Электронный спайномер

[User254]

Когда-то, когда увидел спайномер от BearPaw, я был восхищён оригинальностью решения. Это же гениально! Но дорого А ведь реализовать это, вроде, довольно просто - нужна пара весов, контроллер и немножко математики.

В общем, не так давно наконец-то решился и вот что из этого вышло.





Данный девайс годится для измерения карбоновых стрел длиной от 29 дюймов (расстояние между упорами 28 дюймов и рассчётный груз 880 граммов). Для резаных и деревянных стрел совсем другие размеры и математика.

Описание стандарта

Не мудрствуя лукаво, решил использовать Arduino, лень заморачиваться с разводкой/травлением платы, да и программатора сейчас под руками нет.

Электронику купил на Али: пара тензометрических датчиков до 1 кг с преобразователями (гуглить «hx711»), контроллер Arduino Nano, OLED-экранчик (гуглить «0,91 oled»). Питать всё это решил от батареек, поэтому дополнительно там же купил DC-DC бустер (гуглить «SX1308»), холдер для пары батареек AA и выключатель.

Подставки-упоры для стрелы после размышлений выстрогал из деревянной рейки и допилил надфилями. Идеальная форма, в общем, не нужна, но нужно делать их одинаковой высоты - чем точнее, тем лучше. К датчикам прикрепил шурупами 2,5×15.

Датчики закрепил на доске винтами M5×25 с потайной головкой, проложив между доской и датчиками по паре шайб (большая толщина не нужна - деформация минимальна, но зазор должен быть). Тут опять нужно проконтролировать одинаковую высоту упоров. Расстояние между точками опоры стрелы должно быть 28 дюймов. Я мерял расстояние между дальними отверстиями датчков, с тем, чтобы упоры прикрутить ровно над центром отверстия.

Высоту зазора для измерения спайна выбрал ½ дюйма, а реализовал шурупом, вкрученным ровно посередине между упорами для стрелы. Ничего умнее не придумал

О подключении тензометрических датчиков и преобразователей HX711 можно почитать здесь. Там же есть скетч для калибровки датчиков. Весы подключил к пинам A0 (SCK), A1 (DT) и A2 (SCK), A3 (DT).

Экран использует для подключения I2C - пины A4 (SDA) и A5 (SCL).

Это было просто. Дальше сложнее...

Проблема 1: датчики довольно нестабильны и при этом их два - положить стрелу одновременно на оба датчика практически нереально и просто усреднять значения мне показалось некорректным. В итоге родилась функция (getWeight), отбирающая три идущих подряд значения в пределах погрешности (0,05г) и усредняющая только их.

Проблема 2: формула/алгоритм измерения спайна на фиксированном зазоре. Тут долго тупил над математикой: m × g = k × spine. Массу я получу, g - константа, k - надо как-то подсчитать, но у меня ведь и спайн - константа... Исхожу из очевидной идеи - для стрелы 500 спайна, вес 880 граммов даст эти самые полдюйма. Посчитал, что стрела 1000 спайна до полудюйма прогнётся под весом 440 граммов, а 250 спайна - под весом 1760 граммов. Вот тут и родилась примитивная формула 440/m*1000 - вроде всё сходится (440/440*1000=1000; 440/880*1000=500, 440/1760*1000=250).

Проблема 3: русский шрифт в используемой для вывода на экран библиотеке прозрачный. Это означает, что если писать поверх уже написанного, то получится мусор. А перерисовывать каждый раз весь экран мне не хотелось. Пришлось использовать два шрифта - одним затирать предыдущие значения пробелами, и другим, собственно, выводить информацию. Использовать англоязычный шрифт не захотел из-за длинного слова «Weight» относительно русского «Вес» и неочевидных «W» и «S». Памяти хватило - и ладно.

В скетче (да, пришлось сделать вордовый файл, чтобы пристегнуть сюда), обратите внимание, нужно указать правильные пины в структурах, описывающих весы, и соответствующие калибровочные значения. Хотел отдельно откалибровать весы для измерения в гранах, но у меня нет достаточно точного веса для калибровки, поэтому решил вопрос математикой. Используются библиотеки: HX711 Arduino Library для весов и U8g2 для вывода на экран.

P.S. Физические размеры старался выдержать как можно точнее, но не очень заморачивался - мне достаточно для отбора комплектов.

P.P.S. Большинство (если не все) стрел имеют неравномерный спайн в разных направлениях, в чем легко убедиться используя данный прибор, поэтому следует предварительно найти плоскость минимального спайна (ребро жёсткости) с использованием патрона от дрели или наконечника с лазером.

P.P.P.S. Тензодатчики по сути - резисторные измерительные мосты и их, теоретически, можно соединить параллельно на один преобразователь HX711 и съэкономить копеечку на преобразователь и пару пинов контроллера, но у меня пинов навалом и практически я данный вопрос не рассматривал.

P.P.P.P.S. Если использовать пару батареек, как у меня, то нужны довольно свежие батарейки, на 2В бустер не стреляет. Впрочем, я нашёл на балконе зарядное от старого телефона с мини-USB и батарейки экономлю.

