Hummingbird detektori/rasm oluvchi: 12 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:28

Orqa kemamizda kalibr qushini oziqlantiruvchi bor va oxirgi bir necha yil davomida men ularni suratga olganman. Hummingbirds - bu ajablanarli kichik jonzotlar, juda hududiy va ularning janglari ham quvnoq, ham hayratlanarli bo'lishi mumkin. Lekin men ularni suratga olish uchun uyimning orqa tarafidagi haykaldek turishdan charchadim. Menga uyning orqasida uzoq vaqt kutib turmasdan suratga olishning usuli kerak edi. Bilaman, men masofadan boshqariladigan deklanşordan foydalanishim mumkin edi, lekin men u erda bo'lmasdan avtomatik tarzda suratga olishni xohlardim. Shunday qilib, men chumchuqlarni aniqlaydigan va avtomatik suratga oladigan qurilma yasashga qaror qildim.

Men buni amalga oshirish uchun har doim mikrokontrollerdan foydalanishni niyat qilganman. Mikrokontroller dasturiy ta'minot nazorati ostida kamera pardasini boshqarishi mumkin edi. Ammo kichkina kalibrni aniqlaydigan sensor boshqa narsa edi. Men harakat sensori ishlatgan bo'lardim, lekin men o'ziga xos narsani sinab ko'rmoqchi edim. Men tetik sifatida ovozdan foydalanishga qaror qildim.

1 -qadam: Mikrokontrollerni tanlash

Men tanlagan mikrokontroller PJRC Teensy edi. Teensy ARM mikrokontrolleridan, xususan, ARM Cortex M4 dan foydalanadi. Cortex M4 FFT (Fast Fourier Transform) ni bajaradigan uskunani o'z ichiga oladi. PJRC, shuningdek, Teensy -dan musiqa ijro etish, shuningdek, tashqi kirish yordamida ovoz yozish yoki taxtaga qo'shishingiz mumkin bo'lgan kichik mikrofonni ishlatishga imkon beruvchi audio kartani sotadi. Mening rejam Teensy -ni mikrofondan audioda FFT ijro etish edi.

2 -qadam: FFT?

FFT - bu signalni vaqt maydonidan chastota sohasiga o'zgartiradigan matematik formula/algoritm. Buning ma'nosi shundaki, u mikrofondan vaqt tanlangan ovozni oladi va uni asl to'lqinda mavjud bo'lgan chastotalar kattaligiga aylantiradi. Ko'ryapsizmi, har qanday tasodifiy uzluksiz to'lqinni sinus yoki kosinus to'lqinlaridan qurish mumkin, ular bazaviy chastotaning butun sonlari. FFT buning aksini qiladi: u o'zboshimchalik bilan to'lqin oladi va uni to'lqinlarning kattaligiga aylantiradi, agar ular birgalikda yig'ilsa, asl ixtiyoriy to'lqin yaratiladi. Buni aytishning oddiy usuli, men qanot qanotlari tez -tez chivin qushining qanot urishini "eshitayotganini" aniqlash uchun "Teensy" dagi dasturiy ta'minot va FFT uskunasidan foydalanishni rejalashtirgandim. Agar u chumchuqni "eshitmasa", men kameraga suratga olish buyrug'ini yuboraman.

Ishladi! Xo'sh, men buni qanday qildim, qanday qilib qila olar edingiz va qanday qilib undan ham yaxshiroq qila olasiz?

3 -qadam: "Hummingbird" ning ovozi nimaga o'xshaydi?

