CONTROL DEL CARRIL LINEAL Y CALIBRACION DE UNA CAMARA CCD EN LA ADQUISICION 3D DE PIEZAS INDUSTRIALES

MANEJO DEL CARRIL LINEAL CONTROL DE MOTORES LUZ ESTRUCTURADA LA CAMARA PAN-TILT ADQUISICION DE SEÑAL DE VIDEO ANALOGICO CALIBRACION DE UNA CAMARA MEDIANTE MATLAB

MANEJO DEL CARRIL LINEAL Vista general del sistema Componentes del sistema Aplicación ControlIntegral

VISTA GENERAL DEL SISTEMA Alimentación del motor de corriente continua del carril Control del motor del carril, desde la tarjeta de potencia Alimentación y control del microinterruptor de control de posición inicial Conexión entre el PC y la tarjeta de potencia, a través de la tarjeta de control

COMPONENTES DEL SISTEMA Fuente de alimentación Tarjeta de potencia: controla el motor de CC del carril. Carril de desplazamiento Control del carril: se necesitan de 3 puntos de referencia para indicar la posición del carril 1) Principio de carrera 2) Microinterruptor de emergencia 3) Microinterruptor de emergencia Los Microinterruptor se usan para evitar que el motor sobrepase los límites del carril y provoque daños en el motor Tarjeta de control: comunica la tarjeta de potencia con el PC

FUENTE DE ALIMENTACION TARJETA DE POTENCIA ESQUEMA DEL CARRIL LINEAL TARJETA DE CONTROL

APLICACION CONTROLINTEGRAL Funciones: Ayuda Carril init Carril (distancia) Camara init Camara zoom Camara focus Camara (grados horz, grados vert) Fin Aplicación para manejar el carro y la cámara.

Programas para el control de motores Tipos de motores El motor eléctrico El motor Maxon 968 Programas para el control de motores

TIPOS DE MOTORES De combustión: transforman energía química en movimiento Hidráulicos: requieren mucho espacio y mantenimiento Eléctricos: ofrecen gran capacidad de control y pueden ser de tamaños muy pequeños

EL MOTOR ELECTRICO TIPOS DE MOTORES TIPOS DE CONTROL DE MOTORES CORRIENTE CONTINUA (DC) CORRIENTE ALTERNA (AC) TIPOS DE CONTROL DE MOTORES POR INDUCIDO POR EXCITACION TIPOS DE CONTROL DE POTENCIA RECTIFICACION CONTROLADA POR SILICIO (SCR) MODULACION DE LA FRECUENCIA DEL PULSO (PFM) METODOS DE CONTROL DE VELOCIDAD PUENTE EN H CONFIGURACION EN T

EL MOTOR MAXON 968 CARACTERISTICAS Potencia nominal: 15 W Voltaje nominal: 24 V Resistencia de inducido: 7.94 W Gradiente velocidad/par: 49 rpm/mN·m Velocidad máxima permitida: 9200 rpm Corriente continua máxima: 786 Ma Par continuo máximo: 30.9 mNm Máxima potencia de salida con la tensión nominal: 17500 mW Máximo rendimiento: 81.5 % Constante de par: 39.3 mN·m/A Constante de velocidad: 243 rpm/V Constante de tiempo mecánica: 13.7 ms Inercia del rotor: 26.6 gcm2 Inductancia de inducido: 1.54 mH

PROGRAMA PARA EL CONTROL DE MOTORES CONTROL VELOCIDAD Con este programa manejamos solo un motor y el desplazamiento se hace por grados, lo que representa una desventaja para mover el carril.

LUZ ESTRUCTURADA Teoría general de la luz estructurada Aplicaciones de los sistemas de luz estructurada

TEORIA GENERAL DE LUZ ESTRUCTURADA Una cámara capta la distorsión que produce un haz de luz en el objeto, obteniendo la información necesaria de la estructura del objeto. En cuanto a la forma del haz, pueden ser: Puntos Plano Varios planos

Para realizar una reconstrucción de un objeto, es necesario recorrerlo en su totalidad, para lo cual se plantean tres alternativas Mover la camara Mover el laser Mover el objeto

APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE LUZ ESTRUCTURADA Modelado: algunas de las aplicaciones son las de gráficos por computador, por ejemplo en efectos especiales de películas. Guiado de robots moviles: Con la información de los sensores de ultrasonidos y del sensor de luz estructurada, el robot capta la forma de los obstáculos

Aplicaciones médicas: algunas aplicaciones son las de ayuda al diseño de prótesis. Obteniendo un modelo preciso del muñón es posible diseñar una prótesis más cómoda y con una mejor distribución de cargas Aplicaciones industriales: una de ellas es la soldadura asistida. Se desarrollaron equipos que permitían guiar al robot de soldadura, donde además el sistema también podía realizar inspecciones de soldaduras realizadas para control de calidad.

