Amplificatore Lock-in indossabile in miniatura (e sistema sonar per dispositivi indossabili, ecc.): 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Costruisci un amplificatore lock-in in miniatura a basso costo che può essere incorporato nelle montature degli occhiali e per creare un sistema di visione sonar per i non vedenti, o una semplice macchina a ultrasuoni che monitora continuamente il tuo cuore e utilizza l'apprendimento uomo-macchina per avvisare dei problemi prima che si verifichino accadere.

Un amplificatore lock-in è un amplificatore che può bloccare un segnale specifico (ingresso di riferimento) ignorando tutto il resto. In un mondo di costante bombardamento con rumore e distrazione, la capacità di ignorare qualcosa (cioè l'ignoranza) è una risorsa preziosa.

Il miglior amplificatore mai costruito nell'intera storia della razza umana è il PAR124A realizzato nel 1961, e mentre molti hanno cercato di superare o eguagliare le sue prestazioni, nessuno ci è riuscito [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Gli amplificatori lock-in sono fondamentali per sonar, radar, lidar e molti altri tipi di rilevamento, e quelli buoni in genere costano da $ 10.000 a $ 50.000, a seconda delle specifiche, ecc.

S. Mann, Università di Stanford, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, 2017.

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

Passaggio 1: ottenere i componenti

Il club studentesco di computer indossabili WearTech dell'Università di Toronto ha generosamente donato un kit di componenti a ogni studente iscritto all'ECE516.

Puoi unirti a WearTech e ottenere un kit di parti o, in alternativa, acquistare le parti da Digikey.

Distinta materiali:

• Generatore di segnali (che avrai ancora dal Lab 1 e inizialmente non avrai bisogno del generatore di segnali completo e complesso, cioè per la prima parte di questo laboratorio, andrà bene qualsiasi generatore di segnale a valori reali adatto);
• Decodificatore tono LM567 o NE567 (chip a 8 pin);
• R_T = resistenza superiore del partitore di tensione di ingresso di riferimento: ca. 5340 ohm;
• R_B = resistenza inferiore del partitore di tensione di ingresso di riferimento: ca. 4660 ohm;
• R_l = resistenza di carico per uscita (Pin 3): ca. 9212 ohm;
• I tre condensatori (condensatori di accoppiamento per riferimento e segnale di ingresso, nonché condensatore di filtro passabasso in uscita);
• Interruttori opzionali;
• Amplificatore di uscita come TL974 (puoi anche utilizzare un amplificatore audio sufficientemente sensibile o un amplificatore per cuffie con un'impedenza di ingresso sufficientemente elevata da non sovraccaricare il condensatore del filtro di uscita);
• Altri componenti vari;
• Breadboard o altro circuito stampato per l'assemblaggio dei componenti.

Inoltre, per fare qualcosa di utile con l'amplificatore lock-in, dovrai ottenere:

• Trasduttori ad ultrasuoni (quantità due);
• Cuffie audio o sistema di altoparlanti;
• Sistema informatico o processore o microcontrollore (dal Lab 1) per la parte di apprendimento automatico.

R_T, R_B, e R_l sono relativamente critici, cioè valori che abbiamo accuratamente selezionato attraverso la sperimentazione.

Passaggio 2: collegare i componenti

Collegare i componenti secondo lo schema mostrato.

Il diagramma è una bella miscela tra un diagramma schematico e uno schema elettrico, cioè mostra il layout del circuito e come è collegato il circuito.

Il modo in cui viene utilizzato il decodificatore di toni 567 è stato considerato da alcuni come un allontanamento creativo dal suo normale utilizzo convenzionale. Normalmente il pin 8 è il pin di uscita, ma non lo usiamo affatto. Normalmente il dispositivo rileva un tono e accende una luce o un altro elemento quando viene rilevato il tono.

Qui lo stiamo usando in un modo completamente diverso dal modo in cui doveva essere usato.

Invece, stiamo prendendo l'uscita al Pin 1 che è l'uscita di un "Rilevatore di fase". Sfruttiamo il fatto che un "Phase Detector" è semplicemente un moltiplicatore.

Inoltre, il pin 6 viene normalmente utilizzato come collegamento del condensatore di temporizzazione.

Invece, in modo creativo, usiamo il Pin 6 come ingresso di riferimento per utilizzare il chip 567 come amplificatore lock-in. Questo ci permette di accedere al moltiplicatore ad uno dei suoi ingressi.

Per ottenere la massima sensibilità agli ingressi di riferimento, abbiamo scoperto che se polarizzamo questo pin al 46,6% della linea di alimentazione e lo accoppiamo in modo capacitivo, otteniamo i migliori risultati. Puoi anche provare ad alimentare il segnale di riferimento direttamente ad esso, come indicato dall'interruttore (puoi semplicemente usare un ponticello sulla breadboard invece dell'interruttore).

L'unico pin di input/output che usiamo convenzionalmente (cioè il modo in cui doveva essere usato) è il Pin 3 che dovrebbe essere usato come input, che in effetti usiamo come input!

