Detectar la posición 2D de una bola que golpea un objetivo de madera de 6 pies x 6 pies

Question

Mi hijo tiene 10 años y acaba de empezar a jugar béisbol y le encanta lanzar. Está constantemente lanzando una pelota contra una pared para mejorar.

También le encanta la tecnología, así que queremos ayudarlo en lo que podamos.

Estamos buscando construir un objetivo de 6 pies x 6 pies al que pueda lanzar la pelota. Una vez que la pelota golpee el objetivo, nos gustaría saber las coordenadas x, y del impacto para rastrearlas a lo largo del tiempo.

Hasta el momento, en la investigación que hemos realizado, hemos averiguado lo siguiente:

• Usar 4 micrófonos, uno en cada esquina para 'triangular' la posición. Parece que un Arduino no es lo suficientemente rápido y se necesita equipo muy especializado para una precisión real.

• Usar 4 acelerómetros, pero la precisión sería muy pobre con dispositivos de consumo.

• 2 cámaras de alta velocidad FPS - esto es un poco más complicado ya que se vuelve difícil de mover, necesita mucha tecnología para sincronizar el video, calibrar cámaras, detectar la pelota, etc.

• una cuadrícula de láseres adheridos (y protegidos) al objetivo, y la pelota los rompería. Esto parece prometedor, pero alinear todos los láseres perfectamente y el cableado podría ser difícil. Además, muy caro conseguir láseres y receptores.

• Cuando la pelota golpea el tablero, debería producirse un impacto/energía. ¿Puede una cámara de infrarrojos detectarlo? ¿Qué tipo de cámara de infrarrojos podríamos usar para probar esto?

• sensores piezoeléctricos: parece ser la mejor opción donde colocamos un montón de sensores en una cuadrícula entre dos piezas de madera. Me imagino que hay algún cálculo que podemos usar para determinar la posición en función de todos los sensores activados. ¿Alguna sugerencia sobre sensores aquí? ¿Estamos limitados al número de sensores según las entradas analógicas de Arduino?

• múltiples interruptores físicos que se presionan con la pelota y luego averiguar cuáles se presionaron. ¿Alguien conoce interruptores que podrían funcionar? Además, ¿estamos limitados al # de entradas en Arduino?

• Panel tipo FSR para detectar la posición exacta, pero estos son de muy alta resolución y costosos (más de $5,000 para áreas de cobertura más pequeñas).

¿Hay algo más que estemos pasando por alto, alguien más tiene alguna sugerencia para hacer en casa como proyecto con mi hijo?

¡Gracias a todos!

Answer 1

Propuesta con dos variantes de una cuadrícula X-Y.

El objetivo de 6 pies x 6 pies (1.8 x 1.8m) estaría cubierto con una cuadrícula de hilos conductores X - Y, por ejemplo acero inoxidable, bronce, etc. La variante es que la base del objetivo sea de madera, o madera cubierta con un conductor eléctrico, por ejemplo papel de aluminio o láminas de aluminio, acero inoxidable o latón.

Cada fila (X) de cuerdas está bajo tensión (por ejemplo, como una cuerda de guitarra), todas a la misma altura (por ejemplo, 0.25" o 5mm) sobre la base y sin tocar la base o las cuerdas de la columna (Y).

Cada columna (Y) de cuerdas está bajo tensión, todas a la misma altura (por ejemplo, 0.5" o 10mm) sobre la base, por lo tanto, no tocando la base o las cuerdas de la fila (X).

La idea es que cuando se lanza la pelota comprime las cuerdas X y Y juntas para que hagan contacto eléctrico. Si el objetivo está cubierto con un conductor eléctrico, entonces la base más las cuerdas X e Y hacen contacto eléctrico.

