Disseny del control d’un sistema de desplaçament lineal...

Disseny del control d’un sistema de desplaçament linealper adquisició i processat d’imatges

Titulació: Enginyeria Automàtica i Electrònica industrial

AUTOR: Salvador Ibañez GarciaDIRECTOR: Pedro Garcés Miguel

DATA: juliol de 2003.

Índex

Capítol 1 : Introducció ....................................................................................... 11.1- Objectiu1.2- Plantejament Inicial1.3- Descripció de les tècniques de mesura no intruses1.4- Descripció general de l’automatització

Capítol 2 : Sistema Mecànic ............................................................................. 72.1- Consideracions sobre el disseny mecànic2.2- Determinació de les dimensions i característiques de la guia2.3- Anàlisi estàtic del conjunt2.4- Anàlisi dinàmic del conjunt2.5- Selecció del motor en funció dels paràmetres calculats

Capítol 3 :Sistema Elèctric ................................................................................ 213.1- Descripció del conjunt motor-driver3.2- Modelat del conjunt driver-motor – Aproximacions A3.3- Modelat del conjunt driver-motor – Aproximació B

Capítol 4 : Sistema de control de moviment ...................................................... 364.1- Descripció de la targeta de control de moviment4.2- Descripció del software4.3- Programes desenvolupats

Capítol 5 : Sistema de captura d’imatges .......................................................... 505.1- Descripció del conjunt càmera - òptica5.2- Targeta d’adquisició de la senyal de vídeo5.3- Descripció del software de tractament d’imatges5.4- Aplicació desenvolupada5.5- Programes desenvolupats

Capítol 6 : Integració del conjunt ....................................................................... 696.1- Diagrama en blocs general6.2- Algoritme de control6.3- Descripció econòmica

Conclusions ...................................................................................................... 77

Bibliografia ........................................................................................................ 78

Annexos ............................................................................................................ 80Annex 1 : PlànolsAnnex 2 : Programes LabVIEW i models MATLABAnnex 3 : Característiques tècniques d’elements seleccionatsAnnex 4 : Notes tècniques d’interès

Control de desplaçament lineal per adquisició d’imatges Capítol 1

1

CAPÍTOL 1 : INTRODUCCIÓ

Per la realització d’experiments relacionats en la Mecànica de fluids sovint es donensituacions en que s’han de pendre un gran nombre de mesures amb sensors o dispositiusde mesura situats en diferents posicions. Les mesures aconseguides d’aquesta manerapermeten confeccionar més tard, per mitjà de programes adients, mapes vectorials develocitat o definicions de zones de temperatura, ambdós elements bàsics en l’estudi delcomportament dels fluids. En els laboratoris de recerca del Departament d’EnginyeriaMecànica de la Universitat Rovira i Virgili hi han diferents sistemes de mesura treballantamb aquest tipus de experimentació realitzant aquestes mesures de manera manual. Elssistemes de posicionament actuals no es troben automatitzats, amb la qual cosal’investigador, necessita més temps per a realitzar els experiments o li cal l’ajut d’altrespersones. Un problema afegit són les possibles desviacions degudes a realitzar elposicionament manualment. Finalment, hi han experimentacions en les que per la velocitatdel fluid o les condicions d’entorn no és possible un posicionament manual la qual cosaimpedeix la realització d’aquests experiments.Per tal de solucionar aquesta problemàtica, es planteja automatitzar aquest posicionamentde la manera més efectiva i versàtil possible. Com que els possibles equips i sistemes sónmolt diversos, ja que poden anar des del posicionament de sondes de fil calent en un túnelaerodinàmic fins al moviment d’un perfil-probeta dins d’un canal obert d’aigua ,el que s’habuscat un cas representatiu per desenvolupar aquesta automatització, de manera que, lasolució adoptada fos fàcilment “exportada” a altres sistemes.En una situació genèrica, el sistemes de mesura recullen el comportament de líquids sotadiferents condicions d’entorn i per realitzar aquesta mesura, hi han diferents equipaments.Si parlem, però, de tècniques no intruses, és a dir que el sensor no distorsioni amb la sevapròpia presència la mesura, les tècniques es redueixen a : el PLIF ( Planar Laser InducedFluorescence ), el PIV ( Particle Image Velocimetry ) i l’LDV ( Laser Doppler Velocimetry).Aquestes tècniques es descriuen breument en l’apartat 1.2. D’entre aquestes tècniques, laescollida pel desenvolupament final és la anomenada PLIF, ja que és la que inclou méselements, i per tant, els altres muntatges quedarien incloses dins la aplicaciódesenvolupada.

1.1 Objectiu

Dissenyar l’automatització d’una experimentació basada en la tècnica de mesura PLIF ambl’anàlisi de tots els elements necessaris per portar-la a terme. L’entorn de treball seria untúnel hidrodinàmic i les condicions d’experimentació les fixades pels futurs usuaris.


2

1.2 Plantejament inicial

Es proposa dissenyar un sistema format per un posicionador controlat per un dispositiucapaç de capturar una imatge i processar-la. Amb les dades aconseguides, aquestdispositiu donarà les instruccions necessàries per modificar la posició. El diagrama deblocs funcional de la figura 1.1 és la versió simplificada d’aquesta proposta.Aquest plantejament serà portat a terme per a quatre elements bàsics. El primer serà lapart mecànica que suporti una estructura per ubicar els diferents elements necessaris per latècnica PLIF i de com a mínim la mateixa longitud de la estructura transparent per on esmourà el fluid. El segon és un element capaç de dotar de moviment aquest posicionador. Elsegüent element controlarà la posició en funció de la informació recollida pel bloc previ i pelcinquè i últim bloc responsable de la captura i processat d’imatge. Aquest control demoviment compararà les dues posicions i s’encarregarà de donar les consignes perrectificar ( en cas necessari ) la posició.

Figura 1.1 Diagrama en blocs del funcionament general del muntatge

1.3 Descripció de les tècniques de mesura de velocitat no intruses

Les tres tècniques que es descriuen basen el seu principi de funcionament en una font dellum coherent ( làser ), és a dir, la llum emesa té una longitud d’ona coneguda, a més d’unadispersió pràcticament nul·la amb l’ús d’una lent col.limadora.L’LDV [12] és un instrument, el qual, realitza la mesura del desfàs Doppler d’una llumdispersada per una partícula en moviment. En el funcionament de l’LDV es generen dosfeixos de diferents longituds d’ona, en un dels quals, tenim una freqüència diferenciada.Amb una lent, concentrarem els feixos en un punt anomenat “probe volume “. Si unapartícula travessa aquest punt produirà una llum dispersada, la qual pot ser recollida permitjans òptics, i que ens oferirà la informació referent a les diferents components de


3

Figura 1.2 Tall que permet veure el camí òptic d’un aparell LDV 2D Backscattering

velocitat. Mitjançant sistemes electrònics (fotodiodes, “digital burst correlator”, etc ),identificarem les diferents característiques d’aquesta llum i l’analitzarem per aconseguir,gràcies a un software específic i targetes d’adquisició de dades, els vectors velocitat. Espot observar el circuit òptic d’un sistema de LDV en la figura 1.2

En el funcionament dels sistemes PIV [12], trobem alguns punts de coincidència ambl’LDV, però la seva diferència fonamental, és que en lloc de mesurar velocitats en un punt,aconseguim mesurar camps de velocitat, és a dir, la velocitat de un nombre determinat depunts en un pla. La manera d’aconseguir això és la següent: partint d’una font de llum làser,crearem per mitjans òptics un pla de llum de forma que en lloc de tenir un raig tindrem unafulla molt estreta de llum. Quan una partícula del fluid es trobi dins d’aquest pla, podrà serenregistrada la seva posició. Si s’aconsegueix enregistrar la posició d’aquesta partícula endos instants de temps diferents, podrem determinar el vector velocitat d’aquesta.Per això, s’utilitzen enregistradors d’imatge i programes de correlació i identificació per talde poder dibuixar camps de velocitat. En la figura 1.3 es pot veure un esquema simplificatque il·lustra aquesta tècnica.

Figura 1.3 . Esquema bàsic dels elements que formen el sistema PIV.


4

La tercera tècnica de mesura és la PLIF (Planar Làser Induced Fluorescence) i sobre elladesenvoluparem la aplicació d’aquest projecte. Aquesta tècnica és un mètode qualitatiu perobservar la evolució de determinades estructures turbulentes en fluids. Amb un “jet” d’unasubstància anomenada fluoresceina, que entre les seves propietats es troba la d’unaemisivitat molt elevada al ser “excitada” per una determinada longitud d’ona concreta comés el cas del làser, es pot observar el comportament d’un flux en un entorn determinat. Lafigures 1.4 i 1.5 ens mostren dues visualitzacions típiques una d’elles realitzades ambaquesta tècnica al DEM de la URV.Així en els experiments que es plantejant en aquest projecte, tenim un túnel o canalhidrodinàmic, en el qual hi col·loquem l’objecte a estudiar i a on tenim diverses opcions demesura. Amb una primera opció, que és la que estudiarem, podem fer un anàlisi qualitatiucol·locant aigües amunt un o més "jets" de fluoresceina per ser estudiades amb PLIF. Peròa més, hi ha altres fàcilment adaptables com, amb un pla làser i un sembrat de partículesanalitzar una zona determinada (PIV) o una tercera, si es vol conèixer la velocitat exacted’un punt concret del camp de velocitats dirigint el “probe volume” d’un LDV cap aquestpunt.

Figura 1.4 Visualització genèrica de remolins .

Figura 1.5 . Visualització en PLIF realitzada al DEM de la URV


5

1.4 Descripció general de l’automatització

Abans de començar l’anàlisi més profund de les diferents parts anem a donar una visió deconjunt de, quins són els trets bàsics dels blocs que formen la automatització del projecte.Com ja hem comentat abans, hi han quatre sistemes bàsics :

1. Sistema mecànic2. Sistema elèctric3. Sistema de control de moviment4. Sistema de captura d’imatges

Com a norma general de treball es planteja que la integració dels diferents sistemes en unaúnica aplicació imposa buscar elements el més compatibles possible entre si, per evitarproblemes de comunicació entre blocs o tenir que desenvolupar circuits “jumpers “ entresistemes.

La figura 1.6 és un croquis de com podria ser el muntatge de l’equip experimentaltreballant amb PLIF.

Figura 1.6. Disposició general dels diferents elements del muntatge pel PLIF


6

Sistema Mecànic

Aquesta serà la part encarregada de moure l’element de mesura de manera que estiguicentrat sobre la zona a estudiar, mentre el fluid es troba en moviment. Si considerem elposicionador com a guia lineal , hi han dues característiques bàsiques que haurem de teniren compte : el pes i la velocitat de treball. Aquest primer, vindrà fixat pel disseny de laestructura que suporti els diferents elements de mesura i aquests mateixos. Respecte a lavelocitat de treball serà funció de les condicions d’experimentació, i aquestes, segons elsusuaris, es troben al voltant de 0.5 m/s

Sistema Elèctric

La part bàsica d’aquest sistema és el motor, encara que en trobem d’altres com lareductora i el driver. Quan estem parlant d’un muntatge com el que es proposa, en el qualés necessari una regulació fina de velocitat, els tipus de motor que es poden utilitzar sónprincipalment els servomotors i per tant l'associació amb el driver és inevitable formantpràcticament un element únic. La reductora és bàsica en aquesta casos ja que normalmentes buscar augmentar el parell del posicionador, convertint les elevades velocitats de sortidadel motor en forces.

Sistema de control de moviment

Ha de determinar la posició, en funció de les senyals que arribin sobre el seguiment de laimatge capturada. Per tant serveix de pont entre el sistema de visió i el dispositiu que fixales noves posicions del posicionador. Evidentment en aquesta part és tant fonamental, elhardware, com el software a desenvolupar.

Sistema d’adquisició i processat d’imatges

La responsable del moviment automàtic és aquesta part. S’anomena d’adquisició iprocessat ja que ha de, a més capturar les imatges, realitzar el seu tractament perdeterminar quin ha estat el desplaçament . A més del hardware, que inclou una targetad’adquisició, càmera i òptica , tenim el desenvolupament del software de processat.Cal diferenciar entre les dues cameres que es poden trobar per aquesta aplicació : 1) lacàmera d’enregistrament pel sistema PLIF i 2) la d’automatització del moviment. Quan esparla de la càmera en la descripció del sistema d’adquisició i processat d’imatges s’estàparlant d’aquesta segona (2). En canvi , quan es fa referència a la tècnica PLIF parlem dela primera (1). Totes dues es poden trobar molt properes, encara que poden ser decaracterístiques molt diferents. Intentar integrar les dues en una única càmera, suposacoordinar ambdós processos, cosa que a més de complicar força l’aplicació, implica unamillora (i encariment ) del hardware associat.


