Хронометраж для горных лыж на Ардуино. Фотофиниш

Насколько понимаю, современный фотофиниш это уже давно не просто лампочка  и фотоэлемент, а импульсная кодировка светового сигнала с соответствующей работой схемы приема. То есть больше похоже на приемник и передатчик, а еще больше на пульт дистанционного управления телевизором 🙂

Конечно есть уже готовые решения, применяемые в других областях, поэтому можно просто ими воспользоваться.

Модуль «Фотофиниш» может быть построен на «сквозном луче», то есть с одной стороны излучатель, с другой стороны отражатель. Это наиболее простое и надежное решение. Кроме этого производители обычно предлагают вариант: излучатель и приемник с одной стороны, отражатель с другой. Далее в заметке буду рассматривать только такие решения, поскольку это ближе к теме «хронометраж для тренировок», просто потому что удобно.

В качестве отражателя используется световозвращающий элемент (он же retro-reflector, катафот, уголковый отражатель).

Световозвращающий элемент при помощи двух отражений внутри элемента отправляет луч точно обратно, «откуда пришел». Если использовать в качестве отражателя просто зеркало, то в нашем случае могут быть проблемы с юстировкой (начальной регулировкой), да и потом на снегу отражатель может «поплыть» 🙂

Готовые решения

Несколько картинок модуля фотофиниш от «настоящих» систем хронометража для горных лыж.

Сложно судить, используются ли этими производителями датчики собственной разработки или интегрируются готовые решения. Во всяком случае поиск по интернету по сочетанию «Retro reflective photocell» выдает весьма похожие картинки. Вот, например, датчик на расстояние 15 метров.

Требования FIS

Для наших тренировок следование регламенту FIS (FIS Timing Booklet, ver 2.55, Nov 2017) не является обязательным, но не вредно иметь в виду 🙂 По отношению к фотофинишу FIS регламентирует следующие параметры.

1. Высота луча над землей. Строго не регламентируется, только чтобы лыжник не мог случайно «перепрыгнуть» или «поднырнуть». Рекомендуется, чтобы луч был на высоте коленей.
2. Расстояние (максимальная ширина финишных ворот) — 20 метров.
3. Задержка электронной схемы после срабатывания фотофиниша — не более 5 миллисекунд (0.005 сек).
4. Точность срабатывания (повторяемость общей задержки срабатывания)  — менее 0.5 миллисекунды.
5. Чувствительность. Фотофиниш должен пропускать без срабатывания мелкие объекты размером менее 8 мм, двигающихся со скоростью 10 км/ч в двух метрах от фотоприемника. Фотофиниш должен всегда срабатывать на объекты размером более 10 см, двигающихся  со скоростью 200 км/ч.
6. Максимальный размер световозвращающего элемента 10 см (если элемент круглый, то это значит диаметр).
7. Техника безопасности. Столбики на которых установлен приемо-передатчик и катафот должны быть исключительно деревянные,  шириной не более 6 см. Столбики должны быть подпилены в направлении к приближающемуся лыжнику.

Что имеется на Али-Экспресс

Витрина Али-Экспресс как ни странно отличается от того, что выдает интернет по запросу как было приведено выше («Retro reflective photocell»). На расстояния более 7 метров датчиков нет вообще. Для таких расстояний на Али рекомендуются схемы с разнесенными излучателями и фотоприемниками. Большинство датчиков с отражателями, как мне показалось, предназначены для расстояний 2 метра. Причем иногда для одних и тех же устройств различными продавцами указывается, что 2 метра это длина кабеля, а сам датчик на 4 метра. А иногда, что 2 метра и все 🙂

Нужно отметить, что помимо нужного нам типа датчика есть и похожие, в которых излучатель и приемник тоже в одном корпусе. Это датчик на диффузионное отражение (без световозвращающего элемента). И датчик со световозвращающим элементом, но с двумя поляризационными фильтрами, чтобы фиксировать зеркальные объекты. Такие датчики не подходят. Диффузионное отражение это вообще не то, что нужно, а поляризационные фильтры «откушивают» интенсивность излучения, что заметно сокращает расстояние обнаружения.

Остановился на магазине LPSecurity, который специализируется на охранных системах. В магазине был довольно дорогой для Али-Экспресс датчик на 7 метров (3 178 руб, включая доставку). Оставлю здесь картинку, может быть еще понадобится.

Заказал датчик на 4 метра. В таком же корпусе датчики были и у других продавцов, но только в LPSecurity был датчик с круглым катафотом. Это конечно не важно, но на приведенных выше «настоящих» фотофинишах круглые отражатели встречаются чаще 🙂  Цена 1 050 руб.

