CCD, czyli trochę więcej niż 16 czujników :)

[marek1707]

Korzystając z wolnego popołudnia wykonałem drobny eksperyment. Wykopałem ze stosu rupieci czujnik CCD i podłączyłem go do ATmegi. Czujnik jest linijką 128 sensorów optycznych czyli taką jednoliniową kamerką video. Sterowanie nim jest bardzo proste, wymaga bowiem tylko przebiegu zegarowego oraz impulsu "startu" raz na 128 okresów zegara. Wszystko to jest dość marnie (ale jednak) opisane w danych katalogowych a tu pokażę tylko wycięty z tamtąd fragment przebiegów:

Każdy element światłoczuły jest malutką fotodiodą połączoną - jak to w technologii CCD - z jej "prywatnym" kondensatorem. W czasie akwizycji każda fotodioda ładuje swój kondensator prądem wprost proporcjonalnym do oświetlenia i napięcie na nim rośnie. Pod koniec cyklu "obserwacji otoczenia" napięcie na każdym z kondensatorów jest proporcjonalne do oświetlenia jego fotodiody. Wtedy następuje "przepisanie" ładunku ze wszystkich kondensatorów "gromadzących" do specjalnego łańcucha kondensatorów "przesuwających" po czym, zgodnie z impulsami zegara dostajemy na wyjściu analogowym napięcia z kolejnych pixeli. Proste, prawda?

Układ światłoczuły reaguje na całkowitą energię jaką dostanie każda fotodioda w czasie akwizycji. Jeśli światła będzie więcej - napięcie będzie większe ale jeśli wydłużymy czas - czułość także wzrośnie. Zupełnie jak w aparacie fotograficznym: dłuższa migawka, jaśniejsze zdjęcie. Regulując częstotliwością zegara a więc także okresem pojawiania się impulsów startowych - bo to one wyznaczają początki i zarazem końce akwizycji - można zmieniać czułość.

W mojej zabawce wykorzystałem procesor ATmega8 pracujący na 8MHz. Jego Timer 2 generuje mi przebieg zegarowy dla CCD w trybie PWM na wyjściu OC2. Wypełnienie ustawiłem na stałe na 50% a podzielnik na 1/8. Daje to okres zegara wyjściowego 3.9kHz. Dodatkowo włączyłem sobie przerwania od przepełnienia tego timera tak więc na każdym opadającym zboczu zegara dostaję przerwanie, na którym odpalam przetwornik ADC w trybie pojedyńczego pomiaru i jednocześnie zliczam przerwania do 128. Co tyle właśnie okresów zegara CCD wysyłam programowo impuls START wyznaczający początek akwizycji nowego obrazu. Dane z przetwornika zbieram w 128 elementowej tablicy typu char i dostaję takie oto wyniki:

147 148 153 154 152 153 152 156 155 155 157 159 159 158 161 162 162 162 161 163 163 163 163 164 165 166 166 166 168 164 165 172 172 173 172 173 172 173 174 175 175 177 177 178 180 181 181 181 181 182 181 178 179 179 179 175 178 179 177 178 178 176 178 178 177 176 175 173 173 173 173 171 172 174 175 171 175 175 173 172 173 171 169 169 167 168 168 167 167 168 169 168 167 165 165 165 163 161 161 159 161 160 155 158 159 158 157 157 155 152 153 152 151 147 148 147 145 145 146 142 144 141 141 140 139 133 134 133

Czujnik patrzy na biały sufit.

134 134 139 141 139 141 140 145 144 145 146 148 146 145 147 147 147 147 146 149 150 150 151 152 154 155 155 154 156 151 150 157 156 158 158 160 160 162 163 164 164 166 165 165 165 166 164 165 164 166 166 164 166 167 168 164 167 167 164 164 163 160 162 162 162 162 161 161 160 154 112 73 66 66 63 62 62 61 61 61 62 60 61 61 60 62 61 60 60 66 107 149 150 149 149 150 150 149 150 147 150 149 142 145 145 144 141 141 139 137 138 139 139 136 138 136 135 135 135 130 131 128 128 127 127 122 123 122

Czujnik widzi ciemny pasek o szerokości ok 20mm w odległości ok 30cm.

