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智能亮片



在本文中，我将讨论我们如何开发用于智能衣服和自适应迷彩系统的微型机电彩色复制设备。

序幕

“她开始爬上树干。这套西装的机制立即起作用，涂上树皮的颜色，上面点缀着月光斑点。”

斯科特·韦斯特菲尔德特别

阅读这些内容后，我的想象力就被这个想法所吸引！能够适应环境条件，改变其颜色，图案，质地的西装。出色的光学迷彩系统。此外，可以根据主人的要求或根据其生理参数改变外观的衣服。
“他穿着聚碳酸酯变色龙套装，能够根据店主的心理顺序来再现各种色调，表达出他的心情变化。”

乌利亚姆·吉布森（Ulyam Gibson）

文学和电影作品的作者随意使用变色龙服装。但是，这方面是否有真正的发展？
文献综述表明，不同国家/地区正在开发自适应伪装系统，并且使用了多种颜色再现设备：

  • 聚合物LED矩阵（PLED显示屏），2011年，CAMELEON系统;
  • 热敏聚合物，2014年，休斯敦大学的研究人员发表了有关创建元素矩阵的工作结果，这些元素可以在加热时改变其透明度；
  • 透反射式显示器，2015年，Folium Optics在DSEI国际军事技术展览会上推出了工作原型。
  • 电活性聚合物，2018年，俄罗斯开发人员在陆军论坛上展示了一个工作原型。

但是几乎所有的开发都处于实验室测试和原型阶段。

在寻找实现类似目标的想法的过程中，我遇到了一些新东西。
他们问我：“你知道亮片是什么吗？”

这是发展故事的起点...

亮片


一开始，当我告诉朋友和同事我现在正在做什么时，他们从一开始就停止了我的故事，并问了同样的问题：“亮片？”
因此，我将立即解释所面临的风险。

亮片（法语是``金色的沙粒''）是衣服的装饰元素，是一小圈塑料（片状），有一个小孔，向边缘偏移，用于将其固定（通过缝制）在织物或其他材料上。



而且，这些塑料圈有一个“技巧”，它们可以旋转（滚动），向观察者的一侧或另一侧显示，可以用不同的颜色绘制。

总的来说，这对我来说似乎很有趣。亮片的衣服让我想起了LED显示屏，但分辨率低且色彩还原差。但另一方面，它们在反射光下工作，并且放置在灵活的基础上（衣服或其元素）。

创建一个可以独立“穿过”并更改当前显示给观察者的颜色的亮片是很酷的。这些设备中的许多设备将被组合成一个矩阵，该矩阵能够动态再现各种图案，显示文本，图片以及所有这些内容！

电子亮片


首先，绘制了一些草图，并制定了未来产品的技术要求：

  • 使用至少2种颜色；
  • 尺寸可媲美真正的亮片；
  • 重量轻，功耗低；
  • .

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每个电子亮片均由一个底座组成，并与该底座连接到将来的底座（织物）上。电子设备（用于控制）和花瓣驱动器位于基座上。

花瓣位于同一轴上。

决定第一个版本将具有3种颜色：



对于第一个原型，尺寸不是最重要的事情，因此让亮片比工作说明中指定的尺寸大一点。

电子控制单元的结构：



选择ArduinoNANO平台作为控制器。从电机（收集电机）到亮片的扭矩将通过蜗轮传递。作为花瓣位置传感器，使用了可变电阻，该电阻是从小型SG90伺服系统中提取的。

它是这样的：


一切都应该做！唯一令人不满意的是花瓣的低速，但对于调试过程却是如此。此外，我们在下一个原型中更正了这个琐事。

版本2


在新模型中，我们仅更改了电子控制单元的组成，并添加了印刷电路板，从而使亮片变成了完整的模块。现在，一切都由一个8位ATtiny44微控制器通过L293DD引擎驱动程序控制。

这是它的外观：



这是它的工作方式：


如您所见，到目前为止，还没有任何数字数据交换协议的消息。首先，您必须与机械师打交道。

版本3


在下一版本中，我们将增加可复制颜色的数量设置为5。为此，我们需要将花瓣的数量增加到4，并使它们交替地翻转。显然，最简单的方法是增加驱动器的数量，但是在这种情况下，有必要在亮片上放置多达5个电机！这增加了电子控制单元的重量，尺寸和复杂性。我们认为这是错误的方法。

为了获得结果，我们尝试了多种方法。在我看来，第一个也是最有趣的方法之一是仅使用一个引擎的扭矩通过机械齿轮驱动花瓣。

这就是我们组装的第一个原型的样子：



它起作用了：


当然，在此演示模型中不会计算速度或旋转角度。在我们看来，这太复杂了，对于较小的尺寸，很难实现大量的机械部件。尽管如此，这个选项还是可以解决的。

最终，我们决定采用这种方案：



实际上，我们从第一台原型机中节省了电子控制单元，但改变了电动机的作用，增加了机械部件，并用光学限位开关代替了叶片的位置传感器。决定使用一台电动机的扭矩，并借助变速箱（分动箱）将其依次传递到每个凸角。使用滑动可变电阻器监视电流“传输”。

