque puedes reducir el efecto distribuyendo el peso simétricamente entre los lados opuestos del disco.
@DavidZ +1 ... poner cualquier cosa en el disco alterará su vuelo de múltiples maneras: algunas obvias (equilibrio, arrastre asimétrico), algunas sutiles (momento de inercia alterado). Los discos utilizados en competición tienen requisitos no solo sobre la masa y el tamaño totales, sino también sobre cómo se distribuye esa masa. Más masa en el exterior de un disco significa que girará más tiempo y de manera más estable; agregar sensores puede significar que está midiendo su configuración específica y no la situación original.
@Barodapride: ¿Con qué frecuencia se encuentra en un lugar con una fuente de luz móvil?
Me acabo de dar cuenta de cuántos votos a favor obtuvo Mathew por su comentario sobre los patrones de color y la filmación. ¡Dije exactamente lo mismo en mi segunda publicación de esta pregunta! Joder, mala suerte.

Respuestas (14)

Fuera de mi cabeza aquí hay una idea. Construya un pequeño generador de tonos y un pequeño altavoz en el frisbee con el altavoz alrededor del borde (masa equilibrada en el otro lado, por supuesto).

Cuando gira el frisbee, puede grabar el sonido que se hace y tendrá funciones doppler dependiendo de qué tan rápido esté girando. Si puede analizar los datos registrados, debería poder determinar la velocidad de rotación.

Como beneficio adicional, ni siquiera necesita medir la cantidad de desplazamiento Doppler. La frecuencia a la que varía el tono es suficiente.
@SteveJessop sí, esa es la idea.
¿Colocar algo en el borde del disco no multiplicará el impacto que tiene en su momento de inercia? La aerodinámica también puede ser un problema.
@laindir Tiene que hacerse con cuidado, por supuesto.
No necesita colocarlo en el borde, solo apúntelo hacia el borde. La mayoría de los altavoces pequeños tienen cierto grado de direccionalidad.
No estoy seguro de esto; ¿Pero las RPM comparativamente bajas de un Frisbee frente a su velocidad lineal no significan que sería difícil distinguir entre las dos causas diferentes?
La velocidad lineal resta valor a doppler + y doppler, lo mismo creo
Coloque el micrófono en cualquier extremo del vuelo, y ahora el doppler de velocidad lineal es un efecto de modo común y se cancela. Se convierte en un efecto de amplitud con la distancia, por supuesto. Apuesto a que las entrañas de una tarjeta de felicitación musical proporcionan todo lo que necesitas para probarlo...
Pero el peso añadido influirá en la medición, es decir, ralentizará el frisbee.
Los frisbees de @GeertGoeteyn pesan X gramos y las cosas añadidas pesarán un poco menos de X gramos, por lo tanto, para igualar, puede quitar peso del frisbee para acomodar el aumento de peso. Teniendo en cuenta que no existe un estándar universal que dicte qué tan pesado debe ser un frisbee, ¿agregar unos pocos gramos es un gran problema?
@Andyaka, pero como el altavoz debe montarse en el borde del frisbee para observar los mejores artefactos doppler; tendrías que eliminar más masa de manera uniforme en todo el frisbee que la masa del sistema de altavoces (podemos usar el teorema del eje paralelo para determinar el efecto sobre el momento de inercia). ∼ metro r 2 , dónde metro es la masa del sistema de altavoces y r es el radio del frisbee)?
Esto parece una idea interesante pero demasiado complicada y propensa a errores; el sonido de otras fuentes, el viento, etc. pueden afectar el resultado y se gastaría una cantidad significativa de esfuerzo tratando de analizar los datos. Un acelerómetro debería ser suficiente, y con bajo consumo de energía (y por lo tanto menos peso de batería) y peso ligero. Este tipo ya lo hizo.

Las RPM de un frisbee son algo así como 10 rps, por lo que puede pintar con aerosol un patrón en blanco y negro sobre el frisbee y grabarlo en video. Una videocámara de 60 fps (120 campos por segundo) debería poder capturarlo de manera bastante confiable.

Para la noche, monte un diminuto LED superbrillante y una celda de litio balanceada mecánicamente.

