S12-02 Infrapunasuodinautomatiikka kameralle 18.1 27.5.2012 AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityö (4op) Lassi Seppälä Johan Dahl Ohjaaja: Heikki Hyyti
Sisällysluettelo 1. Projektityön tavoite 1.1 Piirisuunnittelu ja elektroniikan rakentaminen 1.2 Absoluuttianturin valitseminen, suunnittelu ja toteuttaminen 1.3 Ohjelmointi 2. Projektityön rakenne 2.1 Suunnitteluvaihe 2.2 Piirisuunnitteluvaihe 2.3 Elektroniikan rakentaminen 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen 2.5 Ohjelmointivaihe 2.6 Testausvaihe 3. Tulokset 3.1 Projektin tulokset 3.2 Ajankäyttö 4. Yhteenveto 4.1 Mitä opittiin 4.2 Parannuksia Viitteet Sivu 1 / 9
1. Projektityön tavoite Työssä rakennetaan kameran ja kolmen suodattimen muodostamaan kuvauslaitteistoon suodattimia pyörittävä liikkeen ohjain. Suodattimet ovat kiinni pyöreässä kiekossa, joka pyörii keskipisteensä ympäri. Suodatinmateriaalit ovat kiekossa 120 etäisyyksillä toisistaan. Kameran on siis otettava kuva silloin kun suodatin on kohdalla. Lisäksi suodattimen on pysyttävä kameran edessä kameran valoitusajan verran. Kamera laukaistaan jännitepulssilla, jonka lähettäminen vie myös tietyn ajan. Kameran kuvausnopeus on noin 10Hz, eli säätöalgoritmien on oltava hyvin tarkkoja jotta kuvien ottaminen tapahtuisi suodattimen kohdalla eikä siten, että kuvassa näkyy myös kiekon reunaa. Kamera näkee suodattimen läpi noin 60 ajan. (1) 1.1 Piirisuunnittelu ja elektroniikan rakentaminen Ohjauspiiristä oli alustava suunnitelma olemassa, mutta tätä suunnitelmaa piti vielä hieman virittää, jotta toiminta on halutunlaista. Piirisuunnittelusta ei kummallakaan työn tekijöistä ollut paljoa kokemusta, joten tämä osa-alueen kaipasi aluksi jonkin verran itseopiskelua. 1.2 Absoluuttianturin valitseminen, suunnittelu ja toteuttaminen Pyörimiskulman absoluuttianturi tarvitaan normaalin pulssianturin lisäksi, jotta satunnaiset pulssin huomaamatta jättämiset eivät pitkällä aikavälillä kumuloituisi isommaksi virheeksi. Pyörimiskulman absoluuttianturi toteutettiin heijastavalla levyllä ja valo-transistorilla, jossa on mukana valo-sensori. Kun valo-transistori/sensori-yhdistelmä osoittaa heijastavaan levyyn, se antaa pulssin. Heijastavalle levylle liimattiin 180 :lle heijastamatonta materiaalia. Tällä tavalla saatiin kiekon pyöriessä 1 nousevan- ja 1 laskevan reunan pulssi. 1.3 Ohjelmointi Ohjainlogiikan toteutus perustuu teensy2-piiriin, jota voi ohjelmoida Arduino-ohjelmointikielellä. Jos Arduinosta ei olisi löytynyt kaikkia haluttuja ominaisuuksia, niin ohjelmoinnin voi tehdä myös C:llä. Kuitenkin Arduinolla on helpompi hallita bitti-operaatioita, joihin teensy2-kontrollerin ohjelmointi suurilta osin perustuu. 1.4 Ohjaimen suunnittelu Ohjaimen tehtävänä on säätää suodatinjärjestelmän nopeus halutunlaiseksi, ja liipaista kamera oikeaan aikaan, jotta kuva tulee otettua sinä aikana, jolloin kamera on suodattimen kohdalla. Suodatinkiekon pyörimisnopeus voidaan laskea moottorin akseliin asennetusta pulssianturista ja kiekon akselissa olevasta absoluuttianturista. Säädön olisi voitu tehdä joko nopeus- tai paikkasäätimenä. Paikkasäätimellä voidaan ajaa tiettyä ennaltamäärättyä rataa pitkin, jolloin on mahdollista tehdä suodattimen kohdalle hidastuksia. Tällöin voidaan kasvattaa kuvausnopeutta jos suodatinkiekon nopeus osoittautuu rajoittavaksi tekijäksi. Näin tapahtuu siinä tapauksessa, jos kameran valoitusajan kesto on tarpeeksi pitkä, jotta suodatin kerkeää nopeassa liikkeessä kuvattaessa alta pois. Nopeussäädin taas asettaa kiekon pyörimään tasaisesti annetulla nopeudella. Sivu 2 / 9
