Quais são as minhas opções para detectar a posição de um pequeno objeto de metal em movimento?

Esta é uma armadilha de balas de pistola pneumática:

Disparo pequenos pellets de metal nele (4,5 mm = 0,177 "de diâmetro) a até 120 m / s = 390 fps.

Quais são as minhas opções para detectar a posição X / Y na qual ele entra no alvo?

Torna mais fácil se eu só precisar saber a distância do centro? (a pontuação)

No momento, meus pellets estão livres de chumbo, mas não ferromagnéticos (eles não grudam em um ímã.) Se eu fosse comprar pellets ferromagnéticos, teria mais opções? Algum efeito indutivo ou eletromagnético, talvez?

Agora eu posso pensar em:

1. Uma câmera montada em um tripé que compara imagens sucessivas e detecta diferenças no papel alvo. Desvantagens: seria necessário um poder computacional decente (pelo menos um Raspberry Pi) e provavelmente perderia um pellet passando direto por um buraco esculpido pelo pellet anterior. Também não funcionaria tão bem contra as faixas negras.

2. Dois scanners a laser ou CCD, como os scanners de código de barras reajustados, montados ao longo das bordas do alvo a 90 ° um do outro. Desvantagens: a óptica teria que ser alterada no caso do CCD; eles provavelmente precisariam de um fundo branco de referência do outro lado; e eles teriam que ser muito rápidos, porque os pellets estão se movendo muito rápido.

Alguma outra ideia?

Posso usar antenas montadas ao longo da borda para detectar algum tipo de efeito eletromagnético? E se produzir um campo eletromagnético? O pellet de metal iria interagir com ele de alguma maneira perceptível? Um pellet ferromagnético faria isso?

Posso usar dois detectores de distância supersônicos, montados a 90 ° um do outro? Eles conseguem detectar um objeto tão pequeno, viajando rápido?

Uma bobina circular em torno do perímetro externo do alvo gera fluxo magnético: -

A densidade do fluxo está no mínimo (mas não zero) no centro e à medida que você se aproxima do perímetro da bobina, a densidade do fluxo aumenta.

$\sqrt2$ maior em comparação com o caso DC. No entanto, uma grande diferença é que (devido à indução de corrente de Foucault) qualquer material condutor alterará a indutância da bobina à medida que ela passa. Portanto, se você organizou a bobina para fazer parte de um oscilador (de preferência no estágio de saída, para ter mais CA), você pode ajustar a bobina com um capacitor e detectar a mudança de frequência à medida que um pellet passa. A mudança maior será quando o pellet se aproximar da periferia da bobina.

Claramente, um grânulo maior também geraria um desvio de frequência maior também, por isso precisa ser calibrado para grânulos 0,177 0r 0,22 de maneira diferente.

Use alguma forma de detector de frequência para produzir um dc blip (desmodulado) e o tamanho do blip é proporcional ao quão próximo ou distante da borda da bobina você está. Um lado negativo é que, fora da bobina, é necessário que haja algo para impedir que os pellets perdidos se registrem como dentro do loop. Você deseja ter uma frequência decentemente alta de provavelmente alguns MHz, para que o detector possa registrar várias dezenas de ciclos mudando à medida que o projétil passa.

A 120 metros por segundo, a sensação intestinal me diz que começará a registrar algo quando a bobina estiver talvez a 50 mm de distância da bobina; portanto, talvez haja uma distância ideal de cerca de 10 mm, onde a frequência muda mais. A 120 m / s, 1m é percorrido em 8.333 ms, então 10mm é um período de 83,33 nós, portanto talvez 83 ciclos de 1MHz possam ser detectados de maneira aceitável, mas a 10MHz seria melhor.

Isso exigirá apenas um loop de 1 volta com algumas centenas de pF de ajuste.

É factível.

Eu costumava projetar detectores de metais farmacêuticos procurando contaminantes de metais na produção de comprimidos. Usava 1 MHz e podia detectar partículas tão pequenas quanto 0,25 mm de diâmetro (ferroso e não ferroso, mas não aço inoxidável). Ele tinha uma bobina quadrada de cerca de 100 mm por 35 mm, portanto era um pouco menor do que um para um alvo, mas se você considerar que os "níveis de detecção" são proporcionais à massa e a massa é proporcional à distância ao cubo, tudo bem.

Um grânulo 0,177 pode ser considerado uma esfera de 4,5 mm de diâmetro - 18 vezes maior que 0,25 mm e, portanto, sua massa será 5,832 vezes maior e o sinal aproximadamente 5,832 vezes maior.

Você pode tentar um conjunto de microfones dispostos ao redor do caminho do projétil.