Como punto de partida aproximado, cada cuerda mide 6' 6" o unos 2m de longitud. El número de cuerdas es la longitud y anchura del objetivo dividida por el espaciado de las cuerdas. Se sugiere probar con un pequeño objetivo y usar una pelota lanzada para ver cuál es el espaciado máximo utilizable real de la cuadrícula X-Y para un funcionamiento confiable y así minimizar la longitud total de las cuerdas.

Si se usa un espaciado de 1" y el objetivo mide 6' o 72", entonces el número total de cuerdas es 148, es decir (2 x 72 / 1)+2. Si se utiliza un espaciado de 25mm y el objetivo mide 1.8m o 1800mm, entonces el número total de cuerdas es 146, es decir (2 x 1800 / 25)+2.

La longitud total de las cuerdas de 6' 6" (78") es de 23,088" (2 x 148 x 78") o 1,924' en conversión a 582m. La longitud total de las cuerdas de 2m (2,000mm) es de 584m (2 x 146 x 2m). Una longitud común de carrete es de 100m, por lo tanto se necesitarían 6 rollos.

Volver a calcular si los resultados de la prueba indican que se necesita un espaciado de alambre diferente, o si se modifican las dimensiones de la base o su forma (rectangular en lugar de cuadrada).

Dado que el objetivo estará en posición vertical, cualquier caída de los alambres será hacia abajo y en teoría esto no comprometerá las separaciones de alambre de fila a columna respecto a la base. Debería haber un tornillo o un método de sujeción de alambre usado para tensar los alambres.

En efecto, el objetivo se ha convertido en una matriz que forma un teclado gigante que utiliza el impacto de la pelota para golpear una "tecla".

El detector tiene que determinar la ubicación del impacto de la pelota a partir de los cambios eléctricos. Si la base tiene una lámina conductora conectada a tierra del sistema, entonces el circuito solo tiene que detectar los pulsos a tierra en los alambres X e Y.

Si no se dispone de una lámina conductora en la base, entonces la tarea se vuelve más compleja. Una solución digital escanearía las filas y detectaría la ubicación del impacto de la pelota en el alambre de la columna impactada. Dado el gran número de alambres, quizás se podrían utilizar diferentes anchos de pulso o voltajes para proporcionar una forma de escaneo paralelo. Una solución analógica podría conectar los alambres de fila en un divisor de tensión gigante y el circuito tendría que capturar el pulso y medirlo para determinar la ubicación. Dado el número de alambres, podrían usarse convertidores analógico-digitales de 8 bits.

Quizás sea posible encontrar soluciones más exóticas, como medir la frecuencia de resonancia de las cuerdas o la frecuencia generada por el impacto de la pelota antes de que la cuerda vuelva a un ajuste abierto cuando la pelota rebota.

Una búsqueda bibliográfica (por ejemplo, Google) podría proporcionar otros métodos para resolver el problema de la detección.

Personalmente, yo utilizaría el método de lámina de metal y evitaría las soluciones potencialmente más complejas y costosas. Esto también sería fácil de explicar el funcionamiento del circuito a tu hijo.

Answer 2

Puedes utilizar cualquier cámara de video barata conectada a una computadora. Idealmente, querrás pintar la tabla de 6' x 6' de negro para tener un alto contraste (asumiendo una pelota blanca). Luego, escribe un programa para reducir la imagen solo a la pelota como blanco (255,255,255) y la tabla como negro (0,0,0). Luego, puedes implementar algunos cálculos que utilizarán los píxeles para averiguar el centro de la pelota y las coordenadas. Esto se puede hacer en una base de cuadro por cuadro. Para detectar el "impacto", puedes observar los cambios entre los cuadros de donde la pelota aterriza por un cambio brusco en la dirección. O, puedes colocar otra cámara ortogonal al camino del lanzamiento para que pueda "ver" cuando golpea la tabla. Luego, utilizas el cuadro de la primera cámara (que debería estar sincronizada con la segunda cámara) para calcular la posición. O, puedes utilizar un micrófono para capturar el cuadro a utilizar cuando se detecta el impacto.