这是新机制的样子：



奇怪的是，它的效果还不错：


但是他仍然弊大于利：

  • 机械齿轮数量众多（可靠性低）；
  • 许多传感器需要校准；
  • 大尺寸
  • 花瓣的移动速度低。

意识到在这一阶段我们无法提供其他选择，我们开始朝另一个方向努力。

智能亮片


最后，我们决定认真考虑亮片的尺寸。至少必须更接近衣服的这些装饰元素的尺寸。而且我们做得更小：



再现的色彩数量减少到了2种，就像真正的亮片一样。微型步进电机被用作其唯一波瓣的驱动器（我在这里详细介绍了它）。

颜色之间的切换时间值可以通过简单的计算得出。电机分8步运行，间隔为10ms。该计算仅允许估计开关时间。

静态电流仍然很大，但是如果您使用控制器和驱动器的低功耗模式，则可以减小该值。

电子亮片控制单元的新结构：



我们决定保留ATtiny44控制器和L293DD驱动器的元件基础。

该设备的示意图：



放置了一块用于亮片的小印刷电路板：



由于该设备的尺寸小，我们不得不在电路板的两侧放置微电路，实际上，它们几乎占据了电路板上的所有空间。有必要改变元件的底座。

板子和亮片组件的外观：



柔软的


在我们看来，如果亮片的行为类似于地址LED条中的LED，那将非常方便。因此，相应地实现了数据交换协议。矩阵控制控制器驱动总线上所有矩阵元素的位流，并用启动和停止分频器为封装定帧。在非活动状态下，线路被上拉至Vcc。



由于这些亮片只能复制两种颜色，因此包装中的每种仅分配一位。



该行中的第一个亮片会注意起始分隔符，读取要用于它的第一个位，然后将其余部分直接传送到第二个，而无需更改。该行中的第二个亮片再次仅读取第一位，并将其余的进一步传送到链下。因此，可以连接大量具有分别控制每个模块能力的模块，而无需诉诸寻址。

比特以固定间隔一个接一个地跟随。高逻辑电平的持续时间确定此脉冲编码为“ 0”或“ 1”。与亮片中的数据交换有关的所有过程都是通过中断实现的。启动分隔符固定在PA3线上的下降沿（外部中断），然后启动计时器，该计时器会定期产生中断。在计时器中断处理程序中，将计算时间间隔和脉冲持续时间。

他们没有打开任何新的东西，并且不可能为单线接口发明任何其他东西。

与计算机通信的Arduino平台充当了亮片的矩阵控制器（或更确切地说是磁带）。我们在处理环境中编写了一个小应用程序，该应用程序允许使用图形界面使用4个亮片的矩阵：


关于功能


让我们考虑一下通过使用机械亮片可以改变颜色的服装所具有的优势。

首先想到的是在现代服装设计中使用亮片。如果您想了解有关现代服装设计趋势的一些信息，通常会遇到“智能纺织品”，“智能织物”一词，这是对使用3D打印机打印服装的时装设计师的大量参考，以及时装界的其他技术奇迹。我相信机电亮片很自然地融入了这一概念。

如上所述，另一个应用是自适应（主动）迷彩系统。

此外，每个亮片花瓣都可以具有光泽或无光泽的纹理，并以不同的颜色绘画，这意味着亮片将以不同的方式吸收太阳辐射。因此，用这样的亮片覆盖的衣服的所有者，可以控制它们的小气候。



此外，下部花瓣可以具有可以与上部花瓣打开和关闭的特殊“孔”，多余的水分可以通过这些“孔”蒸发。



同时，如果外面下雨，则亮片可以可靠地封闭“孔”，防止水分进入衣服下面。

几个数字


假设我们已经设法解决了将电子亮片放在弹性材料上的问题，或者，我们从这些小型设备中创建了某种“机械画布”。画布将具有什么特征（在此阶段）？

估算制造一个亮片的成本。

注意：

1.零售价-我市电子元器件的平均零售价。

2.批发-从中国批量订购电子元件。


*纸张208x248mm-216卢布。 （Slist = 51584mm ^ 2），S板= 391mm ^ 2，板上的N板= 51584/391 = 131pcs，1板的成本= 1.64卢布。
**线圈1kg -1000卢布，一套零件的成本= 1卢布。

事实证明，在批量生产中，一个元件的成本略低于100卢布。

我们将计算所需的亮片数量，以创建面积为1平方米的画布：

  • 一个亮片的面积S1 = 391mm2
  • 画布面积Sp = 1000000mm2
  • 画布上的亮片数量N = 2558个
  • 重量亮片m1 = 3.5克
  • 画布的质量，面积为1 m2 Mp = 8951 g
  • 面积为1平方米的布料的基本成本：240306卢布
  • 静态功耗：Imin = 76A
  • 切换所有Web元素时的功耗：Imax = 306A

嗯...不要用电子亮片缝衣服...

发现


在这里，您可以顺利地得出结论，并讨论使用机电式色彩再现设备的缺点，特别是使用我们的亮片。

是常见的


  1. 运动部件的存在，易受机械损坏，单个矩阵元件的可靠性低，易受污染。
  2. 可复制颜色的小调色板。
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总的来说，这个想法很好，但实施起来却不太理想。不过，“智能亮片”的工作仍在继续。很快，我们将尝试将它们放在衣服上，并且我们一定会分享结果。

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