Passaggio 3: mettere a frutto l'amplificatore Lock-in: Ausilio per la vista per non vedenti

Desideriamo utilizzare l'amplificatore di blocco per creare un ausilio alla vista (ausilio alla vista) per i non vedenti.

L'idea qui è che lo usiamo per il sonar, per creare un sistema di rilevamento sonar Doppler.

Sebbene sia possibile acquistare un sensore sonar come allegato Arduino, abbiamo scelto di costruire noi stessi il sistema dai primi principi in questo Instructable per i seguenti motivi:

1. Gli studenti impareranno i fondamenti quando costruiscono le cose da soli;
2. Questo ti dà accesso diretto ai segnali grezzi per ulteriori ricerche e sviluppi;
3. Il sistema è molto più reattivo e istantaneo rispetto ai sistemi preconfezionati che riportano semplicemente informazioni aggregate con un certo ritardo (latenza).

Montare i due trasduttori a ultrasuoni su un auricolare (cuffie), rivolti in avanti. Ci piace metterli su entrambi i lati in modo che la testa protegga il trasmettitore dal segnale diretto dal ricevitore.

Collegarli all'amplificatore lock-in secondo lo schema fornito.

Collegare un'uscita dell'amplificatore alla cuffia. Il tipo di cuffia "Extra Bass" funziona meglio, poiché la risposta in frequenza si estende fino alle frequenze più basse.

Ora sarai in grado di ascoltare gli oggetti nella stanza e costruire una mappa visiva mentale degli oggetti della stanza in movimento.

Fase 4: Apprendimento uomo-macchina

Il "padre dell'intelligenza artificiale", Marvin Minsky (ha inventato l'intero campo dell'apprendimento automatico), insieme a Ray Kurzweil (Direttore dell'ingegneria di Google) e me stesso, ha scritto un articolo su IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance", 2013) su un nuovo tipo di apprendimento automatico, chiamato Humanistic Intelligence.

Questo nasce dal machine learning su tecnologie indossabili, ovvero "HuMachine Learning", in cui i sensori diventano una vera e propria estensione della mente e del corpo.

Prova a prendere i ritorni del sonar Doppler e a fornirli all'ingresso analogico di un sistema informatico e ad eseguire l'apprendimento automatico su questi dati.

Questo ci porterà un passo più vicino alla visione di Simon Haykin di un sistema radar o sonar in grado di cognizione.

Prendi in considerazione l'utilizzo della rete neurale LEM (Logon Expectation Maximization).

Vedi

Ecco alcuni documenti aggiuntivi sull'apprendimento automatico e la trasformazione del chirplet:

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…

Passaggio 5: altre varianti: cardiofrequenzimetro

La causa numero 1 di morte sono le malattie cardiache e possiamo creare un sistema indossabile che aiuti a risolverlo. Usa due idrofoni o geofoni per "vedere" nel tuo cuore. La stessa tecnologia che aiuta i ciechi a "vedere" ora può essere rivolta verso l'interno per guardare all'interno del proprio corpo.

Un tale cardiofrequenzimetro, combinato con l'ECG tradizionale e il video rivolto verso l'esterno per il contesto, ti offre un cardiofrequenzimetro indossabile sensibile al contesto per la salute e la sicurezza personale.

L'apprendimento automatico può aiutare a prevedere i problemi prima che si presentino.

Passaggio 6: altra variante: sistema di sicurezza della bicicletta

Un'altra applicazione è un sistema di retrovisione per una bicicletta. Posizionare i trasduttori rivolti all'indietro su un casco da bicicletta.

Qui desideriamo ignorare il disordine del terreno e in generale tutto ciò che si allontana da te, ma solo "vedere" le cose che guadagnano su di te.

A tal fine si vorrà utilizzare un sistema sonar a valori complessi, come indicato nello schema elettrico sopra.

Alimenta le uscite (reale e immaginaria) in un convertitore AtoD (Analog to Digital) a 2 canali e calcola la trasformata di Fourier, quindi considera solo le frequenze positive. Quando ci sono componenti di frequenza fortemente positivi, c'è qualcosa che guadagna su di te. Questo può attivare un ingrandimento del feed della fotocamera posteriore, per richiamare l'attenzione sugli oggetti dietro di te che stanno guadagnando su di te.

Per risultati migliori, calcola la trasformazione chirplet. Ancora meglio: usa l'Adaptive Chirplet Transform (ACT) e usa la rete neurale LEM.

Vedere il capitolo 2 del libro di testo "Intelligent Image Processing", John Wiley and Sons, 2001.

Ulteriori riferimenti:

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/diva2:1127523…

Fase 7: Altra variante: Ausilio per la visione binaurale per i ciechi

Utilizzare l'amplificatore lock-in di cui sopra per fornire un suono stereoscopico, con le uscite reali e immaginarie ai due canali stereo dell'audio.

In questo modo puoi sentire la natura complessa del mondo intorno a te, poiché l'udito umano è molto in sintonia con lievi cambiamenti di fase, ed è molto abile nell'imparare a comprendere i sottili cambiamenti tra i canali in fase e in quadratura del ritorno Doppler.