7

CAPÍTOL 2 . SISTEMA MECÀNIC

En aquest capítol es repassen els aspectes més importants referents a la part mecànicadel projecte, és a dir , el sistema que físicament transmet el moviment des del control i queposiciona els diferents elements requerits per a una aplicació de PLIF ( el làser i lacàmera de captura d’imatges). El “transmissor de moviment” proposat és una guia lineal ipel posicionador s’ha dissenyat una estructura d’alumini. L’anàlisi , en una primera part,revisa les possibles solucions disponibles en el mercat per les necessitats plantejades, aixícom, les seves principals característiques. La segona part fa referència a l’estructura desuport que subjecta els dos elements necessaris per implementar una mesura en PLIF.Finalment, amb les dades prèvies plantejades, s’estudien des del punt de vista estàtic idinàmic el comportament del conjunt i es selecciona el motor corresponent.

2.1 Consideracions sobre el disseny mecànic

El posicionador serà l’encarregat del moviment lineal del conjunt càmera+estructura desuport+làser, de manera que la mesura es realitzi centrada sobre la “taca” a estudiar. Siconsiderem el posicionador com una guia, hi han vàries característiques bàsiques quehaurem de tenir en compte com són : la longitud útil de carrera, la posició de muntatge, elpes a desplaçar, la velocitat del conjunt i acceleració de treball.

Respecte el pes, quins són els elements que haurà de moure el posicionador ?1-Un conjunt PLIF és format pel dispositiu enregistrador ( càmera ) i l’il·luminador (làser).Aquest dos elements considerant la situació més desfavorable estaran al voltant d’unquilogram per la càmera i d’uns 5 Kg pel làser.2- L’estructura metàl·lica de suport als dos elements anteriors. Com es podrà veure enl’anàlisi del següent apartat, el pes d’aquesta estructura es troba al voltant d’uns 5 Kg.Si considerem aquests valors i afegint un coeficient de seguretat suficientment ampli peraltres detalls a considerar (segona càmera, efectes dels cables d’alimentació i vídeo,contrapesos, etc.) poden considerar un valor de 20 Kg amb la seguretat de tenir margesuficient davant de possibles variacions.

Un cop estimat el pes , podem analitzar la velocitat i l’acceleració. Aquestes són fixadesper les necessitats del sistema configurat per l’usuari. Així, les previsions sobre aquestsvalors , indiquen una velocitat de 0,5 m/s i una acceleració d’uns 2.5 m/s2 .

Les altres consideracions del sistema les determina la estructura sobre la qual es realitzenels experiments. La longitud de carrera útil queda establerta en 2 metres i la posició detreball serà l’horitzontal.

Definits els paràmetres bàsics, mecànicament parlant, es poden veure les diferentsopcions que es presenten comercialment a l’hora de construir aquest muntatge. Desprésde l’estudi de mercat realitzat , hi han dues línies ha utilitzar : la transmissió de cargol (leadscrew) i la transmissió de corretja dentada ( tooth belt ). En la primera, l’element conductor


8

és una tija roscada , generalment amb una rosca de perfil rectangular , que en girar, fadesplaçar l’element mòbil (patí) . Les versions més sofisticades inclouen rodaments en lapart mòbil i perfils de rosca trapezoïdal.Aquestes millores són encaminades a disminuir la fricció entre les diferents parts mòbils iaugmentar la precisió del conjunt. Els sistemes amb corretja dentada tenen com a elementconductor un parell de politges i una corretja dentada per transmetre el moviment. L’elementmòbil es troba fixat en un punt de la corretja, lloc a on també normalment es realitza l’ajustde tensió.

En la taula 2.1 es pot veure una comparativa dels dos sistemes de la mateixa firmacomercial i que poden servir per observar les diferències entre les dues possibilitats, ja queels valors reflexen la filosofia de cada mecanisme.

Sistema Cargol Sistema CorretjaVelocitat màxima 0.25 m/s 3 m/sAcceleració màxima 20 m/s2 40 m/s2

Fricció 0.05 (lubricada) 0.05Força de transmissió 1000 N 315 NRepetibilitat ±0.01 mm ± 0.05 mmCarrera >2000 mm >2000 mmVelocitat de rotació 3000 rpm 1800 rpm

Taula 2.1 Comparativa de sistemes de transmissió

El sistema cargol té com a avantatges la seva més alta precisió i la possibilitat de forcesde transmissió més elevades. En canvi la corretja pot treballar a velocitats i acceleracionsde transmissió més altes amb rotacions de l’element conductor més baixes i el factor defricció és menys sensible a elements externs . Com per aquesta aplicació, el pes no és unfactor crític per cap dels dos sistemes ( els dos es troben molt per damunt del límit ) i si quecal considerar aspectes com la velocitat ( en una transmissió de cargol ens trobaríem molta prop del límit superior especificat ) l’opció més versàtil i que encaixa més bé en lesespecificacions, és la transmissió per corretja.

Altres consideracions a tenir en compte fan referència a l’estructura dissenyada i sobre laqual s’han efectuat els càlculs. S’ha estat treballant sobre vàries hipòtesi que han anatevolucionat fins arribar al resultat final. Els plànols 1 i 2 són els passos inicials del dissenyque han conduït fins la disposició final (Plànol 3). Per tal d’entendre com s’arriba a aquestresultat s’expliquen a continuació les evolucions.En primer lloc , el plànol 1 es basa en la hipòtesi d’utilitzar un sistema de doble guia sobreel qual col·locarem l’estructura d’alumini en forma de U per tal de poder situar tant el làsercom la càmera en la posició de perpendicularitat. Aquesta opció però té com a principalproblema la incorporació d’un element transmissor de parell entre les dues guies, per tald’evitar desequilibris que podrien produir enclavaments mecànics amb el conseqüent perill


9

per l’equipament i el conjunt. Dotar al conjunt d’aquesta transmissió a més de complicarmecànicament el conjunt afegeix un cost econòmic important.Partint d’aquestes consideracions , es va evolucionar cap a l’idea del doble recolzamentamb el que s’obté un major rigidesa i l’eliminació de problemes de moments si col·loquemen l’estructura càrregues considerables. Aquesta variació es pot observar en el plànol 2.Podem apreciar que s’ha substituint la segona guia per un perfil sobre el qual llisca un patí.Aquest disseny evita els moments sobre l’eix X si el contrapès es dimensionacorrectament. Un altre aspecte considerat en aquest disseny és el concepte del doble patísobre la guia principal ( o tractor). Gràcies a aquesta aplicació s’eliminen els momentsrespecte els eixos Z i Y. El doble patí proporciona una rigidesa més elevada al conjuntespecialment important a l’hora de treballar amb les velocitats i acceleracions més altes.Aquest solució , juntament amb l’estructura de doble triangle aconsegueix un conjuntmecànicament adient per a aplicació sol·licitada, a més de poder afrontar fàcilment futuresampliacions. L’inconvenient del doble patí és la pèrdua de carrera útil amb el conseqüentaugment de cost.Per últim, en el plànol 3 tenim la configuració final adoptada. Respecte a l’anterior versió, elcanvi introduït és la adopció de triangles rectangles per la estructura. El motiu és poderaconseguir la millor alineació possible entre els diferents elements que són necessaris pelPLIF. La pèrdua de carrera útil respecte l’anterior proposta queda de mateixa manera,encara que ara no és simètrica i caldrà tenir-la en compte en l’àrea de acceleració odeceleració.

2.2 Determinació de les dimensions i característiques de la guia

La guia escollida finalment entre diferents proveïdors és una NEFF de la sèrie WIESELmodel WH50 amb tracció per corretja i de la qual es pot veure el seu aspecte físic en lafigura 2.1 i les seves principals característiques en la taula 2.2.A més d’aquestes dades, en l’annex de característiques tècniques (annex 3) es podenobservar les seves dimensions físiques i detalls sobre la seva construcció i el seumanteniment.

Figura 2.1 Guia pel posicionament Marca NEFF Sèrie WIESEL


10

Característiques Mecàniques de la guiaFabricant NEFF

Model Wiesel WH50Secció perfil del la guia 50 X 50 mm

Longitud útil Màxima (carrera útil) 5000 mmRepetibilitat de posicionament ± 0.05 mmVelocitat màxima de translació 6.5 m/s

Acceleració màxima 40 m/s2

Tipus de transmissió Corretja-politjaForça màx. vertical centrada en el patí ( Fz ) 730 N

Força màxima horitzontal en el patí ( Fx ) 600 N a 0.5 m/sForça màxima pp a la direcció guia ( Fy ) 415 N

Mx 16 NmMy 87 NmMz 50 Nm

Recorregut per revolució 120 mmSecció patí 76 X 44 mm

Longitud patí ( 2 possibilitats ) 240 mm / 440 mmLongitud no útil de carrera 200 mm ( 95 + 105 )

Diàmetre de politja 38.2 mmFricció guia (eix X) 0.1

Inèrcia 1.928 e-5Secció total (amb patí ) 82 X 61 mm

Platina ancoratges 78 X 54 mmDistància eix motor a extrem guia 39 mm

Pes unitat bàsic ( amb recorregut zero ) 3.50 KgPes per 100 mm de recorregut 0.44 Kg

Pes patí ( Standard ) 0.90 Kg

Taula 2.2 Llista de característiques més importants de la guia escollida

Per completar la informació que és necessària per definir el sistema de guiatge, calanalitzar els aspectes que s’exposaran en els següents apartats. En primer lloc, tenim ladistància mínima entre patins al utilitzar la nostre estructura un sistema de doble patí.

Segons les característiques donades pel fabricant :

Distància entre patins LA ( WH50) = 250 mmForça addicional per arrossegar un segon patí F2nd = 16 N

Aquestes dades les hem de considerar al l’hora de calcular la longitud total del conjunt i elsumatori de forces (∑F).


11

Càlcul de la longitud total de la guia

Consideracions inicials : Vmax = 0.5 m/s amax = 2.5 m/s2

Altres dades :

1.- Longitud de visualització (definida per l’usuari ): 2000 mm +

Amb un longitud d’acceleració (frenada / parada) de 450 mm2.-Si considerem 2 costats més una distància de seguretat 900 mm +3.-Zona perduda pel segon patí

( ample estructura de suport zona de la guia ) 600 mm +4.- Distància entre patins

( ja que l’estructura ho garanteix ) 0 mm + ----------------------

Total longitud útil (stroke ) 3500 mm

A efectes de dimensionat total del conjunt i en el cas de considerar un suport per les guies ila resta d’elements (estructura, motors, etc.) les dimensions totals queden :

Longitud total de la guia = Stroke (3500 mm) + Mininum length ( 440 mm) = 3940 mmPes total de guia = Pes Mínim(3.5 Kg) + Pes Lineal (3.5m X 0.44) + Patí (2X0.9)=20.7 Kg

2.3 Anàlisi estàtic del conjunt

Abans de calcular el ∑F caldrà conèixer amb detall la resta d’elements que formen elconjunt . Les característiques que ens interessen són el seus respectius pesos i lalocalització c.d.g. . Començarem pels elements externs a l’estructura com són el làser i lacàmera pel PLIF (Taula 2.3), per després analitzar l’estructura. La càmera perl’automatització no s’ha considerat al ser molt lleugera.

Dimensions Totals (mm) Centre de gravetat (mm)Element

X Y Z X Y ZMassa considerada

Làser 110 77 505 55 38.5 252.5 5 kg

Càmera 50 50 200 25 25 100 1 kg

Taula 2.3 Llista de característiques més importants de la guia escollida

Així com aquests dos elements es podem extrapolar a cossos geomètrics simples, no és elcas de la estructura, per la qual, cal conèixer les longituds de cada barra, així com l’elementd’unió entre elles. Les mides i longituds és poden veure a continuació. A més en l’apartatde plànols es poden veure les localitzacions exactes acotades. Totes les barres sónd’alumini de secció 50 mm per 50 mm amb un pes considerat de 1,15 gr/ mm.


12

Figura 2.2 Acotació de les dimensions de les diferents vistes del conjunt

Els càlculs pel que fa a la primera vista considerant el triangle definit per l’exterior de labarra 3 i les dimensions interiors de la barres 1 i 2 són els següents :

a) Per calcular la distància interior , cal definir les longituds dels bocins esbiaixats :

mmbarratatBocí 31.42º76.49tan

502cos ==

mmbarratatBocí 10.59º23.40tan

501cos ==

mmbarraeriortinLongitud 04.75010.5931.4246.8513 =−−=

b) Respecte a l’altre triangle (vista 3 de la figura 2.2) , els resultats són :

º47.32º52.57º90º52.57650550

93.6513505505 22

=−===

=+=

βγ arctg

mmbarraExternaLongitud

c) Els càlculs per determinar les longituds interiors , són iguals que el cas anterior.

Considerant tots aquests aspectes podem tenir la següents taula- resum :

No. de barra Longitud Pes (1.15 gr./ mm)1 650 mm 747.5 gr.2 600 mm 690 gr.3 851.46 mm 980 gr.4 350 mm 402.5 gr.5 651.92 mm 750 gr.