Para la noche, un pequeño trozo de cinta reflectante en el frisbee e iluminadores IR en la cámara.
@JohnU seguro ... cinta retrorreflectante e iluminación visible o IR en la cámara.
Además de ser la más simple, de las respuestas enviadas hasta ahora, esta también tiene el menor impacto en las características de vuelo del disco. +1
La gran mayoría de las cámaras de 60 fps en realidad no capturan 120 campos por segundo. Se verá borroso o distorsionado según el tipo de sensor, por lo que puede que no sea fácil calcular de forma fiable en cualquier cosa que no sea una cámara de gama alta o de alta velocidad.
Para mejores resultados, a través o lejos de la cámara. Una fuente de luz brillante en la cámara y una cinta retrorreflectante en el disco probablemente funcionen siempre que la luz ambiental sea lo suficientemente tenue para que pueda resolver los destellos. Querrá una cámara diseñada para velocidades de cuadro más altas si puede obtenerla para la resolución temporal adicional.
@RBerteig Por lo general, las cámaras de alta velocidad de fotogramas se anuncian como capaces de "cámara lenta" (grabar a alta velocidad de fotogramas)
@SpehroPefhany sí. A menos que tengan una velocidad de fotogramas realmente alta y se vendan para investigación, donde no es necesario explicar para qué sirven. Se pueden tener 10000 cuadros por segundo, pero no en mi presupuesto de juguete. El campo de los deportes profesionales tiene muchas cámaras de cámara lenta interesantes, algunas de las cuales son sorprendentemente económicas y probablemente se adapten a esto. Cualquier cosa diseñada para ver tu swing de golf será lo suficientemente rápido, por ejemplo. 60 fotogramas por segundo es sorprendentemente lento para los estudios de movimiento, pero 240 suele ser suficiente y no es tan difícil de construir.
Mi respuesta es similar a la tuya, excepto que sugiero usar una luz estroboscópica en lugar de una cámara de video. Obtiene velocidades de cuadro más rápidas e imágenes potencialmente más limpias.
Creo que capturar el vuelo con la cámara con la calidad suficiente sin cambiar demasiado el ángulo o la distancia podría no ser trivial: los frisbees pueden moverse bastante rápido.
Capturar datos de vuelo con una cámara será difícil. Considere la longitud de la trayectoria de un frisbee. Si lanza un frisbee 50 pies, debe rastrearlo con una cámara a mano (el seguimiento automático estaría más allá del alcance aquí) y asegurarse de que siempre esté lo suficientemente ampliado para obtener una buena lectura, o tener una distancia lo suficientemente alta. cámara de alta resolución para mantener una buena precisión cuando el frisbee está más lejos. Esto supone una cámara con un buen obturador de alta velocidad para reducir también el desenfoque de movimiento. Estás olvidando que la cámara tiene que ver el frisbee a través de su trayectoria de vuelo.
(Es decir, tiene que cubrir un volumen de visualización muy grande, sin mencionar que tiene que compensar el ángulo del frisbee e implementar el software de análisis para convertir caminos irregulares "rizados" a través del marco en lecturas de RPM, ciertamente factible pero tampoco trivial .)

Hay un documento que describe un método para hacer precisamente esto aquí: Mediciones de dinámica de vuelo en un frisbee instrumentado . Las técnicas funcionaron bien; Usaría esto como punto de partida.

Esencialmente era un microcontrolador (BS2IC) y un acelerómetro de 2 ejes (ADXL202), montados en el centro del frisbee con pegamento de silicona y luego equilibrados por las baterías (CR2032) que estaban montadas con cinta adhesiva. El hardware fue elegido específicamente por su bajo consumo de energía.

Se montó un pequeño interruptor cerca del borde para permitir una fácil activación cerca del momento del lanzamiento, nuevamente para reducir el consumo de energía y también porque el espacio para el registro de datos es limitado:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Mi propia idea al leer su pregunta fue montar un acelerómetro/sensor de presión de 1 eje cerca del borde del frisbee y medir la fuerza centrífuga, aunque montarlo cerca del borde puede dificultar el equilibrio. El acelerómetro de 2 ejes no es un gran paso adelante y terminas obteniendo muchos más datos de él.

Puede usar un sistema de radio de campo cercano de baja potencia como Zigbee (o Bluetooth; que es menos conveniente para la configuración inicial y requiere al menos agregar un botón o alguna otra lógica para ayudar a que el emparejamiento sea utilizable pero compatible de forma nativa con muchos dispositivos, por ejemplo, su teléfono inteligente) para transmitir datos a un dispositivo cercano, o puede registrar datos en el microcontrolador y recuperarlos más tarde.