Uma vez vi um drone alvo que usava uma série de microfones para detectar a distância perdida das rodadas que passavam por ele. Nesse caso, as rodadas eram supersônicas, então o som era um pouco mais alto e mais agudo que o seu, mas o princípio ainda pode funcionar.

Para explorar essa idéia, você pode obter dois microfones de eletreto pequenos, pressioná-los corretamente e testar com um osciloscópio de armazenamento digital. Se você não tiver um, também poderá conectá-los à placa de som do computador (entrada de linha para obter o estéreo). Monte-os em um bastão, digamos a 30 cm de distância, faça uma gravação de áudio com a maior taxa de amostragem e atire alguns pellets sobre eles em várias posições. Examine os arquivos WAV com o Audacity e veja se 1) existe um impulso útil e 2) se a diferença da hora de chegada corresponde aos diferentes caminhos da foto.

330 m / s dividido por 44 kHz é 7,5 mm; portanto, se os microfones tiverem largura de banda suficiente, acho que você tem a chance de detectar a posição com a placa de som.

Se você obtiver bons resultados com uma placa de som, o próximo passo será projetar um circuito detector que possa detectar com precisão o impulso do som, produzindo uma transição simples de baixa a alta na saída. Pode ser tão simples quanto um filtro passa-alto, amplificador e comparador. Em seguida, faça pelo menos 3, mas melhor 4 ou 5, organize os microfones ao redor do alvo e conecte-os ao seu Arduino, para fazer o tempo. Você só precisa de tempo relativo e apenas uma resolução de talvez 10 nós, portanto um Arduino é perfeito.

Depois, são apenas algumas matemáticas, provavelmente no seu PC e não no Arduino, para descobrir a posição do pellet na matriz do microfone.

Algumas pequenas reflexões: cuidado com o som do próprio rifle acionando os detectores - talvez um portão de software que registre apenas o segundo conjunto de pulsos? O circuito do detector deve ser redefinido rapidamente e não permanecer na parte superior por muito tempo. Além disso, observe que os circuitos do seu detector não leem sons altos mais cedo do que os mais suaves - isso tornaria o cálculo do alcance menos preciso. Além de melhorar o detector para captar o pico, você pode afastar os microfones, não apenas nos cantos do alvo. Mantenha os microfones bem à frente do alvo para não ter reflexos sonoros no papelão.

Você pode usar uma matriz de membrana "emborrachada" de contatos bem espaçados (semelhante a um teclado). Dependendo da precisão da resolução necessária, você pode usar uma matriz de 10 x 10 ou 100 x 100 fios. Ao digitalizar eletronicamente os contatos, você poderá determinar onde o pellet atinge.

Você já citou a solução mais prática e mais simples, uma câmera, mas parece que você viu a floresta e nenhuma árvore: o ponto é que existem todos os tipos de câmeras e mostra que sua experiência NÃO inclui o tipo de que você precisa : uma câmera de alta velocidade. Uma câmera típica tira uma foto quando você pressiona o botão uma vez. Uma câmera mais cara pode ser equipada com um enrolador automático (para as câmeras antigas baseadas em FILM, agora quase obsoletas) e o enrolador abrirá o obturador e fará outra exposição assim que o filme avançar para o próximo quadro. Mas uma câmera de alta velocidade, que NÃO é baseada em filme, pode tirar um número quase inacreditável de fotos por segundo, esclarecer a faixa de 20.000 exposições por segundo OU MAIS. Esta é a sua solução, se você puder pagar. Será, é claro que precisam ser sincronizados eletronicamente com o TRIGGER na pistola de pellets, e isso determina que tanto a pistola de pellets quanto a câmera sejam iniciadas automaticamente. A câmera começaria a tirar fotos um pouco antes do disparo, e uma mira cuidadosa juntamente com (espero) um foco automático (ou um campo muito amplo) acompanhará o projétil desde o momento em que ele sai do cano até o momento em que ele bate o alvo. Tudo o que você precisa fazer é reproduzir e assistir ao disco. E nem importa se o pellet atual passa por um buraco ANTIGO no alvo. Você vê, não importa o que aconteça. Agora, as más notícias: embora essa seja a solução mais simples e eficaz para o seu problema, NÃO CHEGA BARATO. Somente você pode decidir quanto vale a pena ter certeza absoluta sobre as trajetórias; Espero que a câmera de ALTA VELOCIDADE que você precisa (a-la-Mythbusters) custará muitos milhares de dólares para comprar e centenas de dólares para alugar por um curto período de tempo, SE você encontrar alguém para alugar uma (A FLUKE faz câmeras? Eles alugam equipamentos eletrônicos ou, pelo menos, costumavam); mas é uma solução DANDY para o seu problema, se você puder pagar!