Únor 2011

Měření barvy světla zadarmo a správně !

18. února 2011 v 20:22 | Petr |  Příroda
Po diskusích s kolegy od elektra jsem dospěl k závěru, že elektro a fyzika spolu tak úplně nejdou, a protože jeden z kolegů má postavený přesný luxmetr a přesto mu vychází, modrá LED má více červené barvy než žárovka tak jsem se rozhodl ivestovat hodinu svého času do spektrofotmetrie a vyrobit si z CD a z mobilu spektroskop a podívat se světlu na zoubek
Spektroskop
Jestli nevěříte že to co vidíte funguje tak věřte a připravte se na dlouhý příspevek se spoustou obrázků
Spektro
Tak toto je spektrum žárovky jsem ve při jestli je se žárovka blíží absolutně černému tělesu nebo ne, ale že to je zdroj spojitého spektra je snad jasné.
Filtry
Je čas si náš spektrofotometr nakalibrovat - to co vidíte jsou laboratorní interferenční filtry - extrémně úzkopásmové fitlry založené na napařených vrstvách kovu a keramiky (vodivé/nevodivé strádavě) což je optická analogie mnohonásobného LC fitlru v elektronice. Všimněte si vlnových délek filtru - 620, 547 a 465 nanometrů jestli to na obraze mého "spektrometru"přečtete.
Mimochodem nechoďte do Foto-Kina ani do GM nebo GESu - tam tenhle štof nekoupíte.
620nm
Tedy kalibrujeme od optické osy (spektra nultého řádu nebo prosté místa kde vidíme vlákno žárovky) k spektrální čáře je to 542 pixelů při vlnové délce 620 nm je konstanta úměrnosti 1.144 nm/pixel
547nm
547 změříme stejně - zde je konstanta úměrnosti 1.121 nm/pix
467nM
567 nm - konstanta úměrnosti je 1.099 nm/pix - průměr je tedy 1.1213 nm/pix
BlueLED
Zkusíme udělat zkoušku jako v matematice - tohle je modrá ledka na Vitenamské nabíječce - vycházi vlnová délka 458 mn - více by se mi líbilo 470 nm ale kdoví kde ty ledky ti Vietnamci kupují
FLuorescent
Spektrum zářivky - vidíte tu díru v modré barvé ?
Sodík
Sodíková výbojka na ulici - vlnová déka sodíkového dubletu vychází 580 nm ačkoliv správně má být 589 - no co byste chtěli od přistroje zadarmo drženého v ruce když stojíte v bačkorách vedle popelnic.
Rtuť
Rtuťová výbojka - čarové spektrum ačkoliv se světlo jeví jako bílé - pod takovým "bílým světlem" jsme všichni barvoslepí ať se nám to líbí nebo ne.
Teplé barvy
Toto je nejvíce šokující obrázek - z Baumaxu - dole - Studená úsporná zářivka - má celkem pěkné spojité spektrum (chybí žlutá) nahoře - teple bílá - svítí na několika oddělených čarách - skoro jako rtuťovka. Hlavně že úspora je až 80%.
Lustr
Samozřejmě, že jen to nejlepší je pro mně dobré - takže moje "teple bílá" úsporka má absolutně stejné mizerné spektrum na 6 spektrálních čarách - jestli počítám dobře. Je otázka jestli pod těmito světly nevychováme barvoslepé děti. A samozřejmě když chcete fotit tak vyvážit tuto "bílou" je opravdu pro foťák fuška. Zároveň důkaz, že patlat se s fitlry a luxmeterem je opravdu blbost, bez rozkladu na spektrum na toto člověk nemá jak přijít.
Infrafiltr
Když už jsem měl spektrometr hotov začmáral jsem jeho okénko černým fixem Centropen Permanent - což je můj oblíbený zppůsob jak udělat infračervený filtr - pásmo propustnosti (v kroužku) začíná na 892 nm což je zcela důvěryhodná hodnota.
Ledky1
LEDKy - shora dolů Modrá, malinká žlutá, červená, zelená a bílá.
Ledky2
LEDky 2 - ty slabě svitící - jedna z nich je i IR - mobilem je krásně vidět jak svítí, ale z nějakého důvodu nedělá stopu - třeba je to proto že je 880 a tam už je mobil oslněný zelenou a červenoui málo citlivý.
Tímto považuju otázku spektra za vyřízenou - zajímalo by mně jestli kolega Anděl získal za hodinu práce tolik informací - když už se mu do stavby spektrometru chtělo méně než do stavby luxmetru.

