Miniature Wearable Lock-in Amplifier (og ekkolodssystem til Wearables, osv.): 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Byg en miniatureblok-låseforstærker, der kan indlejres i brillerammer og til at oprette et ekkolodssyn for blinde, eller en simpel ultralydsmaskine, der løbende overvåger dit hjerte og bruger Human-Machine Learning til at advare om problemer, før de ske.

En lock-in-forstærker er en forstærker, der kan låse et bestemt signal (referenceindgang) fast, mens alt andet ignoreres. I en verden med konstant bombardement med støj og distraktion er evnen til at ignorere noget (dvs. uvidenhed) et værdifuldt aktiv.

Den bedste forstærker, der nogensinde er bygget i hele menneskehedens historie, er PAR124A fremstillet i 1961, og selvom mange har forsøgt at overgå eller ligne dens ydeevne, er der ikke lykkedes nogen [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Lock-in forstærkere er grundlæggende for sonar, radar, lidar og mange andre former for sensing, og gode koster typisk omkring $ 10.000 til $ 50.000, afhængigt af specifikationer osv.

S. Mann, Stanford University, Institut for Elektroteknik, 2017.

Citer Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 s. 63-70

Trin 1: Hent komponenterne

WearTech wearable computing -studenterklub ved University of Toronto har generøst doneret et delesæt til hver studerende, der er tilmeldt ECE516.

Du kan slutte dig til WearTech og få et delesæt, eller alternativt købe delene fra Digikey.

Materialekartotek:

• Signalgenerator (som du stadig vil have fra Lab 1, og i første omgang har du ikke brug for den komplicerede signalgenerator, dvs. for den første del af dette laboratorium vil en hvilken som helst passende værdiansat signalgenerator gøre);
• LM567 eller NE567 tonedekoder (8-benet chip);
• R_T = topmodstand for referenceindgangsspændingsdeler: ca. 5340 ohm;
• R_B = bundmodstand for referenceindgangsspændingsdeler: ca. 4660 ohm;
• R_L = belastningsmodstand til udgang (Pin 3): ca. 9212 ohm;
• De tre kondensatorer (koblingskondensatorer til reference- og signalindgang samt lavpasfilterkondensator på udgangen);
• Valgfri kontakter;
• Outputforstærker som TL974 (du kan også bruge en tilstrækkelig følsom lydforstærker eller hovedtelefonforstærker med tilstrækkelig høj inputimpedans for ikke at overbelaste outputfilterkondensatoren);
• Andre diverse komponenter;
• Brødbræt eller andet kredsløb til samling af komponenterne.

For at gøre noget nyttigt med lock-in-forstærkeren, vil du også gerne have:

• Ultralydstransducere (mængde to);
• Lydheadset eller højttalersystem;
• Computersystem eller processor eller mikrokontroller (fra Lab 1) til maskinindlæringsdelen.

R_T, R._B, og R._L er relativt kritiske, dvs. værdier, som vi omhyggeligt har udvalgt gennem eksperimenter.

Trin 2: Tilslut komponenterne

Tilslut komponenterne i henhold til det viste diagram.

Diagrammet er en god blanding mellem et skematisk diagram og et ledningsdiagram, dvs. det viser kredsløbets layout samt hvordan kredsløbet er forbundet.

Den måde, hvorpå 567 -tonekoderen bruges, er af nogle blevet betragtet som en kreativ afvigelse fra dens normale konventionelle brug. Normalt er Pin 8 output -pin, men det bruger vi slet ikke. Normalt registrerer enheden en tone og tænder et lys eller et andet element, når tonen registreres.

Her bruger vi det på en måde, der er helt anderledes end den måde, det var beregnet til at blive brugt på.

I stedet tager vi output ved Pin 1, som er output fra en "Fasedetektor". Vi udnytter det faktum, at en "fasedetektor" simpelthen er en multiplikator.

Også Pin 6 bruges normalt som timing -kondensatorforbindelse.

I stedet bruger vi kreativt Pin 6 som referenceindgang til brug af 567-chippen som en lock-in-forstærker. Dette giver os mulighed for at få adgang til multiplikatoren ved en af dens input.

For at få maksimal følsomhed over for referenceindgange fandt vi ud af, at hvis vi bias denne pin til 46,6% af forsyningsskinnen og kapacitivt kobler til den, får vi de bedste resultater. Du kan også prøve at fodre referencesignalet direkte til det, som angivet af kontakten (du kan bare bruge en jumper wire på dit brødbræt i stedet for kontakten).

Den eneste input/output pin, som vi bruger konventionelt (dvs. den måde, den var beregnet til at blive brugt) er Pin 3, som formodes at bruges som input, som vi faktisk bruger som input!

