🏐 🙇🏽 🔏 Intelligente Pailletten 🚉 🏊 ✍️

In dem Artikel werde ich darüber sprechen, wie wir ein elektromechanisches Miniatur-Farbwiedergabegerät für intelligente Kleidung und adaptive Tarnsysteme entwickelt haben.

Prolog

„Sie fing an, auf den Baumstamm zu klettern. Die Mechanismen des Anzugs machten sich sofort an die Arbeit, bemalt in der Farbe einer Baumrinde, gesprenkelt mit Mondlichtflecken. "

Scott Westerfield Special

Nachdem ich diese Zeilen gelesen hatte, wurde meine Fantasie von dieser Idee gefangen genommen! Ein Anzug, der sich an die Umgebungsbedingungen anpassen und Farbe, Muster und Textur ändern kann. Tolles optisches Tarnsystem. Und außerdem Kleidung, die auf Wunsch des Besitzers oder abhängig von seinen physiologischen Parametern das Aussehen verändern kann.

"Er trug einen Chamäleonanzug aus Polycarbon, der in der Lage war, jede Bandbreite von Farben nach der mentalen Ordnung des Besitzers zu reproduzieren und Veränderungen in seiner Stimmung auszudrücken."

Ulyam Gibson "Neuromantic"

Autoren von Werken der Literatur und des Kinos verwenden Chamäleonkostüme nach Belieben. Aber gibt es in diesem Bereich echte Entwicklungen?
Eine Literaturrecherche ergab, dass verschiedene Länder adaptive Tarnsysteme entwickeln und eine Vielzahl von Farbwiedergabegeräten verwendet werden:

Polymer-LED-Matrix (PLED-Displays), 2011, CAMELEON-System;
wärmeempfindliche Polymere 2014 veröffentlichten Forscher der Universität von Houston die Ergebnisse der Arbeit zur Erstellung einer Matrix von Elementen, die ihre Transparenz beim Erhitzen ändern können.
transflektiven Displays , im Jahr 2015 eingeführt Folium Optics einen funktionierenden Prototyp auf der DSEI internationale Militärtechnologie Ausstellung.
Elektroaktive Polymere , 2018 präsentierten russische Entwickler auf dem Armeeforum einen funktionierenden Prototyp.

Fast alle Entwicklungen befinden sich jedoch im Stadium von Labortests und Prototypen.

Bei der Suche nach Ideen für die Implementierung von etwas Ähnlichem bin ich auf etwas Neues gestoßen.
Einmal fragten sie mich: "Weißt du, was Pailletten sind?"

Hier beginnt die Entwicklungsgeschichte ...

Paillette

Am Anfang, als ich meinen Freunden und Kollegen erzählte, was ich jetzt tat, stoppten sie meine Geschichte ganz am Anfang und stellten die gleiche Frage: "Pailletten?"
Deshalb werde ich sofort erklären, worum es geht.

Pailletten (französisches „goldenes Sandkorn“) sind ein dekoratives Kleidungselement, bei dem es sich um einen kleinen Kreis aus Kunststoff (Flocken) handelt, dessen kleines Loch zum Rand versetzt ist, um ihn (durch Nähen) an einem Stoff oder einem anderen Material zu befestigen.

Darüber hinaus haben diese Plastikkreise einen „Trick“, sie können sich drehen (scrollen) und zeigen dem Betrachter die eine oder andere Seite, die in verschiedenen Farben gemalt werden kann.

Im Allgemeinen schien es mir interessant. Paillettentücher erinnerten mich an LED-Anzeigen, nur mit geringer Auflösung und schlechter Farbwiedergabe. Andererseits arbeiten sie mit reflektiertem Licht und sind flexibel platziert (Kleidung oder deren Elemente).

Es wäre cool, eine Paillette zu kreieren, die selbständig „durchblättern“ und die Farbe ändern kann, die dem Betrachter gerade angezeigt wird. Viele dieser Geräte werden zu einer Matrix kombiniert, die verschiedene Muster reproduzieren und Text, Bilder und all dies dynamisch anzeigen kann!

