[Test/recenzja] Scalone detektory koloru w robotyce

[Zuk]

Chciałbym zaprezentować dwa detektory koloru RGB wykonane w postaci układów scalonych. Są to: TCS3200 oraz TCS3104, które do testów przekazała firma KAMAMI.pl. Pierwszy z nich znajdował się w module detektora kolorów, który został opisany w artykule [Teoria] Detekcja koloru obiektów. Czujniki tego typu należą do szerokiej gamy sensorów, które mogą znaleźć zastosowanie w robotach zarówno mobilnych jak i stacjonarnych. Przykładem może być Manipulator VonVen, gdzie Autor zastosował konstrukcję czujnika złożoną z diody RGB i fotorezystora.

Układy do testów przekazane zostały przez

KAMAMI.pl

1. Detektor TCS3200

Nota katalogowa tego czujnika jest dostępna na stronie producenta. Czujnik jest wykonany w obudowie SOIC08, jest to obudowa typu SMD, przylutowanie tego typu obudowy do płytki drukowanej nie jest problemem dla przeciętnego elektronika, mimo, iż nie znalazłem biblioteki układu TCS3200 w Eagle wykonanie płytki prototypowej nie było trudne z uwagi na popularność innych układów w obudowie tego typu.

Detekcja koloru światła docierającego do czujnika następuje dzięki zastosowaniu filtrów czerwonego ®, zielonego (G) i niebieskiego (B) oraz warstwy bez filtru (rys. 1). Sygnał częstotliwościowy jest jeden, dwoma wejściami konfiguracyjnymi S2 i S3 ustala się z której z powyższych warstw (R, G, B, brak filtru) ma następować odczyt. Dodatkowo możliwy jest wybór dzielnika częstotliwości na następujące wartości 100%, 20%, 2% częstotliwości podstawowej. Wyboru pleskalera dokonuje się za pomocą wejść konfiguracyjnych S0, S1, czwarta opcja to wyłączenie czujnika (Power down). Ostatnim wejściem konfiguracyjnym jest /OE (Output Enable) czyli włącznik sygnału wyjściowego.

a) b) c)

Rys. 1. Widok czujnika TCS3200, zbliżenie matrycy (real foto), czujnik (real foto)

W ramach testów tego czujnika wykonałem płytkę prototypową trochę na wzór tej z modułu http://www.parallax.com/Store/Sensors/ColorLight/tabid/175/CategoryID/50/List/0/SortField/0/Level/a/ProductID/429/Default.aspx , tzn. na płytce poza układem zamieściłem dwie białe diody LED jako oświetlacze (Rys. 2). Uważam, że w konstrukcjach robotów amatorskich takie wykonanie czujnika jest wystarczające. Po wykonaniu płytki przystąpiłem do badania układu. Umieściłem moduł w białym, styropianowym pojemniku, na górze umieszczałem obiekty o różnych kolorach i notowałem częstotliwość sygnału wyjściowego dla każdej składowej. Wyniki pomiarów wybranych obiektów zostały przedstawione w tabeli 1. Wszystkie pomiary dokonywane były przy konfiguracji S0 = S1 = „1” czyli przy częstotliwości maksymalnej. Maksymalna dewiacja częstotliwości wynosiła ok. 2kHz.

Rys. 2. Płytka testowa dla układu TCS3200.

Tab. 1. Wyniki pomiarów składowych wybranych kolorów czujnikiem TCS3200.

2. Detektor TCS3104

Nota katalogowa tego czujnika jest dostępna pod adresem: http://www.taosinc.com/productdetails.aspx?ID=132 . Czujnik jest wykonany w sześciopinowej obudowie FN. Jest zdecydowanie mniejszy od poprzedniego, wymaga sporego doświadczenia w lutowaniu oraz zaawansowanej stacji lutowniczej (hot air + preheater). Dodatkowym utrudnieniem przy lutowaniu, a właściwie to na samym początku, było określenie pierwszego pinu, żeby odpowiednio zorientować układ na płytce. Problem ten wymagał mocnego szkła powiększającego, bardz dobrego oświetlenia i skupienia uwagi. W Eagle nie znalazłem układów w tego typu obudowie, więc należało wykonać ją samemu. Czujnik posiada trzy sekcje strefy sensorycznej (R, G, B). Każda sekcja ma swoje niezależne wyjście napięciowe. Użytkownik ma możliwość przełączenia wzmocnienia sygnału wyjściowego wejściem MFP, dostępne możliwości to x1 oraz x4, to drugie ustawienie ustawia sygnał na poziomie setek mV.

W ramach testów przygotowałem płytkę jak poprzednio tzn. zawierającej dwie białe diody LED jako oświetlacze (Rys. 3). Po wykonaniu płytki przystąpiłem do badania układu. Badanie przeprowadziłem w takich samych warunkach jak wyżej oraz z wykorzystaniem tych samych obiektów. Wzmocnienie sygnału było ustawione na x4. Wyniki zostały przedstawione w tab. 2. Przykładowy pomiar obiektu o kolorze zielonym jest przedstawiony na rys. 4. Kolory przebiegów na rysunku odpowiadają składowym koloru badanego zielony – G, fioletowy – R, niebieski – B. Teoretycznie składowa zielona powinna dominować, jednak składowa czerwona jest minimalnie większa.

a) b)

Rys. 3.Płytka testowa dla układu TCS3104, widok czujnika (po przejściach) (real foto)

Tab. 2. Wyniki pomiarów składowych wybranych kolorów czujnikiem TCS3104.

