A11-02 Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Projektisuunnitelma AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Lassi Seppälä Johan Dahl
Sisällysluettelo Sisällysluettelo 1. Projektityön tavoite 1.1 Piirisuunnittelu ja elektroniikan rakentaminen 1.2 Absoluuttianturin valitseminen, suunnittelu ja toteuttaminen 1.3 Ohjelmointi 1.4 Ohjaimen suunnittelu 2. Projektityön rakenne 2.1 Suunnitteluvaihe 2.2 Piirisuunnitteluvaihe 2.3 Elektroniikan rakentaminen 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen 2.5 Ohjelmointivaihe 2.6 Testausvaihe 3. Aikataulu 4. Riskit 4.1 Piirisuunnittelu 4.2 Absoluuttianturi 4.3 Ohjain Viitteet Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 1
1. Projektityön tavoite Kuva 1: Suodatinjärjestelmän laatikko avattuna (1) Työssä rakennetaan kameran ja kolmen suodattimen muodostamaan kuvauslaitteistoon suodattimia pyörittävä liikkeen ohjain. Järjestelmä on esitetty kuvassa 1. 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) Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 2
1.1 Piirisuunnittelu ja elektroniikan rakentaminen Ohjauspiiristä on alustava suunnitelma olemassa. Kuitenkin todennäköistä on, että tätä suunnitelmaa pitää vielä hieman virittää, jotta toiminta on halutunlaista. Piirisuunnittelusta ei kummallakaan työn tekijöistä ole paljoa kokemusta, joten tämä osa-alue saattaa kaivata 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 toteutetaan heijastavalla levyllä ja valo-transistorilla, jossa on mukana valo-sensori. Kun valo-transistori/sensori-yhdistelmä osoittaa heijastavaan levyyn, se antaa pulssin. Heijastavaa levyä liimataan kiekkoon 180 :lle ja heijastamatonta materiaalia lopulle 180 :lle. Tällä tavalla saadaan kiekon pyöriessä 1 nousevan- ja 1 laskevan reunan pulssi. 1.3 Ohjelmointi Ohjainlogiikan toteutus perustuu teensy2-piirillä, jota voi ohjelmoida Arduino-ohjelmointikielellä. Jos Arduinosta ei löydy 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 voi 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. Ohjaimen on myös huomattava jos pulssianturien liikesuunta vaihtuu kesken kuvauksen. Tämä on tietenkin erityistapaus, joka tapahtuu silloin jos joku koskettaa anturia sen pyöriessä. Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 3
2. Projektityön rakenne 2.1 Suunnitteluvaihe Suunnitteluvaihessa päätetään miten projekti etenee ja mitä menetelmiä eri aiheissa käytetään. Suunnitteluvaihe alkaa olla tällä hetkellä jo lopuillaan (josta on todisteena tämä suunnitelmadokumentaatio), mutta tarkempi eri osien suunnittelu jatkuu jokaisen toteutusosan kohdalla erikseen. 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. 2.3 Elektroniikan rakentaminen Edellisen kohdan piirisuunnitelman perusteella rakennetaan halutun mukainen piirilevy. Tähän vaiheeseen kuuluu piirilevyn valmistaminen syövyttämällä oikean muotoiset kuviot piilevyn pintaan. Tämän jälkeen kiinnitetään komponentit piirilevyyn juottamalla. 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen Absoluuttianturin elektroninen toteutus on suunniteltava piirisuunnitteluvaiheessa, mutta kaikki anturiin kuuluvat osat on myös fyysisesti kiinnitettävä suodatinkiekon rattaaseen ja piirilevylle. 2.5 Ohjelmointivaihe Ohjelmointivaihe on piirisuunnitteluvaiheen kanssa päällekkäin siinä mielessä, että ohjelmointiympäristön ominaisuuksia voi 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 voidaan jakaa moneen eri osamomenttiin: Moottoriohjaus Järjestelmän toimintalogiikan ohjelmointi Ohjaimen, eli järjestelmän tilaa säätävän yksikön, ohjelmointi Sarjaporttien lukeminen ja järjestelmän tilan päätteleminen mittaustiedoista Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 4
2.6 Testausvaihe Testaukseen on hyvä varata aikaa, jotta saadaan laite toimimaan optimaalisesti. Testausvaiheessa tutkitaan myös mikä on sopivin moottorin pyörimisnopeus jotta kamera ehtii ottaa mahdollisimman monta onnistunutta kuvaa sekunnissa. Ennen tätä kameran kuvaustahti täytyy saada synkronoitua moottorin pyörimisnopeuden kanssa jotta kamera ei ottaisi kuvia kun edessä ei ole suodatinta. Testausvaiheessa tutkitaan myös onko mahdollista hidastaa moottorin pyörimisnopeutta kun linssi on kameran edessä, mutta tästä ideasta luovutaan jos säädöstä tulee liian monimutkainen tai jos emme onnistu parantamaan kuvausnopeutta. Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 5
3. Aikataulu Alla on listattu tärkeimmät päivämäärät projektissa. Projektin eri työvaiheet pyritään tehdä yhteistyötä mutta on mahdollista että eri osa-alueet pääaisallisesti tulee tehtyä yhden henkilön vastuulla. Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 6
4. Riskit 4.1 Piirisuunnittelu Piirisuunnittelusta ei kummallakaan työn tekijöistä ole paljoa kokemusta, joten tämä osa-alue saattaa kaivata jonkin verran itseopiskelua. Tämän voi lukea riskiksi, koska projektiin käytetty aika saattaa kasvaa eksponentiaalisesti tästä syystä vaikka mitään konkreettista jälkeä ei syntyisi. 4.2 Absoluuttianturi Absoluuttianturin toteuttamisessa valotransistori on kiinnitettävä oikealle etäisyydelle, jolloin etäisyyttä olisi paras pystyä säätämään esim. kiinnittämällä levyn akseliin siten, että prikkoja voi laittaa kiinnitysruuveihin halutun määrän. 4.3 Ohjain Ohjainta suunnitellessa tiettyä rataa pitkin kulkeva paikkasäädin voisi olla nopeussäädintä varmempi ratkaisu, koska suodattimen kohdalla saattaa joutua hidastamaan vauhtia, jotta kameran valoitusajan aikana suodatin ei kerkeisi liikkua kuvauskohdan ohi. Lisäksi kameran laukaisemiseen saattaa mennä tietty aika, jolloin on otettava huomioon, että liipaisupulssi on lähetettävä aikaisemmin. Tämä liipaisupulssin lähetyskohta riippuisi tällöin suodatinkiekon kulmanopeudesta. Viitteet 1. Automaation projektityökurssi - S12-02 Suodinautomatiikka kameralle <http://autsys.tkk.fi/intranet/as-0.3200/s12-02> Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Sivu 7