Elektronische Paillette

Zunächst wurden mehrere Skizzen angefertigt und die technischen Anforderungen für das zukünftige Produkt formuliert:

Verwenden Sie mindestens 2 Farben.
Größen sind vergleichbar mit echten Pailletten;
geringes Gewicht und Stromverbrauch;
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Jede elektronische Paillette besteht aus einer Basis, mit der sie an einer zukünftigen Basis (Stoff) befestigt ist. Auf der Basis befindet sich Elektronik für die Steuerung und Blütenblattantriebe.

Blütenblätter befinden sich auf derselben Achse.

Es wurde beschlossen, dass die erste Version drei Farben haben wird:

Für den ersten Prototyp ist die Größe nicht das Wichtigste. Lassen Sie die Paillette daher etwas größer sein als in der Arbeitsaufstellung angegeben.

Die Struktur der elektronischen Steuereinheit: Die

ArduinoNANO-Plattform wird als Steuerung ausgewählt. Das Drehmoment von den Motoren (Kollektormotoren) auf die Pailletten wird über das Schneckengetriebe übertragen. Als Sensoren für die Position der Blütenblätter werden variable Widerstände verwendet, die aus kleinen SG90-Servos extrahiert werden.

Es funktioniert so:

Alles ist wie es sollte! Das einzige, was nicht gefiel, war die niedrige Geschwindigkeit der Blütenblätter, aber für den Debugging-Prozess ist es. Darüber hinaus haben wir diese Kleinigkeit im nächsten Prototyp korrigiert.

Version 2

Im neuen Modell haben wir nur die Zusammensetzung der elektronischen Steuereinheit geändert und eine Leiterplatte hinzugefügt, sodass aus der Paillette ein vollwertiges Modul wurde. Jetzt wurde alles von einem 8-Bit-ATtiny44-Mikrocontroller über den L293DD-Motortreiber gesteuert.

So sieht es aus:

Und so funktioniert es:

Wie Sie sehen, ist bisher von keinem digitalen Datenaustauschprotokoll die Rede. Zuerst musste man sich mit Mechanik beschäftigen.

Version 3

In der nächsten Version haben wir uns die Aufgabe gestellt, die Anzahl der reproduzierbaren Farben auf 5 zu erhöhen. Dazu müssen wir die Anzahl der Blütenblätter auf 4 erhöhen und sie abwechselnd durch die anderen blättern lassen. Der einfachste Weg ist natürlich, die Anzahl der Antriebe zu erhöhen, aber in diesem Fall müssen bis zu 5 Motoren auf der Paillette platziert werden! Dies ist eine Erhöhung des Gewichts, der Abmessungen und der Komplikation der elektronischen Steuereinheit. Wir haben entschieden, dass dies der falsche Weg ist.

Um das Ergebnis zu erzielen, haben wir verschiedene Möglichkeiten ausprobiert. Eines der ersten und interessantesten, wie es mir scheint, ist die Verwendung des Drehmoments von nur einem Motor, um die Blütenblätter durch mechanische Gänge anzutreiben.

So sah der erste Prototyp aus, den wir zusammengebaut haben:

Und es hat funktioniert:

Natürlich werden in diesem Demomodell weder Geschwindigkeit noch Drehwinkel berechnet. Es schien uns zu kompliziert, ja, und eine große Anzahl mechanischer Komponenten wäre für kleinere Dimensionen schwierig zu implementieren. Trotzdem wurde diese Option ausgearbeitet.

Letztendlich haben wir uns für dieses Schema entschieden:

Tatsächlich haben wir das elektronische Steuergerät vom ersten Prototyp an gespeichert, aber die Rollen der Motoren geändert, mechanische Komponenten hinzugefügt und die Positionssensoren der Lappen durch optische Endschalter ersetzt. Es wurde beschlossen, das Drehmoment eines Motors zu verwenden und es mit Hilfe eines Getriebes (Verteilergetriebe) nacheinander an jede Keule zu liefern. Die Stromübertragung wurde mit einem variablen Gleitwiderstand überwacht.

So sah der neue Mechanismus aus:

Seltsamerweise hat es nicht schlecht funktioniert:

Trotzdem hat er mehr Nachteile als Vorteile:

eine große Anzahl mechanischer Zahnräder (geringe Zuverlässigkeit);
Viele Sensoren müssen kalibriert werden.
große Abmessungen;
niedrige Bewegungsgeschwindigkeit der Blütenblätter.

