VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система биопозиционирования
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Информатика всё больше входит в нашу жизнь. Отчётность сменяется электронными документами, встречи становятся виртуальными, обычные вещи бытового пользования получают новый функционал. Всё это облегчает нашу работу, высвобождает свободное время для его более эффективного использования.
В данной работе объектом исследования является компас. Обычный механический прибор, используемый только человеком, давно стал электронным и служит навигатором.
Решено было рассмотреть применение этого прибора в медицине и спорте. Представитель спортивного ориентирования должен постоянно смотреть на компас и карту. С нашим компасом его внимание будет сфокусировано только на карте. Более ценно использовать информацию о положении севера в любой момент времени для гимнастов и людей с поражённым вестибулярным аппаратом. Благодаря способностям мозга заменять виды сенсорной информации при отсутствии обычных [1] (например, глухие видят стены, слыша отражение звука от них) предполагается, что человек сможет заменить функции вестибулярного аппарата при его постоянном использовании. Гимнаст, когда делает сальто, также в значительной степени опирается на ощущение в пространстве, не успевая смотреть по сторонам и в точку приземления. Таких устройств на международном рынке нет.
Актуальность исследования ̶ помощь в спортивном росте спортивным ориентировщикам, спортивным гимнастам и людям с поражённым вестибулярным аппаратом.
Проблема исследования ̶ нет продуктов и патентов, реализующих такой компас или аналогов, ориентирующих человека в пространстве в режиме реального времени, не отвлекая его от решения повседневных задач.
Новизна исследования ̶ уникальный способ использования электронной системы компаса.
Предмет исследования ̶ электронный компас, указывающий направление севера синхронно с вибромоторами, расположенными на теле человека.
Гипотеза ̶ будет сконструирован прототип компаса, распознающий 12 положений.
Цель ̶ сконструировать прототип компаса, распознающий 12 положений.
Задачи:
выбрать датчик для определения положения севера;
выбрать контроллер, распознающий данные датчика;
собрать схему из датчика, микроконтроллера и дешифратора, подающего питание на вибромоторы и самих вибромоторов;
записать простую программу в микроконтроллер, которая будет запускать один из двенадцати моторов.
разработать и собрать схему креплений для системы компаса на теле человека;
Практическая значимость ̶ улучшение спортивных показателей спортивных ориентировщиков, спортивных гимнастов и улучшение условий жизни людей с поражениями вестибулярного аппарата.
Теоретическая значимость ̶ возможность исследования поведения человека, получающего новый вид сенсорной информации на постоянной основе.
Основная часть
На линию пояса человека вешается система компаса с поясом из равномерно распределённых вибромоторов. В зависимости от угла переда человека с направлением севера включается тот или иной вибромотор (всего их 12).
Если человек стоит на север, то работает «северный» вибромотор. Если человек повернётся на по часовой стрелке, то заработает следующий по часовой стрелке вибромотор.
Если человек лежит перпендикулярно северу, то вибромоторы не работают, а если на север или юг – то работают все вибромоторы.
Для реализации этой идеи сначала необходимо определить датчик, так как он может быть очень дорогим. Изначально рассматривался трёх-осевой датчик Холла. У него прекрасная точность (до 0,1 доли градуса). Посмотрев примерную стоимость (более пяти тысяч долларов) ещё были надежды посмотреть модели такого датчика с более низкой точностью, но они производятся главным образом для нужд авиации.
В процессе размышлений стало ясно, что для данной задачи не требуется очень высокая точность, так как на поясе человека не получится разместить очень много вибромоторов, поэтому погрешность в несколько градусов стала допустимой и был найден трёх-осевой магнитометр с ценой около тысячи рублей [2].
Данный датчик передаёт данные по шине I2C, поэтому нужна аппаратная платформа (или микроконтроллер), способная считать данные по этой шине. Шина представляет собой несколько проводов, по которым датчик передаёт данные определённым образом. Конкретная шина состоит из двух проводов (рисунок 1 приложения): один генерирует тактовый сигнал, а второй передаёт данные о магнитном поле по осям X, Y, Z и управляющие сигналы [3].
Наиболее доступными и популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AtMega. Самые простые из них не умеют работать с нужной шиной, поэтому подходят микроконтроллеры AtMega 16, AtMega 32, AtMega 128 и более продвинутые.
В работе была задействована платформа Arduino Due. Это профессиональная платформа, на которой можно решать задачи, требующие высокой производительности и скорости, так как тактовая частота чипа достигает 84 МГц, в то время как тот же микроконтроллер AtMega 16 имеет частоту до 8 МГц и с кварцевым резонатором достигает 20 МГц. Более важно отсутствие необходимости в программаторе. Он встроен в плату Arduino Due.