P.P.P.P.P.S. Для желающих заморочиться... Я переключаюсь на измерение спайна по весу - когда он превышает 100 граммов. Но ведь карбон - токопроводящий! Можно переключаться на измерение спайна замыканием на центральную опору (шуруп).

[Улисс]

Великолепная работа. Почитаю ещё пару раз, может, даже соображу, чего спросить.

Единственное:

Для резаных и деревянных стрел совсем другие размеры и математика.

Это с чего? Как длина древка влияет на его жёсткость?

[FLDM]

Здорово, вот же есть люди у которых руки откуда надо растут...прям завидки берут 

PS Только лучше соседям не показывать, а то так выглядит ...могут в ФСБ УБМТ позвонить..который с межународным терроризмом. 

[шмель009]

может, даже соображу, чего спросить.

Первый вопрос возникает сразу. Почему длина в дюймах, а вес в граммах? А прибор класс, правда из всего описания комплектующих наиболее понятны размеры винтов и шурупов, остальное относительно...   И у ж точно непонятно, почему нельзя мерить диэлектрические древки? 

[User254]

Как длина древка влияет на его жёсткость?

Меняется метод измерения.

Величина спайна одной и той же стрелы, очевидно, не меняется при обрезке, но измерить стрелу, скажем, 26 дюймов длиной на указанных 28 дюймах невозможно. Короткие стрелы, меряются на 23 дюймах... вес груза не помню, но там был какой-то коэффициент для приведения к полной длине стрелы.

Измерение же деревянных стрел делается ещё более другим образом на предмет расстояния между опорами и массой груза.

Не могу нагуглить стандарт в открытом доступе. Предлагают купить за деньги.

[User254]

Почему длина в дюймах, а вес в граммах?

По стандарту измерения.

А прибор класс, правда из всего описания комплектующих наиболее понятны размеры винтов и шурупов, остальное относительно...

Там только два размера: расстояние между опорами - 28 дюймов и величина прогиба стрелы - ½ дюйма.

И у ж точно непонятно, почему нельзя мерить диэлектрические древки?

По стандарту там несколько другой метод измерения.

[User254]

Всё ещё не нашёл стандарт в адекватном виде... Есть вот в таком виде.

Называется он: ASTM F2031 - 05(2014) "Standard Test Method for Measurement of Arrow Shaft Static Spine (Stiffness)"

Измерение производится на расстояниях между опорами 28" (71,1см) или 23" (58,4см). Для приведения спайна коротких стрел измеренного на 23" там есть километровая формула, которая сводится к коэффициенту 1,804: 23" spine × 1,804 = 28" spine.

Механические индикаторы не должны вносить погрешность более 0,176oz (5г).

Диаметр опор в точке касания стрел не должен превышать 0,125" (3,175мм).

Стрела прогибается весом 1,94 фунта (880г) приложенным к середине между точками опоры. Величина прогиба и есть спайн в тысячных долях дюйма. Показания снимаются через 30 сек. чтобы избежать влияния пластической деформации.

Измерение должно проводиться при температуре окружающей среды от 65 до 75F (18-24°C).

Колебания спайна измеряются поворотом стрелы на 90 градусов вокруг продольной оси.

P.S. Признаю, про деревянные стрелы приврал, в стандарте материал стрел не указывается. Но я не специально, где-то когда-то что-то видел по этому поводу.

[шмель009]

Всё что вы описали, полностью подходит для деревянных стрел.
 А что касается стандартов, то я как раз и имел ввиду, что или миллиметры и граммы, или дюймы и фунты.

Стрела прогибается весом 1,94 фунта (880г) приложенным к середине между точками опоры. Величина прогиба и есть спайн в тысячных долях дюйма.

Как по мне то наши единицы, подходят больше. Дюйм, это сверх грубая единица длины. А уж её дробные значения, ломают мозг, не воспринимаются вообще без перевода в миллиметры.

[Старый Лось]

Очень интересное решение! 
Получается достаточно прижать стрелу к средней опоре, а сама сила прижатия (в разумных пределах) роли не играет. Супер!
Возможно погрешность при разном давлении за счет упругости элементов конструкции всё же будет, но незначительная.

[Улисс]

Возможно погрешность при разном давлении за счет упругости элементов конструкции всё же будет, но незначительная.

Не будет. Упругость элементов конструкции много выше, чем упругость древков.
По факту меряется сила давления, прогибающая древко на полдюйма, и обратным пересчётом определяется прогиб под стандартным грузом.
Вполне возможно, что достаточно одного датчика под одной опорой, сила при приложении строго посередине будет раскладываться на две опоры поровну.

Признаю, про деревянные стрелы приврал, в стандарте материал стрел не указывается. Но я не специально, где-то когда-то что-то видел по этому поводу.

До стандарта ASTM пользовалисть стандартом АМО, вот там - 26 дюймов между опорами и 2 фунта груз. Но и там - материал не имеет значения.

[User254]

Вполне возможно, что достаточно одного датчика под одной опорой, сила при приложении строго посередине будет раскладываться на две опоры поровну.

