如何跟踪正在移动的烤箱门的运动

在工作中，我们正在测量各种参数以测试新设计的烤箱原型。为了使事情更有效率，我正在尝试创建一个电子装置来自动执行测量，尤其是对门的运动（从完全打开到完全关闭）进行测量。

目的是在门的各个运动点上测量门的瞬时速度，这是一条固定的径向路径。请注意，相对于仅通过计时确定的平均速度，重点是瞬时速度记录。

我怎样才能以合理的精度测量烤箱门的速度/跟踪其运动？（合理的隐含误差<1-2 cm / s）

由于它仅是固定的径向运动（并且没有沿着任何其他轴的分量），并且由于存在运动的分量和静止的分量，因此我认为这比测量像人或手。

我的第一个想法是基于加速度计-陀螺仪-IMU的方法，即随着时间对加速度进行积分以获得速度，但是对此主题的阅读表明这将导致相当大的误差。

一个建议是要有一组廉价的低功率激光器，它们以弧形布置在门旋转的上平面上方，并直接指向下方。恰好在门旋转的下平面下方的PIN光电二极管或光电晶体管的相应电弧可以连接到微控制器的GPIO引脚，以依次检测每个光束的光中断。

我使用5度感测角度对配置进行了粗略的说明。如果需要，每个传感器的精度可以降低到1度。

这5伏5兆瓦的点型红色激光就足够了（在eBay上约为1美元，包括国际运费）：

对于传感器，可以使用PIN光电二极管，例如OP906（来自Digikey的单价为0.59美元）：

在您的微控制器代码中，当门打开或关闭时，连续激光束中断的时间将在相隔5度的任意两个点之间提供精确的瞬时旋转速度。

ADC的采样率，定时器精度和微控制器的处理速度将决定可达到的数据精度。

如果对精度不是很严格的要求，则此设计的一个有用简化（感谢@ jippie，让我朝这个方向思考）是在照明灯上方使用单个窄管灯，例如8瓦荧光灯或CFL管。门，以更换激光器。光检测器将保持原样，当门关闭时，对它们的光将依次中断。

我不完全了解此烤箱门的背景；但我想提一个建议。

门铰链上的优质电位器怎么样？考虑到这一点，您可以通过这种方式获得门的位置和速度。这种方法既简单又健壮。通过一些测试和测量，获得门的位置很简单，您可以找到给定输入或门位置下锅的输出值。

同样，如果根据时间区分位置（实际上，您可以简单地将获得的位置变化率除以时间变化率），则将获得角速度。然后从那里您可以计算门的行进速度。

从上图可以看出，角速度将很小。V是门端移动的速度。V，显然是用角速度乘以半径获得的。

令我惊讶的是，没有人提到使用字符串编码器或字符串电位计。 这是一个相当简单而准确的解决方案。基本上，琴弦连接到弹簧编码器，编码器测量琴弦的运动。移动质量很小，不需要编码器轴与铰链共线，也不需要对铰链进行任何修改，例如齿轮或皮带。

如果主要运动是沿圆形路径，则单个陀螺仪应提供足够的精度。从角速度到质心速度需要一些数学运算，但这只是一次计算。

基本上，如果速度限制为角速度，则陀螺仪+算术通常可以为您提供瞬时速度。

IMU和死角破坏型方法的问题在于，长期以来，由于线性加速度的积分，您会遇到复合速度误差。发生这种情况是因为通常没有很好的方法来确定线速度。当试图确定位置，考虑线速度的旋转偏移等时，情况将变得更加糟糕。

根据您要执行的测试类型，您可以在IMU上增加一个传感器，以确定门何时关闭/处于停止位置，然后使用该传感器将IMU调零。通过这种方法，IMU只需要在开/关门的时间（大概只有几秒钟）内保持合理的准确性，我认为这是合理的。