Penguat Pengunci Miniatur yang Dapat Dipakai (dan Sistem Sonar untuk Perangkat yang Dapat Dipakai, Dll.): 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Bangun amplifier pengunci mini berbiaya rendah yang dapat disematkan di bingkai kacamata dan untuk membuat sistem penglihatan sonar bagi orang buta, atau mesin ultrasound sederhana yang terus memantau jantung Anda dan menggunakan Pembelajaran Mesin Manusia untuk memperingatkan masalah sebelum masalah itu muncul. terjadi.

Penguat pengunci adalah penguat yang dapat mengunci sinyal tertentu (input referensi) sambil mengabaikan yang lainnya. Dalam dunia yang terus-menerus dibombardir dengan kebisingan dan gangguan, kemampuan untuk mengabaikan sesuatu (yaitu ketidaktahuan) adalah aset yang berharga.

Amplifier terbaik yang pernah dibuat sepanjang sejarah umat manusia adalah PAR124A yang dibuat pada tahun 1961, dan sementara banyak yang mencoba melampaui atau menyamai kinerjanya, tidak ada yang berhasil [https://wearcam.org/BigDataBigLies.pdf].

Amplifier pengunci sangat penting untuk sonar, radar, lidar, dan banyak jenis penginderaan lainnya, dan yang bagus biasanya berharga sekitar $ 10.000 hingga $ 50.000, tergantung pada spesifikasi, dll.

S. Mann, Universitas Stanford, Departemen Teknik Elektro, 2017.

Mengutip Mann, Lu, Werner, IEEE GEM2018 hlm. 63-70

Langkah 1: Dapatkan Komponen

Klub mahasiswa komputasi WearTech di University of Toronto dengan murah hati menyumbangkan kit suku cadang untuk setiap mahasiswa yang terdaftar di ECE516.

Anda dapat bergabung dengan WearTech dan mendapatkan kit suku cadang, atau sebagai alternatif, membeli suku cadang dari Digikey.

Bill of material:

• Generator sinyal (yang masih akan Anda miliki dari Lab 1 dan pada awalnya Anda tidak memerlukan generator sinyal kompleks penuh, yaitu untuk bagian pertama lab ini, generator sinyal bernilai nyata apa pun yang sesuai akan melakukannya);
• Dekoder nada LM567 atau NE567 (chip 8-pin);
• R_T = resistor atas pembagi tegangan input referensi: kira-kira. 5340 ohm;
• R_B = resistor bawah pembagi tegangan input referensi: kira-kira. 4660 ohm;
• R_L = resistor beban untuk keluaran (Pin 3): kira-kira. 9212 ohm;
• Tiga kapasitor (kapasitor kopling untuk referensi dan input sinyal, serta kapasitor filter lowpass pada output);
• Sakelar opsional;
• Penguat keluaran seperti TL974 (Anda juga dapat menggunakan penguat audio atau penguat headphone yang cukup sensitif dengan impedansi masukan yang cukup tinggi agar tidak membebani kapasitor filter keluaran);
• komponen lain-lain;
• Papan tempat memotong roti atau papan sirkuit lainnya untuk perakitan komponen.

Selain itu, untuk melakukan sesuatu yang berguna dengan amplifier pengunci, Anda perlu memperoleh:

• Transduser ultrasonik (jumlah dua);
• Headset audio atau sistem speaker;
• Sistem komputer atau prosesor atau mikrokontroler (dari Lab 1) untuk bagian pembelajaran mesin.

R_T, R_B, dan R_L relatif kritis, yaitu nilai-nilai yang telah kami pilih dengan cermat melalui eksperimen.

Langkah 2: Hubungkan Komponen

Hubungkan komponen sesuai dengan diagram yang ditunjukkan.

Diagram adalah perpaduan yang bagus antara diagram skematik dan diagram pengkabelan, yaitu menunjukkan tata letak sirkuit serta bagaimana sirkuit terhubung.

Cara penggunaan decoder nada 567 telah dianggap oleh beberapa orang sebagai penyimpangan kreatif dari penggunaan konvensional normalnya. Biasanya Pin 8 adalah pin keluaran, tetapi kami tidak menggunakannya sama sekali. Biasanya perangkat mendeteksi nada dan menyalakan lampu atau item lain saat nada terdeteksi.

Di sini kita menggunakannya dengan cara yang sama sekali berbeda dari cara penggunaannya.

Sebagai gantinya, kami mengambil output di Pin 1 yang merupakan output dari "Detektor Fase". Kami memanfaatkan fakta bahwa "Detektor Fase" hanyalah pengganda.

Juga, Pin 6 biasanya digunakan sebagai koneksi kapasitor waktu.

Sebagai gantinya, secara kreatif, kami menggunakan Pin 6 sebagai input referensi untuk menggunakan chip 567 sebagai penguat pengunci. Ini memungkinkan kita untuk mengakses pengganda di salah satu inputnya.

Untuk mendapatkan sensitivitas maksimum terhadap input referensi, kami menemukan bahwa jika kami membiaskan pin ini ke 46,6% dari rel suplai, dan memasangkan kapasitif ke dalamnya, kami mendapatkan hasil terbaik. Anda juga dapat mencoba memasukkan sinyal referensi langsung ke sana, seperti yang ditunjukkan oleh sakelar (Anda bisa menggunakan kabel jumper di papan tempat memotong roti alih-alih sakelar).

Satu-satunya pin input/output yang kita gunakan secara konvensional (yaitu cara penggunaannya) adalah Pin 3 yang seharusnya digunakan sebagai input, yang memang kita gunakan sebagai input!