Wciągając to do excela i robiąc z tego wykres ładnie widać pejzaż, jaki roztaczał się z czujnika na sufit mojego pokoju 😉

Oczywiście sam czujnik jest niczym bez odpowiedniej optyki, bo przecież trzeba jakoś na nim "zrobić" obraz tego, co ma widzieć. Na szybko, wzorując się na małych kamerkach płytkowych wydziubałem ze sztywnej pianki (EPP) obudowę, okleiłem ją samoprzylepną taśmą alu (bez tego przepuszczała światło bokami) i wstawiłem obiektyw wykręcony z jednej z takich kamerek. Ten akurat miał ogniskową ok.25mm więc był raczej z tych "tele" ale można przecież próbować z różnymi. Najlepiej kupić od razu kilka bo to groszowe sprawy i dobrać odpowiedni do danego zastosowania metodą eksperymentów.

Czujnik identyczny jak mój można kupić np. w ELFIE

Wystarcza mu zasilanie 5V, dwa sygnały cyfrowe i jedno wejście ADC. Bierze znikomy prąd więc nie będzie obciążeniem dla pokładowych akumulatorów a zabawa może być przednia. Być może zamiast pchać przed LFem długi nos z kilkunastoma KTIRami można postawić CCD i po prostu patrzeć na trasę 20 czy 30cm w przód. Czułość mojego wystarczyła do pracy z częstotliwością skanowania ponad 30 linii/sekundę w pokoju przy rozproszonym oświetleniu w raczej pochmurny dzień. Chyba zbuduję sobie jakiegoś robota na próbę 🙂

Na koniec zostaje część najbardziej smakowita czyli obróbka danych. Mamy tablicę 128 liczb 0..255 i coś trzeba z tym zrobić. Na początek można potraktować to jak zestaw wyników ze zwykłego (dyskretnego) czujnika trasy, poszukać najmniejszego odczytu i to potraktować jak środek linii, zamienić indeks próbki na wagę i wpuścić do PIDa. Można też.. ech, to temat na dłuższe opracowanie - może kiedyś 🙂

Acha, mój czujnik posiada jeszcze jedno wejście, umożliwiające wstrzymanie akwizycji (ładowania kondensatorów) bez zmiany cyklu zegara. Spróbuję je wykorzystać do wprowadzenia automatyki jasności (auto-shutter) bez zaburzania taktowania. Procesor może je podnosić do stanu 1 na pewną liczbę okresów zegara w czasie zczytywania wyników poprzedniej akwizycji i tym samym ograniczać czułość następnych pomiarów. Jeśli proces ten będzie bazował np. na pewnych parametrach poprzednich pomiarów (średnia lub poziomy max-min) to umożliwi to automatyczną regulację czułości detektora.

Mam nadzieję, że zaprezentowane rozwiązanie skłoni Was do spojrzenia cieplejszym okiem na inne techniki obserwacji linii/otoczenia i umożliwi powstanie ciekawych konstrukcji, np. pozbawionych kultowych już KTIRów 😉 Linijki CCD dostępne są w wielu rozdzielczościach, są wystarczająco czułe by "widzieć" bez specjalnych reflektorów no i konstrukcja sprzętowa takiego "oka" jest nieprównywalnie prostsza od zestawu prymitywnych czujników odbiciowych. Miłej zabawy 🙂

[MirekCz]

Nie wspomniałes tylko o kilku "drobnych" problemach:

1. czytanie 10 linii na sekundę jest żenująco powolne. Przy robocie jadącym zaledwie 1m/s czytasz pozycję co 10cm... , ale wiem, wiem, są szybsze CCD, ale nawet one nie dadzą rady szybkiemu fotodetektorowi oświetlanemu światłem z diody.

2. Najgorsze są odbicia światła. Rzadko kiedy podczas zawodów jest dobre oświetlenie (od góry, rozproszone itd.). Zazwyczaj oświetlenie jest jakieś losowe, często są też okna itd. W takich warunkach czujnik może bardzo łatwo łapać światło odbite od reflektora/słońca i stanie się bezużyteczny. Czujniki montowane na płytce zazwyczaj zakrywają (chociażby sobą) możliwość bezpośredniego odbicia innego światła od podłoża w kierunku fotodetektora dzięki czemu są niezawodne w każdych rozsądnych warunkach oświetleniowych.