Taula 2.4. Longitud i pes de les barres que formen l’estructura


13

No. Unió Barres Angle Tipus d’unió PesA 1-3 40.23º Hinge 8 320 gr.B 1-2 90º Standard Fastener 5 4 gr.C 2-3 49.76º Hinge 8 320 gr.D 2-5 32.47º Hinge 8 320 gr.E 2-4 90º Standard Fastener 5 4 gr.F 4-5 57.52º Hinge 8 320 gr.G 1-4 90º Standard Fastener 5 4 gr.

Taula 2.5 Model i pes de les diferents unions de l’estructura

Es pot obtenir el pes total de l’estructura ( sumant els unitaris ) que és de 4.862 gr.Amb totes aquestes dades ja es pot plantejar l’anàlisi estàtic. L’identificació de forces ireaccions es troba especificada al plànol 9.

0=∑ zF[ ] [ ]31810 −=−==∑−∑ jijRiF

032187654321 =−−−+++++++ RRRFFFFFFFF08.905.4935.716.461.976.635.7 3218 =−−−+++++++ RRRF

009.94 3218 =−−−+ RRRFN (2.1)

0=∑ xM( ) ( ) ( ) 0495.0238.0213.0137.0315.0 837512546 =×−+×−×+−×+++× FRFFFFFFF

0495.0)(33.261.350.245.15 83 =×++−−+ FRNmNmNmNm0495.0)(01.12 83 =×++ FRNm

495.001.12

38 =− RF

NRF 6.2438 =− (2.2)

Substituïm (2) a (1) i obtenim el següent :

2126.2409.94 RRNN +=+ (2.3)

Com a condició de disseny establirem que la major part del pes es carregui en la part de laguia i que aquesta es reparteixi igual sobre els dos patins. Així es proposa que :

zFRRR ∑=+×+× 321 22 (2.4)

RRR == 21 (2.5)


14

zFRR ∑=+× 34 (2.6)

Si s’imposa el contrapès del patí ens queda que :

NKgF 83.4758 ≈≈ (2.7)

Llavors podem determinar per 2.6 que :

NR 67.2353526.118

==

NRRR 34.47221 =×==

NR 67.233 =

2.4 Anàlisi dinàmic del conjunt

Consideracions inicials

Massa total (Sòlid rígid) = 20 KgVelocitat màxima = 0.5 m / s Velocitat màxima a l’eix = 26.17 rad/segAcceleració Màxima = 2.5 m/s2

Força d’estirament ( Feed force Fx)

µ××= gmFX µ pel model de guia escollida WH50 µ = 0.1 (2.8)

Repàs de les masses del sistema :

Referència Massa estimada ComentariEstructura d’alumini 4860 gr. Considerem el pitjor tipus d’unióLàser + Càmera 6000 gr. Estimacions fabricantContrapès 5000 gr. Càlculs estudi estàticPatí (2 unitats) 1800 gr. Dades fabricantsCorretja ≈ 200 gr. 550 gr / ml × 2.750 mTotal ≈ 17860 gr.

Taula 2.6. Llistat de masses que formen el sistema


15

Si s’aplica un marge de seguretat d’aproximadament 10 % obtenim aproximadament uns20 Kg que és el valor que utilitzarem a partir d’ara.

NgKggmFX 62.191.020 =××=××= µ

La força d’acceleració queda determinada per :

NKgamFa 505.220 =×=×= (2.9)

Amb aquestes dades inicials ja podem calcular quin és el parell motor que cal i quina seràla seva velocitat de treball. Per fer-ho, no obstant tenim dos possibles mètodes de càlcul. Elprimer es basa en les fórmules empíriques que ens dona el fabricant i el segon en lareducció dinàmica de mecanismes. Per arribar a uns valors finals el que es fa es calcular-ho segons els dos mètodes per agafar el resultat més desfavorable. Aquest valor, encarano és el final ja que només és indicatiu per la selecció de quin motor és el més adient. Ambaquesta aproximació el que es fa és obtenir una referència pels valors finals (reals) quedona el motor , que tenen que ser superiors als mínims marcats pels valors teòrics obtingutsanteriorment

Mètode 1: Formulació empírica del fabricant

Teix =Moment necessariper arrossegar la

càrrega+

Moment necessari peraconseguir l’acceleració de

2,5 m / s2+

Moment d’inèrcia delconjunt amb l’acceleració

i velocitats màximes+

Momentde parada

(Idle)(2.10)

751.160

22100021000 max

max +×××

×+×

∅×+

×

∅×=

Van

JFF

T politxaapolitxaxeix

π

751.15.05.2

602502

28.1921000

2.385021000

2.3862.19 2 +×××

×+×

×+

××

=π

µKgmNN

Teix

NmTeix 0832.3751.100253.0955.03747.0 =+++=

Determinació Moment de parada (Tidle)

n M idle

150 1.7 NmSerà necessari interpolar per 250 rpm

1500 2.4 Nm3250 3.8 Nm

( ) 751.11502501350

7.14.27.1 =−×

−+

Taula 2.7. Relació Moments –Velocitats segons fabricant


16

segradsm

smV eix /17.260191.0

/5.0/5.0max ==⇒= ω (2.11)

max25098.249min160

21

17.26 nrpmrpmsrev

srad

⇒≈=××π

Considerant que el reductor és de 1:9 amb un η=96% obtenim el següent :

Si definim el Parell del motor com T1 i el Teix com T2.

NmT

TTT

3425.09

0832.399

1 21

2

1 ===⇒= (2.12)

Amb un η=96% queda que:

TL1= 0.3288 Nm

La velocitat de treball haurà de ser :

rpm22502509919

212

1 =×=×=⇒= ωωωω

Mètode 2 : Reducció dinàmica de mecanismes

Paràmetres inicials

⇒×= RRR amF 2/5.2 smaR =

222 5.021

5.021

21

××××=××= →=

RRmm

Gc mmVmE

NamfNsmKgamF GRRRR 5050/5.220 2 =×−=→=×=×= (2.13)

Reducció en un eix :222 5.25.020

21

21

KgmVmE conjuntcinètica =××=××= (2.14)

222 60.617.2628.1921

21

grmIE politjaconjuntpolitjacinètica =××=××= ω (2.15)

22

2 007319.017.265066.22

21

KgmIEI RciRR =×

∑ =→=×× ω(2.16)


17

Moment reduït a l’eix :

22

/57.131019.0

/5.2srad

smpolitjaradiaR

R ===α (2.17)

NmKgmIM RRR 963.057.131007319.0 =×=×= α (2.18)

Amb un reductor de 1:9 i el rendiment de η=96%

NmTL 0829.096.09

9631.02 =

×= (2.19)

rpm225019

12

1 =⇒= ωωω

(2.20)

Com es pot veure hi ha diferència (3.0832 Nm pel primer Vs 0.963 Nm pel segon) entre elsdos mètodes de càlcul produïda bàsicament per la inclusió d’un parell de parada (Midle) enla forma empírica i que és d’un pes important en el conjunt final. En cas d’incloure’l en elsegon mètode, la diferència és redueix a menys de 0.03 Nm. Si es té en compte queaquestes diferències són baixes, considerarem com el valor de parell per a la selecció delmotor el del més gran, és a dir, els 3.0832 Nm. Els valors necessaris per la selecció delmotor són els següents:

Valors necessaris per la càrregacalculada sense reductora

Teix 3.082 Nm? eix 26.17 rad/srpm 250 rpm

Taula 2.8. Valors determinats a l’anàlisi dinàmica del conjunt


18

2.5 Selecció del motor segons paràmetres calculats

El es fa en aquest últim apartat és el camí invers a la anterior secció, és a dir, es tracta deseleccionar un motor en funció dels valors que hem fixat. Per això començarem perseleccionar un model i veurem després d’aplicar rendiments i una reductora quins valorss’obtenen. Amb això tindrem una referència que podrem utilitzar per escollir un model demajor o menor característiques fins ha arribar a una solució de compromís.El motor seleccionat per començar és el BLQ 43 M 45 de la firma Magnetic. Les sevescaracterístiques principals són :

Característiques BLQ 43 M 45Tmax 5.4 Nm

n max a Tmax 3030 rpmT n1 1.8 Nm

n max a T n1 4500 rpmn max a 2*T n1 3830 rpm

Taula 2.8. Llistat de paràmetres més destacats motor BLQ 43 M 45

Si es considera una velocitat de 4500 rpm amb un Tn1 de 1.8 Nm com a punt de treball (enel qual la temperatura és trobar estacionària amb un increment per sobre ambient de com amàxim 105 ºK), obtindrem els valors que podem definir com de règim continu. Si tenim encompte un diàmetre de la politja de 38 mm i que la relació de transformació pot ser de1:12, obtenim els següents resultats :

T2 és la sortida de la reductora NmTTTT

6.218.11212121

122

1 =×=×=⇒=

ω2 és la sortida de la reductora segrad

rpm 27.3937512

450012 11

21 =⇒=⇒== ωω

ωω

això voldria dir que amb un η= 96 % en a l’eix hi ha :

segrad

NmT

real

real

/7.3727.3996.0

736.206.2196.0

2

2

=×=

=×=

ω

Aquest valors queden molt per damunt del que realment ens caldria tal i com podem veurea la taula comparativa 2.9

Valors necessaris Valors obtinguts amb BLQ 43 M 45I reductora de 1:12

Teix 3.082 Nm 20.73 Nm? eix 26.17 rad/s 37.72 rad/s

Taula 2.9. Comparativa valors necessaris i obtinguts amb el motor BLQ 43 M 45


19

S’observa que la elecció es pot ajustar millor, ja que el parell és molt pel damunt del quenecessitem i pel que fa a la velocitat, tot i trobar-nos per sobre dels requeriments, caldriadeixar més marge de seguretat per intentar treballar amb velocitats més altes (si fospossible del voltant de 1 m/s, és a dir , uns 52.356 rad/seg). És clar que ens sobra parell,però ens falta velocitat en l’eix. Per aquest motiu, a més de seleccionar un altre motor,buscarem una altre relació de transformació. Així passem a un model inferior dins de lamateixa família de motors. El següent és el BLQ 43 M 30 també de la firma Magnetic.Destacarem que el seu parell en règim continu a una velocitat màxima de 3000 rpm éstambé de 1,8 Nm. Si considerem aquest valors com a punt de treball i si tenim en compteun diàmetre de la politja de 38 mm amb una relació de transformació de 1:12 i un rendimentdel 96 %, podem obtenir el següent :

T2 és la sortida de la reductora amb η=96 % NmTT 736.2096.08.11212 12 =××=××= η

ω2 és la sortida de la reductora amb η=96 % segrad

rpm 13,2524096.012

300012 1

12 =⇒=×=×= ωη

ωω

Veiem que cal canviar la relació de la reductora perquè encara s’està pel damunt en forçaperò curt de velocitat. Per tant, agafarem una reductora amb relació 1:9 i re-calcularem ambel mateix motor.

T2 és la sortida de la reductora amb η=96 % NmTT 552.1596.08.199 12 =××=××= η

ω2 és la sortida de la reductora amb η=96 % segrad

rpm 51.3332096.09

30009 1

12 =⇒=×=×= ωη

ωω

Si ho comparem amb els valors de l’apartat anterior tal i com hem fet pel motor superior,obtenim la taula següent :

Valors necessaris Valors obtinguts amb BLQ 43 M 30amb reductora 1:9


Taula 2.10. Comparativa valors necessaris i obtinguts amb el motor BLQ 43 M 30

Aquest valors han estat aconseguits considerant un increment de temperatura de 105 ºKperò si ho rebaixem a 65 ºK amb la qual cosa el valor de parell passa a ser de 1.4 irepetim els càlculs segons les dades de la taula facilitada pel fabricant la taula passa a serla 2.11

Valors necessaris Valors obtinguts amb BLQ 43 M 30amb reductora 1:9 i ?Tª:65 ºK


Taula 2.11 Comparativa valors necessaris i obtinguts amb el motor BLQ 43 M 30 amb increment de temperatura de treball de 65 ºK


20

Com es pot observar els marges són ara més estrets sobretot pel que fa a velocitat. Sianem a provar el motor inferior a aquest veiem que les condicions de velocitat millorenperò el parell queden més ajustades. Amb el següent motor de la sèrie el BLQ43S60(Parell de 0.9 però velocitat 6000 rpm ) tindríem la següent taula comparativa :

Valors necessaris Valors obtinguts amb BLQ 43 S 60amb reductora 1:9 i ?Tª:65 ºK


Taula 2.12. Comparativa valors necessaris i obtinguts amb el motorBLQ 43 M 30 amb increment de temperatura de treball de 65 ºK

Aquest compleix de millor manera els requeriments plantejats de velocitat i parell, i es pertant el més adient de tota la gamma per aquesta aplicació, té marge de velocitat al voltantd’un metre per segon i duplica els nostres càlculs de parell. En cas de pressupost ajustat ibuscar major rang en quan a velocitats aquesta seria la nostre recomanació.En cas de buscar més parell, possibilitat més probable que l’anterior i que fàcilment es potproduir en cas de canvis en l’estructura, la nostre recomanació seria seleccionar el modelsuperior analitzat anteriorment (el BLQ 43 M 30). Aquest, a més té una característica develocitat amb menys pendent, el que fa més estable davant variacions de parell properes allímit. Un altre factor al seu favor és que treballarà sempre menys forçat de capacitat que elS 60.