Langkah 3: Gunakan Penguat Pengunci untuk Penggunaan yang Baik: Alat Bantu Penglihatan untuk Tunanetra

Kami ingin menggunakan lock-in amplifier untuk membuat alat bantu penglihatan (seeing aid) untuk orang buta.

Idenya di sini adalah bahwa kami menggunakannya untuk sonar, untuk membuat sistem penginderaan sonar Doppler.

Meskipun Anda dapat membeli sensor sonar sebagai lampiran Arduino, kami memilih untuk membangun sistem sendiri dari prinsip pertama dalam Instruksi ini karena alasan berikut:

1. Siswa akan mempelajari dasar-dasarnya ketika mereka membangun sesuatu sendiri;
2. Ini memberi Anda akses langsung ke sinyal mentah untuk penelitian dan pengembangan lebih lanjut;
3. Sistem ini jauh lebih responsif dan instan, dibandingkan dengan sistem paket yang hanya melaporkan informasi agregat dengan sedikit penundaan (latensi).

Pasang dua transduser ultrasound pada headset (headphone), menghadap ke depan. Kami suka meletakkannya di kedua sisi sehingga kepala melindungi pemancar dari sinyal langsung dari penerima.

Hubungkan mereka ke amplifier lock-in sesuai dengan diagram yang disediakan.

Hubungkan output amplifier ke headset. Jenis headset "Extra Bass" berfungsi paling baik, karena respons frekuensi meluas hingga frekuensi terendah.

Sekarang Anda akan dapat mendengar benda-benda di dalam ruangan dan membuat peta visual mental dari benda-benda di dalam ruangan yang bergerak.

Langkah 4: Pembelajaran Manusia-Mesin

"Bapak AI", Marvin Minsky (ia menemukan seluruh bidang pembelajaran mesin), bersama dengan Ray Kurzweil (Direktur Teknik di Google), dan saya sendiri, menulis makalah di IEEE ISTAS 2013 (Minsky, Kurzweil, Mann, " Society of Intelligent Veillance", 2013) pada jenis pembelajaran mesin baru, yang disebut Kecerdasan Humanistik.

Ini muncul dari pembelajaran mesin pada teknologi yang dapat dikenakan, yaitu "HuMachine Learning", di mana sensor menjadi perpanjangan sejati dari pikiran dan tubuh.

Coba ambil pengembalian sonar Doppler dan suplai ke input analog sistem komputer, dan jalankan beberapa pembelajaran mesin pada data ini.

Ini akan membawa kita selangkah lebih dekat ke visi Simon Haykin tentang radar atau sistem sonar yang mampu kognisi.

Pertimbangkan untuk menggunakan jaringan saraf LEM (Logon Expectation Maximization).

Lihat

Berikut beberapa makalah tambahan tentang pembelajaran mesin dan transformasi 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…

Langkah 5: Variasi Lain: Monitor Jantung

Penyebab kematian nomor 1 adalah penyakit jantung, dan kita dapat membuat sistem yang dapat dipakai untuk membantu mengatasi hal ini. Gunakan dua hidrofon atau geofon untuk "melihat" ke dalam hati Anda sendiri. Teknologi yang sama yang membantu orang buta "melihat" sekarang dapat diputar ke dalam untuk melihat ke dalam tubuh Anda sendiri.

Monitor jantung seperti itu, dikombinasikan dengan EKG tradisional serta video yang menghadap ke luar untuk konteks, memberi Anda monitor jantung sadar konteks yang dapat dipakai untuk kesehatan dan keselamatan pribadi.

Pembelajaran mesin dapat membantu memprediksi masalah sebelum muncul.

Langkah 6: Variasi Lain: Sistem Keamanan Sepeda

Aplikasi lain adalah sistem penglihatan belakang untuk sepeda. Letakkan transduser menghadap ke belakang pada helm sepeda.

Di sini kami ingin mengabaikan kekacauan tanah dan umumnya segala sesuatu menjauh dari Anda, tetapi hanya "melihat" hal-hal yang terjadi pada Anda.

Untuk tujuan ini Anda akan ingin menggunakan sistem sonar bernilai kompleks, seperti yang ditunjukkan pada diagram pengkabelan di atas.

Masukkan output (nyata dan imajiner) ke dalam konverter AtoD (Analog ke Digital) 2 saluran dan hitung transformasi Fourier, lalu pertimbangkan hanya frekuensi positif. Ketika ada komponen frekuensi positif yang kuat, ada sesuatu yang menguntungkan Anda. Ini dapat mengaktifkan pembesaran umpan kamera belakang Anda, untuk menarik perhatian objek di belakang Anda yang mendekati Anda.

Untuk hasil yang lebih baik, hitung transformasi chirplet. Lebih baik lagi: gunakan Adaptive Chirplet Transform (ACT) dan gunakan jaringan saraf LEM.

Lihat Bab 2 dari buku teks "Intelligent Image Processing", John Wiley and Sons, 2001.

Referensi tambahan:

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…

Langkah 7: Variasi Lain: Bantuan Penglihatan Binaural untuk Tunanetra

Gunakan amplifier lock-in bernilai kompleks di atas untuk memberikan suara stereoskopik, dengan output nyata dan imajiner ke dua saluran audio stereo.

Dengan cara ini Anda dapat mendengar sifat kompleks dunia di sekitar Anda, karena pendengaran manusia sangat peka terhadap sedikit perubahan fase, dan apakah ini sangat mahir dalam belajar memahami perubahan halus antara saluran dalam-fase dan kuadratur dari pengembalian Doppler.