Men birinchi navbatda, qanot qanotlarining qanotlarini qanday chastotada eshitishimni aniqlashim kerak edi. Buni aniqlash uchun men iPhone ishlatardim. Men iPhone -ni shtativga uladim va uni pastkashdagi qushqo'nmas oziqlantiruvchi oldida sekin harakatlanuvchi videoni yozib oldim. Biroz vaqt o'tgach, men kamerani olib tashladim va videoni yukladim. Keyin men videoni tomosha qildim, u erda oziqlantiruvchi oldidagi chumchuq qidiriladi. Men yaxshi ketma -ketlikni topganimda, chumchuq qanotlarini bir pozitsiyadan xuddi shu holatiga qaytarish uchun zarur bo'lgan individual ramkalar sonini hisobladim. IPhone -da sekin harakat - sekundiga 240 kadr. Men oziqlantiruvchi oldida chayqalayotgan qushqo'nmas qushni ko'rdim va men qanotlarini oldinga, orqaga, keyin oldinga qaytarish uchun 5 ramka sanadim. Bu 240 kvadratdan 5 ramka. Yodingizda bo'lsin, biz chumchuq qanotlarining har bir zarbasida ovoz eshitamiz (bittasi oldinga va orqaga). Tsikl yoki davr uchun 5 kadr uchun biz chastotani davrga bo'linib hisoblay olamiz, ya'ni 1 / (5/240) yoki 48 Gts. Bu shuni anglatadiki, bu qushqo'nmas aylanib yurganida, biz eshitadigan ovoz ikki baravar yoki 96 Gts atrofida bo'lishi kerak. Ehtimol, ular uchib ketayotganda va uchmayotganlarida chastota yuqori bo'ladi. Bunga ularning massasi ham ta'sir qilishi mumkin, lekin menimcha, biz bir xil turdagi qushlarning massasi taxminan bir xil.

4 -qadam: Fourier Series va Teensy

Teensy (men Teensy 3.2 dan foydalanganman) PJRC (www.pjrc.com) tomonidan tayyorlangan. FFT ovoz namunasi bo'yicha hisoblanadi. Ovoz olish uchun PJRC Teensy uchun audio adapter platasini sotadi (TEENSY3_AUDIO - 14,25 dollar). Shuningdek, ular audio adapter platasiga lehimlanadigan kichik mikrofonni sotadilar (MIKROFON - 1,25 dollar). Audio adapter platasida Teensy ketma -ket avtobus (I2S) orqali gaplasha oladigan chip (SGTL5000) ishlatiladi. Teensy SGTL5000 yordamida ovozni mikrofondan namuna olish va uni raqamlashtirish, ya'ni mikrofon eshitayotgan tovushni aks ettiruvchi raqamlar to'plamini yaratish.

FFT - bu Diskret Furye Transformatsiyasi (DFT) deb ataladigan tezkor versiya. DFT tasodifiy miqdordagi namunalarda bajarilishi mumkin, ammo FFTda namunalar ikkilik ko'paytmalar to'plamida saqlanishi kerak. Teensy apparati FFTni 1024 ta namunada (1024 = 2^10) bajarishi mumkin, shuning uchun biz undan foydalanamiz.

FFT, odatda, har xil to'lqinlar orasidagi kattaliklar va fazaviy aloqalarni ishlab chiqarishda ishlab chiqaradi. Ushbu dastur uchun biz fazaviy munosabatlar bilan bog'liq emasmiz, lekin biz ularni kattaligi va ularning chastotasi bilan qiziqamiz.

Teensy audio taxtasi 44, 100 Gts chastotada ovoz namunalarini oladi. Shunday qilib, bu chastotada 1024 ta namuna 1024/44100 yoki 23,2 millisekundga yaqin vaqt oralig'ini bildiradi. Bunday holda, FFT 43 gigagertsli namunaviy davrning butun soniga ko'paytiradigan (yana 1/0,0232 taxminan 43 Gts ga teng) chiqish sifatida ishlab chiqariladi. Biz bu chastotadan ikki barobar kattalikni qidirmoqchimiz: 86 Gts. Bu biz hisoblagan chumchuq qanotlarining tezligi emas, balki biz ko'rib turganimizdek yaqin.

5 -qadam: Fourier ma'lumotlaridan foydalanish

PJRC kutubxonalari Teensy namunalarni qayta ishlashini va kattalik qiymatlari qatorini qaytarishini ta'minlaydi. Qaytgan massivdagi har bir kattalikni bin deb ataymiz. Birinchi quti (biz qaytaradigan ma'lumotlar qatorida nolga teng) to'lqinning DC ofsetidir. Biz ishonch bilan bu qiymatni e'tiborsiz qoldirishimiz mumkin. Ikkinchi quti (1 -ofsetda) 43 Hz komponentining kattaligini ko'rsatadi. Bu bizning asosiy davrimiz. Keyingi quti (2 -ofsetda) 86 Gts komponentining kattaligini va boshqalarni aks ettiradi. Har bir keyingi quti asosiy davrning (43 Hz) ko'p sonli sonidir.