21

CAPÍTOL 3 . SISTEMA ELÈCTRIC

Analitzada la part mecànica del conjunt, han quedat definits uns requeriments que el conjuntelèctric haurà de complir. El motor seleccionat en el capítol anterior degut a les sevescaracterístiques parell-velocitat, és en aquest capítol analitzat, aquest cop des de la sevavessant elèctrica.Per tant, a més d’aprofundir en el motor, el capítol inclou una descripció del driver que elcontrola i de quina manera ho fa. Finalment, per tal de visualitzar el comportamentd’aquests dos elements, juntament amb els elements mecànics, s’han desenvolupatsimulacions en MATLAB segons dos tipus d’aproximació.

3.1 Descripció Conjunt driver-motor

Les característiques de la càrrega ens han definit l’elecció del conjunt de la guia, tal i comhem justificat en el capítol anterior. De la mateixa manera , el conjunt motor-driver, un copseleccionat el motor en funció de la característica parell-velocitat, ens venen marcats perl’entorn en el que ens trobem. Per definir doncs, aquest conjunt hem considerat :1er) Per evitar problemes de compatibilitat, hem intentat buscar un conjunt que assegurésuna continuïtat tant mecànica com elèctrica, així com l’avantatge que suposa treballar ambun únic proveïdor. Això redueix força la llista de candidats ja que és més difícil trobar unacompanyia que disposi del 4 elements (guia-reductora-motor-driver ) dins el seu catàleg deproductes.2on) El driver hauria d’acceptar consignes externes per tal de poder connectar el conjuntelèctric mecànic amb el dispositiu intel·ligent comandat per la càmera (que analitzaremmés endavant).3er) A més, els valors d’aquestes consignes (o senyals de control) haurien d’estar dins d’unrang que facilités la seva connectivitat amb el màxim de dispositius possibles.Així doncs, paral·lelament als aspectes purament mecànics i/o elèctrics, a l’hora de triar unconjunt s’han considerat aquest 3 punts. Això ens ha portat a la següent selecció delsequips descrits a continuació.

Motor Brushless d’imants permanents

El mètode per determinar quin motor és el més adient, al estar íntimament relacionat ambels aspectes purament mecànics, s’ha desenvolupat en l’apartat anterior. Ja s’ha vist com apartir de les dades parell-velocitat de la càrrega, s’ha buscat un configuració reductora-motor que complís sense problemes aquestes necessitats, considerant la gammadisponible i uns marges de seguretat raonables. Al final d’aquesta selecció s’arriba a duespossibles solucions a)la més adient per el muntatge actual i b)una amb més perspectivesde futur. Per desenvolupar aquest apartat, s’ha triat aquesta segona ja que dona mésmarge de maniobra que la proposta ajustada. A la informació de la proposta exposada, hiafegirem, per tal de poder modelitzar el conjunt, la informació subministrada pel fabricant.Les principals característiques d’aquest motor són exposades en la taula 3.1, i lainformació completa és pot trobar en l’annex de característiques (3).


22

Característiques del Motor BLQ 43 M 30Fabricant motor Magnetic

Tipus Brushless d’imants permanentsModel BLQ 43 M 30

Parell màxim 5.4 NmVelocitat a parell màxim 2140 rpm

Parell - Velocitat a ?Tª=65 º K 2750 rpm a 3.6 NParell - Velocitat a ?Tª=105 º K 3000 rpm a 1.8 N

Inèrcia 2 kg cm2

V alimentació 3 X 200 VrmsInductància 25 mH

Resistència ( 20 ºC ) 6.9 ΩIntensitat a rotor bloquejat

amb ?Tª=65 º K1.8 A

Intensitat a rotor bloquejatamb ?Tª=105 º K

2.3 A

BEMF (Kv) 50 V / krpmConstant tèrmica 22 min

Bobinat 6 pols en estrellaPes 4 kg

Taula 3.1 Característiques del motor amb el reductor

A més dels paràmetres com la corba característica parell-velocitat que ja s’ha comentat enel capítol anterior, destacar que el motor és del tipus imants permanents brushless. Aquestfet el relaciona estretament al driver, ja que tant com si és del tipus AC (alimentaciósinusoïdal) o DC (alimentació trapezoïdal) només aquest driver o un de molt similar elpodria fer funcionar correctament [1] [13]. Dins de les especificacions del proveïdor noconsta el tipus de motor i no es tenen altres referències al respecte, per la qual cosa, estreballarà considerant aquest punt obert ja que no afecta a altres parts de l’automatització.

Figura 3.1 Família de motors BLQ de Magnetic


23

Malgrat aquesta situació es fa necessari una revisió del funcionament genèric del conjuntmotor+driver [13] , especialment per entendre més fàcilment com s’han dissenyat lessimulacions. En qualsevol dels dos casos, és a dir tant en AC com en DC, tenim un sistemade tres fases, a on les bobines es troben desplaçades 120 º . Això vol dir que el driverhaurà de generar 3 corrents diferents, un per a cadascuna dels grups de bobines controlantla polaritat i el valor necessaris per a generar el camp amb el sentit i parell desitjats. Laprecisió d’aquesta operació ha de ser molt alta i per aquest motiu els sistemes incorporen :a)resolvers o encoders d’alta resolució per tenir perfectament identificada la posició de l’eixrespecte a les bobines inductores i b) microprocessadors per determinar en funciód’aquesta posició quines son les polaritats i amplituds de les senyals que arriben als grupsde bobines.Altres punts a tenir en compte sobre el motor, són els seus rangs de temperatura defuncionament. Com es por observar en la taula 3.1 les característiques ens diuen que hi hadues opcions de increment de temperatura respecte a la referència ambient que són 65ºK i105 ºK. Naturalment els valors de parell, corrent i velocitat varien en funció d’aquesteszones i lògicament són més alts per la temperatura més alta. Finalment, pel que fa a lacaracterística parell velocitat d’aquesta família es pot veure a la figura 3.2. S’observa enaquest gràfic que s’està treballant en la zona de temperatura de ?Tª= 105 ºK ja que el valormàxim del parell és troba al voltant de 1.8 N i a mesura que anem augmentant la velocitatpassaríem a tenir menys parell amb un comportament lineal. La funció que caracteritzaaquest descens la podem conèixer segons la equació de la recta donada pels dos puntsextrems (n de 0 a 6000 rpm i T de 1.8 a 1.35 Nm ). L’equació d’aquesta recta és T = -0.000075*n+1.8. Cal considerar que per a altres règims de temperatura l’equació no seriala mateixa.

Figura 3.2 Característica Parell –Velocitat del BLQ 43 M (recta M )


24

Reductor

Pel que fa al reductor, no té paràmetres elèctrics , però les seves característiquesmecàniques són les exposades en la taula 3.2. Físicament el motor i el reductor formen unconjunt subministrat directament des de fabrica. Les característiques aquí exposades ja hanestat considerades en l’apartat anterior per calcular velocitats i parells.

Característiques del Reductor BGT-530Tipus de reductor Epicicloidal de precisió

Relació de transmissió 1:9Rendiment (η) 96 %

Tolerància màxima 15’

Taula 3.2 Característiques del motor amb el reductor

Aquest tipus de reductors es basen en el moviment cicloidal d’un disc de corbes , mogutper una excèntrica solidaria al arbre d’entrada [6]. Per cada revolució d’excèntrica, el discde corbes avança un “dent” rodant sobre els cilindres rodats exteriors. Aquest avançarrossega al mateix temps els cilindres d’arrossegament de l’arbre de sortida quedescriuran una cicloide dins dels forats del disc de corbes. La component de translacióangular d’aquest moviment es correspon amb la rotació de l’arbre de sortida. La relació dereducció ve donada per tant, pel número de “dents”. Per compensar els moments de flexió iles masses de cada disc en moviment excèntric , generalment s’utilitzen dos discosdesfasats entre si 180 º.

Driver

Finalment, sobre el tercer element la informació subministrada és a la taula 3.3.Destacarem les entrades que habiliten al sistema per a la utilització de resolvers pelposicionament , així com una sortida d’encoder simulat que ens permetrà completar unsegon llaç amb un altre control.

Característiques del DriverFabricant driver TDE Macno

Model DMBL-03Intensitat nominal 3 AIntensitat de pic 6 A

Alimentació 220 V trifàsicaTipus d’entrada control de posició Resolver

Tensió de referència analògica +/- 10 VComunicacions RS485 – CAN BUS

Sortida de referències posicions Encoder simulat

Taula 3.3 Paràmetres més importants del driver


25

Els resolvers per tant compleixen una doble tasca, la de control de posició (fonamental pera la seqüencialització ) i la de realimentació de velocitat. Com que aquests tipus de drivernormalment es troben supeditats a altres dispositius de control, es genera aquesta senyald’encoder simulada que és la més freqüent de trobar en controladors.La figura 3.3 es una representació dels elements que integren el driver associat a un motorbrushless d’imants permanents con el que utilitzem. Entre els elements que integren eldriver trobem : a) un rectificador trifàsic, b) un circuit inversor format per 6 IGBT i c) unaetapa de PWM [1]. Aquesta etapa (representada per 3 blocs) determina l’índex demodulació en funció de dues consignes, la que rep des del llaç de control que incorpora elPI i la que determina la posició de l’eix. La primera és la que nosaltres fixarem gràcies alllaç de control format amb el bloc controlador d’imatge i la segona serà la que elmicroprocessador determinarà en funció de la posició de l’eix.

Figura 3.3 Representació esquemàtica del conjunt Driver-Motor

Respecte a aquest microprocessador, i com hem vist en l’apartat del motor, el control pelsbrushless d’imants permanents ha de ser molt precís. El model de driver escollit incorporaun microcontrolador RISC de 32 bits que recull la informació que arriba des del resolver ique determina una posició exacte de l’eix en un instant determinat i la compara amb unataula de la memòria de manera que per a cada posició hi correspon una seqüènciad’intensitats relatives. El microprocessador llavors estableix el valor de la intensitat encadascuna de les fases de manera que s’aconsegueixi un parell constant (en un dos fasesés gràcies a les relacions trigonomètriques d’un mateix angle, en un tres fases és similar ).El valor obtingut de del microprocessador passa a un convertidor D/A que actua sobre laregulació d’amplada de polsos (PWM) [3].


26

Una altra informació a considerar respecte al driver són els valors de consigna que acceptades de la part de control de moviment (i que s’analitzen en el capítol següent). Per tal defixar aquest valors s’ha considerat uns valors lineals amb un rang des de 0 fins a 10 V quecorresponen a 0 i un màxim de 1 m/s. La taula 3.4 serveix de guia per veure com varien elsdiferents paràmetres associats a la velocitat en diferents punts del conjunt. El valor de –1 Vs’utilitzarà com a retorn a la posició inicial, ja que no es contemplant desplaçamentsnegatius (no són possibles des del punt de vista de mecànica de fluids ja que l’entrada defluid a la estructura és físicament diferent de la sortida). Cal recordar que en sentit invers amés el recorregut queda limitat per la pròpia estructura.

Tensió de consigna (V)

Velocitat linealde sistema (m/s)

Velocitatangular (rad/s)

Velocitateix de motor (rad/s)

Velocitatmotor (rpm)

10 1 52,356 471,204188 45009 0,9 47,1204 424,08377 40508 0,8 41,8848 376,963351 36007 0,7 36,6492 329,842932 31506 0,6 31,4136 282,722513 27005 0,5 26,178 235,602094 22504 0,4 20,9424 188,481675 18003 0,3 15,7068 141,361257 13502 0,2 10,4712 94,2408377 9001 0,1 5,2356 47,1204188 4500 0 0 0 0-1 -0.1 -5,2356 -47,1204188 -450

Taula 3.4 Variació de la velocitat lineal i altres paràmetres en relació a la tensió de consigna


27

3.2 Modelat conjunt driver-motor – Aproximació A

Per tal de veure el funcionament dinàmic del conjunt s’han desenvolupat els models quepresentarem a continuació i que tracten de ser una guia, no només per conèixer els valorsdels diferents paràmetres que integren el conjunt, si no també per veure els efectes delscontrols que s’aplicaran en el següent capítol.Per portar a terme aquesta modelització s’han utilitzat els valors reals del fabricant tant pelque fa al motor, com al driver i a la reductora. Les dades de la càrrega i la estructura hanestat calculades en el capítol anterior.A l’hora de plantejar la modelització s’ha volgut plantejar dues perspectives diferentsaprofitant les possibilitats del Matlab i el seu toolkit Simulink. Des de la primera s’handesenvolupat els models anomenats A i que utilitzen les dades generals del conjunt obviantqüestions com per exemple el sistema d’alimentació trifàsic. Des de la segona perspectiva,(i que s’analitza en l’apartat següent ) s’ha volgut aprofitar les llibreries de Matlab – Simulink, fonamentalment la Power System Blockset. Des de les seves opcions és poden visualitzarels buits que l’altre model no permet. No es tracta doncs, d’una comparativa de sistemesde modelització, si no de desenvolupar models que ofereixin informacions que sóncomplementàries i que conjuntament donin una visió el més completa possible del sistemaa estudiar.

