Miniature Wearable Lock-in Amplifier (and Sonar System for Wearables, κ.λπ.): 7 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Δημιουργήστε έναν μικροσκοπικό ενισχυτή κλειδώματος χαμηλού κόστους που μπορεί να ενσωματωθεί σε πλαίσια γυαλιών και να δημιουργήσετε ένα σύστημα όρασης σόναρ για τυφλούς ή ένα απλό μηχάνημα υπερήχων που παρακολουθεί συνεχώς την καρδιά σας και χρησιμοποιεί το Human-Machine Learning για να προειδοποιεί για προβλήματα πριν συμβεί.

Ο ενισχυτής κλειδώματος είναι ένας ενισχυτής που μπορεί να κλειδώσει σε ένα συγκεκριμένο σήμα (είσοδος αναφοράς) ενώ αγνοεί όλα τα άλλα. Σε έναν κόσμο συνεχούς βομβαρδισμού με θόρυβο και απόσπαση της προσοχής, η ικανότητα να αγνοήσουμε κάτι (δηλαδή αγνοούμενο) είναι ένα πολύτιμο πλεονέκτημα.

Ο καλύτερος ενισχυτής που έχει κατασκευαστεί ποτέ σε ολόκληρη την ιστορία της ανθρώπινης φυλής είναι ο PAR124A που κατασκευάστηκε το 1961 και ενώ πολλοί προσπάθησαν να ξεπεράσουν ή να εξισώσουν την απόδοσή του, κανένας δεν τα κατάφερε [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Οι ενισχυτές κλειδώματος είναι θεμελιώδεις για τους ηχοβολισμούς, τα ραντάρ, το lidar και πολλά άλλα είδη ανίχνευσης, και οι καλοί κοστίζουν συνήθως περίπου $ 10, 000 έως $ 50, 000, ανάλογα με τις προδιαγραφές κλπ.

S. Mann, Πανεπιστήμιο Stanford, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, 2017.

Cite Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 σελ. 63-70

Βήμα 1: Αποκτήστε τα εξαρτήματα

Η φορητή φοιτητική λέσχη WearTech στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο έχει δωρίσει γενναιόδωρα ένα κιτ ανταλλακτικών σε κάθε φοιτητή που εγγράφεται στο ECE516.

Μπορείτε να εγγραφείτε στο WearTech και να πάρετε ένα κιτ ανταλλακτικών, ή εναλλακτικά, να αγοράσετε τα ανταλλακτικά από την Digikey.

Λογαριασμός Υλικών:

• Γεννήτρια σημάτων (την οποία θα έχετε ακόμα από το εργαστήριο 1 και αρχικά δεν θα χρειαστείτε την πλήρη σύνθετη γεννήτρια σήματος, δηλαδή για το πρώτο μέρος αυτού του εργαστηρίου, κάθε κατάλληλη γεννήτρια σήματος πραγματικής αξίας).
• Αποκωδικοποιητής τόνου LM567 ή NE567 (τσιπ 8 ακίδων).
• R_Τ = άνω αντίσταση του διαιρέτη τάσης εισόδου αναφοράς: περ. 5340 ωμ?
• R_σι = κάτω αντίσταση του διαιρέτη τάσης εισόδου αναφοράς: περ. 4660 ohms;
• R_μεγάλο = αντίσταση φορτίου για έξοδο (Pin 3): περ. 9212 ωμ.
• Οι τρεις πυκνωτές (πυκνωτές σύζευξης για αναφορά και είσοδο σήματος, καθώς και πυκνωτής φίλτρου χαμηλής διέλευσης στην έξοδο).
• Προαιρετικοί διακόπτες.
• Ενισχυτής εξόδου όπως το TL974 (μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν αρκετά ευαίσθητο ενισχυτή ήχου ή ενισχυτή ακουστικών με αρκετά υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου ώστε να μην υπερφορτώνετε τον πυκνωτή φίλτρου εξόδου).
• Άλλα διάφορα συστατικά.
• Breadboard ή άλλο κύκλωμα για συναρμολόγηση των εξαρτημάτων.

Επιπλέον, για να κάνετε κάτι χρήσιμο με τον ενισχυτή κλειδώματος, θα θέλετε να λάβετε:

• Μετατροπείς υπερήχων (ποσότητα δύο).
• Ακουστικά ήχου ή σύστημα ηχείων.
• Σύστημα υπολογιστή ή επεξεργαστής ή μικροελεγκτής (από το εργαστήριο 1) για το τμήμα μηχανικής εκμάθησης.

R_Τ, R_σι, και R_μεγάλο είναι σχετικά κρίσιμες, δηλαδή τιμές που έχουμε επιλέξει προσεκτικά μέσω πειραματισμού.

Βήμα 2: Συνδέστε τα εξαρτήματα

Συνδέστε τα εξαρτήματα σύμφωνα με το διάγραμμα που φαίνεται.

Το διάγραμμα είναι ένα ωραίο μείγμα μεταξύ ενός σχηματικού διαγράμματος και ενός διαγράμματος καλωδίωσης, δηλαδή δείχνει τη διάταξη του κυκλώματος καθώς και τον τρόπο σύνδεσης του κυκλώματος.

Ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιείται ο αποκωδικοποιητής τόνου 567 θεωρήθηκε από κάποιους ως δημιουργική απόκλιση από την κανονική συμβατική χρήση του. Κανονικά το Pin 8 είναι το pin εξόδου, αλλά δεν το χρησιμοποιούμε καθόλου. Κανονικά η συσκευή ανιχνεύει έναν τόνο και ανάβει ένα φως ή άλλο στοιχείο όταν ανιχνεύεται ο τόνος.

Εδώ το χρησιμοποιούμε με τρόπο εντελώς διαφορετικό από τον τρόπο με τον οποίο προοριζόταν να χρησιμοποιηθεί.

Αντ 'αυτού, λαμβάνουμε την έξοδο στο pin 1 που είναι η έξοδος ενός "ανιχνευτή φάσης". Εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι ένας "Ανιχνευτής φάσης" είναι απλά ένας πολλαπλασιαστής.

Επίσης, το Pin 6 χρησιμοποιείται κανονικά ως σύνδεση πυκνωτή χρονισμού.

Αντίθετα, δημιουργικά, χρησιμοποιούμε το Pin 6 ως είσοδο αναφοράς για τη χρήση του τσιπ 567 ως ενισχυτή κλειδώματος. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε πρόσβαση στον πολλαπλασιαστή σε μία από τις εισόδους του.

Για να επιτύχουμε τη μέγιστη ευαισθησία στις εισόδους αναφοράς, διαπιστώσαμε ότι εάν κάνουμε πόνο σε αυτό το πείρο στο 46,6% της ράγας τροφοδοσίας και χωρίσουμε χωρητικά σε αυτό, έχουμε τα καλύτερα αποτελέσματα. Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε να τροφοδοτήσετε το σήμα αναφοράς απευθείας σε αυτό, όπως υποδεικνύεται από τον διακόπτη (μπορείτε απλά να χρησιμοποιήσετε ένα καλώδιο βραχυκυκλωτήρα στη σανίδα σας αντί για το διακόπτη).

Ο μόνος πείρος εισόδου/εξόδου που χρησιμοποιούμε συμβατικά (δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο προοριζόταν να χρησιμοποιηθεί) είναι το Pin 3 το οποίο υποτίθεται ότι θα χρησιμοποιηθεί ως είσοδος, το οποίο πράγματι χρησιμοποιούμε ως είσοδο!

Βήμα 3: Βάλτε τον ενισχυτή κλειδώματος σε καλή χρήση: Βοήθεια οράματος για τυφλούς

Επιθυμούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ενισχυτή κλειδώματος για να δημιουργήσουμε ένα βοήθημα όρασης (βοήθημα όρασης) για τυφλούς.

Η ιδέα εδώ είναι ότι το χρησιμοποιούμε για σόναρ, για να δημιουργήσουμε ένα σύστημα ανίχνευσης σόναρ Doppler.

Παρόλο που μπορείτε να αγοράσετε έναν αισθητήρα σόναρ ως συνημμένο Arduino, επιλέγουμε να κατασκευάζουμε μόνοι μας το σύστημα από τις πρώτες αρχές αυτού του Instructable για τους ακόλουθους λόγους:

1. Οι μαθητές θα μάθουν τα βασικά όταν χτίζουν τα πράγματα μόνοι τους.
2. Αυτό σας δίνει άμεση πρόσβαση στα ακατέργαστα σήματα για περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη.
3. Το σύστημα είναι πολύ πιο ανταποκρινόμενο και στιγμιαίο, σε σύγκριση με προσυσκευασμένα συστήματα που απλώς αναφέρουν συγκεντρωτικές πληροφορίες με αρκετή καθυστέρηση (καθυστέρηση).

Τοποθετήστε τους δύο μετατροπείς υπερήχων σε ακουστικά (ακουστικά), στραμμένα προς τα εμπρός. Μας αρέσει να τα τοποθετούμε εκατέρωθεν έτσι ώστε η κεφαλή να προστατεύει τον πομπό από το άμεσο σήμα του δέκτη.

Συνδέστε τους στον ενισχυτή κλειδώματος σύμφωνα με το παρεχόμενο διάγραμμα.

Συνδέστε μια έξοδο του ενισχυτή στα ακουστικά. Ο τύπος ακουστικών "Extra Bass" λειτουργεί καλύτερα, αφού η απόκριση συχνότητας εκτείνεται μέχρι τη χαμηλότερη συχνότητα.

Τώρα θα μπορείτε να ακούτε αντικείμενα στο δωμάτιο και να κατασκευάζετε έναν νοητικό οπτικό χάρτη των αντικειμένων του δωματίου σε κίνηση.

Βήμα 4: Μάθηση ανθρώπου-μηχανής

Ο «Πατέρας της Τεχνητής Νοημοσύνης», ο Marvin Minsky (εφηύρε όλο τον τομέα της μηχανικής μάθησης), μαζί με τον Ray Kurzweil (Διευθυντή Μηχανικής της Google), και εγώ, έγραψα ένα άρθρο στο IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, Society of Intelligent Veillance », 2013) για ένα νέο είδος μηχανικής μάθησης, που ονομάζεται Ανθρωπιστική Νοημοσύνη.

