A11-02 Infrapunasuodinautomatiikka kameralle Väliraportti 21.3.2012 AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Lassi Seppälä Johan Dahl
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 - VALMIS 2.2 Piirisuunnitteluvaihe - VALMIS 2.3 Elektroniikan rakentaminen - VALMIS 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen - VALMIS 2.5 Ohjelmointivaihe 2.6 Testausvaihe 3. Aikataulu 4. Riskit 4.1 Piirisuunnittelu 4.2 Absoluuttianturi 4.3 Ohjain 4.4 Muut riskit Viitteet
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 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. 2. Projektityön rakenne 2.1 Suunnitteluvaihe - VALMIS Suunnitteluvaihe alkaa olla tällä hetkellä jo lopuillaan (josta on todisteena tämä suunnitelmadokumentaatio), mutta tarkempi eri osien suunnittelu jatkuu jokaisen toteutusosan kohdalla erikseen. Suunnittelu valmistui aika nopeasti koska se oli jo pitkälle aloitettu ennen kun projekti alkoi. 2.2 Piirisuunnitteluvaihe - VALMIS 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. Piiri suunniteltiin valmiiksi ja siitä tehtiin piirikuvia ja piirustuksia jotta piirilevyn rakentaminen menisi helposti. Piiriin lisäsimme absoluuttianturin ja kameran liipaisun kytkennät. 2.3 Elektroniikan rakentaminen - VALMIS 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. Elektroniikka rakennettiin parin viikon sisällä. Ensiksi piirilevy jyrsittiin ja sen jälkeen siihen juotettiin komponentit. 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. 2.4 Absoluuttianturin toteuttaminen - VALMIS Absoluuttianturin elektroninen toteutus on suunniteltava piirisuunnitteluvaiheessa, mutta kaikki anturiin kuuluvat osat on myös fyysisesti kiinnitettävä suodatinkiekon rattaaseen ja piirilevylle.
Absoluuttianturi 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. 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 Eri osia laitteesta on kokeiltu ja ohjelmoitu erikseen mutta kun osat ajetaan piirilevyn kautta koodia täytyy modifioida ja yhdistää niin että kaikki toimii oikein. Ohjelma on väliraportin aikaan siinä vaiheessa, että moottorin nopeutta voidaan säätää konsolipohjaisella käyttöliittymällä. Eli Arduino-kielen käyttöön on tutustuttu ja tähän asti on todettu että siinä ei ole mitään rajoituksia jotka pakottaisi meitä kirjoittamaan ohjelmaa C-kielellä. 2.6 Testausvaihe Testaukseen on hyvä varata aikaa, jos kaikki ei toimikaan heti niin kuin elokuvissa. 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.
3. Aikataulu Alla on listattu tärkeimmät päivämäärät projektissa. Projektin eri työvaiheet pyritään tehdä yhteistyötä mutta on mahdollista että eri osa-alueet pääasiallisesti tulee tehtyä yhden henkilön vastuulla. Olemme hieman jäljessä aikataulusta, koska piirilevyn kiinnittäminen laitteistoon on tuottanut vaikeuksia. Emme ole pystyneet kiinnittämään sitä suunniteltuun paikkaan, koska komponentit tekivät piirilevystä liian paksun. Lisäksi jyrsintäkone, jolla alumiininen kiinnityspalikka tehdään, oli päässyt laukeamaan. Tästä syystä piirilevyn kiinnittäminen toteutetaan vasta väliraportin jälkeen. Osittain edellä mainituista syistä myöskään kameran liipaisun ohjelmointia ei ole vielä väliraporttiin mennessä aloitettu. Ohjelmointi on kuitenkin päässyt hyvin alkuun ja laitteiston eri komponentit lisätään jatkuvasti koodiin niin että lopputuloksena saadaan kokonaisuus jota voidaan alkaa testaamaan ja optimoimaan. Komponenttien koodit ovat toimineet yksittäisinä osina mutta niiden yhdistäminen vaatiikin vähän työtä. Tällä hetkellä enkooderin ja absoluuttianturin koodia lisätään ja sen jälkeen aletaan katsoa kameran liipaisua. 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 anturi siten, että sen etäisyyttä voi
muuttaa hieman. Optimietäisyys on noin 2mm. Saattaa myös olla, että anturilla mitattava levy ei ole täysin suora, jolloin etäisyyden säätäminen vaikeutuu huomattavasti. 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 laukaisemiseminen kestää tietyn ajan, jonka jälkeen kuluu vielä pieni aika että kamera laukeaa. Eli tällöin on otettava huomioon, että liipaisupulssi on lähetettävä juuri tietyn verran aikaisemmin. Tämä liipaisupulssin lähetyskohta riippuisi tällöin suodatinkiekon kulmanopeudesta. 4.4 Muut riskit Tämän kaltaista projektia tehdessä on olemassa mahdollisuus, että käytettävät laitteet eivät ole kunnossa, joten aikaa saattaa kulua siihen, että seuraavia työvaiheita joudutaan tekemään eri järjestyksessä kuin olisi loogisesti suotavaa. Viitteet 1. Automaation projektityökurssi - S12-02 Suodinautomatiikka kameralle <http://autsys.tkk.fi/intranet/as-0.3200/s12-02>