En cualquier caso, ese documento obtuvo algunos datos interesantes. En particular, tenga en cuenta la observación del autor de que los datos directos se pueden extraer más fácilmente durante períodos constantes de lecturas del acelerómetro:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ese gráfico ofrece una buena vista de cómo el bamboleo inicial se estabiliza durante el vuelo, así como la fuerza centrífuga.

Realmente no parece necesario complicarlo demasiado con sensores de luz/sonido; aunque si lo hace, registraría / transmitiría datos sin procesar y haría el procesamiento real en el dispositivo receptor para limitar el consumo de energía y los requisitos de rendimiento del microprocesador, a expensas de mayores requisitos de memoria (para el registro).

Dos pequeños circuitos integrados SMD, uno un acelerómetro, el otro un giroscopio, en los extremos opuestos de un FPC, con un microcontrolador, EEPROM y una batería de celda de moneda igualmente equilibrados en el medio del frisbee. Mínimo peso y fricción del aire. Haga que el microcontrolador registre la salida del IC en la EEPROM. La combinación del acelerómetro graficado y la salida del giroscopio le dará una aproximación de la velocidad y las rpm.

FPC no es necesario; algunos PCB personalizados delgados con un cable magnético que los conecta también funcionarían. Estamos hablando de gramos y onzas como máximo de todos modos.

Para el acceso inalámbrico, un microcontrolador o SoC con Bluetooth de bajo consumo sería genial. Mire la etiqueta del sensor de Texas Instruments para obtener un kit de desarrollo completo que tiene un acelerómetro y giroscopios SoC e I²C habilitados para BTLE , así como ejemplos de aplicaciones para iPhone/Android alimentados por una sola celda de moneda CR2032 Demonios, podría tomar la etiqueta del sensor, quitar el rojo carcasa, y péguelo en el disco volador y el resto está extrayendo datos de la aplicación gratuita.

Si otros comentarios son correctos, y un frisbee gira a 10 Hz, con un radio de 0,1 m, eso le daría 40G=(2*pi*0,1*10)**2/0,1/9,8 El acelerómetro tendría que entrar desde el borde a menos que hayan salido con acelerómetros mejores/más fuertes, y la cantidad de matemáticas y la deriva de los sensores harían de este uno de los métodos más difíciles.
@horta como dije, el acelerómetro al final de un fpc, en el borde exterior.
¿Por qué el acelerómetro en absoluto? Estarías midiendo la suma de la fuerza centrípeta y los vectores de gravedad. ¿Cómo te da eso una buena medida de RPM o velocidad lineal?
@Samuel siéntase libre de dar su propia respuesta
Las soluciones razonables parecen estar bien representadas, por lo que hay poca necesidad. Tampoco hay necesidad de estar a la defensiva, estaba cuestionando una posible falla en una idea , no en ti.
Se mencionó en otra parte que un problema con los giroscopios es encontrar alguno que funcione en el rango de ~10 rev/s (hay algunos, pero no muchos); una alternativa interesante sería intentar usar un acelerómetro (+/- 100G) a una distancia conocida del centro para retroceder las rpm de la fuerza centrípeta.
@Samuel mira la respuesta de Jason C

Solo lanzando una idea, no tengo idea de cuán factible es: los giroscopios MEMS son sensores pequeños, rentables y de baja potencia capaces de medir la velocidad angular. En cuanto a medir la velocidad, suponiendo que te refieres a la velocidad lineal y no angular, entonces lo único que se me ocurre que no es extremadamente complejo es usar un módulo GPS como este . Dadas dos posiciones consecutivas y sabiendo cuándo se realizó cada medición, puede calcular fácilmente la velocidad lineal.