Хм... пожалуй, Вы правы, спайн по этой схеме можно померять и одним датчиком.

Но это ещё и весы. До веса 100 граммов я считаю, что измеряется масса, выше - спайн.

[Старый Лось]

Не будет. Упругость элементов конструкции много выше, чем упругость древков.

Погрешность имеет любой прибор и любой метод измерения. Другое дело что она может пренебрежимо мала для практических целей.

[User254]

Как по мне то наши единицы, подходят больше. Дюйм, это сверх грубая единица длины.

Абсолютно согласен! Но...

1.2 The English system of measurement, specifically inches of deflection, shall be used for all spine values expressed for a given arrow shaft.

Что в вольном переводе значит: "Для выражения величины спайна стрелы должна использоваться английская система мер, в частности - дюймы".

[шмель009]

Для выражения величины спайна стрелы должна использоваться английская система мер, в частности - дюймы

Ни кто, ни кому, ничего не должен. Если саксы и пиндосы думают, что они к луку имеют большее отношение, чем славяне, то это не так. То, что на промежуточном этапе вторичного применения лука, мы некогда отставали, постепенно исправляем!
 Вот вы, например, прибор создали не хуже забугорного. Доведите до ума,  и будет нам счастье.

[Улисс]

Но это ещё и весы. До веса 100 граммов я считаю, что измеряется масса, выше - спайн.

Вот это - не понял. Зато появилась мысль...
Берутся хорошие цифровые весы с платформой где-нибудь 15 на 15 см. Можно больше, но это влияет на цену весов. Диапазон измерения - до 2...5 кг, точность показаний до 1 грамма.
Отдельно изготавливается измерительная опора для древков: основание, жёсткие опоры на расстоянии 28 (или 26) дюймов и центральная опора (строго посередине) так, чтобывысота площадки боковых опор была выше, чем у центральной, на полдюйма.
Эта опора устанавливается на весы, на неё укладывается древко. Обнуляем весы (скидываем тару) и давим на древко строго над центральной опорой до касания. Снимаем показания и пересчитываем, как предложено выше.
Тонкости, конечно, есть - есть опасность передавить, то есть пользоваться надо насобачиться, - но за неимением другого можно использовать.
А если сделать центральную опору регулируемую и по её высоте устанавливать измеренную высоту, то можно точно получить спайн в долях хоть дюйма, хоть сантиметра, как удобнее.
Мысль тараканистая, но уж - какая есть...

[Carpenter]

Насколько я помню. Вроде в "Варяге" умельцы предлагали измерять спайн при помощи электронных весов и даже на продажу были готовы изготавливать.
За рукоприкладство, конечно, зачёт. Только по мне наш механический со шкалой, представленной на данном сайте, и нехитрым набором фанерок\реек\колёсиков из подручных материалов более доступен в самостоятельном изготовлении. А уж электронная точность 
Тем более груз так и так отливать приходится. Была когда-то у меня идея вообще без груза измерять, но как-то народ не сподвигся на реализацию.

[Улисс]

Тем более груз так и так отливать приходится. Была когда-то у меня идея вообще без груза измерять, но как-то народ не сподвигся на реализацию.

Алексей, главное достоинство этого метода именно в том, что груз не нужен.

[Старый Лось]

Эта опора устанавливается на весы, на неё укладывается древко. Обнуляем весы (скидываем тару) и давим на древко строго над центральной опорой до касания.

Илья, можете подробнее описать, или лучше нарисовать карандашом эскизик. Я извиняюсь, со слов не смог понять  .
Кто-то уже приводил интересную схему с весами. Там наоборот стрела зацепляется за крайние опоры под низ, оттягивается кверху на неважно сколько мм, и давит центром на весы.
Весы показывают величину ее упругости при известной величине прогиба. Дальше математика с поправкой на собственный вес стрелы.
Вроде получается просто в реализации и недорого.
Но у User254 решение более интересное, так как сразу показывает готовые значения.

А по поводу в каких единицах отображать - ну так спайн везде в мире приводится в дюймовой системе мер, и все расчеты параметров стрел пляшут от нее.
Ту уже либо пользоваться ей, либо потом путаться с пересчётами.

[шмель009]

ну так спайн везде в мире приводится в дюймовой системе мер,

Спайн, вообще то измеряется фунтами. Но, кому до этого есть дело?
 Есть прибор у которого есть 2 опоры, расстояние между которыми заложено производителем, какая разница какое и в чём? Это просто расстояние между опорами. По тому же принципу, есть груз определённого веса. Прибор выдаёт известные нам величины в виде голых цифр 35,40,45...300,400,500. И мы понимаем, что спайн 45 жёстче 35, а 500 мягче, чем 300! И где здесь фунты или дюймы?

[Старый Лось]

вообще то измеряется фунтами. Но, кому до этого есть дело?

Эта ихняя система мер в мире называется Имперская - я побоялся так писать, не все поймут правильно 

спайн 45 жёстче 35, а 500 мягче, чем 300! И где здесь фунты или дюймы?

Так это же и есть дюймы/100, разве нет?