Αυτό προκύπτει από την εκμάθηση μηχανών σε φορετές τεχνολογίες, δηλαδή το "HuMachine Learning", στο οποίο οι αισθητήρες γίνονται μια πραγματική προέκταση του νου και του σώματος.

Δοκιμάστε να πάρετε τις επιστροφές σόναρ Doppler και να τις προμηθεύσετε στην αναλογική είσοδο ενός συστήματος υπολογιστή και να εκτελέσετε κάποια μηχανική εκμάθηση σε αυτά τα δεδομένα.

Αυτό θα μας οδηγήσει ένα βήμα πιο κοντά στο όραμα του Simon Haykin για ένα σύστημα ραντάρ ή σόναρ ικανό για γνώση.

Εξετάστε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσετε το νευρωνικό δίκτυο LEM (Μεγιστοποίηση προσδοκίας σύνδεσης).

Δείτε

Ακολουθούν ορισμένα πρόσθετα έγγραφα σχετικά με τη μηχανική εκμάθηση και τον μετασχηματισμό τσιμπιδιών:

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…

Βήμα 5: Άλλες παραλλαγές: Έλεγχος καρδιάς

Η νούμερο 1 αιτία θανάτου είναι οι καρδιακές παθήσεις και μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα φορετό σύστημα που βοηθά στην αντιμετώπισή του. Χρησιμοποιήστε δύο υδρόφωνα ή γεωφωνα για να "δείτε" στην καρδιά σας. Η ίδια τεχνολογία που βοηθά τους τυφλούς να "βλέπουν" μπορεί τώρα να στραφεί προς τα μέσα για να κοιτάξει μέσα στο σώμα σας.

Ένα τέτοιο όργανο ελέγχου καρδιάς, σε συνδυασμό με το παραδοσιακό ΗΚΓ καθώς και βίντεο προς τα έξω για το περιβάλλον, σας δίνει μια φορητή οθόνη καρδιάς για προσωπική υγεία και ασφάλεια.

Η μηχανική μάθηση μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη των προβλημάτων πριν αυτά προκύψουν.

Βήμα 6: Άλλη παραλλαγή: Σύστημα ασφαλείας ποδηλάτου

Μια άλλη εφαρμογή είναι ένα σύστημα οπίσθιας όρασης για ένα ποδήλατο. Τοποθετήστε τους μετατροπείς προς τα πίσω σε ένα κράνος ποδηλάτου.

Εδώ θέλουμε να αγνοήσουμε την ακαταστασία του εδάφους και γενικά τα πάντα που απομακρύνονται από εσάς, αλλά μόνο "βλέπετε" τα πράγματα να σας κερδίζουν.

Για το σκοπό αυτό, θα θέλετε να χρησιμοποιήσετε ένα σύστημα σόναρ πολύπλοκης αξίας, όπως υποδεικνύεται στο παραπάνω διάγραμμα καλωδίωσης.

Τροφοδοτήστε τις εξόδους (πραγματικές και φανταστικές) σε έναν μετατροπέα AtoD (αναλογικού σε ψηφιακό) 2 καναλιών και υπολογίστε τον μετασχηματισμό Fourier και, στη συνέχεια, λάβετε υπόψη μόνο τις θετικές συχνότητες. Όταν υπάρχουν ισχυρές θετικές συνιστώσες συχνότητας, κάτι κερδίζει πάνω σου. Αυτό μπορεί να ενεργοποιήσει μια μεγέθυνση της τροφοδοσίας της πίσω κάμερας, για να τραβήξει την προσοχή σε αντικείμενα που σας κερδίζουν.

Για καλύτερα αποτελέσματα, υπολογίστε τη μεταμόρφωση του κελαηδίσματος. Ακόμα καλύτερα: χρησιμοποιήστε το Adaptive Chirplet Transform (ACT) και χρησιμοποιήστε το νευρωνικό δίκτυο LEM.

Δείτε το Κεφάλαιο 2 του σχολικού βιβλίου "Ευφυής επεξεργασία εικόνας", John Wiley and Sons, 2001.

Πρόσθετες αναφορές:

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…

Βήμα 7: Άλλη παραλλαγή: Βοηθητική βοήθεια για τους τυφλούς

Χρησιμοποιήστε τον παραπάνω ενισχυτή κλειδώματος με πολύπλοκη αξία για να παρέχετε στερεοσκοπικό ήχο, με τις πραγματικές και φανταστικές εξόδους στα δύο στερεοφωνικά κανάλια ήχου.

Με αυτόν τον τρόπο μπορείτε να ακούσετε την περίπλοκη φύση του κόσμου γύρω σας, καθώς η ανθρώπινη ακοή είναι πολύ προσαρμοσμένη σε μικρές αλλαγές φάσης και είναι πολύ έμπειρη στην εκμάθηση της κατανόησης των λεπτών αλλαγών μεταξύ των σταδίων και των τετραγωνικών καναλιών της επιστροφής Doppler.