Умные пайетки17.05.2020 09:17

В статье расскажу о том, как мы разрабатывали миниатюрное электромеханическое цветовоспроизводящее устройство для элементов умной одежды и систем адаптивного камуфляжа.

Пролог

«Она начала взбираться вверх по стволу дерева. Механизмы костюма сразу принялись за работу, окрасившись в цвет древесной коры, испещренной пятнышками лунного света».

Скотт Вестерфильд «Особенная»

После прочтения этих строк моё воображение было захвачено этой идеей! Костюм, что способен адаптироваться под условия окружающей среды, изменять свой цвет, узор, текстуру. Великолепная оптическая камуфляжная система. А кроме того, одежда, способная изменять внешний вид по желанию хозяина или в зависимости от его физиологических показателей.

«На нём был надет полиуглеродный костюм-хамелеон, способный по мысленному приказу хозяина воспроизводить любую гамму оттенков, выражая перемены его настроения».

Ульям Гибсон «Нейромантик»

Авторы произведений литературы и кинематографа используют костюмы-хамелеоны как им вздумается. Но имеются ли хоть какие-нибудь реальные разработки в этой области?
Обзор литературы показал, что разные страны ведут разработки систем адаптивного камуфляжа, причём используются самые разнообразные устройства цветовоспроизведения:
— полимерные светодиодные матрицы (PLED дисплеи), 2011 г, система CAMELEON;
— термочувствительные полимеры, в 2014 году исследователи из Хьюстонского университета опубликовали результаты работы над созданием матрицы из элементов, способных изменять свою прозрачность при нагревании;
— трансфлективные дисплеи, в 2015 году компания Folium Optics на международной выставке военных технологий DSEI представила рабочий прототип.
— электроактивные полимеры, в 2018 году российские разработчики на форуме «Армия» представили рабочий прототип.
Но практически все разработки находятся на стадии лабораторных испытаний и прототипов.

В процессе поиска идей для реализации чего-то похожего, я столкнулся с чем-то новым.
Однажды меня спросили: «Ты знаешь, что такое пайетки?»
С этого начинается история разработки…

Пайетка

В начале, когда я рассказывал своим знакомым и коллегам о том, чем я сейчас занимаюсь, они останавливали мой рассказ в самом начале и задавали один и тот же вопрос: «Пайетки?»
Поэтому сразу поясню о чём идёт речь.
Пайетка (франц. «золотая песчинка») — декоративный элемент одежды, представляющий собой маленький кружочек пластика (чешуйку), имеющий небольшое отверстие, смещённое к краю, служащее для его фиксации (посредством пришивания) на ткани или ином материале.

Причём у этих пластмассовых кружочков есть «фишка», они могут поворачиваться (перелистываться), показывая наблюдателю одну или другую сторону, которые могут быть окрашены в разные цвета.
В общем, мне это показалось интересным. Полотна из пайеток мне напомнили светодиодные дисплеи, только с низким разрешением и плохой цветопередачей. Но зато, работающие на отражённом свете и размещаемые на гибкой основе (одежде или её элементах).
Было бы круто, создать пайетку, способную самостоятельно «перелистываться» и менять цвет, который в данный момент демонстрируется наблюдателю. Множество таких устройств будет объединяться в матрицу, способную воспроизводить различные узоры, отображать текст, картинки, и всё это в динамике!

Электронная пайетка

Для начала было сделано несколько эскизов и сформулированы технические требования к будущему изделию:
— задействовать минимум 2 цвета;
— размеры сопоставимы с настоящими пайетками;
— малый вес и энергопотребление;
— возможность объединять устройства в матрицу с управлением на уровне отдельных элементов.

Версия 1

Каждая электронная пайетка состоит из основания, которым она крепится к будущей основе (ткани). На основании расположена электроника, для управления, и приводы лепестков. Лепестки расположены на одной оси.
Было решено, что первая версия будет иметь 3 цвета:

Для первого прототипа размер — не самое главное, поэтому пусть пайетка будет чуть больше, чем было указано в техническом задании.
Структура электронного блока управления:

В качестве контроллера выбрана платформа ArduinoNANO. Крутящий момент от двигателей (коллекторные моторы) на лепестки пайетки будет передаваться через червячный редуктор. В качестве датчиков положения лепестков, используются переменные резисторы, добытые из маленьких сервомашинок SG90.
Работает это вот так:

Всё как нужно! Единственное, что не радовало — низкая скорость движения лепестков, но для процесса отладки самое оно. Тем более, что эту мелочь мы исправили в следующем прототипе.