Investigué esto porque planeo construir uno de estos: youtube.com/watch?v=1n6ZmwzSL0Y pero los giroscopios no son lo suficientemente rápidos. Lo único que funcionaría son las brújulas digitales, que es lo que usaron los chicos del MIT y Embry Riddle.
Esa opción de GPS no está mal; puede ser un poco pesado, pero el consumo de energía es de solo 56 mA. Un microcontrolador de 30-60mA de baja potencia con eso podría funcionar con un par de CR2032 durante aproximadamente 2 horas, que es espacio de sobra. Sin embargo, la interfaz de usuario puede ser un problema: desearía una forma de determinar si el GPS estaba bloqueado o no para no desperdiciar lanzamientos, tal vez solo un pequeño LED verde o algo así.
Esto bien puede estar fuera de su rango de precio, pero puede medir hasta 50k dps, lo que equivale a 8300 RPM, lo que supongo que es suficiente: analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXRS649.pdf

Puede medir la velocidad de rotación con un acelerómetro orientado radialmente. La aceleración 'hacia afuera' desde el centro del frisbee indica rotación (o que el frisbee está en ángulo, pero puede promediar eso). Dado que conoce la distancia desde el centro hasta el acelerómetro, es un cálculo simple de aceleración de rotación.

Esta parece la solución más simple, ¿dónde puedo aprender a conectar un acelerómetro y medir los datos?
@Barodapride ehow.com/… para el concepto, y cualquier tutorial de microcontrolador+acelerómetro para la implementación
@Sparr obtener la velocidad con precisión será el desafío. La deriva y un vector de velocidad en constante cambio desde el punto de vista de los acelerómetros serán difíciles de resolver. En realidad, un cronómetro y una herramienta de medición de distancia pueden ser una muy buena manera de obtener la velocidad promedio. Mientras que la rotación se puede hacer mejor a través del acelerómetro.
+1 Esta es, con mucho, la solución más sensata, de bajo consumo, peso ligero, fácil de examinar los datos. @Barodapride Visite lpl.arizona.edu/~rlorenz/frisbee/MSTfrisbee.pdf
Si el frisbee está volando perfectamente nivelado, la aceleración debe ser una disminución suave sin componente de RPM. Si el frisbee está en un ángulo, el componente de la gravedad fuera de lo normal modularía la señal de manera detectable.
@KalleMP puede calcular la velocidad de rotación a partir de una sola muestra de aceleración, en función de la distancia desde el centro del frisbee hasta el sensor.
@Sparr Ahh, ahora lo entiendo, medirás la aceleración centrípeta y no la frecuencia de la oscilación, es hora de que me quede callado ahora.

Muchos de estos deberían poder hacerse muy ligeros y pequeños:

Un acelerómetro que apunta en algún ángulo entre radial y vertical tendrá un componente de gravedad variable a medida que gira. Incluso uno radial tendrá esto excepto cuando el vuelo sea exactamente horizontal.

En la mayoría de los casos, un sensor de luz también hará lo mismo. A medida que transita entre las características del suelo o del suelo al cielo y viceversa, verá cambios de brillo y estos tendrán un componente de velocidad de rotación correlativo.

Un LED que transmite radialmente con una frecuencia de modulación podrá detectarse electrónicamente a una distancia considerable. Puede buscar la modulación o podría grabarla en video y buscar la firma LED en cuadros (posiblemente más difícil).

Si proporciona una fuente modulada estacionaria que la ilumina, puede colocar un detector en el Frisbee. Si es aceptable que otra persona ayude con el seguimiento del haz, puede ser más estricto y pueden localizar a simple vista para seguirlo. Un simple sitio de poste y círculo o dos anillos probablemente permitirán que un rayo de 30 grados se mantenga en el frisbee, lo que aumentará mucho el nivel de la señal.

RF dfing debería ser viable.

Las fuerzas de la presión del aire probablemente varíen en un punto de la periferia a medida que el frisbee gira mientras está en tránsito. Un sensor de presión con un puerto en la llanta debería ver un patrón repetido.

La parte más difícil, ópticamente, es apuntar a un frisbee en vuelo. Aparte de eso, puedes hacerlo todo ópticamente.

  • Dado que el momento de rotación del frisbee no cambia durante el vuelo, podemos asumir con seguridad que la rotación más rápida ocurrirá justo después de que el usuario lance el frisbee. Entonces, para apuntar al frisbee, puede enfocarse en el usuario mientras lanza el juguete.

  • Haz el experimento por la noche, con un frisbee oscuro con una fina tira pintada alrededor del borde exterior y una mancha blanca gruesa en una parte del borde exterior. Constrúyase una lámpara estroboscópica (muchas piezas de bricolaje están disponibles en línea, o alquile una).