Ohjaimen oli myös huomattava jos pulssianturien liikesuunta vaihtuu kesken kuvauksen. Tämä on tietenkin erityistapaus, joka tapahtuu silloin jos joku koskettaa anturia sen pyöriessä. 2. Projektityön rakenne 2.1 Suunnitteluvaihe Suunnittelu valmistui melko nopeasti koska se oli jo aloitettu ennen kun projekti alkoi. Suunnittelussa jouduttiin ensiksi ottamaan selville miten jotkut asiat toteutettaisiin, kuten absoluuttianturin toteutus. Tähän vaiheeseen kuului myös paljon itseopiskelua jotta saisi selville millaisia toteutuksia projektiin oltiin jo etukäteen suunniteltu. Eri komponenttien datalehdet olivat muun muassa apuna tässä vaiheessa. 2.2 Piirisuunnitteluvaihe Piirisuunnitteluvaihe tulee ennen elektroniikan kokoamista, ohjelmointia ja muuta työn toteutusta. Tämä johtuu siitä, että ennen toimivaa piiriä ei ole järkevää ohjelmoida toimintalogiikkaa ja säädintä järjestelmälle, jonka toiminta saattaa muuttua piirisuunnittelun toteutuksen mukaisesti. Piirisuunnittelu tapahtui Eagle nimisellä ohjelmalla jota käytetään muutenkin piirien suunnittelussa. Piiri suunniteltiin siten että se mahtuisi hyvin kameran pieneen laatikkoon ja siten että olisi mahdollista päästä käsiksi kaikkiin tarpeellisiin portteihin kun piiri olisi paikalla kotelossa. Piirin suunnittelu oli myös se jo aloitettu mutta alkuperäiseen piirustukseen jouduttiin tehdä muutoksi ja lisäyksiä kuten absoluuttianturin ja kameran liipaisun kytkennät. Suunnittelun jälkeen piiristä tulostettiin piirikuva ja piirustus jotta piirilevyn rakentaminen menisi helposti. 2.3 Elektroniikan rakentaminen Edellisen kohdan piirisuunnitelman perusteella rakennettiin halutun mukainen piirilevy. Tähän vaiheeseen kuului piirilevyn valmistaminen syövyttämällä oikean muotoiset kuviot piilevyn pintaan. Nämä kuviot saatiin Eagle-ohjelman tiedostoista kunhan porausreikien koot ja jyrsimissyvyyden asetettiin oikeaksi. Tämän jälkeen kiinnitettiin komponentit piirilevyyn juottamalla. Elektroniikka rakennettiin parin viikon sisällä. Testausvaiheessa ensiksi testattiin että piirissä ei ole oikosulkuja. Tämän jälkeen kytkettiin piiri virtalähteeseen, jossa oli virtarajoitin säädetty siten, että vielä mahdollisessa oikosulussa olevat komponentit eivät hajoa. Täten totesimme elektroniikkapiirin toimivan halutulla tavalla. Elektroniikkapiiri kiinnitettiin alkuperäisistä suunnitelmista poiketen laatikon takaosaan ison hammasrattaan taakse (Katso kuva 1). Tämä tehtiin koska piirilevyn komponentit aiheuttivat sen että piiri ei korkeussyistä mahtunut etukäteen suunniteltuun paikkaan. Elektroniikkapiirin uusi sijainti aiheutti hankaluuksia kaapelien kiinnityksessä piirilevyyn, koska käsi ja ruuvimeisseli ei mahtunut piirilevyn ja takaseinän väliin. Tästä johtuen vaihdoimme alkuperäisien liittimien tilalle irrotettavat liittimet, joihin voi asentaa kaapelit ennen kiinnitystä. Piirilevyä oli hieman porattava Sivu 3 / 9