[marek1707]

Problem szybkości jest względny. Jeśli ktoś zamierza wjechać swoim LF-em na pudło zawodów to rzeczywiście będzie trudno dogonić odczyt równoległy ale czy niemożliwe? Ja w swoim eksperymencie czytam 30 linii/sekundę absolutnie bez żadnego wysiłku. Użyty czujnik można popędzić zegarem do 5MHz co daje prawie 40 tysięcy odczytów całej linii na sekundę - wystarczy? Przydałby się porządny procesor DSP do obróbki takiego strumienia danych więc nie CCD jest tu ograniczeniem. Owszem, z podkręcaniem zegara spada czas akwizycji a więc i czułość ale ja robiłem próby bez żadnego oświetlenia dodatkowego. Gdyby na przodzie postawić kilka porządnych LEDów to kto wie..? 🙂

Druga sprawa to odbicia. Zrobię kilka prób z filtrami polaryzacyjnymi umieszczonymi przed obiektywem. Skoro światło odbite jest spolaryzowane to można je (a przynajmniej powinno się) stosunkowo łatwo odfiltrować. Na tej zasadzie działąją okulary w których nie widać odbić słońca od szyb samochodów i/lub od powierzchni wody. Na pewno trzeba jeszcze wielu prób ale moim zdaniem warto spróbować. Z pomocą mogą tu przyjść algorytmy znane z MPEG4, porównywania międzyklatkowego. Linia nie może nagle pojawić się znikąd więc korelacja między jednym skanem a następnym powinna być dość silna. Bieżąca analiza inter-frame mogłaby pozwolić wychwycić przypadkowe odbicia/oślepienia i/lub zaniki czy pojawienia się fałszywych linii.

Nie twierdzę, że jest to rozwiązanie idealne dla wszystkich i że odkryłem Amerykę (bo za CCD ktoś już chyba Nobla dostał dawno temu) ale widząc setny schemat mega8/mostek/3 czujniki i mechanikę nie dającą żadnych szans na jeżdżenie szybciej niż 20cm/s chciałoby się trochę tę stagnację rozruszać, prawda?

Ilu z początkujących wie jak podłączyć CCD? Ręka w górę! To głównie do nich piszę o nowych zabawkach w piaskownicy.

[Bobby]

Hmm, przy zastosowaniu szerokokątnego obiektywu to może być ciekawe nawet do minisumo. Gdzie można kupić obiektywy? Jakiego rzędu są to pieniądze (groszowe jest pojęciem względnym 😋 ). Jak mniemam w paśmie IR taka CCD widzi bez problemu?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Treker (Damian Szymański)]

Świetnie, że postanowiłeś to opisać.

Z tego co pamiętam rok temu na TTR widziałem linefollowera z takim czujnikiem. Później jednak projekt ten ucichł.

Jestem ciekawy jak sprawowałoby się to w praktyce, głównym problemem jaki tutaj widzę to faktycznie przeróżne oświetlenie trasy, chociaż przy odpowiednich filtrach i tak powinno się wtedy wydobyć z obrazu to, co jest konieczne.

[mosi2]

Wydaje mi się, źe takie linijki są w skanerach. Mylę się? Bo jeśli tak, to może znajda się jakieś wersje na tyle szerokie, by miały znacznie szerszy kąt widzenia (wątpie, czy soczewka z przyłozenia rozejrzy się jakoś bardzo szeroko)

[marek1707]

Niestety nie mogę teraz sprawdzić "naocznie" czy mój czujnik coś widzi w podczerwieni ale z danych katalogowych wychodzi, że tak. Czułość na wykresie rozciąga się daleko poza czerwień: max (100%) leży jeszcze w 700nm ale dla 900nm wciąż jest jeszcze 50% 🙂 czyli zupełnie jak dla podobnych, małych kamer TV.