Als wir feststellten, dass wir zu diesem Zeitpunkt keine Alternative anbieten können, haben wir begonnen, in eine andere Richtung zu arbeiten.

Smart Sequin

Schließlich beschlossen wir, uns ernsthaft um die Größe unserer Pailletten zu kümmern. Es ist notwendig, zumindest näher an die Abmessungen dieser dekorativen Kleidungselemente heranzukommen. Und wir haben es viel kleiner gemacht: Die

Anzahl der reproduzierten Farben wurde wie bei einer echten Paillette auf 2 reduziert. Ein Miniatur-Schrittmotor wurde als Antrieb für seine einzige Keule verwendet ( ich habe hier ausführlich darüber geschrieben ).

Der Wert der Umschaltzeit zwischen Farben wird durch einfache Berechnungen erhalten. Der Motor macht 8 Schritte mit einer Pause zwischen Schritten von 10 ms. Mit der Berechnung können Sie die Schaltzeit nur annähernd schätzen.

Der Ruhestrom ist immer noch ein erheblicher Betrag. Wenn Sie jedoch die Energiesparmodi von Controller und Treiber verwenden, können Sie diesen Wert reduzieren.

Die neue Struktur der elektronischen Paillettensteuerung:

Wir haben uns entschlossen, die Elementbasis mit dem ATtiny44-Controller und dem L293DD-Treiber beizubehalten.

Schematische Darstellung des Geräts:

Für Pailletten wurde eine kleine Leiterplatte ausgelegt:

Aufgrund der geringen Größe des Geräts mussten wir Mikroschaltungen auf beiden Seiten der Platine platzieren, tatsächlich nehmen sie fast den gesamten Platz darauf ein. Es ist notwendig, die Elementbasis zu ändern ...

Aussehen der Platinen- und Paillettenbaugruppe:

Sanft

Es schien uns sehr praktisch, wenn sich die Pailletten ähnlich wie die LEDs im Adress-LED-Streifen verhalten. Daher wurde das Datenaustauschprotokoll entsprechend implementiert. Die Matrixsteuerungssteuerung steuert den Bitstrom für alle Matrixelemente auf dem Bus und umrahmt das Paket mit Start- und Stoppteilern. Im inaktiven Zustand wird die Leitung auf Vcc hochgezogen.

Da diese Pailletten nur zwei Farben reproduzieren, wird jeweils nur ein Bit im Paket zugewiesen.

Die erste Paillette in der Zeile bemerkt das Starttrennzeichen, liest das erste dafür vorgesehene Bit und überträgt den Rest unverändert auf das zweite. Die zweite Paillette in der Reihe liest erneut nur das erste Bit und überträgt den Rest weiter unten in der Kette. Somit ist es möglich, eine große Anzahl von Modulen mit der Fähigkeit zu verbinden, jedes einzeln zu steuern, ohne auf Adressierung zurückzugreifen.

In regelmäßigen Abständen folgen Bits nacheinander. Die Dauer des hohen Logikpegels bestimmt, dass "0" oder "1" durch diesen Impuls codiert wird. Alle Verfahren zum Datenaustausch in Pailletten werden durch Interrupts implementiert. Der Starttrenner wird an einer fallenden Flanke der PA3-Leitung fixiert (externer Interrupt), dann startet ein Timer, der in regelmäßigen Abständen Interrupts erzeugt. Im Timer-Interrupt-Handler werden Zeitintervalle und Impulsdauern gezählt.

Sie haben nichts Neues geöffnet, und es ist unwahrscheinlich, dass etwas anderes für eine Single-Wire-Schnittstelle erfunden werden kann.

Die Arduino-Plattform, die mit dem Computer kommuniziert, fungiert als Matrix-Controller (oder besser gesagt als Band) für Pailletten. Wir haben eine kleine Anwendung in der Verarbeitungsumgebung geschrieben, die die Verwendung einer Matrix aus 4 Pailletten über eine grafische Oberfläche ermöglicht:

Informationen zur Funktionalität

Lassen Sie uns über die Vorteile nachdenken, die Kleidung bieten kann, die durch die Verwendung elektromechanischer Pailletten ihre Farbe ändern kann.

