автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка распознающего датчика для контроля и сортировки объектов по цветовым признакам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ им. проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

На правах рукописи

РГ 3 ОД Мохаммад Юсуф ГуламХабиб

2 НОЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РАСПОЗНАЮЩЕГО ДАТЧИКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И СОРТИРОВКИ ОБЪЕКТОВ ПО ЦВЕТОВЫМ ПРИЗНАКАМ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель - к.т.н., проф. А.А.Гоголь.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Л.Н.Щелованов.

к.т.н.,доц. Ч.Г.Постарнак.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита диссертации состоится «Ш.......^^^^/^Ггг..... 1997 г.

в час. на заседании диссертационного совета К 118.01.01 при Санкт-

Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу 191186, СПб, наб.реки Мойки, д.61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, ■ просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан

.........1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т н. доцент

В X Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных направлений развития современной электронной техники является создание разнообразных датчиков, позволяющих автоматизировать процессы контроля, наблюдения и сортировки объектов.

Актуальной, проблема создания таких датчиков представляется в различных областях науки и техники, например, в фармацевтической, лакокрасочной, текстильной, хлебопекарной и др. отраслях промышленности, где приходится, в одних случаях только контролировать, а в других контролировать и сортировать огромные потоки разнообразных объектов.

Это обстоятельство заставляет искать новые пути решения проблемы наблюдения и сортировки производственных • объектов. Одним из таких перспективных направлений является создание' распознающих датчиков, позволяющих различать объекты по яркостным и цветовым признакам.

Стандартизация освещенности и цветовых характеристик человеческого зрения позволила создавать инструменты для измерения цвета, однако для контроля многих производственных процессов нет необходимости измерения координат цвета контролируемых объектов, а представляет интерес оценка отличия цвета образца, принимаемого за эталонный, от испытуемого, т.е. наиболее важной характеристикой представляется различимость цветов, позволяющая обеспечить сортировку объектов. Такой подход позволяет несколько упростить требования к датчику и в то же время сохранить его эксплуатационные параметры.

В настоящее время рядом зарубежных фирм созданы распознающие датчики цвета, позволяющие осуществить наблюдение и сортировку объектов. Однако эти датчики не обеспечивают одновременное выполнение таких требований, как малое энергопотребление, высокая разрешающая способность, нечувствительность к изменению расстояния между объектом и датчиком (глубина дистанции) и простота изготовления и эксплуатации.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей создания бесконтактных портативных распознающих датчиков по цветовым отличиям, обеспечивающих надежный контроль производственных процессов

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Проведен сравнительный анализ известных методов и устройств для контроля цвета объектов.

2. Предложен метод построения распознающего датчика, позволяющий значительно увеличить надежность различения объектов по яркостным и цветовым отличиям при изменениях расстояния между объектом и датчиком.

3. Разработана методика оценки разрешающей способности датчика по Р?, в. В уровням.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований параметров датчика цвета.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории вероятностей и математической статистики, машинного моделирования, методы теории цепей и сигналов.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы, полученные при решении поставленных задач, достоверность которых подтверждена результатами опытной эксплуатации, могут быть использованы при проектировании распознающих датчиков по яркостным и цветовым признакам в соответствии с заданными требованиями

Публикации. Результаты работы опубликованы в статье в журнале 'Техника кино и телевидения".

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 40 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сравнительный анализ известных методов и устройств показал, что наиболее перспективным методом построения портативного недорогого датчика цвета является метод, использующий освещение объекта Р. С, В светодиодами

2. Анализ возможных методов построения оптической схемы датчика показал что наилучшие результаты дает оптическая схема с совмещением оптических осей источников излучения.

я

3. Выбранные методы создания датчика цвета позволяют обеспечить высокие технические параметры устройства: разрешение не менее 256 уровней по RGB сигналам, глубину дистанции не менее ±25%. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты и раскрыта научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первом разделе диссертации проведен сравнительный анализ современных методов и приборов, предназначенных для контроля и сортировки объектов в производственных условиях.

Анализ рассмотренных датчиков цвета показал, что наиболее точные приборы, спектрофотометры и колориметры, требуют жестких условий для наблюдения и освещения, имеют значительные габариты и массу, а также время измерения порядка сотен мс, что недопустимо для широкого круга применений в промышленности.

В то же время, датчики цвета, обнаруживают различие цветов, порядка Eab > 10, но имеют: время измерения несколько мс; дистанцию измерения от 0 до 100 мм и. для измерения на просвет, до нескольких метров; глубину дистанции до 10%; нечувствительность к углу наклона до 5-10 градусов; малые габариты и вес.