El primer dels models que presentarem és el del tipus A, és a dir , utilitzant els paràmetresgenerals, es poden simular respostes genèriques que ens donen una perspectiva mésglobal del sistema. La figura 3.4 mostra com seria aquest primer model.

Figura 3.4 Model A desenvolupat en Matlab del conjunt Driver-Motor sense llaç de velocitat

En aquest model, es pot veure les diferents parts d’una estructura clàssica de motor DCbrushless [1][2][5]. A més de la part elèctrica obtinguda dels valors de la taula 3.1 s’hacalculat el valor de la constant mecànica en base els valors d’aquesta mateixa taula iprenen com a referència el rang de temperatura de 105 ºK. Es pot veure també, que el puntde treball és fixa en base al parell resistent calculat al capítol anterior dividit per 9 , que es elvalor de la reductora que s’utilitzarà.


28

La part mecànica també es troba representada, això si, considerant els efectes quadràticsde la reductora sobre la inèrcia i el coeficient de fricció. Per acabar aquesta part delsistema, trobem la realimentació fixada per la constant elèctrica que facilita directament elfabricant. Els càlculs desenvolupats al respecte per aquest blocs els podem trobar acontinuació.

Equacions per la modelització del sistema de les part mecànica i elèctrica del motor [5] :

baaa

aa eiRdtdi

Lv +×+= (3.1)

dtd

KKe emebθ

×=Ω×= (3.2)

dtd

Bdt

dJiK m

mm

maT

θθ×+×=×

2

(3.3)

Tots els valors inclosos en aquestes equacions i que determinen els diagrames en blocsels podem trobar en la taula 3.1, a excepció del valor de la fricció que considerem nul.Segons [4] podem determinar la KT, gràcies a les característiques que fixen que, amb unparell rotor bloquejat de 1,8 N, li correspon una intensitat de 2,3 A

ANmA

NmKT /782,0

3,28,1

== (3.4)

Als valors obtinguts pel motor haurem d’afegir els paràmetres associats a la càrregacalculada en el capítol anterior. També cal considerar que en el model s’ha incorporat lareductora, per tant la fricció i la inèrcia de la càrrega caldrà “passar-les” a l’eix del motor.Els valors que obtenim són els següents :

1. Parell resistent : Com hem vist el valor que considerarem és de 3.0832 Nm quedividit per la relació de transformació (9) quedarà en Tresistent =0.3425 Nm

2. Inèrcia : Els valors que obtenim de la càrrega i de la guia són :

Jcàrrega = 0.007319 Kgm2 Jguia= 1.928*10-5 Kgm2

( ) 252

5 10349319.8758

10928.1007319.0 KgmJ totalCàrrega−− ×=

××+= (3.5)

Jeq= Jmotor + Jcàrrega total= 0.0002 Kgm2 + 8.349319*10-5=0.2834*10-3 Kgm2(3.6)

3. Fricció Viscosa : Encara que considerem la del motor com zero, cal tenir en comptela de la càrrega de la que no en tenim dades. Com que a més tenim la mateixarelació de transformació anterior, s’ha fet una valoració del valor de manera quetingués representació en la simulació així que s’ha considerat un valor de 0.1 Nms ique ens donarà a l’eix del motor 0.01137 Nms.


29

Altres elements, a més dels explicats, que es poden trobar en aquest model, són :

4. La substitució de la constant mecànica (K t) per una funció que té en compte elsparàmetres donats pel fabricant. Així, al no només considerar la relació parell-intensitat es compensen les possibles desviacions.

5. L' implementació a l’entrada d’una funció que converteix les consignes de velocitatde rad/seg, en els seus valors de tensió corresponents. Amb aquest sistema podemaplicar directament valors de velocitat i podrem habilitar la realimentació de velocitat

6. El control Proporcional Integral PI que incorpora el model es correspon al queimplementa el driver segons el fabricant. Aquest control tancaria un primer bucle,que com s’ha dit anteriorment, és diferent del de velocitat controlat per la targetaque incorpora les funcions de visualització i posicionament. Els valors de la constantproporcional i la constant d’integració s’han trobat per prova i error amb criteris[10][5][2] en el circuit considerant que no és generi un sobrepic i que l’error en estatestacionari sigui constant i de menor possible. Aquests valors en el dispositiu realno seran necessaris introduir-los ja que el PI del driver no és accessible i té la funciód’autosintonitzar-se (self-tunnig).

7. Els valors de Kt1 i Kt2 són guanys destinats a fer les conversions corresponents pervisualitzar la posició i la velocitat lineal

Resultats de les simulacions

S’han realitzat una tot un seguit de simulacions per observar el comportament del modelsegons diferents entrades i paràmetres [11]. De les proves realitzades donarem unexemple que és la resposta a un esglaó quan apliquem el valor típic de funcionament de 0.5m/s i amb la càrrega calculada de 0.3425 Nm. Els resultats es poden veure als indicadorsde la figura 3.4. Com a dades més importants d’aquest valors destacarem la convergènciaentre la consigna i la sortida que deixa l’error de realimentació per sota del milivolt en untemps de 2 seg i la velocitat lineal ajustada al mil·límetre. Recordem que una velocitat de0.5 m/s implica una velocitat a l’eix del motor de 235.6020 rad/segLa figura 3.5 correspon a la visualització de la resposta transitòria. En aquesta és potobservar que els valors de sobrepic Mp ha quedat limitat pràcticament a zero amb l’ajust delPI, el temps de creixement tr queda fixat en 0.2 seg i el temps d’establiment per a un erroradmissible del 5 % seria de 0.44 seg.Per a altres valors de velocitat els resultats són aproximadament els mateixos i no es donenper exemple sobrepics o temps d’establiment lluny d’aquest 0.2 seg. El valor màxim develocitat lineal proposat ( 1 m/s) per exemple dona un error de 0.2 mm.Pel que fa al parell la situació més desfavorable des del punt de vista del sobrepic, és a diren càrrega zero i velocitat màxima trobem un valor del 4%.

En tots els casos s’ha utilitzat el mètode Dormand Prince (ode45) amb esglaons variablescom a configuració bàsica del solver.


30

Figura 3.5 Resposta transitòria del Model A a un esglaó de 235,60 rad/seg (0.5 m/s de velocitat lineal)

El segon dels models provats és el que també té com a principi de funcionament l’utilitzatanteriorment, però en aquest cas s’incorpora el llaç de velocitat de manera que tindrem unasituació més propera a la situació real, a on, a més del llaç imposat pel driver, tindrem el decontrol del sistema de moviment. Aquest model és el que correspon a la figura 3.6.

Figura 3.6 Model A desenvolupat en Matlab del conjunt Driver-Motor amb llaç de velocitat

En aquesta figura es poden veure que s’han incorporat tots els elements del cas anteriorperò ara tenim la realimentació de velocitat i el bloc que representa el control PID de latargeta d’adquisició de dades. Els indicadors ens mostren els resultats d’una simulació enles mateixes condicions que el cas anterior, i que no s’han vista alterades respecte els seusvalors en estat estacionari gràcies a l’ajust del PID.


31

En la resposta temporal de la figura 3.7 reduïda a 0.5 seg extraiem que el sobrepic és de239.67 rad/seg la qual cosa ens dona un valor de Mp del 1.72 %. Pel que fa al temps decreixement , en aquestes condicions, tr val 0.008 segons, la qual cosa significa una millorarespecte el cas anterior. El temps d’establiment ts amb criteri 2 % queda fixat en 0.1 seg itambé representa un millora.

Com a orientació els valors dels PID considerats són els Kp=50, K i=300 Kd=0.085 i Td=0.5ms, encara que aquest valors com veurem en el capítol següent podran ser fixatsautomàticament per les eines d’ajust que disposa LabVIEW. Respecte als límits superior iinferior de la entrada del PID cal tenir en compte que sempre han de ser majors que lamàxima entrada prevista o el control estarà limitat i no serà possible. En aquest cas elslímits estan fixats per a una entrada màxima de 500 rad/seg.

Figura 3.7 Resposta transitòria del Model A amb llaç de velocitat a un esglaó de 235,60 rad/seg

Les variacions de càrrega o consigna de velocitat no produeixen canvis significatius en laresposta del sistema i per tant no caldria modificar els valors del PID. Per acabar diremque els paràmetres del Solver són els mateixos que l’apartat anterior.


32

3.3 Modelat conjunt driver-motor – Aproximació B

La segona aproximació que s’ha desenvolupat i que és complementària a l’anterior esbasa en la utilització del model que inclou el toolkit “Power System Blockset”[15]. Laavantatge d’utilitzar aquest model és que tenim la possibilitat de veure el funcionament delPWM i del model trifàsic de imants permanents. En concret el model seleccionat és el“Permanent Magnet Synchronous Machine” de la llibreria “Machines”. A la ajuda delprograma MATLAB es troba la descripció completa del model i que s’ha adjuntat a l’annex4.

Les equacions que caracteritzen al model són les següents :

Part elèctrica:

qrd

qd

dd

d

d ipL

Li

LR

vLdt

diω+−=

1(3.7)

q

rdr

q

dq

dq

d

q

Lp

ipLL

iLR

vLdt

di ωλω −+−=

1(3.8)

( )[ ]qdqdqe iiLLipT −+= λ5.1 (3.9)

Part Mecànica :

( )mrer TFT

Jdtd

−−= ωω 1

(3.10)

rdtd

ωθ

= (3.11)

A on :

• Lq i Ld : Inductàncies dels eixos q i d• R : Resistència de les bobines inductores• iq i id : Corrents eixos q i d• vq i vd : Voltatges eixos q i d• ? r : Velocitat angular del motor• ? : Amplitud del flux generat pel imants

permanents

• p: Número de pols• Te: Parell electromagnètic• J : Inèrcia combinada càrrega i motor• F : Força de viscositat combinada de

càrrega i motor• T : Posició angular de l’eix motor• Tm : Parell mecànic a l’eix motor

Només amb el motor no es pot fer cap simulació i ha estat necessari dissenyar un circuitque proporcionés voltatges a cadascuna de les bobines amb el valor i sentit requerit pelparell i velocitat desitjades. L’esquema d’aquest model (l’anomenat B) el podem veure en lafigura 3.8. Com es pot veure a més del model del motor incorpora un control PWM, enl’interior del qual, es fa una comparació entre les corrents de les tres bobines i la generadaper la referència de posició controlada per un PID. Dins d’aquest bloc PWM cal ajustar lasensibilitat del comparador així com els seus valors màxim i mínim de sortida. Com es potobservar ara les línies de realimentacions són més gruixudes ja que representen el sistematrifàsic.


33

Figura 3.8 Model B desenvolupat en Matlab B del conjunt Driver-Motor

Per completar el model s’ha implementat el llaç de velocitat amb un PID que dona unacorrent de referència pel bloc del PWM. Veiem doncs que una diferència respecte al modelanterior, és que els controls utilitzen les corrents en comptes de les tensions. També trobemuna realimentació de posició imprescindible per saber en tot moment quina és laseqüència que produeix el gir. En aquest sentit hi ha una similitud en el sistema real queutilitza els resolvers per determinar la mateixa variable. Els blocs en verd són visualitzadorsde paràmetres que podrem veure en les simulacions.

Altres definicions del model dissenyat són :a) La configuració del valor de flux dels imants permanents i que s’ha fixat en 0.175 Wb(valor suficient per arrossegar la càrrega i deduït d’altres exemples al no venir especificaten les dades del fabricant). S’ha comprovat que amb aquest valor es pot arrossegar unacàrrega de 1.8 Nm , valor màxim donat pel fabricant.b) Els límits de tensió del PWM i que estan fixats en 220 V al tenir el driver un rectificadortrifàsic sobre aquest valor. Així la oscil·lació del PWM variarà entre 220 volts i –220 volts.c) Els valors del PID del bucle de velocitat fixats en Kp=160 i Ki=100 Kd=0.035 i Td=0.0005ms. Els límits superior i inferior han estat fixats, de la mateixa manera que en el sistemaanterior entre –550 i 550 com entrades màxima i mínima del sistema.d)La configuració d’un step que representi el parell resistent del motor amb un valor per lessimulacions de 0.3425 Nm que és la càrrega màxima calculada.