Obiektywy można wziąć właśnie od kamerek "mini" TV, są np tutaj:

http://www.napad.pl/katalog/p-45-obiektywy-mini.html

i w podobnych sklepach sprzedających TV przemysłową, systemy alarmowe itp.

Z resztą zapytanie "obiektyw mini" oddaje na Allegro kilkadziesiąt trafionych aukcji - nie wszystkie są tym o co chodzi ale łatwo można się zorientować czego szukamy. Nie mając dobrej obudowy dla CCD trzeba i tak jakąś sklecić a wtedy kupowanie obiektywu może nie mieć sensu bo i tak mocowanie nie będzie miało odpowiednigo, drobnozwojnego gwintu 12mm. W końcu to tylko zwykła soczewka. Czasem w domowych gratach można znaleźć jakaś starą lornetkę, nawet chińską itp, coś wydłubać i obsadzić.

Mój obiektyw był dość ciemny i chyba jednak zbyt mały. Wyraźnie winietował na skrajach czujnika, co widać na excelowym wykresie danych które zamieściłem w pierwszym poście. Soczewka powinna być jednak odrobinę większa. Dużo lepiej - co sprawdziłem później - działało z obiektywem o krótszej ogniskowej - był dużo jaśniejszy. Do tego stopnia, że w tych samych warunkach oświetlenia CCD był kompletnie nasycony i musiałem skracać czas akwizycji, żeby znów zobaczyć swój palec na oscyloskopie 🙂 A właśnie, tutaj ten sprzęt przydaje się niesamowicie. Ponieważ dane analogowe "wypadają" z CCD szeregowo, na oscyloskopie wyzwalanym impulsem startu wprost widać wykres tego, co czujnik widzi 🙂 Zanim napisze się jeszcze jakikolwiek program do analizy danych można ustawić czułość, określić kąty widzenia i zafiksować ostrość - musi tylko chodzić generacja zegara i startu ale to jest trywialne.

Ponieważ długość akurat mojej linijki CCD wynosi trochę ponad 8mm (128 x 63.5um) to jest to praktycznie 1/3 cala i kąty widzenia podawane najczęściej przy tych obiektywach dla przetworników 1/3 calowych sprawdzają się idealnie.

Hm, o minisumo nie myślałem. Jak rozumiem, trzeba by oświetlić równomiernie otoczenie dookoła robota kilkoma diodami IR i skanować całą przestrzeń wokół za pomocą np. 3 lub 4 czujników wyposażonych w szerokokątne obiektywy 120 lub 90 stopni. Ponieważ "linie" wzroku czujników byłyby ułożone poziomo i równolegle do podstawy (wiem, że to czarne koło jakoś się specjalnie nazywa, przepraszam 🙂 ) to odbicie byłoby albo dopiero od publiczności (słabe) albo pewnie kilkunastokrotnie silniejsze od przeciwnika. Na dodatek kilka czujników można taktować tym samym zegarem i tym samym impulsem start a tylko ich wyjścia analogowe podłączyć do osobnych wejść ADC - ciekawe.. Na dodatek, by pozbyć się odbić od obcych, stałych źródeł zakłóceń możnaby załączać i wyłączać swoje diody IR synchronicznie z akwizycją (co jest przecież proste), np. co drugi skan a następnie użyć detekcji synchronicznej do znalezienia echa rzeczywistego celu na tle ech stałych.

EDIT:

mosi, duża linijka CCD pociąga za sobą konieczność posiadania dużego obiektywu i generalnie zwiększa wymiary całości. Ona sama nie ma takiego parametru jak kąt widzenia. To Ty musisz stworzyć układ optyczny, który wytworzy na powierzchni czujnika obraz rzeczywisty. Nie wystarczy wziąć CCD i skierować go w stronę okna - wtedy każdy element zobaczy to samo światło i dostaniesz (przykładowo) 128 takich samych odczytów. Musisz mieć obiektyw i to jednocześnie od jego ogniskowej oraz od wymiarów czujnika zależy kąt widzenia.