liittimien liitoskohdista, jonka vuoksi kolvausvaiheessa tuli tinasilta, jonka huomasimme vasta myöhemmin koodausvaiheessa. Kuva 1. Piirilevyn uusi kiinnityspaikka 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen Absoluuttianturin elektroninen toteutus oli suunniteltava piirisuunnitteluvaiheessa, mutta kaikki anturiin kuuluvat osat oli myös fyysisesti kiinnitettävä suodatinkiekon rattaaseen ja piirilevylle. Anturi toteutettiin valotransistorin ja diodin yhdistelmäkomponentista. Valotransistori tuottaa virtaa siinä suhteessa, kuinka paljon sen pinnalle säteilee valoa valodiodista. Tästä johtuen elektroniikkapiiriin oli myös tehtävä absoluuttianturin valodiodille virransyöttö ja mitoitettava mittaussignaali vastuksen avulla mittausvälille 0-5V. Lisäksi vielä Smith Trigger piiri vastaa siitä, että mitattava signaali on selkeää kanttiaaltoa. Lisäksi teimme absoluuttianturiin kuuluvan kiekon, joka on kiinnitetty moottorin akselille. Kiekko koostuu 180º heijastavasta pinnasta ja 180º heijastamattomasta pinnasta. Tällöin absoluuttianturi siis kertoo 2 kertaa kierroksen aikana tarkasti suodatinkiekon asennon. Heijastava levy kiinnitettiin suodatinkiekon akseliin hammasrattaan viereen. Absoluuttianturin led/valotransistori-mittauskomponentti kiinnitettiin pienellä ruuvilla metallirakenteeseen noin 2 mm etäisyydelle heijastavasta levystä (Kuva 2). Saimme absoluuttianturin toimimaan tällä tavalla erittäin luotettavasti. Sivu 4 / 9
Kuva 2. Absoluuttianturin ja heijastuskiekon asennus 2.5 Ohjelmointivaihe Ohjelmointivaihe oli piirisuunnitteluvaiheen kanssa päällekkäin siinä mielessä, että ohjelmointiympäristön ominaisuuksia voitiin selvittää ennen toimivaa elektroniikkapiiriä. Mahdollisimman aikaisessa vaiheessa on hyvä huomata jos käytettävä ohjelmointirajapinta ei tue jotain tärkeää ominaisuutta, joka on järjestelmän toteutuksen kannalta kriittinen. Ohjelmointivaiheen jaettiin moneen eri osamomenttiin jotka lopuksi yhdistettiin toimivaksi kokonaisuudeksi. Nämä osamomentit olivat moottoriohjaus, järjestelmän toimintalogiikan ohjelmointi, ohjaimen (eli järjestelmän tilaa säätävän yksikön) ohjelmointi ja sarjaporttien lukeminen ja järjestelmän tilan päätteleminen mittaustiedoista. Koska eri osia laitteesta kokeiltiin ja ohjelmoitiin erikseen kontrollerin avulla, syntyi vaikeuksia kun osat ajettiin piirilevyn kautta. Koodia täytyi modifioida ja yhdistää niin että kaikki toimii oikein mikä sai aikaan sen että joskus ohjelmointivaiheen piti kokonaan tehdä uusiksi. Tämä vaihe vaati myös paljon itseopiskelua jotta osaisi käyttää Arduinon eri toimintoja mitä tämä projekti vaati. Suurin osa ohjelmoinnista oli kuitenkin yksinkertaista ohjelmointikieltä, mutta esimerkiksi mikrokontrollerin timereiden ja keskeytyksien käyttäminen vaati syvää ymmärtämistä siihen miten mikrokontrolleri toimii. Ohjelmointivaiheessa toteutimme nopeuden säädön PI-säädimellä. Optimoimme PID-säätimen parametrit siten, että nopeus pysyi mahdollisimman hyvin vakiona kun nopeuden arvoksi oli Sivu 5 / 9