Amb aquest valors i per un exemple amb la velocitat lineal típica de 0.5 m/s s’han obtingutles següents visualitzacions:

Figura 3.9 Tensió a la sortida del PWM entre la fase a i bFigura 3.10 Corrent a les tres bobines inductoresFigura 3.11 Resposta temporal del sistemaFigura 3.12 Parell de sortidaFigura 3.13 Resposta del PIDFigura 3.14 Referència del PWM


34

Figura 3.9 . Tensió a la sortida del PWMentre la fase a i b

Figura 3.10. Curant a les 3 bobines inductores

Figura 3.11. Resposta transitòria del sistema Figura 3.12 Parell de sortida

Figura 3.13 . Resposta del PID Figura 3.14 . Referència del PWM


35

Per a totes les visualitzacions s’han utilitzat :a)un temps fixat a 0.2 seg , b) el mètode iparàmetres del Solver (Stiff, Trapezoïdal) i c) el parell resistent de 0.3425 Nm.En aquestes visualitzacions podem veure, com la diferència més important respecte elmodel anterior, són les tres fases del motor. La figura 3.9 correspon a la tensió entre lesfases a i b, i es pot veure com el control PWM commuta sobre els valors màxims DC (220V) per tal de proporcionar l’energia necessària. Aquesta ona seria complementària amb lade les altres fases i totes 3 estan coordinades per produir el gir. A mesura que ensapropem a la consigna els polsos s’estreten per limitar la corrent. A la següent figurapodem visualitzar les corrents de les 3 bobines de l’estator. Després del pic inicial escombinen en signe i valor per produir el gir. Els valors obtinguts en estat estacionariconcorden amb les corrents de l’anterior exemple i és troben al voltant dels 0.5 A.A la corba de resposta transitòria del sistema a un esglaó de 235.60 rad/seg, podem veureque els valors obtinguts no són els mateixos que el cas anterior , no aconseguint-se eliminarel valor de sobrepic sense penalitzar altres paràmetres. En aquest cas el sistema té un Mp

del 35 %, un temps de creixement, tr de 0.8 ms i un temps d’establiment ts amb criteri 2 %del 6.73 ms. Com podem veure malgrat el sobrepic el model té uns millors valors de tempsque l’anterior model.El parell després del seu pic inicial s’estabilitza al voltant del valor que hem introduït que ésde 0.3425 Nm. Finalment les dues ultimes gràfiques fan referència als valors de referènciade la intensitat i la sortida del PID. Després del període inicial tendeixen a 0 indicant el bonfuncionament del sistema.En totes les gràfiques apareixen una mena de oscil·lacions conseqüència del modelattrifàsic i que no permetem, a diferència del model anterior, veure el valor exacte. Si filtremaquesta oscil·lació observarem com els valors corresponen als esperats.


36

CAPÍTOL 4. SISTEMA DE CONTROL DE MOVIMENT

En aquest capítol s’analitza com es realitza el control de moviment del conjunt de mesura,en funció de les posicions relatives anteriors i les variacions que recull la càmera.Recordem que fins ara teníem un bucle realimentat format pel conjunt driver-motor i queestava subordinat a un element de control superior, que li determinava la posició en funciód’una consigna de ± 10 V.Aquesta senyal prové d’una placa de control inserida en un PC que serveix, a més a més,d’interfície gràfic amb l’usuari. D’aquesta manera podem monitoritzar el sistema ,visualitzant totes les variables disponibles, a més de disposar d’un pannell de control gràficpermetrà a l’usuari modificar els paràmetres convenients.A més de la descripció de les principals característiques del hardware, repassarem elsprogrames dissenyats en entorn LabVIEW i la seva funcionalitat.

4.1 Descripció de la targeta controladora de moviment

La targeta controladora és el dispositiu encarregat de controlar el conjunt format pelposicionador, reductora, motor i driver de potència. Aquest control proporcionarà un nivellde voltatge de ± 10 V en funció de les ordres generades pel programa de control odirectament per l’usuari. En la aplicació exemple, la del seguiment de la “taca” en unaexperimentació en PLIF, el control donarà els valors per la seqüència d’arrancada, elseguiment de la taca i la seqüència de frenada. Però a més, insistim en que es podenimplementar altres seqüències de control per a altres funcionalitats amb o sense el suportde la part de visió, ja que el que es vol és crear un dispositiu el més versàtil possible. Així,són possibles aplicacions com: a) moviments amb rampes de sortida i arribada ambvelocitat i acceleració configurades, b) moviments uniformes, c) desplaçaments controlatsetc. Aquesta possibilitat permetria que experimentacions típiques de mecànica de fluidscom els moviments d’objectes en canal obert o el posicionament de sensors per laelaboració de mapes vectorials, que fins ara es feien manualment , siguin molt més senzillsi dinàmics. A més de l’estalvi de temps en aquest processos , també es podrà garantir unarepetitivitat i precisió major.A l’hora de seleccionar una targeta de control , dins del mercat hi han diverses opcions ,però valorant compatibilitat i facilitat d’aplicació l’opció National Instruments ens sembla lamés correcte. A més de satisfer els principis explicats anteriorment, (especialment laconsigna) es poden garantir, gràcies al bus RTSI, la connexió amb el sistema d’adquisiciód’imatges. Es més, tant el hardware com el software desenvolupats per NI , han estatdissenyats per a poder implementar aquest tipus d’aplicacions, la qual cosa facilitainterconnectar equips i tractar, per exemple, d’assolir operacions en temps pseudo-real(veure nota tècnica annex 4 ).Amb aquest terme “pseudo-real “ volem remarcar un dels temes claus de l’aplicació,referent a la capacitat del sistema de suportar el control del motor junt amb la adquisició iprocessat de imatges. Les especificacions que s’analitzen, tant en aquest apartat com enels següents, indiquen que cal considerar que en aplicacions més complexes (amb mésvelocitat per exemple) o en variants de l’experimentació a on calguin més recursos lasituació es podria complicar. Recordem, però, que el sistema d’adquisició (explicat en el


37

capítol 5 ) ve limitat pel sistema de vídeo escollit i que aquest ens fixa uns intervals de 40ms entre dues imatges consecutives.Sota aquestes consideracions de temps de processat, totes les propostes plantejadestracten de buscar les solucions més adients per evitar problemes en el nostre control.Sense poder disposar de l’equipament projectat no podem però validar el sistema i oferirreferències reals dels temps de processat i de la interacció entre els diferents elements delnostre conjunt. Amb aquestes proves podríem observar, entre d’altres, els temps deresposta , la càrrega de treball del PC i la seva disponibilitat per al altres aplicacions.

Per aquest motiu, s’han implementat les opcions més ràpides possibles i utilitzar lesopcions hardware externes a l’entorn Windows (com el bus RTSI en comptes del PCI). Caltenir en compte que la base del nostre sistema, els sistema operatiu Windows, no és unsistema operatiu que permeti el control en temps real. Des d’aquest, només podem teniruna aproximació respecte al temps, i per això, utilitzarem el terme pseudo-real, perrecordar que no tenim aplicacions en temps real estricte. Cal considerar que l’elecció deWindows és deguda a que el salt entre aplicacions de “real-time” a “pseudo” real-time ésforça gran, sobretot en termes econòmics, i passa de tenir una plataforma versàtil a unaespecialment dedicada amb el que tot el canvi conceptual que això comporta. Malgrataquestes consideracions, hi ha una porta oberta a la transició a temps real ja que enl’entorn de National Instruments existeixen aplicacions i hardware per aquest tipus decontrol, la qual cosa suposa una altre avantatge per la nostre proposta de escollir NI com abase per al nostre sistema.En cas de voler imposar “real time” suposaria que des del sistema desenvolupat espassaria a l’adquisició de una targeta de temps real i el software de conversió de lesnostres aplicacions a programes compatibles pel nou sistema operatiu inclòs el nouhardware. De fet el canvi per mirar-ho d’un altre manera, és com implementar dins del PC,un segon PC però aquest en l’entorn de temps real de manera que totes les aplicacions ésdesenvolupant en aquest diguem-ne subPC. Tant és així que en cas de bloqueig o un “soft-reset” del PC principal el programa que es troba executant-se en el PC secundari continuafuncionant.

Per tant, per aquesta aplicació i en els termes que ha estat plantejada el sistema que esproposa no ha de tenir problemes respecte al temps, és a dir el bucle de control demoviment amb l’adquisició i tractament imatges és suficientment ràpid per a permetre lafunció de seguiment de la taca a 0.5 m/s (considerant un PC “generació” 2003). En cas devariar aquesta situació, caldria estudiar si resulta més viable el pas a un “true real time”com el explicat de NI o buscar altres millores com poden ser: a) un increment en la potènciade càlcul del de PC i b) un canvi en el hardware com, per exemple, la targeta de controlque veurem a continuació o el sistema d’adquisició d’imatges. Com ja veurem en el capítolsegüent, el procés d’adquisició ve fixat pel sistema de vídeo escollit i que en la configuracióescollida veurem que es determinen uns intervals de 40 ms entre dues imatges. Peracabar, sobre aquest últim punt direm que qualsevol altre configuració fora de la projectadala configuració escollida en aquest projecte , incrementa considerablement el pressupost.


38

Un cop comentat aquest tema, a l’hora de escollir entre les diferents targetes disponiblesper NI, hi han dues opcions possibles per a la nostre configuració, una de baix cost amb lacontroladora PCI-7342 i una de prestacions més elevades amb la targeta PCI-7344.L’elecció entre aquestes dues opcions, es pot prioritzar per motius econòmics, però tambéhi han característiques tècniques diferenciadores que cal tenir en compte. En la taula 4.1 esmostren les seves principals característiques i aquelles que més diferencien els dossistemes des del punt de vista de l’aplicació proposada.

Característiques tècniques de las targetes National Instruments

PCI-7342 PCI-7344Nombre d’eixos 2 4Programes funcionant on board No SiFunció Interpolació lineal Si Si

Modes de bucle de control PID, PIVff i Llaç doblePID, PIVff, Corba-S

Llaç dobleControl en llaç tancat Si SiUpdate rate del PID De 62.5 a 500µs/sample De 62.5 a 500µs/samplePID Guanys (Kp,Ki i Kd) De 0 a 32762 De 0 a 32762Temps d’integració (Ti) 0 a 32767 0 a 32767Període derivatiu (Td) 1 a 63 mostres 1 a 63 mostresConversor Analògic/Digital 16 bits 16 bitsConversor Digital/Analògic 12 Bits 12 bitsResolució 16 bits 305µV/LSB 16 bits 305µV/LSBEntrades d’encoder Quadratura incremental Quadratura incrementalCaracterístiques senyal encoder Max 20 MHz i 5V Max 20 MHz i 5V

Sortides analògiques4 disponibles16 bit , ± 10 V

4 disponibles16 bit , ± 10 V

Entrades analògiques4 disponibles12 bit , ± 10 V

4 disponibles12 bit , ± 10 V

Sortides localitzadores de posició Una per eix (2) Una per eix (4)Bussos PCI i RTSI PCI i RTSIConnector de sortida Motion -68 pins Motion -68 pinsSoftware inclòs NI-Motion Ni-Motion

Taula 4.1. Comparativa targetes de control NI per a servomotors

Com es pot veure en la taula comparativa, ambdues targetes tenen moltes característiquescomunes , i les seves principals diferències ( a més de suportar algunes funcions diferentscom es comenta a la taula 4.2) són el nombre de eixos a controlar (de dos contra quatre dela 7344) i la capacitat de executar programes des de la pròpia targeta que també té la denivell superior. Abans de repassar les diferències donem un repàs a les principalscaracterístiques comunes. Observem que les dues poden realitzar operacions en bucletancat PID i que per aquest motiu tenen una realimentació de posició donada per unaentrada d’encoder del tipus en quadratura i incremental. Tots els paràmetres del PID , és adir guanys i temps són configurables, la qual cosa vol dir que els nostres VI generats enLabVIEW els podran incorporar. Totes dues targetes tenen les sortides i entradesanalògiques necessàries pel driver que s’ha seleccionat en el capítol anterior, i per tant, es


39

podrà fer una connexió directe entre aquest dos dispositius sense cap condicionadorintermig. Altres punts de coincidència i que són interessants per a situacions de control demés d’un eix són la reductora electrònica , que condiciona un eix esclau amb una ratiosobre un eix principal i les funcions d’interpolació (encara que la 7342 no disposa del grupde la circular). Una sortida interessant, i que ja hem comentat en alguna aplicació de lesfuncions, és la anomenada “Breakpoint output” que dona un impuls quan s’assoleix unadeterminada posició de l’eix. Això pot ser utilitzar per vàries aplicacions : a)com la senyalde seguretat per la activació d’un bloqueig de final de carrera i b) com la referència d’unpunt intermig. Per acabar amb les semblances, ambdues disposen de bussos RTSI (Real-time System integrator ) que les permet interconnectarse directament sense tenir quepassar pel bus PCI. Aquesta opció és fonamental per la aplicació amb temps pseudo-real,ja que la transferència de dades entre la targeta IMAQ Vision és fa per aquesta via.Encara que les dues incorporen un microprocessador Motorola de 32 bits, només la 7344disposa d’una DSP d’Analog Devices i la memòria FPGA per a executar programes “on-board” i que permet carregar subrutines dins la pròpia placa alliberant de càrrega a laCPU. Aquesta capacitat ens porta al comentat anteriorment sobre la velocitat del sistema iqueda com una possible millora respecte al hardware.