Mizérie současného poznání

18. února 2011 v 9:48 | Petr |  Příroda
Je to neuvěřitelné, ale teprve nedávno jsem si z latiny přeložil přesně a doslovně název jedné z nejdůležitějších knih novověku : Philosophiae Naturalis Pricnipia Mathematica
To je kniha, kterou napsal Isaac Newton v roce 1687 a my o ni mluvíme jako o Newtonových Principiích. Vy, co vás zajímá spiše Lady Gaga, neb Ewa Farna o ní patrně nemluvíte, ale věřte nebo ne je vám o ní mluveno, proti vaší vůli, protože značná část středoškolské fyziky je vlastně jen převyprávěný obsah této knihy.

Na principiích je zajímavé, že dodnes nebyla ani v nejmenčím zpochybna, pouze byla Einsteinovou speciální teroií relativity doplněna, a vzhledem k tomu že my víme co napsal Einstein tak můžeme o Principiích prohlásti, že to je platná fyzika pro předměty o hmotnosti mnohem menší než hvězdy pohybující se rychlostí mnohem menší než světlo.

To všechno si můžete přečíst v každé knize a není to nic co by mně vzrušovalo, na vzniku Principií je zajímavé, že Newton prostě matematicky popsal věci, které viděl kolem sebe, a jeho matematický popis byl tak jasný, že pro potvrzení správnosti jeho teorií nebylo třeba žádných nových experimentů, jenom se prostě už známými experimetálními daty proložily křivky v souladu s jeho teorií, která je konenčně vysvětlila.



Za Newtonova života se vyskytli pochybovačí, kteří, uváděli různé za vlasy přitažené příklady neplatnosti jeho teorií. Newton si byl svojí matematikou natolik jist, že na jejich zpochybňování odpovídal velmi sebejistě známým výrokem "Bůh nehraje v kostky", tak zjevné bylo že má pravdu.

Ještě Einstein v roce 1905 když vymýšlel speciální teorii relativity - taky mohl stavět na myšlenkovém experimentu, a jeho terorie je taky téměř "sebedokazující" - jenže už není tak intuitivní, aby ji i baba Dymáková pochopila.

Tím ovšem "snadné bádání" skončilo. Dnes musí vědci postavit obrovské urychlovače , aby se vůbec pohli vpřed, každý nepatrný kamínek poznání je skryt v moři dat, nedávajících zjevný smysl. A navíc problém moderní doby je v tom, že těžké poznání vyžaduje mnoho vědců a mezi nimi se občas vyskytují i "vědci". Dokonce v čechách "vědci" převažují nad těmi opravdickými.

Výsledkem všech těchto procesů je to že když si položíte "složitou otázku" jak se pohybuje měsíc - odpovědí je pár vzorečků, které jsou známy od doby Newtona. Pokud si však položíte "jednoduchou otázku" a to jakoukoliv, ani nemusí být z oblasti vědy a základního výzkumu - např: "má smysl montovat na záchody úsporné žárovky?" ;-) dostaneme přehršel zmaterných a vzájemně si odporujících odpovědí, protože realita je nejednoznačná a navíc ji zkoumá množství lidí, jejichž motivace často není jen odhalit pravdu. Bohužel

Takže víte co znamená Philosophiae Naturalis Pricnipia Mathematica ? Doslovný překlad je "Matematické principy filosofie přírody" méně doslova "Matematické principy přírody" - ach jo, kéž by Bůh opravdu nehrál v kostky.