Наиболее совершенными, с точки зрения достижения минимально обнаруживаемой разности цветов, в настоящее время являются датчики с источником белого света. Улучшение параметров в этом случае достигается за счет увеличения мощности излучения до такой величины, чтобы достичь требуемого отношения сигнал/шум. Однако это преимущество имеет и обратную сторону, так как увеличение мощности излучения приводит к увеличению энергопотребления (обычно используют лампу мощностью порядка 10 Вт) и, соответственно к увеличению габаритов изделия

Значительный прогресс в развитии светодиодов.а также их преимущества по отношению к другим источникам света (малая потребляемая мощность.

возможность высокочастотной модуляции светового потока, большой срок службы) позволяют говорить о перспективности создания датчиков цвета на их базе.

Параметры датчика, в основном определяются выбором оптической системы. Поэтому, во втором разделе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с построением оптической системы распознающего датчика, выбором источника и приемника излучения

Основными видами электрических источников света являются лампы накаливания, газоразрядные лампы, импульсные источники излучения, лазеры, светодиоды и др.

В диссертации сформулированы требования, которым должен удовлетворять источник освещения, используемый в распознающем датчике цвета:

■ небольшие габариты, так как обычно для целей контроля используется целая группа разнообразных датчиков в ограниченном пространстве, и, кроме того, датчик цвета должен иметь возможность применения в самых разных условиях;

■ низкая стоимость, т.к. во многом цена изделия определяется ценой источника света;

■ мощность излучения, достаточная для достижения необходимого отношения сигнал/помеха на выходе фотоприемника;

■ малая мощность потребления, что связано как с габаритами изделия, так и с общей тенденцией к снижению энергопотребления;

■ высокая надежность, т.к. необходимость замены источника света в период эксплуатации значительно ухудшает потребительские свойства изделия:

■ возможность цветоразличения.

Анализ источников света, с точки зрения приведенных требований, привел к следующему выводу, наиболее пригодными в датчиках цвета в настоящее время являются галогеновые лампы и светодиоды.

К преимуществам галогеновых ламп следует отнести:

■ значительно большую мощность излучения. Это позволяет простыми методами обеспечить необходимое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника, и избавиться от влияния окружающего света.

■ довольно равномерный спектр излучения, что позволяет создавать датчики со спектральными характеристиками, обеспечивающими достаточно хорошую оценку различия цветов.

Основными недостатками галогеновых ламп являются:

■ значительно большая мощность потребления, что. в свою очередь, приводит к увеличению размеров изделия;

■ недостаточный срок службы, что заметно усложняет эксплуатацию.

Наиболее существенным преимуществом светодиода является возможность

импульсной засветки простыми способами. Это позволяет, во-первых, путем фильтрации достаточно легко избавиться от вредного влияния окружающего света, а, во-вторых, во много раз снизить потребляемую мощность, по сравнению с постоянной засветкой.

Недостатками светодиодов являются:

■ меньшая мощность излучения;

■ сложность обеспечения соответствия спектральных характеристик излучения спектральным характеристикам наблюдателя простыми способами.

Выбор источника и приемника излучения неразрывно связан с построением оптической системы датчика.

По признаку совмещения оптических осей источников и приемника излучения в диссертации выделены три основных варианта построения оптической системы датчика:

■ без совмещения оптических осей источиков и приемника излучения;

■ с совмещением оптических осей источников излучения

■ с совмещением оптических осей источников и приемника излучения.

В диссертационной работе показана принципиальная возможность достижения глубины дистанции (интервал расстояний между датчиком и объектом, изменение положения в котором объекта, не приводят к недопустимым ошибкам сличения цветов) при смещении оси фотоприемника относительно оптической оси источника

Исследования показали что в сг>^ае наиболее простого варианта выполнения датчика (без совмещения оптических осей) появляется ошибка в определении цвета, обусловленная снятием различных сигналов Я.в.В с разных

участков объекта, растущая по мере увеличения дистанции, а также при изменении угла наблюдения за счет перераспределения расстояний от отдельных пятен на объекте до приемника.

Основным условием снижения этой ошибки является совмещение оптических осей всех В,в,В светодиодов с оптической осью линзы передатчика -использование светового коллектора.

Можно воспользоваться различными способами совмещения световых потоков, однако наилучшие результаты можно ожидать от использовании дихроичных зеркал, которые имеют высокий коэффициент оптической передачи и позволяют достичь высокой степени пространственного совмещения потоков излучения от разных источников.