Les altres diferències no són fonamentals per a la nostre aplicació i només afectarien en elcas de voler realitzar alguna ampliació en el número d’eixos. En aquest cas , encara que la7342 té l’opció d’un eix més, les funcions més interessants de control només es trobendisponibles en la 7344.Com a conclusió i per a l’elecció entre les dues, es recomanaria la PCI-7342 sempre iquan, no es prevegin ampliacions en el número d’eixos, o de velocitat i que es disposi d’unPC amb prou garanties (per evitar problemes en el control en temps pseudo-real).Si en una futura aplicació, finalment sorgeix un marge estret pel que fa al temps , ensveurem obligats a seleccionar la PCI-7344 com primera possible solució.

4.2 Descripció del software

De la mateixa manera que en altres aplicacions de National Instruments, els VI i les funcionsespecífiques de moviment no es troben inclosos en el paquet bàsic de LabVIEW. Enaquest cas, aquestes funcions s’agrupen sota un paquet de software anomenat NI-MOTION.L’única avantatge respecte altres aplicacions és que la configuració bàsica d’aquestpaquet és troba inclosa dins el preu de qualsevol de les targetes de control de moviment deNI. D’aquesta manera sigui quina sigui, la nostre elecció pel que fa al hardware tindremgarantida la seva funcionalitat. Cal considerar, però que hi han aplicacions que només sónutilitzables en les targetes d’alt nivell.Una capacitat interessant d’aquest NI-MOTION i de les targetes NI són les seves funcionsde control de moviment ja que suposen una simplificació de les possibles aplicacions altenir standards de control definits. Algunes de les funcions venen suportades a més de persoftware, per hardware, i per aquest motiu tenim limitacions en alguna targeta. En la taula4.2 podem veure les funcions disponibles més interessants en les targetes comentades enl’apartat anterior.


40

Encara que per l’aplicació proposada, la qual es troba limitada a un eix, algunesd’aquestes no són utilitzades, una segona fase que incorporés més eixos seria de més fàcildisseny, gràcies a aquestes funcions específiques de control vectorial. Dins de les funcions,que tenen aplicació immediata, cal diferenciar aquelles independents del sistema de visió iles que es troben dins d’aquest.En el grup d’aquestes primeres tenim la funció de moviment punt a punt a on podemseleccionar la velocitat i acceleració per cada posició o la de contorn de punts(countouring) a on fixats una sèrie de punts dins de l’eix , la funció busca la transició mésadient entre ells.

Funcions per a control de moviment de las targetes National Instruments

PCI-7342 PCI-7342Funció Interpolació lineal Si SiFunció Interp. esfèrica, helicoide i circular No SiFunció de contorn de punts (contouring) No SiFunció Blending Si SiFunció corba S Si SiFunció de captura d’alta velocitat Si SiFunció de reductora electrònica Si SiRang reductora electrònica ( més d’un eix) ±32767 :1 i inversa ±32767 :1 i inversaSoftware inclòs NI-Motion Ni-Motion

Taula 4.2. Funcions de control moviment

El segon grup, el de les funcions aplicables en la aplicació proposada, s’analitzen lesfuncions separadament. Aquestes funcions són les següents :

• Perfil de velocitat (Velocity Profiling)Permet fixar una determinada velocitat fins que no arriba una altre consigna . Amb aaquesta funció, després de la arrancada, pot fixar-se la velocitat de funcionament inomés en cas de canvis de velocitat o de final de carrera enviar actualitzacions.D’aquesta manera només interaccionen entre les dues targetes (vision i motion ) en casde canvi de velocitat, alliberant al PC per a altres tasques i/o càlculs. A més és potdissenyar tot una estratègia amb la informació que ens arriba de la velocitat del fluid. Enaquest cas, la tècnica consistiria en iniciar des de zero i donar el perfil fins a igualarvelocitats a l’arrancada, utilitzar la càmera i el sistema de visió per determinar errors irealimentar al sistema, i un cop arribat a un breakpoint, iniciar el perfil de velocitats finsa velocitat zero.• Transició suau (Blending)Serveix per suavitzar transicions entre diferents opcions de control de moviment. En elnostre cas seria aplicable si es divideix el control en tres zones : arrancada , intermitja(amb control de visió) i frenada.• Corba en S (S-Curve)El nom li ve donat perquè el perfil d’acceleracions que implementa es correspon a laforma de la lletra S. Això garanteix una transició suau especialment des de zero a la


41

velocitat de consigna o a l’inrevés. Evita, per tant, qualsevol tipus de sotragada. La sevaimplementació podria substituir al control PID en la fase d’arrancada i frenada , deixantaquest control per a la rectificació d’errors en la fase de control de visió.

• Captura de posició d’alta velocitat (high speed capture)Segons un pols extern, s’obté la posició en aquell instant, de manera que es podenestablir controls externs de posició generats per les sortides digitals de la targeta devisió o des de altres dispositius com finals de carrera o cel·les fotoelèctriques. Tambées poden crear sistemes redundants de seguretat o paral·lels de control. Recorda quecal garantir l ‘aturada del dispositiu per diversos elements software i per altres dehardware per crear un sistema més segur.

Amb aquestes funcions i els seus VI corresponents la programació de qualsevol seqüènciade moviment es simplifica de manera considerable. Els perfils proposats, són bàsicament:a) una rampa de pujada per l’arrancada, b) un refresc de la velocitat segons el càlcul de laposició subministrada per la part d’adquisició i processat d’imatges i c) una rampa debaixada es poden implementar fàcilment. Un suggeriment és utilitzar una funció de corba Sper la arrancada i frenada amb el control de PID per fer el seguiment durant la part central.Aquest PID a més disposa de l’opció de Self-tunning que en funció de la resposta delsistema configura els valors del PID. Aquest sistema , que incorporen la majoria de PIDactuals, té la avantatge d’ajustar els paràmetres en condicions reals. Altres funcions, com lacaptura de posició o sortides com la detecció de pas per un punt poden ser utilitzades percrear mesures extres de seguretat o controls redundants. Aquestes funcions com s’hacomentat només són accessibles en cas de compra d’una targeta Motion.Per finalitzar aquest apartat, destacarem que National Instruments disposa d’una eina decomprovació ràpida d’entorn anomenada “Measurement & Automation Explorer Interactivemotion configuration environment“. Aquesta opció dóna la possibilitat de comprovar l’entornsense necessita de preparar un programa específic. Un cop detectats els dispositius, esdefineix la seva configuració i queda enregistrada per les futures aplicacions.

4.3 Programes desenvolupats

Com ja hem comentat, el paquet NI-MOTION ja disposa de totes les eines necessàries perporta a terme un control en condicions òptimes. Encara que aquest paquet no estiguidisponible dins la URV, s’han desenvolupat uns programes amb el paquet bàsic deLabVIEW per tal de com a mínim, donar una idea de la nostra aplicació i una guia perl’entorn dels programes definitius que s’han de desenvolupar amb el paquet NI-MOTION.Aquests programes per tant no poden substituir a les funcions del paquet de control demoviment i s’han d’interpretar només com una guia per les versions definitives.Per començar, s’ha volgut reflexar com podria ser un pannell d’usuari que inclogués tots elspossibles controls i indicadors que caldria incorporar en el muntatge definitiu.El pannell d’usuari del programa de control de l’experiment és el de la figura 4.1. Enaquesta es pot veure tota la informació necessària per poder monitoritzar l’experiment.


42

Les dades de sortida que s’ofereixen són :

a) “Inici” activa el pannell i inicialitza el VI

b) “Recorregut del Centre de Gravetat de l’estructura a analitzar” és el gràfic quemostra la evolució dels desplaçaments segons els eixos X i Y.

c) Indicador de “Experiment Vàlid” que avisa en cas de que tots els paràmetresd’inicialització són correctes. Les dades que es verifiquen inicialment són la posiciódel desplaçador, el feedback de la velocitat de fluid, la validació de càmera i el làser.A més d’aquesta operació inicial (realitzada amb experiment aturat) es verifica ambla sincronització de l’injecció de la taca amb l’inici de l’experiment.

d) “Temps d’inici d’experiment” marca el zero del gràfic i la referència de les dades X,Yque encara que en pantalla poden aparèixer desfasades són recollides en el fitxergenerat sobre l’experiment correctament.

e) “Alarma Pèrdua Estructura” s’encén quan el c.d.g. no es localitzable pel programa devisió normalment com a conseqüència d’un problema de difuminació.

f) “Estructura fora límits” s’activa si s’utilitzen límits inferiors a les mides reals de lainstal·lació, com poden ser casos en que es vulgui canviar les distàncies focals ocanvi d’ubicació de la càmera, per exemple.

g) “Parada d’emergència” compleix la mateixa missió que un interruptor tipus “bolet” enun muntatge convencional. En aquest cas aturaria a més del procés d’adquisió dedades el desplaçament del conjunt de mesura.

h) El quadre “ Informació paràmetres Conjunt mesurador” dóna els valors de diferentsmagnituds relacionats amb el experiment , distàncies, velocitats etc.

i) “Velocitat del fluid” pot ser un control, sempre hi quan, es disposi d’elementscontroladors dins a la instal·lació. En cas contrari, podem tenir dues opcions: a)instal·lar un mesurador i visualitzar el seus valors, ajustant manualment el valor decabal o b) en una segona opció, mesurar i regular manualment, introduint mitjançantl’indicador del pannell virtual, la velocitat final mesurada.

j) “Injecció” i “retard en la injecció” són els dos controls relacionats amb lasincronització de l’inici de l’experiment. En cas d’un sistema totalment automatitzat“Injecció” és el que inicia l’experiment obrint la vàlvula del líquid a introduir aigüesamunt de la zona de mesura. “Retard en la injecció” és un indicador del temps entreque l’inici i la aparició de la taca en la zona de visualització. “Injecció” també actival’inici del moviment en el conjunt de mesura.

k) El “Control PID “ serveix per fixar el paràmetres del control. L’usuari pot tenir accés aaquest paràmetres, encara que, amb funcions self-tuning via algoritmes interns espodrien fixar internament. També considerant els valor obtinguts en la simulacionsanteriors podrien ser fixats prèviament.


43

Figura 4.1. Pannell de Control d’experiment

Emulació de les dades

Com que no es disposa dels elements del conjunt desplaçador, per tal de verificar elconcepte i facilitar la seva posterior implementació, s’han de desenvolupat una sèrie deprogrames de simulació. El primer és un programa de generació de dades i emularia lesfuncions que realitzar la part del visió i tractament d’imatges. Des d’aquesta secció esrecullen les imatges obtingudes des de la camera i gràcies al software LabVISION s’obté eldesplaçament en funció del temps de les coordenades X i Y del centre de masses del’estructura analitzar. Per desenvolupar la segona part del programa , el que s’hadesenvolupat és un programa que generar valors de X, Y i temps en funció de la velocitatdel fluid. Aquests valors són enregistrats en un fitxer de text (exportable fàcilment aMicrosoft Excel) de manera que es disposa d’una seqüència ordenada de coordenades enfunció del temps. El pannell de control del programa és el que podem veure en la figura 4.2.En ell podem veure que es poden definir el número de mostres, la velocitat d’obturació amés de la velocitat del fluid. Encara que hi ha llibertat total a l’hora d’escollir els valors quees poden seleccionar amb aquests paràmetres d’entrada, és clar que per obtenir valorscoherents en els resultats de sortida, s’hauran de considerar les següents restriccions. Elprimer factor que es troba clarament fixat, és la velocitat d’obturació, ja que la càmeraseleccionada en el capítol 5 treballa a 25 imatges per segon la qual cosa fixa aquestparàmetre. Això limita el número de mostres durant el temps que dura l’experiment. Aquest,


44

a més, és la relació que hi ha entre la velocitat del fluid i longitud a recórrer (que en el nostremuntatge és de 2000 mm).Totes aquestes relacions, fixen els valors de sortida en el cas d’utilitzar la velocitat màximade 0,5 m/s, quedant el número de mostres fixat en 100 i el temps de l’experiment en 4segons. A la figura 4.2 es poden veure els resultats número 99 de la configuracióproposada. Totes les dades generades queden emmagatzemades amb fitxer d’adreça inom configurable per l’usuari. El format d’aquest fitxer permet la seva lectura ambprogrames tipus Notepad o Microsoft Excel. Aquests fitxers són els que s’utilitzaran percomprovar el funcionament de la part de visualització. El desplaçament segons l’eix X esfarà sota les condicions explicades però per tal de introduir desplaçaments en l’eix Y s’haincorporat una funció trigonomètrica d’amplitud 150 (que dona el màxim desplaçamentvertical teòric de 300) i freqüència configurable. Això permetrà simular desplaçaments enels dos eixos. Totes aquestes condicions exposades són fàcilment configurable des deldiagrama de blocs del programa.