Версия 2

В новой модели мы лишь изменили состав электронного блока управления и добавили печатную плату, чтобы пайетка превратилась в полноценный модуль. Теперь всем управлял 8-разрядный микроконтроллер ATtiny44 через драйвер двигателей L293DD.
Вот так это выглядит:

И так это работает:

Как видите, пока ни о каком цифровом протоколе обмена данными речи не идёт. Для начала нужно было разобраться с механикой.

Версия 3

В следующей версии мы поставили перед собой задачу увеличить количество воспроизводимых цветов до 5. Для этого необходимо увеличить количество лепестков до 4, и заставить их поочерёдно перелистываться в одну и в другую сторону. Самый простой способ, очевидно, увеличивать количество приводов, но в этом случае необходимо разместить на пайетке целых 5 моторов! Это увеличение веса, габаритов, усложнение электронного блока управления. Мы решили, что это неверный путь.
Чтобы добиться результата, мы перепробовали различные способы. Один из первых и самых, как мне кажется, интересных — использование крутящего момента лишь одного двигателя, чтобы посредством механических передач приводить в движение лепестки.
Вот так выглядел первый собранный нами прототип:

И он работал:

Разумеется, в этой демонстрационной модели не рассчитаны ни скорости, ни углы поворота. Нам показалось это слишком сложным, да, и большое количество механических узлов будет трудно реализовать для меньших габаритов. Тем не менее такой вариант был проработан.
В конечном счёте, мы остановились на такой схеме:

По сути мы сохранили электронный блок управления от первого прототипа, но изменили роли моторов, добавили механических узлов и заменили датчики положения лепестков на оптические концевики. Было решено использовать крутящий момент одного мотора, и при помощи коробки переключения передач (раздаточная коробка) предавать его на каждый лепесток последовательно. Текущую «передачу» отслеживали при помощи движкового переменного резистора.
Вот так выглядел новый механизм:

Как ни странно, он работал не плохо:

Но всё же у него больше недостатков, чем преимуществ:
— большое количество механически передач (низкая надёжность);
— нужно калибровать много датчиков;
— большие габариты;
— низкая скорость перемещения лепестков.
Осознав, что на данном этапе не можем предложить никакой альтернативы, мы начали работу в другом направлении.

«Умная» пайетка

Наконец, мы решили всерьёз озаботиться размерами наших пайеток. Необходимо хотя бы приблизиться к габаритам настоящих декоративных элементов одежды. И мы сделали её намного меньше:

Количество воспроизводимых цветов было уменьшено до 2-х, как у настоящей пайетки. В качестве привода её единственного лепестка был взят миниатюрный шаговый двигатель (о нём подробно я писал здесь).
Величина времени переключения между цветами получена нехитрыми вычислениями. Моторчик совершает 8 шагов с паузой между шагами в 10 мс. Расчёт позволяет лишь примерно оценить время переключения.
Ток покоя пока составляет значительную величину, но, если использовать режимы низкого энергопотребления контроллера и драйвера можно уменьшить это значение.
Новая структура электронного блока управления пайеткой:

Мы решили сохранить элементную базу с контроллером ATtiny44 и драйвером L293DD.
Принципиальная электрическая схема устройства:

Для пайетки была разведена небольшая печатная плата:

Из-за небольших размеров устройства, пришлось размещать микросхемы с двух сторон платы, собственно, они занимают почти всё место на ней. Нужно менять элементную базу…
Внешний вид платы и пайетка в сборе:

Софт

Нам показалось, что было бы очень удобно, если пайетки будут вести себя подобно светодиодам в адресной светодиодной ленте. Потому и протокол обмена данными был реализован соответствующий. Контроллер управления матрицей гонит по шине поток бит для всех элементов матрицы, обрамляя посылку стартовыми и стоповыми разделителями. В неактивном состоянии линия подтянута к Vcc.

Поскольку данные пайетки воспроизводят только два цвета, то для каждой в посылке отведён всего один бит.

Первая пайетка в ряду замечает стартовый разделитель, считывает предназначающийся ей первый бит, а остальные передаёт на вторую без изменений. Вторая в ряду пайетка снова читает только первый бит и передаёт остальные дальше по цепочке. Таким образом, можно соединить большое количество модулей с возможностью управления каждым в отдельности, не прибегая к адресации.
Биты следуют один за другим через равные промежутки времени. Длительность высокого логического уровня определяет »0» или »1» кодируется данным импульсом. Все процедуры, относящиеся к обмену данными в пайетках реализованы через прерывания. Стартовый разделитель фиксируется по нисходящему фронту на линии PA3 (внешнее прерывание), далее запускается таймер, который генерирует прерывания через равные промежутки времени. В обработчике прерывания таймера считаются временные промежутки и длительности импульсов.
Ничего нового не открыли, да и вряд ли что-то можно ещё придумать для однопроводного интерфейса.
В качестве контроллера матрицы (или лучше сказать ленты) пайеток выступает платформа Arduino, который связывается с компьютером. Мы написали небольшое приложение в среде Processing, которое позволяет при помощи графического интерфейса работать с матрицей из 4-х пайеток:

Про функционал

Подумаем над тем какие преимущества может дать одежда, способная менять свой цвет за счёт применения электромеханических пайеток.
Первое, что приходит в голову — применение пайеток в дизайне современной одежды. Если поискать немного информации о тенденциях в современном дизайне одежды, то можно часто встретить словосочетания «smart textile», «умные ткани», множество упоминаний о модельерах, печатающих свои наряды на 3D принтере и других технологичных диковинках индустрии моды. Полагаю, электромеханические пайетки весьма органично вписываются в эту концепцию.
Ещё одно применение — адаптивные (активные) камуфляжные системы, как уже отмечалось выше.
Кроме того, каждый лепесток пайетки может иметь глянцевую или матовую текстуру, и окрашен в различные цвета, это означает, что пайетка будет по разному поглощать солнечное излучение. Таким образом, у обладателя одежды, покрытой такими пайетками, появляется возможность контролировать свой микроклимат.

Кроме того, нижние лепестки могут иметь специальные «поры», которые могут открываться и закрываться верхними лепестками, через эти «поры» может происходить испарение лишней влаги.

В тоже время, если на улице идёт дождь, то пайетка может надёжно закрыть «поры», не допустив попадание влаги под одежду.

Немного цифр

Предположим, нам уже удалось решить проблему размещения электронных пайеток на эластичном материале, или, мы создали какое-то «механическое полотно» из этих маленьких устройств. Какими характеристиками будет обладать полотно (на данном этапе)?
Оценим стоимость изготовления одной пайетки.
Примечания:
1. Розничная цена — средняя розничная стоимость на электронные компоненты в моём городе.
2. Оптом — заказ электронных компонентов партиями из Китая.

*лист 208×248 мм — 216 руб. (Sлист = 51584 мм^2), Sплаты = 391 мм^2, N плат на листе = 51584/391 = 131шт., стоимость 1 платы = 1,64 руб.
** катушка 1 кг -1000 руб., стоимость 1 комплекта деталей = 1 руб.

Получается, при массовом производстве себестоимость одного элемента чуть меньше 100 рублей.
Произведём расчёт необходимого количества пайеток для создания полотна площадью 1 м²:

• Площадь одной пайетки S1 = 391 мм²
• Площадь полотна Sп = 1000000 мм²
• Количество пайеток на полотно N = 2558шт
• Масса пайетки m1 = 3.5 г
• Масса полотна площадью 1 м² Mп = 8951 г
• Себестоимость полотна площадью 1 м²: 240306руб
• Энергопотребление в состоянии покоя: Imin = 76А
• Энергопотребление при одновременном переключении всех элементов полотна: Imax = 306А

Эх… не шить нам платьица из электронных пайеток…

Выводы

Здесь можно плавно перейти к выводам, и сказать о недостатках использования электромеханических цветовоспроизводящих устройств в целом и в частности наших пайеток.

Общие:

1. Наличие движущихся частей, уязвимость для механических повреждений, низкая надёжность отдельных элементов матрицы, уязвимость для загрязнений.
2. Небольшая палитра воспроизводимых цветов.
3. Относительно низкая скорость переключения между состояниями.

Что касается электронных пайеток:

1. Всё вышеперечисленное.
2. Высокое энергопотребление в состоянии покоя. Решение: применить «спящие» режимы для микросхем.
3. Ещё более высокое энергопотребление при смене цвета. Решение: можно переключать не все пайетки разом, а поочерёдно или волной, таким образом, одновременно потреблять пиковый ток будет меньшее количество элементов, но это увеличит время переключения.
4. Проблема размещения на ткани и создание гибкой матрицы.
5. Высокая себестоимость.

Но у технологии есть и преимущества:

1. Механические цветовоспроизводящие устройства «работают» на отражённом свете.
2. Возможность изменения текстуры поверхности.
3. Возможность реализовать систему контроля микроклимата одежды.
4. Теоретически, элементы матрицы не потребляют энергию в состоянии покоя, только при смене цвета.

В общем, мысль была хорошая, реализация оказалась менее хорошей… Тем не менее, работа над «умными пайетками» продолжается. Вскоре попробуем таки разместить их на одежде, и обязательно поделимся результатами.

© Habrahabr.ru