Endi bu erda biroz g'alati. Agar biz 43 Gts chastotali mukammal ovozni tahlil qilish uchun FFTdan foydalansak, FFT katta hajmdagi birinchi qutini qaytaradi va qolgan axlat qutilari nolga teng bo'ladi (yana, mukammal dunyoda). Agar biz olgan va tahlil qilayotgan ovoz 86 Gts bo'lsa, u holda ofsetdagi axlat qutisi nolga teng bo'ladi va 2 -ofsetdagi (ikkinchi garmonik) axlat qutisi qandaydir kattalikka, qolgan qutilar esa nolga teng bo'ladi va hokazo. Ammo, agar biz chumchuqning ovozini olsak va u 96 Gts (men bir qushimga o'lchaganimdek) bo'lsa, u holda 86 gigagertsli 2 -sonli qiymat bir oz pastroq qiymatga ega bo'lardi (mukammal 86 Gts to'lqinidan ko'ra) va uning atrofidagi axlat qutilari (bir past va bir necha yuqori) har birining nolga teng bo'lmagan qiymati kamayadi.

Agar bizning FFT uchun namuna o'lchami 1024 dan katta bo'lsa yoki bizda ovozni tanlash chastotasi pastroq bo'lsa, biz axlat qutilarining piksellar sonini yaxshilay olamiz (ya'ni kichikroq). Agar biz bu narsalarni FZT qutilarini 1 Gts chastotali asosiy davrga ko'paytiradigan qilib o'zgartirgan bo'lsak ham, biz bu qutining "to'kilishi" bilan shug'ullanishimiz kerak bo'ladi. Buning sababi shundaki, biz hech qachon bitta va bitta axlat qutisiga tushadigan qanot chastotasini hech qachon olmaganmiz. Bu shuni anglatadiki, biz chivinni aniqlashni ofset 2 -qutidagi qiymatga asoslay olmaymiz va qolganlarini e'tiborsiz qoldiramiz. Ma'lumotni sinab ko'rish va tushunish uchun biz uni bir necha qutiga tahlil qilishimiz kerak. Bu haqda keyinroq.

6 -qadam: Qurilishni boshlang

Mening prototipimdagi chumchuq detektori uchun men Teensy-dagi pimlarga lehimli qo'shimcha uzun erkak-erkak pinlardan foydalanardim. Men buni Teensy-ni kichik lehimsiz non paneliga ulashim uchun qildim. Men buni qildim, chunki men prototipda va taxtada juda ko'p o'zgarishlarni amalga oshiraman deb o'ylagan edim, men bu joyni o'zgartira olaman va kerak bo'lganda simli o'tish simlarini. Men audio taxtaning pastki qismiga ayol chiziqlarni lehimladim, bu uni Teensy -ning yuqori qismiga ulash imkonini beradi. Mikrofon audio kartaning yuqori qismiga lehimlangan (rasmlarga qarang). O'rnatish haqida batafsil ma'lumotni PJRC saytida topishingiz mumkin:

(https://www.pjrc.com/store/teensy3_audio.html).

7 -qadam: Rasmga olish uchun uskunalar

Menda (rafiqamda) Canon Rebel raqamli kamerasi bor. Kamerada qo'lda masofadan turib tortish moslamasini ulash imkonini beruvchi raz'em mavjud. Men B&H Photo -dan qo'lda masofadan boshqarish pultini sotib oldim. Kabelning bir uchiga kameraga mos keladigan to'g'ri uyasi bor va uzunligi taxminan 6 fut. Men kabelni tugmachalarni boshqarish qutisi yonida kesib tashladim va simlarni echib oldim va ularni non paneliga ulashim mumkin bo'lgan uchta bosh piniga lehimladim. Yalang'och sim va boshqa ikkita signal bor: uchi tetik (pushti) va halqa (oq) - diqqat (rasmlarga qarang). Tugma va/yoki uzukni erga qisqartirish deklanşör va fokusni kameraga qaratadi.