Introducción al sistema LA CAMARA PAN-TILT Introducción al sistema La cámara Pan-tilt Conexión al equipo

INTRODUCCION AL SISTEMA El sistema está formado por una cámara Pan-Tilt (giro horizontal y vertical) y una tarjeta frame grabber instalada en el PC, que es la encargada de recibir las señales de la cámara. Para el procesamiento de las imágenes captadas por la cámara, recurrimos a las librerías MIL (Matrox Imaging Library).

LA CAMARA PAN-TILT La cámara Pan-Tilt es un modelo de cámara, que permite el desplazamiento tanto con un giro horizontal (PAN) como un giro vertical (TILT). Con ella se pueden capturar imágenes digitales, que pueden ser posteriormente tratadas en un ordenador.

Características de la cámara Pan-Tilt Señal de video: PAL Sensor de imagen: CCD color de 1/3 “ Pixels de resolución: 752 (Alto) x 585 (Ancho) Zoom: hasta x12 Distancia focal: 5.4 – 64.8 mm Rango de iluminación: 7 – 100.000 lux Movimientos: horizontal (Pan) ±100º Vertical (Tilt) ±25º Entrada de tensión: 12 a 14 V en corriente continua Potencia: 10,5 W Temperatura de funcionamiento: 0 a 40º C Dimensiones (A x L x F): 142 x 109 x 164 mm (Figura 3.42) Peso: 1200 g

CONEXIÓN AL EQUIPO En la parte trasera de la cámara, se pueden encontrar diversos conectores. Las imágenes captadas pueden ser enviadas a un sistema de televisión, video, o a un ordenador. Todas estas salidas son señales compatibles, que no requieren de ningún equipo extra para la conexión. La única excepción son los ordenadores, puesto que no todos disponen de una entrada de SVideo.

ADQUISICION DE SEÑAL DE VIDEO ANALOGICO Tipos de cámara Cámaras usadas para la adquisición de video Las tarjetas Matrox Las librerías MIL. Intellicam

TIPOS DE CÁMARAS A lo largo de los años la tecnología ha ido evolucionando, y hemos pasado de cámaras gigantes a cámaras digitales que caben en una mano. Existen tres tipos de dispositivos: CCD (Charge Coupled Deviced) CID (Charge Injection Deviced) TDI (Time Delay Integration

CCD La información se traspasa según registros de desplazamientos. Una vez recogida la información, lo importante es transferirla a donde se pueda utilizar. Se tienen tres formas de manera que se pase la información y deje los elementos sensores libres para que puedan volver a coger otra imagen: transferencia de cuadro, transferencia interlínea, transferencia de cuadro interlínea. CID Puede leer directamente el valor de un pixel cualquiera, en lugar de tener que leer toda la imagen, por lo que tiene la ventaja de un menor tiempo de proceso. Además, la señal no corre el peligro de poder ser alterada en el camino hasta que sea leída, ya que no hay pasos intermedios entre el propio elemento sensor y la llamada TDI Toma varias imágenes de un mismo objeto. Si está parado, el objeto aparecerá en la misma posición durante todas las imágenes, pero si está en movimiento la cámara al tomar diferentes imágenes tendrá el objeto en diferentes puntos. Esto implica que el tiempo de integración es mayor y por tanto se necesitará menos luz

CAMARAS USADAS PARA LA ADQUISICION DE VIDEO LA WEBCAM LA CAMARA JAI CV-235 LA CAMARA DE VIGILANCIA

LA WEBCAM Se utilizó como primer contacto para la calibración de un cámara. Permite de una manera fácil y sencilla captar imágenes y reproducir vídeo en directo. Sus características son: Tamaño de imagen grande (320 x 240) Funciona con Windows Messenger con funciones de vídeo en directo Tecnología de seguimiento facial automático Captura de video con una resolución de 640 x 480 Captura de imágenes con una resolución de 640 x 480 Zoom automático Micrófono integrado Funciona con sistemas PC y Mac OS X Sensor: VGA de alta calidad Cable: USB fino de 2,1 metros Enfoque: Manual Frecuencia de cuadro: hasta 30 cps

