?

Log in

No account? Create an account

Внезапно изобретательское - tilimilitram

Sep. 21st, 2015

12:20 am - Внезапно изобретательское

Previous Entry Share Next Entry

Делал себе ремонт спокойно -- розетки крепил, шкафы двигал, барахло на выброс откладывал. Ничего не предвещало :)



Нашел лазерную указку и древний ЖК-монитор полудохлый. Сразу целиком жалко выбрасывать -- надо развинтить. Светорассеивающие пленочки из подсветки экрана навели меня одну давнюю идейку проверить. Проверял в темной ванной комнате -- кусок мыла, мочалка и бутылочки дополнили лабораторный реквизит. Теперь я вроде бы знаю как из подручных средств соорудить быстродействующий трехосевой прецезионный лазерный измеритель поворотов и перемещений.

Вот зачем он мне нужен: роботов с детишками строить и для проектирования весьма точного многоосевого фрезерного станочка. Что важно: подъемных для учителя стоимости.

Схема промышленных машин проста.  Действующий макет не проблема -- хоть из фанеры, хоть из Лего строй. Но и рабочие качества будут соответствовать цене игрушки. Не по зубам классической самодельной машинке стоимостью в две-три моих месячных зарплаты вырезать наипростейшую годную детальку из мягкого металла для того же Лего. А промышленное оборудование стоит как чугунный мост просто потому, что сочетает предельную жесткосткость массивных конструкций, микронную точность изготовления, моторы с большущим запасом мощности, сотни и даже тысячи недешевых деталюшек из превосходных материалов.

Скромному самодельщику на всем этом придется сэкономить. Можно попробовать компенсировать недоступное хитрой моделью управления простыми линейными приводами с очень быстрой динамической программной компенсацией ошибок позиционирования (хотелось бы и износа инструмента). Но для этого нужно средство измерять эти отклонения с микронной точностью и хотя бы тысячу раз в секунду.

Очевидная идея измерения: клеим на все измеряемое зеркальца разных форм или кончики лазерных указок, помещаем всю машину в матовый полупрозрачный короб и управляющий компьютер снимает снаружи видеокамерами положения лазерных зайчиков на стенах коробки. Можно без короба -- снимать зайчики на потолке и стенах. В таком виде не сработает, ибо высокоскоростные камеры -- дорогущая редкость и, кроме того, микронная точность не вписывается в доступные разрешения кадров. Многотерапиксельных скоростных камер нет и не будет :). Отдельные сложные следящие системы за каждым из зайчиов? - Брр, когда есть иные решения.

Другая идея: снимать камерами кружочки боке, модулированные лазерными спеклами. Вот ее я и проверял -- работает. Эффект боке (разновидность нерезкости) видел на ночных улицах каждый очкарик вроде меня. За ним специально охотятся фотографы.

Гуглим картинки:


Здесь вместо точечных источников яркого света кружки нерезкости в форме диафрагмы объектива. Вот только глаз видит их расчерченными дифракционными колечками -- дифракция света на зрачке и неоднородностях глаза. Чем ближе источник света к монохроматическому, тем яснее полоски. Желтые натриевые фонари и одноцветные светодиоды отлично их рисуют. Еще четче боке от лазерного диода.

В принципе, шаг полосок зависит от частоты излучения и расстояния до источника. Но микроны так не померить -- только самый общий ориентир.

Лазерные спеклы (крапинки) видел всякий, кто разглядывал ореол вокруг пятна лазерной указки. Он имеет подвижную зернистую текстуру. В микроскоп примерно такую:



Это видео не мое -- нагуглил (подписи по ссылке на Ютуб).

Я фотографировал телефоном. Вот моя картинка:

2

Тут микроскоп не нужен. Свет лазерного диода проецировался сквозь светорассеивающую пленку на экран в паре метров от источника. Случайные неровности искажают волновой фронт -- там, где фазы когерентного излучения сходятся, там яркие пятна. А где фазы противоположны, там темные. Примерно как волны от множества капель дождя в луже. Статистика этих пятен несет кое-какую информацию о расстояниях между элементами системы, микронеровностях мишени и даже ее ориентации относительно экрана. Оказывается, можно подобрать такое расположение элементов установки, что внутри пятнышка боке накладываются две картинки - малопеременчивая картинка дифракции и подвижный модулированный ею спекл. Последний плавает при малейшем движении наблюдателя или источника света. Причем масштаб узора можно регулировать. Можно регулировать и чувствительность шевеления, изменяя расстояния между наблюдателем и источником, а так же между источником и мишенью.

Телефон боке не снимает, я не знаю как у него автофокус отключить, и не было в пустом доме под рукой ни одной линзы, чтоб фокусировку сбить. А вот крошечный короткофокусный объектив сенсора оптической мышки, конечно, изображает яркую точку далекого диода нерезкой. И при закрытой фольгой родной мышкиной подсветке курсор замечательно бегает при заметных наклонах и перемещениях мыши, направленной брюшком к далекому лазеру установки.  Глаз же замечал отчетливое движение спекла от того, что почти незаметно изгибалась стенка стальной ванной при нажатии на нее рукой.

Можно обойтись и вовсе без боке, рисуемого объективом со сбитым фокусом. Коллимирующую линзу с указки-то я сразу убрал. Если убрать акриловую линзу в мышке, то четкий кусочек спекла проецируется прямо на чип сенсора сквозь отверстие в корпусе микросхемы. Думаю, отверстие лучше расширить. Для защиты от пыли можно нагнетать внутрь корпуса лазера и сенсора чистый воздух -- он не даст грязи попадать снаружи через открытые каналы. Красота: диод без линзы, перед ним кусочек пластиковой пленки (если масштаб узора подходит, то и пленка не нужна), мышкин сенсор с обнаженной матрицей. Чувствительность меньше, но просто и бесплатно практически.

Сенсор современной оптической мышки штатно сам распознает такие перемещения, снимая тысячи (до 12 тысяч) кадров в секунду с крошечного сенсора в 30х30 пикселей. А частота опроса компьютером игровых мышей до тысячи герц. Кроме того, сенсоры штатно умеют избражать из себя квадратурные энкодеры, понятные контроллерам моторов. Ну и позволяют по шине SPI снимать видимую им картинку. Последнее позволяет надеяться получить не только относительное, но и абсолютное позиционирование.



Посмотрим. Полудохлые оптические мышки -- бесплатные доноры исправных сенсоров. Если получится, крутая штука может выйти.