O'tish simidan foydalanib, men Teensy -dan non taxtasida foydalanishim mumkin bo'lgan joyga umumiy yo'lni bosib o'tdim. Men LEDning anodini Teensy-ning 2-piniga va LEDning katodini rezistorga (100-220 ohm) erga uladim. Men Teensy -ning 2 -pinini 10K rezistorga va qarshilikning boshqa tomonini NPN tranzistorining bazasiga uladim (2N3904 hamma joyda topilgan). Men tranzistorning emitentini erga va kameraga boradigan kabeldan oq va pushti simlarga ulangan kollektorni uladim. Yalang'och sim yana erga ulandi. LED Teensy tomonidan yoqilganda, NPN tranzistori ham yonadi va u kamerani (va fokusni) ishga tushiradi. Sxemaga qarang.

8 -qadam: tizim dizayni

Chunki Hummingbird qanotlarining chayqalish chastotalari bir necha yuz Gts dan oshmasligi mumkin, shuning uchun biz, albatta, bir necha yuz Gts dan yuqori tovush chastotalarini yozib olishimiz shart emas. Bizga kerak bo'lgan narsa - biz xohlagan chastotalarni filtrlash usuli. Tarmoqli o'tkazgich yoki hatto past o'tish filtri juda yaxshi bo'lardi. An'anaga ko'ra, biz OpAmps yoki kondansatkichli filtrlardan foydalangan holda qo'shimcha qurilmalarda filtr o'rnatamiz. Raqamli signalni qayta ishlash va Teensy dasturiy kutubxonasi tufayli biz raqamli filtrdan foydalanishimiz mumkin (lehim kerak emas … faqat dasturiy ta'minot).

PJRC -da ajoyib GUI mavjud bo'lib, u sizga Teensy va audio karta uchun audio tizimingizni sudrab tashlab yuborish imkonini beradi. Siz uni bu erda topishingiz mumkin:

www.pjrc.com/teensy/gui/

Men mikrofondan (filtrdan) tovush chastotalarini cheklash uchun PJRC tomonidan taqdim etilgan bikvadratik kaskadli filtrlardan birini ishlatishga qaror qildim. Men uchta filtrni kaskad qildim va ularni 100 Gts chastotali tarmoqli o'tkazgichiga o'rnatdim. Bu filtr bizni qiziqtirgan chastotadan biroz yuqoriroq va pastroqda tizim chastotalariga kirishga imkon beradi.

Blok diagrammada (rasmga qarang) i2s1 - audio kartaga audio kirish. Men ikkala audio kanalni mikserga, keyin filtrlarga uladim (mikrofon faqat bitta kanal, lekin men ikkalasini ham aralashtirdim, shuning uchun qaysi kanal ekanligini tushunishga to'g'ri kelmadi … meni dangasa deb atang). Men filtrning chiqishini audio chiqishga o'tkazaman (agar xohlasam, ovozni eshitishim mumkin). Filtrlardan olingan ovozni ham FFT blokiga uladim. Blok -sxemada sgtl5000_1 deb belgilangan blok - bu audio boshqaruvchi chipi. Diagrammada hech qanday ulanish kerak emas.

Blok qurilishi tugagandan so'ng siz "Eksport" tugmasini bosasiz. Bu dialog oynasini ochadi, unda siz blok -sxemadan hosil qilingan kodni nusxalashingiz va Teensy ilovasiga joylashtirishingiz mumkin. Agar siz kodga qarasangiz, bu har bir boshqaruv elementi va komponentlar orasidagi "ulanishlar" ning bir nusxasi ekanligini ko'rasiz.

9 -qadam: kod

Bu yo'riqnomada dasturiy ta'minotni batafsil ko'rib chiqish uchun juda ko'p joy kerak bo'ladi. Men nima qilmoqchi bo'lsam, kodning asosiy bitlarini ajratib ko'rsatish. Ammo baribir bu juda katta dastur emas. PJRC Teensy va audio kutubxonalar/vositalardan foydalanish bo'yicha ajoyib video darslikka ega (https://www.youtube.com/embed/wqt55OAabVs).

