Ideas para medir la posición 2D de un objeto restringido al plano XY

Estoy trabajando en un proyecto y ha surgido un aspecto en el que me gustaría medir (seguir continuamente) la posición X e Y de un objeto en un plano 2D. El objeto es movido por una persona, con el movimiento del objeto restringido al plano 2D (por lo que no hay desplazamiento del eje Z).

imagen1

Restricciones:

  • Me gustaría una resolución de posición medida de 1 mm, idealmente 0,5 mm o mejor.
  • El espacio sobre el que se mueve el objeto es de 30 cm X 30 cm.
  • Cualquiera que sea el método de medición que use, no debería restringir significativamente el movimiento del objeto.
  • Además, suponga que el plano en el que se mueve el objeto es aire y NO una superficie sólida real (por razones específicas del proyecto que son difíciles de verbalizar).
  • La buena noticia es que el objeto está completamente bien para ser modificado según sea necesario (LED en la parte superior, adjuntos de cadena o cualquier otra cosa).

¿Cuál podría ser un método para obtener ese tipo de resolución?

Estoy considerando varios enfoques, pero no sé si alguno de ellos cumplirá con el requisito de resolución. Dado que no hay muchas restricciones en mi sistema existente, estoy de acuerdo incluso con una implementación compleja / voluminosa, siempre que sea lo suficientemente precisa.

Aquí hay un par de mis ideas hasta ahora:

(1) Sensores de rango basados ​​en infrarrojos (solo se necesitan dos en realidad)imagen2

(2) Dos calibradores/micrómetros largos conectados desde el objeto a los ladosimagen3

(3) Dos cuerdas, cada una conectada desde el objeto a una hoja de galgas extensométricas que se dobla libremente en el costadoimagen4

Extrañamente, no me deja insertar imágenes. Un momento por favor...
¡Podrías construir un theremin!
@Nick: Según mi lectura rápida de Wikipedia, el theremin funciona usando la mano como una placa de un condensador (como parte de un circuito LC). ¿Funcionaría esto en un rango de 30 cm (nunca he tocado un theremin) y permitiría una resolución de 0,5 mm?
El rango de 30 cm no sería un problema. Sin embargo, me sorprendería bastante si pudiera obtener una resolución de 0,5 mm. Estoy seguro de que se puede hacer con un buen filtrado y procesamiento de señal... pero no sería yo quien preguntara sobre eso. Por lo tanto, mi sugerencia es un comentario, no una respuesta.
Coloque un potenciómetro en una esquina y adjunte un brazo giratorio. Luego, al final de este brazo, vuelva a colocar otro potenciómetro con otro brazo. El extremo del segundo brazo se mueve a las distintas posiciones, luego los potenciómetros son proporcionales al ángulo que forman. Con un poco de matemáticas puedes calcular la posición exacta.
suena como una pantalla táctil...
cámara y procesamiento de imagen
@Wouter: ¿0,5 a 1 mm con procesamiento de imágenes? Mmm. Probablemente necesitaría una resolución de 300 X 300 al menos para cubrir el cuadrado de 30 cm con una resolución de 1 mm. Dado que las restricciones son bastante relajadas, probablemente podría poner un marcador muy distinto. Sin embargo, tendré que probarlo para ver qué tan bien se resuelve.
¿Terminaste este proyecto? Me encantaría ver lo que fue al final. ¿Hay un video de eso en YouTube?
@Rocketmagnet: Todavía no está terminado; ¡Esto es parte de una configuración más grande! No puedo decirlo con seguridad, pero debería hacerse en los próximos dos meses más o menos. Gracias por todas sus sugerencias en su momento; una variante de uno de ellos es lo que estoy usando.

Respuestas (7)

Idea 4: Esto le dará la mejor precisión. Necesitarás lo siguiente:

Vinculación del codificador deslizante lineal

Adjunte un codificador lineal a cada diapositiva lineal. Organice las dos diapositivas con una separación de 90º y fije el objeto a las diapositivas usando los enlaces. Los codificadores lineales como este se utilizan para aplicaciones de medición de precisión. Con este método, puede lograr fácilmente una resolución de 0,01 mm y una precisión de 0,1 mm, y probablemente lo haga mucho mejor que eso.

Jaja, ¡esta está resultando ser la respuesta más completa (y una contribución de un solo hombre en eso;) para una pregunta de seguimiento de posición!
Esto es un poco similar, aunque con mejor resolución que mi posibilidad declarada de dos calibradores (que sé que son baratos). ¿Alguna idea de lo caros que son estos codificadores lineales?
Puede comprar codificadores lineales en eBay por menos de £ 200. Los rodamientos lineales también pueden ser costosos, pero su aplicación podría salirse con la suya con los cilíndricos más baratos.
Señalado. De hecho, el costo no es un factor demasiado importante, ya que este es solo un proyecto único. Sin embargo, me preocupa si este método en particular podría impedir un poco el movimiento, o ¿los codificadores no tienen mucha fricción o son pesados? (Acabo de editar la pregunta para indicar que se debe permitir que el objeto se mueva con cierta libertad)
Los codificadores son sin contacto. La única fricción provendrá de los cojinetes lineales, que en realidad serán de muy baja fricción. Si desea cero fricción, utilice cojinetes de aire.

Idea 3: Usa una cámara. No sé qué restricciones tiene en su objeto, pero si puede agregar un pequeño LED, entonces el seguimiento con una cámara puede ser pan comido.

Seguimiento LED

Jennifer luce una variedad de rastreadores LED rojos. Perfecto para deslumbrar y confundir a tus amigos.