Для разработанного датчика были специально изготовлены дихроичные зеркала, спектральные характеристики которых адекватны спектральным характеристика выбранных светодиодов.

Оптическая система с совмещением оптических осей источников и приемника излучения может быть получена из предыдущей путем введения дополнительного полупрозрачного зеркала, разделяющего входной и выходной световые потоки.

Показано, что такая оптическая система имеет существенные недостатки, связанные с значительными потерями на полупрозрачном зеркале и обратным отражением излучаемого потока в фотоприемник.

Исследования, проведенные в этом разделе диссертации, показали, что:

■ при построении распознающего датчика цвета, в зависимости от предъявляемых требований, могут быть использованы три основных варианта, отличающихся степенью совмещения оптических осей источников и приемника света.

■ самым простым в реализации является датчик с оптической системой без совмещения оптических осей. Однако такой датчик может быть использован только в тех производственных процессах, где может быть обеспечено небольшое изменение (порядка 1-2 мм) расстояния между датчиком и контролируемым объектом

■ наиболее перспективным на данном этапе является датчик с совмещением оптических осей источников света Оптическая система такого датчика позволяет получить совмещение освещающих пятен на контролируемом

объекте. Это дает возможность обеспечить независимость работы датчика

в режиме контроля как цвета, так и яркости образцов при значительных

колебаниях расстояния между датчиком и объектом. Кроме того, при этом

значительно улучшается эстетика восприятия освещающего пятна и

облегается его наводка.

Третий раздел диссертации посвящен теоретическим исследованиям оценки

основных параметров датчика.

Датчики для наблюдения и сортировки объектов по яркостным и цветовым

признакам (коэффициенту отражения образца, его цвету, штриховым графикам,

цветным маркерам и т.д.) обычно характеризуют следующими основными

техническими параметрами:

и разрешающей способностью по И,С,В уровням принимаемого от образца

сигнала. Этот параметр учитывает как чувствительность датчика к

цветовым изменениям, так и ширину рабочего диапазона выходной

величины, и оценивается обычно количеством уровней. Для лучших

современных датчиков эта величина достигает 256;

ш глубиной дистанции. Для большинства производственных целей достаточно

располагать глубиной дистанции порядка 20% от оптимальной дистанции;

я размером чувствительной области, т.е. фактически пространственной

разрешающей способностью. Этот параметр определяет размеры

контролируемых участков образцов.

В диссертации произведена оценка разрешающей способности датчика по Я,

в. В уровням. При расчетах исходили из того, что результаты оценки цвета

образцов будут представляться в цифровом виде и, соответственно, квантование

сигнала приводит к появлению специфической помехи - шуму квантования,

который действует совместно с флуктуационной и фоновой помехи и приводит к

снижению точности измерений.

Дисперсия отсчетов сигнала составляет

2 2 2 2 о = аф - а« - а„

где - с,-'. а,,2, соответственно, дисперсии флуктуационной низкочастотной составляющих и шума квантования

Если предположить что случайная величина распределена по нормальному закону, то 95% ее значений находятся в пределах от - 2ст до +2а. На этом основании разрешение датчика или номинальное число ступеней квантования можно определить следующим образом

N = I) 12а.

где 1) - номинальное значение И,в,В сигналов при отражении от белой бумаги.

Таким образом для нахождения разрешающей способности датчика необходимо определить размах сигнала на входе АЦП и дисперсии всех составляющих.

Расчеты, проведенные в диссертации показали, что ток в фотоприемнике, вызванный потоком излучения отраженным от объекта, при современных светодиодах составляет величину порядка

¡п Е 45 нА.

Отсюда возникают высокие требования к проектированию электронной части прибора.

Расчеты влияния низкочастотной помехи, обусловленные окружающим светом, показали, что отношение сигнал/низкочастотная помеха составляет:

IV 19

Учитывая, что при использовании в качестве источника света светодиодов, достаточно легко перенести спектр полезного сигнала в область частот, расположенных выше спектра фоновой помехи, и помеху отфильтровать, в дальнейших расчетах влиянием фоновой помехи пренебрежем.

Известно что погрешность возникающая в результате квантования величины по значению имеет равномерный закон распределения вероятности, так как внутри пределов одной ступени все значения и одинаково вероятны, то есть АЦП можно рассматривать как источник дополнительной помехи с дисперсией с„2 = Я3/12. где р - интервал квантования.

Достижения современной электроники позволяют использовать 10-12 разрядные АЦП без заметного удорожания изделия В этом случае квантование почти не изменит среднеквадратического отклонения суммарной случайной погрешности Тогда разрешающую способность датчика можно определить как

N = и /2стф = Т/2, где V - отношение сигнал/помеха.