-------------------------------------------------

EDIT2:

Żeby nie pisać posta pod postem, dodaję kilka zdjęć zrobionych co prawda zwykłym aparatem ale za to w wersjach "normalnych" i z wstawionym filtrem polaryzacyjnym. Jako "podłogi" użyłem blatu mojego biurka roboczego (kremowy laminat), "obiektem" jest torebka foliowa albo pasek taśmy izolacyjnej a "słońcem" - lampa kreślarska:

Ciekawe czy zgadniecie, które są zrobione z użyciem filtra polaryzacyjnego 🙂

To doświadczenie pokazuje, że umiejętne dobranie kąta patrzenia naszej kamerki w dół oraz prosty filtr usuwają dużą część problemu nazywanego "odbicia".

Niestety, filtr jaki mam jest dużo większy od obiektywu CCD - ma jakieś 35mm średnicy, ale ponieważ jest zrobiony ze szkła, nie będę zabierał się za jego zmniejszanie. Muszę więc zrobić mu jakieś mocowanie i dopiero wtedy wykonam próby z linijką CCD uzbrojoną w polaryzator i "atakowaną" lampą biurową albo co tam, wręcz wiosennym Słońcem oświetlającym kawałek czarnej taśmy na podłodze 🙂

[Mechano]

Istnieje już lf z takim czujnikiem:

http://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?t=1958710&highlight=linefollower&sid=d9680b9e2e27bb53b128099f35277129

[marek1707]

Ojej, a toś mnie zaskoczył.. Bo ja myślałem, że nikt na to nie wpadł 😐

A tak szczerze to myślę, że niejeden - choć śladów po nich jakoś na Forum nie widzę. Filmiki na YT pod dumnymi tytułami "LF z CCD" pokazują jakieś rachityczne pojazdy związne kablem (lub radiem) z PCtem popychającym Matlaba..

Fajnie, że już ktoś w PL to przerabiał choć szkoda, że dokładniej tego nie opisał. Namęczył się okropnie a wyszło tak sobie - przynajmniej na filmie. Minęło kilka lat, mamy nowe procesory, potężne FPGA, drivery, napędy itd a niektóre roboty opisywane na forum nie odbiegają poziomem od konstrukcji śp. p. Wojciechowskiego i jego "Nowoczesnych Zabawek". Może warto coś zmienić? Jeśli czytamy w kółko o 3 czy 5 czujnikach a w porywach do kilkunastu, to to jest wciąż ta sama idea patrzenia "pod siebie". Nawet robot z CCD opisany na elektrodzie też patrzył na czubki własnych butów a chyba niekoniecznie tak musi być. Próbuję zaszczepić pomysł trochę innego spojrzenia (nomen omen) na wzrok prymitywnego LFa - dzisiaj to wcale nie jest żadna magia. Nie trzeba wydłubywać niczego ze starych skanerów, analizować dziwnych przebiegów i generować jakichś paskudnych sygnałów dla CCD. Teraz to znany czujnik, trzy druty plus zasilanie i trochę podstawowej wiedzy z optyki geometrycznej (to chyba gimnazjum) oraz pomysł na algorytm obróbki danych (a tu czasem wystarczy zdrowy rozsądek).

Jeśli chociaż jednemu z Was zapali to jakąś lampkę w głowie lub otworzy klapkę na nowy projekt, warto spróbować. Ja w każdym razie jeszcze coś zmontuję i opiszę mimo, iż parę lat temu CCD jeździło już po linii 🙂

[Bobby]

Trzeba przyznać, różnice pomiędzy obrazem z i bez filtra są spore. W ramach otwierania klapek - takie cudo można by wygrzebać z jakiegoś małego LCD, są tam filtry polaryzacyjne w formie cienkiej folii, będzie prościej niż ze szklanymi krążkami 🙂

[Sabre]

marek1707, ale tu nie chodzi o tego typu innowacyjność. Wszyscy używają KTIRów bo są niezawodne i mają idealnie identyczne parametry pomiędzy egzemplarzami. To co pisał MirekCz, o odbitym świetle na torze to jest ogromny problem dla tego typu matryc, mniejszy dla KTIRów. Sam kiedyś na zawodach miałem problemy, chociaż moje lfry mają programową korektę w trakcie jazdy na wskazania czujników. Tor na który świeciło słońce nagrzał się chyba na tyle, że nawet jak nie było słońca to czujniki musiały reagować na ciepło emitowane z części toru i robot na nim głupiał trochę, ale przynajmniej ja nie biegałem z pudełkami po pizzy czy kalendarzami i nie robiłem cienia na torze żeby mój robot w ogóle przejechał.