asetettu 2 kierrosta sekunnissa. Kun suodatinkiekko pyörii nopeudella 2 kierrosta sekunnissa niin se tarkoittaa, että kameran kuvanottotaajuus on 6 Hz. Laitteeseen päätettiin myös ohjelmoida kommunikointia, ei vain tietokoneesta kontrolleriin, vaan myös kontrollerista takaisin tietokoneeseen. Tämä tieto sisältää moottorisäädön PWM arvoa ja suodatinkiekon pyörimisnopeutta. Nämä asiat ovat luettavissa tietokoneelta sarjaportin kautta eli niiden lukemiseen vaaditaan sarjaporttilukuohjelma (ainakin Windowsissa) kuten esimerkiksi putty. 2.6 Testausvaihe Elektroniikkapiiri testattiin silmämääräisesti tinasiltojen varalta. Kävimme mikroskoopin avulla läpi juotokset. Testasimme elektroniikkapiiriä myös oskilloskoopin avulla siten, että mittasimme minkälaista signaalia Ohjelmointivaiheessa aloitimme laitteen toiminnallisen testaamisen. Vaikka olimme testanneet piirilevyn hyvin ennen ohjelmointivaihetta, niin huomasimme silti piirilevyssä vian, joka oli jäänyt huomaamatta aikaisemmin. Vika ilmeni siten, että moottorille syötettävä jännite ei muuttunut kuten oli tarkoitus. Moottorin pyöri vaikka asetimme ohjaussignaalin arvoon 0. Huomasimme, että uusien liittimien asentamisessa oli piiriin tullut tinasilta. Kun saimme tinasillan pois, niin piiri alkoi toimia jälleen oikein. Ohjelmoinnin testaaminen tapahtui koko ohjelmointivaiheen aikana. Aina kun jokin osa-alue oli toiminnallinen, sitä testattiin. Sen lisäksi koko laitteiston ohjelman toimintoja testattiin kun ohjelman oli koottu yhteen jotta mikään toiminto ei estäisi toisen toimimista. Testausvaiheessa tutkittiin myös mikä on sopivin moottorin pyörimisnopeus jotta kamera ehtii ottaa mahdollisimman monta onnistunutta kuvaa sekunnissa. Ennen tätä kameran kuvaustahti täytyi saada synkronoitua moottorin pyörimisnopeuden kanssa jotta kamera ei ottaisi kuvia kun edessä ei ole suodatinta. Testauksen yhteydessä säädimme kaikki arvot sellaisiksi että laite toimisi mahdollisimman hyvin tietyllä nopeudella ja että moottorin säätö käyttäytyisi mahdollisimman tasaisesti kun asetusarvoa (pyörimisnopeutta) muutettiin. 3. Tulokset Projektin lopputulos on esitetty kuvassa 3. Kuvassa nähdään automaatoosan piirilevy ja sen johdotus. Jotta automatiikka toimisi, sen on kytkettävä tietokoneen USB porttiin. sen lisäksi kameran kuvien vastaanottamista varten vaaditaan Firewire liityntä ja mieluiten Linux-pohjainen käyttöjärjestelmä. Jos Firewire pystyy itse syöttämään jännitettä, kameraan ei tarvitse liittää jännitelähdettä, muuten kamera vaatii 12 volttisen ulkoisen jännitelähteen. Myös moottori vaatii jännitettä ja sen olisi hyvä olla 10 ja 19 voltin välillä. Nämä kaikki liittimet johtavat tietenkin siihen että laite ei itsessään ole niin siirrettävä, mutta esimerkiksi jännitteet voitaisiin kaikki ottaa samasta lähteestä. Sivu 6 / 9