Men PJRC -dan ba'zi FFT misol kodlaridan boshladim. Ovoz tizimini loyihalash vositasidan olganlarimni kodning yuqori qismiga joylashtirdim. Agar siz bundan keyin kodga qarasangiz, siz ba'zi boshlang'ichlarni ko'rasiz va keyin tizim mikrofondan ovozni raqamlashtirishni boshlaydi. Dastur "abadiy" tsikliga () kiradi va fft1024_1.available () funktsiyasiga qo'ng'iroq yordamida FFT ma'lumotlari mavjud bo'lishini kutadi. FFT ma'lumotlari mavjud bo'lganda, men ma'lumotlarning nusxasini olaman va uni qayta ishlayman. E'tibor bering, men ma'lumotni faqat eng katta axlat qutisi belgilangan qiymatdan yuqori bo'lgan taqdirda olaman. Bu qiymat tizimning sezgirligini qanday o'rnatganim. Agar qutilar belgilangan qiymatdan yuqori bo'lsa, men to'lqinni normal holatga keltiraman va uni qayta ishlash uchun vaqtinchalik massivga o'tkazaman, aks holda men bunga e'tibor bermayman va boshqa FFTni kutaman. Shuni aytib o'tishim kerakki, kontaktlarning zanglashiga sezgirligini sozlash uchun mikrofonning daromadini boshqarish funktsiyasidan ham foydalanaman (sgtl5000_1.micGain (50)).

To'lqinni normalizatsiya qilish shuni anglatadiki, men barcha axlat qutilarini moslashtiraman, shuning uchun eng katta qiymatga ega bo'lgan quti bir xil bo'ladi. Boshqa barcha qutilar bir xil nisbatda o'lchanadi. Bu ma'lumotlarni tahlil qilishni osonlashtiradi.

Men ma'lumotlarni tahlil qilish uchun bir nechta algoritmlardan foydalandim, lekin men faqat ikkitasini ishlatishga qaror qildim. Bitta algoritm qutilar hosil qilgan egri ostidagi maydonni hisoblab chiqadi. Bu oddiy hisob -kitob bo'lib, u faqat qiziqish doirasidagi axlat qutilarining qiymatlarini qo'shadi. Men bu maydonni chegaradan yuqori yoki yo'qligini aniqlash uchun solishtiraman.

Boshqa algoritmda normallashtirilgan FFTni ifodalovchi doimiy qiymatlar majmuasi ishlatiladi. Bu ma'lumotlar haqiqiy (optimal) kalibrli imzo natijalari. Men buni to'siq deb atayman. Men mos keladigan qutilar bir -birining 20% ichida bo'lishini bilish uchun xedj ma'lumotlarini normallashtirilgan FFT ma'lumotlari bilan taqqoslayman. Men 20% ni tanladim, lekin bu qiymatni osongina sozlash mumkin.

Men, shuningdek, individual algoritmlar necha marta o'zlarini o'yin deb hisoblaydilar, demak, ular chumchuqni eshitadilar deb o'ylayman. Men bu sonni chumchuqlarni aniqlashning bir qismi sifatida ishlataman, chunki noto'g'ri tetiklanish sodir bo'lishi mumkin. Masalan, har qanday tovush baland ovozda yoki qushlarning qanot chastotasini o'z ichiga olganda, xuddi qarsak chalish paytida, siz tetik olishingiz mumkin. Ammo, agar raqam ma'lum bir raqamdan yuqori bo'lsa (men tanlagan raqam), men aytamanki, bu chuvalchang. Bu sodir bo'lganda, biz LEDni yoqamiz va shu sxema NPN tranzistori orqali kamerani ishga tushiradi. Dasturda men kamera ishga tushirish vaqtini 2 soniya qilib qo'ydim (LED va tranzistor yoqilgan vaqt).

10 -qadam: o'rnatish

Siz rasmda men qanday qilib (unceremoniously) elektronikani o'rnatganimni ko'rishingiz mumkin. Men Teensy -ni Arduino -ga mos keladigan boshqa Arduino (menimcha, Arduino Zero) bilan birga tashuvchi taxtaga yopishtirilgan non paneliga uladim. Men hamma narsani kemadagi metall ayvon ustuniga sim bilan bog'lab qo'ydim (men ham kameraga o'tadigan kabelga kuchlanishni kamaytiradigan joy qo'shdim). Ustun, chumchuqlarni oziqlantiruvchi yonida edi. Men elektronikani o'lik uyali telefonni zaryad qilish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan kichik LiPo g'ishtli g'isht bilan quvvatladim. Quvvat g'ishtida USB ulagichi bor edi, men uni Teensy -ga uzatardim. Men masofadan turib ishga tushirish kabelini Kameraga uzatdim va uladim. Men qushlarning harakatiga tayyorman!