Rys. 4.Sygnały wyjściowe dla obiektu o kolorze zielonym

3. Porównanie

Porównanie obydwu czujników najprościej przedstawić w postaci tabeli 3.

Tab. 3. Porównanie cech opisywanych detektorów.

Układ TCS3200 ma wyjście częstotliwościowe, więc wymaga trochę większego nakładu pracy i zasobów mikroprocesora do wykonania pomiaru. Dodatkowo pomiar wszystkich składowych jest wykonywany szeregowo. Układ TCS3104 ma trzy wyjścia pracujące równolegle co w znaczący sposób może przyspieszyć pracę. Są to wyjścia napięciowe, więc w najprostszej formie (jak nie zależy nam na dużej dokładności) zwykły wbudowany przetwornik ADC w zupełności wystarczy. Zaletą układu TCS3200 jest niewątpliwie czwarta sekcja bez filtru umożliwiająca pomiar całkowitego natężenia światła i skalibrowanie odczytów.

Istotnym czynnikiem jest też łatwość montażu. O ile układ TCS3200 nie sprawia problemu, to przylutowanie TCS3104 jest prawdziwym wyzwaniem. Osobiście nie podjąłem się tego zadania, poprosiłem o pomoc kolegę.

4. Podsumowanie

Wydaje mi się, że układy te mogą znaleźć zastosowanie w robotach amatorskich, których autorzy chcą programować zadania związane z detekcją kolorów. Mogą to być zadania dla robotów stacjonarnych – segregacja obiektów ze względu na kolor. Mogą to być zadania znajdowania podłoża o określonym kolorze np. w konstrukcjach micromouse, gdzie kwadraty start i stop mogą być wyróżnione innym kolorem. Np. pole startowe kolor zielony, docelowe kolor czerwony reszta toru czarna lub biała. Po wstępnej kalibracji obydwu kolorów robot startuje z zielonego, szuka koloru czerwonego, a po znalezieniu wraca najkrótszą zapamiętaną drogą do zielonego.

Mam doświadczenia z amatorską konstrukcją detektora koloru wykonanego z wykorzystaniem diody RGB oraz fotorezystora (jednak to nie ja wykonywałem ten czujnik - dostałem gotowy) oraz z modułem wykorzystującym układ TCS3200. W pierwszym przypadku błąd wynosił ok. 50% dodatkowo świetlówki praktycznie uniemożliwiały pomiar, w drugim był to błąd na poziomie kwantyzacji (plus minus 1) niezależnie od zastosowanego oświetlenia w pomieszczeniu.

Noty katalogowe obydwu układów podają zakres kątowy widoczności sensora. Największy wpływ na wynik pomiaru ma obiekt znajdujący się nad czujnikiem, jednak kolor otoczenia także nie jest bez znaczenia. Wydaje mi się, że dobrym rozwiązaniem do rozpropagowania tych układów w robotach amatorskich jest opracowanie modułów podobnych do tych z parallaxa, zawierających optykę i ewentualnie oświetlacze.

Dorzuciłem kilka wykonanych mikroskopem zdjęć opisywanych układów oraz poprawione projekty płytek testowych wykonanych w Eagle 5.6.0.

Układy do testów przekazane zostały przez

KAMAMI.pl

forbot.zip

[ProeXtreme]

Bardzo fajnie opisałeś te detektory kolorów. Za to piwko poleciało. Popraw tylko linki (usuń znaki interpunkcyjne na ich końcach by krzaczą wszystko).

Gdzie kupiłeś opisane detektory? Na szybko szukałem w TME i Farnell lecz nie znalazłem. Ile kosztuje 1szt?

[Zuk]

OK.

Linki poprawione.

układy są na www.kamami.pl

TCS3200 - 17,07 zł

TCS3104 - 12,59 zł

[ps19]

Fajnie opisane, mam już nawet pomysł gdzie i jak to wykorzystać.

[MatManiak]

Dałbym głowę, ze w jakimś sklepie z elektronika/robotyka (w necie) widziałem tcs3200, ale teraz nie umiem znaleźć....

[piotreks-89]

MatManiak zapewne u Mirka w Robodudes - o TUTAJ!

[MatManiak]

MatManiak zapewne u Mirka w Robodudes - o TUTAJ!

O, dokładnie! Dzięki za linka:)

[Zuk]

Witam.

Dorzuciłem poprawione wzory płytek prototypowych (Eagle 5.6.0) wraz z biblioteką elementów

oraz kilka fotek 1b, 1c, 3b.

Mam nadzieję, że podobają się.

Na rys. 3b widać efekty dwukrotnego lutowania i rozlutowywania układu oraz rysy na soczewce.

Pozdrawiam

Zuk

[Leogict]

Świetny artykuł. Mógłbyś dorzucić kody źródłowe? Zwłaszcza interesuje mnie TCS3200. Dzięki. Piwko poleciało.

[Zuk]

Niestety nie pisałem programów do obsługi tych czujników.

Wszystkie pomiary robiłem z użyciem oscyloskopu.

W przypadku TCS3104 trzeba sekwencyjnie obsłużyć trzy wejścia ADC,
do których są podpięte sygnały RGB

W przypadku TCS3200 problem polega na pomiarze sygnału o zmiennej częstotliwości.

Przykładowy program znajduje się w nocie katalogowej:

http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/acc/TCS3200_doc.pdf

Pozdrawiam

Zuk

[sailo]

Czujniki dostępne także w sklepie Boltand: link