Das erste, was mir in den Sinn kommt, ist die Verwendung von Pailletten bei der Gestaltung moderner Kleidung. Wenn Sie nach Informationen über Trends im modernen Bekleidungsdesign suchen, finden Sie häufig den Begriff „intelligentes Textil“, „intelligente Stoffe“, viele Hinweise auf Modedesigner, die ihre Outfits auf einem 3D-Drucker drucken, und andere technologische Wunder der Modebranche. Ich glaube, dass elektromechanische Pailletten sehr organisch in dieses Konzept passen.

Eine andere Anwendung sind adaptive (aktive) Tarnsysteme, wie oben erwähnt.

Darüber hinaus kann jedes Paillettenblatt eine glänzende oder matte Textur haben und ist in verschiedenen Farben lackiert, was bedeutet, dass die Paillette Sonnenstrahlung auf unterschiedliche Weise absorbiert. Somit wird es dem Besitzer von Kleidung, die mit solchen Pailletten bedeckt ist, möglich, ihr Mikroklima zu kontrollieren.

Darüber hinaus können die unteren Blütenblätter spezielle „Poren“ aufweisen, die sich mit den oberen Blütenblättern öffnen und schließen können. Durch diese „Poren“ kann überschüssige Feuchtigkeit verdunsten.

Wenn es draußen regnet, kann die Paillette gleichzeitig die „Poren“ zuverlässig schließen und verhindern, dass Feuchtigkeit unter die Kleidung gelangt.

Nur wenige Zahlen

Nehmen wir an, wir haben es bereits geschafft, das Problem des Platzierens elektronischer Pailletten auf einem elastischen Material zu lösen, oder wir haben aus diesen kleinen Geräten eine Art „mechanische Leinwand“ geschaffen. Welche Eigenschaften wird die Leinwand (zu diesem Zeitpunkt) haben?

Schätzen Sie die Kosten für die Herstellung einer Paillette.

Anmerkungen:

1. Einzelhandelspreis - Der durchschnittliche Einzelhandelspreis für elektronische Komponenten in meiner Stadt.

2. Großhandel - Bestellung elektronischer Komponenten in Chargen aus China.

* Blatt 208x248mm - 216 Rubel. (Slist = 51584 mm ^ 2), S-Platten = 391 mm ^ 2, N-Platten auf dem Blatt = 51584/391 = 131 Stück, die Kosten für 1 Platte = 1,64 Rubel.
** Spule 1 kg -1000 Rubel, Kosten für 1 Satz Teile = 1 Rubel.

Es stellt sich heraus, dass in der Massenproduktion die Kosten für ein Element etwas weniger als 100 Rubel betragen.

Wir berechnen die erforderliche Anzahl von Pailletten, um eine Leinwand mit einer Fläche von 1 m2 zu erstellen:

Die Fläche einer Paillette S1 = 391 mm2
Die Fläche der Leinwand Sp = 1000000mm2
Die Anzahl der Pailletten auf der Leinwand N = 2558 Stück
Gewicht Pailletten m1 = 3,5 g
Die Masse der Leinwand mit einer Fläche von 1 m2 Mp = 8951 g
Die Hauptkosten eines Stoffes mit einer Fläche von 1 m2: 240306 reiben
Stromverbrauch in Ruhe: Imin = 76A
Stromverbrauch beim Umschalten aller Webelemente: Imax = 306A

Eh ... nähen Sie uns keine Kleider aus elektronischen Pailletten ...

Ergebnisse

Hier können Sie reibungslos zu den Schlussfolgerungen übergehen und über die Nachteile der Verwendung elektromechanischer Farbwiedergabegeräte im Allgemeinen und insbesondere unserer Pailletten sprechen.

Sind üblich

Vorhandensein beweglicher Teile, Anfälligkeit für mechanische Beschädigungen, geringe Zuverlässigkeit einzelner Matrixelemente, Anfälligkeit für Verschmutzung.
Eine kleine Palette reproduzierbarer Farben.
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Im Allgemeinen war der Gedanke gut, die Implementierung erwies sich als weniger gut ... Trotzdem wird weiter an „intelligenten Pailletten“ gearbeitet. Bald werden wir versuchen, sie auf Kleidung zu legen, und wir werden definitiv die Ergebnisse teilen.

Intelligente Pailletten