11 -qadam: Natijalar

Men kamerani oziqlantiruvchi yonidagi shtativga o'rnatdim. Men kamerani oziqlantirgichning old chetiga qaratgan edim va uni Sport rejimiga qo'ydim, u tortishish bosilganda bir nechta tez suratga tushadi. O'chirish vaqti 2 soniya bo'lganida, men har bir tetiklash hodisasida taxminan 5 ta suratga oldim.

Men buni birinchi marta sinab ko'rganimda, dasturiy ta'minot bilan bir necha soat shug'ullanardim. Men sezgirlikni va ketma -ket algoritmni urish sonini sozlashim kerak edi. Oxir -oqibat men uni tuzatdim va men tayyor bo'ldim.

U olgan birinchi rasm-bu samolyot qiruvchisi kabi tezyurar qirg'oqqa burilgandek ramkaga uchib ketgan qush edi (yuqoriga qarang). Sizga qanchalik hayajonlanganimni ayta olmayman. Men bir muddat kemaning narigi tomonida jim o'tirdim va tizimning ishlashiga ruxsat berdim. Men juda ko'p rasmlarni yozishga muvaffaq bo'ldim, lekin bir nechtasini tashladim. Ma'lum bo'lishicha, ba'zida siz qushning boshini yoki dumini olasiz. Bundan tashqari, menda ham bo'lishi mumkin bo'lgan yolg'on tetikler bor. O'ylaymanki, menda 39 ta rasm saqlangan. Qushlarni kameradan tortishish ovoziga ko'nikish uchun oziqlantiruvchiga bir necha bor borish kerak edi, lekin oxir -oqibat ular bunga e'tibor bermayotganday tuyuldi.

12 -qadam: Yakuniy fikrlar

Bu qiziqarli loyiha edi va u ishlaydi. Ammo, ko'p narsalar kabi, yaxshilanish uchun juda ko'p joy bor. Filtr, albatta, boshqacha bo'lishi mumkin (past o'tkazgichli filtr yoki tartib va/yoki parametrlarning o'zgarishi kabi) va bu uning yaxshi ishlashiga olib kelishi mumkin. Ishonchim komilki, sinab ko'rish uchun yaxshiroq algoritmlar mavjud. Men buni yozda sinab ko'raman.

Menga ochiq manba kodli mashinani o'rganish kodi borligini aytishdi … balki tizimni chumchuqlarni aniqlashga "o'rgatish" mumkin edi! Men buni sinab ko'rishga ishonchim komil emas, lekin, ehtimol.

Bu loyihaga yana qanday narsalarni qo'shish mumkin? Agar kamerada sana/vaqt to'xtab qolsa, bu ma'lumotlarni rasmlarga qo'shishingiz mumkin. Siz qila oladigan yana bir narsa - bu ovozni yozib, uSD -kartaga saqlash (PJRC audio kartasida bitta uyasi bor). Saqlangan audio o'qitish algoritmini o'rgatish uchun ishlatilishi mumkin.

Balki biror joyda ornitologiya maktabi bunday qurilmadan foydalanar? Ular ovqatlanish vaqti, ovqatlanish chastotasi kabi ma'lumotlarni to'plashlari mumkin va rasmlar yordamida siz yemga qaytadigan qushlarni aniqlay olasiz.

Umid qilamanki, kimdir bu loyihani kengaytiradi va qilganlarini boshqalar bilan baham ko'radi. Ba'zi odamlar menga bu ishni mahsulotga aylantirish kerakligini aytishdi. Ishonchim komil emas, lekin men uni o'quv platformasi va ilm -fan uchun ishlatishni afzal ko'raman.

O'qiganingiz uchun tashakkur!

Men yuborgan kodni ishlatish uchun sizga Arduino IDE (https://www.arduino.cc/en/Main/Software) kerak bo'ladi. Sizga PJRC -dan Teensyduino kodi kerak bo'ladi (https://www.pjrc.com/teensy/td_download.html).