В диссертации рассмотрено влияние флуктуационной помехи.

Шум на входе предварительного усилителя вызывается следующими факторами: тепловой шум ¡тп, дробовой шум темнового тока ¡др, квантовый дробовой шум ¡мр. Полный шумовой ток равен сумме всех его составляющих, то есть:

1п 1тп т др т '«ДР ■

Показано, что при отсутствии окружающего света отношение сигнал/помеха на выходе фотодетектора будет определяться тепловым шумом и составит:

¡А,, = ¡с РУ4КТВ, где К = 1,38-10"23 дж/к - постоянная Больцмана;

Т - температура в К;

В - полоса пропускания;

Я - резистор в цепи смещения. При = 300 кОм

¡тп2 = 4-1,38-10"гз- 300 В/3-105 = 5,52-Ю'26 В Аг/Гц

При В = 5-105 Гц ¡т = 0,167 нА.

¡Лп * 270.

Установлено, что при наличии окружающего света отношение сигнал/помеха может значительно ухудшиться за счет квантового дробового шума:

¡„р2 = 2е1фВ.

где 1ф - фототок. генерируемый падающими фотонами.

Очевидно, что в нашем случае, когда окружающий свет значительно сильнее света от светодиодов. квантовый дробовой шум будет определяться фототоком, генерируемым под воздействием окружающего света. Если принять 1ф = 3.75 мкА то = 0.39 нА.

¡Лдр= 45/0,39 а 116.

Для уменьшения величины фототока, вызываемого окружающим светом, учтено, что используемый фотодиод имеет спектральную чувствительность в диапазоне 400 - 1100 нм, а используемый в датчике цвета диапазон составляет 400 - 700 нм. Это обстоятельство позволило повысить отношение сигнал/помеха за счет использования соответствующего светофильтра. Как показали эксперименты выигрыш в этом случае достигает двух раз.

Поскольку отношение сигнал/помеха растет пропорционально величине фототока ¡с и обратно пропорционально полосе пропускания В, а зависимость интенсивности потока светодиода от тока через него "!„ пропорциональна, то наиболее эффективным способом увеличения отношения сигнал/помеха, очевидно, является повышение тока ¡с,. Однако каждый тип светодиода имеет свой максимально допустимый пиковый и средний ток, т.е. дальнейшее повышение оптической мощности излучения может быть достигнуто путем расширения импульса или использования пакета импульсов в течение одного цикла измерения. Поскольку мощность светодиодов разного цвета заметно отличается, то на менее мощный диод можно выделить большее количество импульсов. Это позволило, за счет усреднения получить выигрыш в отношении сигнал/помеха более 5 раз, т.е. достичь отношения сигнал/шум более 500, а разрешения датчика более 250 при времени измерения не более 1 мсек..

Результаты исследований, выполненных в этом разделе, привели к следующему выводу:

Разрешающая способность датчика, в основном обусловлена отношением сигнал помеха на выходе усилителя. При этом, в зависимости от условий наблюдения могут преобладать либо тепловые шумы нагрузочного резистора, либо квантовый дробовый шум. вызванный окружающим светом.

Оптическая схема датчика с совмещением источников излучения позволяет достичь разрешающей способности порядка 50 уровней по РШ.В сигналам при однократном измерении Для достижения требуемой разрешающей способности необходимо использовать усреднение отсчетов. При этом, время измерения

порядка 1 мс уже достаточно для того, чтобы получит^ разрещающую способность не менее 256 уровней.

Задачи исследования глубины дистанции и размеров пятна в диссертации были выполнены экспериментальным путем.

В четвертом разделе диссертации рассмотрены вопросы практической реализации разработанных методов и представлены результаты экспериментальных исследований.

Датчик содержит оптическую головку, блок аналоговой обработки, контроллер, эмулятор и компьютер.

Было рассмотрено несколько вариантов схем аналоговой обработки сигнала от оптического приемника. При этом, к схеме обработки предъявлялись следующие основные требования:

и высокое отношение сигнал/помеха (как показали исследования разрешающей способности датчика по уровням Я, в, В ситала отношение сигнал/помеха на входе АЦП должно бьггь не менее 50); и достаточно высокая степень фильтрации низкочастотной помехи от

окружающего света (порядка 30 раз); и широкий динамический диапазон, обусловленный как изменением потока излучения, отраженного от различных образцов, так и изменением условий контроля, когда окружающая засветка может меняться от величин близких к нулю до 10ОО лк;

■ стоимость с точки зрения как применяемых элементов, так и простоты настройки.

