Amplificador de bloqueig portàtil en miniatura (i sistema de sonar per a portables, etc.): 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Construïu un amplificador de bloqueig en miniatura de baix cost que es pugui incrustar en muntures d’ulleres i per crear un sistema de visió sonar per a invidents, o una senzilla màquina d’ultrasò que monitoritzi contínuament el vostre cor i que utilitzi Human-Machine Learning per advertir dels problemes abans que passar.

Un amplificador de bloqueig és un amplificador que pot bloquejar-se en un senyal específic (entrada de referència) mentre ignora tota la resta. En un món de bombardeigs constants amb soroll i distracció, la capacitat d’ignorar alguna cosa (és a dir, ignorància) és un bé valuós.

El millor amplificador mai construït en tota la història de la raça humana és el PAR124A fabricat el 1961 i, tot i que molts han intentat superar o igualar el seu rendiment, cap ha aconseguit [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Els amplificadors de bloqueig són fonamentals per al sonar, el radar, el lidar i molts altres tipus de detecció, i els bons solen costar entre 10.000 i 50.000 $, segons les especificacions, etc.

S. Mann, Universitat de Stanford, Departament d’Enginyeria Elèctrica, 2017.

Citeu Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 pàgines 63-70

Pas 1: Obteniu els components

El club d’estudiants d’informàtica portable WearTech de la Universitat de Toronto ha donat generosament un kit de peces a tots els estudiants inscrits a l’ECE516.

Podeu unir-vos a WearTech i obtenir un kit de peces o, alternativament, comprar les peces a Digikey.

Factura de materials:

• Generador de senyals (que encara tindreu del laboratori 1 i inicialment no necessitareu el generador de senyals completament complex, és a dir, per a la primera part d’aquest laboratori, farà qualsevol generador de senyal de valor real adequat);
• Descodificador de to LM567 o NE567 (xip de 8 pins);
• R_T = resistència superior del divisor de tensió d'entrada de referència: aprox. 5340 ohms;
• R_B = resistència inferior del divisor de tensió d'entrada de referència: aprox. 4660 ohms;
• R_L = resistència de càrrega de sortida (pin 3): aprox. 9212 ohms;
• Els tres condensadors (condensadors d'acoblament per a referència i entrada de senyal, així com condensador de filtre de pas baix a la sortida);
• Commutadors opcionals;
• Amplificador de sortida com TL974 (també podeu utilitzar un amplificador d’àudio o un amplificador d’auriculars prou sensible amb una impedància d’entrada suficient per no sobrecarregar el condensador del filtre de sortida);
• Altres components diversos;
• Taula de pa o altra placa de circuit per al muntatge dels components.

A més, per fer alguna cosa útil amb l'amplificador de bloqueig, voldreu obtenir:

• Transductors d'ultrasons (quantitat dos);
• Auriculars d’àudio o sistema d’altaveus;
• Sistema informàtic o processador o microcontrolador (del laboratori 1) per a la part d'aprenentatge automàtic.

R_T, R_B, i R_L són relativament crítics, és a dir, valors que hem seleccionat acuradament mitjançant l’experimentació.

Pas 2: connecteu els components

Connecteu els components segons el diagrama que es mostra.

El diagrama és una bona barreja entre un diagrama esquemàtic i un diagrama de cablejat, és a dir, mostra la distribució del circuit, així com com està connectat el circuit.

Alguns han considerat que la manera d’utilitzar el descodificador de tons 567 és una sortida creativa del seu ús convencional normal. Normalment, el pin 8 és el pin de sortida, però no el fem servir en absolut. Normalment, el dispositiu detecta un to i encén un llum o un altre element quan es detecta el to.

Aquí l’utilitzem d’una manera completament diferent de la forma en què es pretenia utilitzar.

En lloc d'això, prenem la sortida al pin 1, que és la sortida d'un "Detector de fase". Aprofitem el fet que un "detector de fase" és simplement un multiplicador.

A més, el pin 6 s'utilitza normalment com a connexió de condensador de temporització.

En canvi, de manera creativa, fem servir el pin 6 com a entrada de referència per utilitzar el xip 567 com a amplificador de bloqueig. Això ens permet accedir al multiplicador en una de les seves entrades.

Per obtenir la màxima sensibilitat a les entrades de referència, hem trobat que si esbiaixem aquest pin al 46,6% del carril de subministrament i el connectem capacitivament, obtindrem els millors resultats. També podeu provar d’introduir-hi el senyal de referència directament, tal com indica l’interruptor (només podeu fer servir un cable de pont a la vostra placa de configuració en lloc del commutador).

L'únic pin d'entrada / sortida que utilitzem convencionalment (és a dir, la manera com s'havia d'utilitzar) és el Pin 3 que se suposa que s'utilitza com a entrada, que de fet fem servir com a entrada.

