High precision detection of multiple rotating objects

Abstract: Denna avhandling har skrivits i sammarbete med en Stockholmsbaserat konst- och designstudio vid namn ''Humans since 1982'' som bygger och säljer modern högteknologisk konst till marknader världen över. Studion ville utföra forskning kring att utveckla och implementera ett system som detekterade och beräknade positionen av två roterande oberoende objekt monterade på två stegmotorer via en växellåda. Produkten där lösningen skulle implementeras ställde olika tekniska och designmässiga krav på implementationen. De viktigaste kraven var att lösningen skulle klara en noggrannhet på ±1° med en precision på 99.95 %. Hastigheten för objekten som detekterades var minst 50 [steg/sekund] och distansen mellan objekten och detektionsutrustning var minst 20 [mm]. En barriär av ett ometalliskt material skiljde objekten och motorerna samt den drivande elektroniken åt, vilket i kombination med en komplicerad växellåda förhindrade användandet av IR baserade lösningar, rotationsenkoders eller mekaniska kalibreringsmetoder. Olika möjliga tekniska lösningar i form av kapasitans- induktions- och radiobaserade detektionsmetoder undersöktes. En lösning baserat på Hall-element och permanenta Neodymium magneter föreslogs, designades, implementerades och testades. Två olika algoritmer för automatisk detektion och kalibrering föreslogs och testades. Den första algoritmen var baserad på att röra båda objekten samtidigt och den andra var baserad på att röra ett objekt i taget. Den andra algoritmen visades vara mest optimal med avseende på tid, robusthet och noggrannhet och efter implementation på hårdvaruplatformen (som bestod av en 32-bit ARM Cortex mikro kontroller) åstadkom den en noggrannhet på ± 0.8°  med en precision på 99.97 %. Självkalibreringen tog 92.6 [s] och konsumerade i genomsnitt 34.56 % av processor cyklerna. Applikationen tog då upp 85.93 % av RAM-minnet och 13.74 % av flash minnet inkluderat ett realtidsoperativsystem samt bibliotek för att extrahera testdatan.