Amplificador de bloqueo portátil en miniatura (y sistema de sonda para dispositivos portátiles, etc.): 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Construya un amplificador de bloqueo en miniatura de bajo costo que pueda integrarse en marcos de anteojos y crear un sistema de visión por sonda para ciegos, o una simple máquina de ultrasonido que monitorea continuamente su corazón y utiliza el aprendizaje humano-automático para advertir de los problemas antes de que ocurran. ocurrir.

Un amplificador de bloqueo es un amplificador que puede bloquear una señal específica (entrada de referencia) mientras ignora todo lo demás. En un mundo de bombardeo constante con ruido y distracción, la capacidad de ignorar algo (es decir, la ignorancia) es un activo valioso.

El mejor amplificador jamás construido en toda la historia de la raza humana es el PAR124A fabricado en 1961, y aunque muchos han intentado superar o igualar su rendimiento, ninguno lo ha logrado [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Los amplificadores de bloqueo son fundamentales para sonar, radar, lidar y muchos otros tipos de detección, y los buenos suelen costar entre $ 10, 000 y $ 50, 000, según las especificaciones, etc.

S. Mann, Universidad de Stanford, Departamento de Ingeniería Eléctrica, 2017.

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

Paso 1: Obtenga los componentes

El club de estudiantes de informática portátil WearTech de la Universidad de Toronto ha donado generosamente un kit de piezas a cada estudiante inscrito en ECE516.

Puede unirse a WearTech y obtener un kit de piezas o, alternativamente, comprar las piezas de Digikey.

Lista de materiales:

• Generador de señales (que todavía tendrá del Laboratorio 1 e inicialmente no necesitará el generador de señales complejo completo, es decir, para la primera parte de esta práctica de laboratorio, servirá cualquier generador de señales de valor real adecuado);
• Decodificador de tono LM567 o NE567 (chip de 8 pines);
• R_T = resistencia superior del divisor de tensión de entrada de referencia: aprox. 5340 ohmios;
• R_B = resistencia inferior del divisor de tensión de entrada de referencia: aprox. 4660 ohmios;
• R_L = resistencia de carga para salida (pin 3): aprox. 9212 ohmios;
• Los tres condensadores (condensadores de acoplamiento para referencia y entrada de señal, así como condensador de filtro de paso bajo en la salida);
• Interruptores opcionales;
• Amplificador de salida como TL974 (también puede utilizar un amplificador de audio suficientemente sensible o un amplificador de auriculares con una impedancia de entrada suficientemente alta para no sobrecargar el condensador del filtro de salida);
• Otros componentes diversos;
• Placa de pruebas u otra placa de circuito para el montaje de los componentes.

Además, para hacer algo útil con el amplificador de bloqueo, querrá obtener:

• Transductores ultrasónicos (cantidad dos);
• Auriculares de audio o sistema de altavoces;
• Sistema informático o procesador o microcontrolador (del laboratorio 1) para la parte de aprendizaje automático.

R_T, R_By R_L son relativamente críticos, es decir, valores que hemos seleccionado cuidadosamente a través de la experimentación.

Paso 2: Conecte los componentes

Conecte los componentes de acuerdo con el diagrama que se muestra.

El diagrama es una buena combinación entre un diagrama esquemático y un diagrama de cableado, es decir, muestra el diseño del circuito y cómo está conectado el circuito.

La forma en que se utiliza el decodificador de 567 tonos ha sido considerada por algunos como una desviación creativa de su uso convencional normal. Normalmente, el pin 8 es el pin de salida, pero no lo usamos en absoluto. Normalmente, el dispositivo detecta un tono y enciende una luz u otro elemento cuando se detecta el tono.

Aquí lo estamos usando de una manera que es completamente diferente de la forma en que estaba destinado a ser utilizado.

En cambio, tomamos la salida en el Pin 1, que es la salida de un "Detector de fase". Aprovechamos el hecho de que un "detector de fase" es simplemente un multiplicador.

Además, el pin 6 se usa normalmente como una conexión de condensador de temporización.

En cambio, de manera creativa, usamos el Pin 6 como entrada de referencia para usar el chip 567 como amplificador de bloqueo. Esto nos permite acceder al multiplicador en una de sus entradas.

Para obtener la máxima sensibilidad a las entradas de referencia, encontramos que si polarizamos este pin al 46.6% del riel de suministro y lo acoplamos capacitivamente, obtenemos mejores resultados. También puede intentar enviarle la señal de referencia directamente, como lo indica el interruptor (puede usar un cable de puente en su tablero en lugar del interruptor).

El único pin de entrada / salida que usamos convencionalmente (es decir, la forma en que fue diseñado para ser usado) es el Pin 3, que se supone que se usa como entrada, ¡que de hecho usamos como entrada!