  • Tome prestada la DSLR de alguien, configúrela en modo Bulb (o obturador de 30 segundos). Use un ISO bajo y una apertura muy pequeña ya que desea profundidad de campo y baja ganancia.

  • Encuentre un amigo con un buen brazo y dispuesto a lanzar un frisbee cien veces por el bien de la ciencia.

  • Juega con la configuración de frecuencia estroboscópica y la configuración de la cámara.

  • Calcula la frecuencia. Recuerda que el teorema de Nyquist pone un límite superior a la frecuencia máxima que puedes medir.

Esto intercambia la velocidad de fotogramas de una cámara por la frecuencia de pulso de una luz estroboscópica. Agregar algo (¿un aspa de ventilador?) con movimiento conocido a la imagen como referencia ayudará a precisar los errores de medición. Use un retrorreflector para la "mancha" para obtener la mejor SNR.
+1 por reemplazar el blob con un retroflector La ventaja de la luz estroboscópica es que puede obtener una velocidad de fotogramas mucho más alta (de todos modos) y probablemente imágenes más limpias, ya que las DSLR estándar no están diseñadas para esto.
"Calcular la frecuencia" es mucho más tedioso y propenso a errores de lo que parece. Supongo que el objetivo de este proyecto era también divertirse mientras tanto.

Una cámara con un frisbee debidamente pintado es una buena solución de baja tecnología. Sin embargo, si insiste en una solución electrónica, una de las pocas cosas que funcionaría es usar una brújula digital.

Investigué este problema porque planeo construir un monocóptero (consulte: http://www.youtube.com/watch?v=1n6ZmwzSL0Y ) y descubrí que los giroscopios no tienen una velocidad lo suficientemente rápida. para hacerlo. No es el problema de la tasa de datos, sino uno más básico de la velocidad angular máxima medible por los giroscopios como se indica en las hojas de datos. La mayoría de los giroscopios (de hecho, todos los que he visto) simplemente informarán algo como 0xffff todo el tiempo cuando estén conectados a algo como un frisbee.

Sin embargo, la brújula digital no tiene este problema porque no mide la velocidad angular sino la posición/rumbo absolutos. De hecho, los monocópteros exitosos como los del MIT y Embry Riddle usan una brújula digital para orientarse.

Otra solución que he considerado es un detector de luz. Algo como esto: https://www.sparkfun.com/products/9768 . Luego, simplemente busque el punto más brillante y asuma que es el sol y mida la duración entre los puntos brillantes para obtener el tiempo de una sola rotación.

Coloque algún sensor de luz con un campo de visión estrecho + chip que pueda detectar los pulsos de luz recibidos y su intervalo. Filtre la luz recibida por alguna frecuencia para evitar la detección falsa y haga que la fuente de luz coincida con esa frecuencia.

Descarga los datos del disco.

Esto es bastante inteligente, pero sería difícil durante el día.

Busca "Cámara Frisbee". Usaron una paleta para evitar que la cámara girara. La misma idea podría usarse para evitar que un sensor óptico gire y pueda contar las marcas que pasan para medir las rpm.

El giroscopio bluetooth TI cc2541 podría usarse para esto. Solo $25 y solo pesa una onza o dos. http://www.ti.com/tool/cc2541dk-sensor

Puede usar un acelerómetro como MMA8451 y agregarle un módulo Bluetooth HC06 y un pequeño microcontrolador. Las RPM son fáciles de calcular. ¡Usted lee la fuerza a lo largo del eje Z! Ahora tienes tu fuerza centrífuga. Esta fuerza simplemente aumenta proporcionalmente a las RPM.

Hola Stefan, bienvenido a EE! Eliminé la parte de saludos de su respuesta porque este tablero se adhiere a un formato de preguntas y respuestas en lugar de un formato de foro. Eche un vistazo, busque buenas respuestas y léalas para comprender cuál es la idea.
f = m·Ω²·r para la fuerza centrípeta, es decir, la fuerza aumenta proporcionalmente al cuadrado de RPM.

Consideraría optar por un sensor de luz detrás de una rendija como parte de un oscilador alimentado a un portador de rf simple: podría recibir la señal y la variación del tono le daría la cantidad de veces por segundo que la luz más brillante pasó el ranura. También podría considerar usar una hormiga DF para verificar la posición del Frisbee y obtener la velocidad absoluta y de rotación.

¿Cómo puedo medir las RPM de un Frisbee?
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