Trin 3: Brug Lock-in-forstærkeren til god brug: Synshjælp til blinde

Vi ønsker at bruge lock-in forstærkeren til at skabe et synshjælpemiddel (se hjælpemiddel) til blinde.

Ideen her er, at vi bruger det til ekkolod, til at oprette et Doppler -ekkolodssensor -system.

Selvom du kan købe en ekkolodssensor som Arduino -vedhæftet fil, vælger vi selv at bygge systemet ud fra de første principper i denne Instructable af følgende årsager:

1. Eleverne lærer det grundlæggende, når de selv bygger ting;
2. Dette giver dig direkte adgang til de rå signaler for yderligere forskning og udvikling;
3. Systemet er meget mere lydhørt og øjeblikkeligt sammenlignet med færdigpakkede systemer, der blot rapporterer aggregeret information med ganske lidt forsinkelse (latens).

Monter de to ultralydstransducere på et headset (hovedtelefoner), fremad. Vi kan lide at sætte dem på hver side, så hovedet beskytter senderen mod direkte signal fra modtageren.

Tilslut dem til lock-in forstærker i henhold til det medfølgende diagram.

Tilslut en udgang fra forstærkeren til headsettet. Headset af typen "Extra Bass" fungerer bedst, da frekvensresponsen strækker sig helt til den laveste frekvens.

Nu vil du kunne høre objekter i rummet og konstruere et mentalt visuelt kort over rummets objekter i bevægelse.

Trin 4: Human-Machine Learning

"Faderen til AI", Marvin Minsky (han opfandt hele området for maskinlæring), sammen med Ray Kurzweil (direktør for teknik hos Google), og jeg selv, skrev et papir i IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance ", 2013) om en ny form for maskinlæring, kaldet Humanistisk intelligens.

Dette stammer fra maskinlæring om bærbare teknologier, dvs. "HuMachine Learning", hvor sensorer bliver en sand forlængelse af sind og krop.

Prøv at tage Doppler -ekkolodet tilbage og levere dem til et computersystems analoge input, og kør noget maskinlæring på disse data.

Dette vil tage os et skridt tættere på Simon Haykins vision om et radar- eller sonarsystem, der er i stand til at kende.

Overvej at bruge det neurale netværk LEM (Logon Expectation Maximization).

Se

Her er nogle yderligere papirer om maskinlæring og chirplet -transformation:

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…

Trin 5: Andre variationer: Hjerteovervågning

Dødsårsagen nummer 1 er hjertesygdomme, og vi kan oprette et bærbart system, der hjælper med at løse dette. Brug to hydrofoner eller geofoner til at "se" ind i dit eget hjerte. Den samme teknologi, der hjælper de blinde med at”se”, kan nu vendes indad for at se ind i din egen krop.

Sådan en hjerteovervågning kombineret med traditionel EKG samt udadvendt video til kontekst giver dig en bærbar kontekstbevidst hjerteovervågning for personlig sundhed og sikkerhed.

Maskinlæring kan hjælpe med at forudsige problemer, før de opstår.

Trin 6: Anden variant: Cykelsikkerhedssystem

En anden applikation er et bagudsynssystem til en cykel. Placer transducerne bagud på en cykelhjelm.

Her ønsker vi at ignorere rod og generelt alt, der bevæger sig væk fra dig, men kun "se" tingene vinde på dig.

Til dette formål vil du gerne bruge et komplekst værdsat ekkolodsystem, som angivet i ledningsdiagrammet ovenfor.

Feed output (reelle og imaginære) i en 2-kanals AtoD (Analog til Digital) converter og beregne Fourier-transformen, og overvej derefter kun de positive frekvenser. Når der er stærke positive frekvenskomponenter, vinder der noget på dig. Dette kan aktivere en forstørrelse af dit bagkamera-feed for at henlede opmærksomheden på objekter bag dig, der vinder på dig.

For bedre resultater beregnes chirplet -tranformen. Endnu bedre: brug Adaptive Chirplet Transform (ACT) og brug LEM neuralt netværk.

Se kapitel 2 i lærebogen "Intelligent billedbehandling", John Wiley og sønner, 2001.

Yderligere referencer:

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…

Trin 7: Anden variation: Binaural Seeing Aid for the Blind

Brug ovennævnte kompleksværdige lock-in-forstærker til at levere stereoskopisk lyd med de virkelige og imaginære udgange til de to stereokanaler til lyd.

På denne måde kan du høre den komplekse natur i verden omkring dig, da menneskelig hørelse er meget tilpasset små faseændringer, og er denne meget dygtig til at lære at forstå de subtile ændringer mellem in-fase og kvadraturkanaler ved Doppler-tilbagevenden.