Barvoslepí roboti.

10. února 2011 v 9:12 | Petr |  Roboti
V Evropě už mnoho let probíhá krásná soutěž Eurobot. KAždý rok je tématicky zaměřený - Roboti kolonizují Mars, Roboti sbírají ovoce atd. KAždý rok je pricnip soutěže velice podobný - hrací pole he rozděleno na dvě barvy a robot sbírá něco a ukládá to do schránky vlastní barvy. Hřiště pro tyto roboty je přibližně 2,5 x 3,5 metrů jeden robot startuje  (většinou) z červeného rohu, druhý z modrého a zbytek hřiště je zelený.  Tudíž  určit přesně  barvu  předmětu (podlahy)  je v této soutěži stejně důležité jako v  parku určit  barvu trávy.

Každý rok se jdu na tuto soutěž podívat a každý rok je to stejné - bolestivé stížnosti účastníků - podívej jaké je v té místnosti světlo, podívej jakými mizernými barvami mají to hřiště natřené. Jak má můj robot poznat takové barvy, nebo - letos jsme to projeli, protože jsme zase neviděli barvy...

Tudíž je čas probrat barvy.
Méně vdělaní berou barvy prostě jako barvy. Vzdělanější mají pocit, že barva má něco společného s vlnovou délkou světla.  Ti nejvzdělaněší  ví, že barva je  iluze , která vzniká až v našem mozku.  Na sítnici máme celkem 4 druhy světlocitlivých buněk, tyčinky, které vidí černobíle - teď nebereme v úvahu, ale kromě nich máme na sítnici tři druhy čípků, které vnímají barvu.
Citlivost lidských fotoreceptorů
Povšimněte si vlnových délek maximální citlivosti. Modrá 420 nm, zelená 534 nm červená 564 nm. V čem je iluzornost barev? Bude - li do oka dopadat směs dvou vlnových délek - řekněme  červená  564 nm a modrozelená  498nm  pak jejich  směs  budeme vnímat jako barvu odpovídajcí průměru vlnových délek - to jest 531 nm - což je v oblasti, kterou oko vnímá jako zelenou.  Také diky tomu existuje celá paleta hnědých barev, kterým neodpovídá žádná vlnová délka světla a vždy se jedná o směs více vlnových délek světla.

Navíc kromě lidského trichromatického vidění, existuje vidění založené na vnímání 4 tetrachromatické  (ptáci, hmyz) nebo dokonce 5 pentachromatické (někteří ptáci, motýli) vlnových délek.  Kromě toho  máme samozřejmě  i  monochromatické vidění (psi) nebo bichromatikcé (barvoslepí muži).  Dokonce ani dva živočichové, kteří vidí trichromaticky (například my a kočky) bychom se neshodli na barvách, protože kočky vnímají jiné vlnové délky než my.

Naštěstí naše fotoreceptory vnímají nejemom vlnovou délku, na které mají maximální ciltivost, ale i okolní vlnové délky, proto je možno kombimací tří světel vytvořit v mozku iluzi téměř jakékoliv barvy.
Vyzařování obrazovky

Nicméně - porovnejte vyzařování televizní obrazovky s citlivostí lidského oka - Modrá 450 nm (místo 420), Zelená 535 nm, červená 635 nm (místo 564). Co to znamená -  Televize "vidí" trichdomaticky ale na jiných vlnových délkách než my !!!  Tedy shodnout se s televizí na interpretaci barev prakticky nelze. Ženy to znají, že barva šatů se nedá vybírat na počítačovém monitoru - spektrum odražené šaty interpretuje monitor jinak než by jej vnímalo oko - červená je sice červená, ale trochu jiná.

Jistě už tušíte kam mířím - soutěž založená na barvách vyžaduje od robotů, aby vnímali barvy stejně jako my - což není ve skutečnosti pravda.
RGB sensor
Všimněte si jak vypadá profesionálně vyrobený sensor barvy.  v centru vidíme  RGB tříbarevnou LED diodu a vedle ní  fotodiodu, která snímá odražené světlo.  Problém RGB didod je, že z technického hlediska je těžké vyrobit diody, které vyzařují přesně na vlnových délkách citlivosti lidských čípků, proto se používají diody, které vyzařují na vlnových délkách televizní obrazovky.