LA CAMARA JAI CV-235 Es una cámara industrial CCD monocroma. Al disponer de dos placas con diferentes switches configurables, podremos configurar la cámara de forma interna.. Algunas de sus características son: Sensor CCD: 1/2" HAD IT CCD image sensor Tamaño de imágenes: 768 (h) x 494 (v) (EIA), 752 (h) x 582 (v) (CCIR) Tamaño del sensor 6.45 (h) x 4.84 (v) mm Sistema de escaneo: EIA/CCIR 2:1 Interlace or non-interlace Sincronización externa o interna Resolución Horizontal 570 TV líneas Sensor: VGA de alta calidad Gamma 1.0 or 0.45 seleccionable

Conexión con la tarjeta Matrox El principal problema que se tuvo a la hora de adquirir imágenes, fue su interacción con la tarjeta frame grabber. Al principio, se usó una tarjeta Matrox Meteor, pero por una serie de problemas se tuvo que desechar y hubo que adquirir otra tarjeta. Sin embargo, la nueva tarjeta (Matrox Cronosplus) sólo trabaja en modo entrelazado, mientras que la cámara lo hacía en modo no esntrelazado, por lo que a la hora de capturar imágenes se produce un error.

LA CAMARA DE VIGILANCIA La cámara de vigilancia es una cámara CCD blanco y negro, trabaja en modo CCIR y en modo interlineado, por lo que su interacción con la tarjeta Matrox Cronosplus será total, por lo que se podrá realizar la calibración con Matlab tal y como queremos.

LAS TARJETAS MATROX LA TARJETA MATROX METEOR LA TARJETA MATROX CRONOSPLUS

LA TARJETA MATROX METEOR La tarjeta Matrox Meteor, es una tarjeta que permite operar tanto con imágenes en blanco y negro como en color. Con esta tarjeta se puede mostrar la imagen en tiempo real, o almacenando en memoria, en función de la velocidad del sistema en que se instala A la hora de capturar video, la tarjeta admite tanto RS-170/CCIR monocromo como NTSC/PAL en color y dispone de la posibilidad de conectar hasta cuatro dispositivos de captura de imágenes a la misma tarjeta al mismo tiempo.

LA TARJETA MATROX CRONOSPLUS La tarjeta Matrox Meteor produjo una serie de problemas con el Windows haciendo imposible una interacción entre el ordenador y la cámara, por lo que se decidió usar otra tarjeta, la tarjeta Matrox Cronosplus La tarjeta Matrox Cronosplus es una tarjeta capturadora o frame grabber para el uso de aplicaciones de imágenes. Funciona bajo cámaras del tipo monocromo o de color. Puede transferir tanto imagines como video en tiempo real y es compatible con los modos CCIR/RS-170

LAS LIBRERIAS MIL. INTELLICAM EL PROGRAMA INTELLICAM,

LAS LIBRERIAS MIL Estas librerías son un paquete de procesamiento de imágenes totalmente independiente del hardware en el que se instalen. El programa se ha diseñado con la intención de que sea una herramienta sencilla, con un tiempo de aprendizaje corto, capaz de ser usado en cualquier plataforma, de tal forma que las aplicaciones implementadas con MIL puedan correr en cualquier sistema que tenga instalada una tarjeta VGA o en su defecto, que tenga una tarjeta grafica Matrox Los programas desarrollados con estas librerías, pueden interactuar con el microprocesador del sistema de manera segura y eficiente, haciendo que el micro tenga una menor carga de trabajo, lo que permite que éste se encargue de las demás tareas, mientras la tarjeta grafica se encarga del procesamiento de imágenes.

EL PROGRAMA INTELLICAM Matrox ha simplificado el interface de la cámara proporcionando un interface entre el tipo de cámara y la capturadora de imágenes o frame grabber. La interface de la cámara consiste en un tipo de archivo, o formato de configuración digitalizador (DCF). Este archivo guarda toda la información necesaria acerca del hardware que se quiere usar, como puede ser el modo de operar, la frecuencia del reloj o el tipo de señal del video. Para una mayor facilidad, Intellicam proporciona una serie de archivos DCF por defecto, como son los modos de trabajo CCIR, NTSC, PAL, RS-170. Por supuesto, con Intellicam se puede crear un archivo DCF personalizado, o descargarlo de una página web o de otro sitio

Aplicaciones de Intellicam Intellicam permite en tiempo real una configuración sobre la recepción de video de la cámara que está realizando, gracias a un fácil acceso al control digitalizador (DCF). Algunas de las aplicaciones son: Overview: nos muestra información acerca del sistema (para el cual está configurado el DCF) Camera: nos muestra información acerca de la cámara Video Signals: nos muestra información acerca del tipo de la señal de video que produce la cámara (analógico o digital, el ancho del bus…) Video Timings: nos muestra información acerca de los tiempos de video (sincronización entrelzada o no entrelazada…) Pixel Clock: nos muestra información acerca del radio del reloj Exposure Signal: nos muestra información acerca de los tiempos de disparo de la cámara Sync. Signal: especifica el dispositivo que genera la señal de sincronización