Sincronice el LED para que parpadee al mismo tiempo que la velocidad de fotogramas de la cámara, de modo que obtenga una imagen con el LED encendido y otra con el LED apagado. Reste las imágenes y ubicar el LED dentro de la imagen es trivial.

Alternativamente, agregue un filtro IR a la cámara, LED IR alrededor de la lente y almacene un marcador retrorreflectante en el objeto. Esto debería aparecer mucho más brillante que el objeto o el entorno.

Cinta retrorreflectante

Alex está modelando una atractiva cinta retrorreflectante que su madre le hizo usar en su bolso.

Actualicé la pregunta para indicar que el objeto está abierto a modificaciones/adjuntos.
Me gusta la idea de sustracción de imagen con LED parpadeante. Para mayor claridad, ¿podría agregar a la Respuesta un comentario sobre la resolución alcanzable? Hice un comentario en la sección Comentarios anterior, indicando que una imagen de 300X300 píxeles sería suficiente (teóricamente) para resolver con una precisión de 1 mm. Pero el hecho de que un LED no sea una fuente puntual podría reducir un poco la resolución.

Idea 1: Utilice dos potenciómetros de cadena .

Olla de hilo

Colócalos a unos 90º de distancia y a 1m del cuadrado para que el objeto se mueva, puedes medir la distancia entre el objeto y la maceta. Puede usar algo de trigonometría para calcular la posición exacta. He visto esto hecho y funciona bien. ¿Puedes obtener la precisión? Debes hacer lo siguiente:

  • Disponga las ollas de tal manera que se utilice aproximadamente el 80% de su alcance.
  • Amortigua las señales de los potenciómetros con seguidores de amplificadores operacionales (amplificadores operacionales de precisión de buena calidad).
  • Utilice un ADC de 12 bits de buena calidad, con una placa de circuito impreso correctamente diseñada.
  • Hacer que el sistema sea mecánicamente sólido y rígido.
  • Asegúrate de que las cuerdas salgan por un pequeño agujero.

De esta manera, puede esperar lograr un rango de ADC de aproximadamente 3000 pasos. Esto le da una resolución de aproximadamente 0,1 mm. Ahora, para obtener la precisión. Deberá calibrar el sistema cuidadosamente. Mida con precisión la posición del objeto en varios lugares y correlacione esas lecturas con las medidas. Esto podría darle fácilmente una precisión de 1 mm.

Wow, no sabía que existían estas cosas exactas, ¡gran idea! Basado en un primer par de búsquedas en Google, estos tienen una resolución fantástica (bueno, limitado solo por el ADC, supongo). No sé cuán repetible será (durante muchas retracciones a lo largo de la vida), pero podría calibrarse. Ahora, para encontrar uno con al menos 30 cm de rango completo.
@Inga: están diseñados para aplicaciones de medición de precisión, por lo que espero que sean bastante repetibles. Siempre se puede hacer una comprobación de vez en cuando. Tal vez podría tener algunos enchufes fijos a los que podría conectar su objeto.
Señalado. Esto es difícil de superar en simplicidad y franqueza; Voy a probar esto. Y en lo que respecta al rango de escala completa de 30 cm, incluso si el potenciómetro de cuerdas en particular tuviera un rango más corto, siempre podría conectarle más cuerdas de longitud conocida para alcanzar el lapso de 30 cm.

Idea 2: Utilice un sensor de ascensión . Estos le brindan 6 grados de libertad (X, Y, Z, balanceo, cabeceo, guiñada), que es mucho más de lo que necesita y puede ser un poco costoso, pero es una solución lista para usar.

Sensor de Ascensión

El sistema consta de un transmisor estacionario y un receptor móvil. El sistema puede indicarle la posición y orientación del receptor en relación con el transmisor.

La precisión se especifica en 1,4 mm, pero probablemente podría mejorarla con una calibración cuidadosa.

Idea 5: Bolígrafo digital y papel punteado para direcciones.

Bolígrafo digital

Puede obtener estos increíbles bolígrafos que pueden registrar todo lo que escribe en un dibujo. Los bolígrafos contienen una pequeña cámara que mira el papel mientras escribes. Sin embargo, en realidad no mira la tinta que ha aplicado, sino un patrón de pequeños puntos en el papel. (Necesita comprar este papel especial, o puede imprimirlo).

Uno de estos fácilmente podría cumplir con sus especificaciones.

Hice un proyecto sobre esto, y el método del sextante funciona bien, especialmente a corta distancia, pero tiene su punto ciego, por debajo de cierta distancia, no funcionará. Además, si tiene más fuentes de iluminación, será erróneo. La precisión de la medición está en función de la calidad de la cámara utilizada y la separación entre la cámara y la fuente de iluminación.

¡Espero que ayude!

lo que está describiendo es esencialmente una mesa o tableta digitalizadora.

Cuando trabajé para un OEM de fotogrametría, nuestras mesas de digitalización tenían aproximadamente un metro cuadrado y eran usadas entonces (y posiblemente ahora) por cartógrafos, etc. Consistían en una mesa de vidrio con cables de cobre delgados unidos a la parte posterior de la mesa en forma de cuadrícula. ; y un dispositivo apuntador (retícula) que contenía una bobina electromagnética.

Los circuitos lógicos enviarían impulsos eléctricos por los cables de cobre en los ejes X e Y; estos impulsos serían captados por la bobina y procesados ​​por contadores digitales para calcular la posición XY exacta del dispositivo señalador hasta centésimas de pulgada.

Si por alguna razón no puede usar un dispositivo señalador dentro de su proyecto, puede intentar adjuntar un pantógrafo.