Tedy čidla založená na LED diodách vnímají barvy jinak než liské oko, což je u soutěže, ktera je postavena na vnímání barev (jak je vidíme my) dosti velký problém. A to ani nemluvíme o tom, když robotik amatér použije do svého čidla "nějakou zelenou diodu", co měl doma v šuplíku, protože přece "zelená je pořád zelená" že ano.

Možná by se organizáoři dali přesvědčit aby soutěžní plochu nedefinovali barvou, ale odraženým spektrem daného povrchu, ale jelikož ani oni sami tento problém vlastně nevnímají jako problém tak o tom dosti pochybuju. Proto prosím až se budete chystat na Eurobot - dávejte si na své barevné senzory pozor.

BakckEMF neboli ProtiEMSA, aneb jak hýbati robotem

9. února 2011 v 13:48 | Petr |  Roboti
Aniž bych se chtěl někoho dotknout, tak vidím věc takto: Rozdíl mezi obyčejnými koníčkáři, jako jsou letečtí modeláři a neobyčejnými konstruktéry robotů je tento: Zeptáte - li se modeláře co je třeba aby mu letadlo letělo řekne vám - Motor, regulátor otáček, RC přijímač a RC vysílač. Zaptáte-li se robotika co potřebuje robot aby jel tak pravděpodobně dostanete odpověď  - Poslat data na sběrnici. ;-(

Neboli v česku jsou stavitelé robotů především programátoři, které cokoliv co není na monitoru otravuje a reálný svět je otravuje nejvíce, protože z něho pochází akorát tak vybité baterky, hlad, žízeň a šum v datech z čidel.

Snažím se neupadnout do této izolace od reality (východisko z nouze, protože moje programování je prachmizerné). Takže se nestydím za to, že vyrábím analogovou elektroniku a vymýšlím cesty které tu ještě nikdy nebyly jako je Trávoměr, nebo Stereofonní ultrazvuk.

Předposlední nápad z mé dílny je řízení motorů bez snímání otáček, který jsem nazval BackEMF můstek, neboli vědečtěji a anglicky Back EMF H-Bridge.

Informace pro neinformované: Mobilní robot je počitač na kolečkách. Kolečky hýbají motory, motory řídí polovodičový obvod zvaný H-Můstek neboli H-Bridge, skládající se ze 4 výkonových tranzistorů a další pomocné elektroniky. Robot když jede musí svůj pohyb regulovat (aby si mohl ujetou vzdálenost "odškrtnout na mapě" a tudíž věděl, aspoň přibližně, kde je). Aby robot věděl kam jede musí mít snímače otáček motorů. Zabudovávání snímačů otáček do robotu je složité, navíc je dobré mít motory s hřídelí vyvedenou na obě strany, které se těžko shánějí atd. Tedy snímání otáček je nutné, ale snímače "jsou otrava". Nejlepší by bylo aby člověk připojil motorky z rozbitého čínského autíčka ke krabici s elektronikou a měl robota.

Lze se obejít bez snímání otáček? Lze a letečtí modeláří to vědí už dávno, protože používají  BLDC motory. BLDC - Brush Less Direct Current motor - je stejnosměrný motor, který je udělaný jako střídavý třífázový motor, aby se rozočil musí mít střídač - v modelářské terminologii regulátor, střídač musí vědět v jaké poloze je motor aby věděl kdy má přepnout napětí do vinutí motorů, proto regulátor vždy na zlomek sekundy vypne a snímá napětí, které motor generuje. Tak pozná v jaké poloze je kotva motoru a kdy přepnout vinutí.