CALIBRACION DE UNA CAMARA MEDIANTE MATLAB Puesta a punto de la cámara Adquisición de imágenes mediante Matlab La toolbox Camera Calibration

PUESTA A PUNTO DE LA CAMARA La calibración de la cámara en el contexto de la visión tridimensional es el proceso de determinar las características geométricas y ópticas internas de la propia cámara (parámetros intrínsecos, tales como la distancia focal, el centro del plano sensor y la distorsión de la mente) y/o la posición y orientación del bastidor de la cámara respecto al sistema de coordenadas del mundo (parámetros extrínsecos) A la hora de capturar las imágenes, la cámara deberá permanecer invariante en cuanto a lo que se refiere a sus parámetros intrínsecos, es decir, habrá que mantener el enfoque de la óptica (pues afectaría a la distancia focal), al igual que hay que mantener invariante el diagrama (pues en este caso, afectaría al modelo de distorsión). Las imágenes se toman siempre de un objeto patron. En nuestro caso, es un tablero de ajedrez, pues facilita la búsqueda de puntos significativos, que son las esquinas de los cuadrados del tablero de ajedrez

ADQUISICION DE IMÁGENES MEDIANTE MATLAB Lo primero que hacemos es identificar el dispositivo de vídeo. >> info = imaqhwinfo Esta sentencia nos devolverá varios parámetros, pero el más importante es que indica los tipos de drivers que soporta o con los que puede trabajar (en nuestro caso winvideo y matrox, que será con el que trabajemos). Para trabajar con la cámara, hay que crear un objeto que la controle >>vid2=videoinput(‘matrox’) Nos aparece (aparte de otras características más) el formato en que trabaja la cámara por defecto (RS-170). Como la cámara sólo trabaja en modo CCIR, habrá que cambiar el modo de trabajo. >>vid2=videoinput(‘matrox’, 1,’M_CCIR’)

La adquisición de imágenes lo podemos hacer de dos formas: de una en una o varias a la vez. Para la adquisición de una única imagen: >>img=getsnapshot(vid2) Matlab empezará la adquisición de la imagen, y para que nos la abra: >>imshow (img)

LA TOOLBOX CAMERA CALIBRATION Para realizar la calibración de la cámara, lo haremos a través un programa de calibración, basado en las imágenes ya captadas de la rejilla de ajedrez como imagen patrón. El programa está dotado de una interface que facilita bastante el proceso de calibración. Lo primero de todo es añadir la toolbox en Matlab con la aplicación set path. Standard: todas las imágenes usadas para la calibración se cargan en la memoria sólo una vez y no tiene que volver a leerlas del disco. Memory efficient: las imágenes se cargan una a una y nunca se guardan en la memoria Los dos modos son totalmente compatibles e intercambiables

Proceso de calibración Leer las imágenes (Image names): el usuario introduce los nombres de las imágenes que usaremos para la calibración Extract gris corners: nos pedirá el número de imágenes que queremos extraer y la longitud de los cuadrados

Para realizar el mallado deberemos pinchar en cuatro puntos haciendo un rectángulo lo más regular posible, donde los puntos deberán estar lo más próximas a las esquinas de los cuadrados. Después nos pedirá el número de cuadrados que integran el rectángulo formado, según el eje x y el eje y, teniendo en cuenta que es la suma de los cuadrados blancos y los cuadrados negros.

4) Por último, pincharemos en el comando Calibration, y obtendremos los resultados.

Pinchando en la opción de Reproject on images nos mostrará los pixeles de error en forma de cruces:

Si pinchamos en Show Extrinsic se mostrarán en 3D los prarámetros extrínsecos, que son las posiciones relativas de los mallados respecto de la cámara.

Para realizar una calibración mejor hay múltiples herramientas, como volver a obtener el mallado de los cuadrados de las imágenes (de una, de varias o de todas si queremos) También se puede mejorar el error de pixel, de tal forma que podemos identificar el punto original de la imagen y de la reproyección calculada por nosotros a la hora de hacer el mallado, y comprobar así el error.

Una vez realizada la calibración de la cámara, nos quedaría por hacer la calibración del láser, y así junto el carril lineal, tendríamos completado y listo el sistema para el uso de la adquisición tridimensional de piezas.