Тахометр для квадрокоптера

Введение

Для измерения скорости вращения требуется фиксировать количество оборотов за фиксированный интервал времени, например, в одну секунду.

Инфракрасный датчик фиксирует перемещение лопасти. Лопасть отражает фотопоток, датчик регистрирует это своим выходным напряжением. Есть фотопоток – напряжение на выходе высокое, нет фотопотока – напряжение низкое.

Для получения фиксированного интервала времени с учётом перемещений лопастей используется передача блока известных байтов (0xFF) и приём этого же блока байтов, но с модуляцией через логический элемент типа «исключающее ИЛИ» (сокращенно «И–ИЛИ») от инфракрасного датчика. Свойство логической функции «И–ИЛИ» – выделять «разностный» код, который формирует на приёме тот же блок, но байты, которые попадают в интервал с фотопотоком, инвертируются (0x00). Таким образом, принимаемый блок содержит информацию о количестве пересечений. Время измерения определяется умножением количества байтов на скорость передачи байтов.

Блок передаётся на «машинном уровне» компьютера и не прерывается другими подпрограммами USB-интерфейса, поэтому он точный по времени. Между блоками временно¢й интервал может быть различный.

Для используемого типа USB-UART [2] максимально возможный блок передачи-приёма составляет 1 кбайт (4096 байт). Для скорости 100 кбит/с время измерения составит около 0,4 с. При разделении фотопотока по 3…4 байта получаем максимальное число возможного учёта, а именно: 4096/(4+4)=512 пересечений.

В данном примерном расчёте суммирование в 2 раза означает, что 3…4 байта фотопотока проходит, а следующие 3…4 байта нет. Это и есть период пересечения. Абсолютная ошибка составляет один байт. В процентах это 1/4096×100%=0,02%.

Оценим предельные параметры измерения. Мотор квадрокоптера рассчитан на максимальную работу до 12 000 оборотов в минуту, следовательно, выполняет 12 000/60=200 об/с, а за 0,5 с это 100 оборотов. Таким образом, предел измерения на данной скорости передачи и размере блока превышает возможный предел для мотора квадрокоптера более чем в 5 раз.

Приведённый пример расчёта показывает, что точность измерения можно определить математически. Другой способ – сравнить с аналогичными приборами и тахометрами.

Важно при оценке погрешности измерений оценить параметры датчика фотопотока. Поскольку, возможны ситуации «засвечивания» от посторонних и рядом расположенных элементов конструкции.

В приведённой далее программе для увеличения точности измерений используются метод накопления среднего значения и расчёт дисперсии среднего значения. 

Принципиальная схема тахометра

Предлагаемая схема тахометра построена на трёх самостоятельных конструктивных элементах: адаптер USB-UART [2], датчик фотопотока для ARDUINO и одна логическая микросхема, которая формирует функцию «И–ИЛИ» (555ЛА3). Схема измерителя представлена на рисунке 1.

Для формирования функции «И–ИЛИ» применена распространённая микросхема 555ЛА3 с 4 элементами 2И–НЕ. Функцию «И–ИЛИ» формирует включение всех её элементов. Вполне возможно использовать и микросхему 555ЛП5, которая содержит четыре элемента «И–ИЛИ». В этом случае задействуется один и не используются три элемента.

Питание всех компонентов осуществляется по USB-шине компьютера. Потребляемый ток не более 100 мА.

На рисунке 2 представлены диаграммы сигналов на входе и выходе «И–ИЛИ» при приёме данных пересечений фотопотока фотоприёмником. Сигналы 1-й и 2-й диаграмм – это передаваемый блок в точке TXD UART. Сигнал 3-й диаграммы – принимаемый сигнал от фотоприёмника D0, который поступает на входы 1 и 13 микросхемы U1 (см. рис. 1).

Сигналы 4-й и 5-й диаграмм – это сигнал с модуляцией по «И–ИЛИ» с вывода 6 микросхемы U1, который поступает на вход RXD UART.

Сигналы диаграмм 1, 2 и 4, 5 одинаковые, но представлены в разных масштабах для уточнения метода преобразования. Стрелками указано место увеличенного масштаба отображения.

На диаграммах не приводятся краевые искажения отклонения начала сигнала фотоприёмника и передаваемого блока. Это один байт в интервале от 0 до 0xFE, его можно считать как началом, так и окончанием сигнала фотодатчика. Этот байт учитывается программно. 

Конструкция тахометра

Использование готовых блоков в виде маленьких печатных плат позволило сделать измеритель в виде небольшой «указки» из кабель-канала с проводом от USB (см. рис. 3).

Жёлтыми линиями на рисунке 3 указаны проводные соединения. Монтаж выполняется пайкой изолированным проводом типа МГТФ. Элементы крепятся на суперклей. Монтажные провода фиксируются с помощью клеевого пистолета.

Предлагаемая конструкция рассчитана на ручное считывание при приближении к вращающимся объектам. Конструкция может быть дополнена креплениями для фиксации измерителя или другими необходимыми элементами. 

Программа тахометра

Вид окна предлагаемой программы [3] представлен на рисунке 4.

Программе требуется открыть устройство с доступом к UART. На скане экрана (см. рис. 5) приведён фрагмент диспетчера устройств c подключением на порт 9.

Программа имеет статус «как есть», в ней представлены:

Программа подготовлена на языке программирования Форт [4]. Текст и компилятор языка «извлекаются» из приложения tahometr_ot_uarta_v1.exe [3], после чего выполняется подготовка нового исполняемого файла. В файле приложения находятся все файлы для возможной дальнейшей модернизации программы измерителя (тахометра).

Программное обеспечение доступно всем желающими и представлено в виде текстового файла tahometr_ot_uarta_v1.f. [3]. Файл открывается «Блокнотом», шрифт «Терминал», кодовая страница 866 OEM (русский язык) или любым текстовым редактором с той же кодировкой. Программа не требует установки и сформирована для работы на операционных системах Windows XP/7/8/10 32/64.

Выводы

Очевидным достоинством предложенной схемы измерения является способ измерения без изменения конструкции измеряемого объекта вращения на основе фотопотока.

Вторым достоинством измерителя является «кварцевая» точность измерения и сравнительно низкая цена исходных компонентов.

Третьим достоинством измерителя можно считать совместимость с компьютером и возможность оперативной обработки данных. Все получаемые в процессе измерения данные одновременно доступны для «интеллектуальной обработки», сигнализации и других задач объекта вращения. 

Литература