Датчик E3JK-R4M1(или 2)

На датчике, который был доставлен, упоминаний о LPSecurity нет, производителем указан Omron, а название датчика указано E3JK-R4M2. Быстрая пробивка через интернет показала, что Омрон снял с линейки эти датчики в 2015 году.

Совсем безотносительно к Омрону, датчики E3JK сейчас самые распространенные на Али. Производители, указанные на датчиках могут быть самые разные. E3JK это как бы название конструктива, в котором могут быть собраны датчики разных типов. Далее R — обозначает датчик с катафотом (Reflector), 4М — значит четыре метра максимальное расстояние срабатывания. Последняя цифра 1 или 2 обозначает тип Light On или Dark On, то есть  состояние выхода в зависимости от пойманного луча. В нашем случае это, насколько понимаю, совершенно не важно, тем более, что на выходе реле, с которого можно брать и «вкл» и «выкл» с разных контактов. Отмечу, что «красная цена» таких датчиков на Али — 600 рублей, правда с квадратным катафотом 🙂  Кстати, диаметр доставленного круглого катафота — 8 см.

Из инструкции с сайта Omron можно узнать характеристики. Вот некоторые из них. Расстояние срабатывания (sensing distance) 4 или 5 метров в зависимости от рефлектора. Точнее 4 метра — с квадратным катафотом E39-R1, который входит в комплект поставки, а 5 метров с закупаемым отдельно E39-R2, который на вид просто составлен из этих двух. Тип выхода — Dark On. На выходе — реле. Источник света — красный светодиод (длина волны 660 нм). Время срабатывания реле 30 мс. Температура от минус 25 до плюс 55 С.

Нужно остановиться на паре моментов. Во-первых, красного светодиода в качестве источника света не увидел. Есть красный контрольный светодиод, при помощи которого удобно юстировать систему. Как только фотоприемник поймал отраженный луч, контрольный светодиод загорается и так и не гаснет, пока луч не пересечен. Основной светодиод виден только через смартфон, как это обычно для ИК-светодиодов, но светит не ярко и «сильно в глубине», в общем увидеть его и через смартфон сложно. Выглядит это так:

Второй момент это время срабатывания 30 милисекунд, или три сотых секунды. Вроде как много по сравнению с требуемой точностью любительского хронометража в сотую доли секунды. Но дело не во времени срабатывания реле, а в разбросе времени срабатывания. Оно в характеристиках не указано. Если реле каждый раз будет срабатывать строго 30 миллисекунд, то есть прибавлять это время одинаково всем участникам, это как ни странно даже соответствует требованиям FIS 🙂

Фотофиниш. Результат

Замеры показали дистанцию срабатывания 5.3 метра, причем дистанция обрывается очень резко, буквально пара сантиметров и все кончено. А до этого все было хорошо, можно было водить катафотом (прощупывая луч) и связь не терялась. На 4.5 — 5 метров никаких проблем с юстировкой. Благодаря контрольному светодиоду луч ловится легко.

Объект 8 мм прекрасно ловится даже при более чем 10 км/ч. Это не соответствует регламенту FIS. Вполне возможно, что в снегопад будет срабатывать на снежные хлопья.

Сделал из подручных материалов кожухи на катафот и датчик. Это нужно сделать, чтобы устройства меньше «слепли» на солнце. В домашних условиях на дальности приема никак не сказалось.

Так как на выходе реле, то вывод можно просто запараллелить с кнопкой «Финиш». То есть можно нажимать на кнопку для тестирования, а можно ждать сигнал от фотоприемника. Программно запретил повторный финиш в течение секунды (когда обрабатывал нажатие кнопки), поэтому есть ли «дребезг» у реле так и не узнал, система срабатывает надежно.

Для «механики» купил на Али два крепления для проектора (по 188 руб).  Правда, когда перерезал резьбу, обнаружил, что шаровой держатель похоже сделан из силумина. Долго не продержится 🙁 А сам кронштейн сделан из удивительно мягкого и тонкого алюминия, как консервная банка. С точки зрения техники безопасности это конечно хорошо 🙂

Для опор нашел все-таки в хозяйственном гипермаркете сосновый брусок 40х40 (4 см поперечный размер, длина 1 метр, цена 165 руб).

Остается открытым вопрос, не слишком ли мало 4-5 метров для финишных ворот? Наша трасса горке не единственная, ширина «полосы» на финише примерно такая и есть. Но точно будет известно только следующей зимой. Если не подойдет, датчик несложно заменить.

Здесь собраны все заметки по теме «Хронометраж для горных лыж на Ардуино».

 

---

Вадим Никитин

 

 

 

на начало страницы