Pas 3: Feu un bon ús de l’amplificador de bloqueig: Vision Aid for the Blind

Volem utilitzar l’amplificador de bloqueig per crear una ajuda per a la visió (visió) per a invidents.

La idea aquí és que l’utilitzem per al sonar, per crear un sistema de detecció del sonar Doppler.

Tot i que podeu comprar un sensor de sonar com a fitxer adjunt d’Arduino, decidim construir el sistema nosaltres mateixos a partir dels primers principis d’aquest manual per les següents raons:

1. Els estudiants aprendran els fonaments quan construeixen ells mateixos les coses;
2. Això us proporciona accés directe als senyals en brut per a més investigació i desenvolupament;
3. El sistema és molt més sensible i instantani, en comparació amb els sistemes preenvasats que només informen d'informació agregada amb força retard (latència).

Munteu els dos transductors d'ultrasons en uns auriculars (auriculars), mirant cap endavant. Ens agrada posar-los a banda i banda perquè el cap protegeixi el transmissor del senyal directe del receptor.

Connecteu-los a l'amplificador de bloqueig segons el diagrama proporcionat.

Connecteu una sortida de l'amplificador als auriculars. El tipus d’auriculars “Extra Bass” funciona millor, ja que la resposta en freqüència s’estén fins a la freqüència més baixa.

Ara podreu escoltar objectes a la sala i construir un mapa visual mental dels objectes de la sala en moviment.

Pas 4: Aprenentatge humà-màquina

El "Pare de la IA", Marvin Minsky (va inventar tot el camp de l'aprenentatge automàtic), juntament amb Ray Kurzweil (Director d'Enginyeria de Google) i jo mateix, vam escriure un article a IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance ", 2013) sobre un nou tipus d'aprenentatge automàtic, anomenat Intel·ligència humanística.

Això sorgeix de l'aprenentatge automàtic sobre tecnologies portables, és a dir, "HuMachine Learning", en què els sensors es converteixen en una veritable extensió de la ment i el cos.

Proveu de retornar el sonar Doppler i subministrar-lo a l'entrada analògica d'un sistema informàtic i executar algunes dades d'aprenentatge automàtic.

Això ens portarà un pas més a prop de la visió de Simon Haykin sobre un sistema de radar o sonar capaç de cognició.

Penseu en la possibilitat d’utilitzar la xarxa neuronal LEM (Logon Expectation Maximization).

Consulteu

A continuació, es detallen alguns articles addicionals sobre l’aprenentatge automàtic i la transformació de xips:

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…

Pas 5: Altres variacions: monitor cardíac

La causa número 1 de mort és la malaltia cardíaca i podem crear un sistema usable que ajudi a solucionar-ho. Utilitzeu dos hidròfons o geòfons per "veure" al vostre propi cor. La mateixa tecnologia que ajuda els cecs a "veure" ara es pot girar cap a l'interior per mirar al seu propi cos.

Aquest monitor cardíac, combinat amb l’ECG tradicional, així com un vídeo orientat cap a l’exterior per al context, us proporciona un monitor cardíac portàtil que tingui en compte el context per a la vostra salut i seguretat.

L’aprenentatge automàtic pot ajudar a predir problemes abans que apareguin.

Pas 6: Altres variacions: sistema de seguretat de bicicletes

Una altra aplicació és un sistema de visió posterior per a una bicicleta. Col·loqueu els transductors cap enrere en un casc de bicicleta.

Aquí volem ignorar el desordre del sòl i, en general, tot allò que s’allunyi de vosaltres, però només "veureu" les coses que us guanyen.

Per a aquest propòsit, voldreu utilitzar un sistema de sonar de valor complex, tal com s’indica al diagrama de cablejat anterior.

Introduïu les sortides (reals i imaginàries) en un convertidor AtoD de 2 canals (analògic a digital) i calculeu la transformada de Fourier i, a continuació, tingueu en compte només les freqüències positives. Quan hi ha components de freqüència positius forts, hi ha alguna cosa que guanya. Això pot activar una ampliació de l’alimentació de la càmera posterior per cridar l’atenció sobre els objectes que us guanyen darrere.

Per obtenir millors resultats, calculeu el tranform de chirplet. Encara millor: utilitzeu la Transformació Chirplet Adaptativa (ACT) i utilitzeu la xarxa neuronal LEM.

Vegeu el capítol 2 del llibre de text "Processament intel·ligent d'imatges", John Wiley i Sons, 2001.

Referències addicionals:

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…

Pas 7: altra variació: ajuda per a cecs amb visió binaural

Utilitzeu l’amplificador de bloqueig de valor complex anterior per proporcionar so estereoscòpic, amb les sortides reals i imaginàries als dos canals d’àudio estèreo.

D’aquesta manera, podeu escoltar la complexitat del món que us envolta, ja que l’oïda humana és molt propera a canvis de fase lleus i és molt hàbil a l’hora d’aprendre a entendre els canvis subtils entre els canals en fase i quadratura del retorn Doppler.