A Heptafurcated Optical-Fiber Bundle for Simultaneous Distance, Tilt Magnitude and Tilt-Axis Sensing
تقدم هذه الورقة مستشعراً جديداً من الألياف الضوئية سباعي التفرع قادراً على قياس المسافة المستهدفة، ومقدار الميل، وزاوية محور الميل في آن واحد من خلال خوارزمية إعادة بناء مكونة من ستة قياسات، محققاً دقة عالية ومقدماً حلاً مدمجاً ومنخفض التكلفة للقياس الصناعي غير التلامسي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الآلات الصناعية والروبوتات، غالبًا ما يكون معرفة مكان الجزء بدقة وكيفية زاويته مسألة تتعلق بالسلامة والدقة. فعندما تدور توربينة بسرعة عالية أو يقوم ذراع روبوتي بلحام هيكل سيارة، فإن أي إزاحة طفيفة في المسافة أو ميل بسيط يمكن أن يتسبب في حدياً للفشل. ولرصد هذه الإزاحات، يستخدم المهندسون غالبًا مستشعرات لا تلمس الجسم الذي تقيسه. أحد الأنواع الشائعة لهذه المستشعرات غير التلامسية يستخدم حزمًا من الألياف الضوئية، وهي خيوط رفيعة من الزجاج تنقل الضوء. في الإعداد النموذجي، ترسل الحزمة شعاعًا من الضوء نحو سطح ما ثم تلتقط الضوء الذي يرتد عائدًا. ومن خلال قياس مدى سطوع ذلك الضوء العائد، يمكن للمستشعر تحديد مدى بعد السطح. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة التقليدية لديها نقطة عمياء: فهي ممتازة في قياس المسافة في خط مستقيم، لكنها تواجه صعوبة في معرفة ما إذا كان السطح مائلًا أيضًا، وإذا كان الأمر كذلك، ففي أي اتجاه. وللحصول على صورة كاملة لموقع الجسم وتوجهه، يحتاج المهندسون عادةً إلى مستشعرات متعددة ومختلفة أو معدات معقدة وباهظة الثمن.
قام فريق من الباحثين في جامعة بلاد الباسك بتطوير نوع جديد من مستشعرات الألياف الضوئية يحل هذه المشكلة بجهاز واحد مدمج. لقد ابتكروا حزمة من الألياف مرتبة في نمط محدد مكون من سبعة فروع يمكنه قياس ثلاثة أشياء في وقت واحد: المسافة إلى الهدف، ومقدار الميل، واتجاه ذلك الميل. يعمل الجهاز عن طريق إرسال الضوء من ليف مركزي إلى سطح عاكس، مثل مرآة، ثم جمع الضوء المنعكس باستخدام ست مجموعات مختلفة من ألياف الاستقبال. يكمن المفتاح في التصميم في كيفية ترتيب ألياف الاستقبال؛ حيث وُضعت أربع مجموعات في شكل صليب، تشير إلى الشمال والجنوب والشرق والغرب، بينما تشكل المجموعتان الأخريان حلقات متمركزة حول المركز. يسمح هذا التخطيط للمستشعر ليس فقط باكتشاف كمية الضوء العائد، بل وأيضًا المكان الذي يهبط فيه الضوء المنعكس بالضبط على الحزمة. إذا كان الهدف مائلًا، فإن بقعة الضوء المنعكس تنزاح إلى جانب واحد، مما يجعل الألياف الموجودة في ذلك الجانب أكثر سطوعًا والألياف الموجودة في الجانب المقابل أقل سطوعًا. ومن خلال مقارنة اختلافات السطوع هذه، يمكن للمستشعر حساب زاوية واتجاه الميل.
بنى الباحثون نموذجًا أوليًا ماديًا لهذا المستشعر، والذي يسمطلقون عليه اسم "الحزمة سباعية التفرع" (heptafurcated bundle)، مما يعني أنها تمتلك سبعة فروع متميزة. وقد اختبروه عبر توجيهه نحو مرآة مثبتة على منصة يمكنها التحرك للأمام أو الخلف والميل بزوايا مختلفة. استخدم الإعداد ليزرًا أحمر لإرسال الضوء عبر الليف المركزي ومجموعة من الكواشف لقياس قوة الضوء العائد إلى مجموعات الاستقبال الست. ووجد الفريق أنه من خلال تحليل نسب الضوء بين الأذرع المتقابلة في الصليب وبين الحلقات الداخلية والخارجية، يمكنهم فصل تأثيرات المسافة عن تأثيرات الميل رياضيًا. كما طوروا نموذجًا حاسوبيًا يتنبأ بكيفية سلوك الضوء لأي موضع وزاوية معينة، ثم استخدموا هذا النموذج لعكس عملية القياسات (reverse-engineer). وعندما قارنوا القيم التي حسبها المستشعر بالمواقع الفعلية المعروفة للمرآة، كانت النتائج دقيقة للغاية.
أظهرت الدراسة أن المستشعر يمكنه تقدير المسافة إلى الهدف بمتوسط خطأ قدره 1.63 بالمائة فقط. وبالنسبة لمقدار الميل، كان متوسط الخطأ 2.06 بالمائة، أما بالنسبة لاتجاه الميل، فقد كان الخطأ أقل من درجة واحدة. وأشار الباحثون إلى أن المستشعر يعمل بشكل أفضل عند المسافات والزوايا المتوسطة، بينما تنخفض دقته قليلًا عندما يكون الهدف بعيدًا جدًا أو مائلًا بزاوية حادة. ورغم هذه القيود الطفيفة، أثبت الجهاز أنه من الممكن استعادة ثلاث معاملات هندسية متميزة من مجموعة واحدة من قياسات شدة الضوء باستخدام حزمة سلبية من الألياف. ويقدم هذا النهج طريقة لمراقبة الحركات المعقدة دون الحاجة إلى معدات ضخمة أو مكونات نشطة عند طرف الاستشعار. ويشير العمل إلى أن مثل هذا المستشعر يمكن أن يكون حلاً عمليًا ومنخفض التكلفة للمهام الصناعية مثل محاذاة الآلات، أو مراقبة السلامة الهيكلية، أو توجيه الروبوتات، حيث تكون معرفة التوجه ثلاثي الأبعاد الكامل لجزء ما أمرًا ضروريًا ولكنه صعب التحقيق باستخدام التكنولوجيا الحالية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.