Kuva 3. Suodinkamera valmiina käyttöön 3.1 Projektin tulokset Projektissa toteutimme toimivan ratkaisun suodatinautomaatiolle, joka ottaa kuvia kolmen erilaisen optisen suodattimen läpi vuorollaan. Projekti toteutti kaikki alussa asetetut vaatimukset ja laite on tällaisena käyttökelpoinen. Kuvien ottaminen alkaa aina saman suodattimen kohdalta jotta käyttäjällä olisi mahdollista erottaa kuvat toisistaan. Laite on tarkoitettu projektiin, jossa metsän harvennuskonetta automatisoidaan. Erilaiset optiset suodattimet parantavat kasvien ja puiden erottelua muusta taustasta. Laitteella maksimi kuvanottotaajuus, jolla kuviin ei tule mustia reunoja, on tällä hetkellä 12 kuvaa sekunnissa. Tällä kuvantamistaajuudella kiekko pyörii 4 kierrosta sekunnissa. 3.2 Ajankäyttö Teimme viikoittain noin 4-10 h/henkilö. Loppua kohden työmäärä oli useimmin lähellä 10 tuntia viikoittain. Ajankäytön suunnitelma päivittyi projektin aikana, mutta pysyimme melko hyvin ajankäyttösuunnitelmassa koko projektin ajan. Yllättävät asiat, kuten piirilevyssä ilmennyt tinasilta ja piirilevyn paikan uudelleenasettelu vaati hieman suunniteltua enemmän aikaa. Lisäksi mikrokontrollerin ohjelmointi vaati perehtymistä. Yhteensä teimme töitä noin 90 tuntia/henkilö. Alla on esitetty arvio työtuntien jakaantumisesta. Sivu 7 / 9
Tunteja Luentoja 9 Suunnittelua 6 Toteuttamista 6 Itseopiskelua 17 Projekti 5 suunnitelma Ohjelmointia 24 Testausta 15 Dokumentin 10 kirjoitusta Yhteensä 92 4. Yhteenveto 4.1 Mitä opittiin Kyseinen projekti oli hyvin laajasti opettava. Projektiin kuului sekä elektroniikkaa, vähän konetekniikkaa, automaatiota että ohjelmointia. Tämä teki sen että projektissa todellakin tuntui oppivansa jotain uutta, koska harvassa tapauksessa pääsee näitä kaikkia yhdistämään joksikin hyödylliseksi kurssin aikana. Projektin alussa opimme, miten piirisuunnittelua tehdään, ja minkälaista ohjelmaa voi tässä tehtävässä käyttää avuksi. Lisäksi opimme miten piirilevy valmistettiin ja porattiin automaattisella laitteella, johon syötettiin elektroniikkapiirin muodot. Yleisesti ottaen koko projektityössä opimme elektronisen laitteen tekemistä ja suunnittelua käytännössä. Uskon, että tämä taito on insinöörille erittäin hyödyllinen. 4.2 Parannuksia Kuvaamistaajuutta olisi voinut mahdollisesti nostaa siten, että kiekkoa pyöritettäisiin hitaammin optisen suodattimen kohdalla, ja nopeammin suodattimien välissä. Emme kuitenkaan ajan puutteen vuoksi ehditty tekemään tälläistä modifikaatiota koodiin. Ulkona kameran valoitusaika ei välttämättä tarvitse olla yhtä pitkä kuin sisätiloissa, joten valoitusaikaa pienentämällä voisi kiekon pyörimisnopeutta nopeuttaa ilman, että se vaikuttaisi kuvien laatuun. Emme ole siis virittäneet laitetta toimimaan optimaalisesti ulko-olosuhteissa. Jos kuvaamisnopeutta pyrkii nostamaan, olisi varmaan myös tarpeellista nostaa enkooderin näytönottotaajuutta jotta säätöä saataisiin toimimaan sujuvammin. Laiteeseen oli myös ideana ohjelmoida yksinkertainen käyttöjärjestelmä joka alkaisi pyytämällä käyttäjältä kameran valoitusaikaa, joko yksitellen eri suotimille tai sitten yksi yhtenäinen valoitusaika, mutta tämä näyttäytyi olevan liian pitkä ja monimutkainen lisäys joten se karsittiin pois. Sivu 8 / 9
Viitteet 1. Automaation projektityökurssi - S12-02 Suodinautomatiikka kameralle <http://autsys.tkk.fi/intranet/as-0.3200/s12-02> Sivu 9 / 9