Napětí které motor generuje se nazývá Back EMF - a v česku se kdysi v 50 letech používal pojem protielektromotorická síla neboli zkráceně protiemsa. Napětí samozřejmě generují i kartáčové motory, i rozotočený motorek z čínského autíčka, takže i pro ně lze použít napětí rotujícího motoru jako informaci o jeho otáčkách. Motor je sám sobě čidlem, připojíme dva drátky ke krabičce a robot jede.
Napětí generované motorem - autor Sébastien Lelong
Na obrázku vidíte jak to vypadá - napětí snímané na motoru obsahuje mnoho šumu (červená) proto se musí počitat klouzavé průměry (zelená) které dávají mnohem lepší představu o otáčkách. Napětí na motoru může řídící procesor v robotu měřit a podle toho jednak regulovat otáčky a jednak hrubě plánovat trasu - řešení za pár kaček - využívá analogově digitálních převodníků, které jsou dneska v každém procesoru a často jenom zahálí.

Samozřejmě, že nejsem první kdo si této možnosti všiml. ZDE je krásný článek o experimentování s Back EMF ZDE a je dokonce úplný návod jak postavit modelářský regulátor / střídač.

Protože si myslím, že jsem čtenářky už opět unavil a navíc - Tragédie za bílého dne !!! Agáta Hanychová je těhotná !!! Tak už radši zase končím a konstrukční detaily probereme někdy příště.


Trávoměr 1.

7. února 2011 v 15:29 | Petr |  Roboti
Na zcela jimý příspěvek si necháme to, jak jsem se dostal k mobilním robotům, a co to vůbec mobilní roboti jsou. Prostě budeme předpokládat, že domácí stavění autíček nabitých mikroprocesory. "které se řídí samy" má mějaký hlubší smysl pro lidstvo, nebo aspoň pro mně.
Přesdstavte si úlohu tohoto zadání : Autíčko musí jezdit v parku po cestičkách a nesmí najet na trávník. Kravina? Ani byste nevěřili kolik lidí se soutěží na toto téma zabaví.
Abychom mohli jezdit mimo trávu, musíme vědět kde tráva je a kde tráva není. Zjistit tuto informaci je možno mnoha způsoby a u nás i ve světě zatím vítězí řešení hrubou silou. Vezmete kameru, k ní napojíte počítač nejrychlejší, a nejvíce-jádrový, který se vám do robota vejde a pak už jenom proháníte obraz složitými algoritmy a sledujete jak ten počítač žere baterky rychleji než motory, a vaši asistenti běhají s "olověnkami" k nabíječce a zpět.