Paso 3: Haga un buen uso del amplificador de bloqueo: ayuda visual para ciegos

Deseamos utilizar el amplificador de bloqueo para crear una ayuda visual (ayuda visual) para los ciegos.

La idea aquí es que lo usemos para sonar, para crear un sistema de detección de sonar Doppler.

Aunque puede comprar un sensor de sonda como un accesorio Arduino, elegimos construir el sistema nosotros mismos desde los primeros principios en este Instructable por las siguientes razones:

1. Los estudiantes aprenderán los fundamentos cuando ellos mismos construyan cosas;
2. Esto le brinda acceso directo a las señales sin procesar para una mayor investigación y desarrollo;
3. El sistema es mucho más receptivo e instantáneo, en comparación con los sistemas preempaquetados que simplemente reportan información agregada con bastante retraso (latencia).

Monte los dos transductores de ultrasonido en un auricular (auriculares), mirando hacia adelante. Nos gusta ponerlos a ambos lados para que la cabeza proteja al transmisor de la señal directa del receptor.

Conéctelos al amplificador de bloqueo de acuerdo con el diagrama proporcionado.

Conecte una salida del amplificador a los auriculares. El tipo de auricular "Extra Bass" funciona mejor, ya que la respuesta de frecuencia se extiende hasta la frecuencia más baja.

Ahora podrá escuchar objetos en la habitación y construir un mapa visual mental de los objetos en movimiento de la habitación.

Paso 4: aprendizaje humano-máquina

El "padre de la IA", Marvin Minsky (inventó todo el campo del aprendizaje automático), junto con Ray Kurzweil (Director de ingeniería de Google) y yo mismo, escribimos un artículo en IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance ", 2013) sobre un nuevo tipo de aprendizaje automático, llamado Inteligencia Humanística.

Esto surge del aprendizaje automático en tecnologías portátiles, es decir, "HuMachine Learning", en el que los sensores se convierten en una verdadera extensión de la mente y el cuerpo.

Intente tomar los retornos de la sonda Doppler y suministrarlos a la entrada analógica de un sistema informático, y ejecutar algo de aprendizaje automático en estos datos.

Esto nos acercará un paso más a la visión de Simon Haykin de un radar o sistema de sonar capaz de cognición.

Considere usar la red neuronal LEM (Logon Expectation Maximization).

Ver

Aquí hay algunos artículos adicionales sobre el aprendizaje automático y la transformación de 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…

Paso 5: Otras variaciones: monitor cardíaco

La causa número 1 de muerte son las enfermedades cardíacas, y podemos crear un sistema portátil que ayude a abordar esto. Utilice dos hidrófonos o geófonos para "ver" en su propio corazón. La misma tecnología que ayuda a los ciegos a "ver" ahora se puede girar hacia adentro para mirar dentro de su propio cuerpo.

Un monitor cardíaco de este tipo, combinado con un ECG tradicional, así como un video orientado hacia afuera para el contexto, le brinda un monitor cardíaco sensible al contexto que se puede llevar puesto para su salud y seguridad personal.

El aprendizaje automático puede ayudar a predecir problemas antes de que surjan.

Paso 6: otra variación: sistema de seguridad para bicicletas

Otra aplicación es un sistema de visión trasera para una bicicleta. Coloque los transductores mirando hacia atrás en un casco de bicicleta.

Aquí deseamos ignorar el desorden del suelo y, en general, todo lo que se aleja de ti, pero solo "ver" las cosas que te ganan.

Para este propósito, querrá utilizar un sistema de sonda de valor complejo, como se indica en el diagrama de cableado anterior.

Alimente las salidas (reales e imaginarias) en un convertidor AtoD (analógico a digital) de 2 canales y calcule la transformada de Fourier, luego considere solo las frecuencias positivas. Cuando hay fuertes componentes de frecuencia positiva, algo te está ganando. Esto puede activar una ampliación de la señal de la cámara trasera, para llamar la atención sobre los objetos detrás de usted que se le acercan.

Para obtener mejores resultados, calcule la transformación de chirplet. Aún mejor: use Adaptive Chirplet Transform (ACT) y use la red neuronal LEM.

Consulte el capítulo 2 del libro de texto "Procesamiento inteligente de imágenes", John Wiley and Sons, 2001.

Referencias adicionales:

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…

Paso 7: Otra variación: ayuda visual binaural para ciegos

Utilice el amplificador de bloqueo de valor complejo anterior para proporcionar sonido estereoscópico, con salidas reales e imaginarias a los dos canales estéreo de audio.

De esta manera, puede escuchar la naturaleza compleja del mundo que lo rodea, ya que la audición humana está muy en sintonía con los cambios leves de fase, y es muy hábil para aprender a comprender los cambios sutiles entre los canales en fase y en cuadratura del retorno Doppler.