Её стоимость чуть меньше тысячи рублей. Есть более дешёвые аналоги, покрывающие любые потребности проектируемого устройства и не требующие отдельного программатора, например платформы Arduino Uno, Arduino Leonardo. Но так как всю схему больше не надо паять, она представляет собой конструктор из электронных компонентов, данную платформу можно будет использовать в дальнейшем для разработки других устройств, сразу имея всё необходимое на уровне управляющего устройства.
Считав данные с датчика, микроконтроллер выдаёт двоичное число от 1 до 12, означающее номер мотора, который должен крутиться (рисунок 2 приложения). Это число подаётся на дешифратор, который подаёт напряжение на конкретный вибромотор в зависимости от поступившего числа [4].
Дешифратор выдаёт низкое напряжение для неактивных моторов, но его хватает для включения всех моторов (нужно примерно 1,2 вольта), при этом питания для всех моторов не хватит. Поэтому используются транзисторы, запускающие только нужные в конкретный момент моторы. Также для увеличения тока используется по одному резистору на вибромотор, а для его стабильной работы - конденсатор [5].
Остаётся запрограммировать расшифровку данных датчика. Данные поступают не в виде координат, а чисел в диапазоне от -512 до 512, которые надо перевести в градусы.
Теперь систему можно запрограммировать. Для этого был сделан разъём из 10 штырьков, на который одевается разъём программатора JTAG ICE, соединённых с соответствующими портами микроконтроллера и питанием. В качестве теста записана программа, запускающая один из моторов [6].
Остаётся как-то разместить этот компас на теле. Сам блок с компасом размещается в барсетке. Пояс из моторов пришлось делать самостоятельно на швейной машинке. За основу взят плотный широкий ремень. На внутреннюю сторону нашита одна сторона липучки, на конец внешней стороны - другая сторона липучки, позволяя регулировать ширину пояса и одеть его на человека с талией до 95 сантиметров. Для моторов сделаны карманы, на которые нашита вторая сторона липучки. Моторы крепятся с внутренней стороны, дополнительно прижимаясь телом и обеспечивая более сильную вибрацию.
Чтобы конец вибромотора не упирался в карман, его разместили в обрезанный дюбель, диаметра 10 миллиметров (рисунок 3 приложения).
Заключение
В результате был собран рабочий прототип компаса, который уже можно носить на теле. Микроконтроллер, дешифратор, датчик магнитного поля Земли разъём программатора и обшивка припаяны к макетной плате, закреплённой на болтах в компактном корпусе вместе с питанием. Из корпуса выходит множество проводов к вибромоторам, размещенным на поясе.
Также данное устройство ограничено временем работы из-за слабых аккумуляторов. Чтобы показать работоспособность прототипа и пол часа поработать в этой системе этого хватит. Но для поставленных целей необходима работа устройства в течение 18 часов (всё время бодрствования человека).
Библиография
Шиффман, Х. Р. Ощущение и восприятие. 5-е изд. [Текст] / Шиффман Х. Р. – СПб.: Питер, 2003.
Pololu. Robotics & Electronics [Электронный ресурс]: LSM303DLM 3D-компас и акселерометр с регуляторами напряжения. – Режим доступа: https://www.pololu.com/product/1273 (дата обращения 17.02.2018).
Easy Electronics. Электроника для всех [Электронный ресурс]: Интерфейсная шина IIC (I2C). – Режим доступа: http://easyelectronics.ru/interface-bus-iic-i2c.html (дата обращения 17.02.2018).
Chipinfo - электронные компоненты и радиодетали для радиолюбителей [Электронный ресурс]: Корпус ИМС К155ИД3. – Режим доступа: http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/155/id3.html (дата обращения 17.02.2018).
Мой робот [Электронный ресурс]: Подключение Atmel AVR. Стабилизация работы микроконтроллера. – Режим доступа: http://myrobot.ru/articles/mc_stab.php (дата обращения 17.02.2018).
Космодром. Электронные компоненты [Электронный ресурс]: Отладочный комплекс AVR-EASY-KIT. – Режим доступа: http://www.kosmodrom.com.ua/razrabotka/avreasy5.php (дата обращения 17.02.2018).
Приложения
Рисунок 1. Схема передачи данных по шине I2C. SCL - тактовый сигнал; SDA - сигнал данных; B1, B2, BN - передаваемые данные; S, P - управляющие сигналы старт и стоп.
Рисунок 2. Структурная схема дешифратора. 20-23 - двоичный вход; 1-11, 13-17 - дешифрованные выходы; 24 - напряжение; 12 - земля.
Рисунок 3. Пояс из вибромоторов. Фрагмент пояса с липучкой, карманы с вибромоторами в дюбелях.