[Harnas]

Kiedyś widziałem gdzieś lf na "smarfonie". Było to jakieś 3 lata temu, kiedy telefony z ekranem dotykowym były zupełną nowością. Telefon zajmował się obróbką obrazu, i wysyłał po BT dane do procka sterującego silnikami. Obecnie organizowane są zawody Freescale Cup (coś jak lf), gdzie chyba każdy robot zbiera dane z kamery. Swoją drogą, wie ktoś gdzie można dostać jakąś łatwą do obsłużenia matryce, powiedzmy 100x100 pixeli (mogą być oczywiście inne rozdzielczości).

[Sabre]

Harnas, kiedyś interesowałem się tym projektem. Wykorzystuje on kamerkę z telefonu Siemens S65 i wyświetlacz z tego samego telefonu, ale tylko do wyświetlania obrazu z kamery na wyświetlaczu. Kod napisany w Bascomie, dlatego była to dla mnie ciekawa opcja na początek, ale porzuciłem ten pomysł po zdobyciu kamerki i wyświetlacza.

[marek1707]

Sabre, to ja się bardzo cieszę, że (przynajmniej w naszym środowisku) temat jazdy po linii za CCD nie jest obrobiony na wylot. Skoro są problemy, to można i trzeba je rozwiązywać. Czujniki odbiciowe umieszczone na nosie robota i patrzące w komfortowych warunkach na trasę wydają się opanowane. Przy kamerkopodobnych rozwiązaniach mamy oświetlenie zewnętrzne, odbicia od podłoża, dużą ilość danych itd. W zamian za to dostajemy dużo mniejszy moment bezwładności w osi pionowej (brak wydłużonego nosa) oraz możliwość praktycznie nieograniczonego patrzenia w przód a już na pewno dalej niż pozwala obrys kartki A4. Czy jest do zrobienia choćby wypracowanie jakichś założeń dla ludzi, którzy będą chcieli coś takiego zrobić? Czy możemy - nawet wspólnie, zrobić sprzętowo-programowy model takiego "oka" i dowiedzieć się np. jak powinien wyglądać tor optyczny, kąty widzenia i pochylenia, jaka moc obliczeniowa jest potrzebna i jakie algorytmy warto byłoby użyć, by maszynka nie głupiała na byle zakręcie 90 stopni? Wydaje mi się niemożliwe, że jest to niemożliwe 🙂 Ktoś zapyta po co, skoro wypracowana przez lata metoda jest OK a tylu konstruktorów nie może się mylić. Żeby zrobić coś nowego, po prostu. Mi sprawia to radochę.

Harnaś, w ramach "robienia nowego" buduję sobie na małym/tanim FPGA płyteczkę interfejsu do kamerki TV. Moduł będzie miał możliwość złapania na żadanie jednej klatki obrazu do własnego RAMu lub wpisywania tam ciągłego strumienia i np. zatrzymania (stop-klatki) w wyznaczonym momencie, generowania obrazu TV z tego co zgromadził w pamięci RAM, operacji na buforze obrazu wykonywanych przez procesor zewnętrzny lub (tego jeszcze nie zrobiłem) własny procesor graficzny (filtrowanie 3x3, histogram, korekcje gamma itp), nakładanie na złapany obraz (live lub zatrzymany) własnej grafiki (takie OSD) itd. Interfejsem do procesora będzie UART w trybie synchronicznym. W pierwszym strzale obraz będzie czarno biały w rozdzielczości 360x288. Może coś takiego by Cię zainteresowało?

[Harnas]

Zalazłem takie coś http://www.kamami.pl/index.php?ukey=product&productID=185295 . Jak znajde więcej czasu to kupie, i przetestuje. Z tego co pobieżnie zauważyłem w DS, to jest wsparcie dla lamp błyskowych (można by migać ledami), automatyczne dopasowywanie czułości i można ją ustawić w tryb monochromatyczny.