В результате работы был разработан макет датчика и проведены его экспериментальные исследования.

Целью экспериментальных исследования являлось определение основных параметров датчика цвета:

и размеры чувствительной области (величина считывающего пятна);

■ глубина дистанции, в пределах которой изменение измеренной разности между цветом эталона и образца (0^), не превышают допустимой величины:

■ разрешение датчика (минимальная обнаруживаемая разность цветов);

■ влияние угла наклона объекта относительно датчика цвета на результаты оценки цвета.

В диссертации была разработана методика проведения экспериментальных исследований.

Эксперимент по определению размеров чувствительной области показал,что размеры пятна на уровне 1% от максимума составляют 6-10 мм при изменении дистанции от 30 мм до 50 мм.

Эксперименты по определению остальных характеристик проводились с помощью эталонов цветов из атласа Манселла.

Результаты экспериментов показали, что разброс показаний для режима не превышает 1 - 2 %.

Разность цветов двух соседних по насыщенности карточек, отличающихся на 1, составляет около 3%, а отличающихся на 2 - 4-5%.

Для двух соседних карточек, отличающихся по яркости на 1, разность превышает 16% и возрастает с ростом яркости.

Для карточек, отличающихся по цветовому тону, но совпадающих по V (величине) и С (хроме), разность между близкими тонами составляет 1-2%, т.е. находится на уровне разброса показаний.

Все результаты приведены с учетом изменения показаний от расстояния между объектом и датчиком (30 - 50 мм).

Можно сделать вывод, что для глубины дистанции 30 - 50 мм разрешение датчика не хуже С=1, \/<1 по атласу Манселла

При изменении угла наклона до 10% разрешение датчика падает до С »2-4 и

Экспериментальные исследования показали, что глубина дистанции, в которой изменение цвета не превышает 1 5%. составляет 30 - 50 мм.

Иследования. представленные в этом разделе диссертации, приводят к следующим выводам:

1. Размеры чувствительной области пои изменении дистанции от 30 до 50 мм составляют 6-10 мм.

1.1

2. Рабочая дистанция Color Sensor составляет 30 - 50 мм при допустимой погрешности 1-2%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Сравнительный анализ известных методов и устройств оценки отличия цветов показал, что наиболее перспективным является метод, основанный на поочередном освещении контролируемого объекта источниками света на светодиодах.

2. Теоретические и экспериментальные исследования различных оптических схем датчика показали, что наилучшие результаты могут быть получены при использовании оптической схемы с совмещением оптических осей источников излучения.

3. Проведенное теоретическое исследование разрешающей способности датчика показало, что существующие в настоящее время светодиоды в выбранной оптической схеме позволяют обеспечить разрешающую способноть, порядка 256 уровней по R,G,B сигналам. Это соответствует лучшим зарубежным образцам на галогеновых лампах и вполне достаточно для большинства производственных процессов.

4. Разработанная методика расчета оптической системы датчика позволяет исходя из заданных эксплуатационных характеристик (требуемая глубина дистанции, размеры чувствительной области) выбрать оптические элементы, определить точность их установки.

5. Разработанная методика проведения экспериментальных исследований на специально сконструированном стенде с помощью образцов из атласа Манселла позволила автоматизировать процесс проведения испытаний и приблизить его к эксплуатационным условиям.

Полученные экспериментальные данные дали хорошее совпадение с результатами теоретических исследований и показали, что выбранная оптическая схема позволяет обеспечить глубину дистанции, порядка - 25% от оптимального расстояния По этому параметру разработанный датчик превосходит лучшие зарубежные образцы и удовлетворяет большинству производственных процессов.

6. Выбранные решения позволяют сконструировать прибор небольших габаритов и стоимости.

7. Дальнейшее развитие распознающего датчика связано с применением световодов. Использование световодов приводит к значительным потерям света, однако значительный прогресс, достигнутый в последние годы в повышении мощности излучения светодиодов, позволяет надеяться на компенсацию этих потерь. В то же время, применение световодов позволяет упростить установку зтих датчиков в производственных условиях, т.е. облегчить эксплуатационные условия.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Мохаммад Юсуф Гулам Хабиб, Гоголь A.A., Стригин В.А.. Черный В.Я. Датчик цвета для контроля производственных процессов. Техника кино и телевидения. (Статья одобрена и принята к публикации в журнале в ближайших номерах)*.

'Публикация данной работы подтверждается справкой из редакции журнала.

Подписано к печати 08.10 97 г Объем 1 печ л. Тираж 60 экз Зак

РИО СПб ГУТ. 191186 С-Петербург Нас р Мойки, д 61