Pak je druhá možnost, která je zatím na okraji zájmu robotiků, ale v centru zájmu mého - "Trávoměr". Položme si otázku jak komár najde místo kam bodnout, jak včela najde květy atd. Hmyz mená mnohajádrový procesor, a deset kilo olověných akumulátorů. Má jen velmi jednoduchý mozek o pár neuronech a k tomu perfektní čidla, která většinou vnímají jen to co hmyzáka zajímá. Takže včely vidí květy v ultrafialovém světle, ale nic jiného prakticky nevidí. Kůrovec má fenomenální čich na fermony samičky (nebo pytlík v lapači), ale žádnou jinou molekulu prakticky necítí atd.
Pod vlivem těchto informací jsem se rozhodl - postavím přístroj - Trávoměr , který bude detekovat jednoduchým způsobem kde je tráva a kde je cesta - bude stačit jeden drát - 0 voltů tráva - 5 voltů cesta - a žádně "Quintium" na 20 GHz s 20 GB RAM nebude potřeba.
Možná je to divné, ale trávoměr už stavím druhý rok.
Nejprve bylo nutné zjisiti čím se vlastně tráva liší od zahradní cestičky - což není zase taková legrace, pokud chcete postavit čidlo jednodušší než mozek hmyzu. Tráva je vlhká měkká, zelená chladná atd. Na druhé straně Trávoměr musí být velmi robustní - tedy fungovat za světla i za tmy, za deště i za sucha, musí to být velmi spolehlivé čidlo. To klade na jeho konstrukci a i na jeho fyzikální princip značná omezení - například se nelze spolehnout na barvu trávy, protože ta závisí na osvětlení a na tom jestli je travička svěží po dešti nebo schnoucí v létě. - Beznadějné ?
Přece jenom ne. Podívejte se na snímky dole.
Křoviny - autor Michael Myers
Infrafotografie křoví - Autor Michael Myers
Oba zobrazují stejná křoviska, pravý je v blízké infračervené oblasti, ve spektru, kde pracují dálkové ovladače k televizi. Všimněte si jak jsou křoviny na infračerveném snímku světlé. Vykreslíme li si spektrum světla, které zelené rostliny odrážejí uvidíme křivku jako je tato :
Těsně pod pásmem viditelného světla 800 - 1500 nm (nanometrů) rostliny odrážejí světli jako hrom. Není tedy pravda, že jsou zelené. Rostliny jsou Infračervené !!!
Protože trávoměr musí být nezávislý na vnějším osvětlení - musí měřit stejně dobře ve dne i v noci, ve stínu i na slunci, nemůže využívat pasivního měření - tedy např. snímat odražené sluneční paprsky, ale musí využívat aktivního měření, tedy reagovat pouze na světlo, které vysílá sám.
Každý kdo jste měli baterku v ruce víte, že blízké předměty osvětluje až moc a do dálky už zdaleka tak nesvítí. Navíc trávoměr nebude koukat jenom na zelené rostliny, ale i na hliněné cesty, beton atd. jejich spektrum nebude mít jemom ten nádherný odraz v infračervené (IR) oblasti, ale i odrazy v jiných pásmech. jako například toto spektrum:
Trávoměr se tedy nemůže spoléhat na osvětlení okolí paprskem jedné barvy a snímání jen jediného odrazu.
Nyní po dvou letech bádání je to jasné - trávoměr potřebuje nejméně dvě LED diody
svítící na vlnové délce 635 a 880 nm. Jako referenční a hlavní měřící vlnovou délku. Navíc aby nebyl citlivý na sluneční světlo a jeho změny tak nebude těmito diodami svítit trvale, ale velmi rychle blikat na frekvenci kolem 50kHz (podobně jako dálkové ovladače k televizi) a snímat bude použe odražené paprsky blikající na této frekvenci. Navíc nelze použít již hotová jako integrovaný obvod prodávaná čidla, protože ta nejsou citlivá na viditelné (červené) světlo na vlnové délce 635 nm.
Jak tedy bude trávoměr vypadat - v mé hlavě se již rodí, ale abych svým blogem neunudil zdejší blogerky k smrti o detailech až příště. Děcka mějte se.

Google je stále rychlejší

2. února 2011 v 17:40 | Petr |  Internet
Je to neuvěřitelné, ale finta s kravičátkem nejlepšinatým opět vyšla. Na Googlu opět vyskakuje můj blog - zatím bohužel ne jako jediný, ale s odkazy na starý blog.
Co je šokující je rychlost, s kterou se tak stalo. 24. ledna 2011 jsem napsal článek s prvním výskytem tohoto sousloví na novém blogu a už 26. ledna 2011 to Google zaregistroval. Tedy ne měsíc jako minule, ale pouze dva dny. Zdá se, že nesmyslé sousloví se dostalo do nějakého slovníku věcí, které Google považuje za smysluplné.

Mimochodem viděli jste filmovou sérii s Terminátorem. Google je podle mně reálný bratr filmového SkyNetu, který rozpoutá globální válku. Google k tomu možná nebude potřebovat ani vědomí -stačí aby měl perfektní přehled kdo sedí za klávesnicí a podle toho třídil výsledky vyhledávání - mladým klukům z Palestiny články o násilí páchaném Židy a mladým Židům zase o násilí Palestinců. Ženám pomluví muže mužům ženy, šéfům podřízené a naopak - všechno ve jménu "cíleného vyhledávání" a bude na průšvih zaděláno.

Tak děcka, pro dnešek stačilo. Přeji hezký večer.