Figura 4.2. Pannell de control del programa de generació de dades

Figura 4.3.Diagrama en blocs del programa de generació de dades


45

Abans de arribar al pannell final mostrat a l’inici del capítol (figura 4.1) s’ha anat treballantsobre fases intermitges com la de la figura 4.4. En aquesta es pot veure el pannell decontrol que visualitza les dades generades pel pannell de la figura 4.2 i que a més éscomplementat per les dades necessàries per completar el conjunt que és la injecció i el seuretard. Aquests valors serviran de sincronisme amb la part del control PID. A aquest controlli hem de passar un desplaçament de X , que calcularem amb les dades de la simulació(però que en realitat vindria donat per la part de processat per visió) i en funció de lesdiferències hauria de donar la senyal de consigna pel driver de motor. Tot això considerantla sincronització de l’arrancada des de 0 fins el valor de la velocitat del fluid.

Figura 4.4.Diagrama en blocs del programa intermig de visualització i generació de dades

Finalment, la figura 4.5 correspon a l' emulador del control del moviment i visualitzador de latrajectòria. En ell, s’ha integrat la part corresponent a la visualització amb un control PID.Aquest control pren com a base uns dels exemples de LabVIEW però s’ha modificat per tald’adaptar-lo a les nostres necessitats. Recordem que la feina feta es per tal de considerartotes les variables que es trobaria el dissenyador en front d’aquesta feina però que caldriavalorar quines són les eines professionals més adients per tal de desenvolupar el projecte.Dins d’aquestes possibles eines podem plantejar una primera, que seria aprofitar el linkexistent entre Matlab i LabVIEW, gràcies al qual totes les funcions Matlab són habilitades


46

com a funcions dins l’entorn del diagrama de blocs de LabVIEW. Això significa que, perexemple, els controls i instruments dissenyats en el capítol 3 podrien ser provats en elmuntatge real via la interconnexió de LabVIEW. A més totes les simulacions, quehabitualment han estat en Matlab, poden ser implementades directament, tant pel que fa ala simulació del sistema com pel que fa al control mateix. Una segona opció intermitjapodria ser utilitzar l’apartat de fórmules matemàtiques de LabVIEW, i que ens donariaopcions de implementar mòduls aproximats al que podríem tenir en Matlab, especialmenttot al que fa a processos amb integrals bàsics per poder desenvolupar els modelsmatemàtics dels sistemes o el control en si mateix. La tercera opció és la que ja hemcomentat anteriorment de la llibreria LabVIEW anomenada IMAQ Motion que es venconjuntament amb la placa de control proposada i que, per aquest motiu no tenimdisponible. En aquesta llibreria es troben tots els mòduls possibles per aquest tipusd’ajustos i controls. Totes aquestes opcions passen però per tenir clar quin és l’entorn iquines són les variables a tractar i és aquí a on intervé la feina feta fins ara, en aquestemuladors, mostrant les variables de que es disposen, quines són les sortides útils perl’usuari i de quina manera han de ser presentades. Amb la proposta desenvolupada tenimun estructura sobre la qual es port anar desenvolupant el sistema segons les einesdisponibles.Així doncs, per exemple, en aquesta última proposta presentada podem substituir elscontrols PID adaptats per uns altres elements provinents de les tres fonts anteriormentexplicades i, perquè no, de fonts exteriors, com un mòdul PID standard, i implementant elcontrol mitjançant l’adquisió de dades amb el mòdul extern. De la mateixa manera, elssistemes que representen el models de 1er i 2on ordre es poden millorar i aproximar-los alnostre model real.

Figura 4.5.Primer Emulador del control i visualització de moviment


47

Pel que fa al ajust de temps, el sistema desenvolupat no pot treballar en temps real altrobar-se en entorn windows. Malgrat que en les simulacions sembli que el tempsconcorden no és si no aproximacions fetes amb les eines disponibles. En el muntatge finals’hauria de treballar amb les funcions de control que ja hem comentat al principi del capítol.La figura 4.5 representa una possible versió final del pannell de control i incorpora gairebétots els elements que explicàvem en la proposta inicial de la figura 4.1 més : a) unesgràfiques de visualització dels efectes del control PID sobre el moviment i la tensió deconsigna i b) una selecció de l’ordre del sistema amb el qual treballem.Les figures 4.6, 4.7 i 4.8 ens mostren el diagrama en blocs del pannell de la figura 4.5 .Com que hi ha vàries seqüències s’han dividit en vàries figures però formen totes part delmateix sistema. Algunes de les seqüències més simples no s’han incorporat. Elfuncionament aproximat del pannell seria el següent : un cop activat, la primera acció esobrir un quadre de diàleg per escollir quin fitxer de simulació de moviment és l’escollit per lavisualització. Seleccionat aquest (recordem que podem generar fitxers propis amb elprograma desenvolupat corresponent a la figura 4.2 i 4.3 ) el programa queda a la esperade l’ordre d’inici de la injecció. La activació d’aquest comandament suposarà l’inici de duesaccions paral·leles:a) Per una part s’inicia un comptador que emula el temps que tarda la taca en aparèixer

des de el punt d’injecció fins l’inici de la zona de visualització. Amb una mesura develocitat del fluid i coneixent la distància, es pot determinar quin és aquest temps demanera interna i suprimir aquest comandament. També si les condicions no són gaireclares per que no es disposa de tota la informació, llavors l’operació es pot definir demanera manual

Figura 4.6. Seqüència principal del diagrama de blocs del pannell de control de la fig. 4.5


48

b) La segona operació que s’activa és la seqüència de control d’arrancada en la qualintervé el control PID i la visualització dels seus efectes sobre velocitat del sistema. Pertal de definir la velocitat a la qual fixarem l’step d’entrada, s’introdueix un set-point , queen el muntatge definitiu vindria fixat per la mesura de la velocitat del fluid. Un cops’activa el procés podem veure en el visualitzadors quin són els efectes delsparàmetres PID fixats. En el muntatge real es controlarien aquests valors de consignade manera que s’arribés al punt màxim de velocitat just en la posició d’inicid’adquisició d’imatges que coincidiria amb la sortida de la taca a la zona devisualització. En el cas d’aquest emulador no es realitza aquesta sincronització.

Un detall relacionat amb el control PID i el sistema de simulació és la possible selecció del’ordre del sistema entre primer i segon ordre. A aquesta selecció es podrien incorporarfàcilment els models obtinguts per simulacions Matlab.Un cop finalitzats aquests dos processos inicials, és passa a la visualització de latrajectòria emmagatzemada en el fitxer seleccionat inicialment. Cal considerar que encaraque la informació d’aquesta trajectòria esta “carregada” en el programa, tot el processatd’aquesta és fa seqüencialment, de manera que respecte el procés real, la localització dedades dins l’array seria substituït pels valors que s’obtinguessin de la part d’adquisiciód’imatges, però la resta seria 100% utilitzable. A més de la visualització de la trajectòrias’han afegit altres indicadors, com d’espai recorregut, velocitat actual, espai fins el final dela guia útil i indicador de final d’adquisició d’imatges.

Figura 4.7. Seqüència secundària del diagrama de blocs del pannell de control de la fig. 4.5


49

Després de aquesta fase intermitja, s’activaria la part de la frenada de semblantscaracterístiques que la part d’arrancada . Els controls PID, així com la zona de visualitzacióhaurien de respondre de manera semblant que a la entrada.

Figura 4.8. Seqüència secundària del diagrama de blocs del pannell de control de la fig. 4.5


50

CAPÍTOL 5 . SISTEMA DE CAPTURA DE IMATGES

En el diagrama de blocs general es pot veure que una de les parts més importants delconjunt és la part de captura de imatges, ja que és la encarregada de donar les ordrescorresponents a la resta del circuit, sobre quina és la posició en la que es troba la taca i pertant quin és el desplaçament a realitzar. El conjunt de captura d’imatges disposa d’una partde hardware, en la que trobem: a) la càmera de vídeo, b) l’òptica i c) la targeta d’adquisicióde vídeo inserida en un PC. En aquest ordinador tindrem instal·lada la part de softwareencarregada de manipular les imatges que arriben des de la càmera. Els valors generatsde sortida pel moviment detectat seran transmesos dins del mateix programa a la part decontrol del driver del motor. Per tal d’implementar una funcionalitat d’aquest tipus, s’haescollit el software de LabVIEW, ja que disposa d’aquestes dues funcionalitats en un entornde fàcil accés per l’usuari. La part especifica de visió dins aquest software és la llibreriaIMAQVision, la qual disposa de tot un seguit d’eines pel tractament i anàlisi d’imatges. Perfer l’anàlisi descriptiu d’aquesta part de la automatització s’analitzarà per parts, primer esrepassarà el hardware en les seves diferents parts , càmera, òptica i targeta d’adquisió,per després veure la part de software del paquet IMAQVision amb els programesdissenyats per a aquesta aplicació.

5.1 Descripció del conjunt Càmera/Òptica

A l’hora de fer la selecció d’aquest dos elements, bàsics en la definició de l’aplicació ,tenimmúltiples opcions. Encara que el software escollit sigui LabVIEW, com que NationalInstruments no és fabricant ni de cameres ni òptiques, hi ha tota la llibertat a l’hora de fer laselecció d’aquest dos elements. Per tant, el ventall combinacions càmera+òptica+targetaés molt ampli, però s’ha limitat establint uns requeriments per a l’aplicació proposada,sense perdre de vista el cost econòmic del sistema i la seva integració dins del conjunt. Elspassos per aquesta selecció en una aplicació com la d’aquesta automatització passen perintentar una mínima especificació del que és vol, prioritzant aquests requeriments en funcióde la seva importància per la funcionalitat final. El qüestionari desenvolupat en la taula 5.1recull els aspectes més importants a considerar a l’hora d’iniciar la selecció. Amb els valorsexposats en aquesta taula podem tenir una primera aproximació a la càmera, solucionant eltema de la velocitat de captura. Per les especificacions generals del projecte, els objecteses poden desplaçar a una velocitat màxima de 0,5 m/s. Des del punt de vista de la càmera,això vol dir que entre una imatge amb l’objecte dins dels seus límits i la següent, aquestobjecte ha de continuar trobant-se dins dels aquest límits. En cas contrari, el sistema decontrol no podria detectar quin es el centre de masses de l’objecte en la segona imatge , niper tant quin és l’increment a considerar en els eixos X i Y. A més, la distància a la que estroba la càmera respecte l’objecte és fonamental ja que fixarà els límits de la imatge (aixícom la seva àrea associada ) i seva resolució. Com que la definició d’aquests paràmetresés conseqüència de la imposició d’altres, es començarà per assignar valors a alguns d’ells,sempre considerant les condicions generals del conjunt. El primer que es pot fixar és laresolució, que per la aplicació inicial no es troba gens restringida, i hi ha un marge raonableper modificar-la en funció dels resultats.


51

Requeriments del captador d’imatges

1 Velocitat decaptura

És sens dubte el més important ja que tot el sistema de captació estacondicionat per ell. Ha de ser el suficientment ràpida per tal de poderseguir l’objecte dins els marges de velocitat establerts sense perdre elcontacte. Es troba condicionada per altres paràmetres com la distànciafocal i el format de vídeo

2 Color

Una aplicació color no és necessària en l’aplicació proposada ja que espot treballar amb escala de grisos, Malgrat això, hi han aplicacions en lesque el color , s’utilitza com a diferenciador d’objectes. Si fos necessaritreballar en un cas d’aquestes característiques caldria tenir en compte queel sistema en aquesta part hauria modificar-se substancialment. A més demodificacions en el hardware, que també suposarien una elevacióconsiderable del pressupost, el software hauria de ser modificat.

3 Resolució

S’ha comentat que la missió d’aquesta càmera no és la captaciód’imatges per la experimentació, encara que aquestes puguin seraprofitades com en el cas del PLIF. Per tant, la seva resolució és fixadaamb un criteri de seguiment d’objectes i amb funcionalitat per tantpensada per ser la adient per les mides dels objectes amb els que es voltreballar. Encara que el rang pot ser molt variable, es pot imposar unmínim com a cas restrictiu, fixant 50x50 mm. Per mantenir una línia decoherència amb la resta d’elements del conjunt la resolució hauria de serde 0.1 mm. Recordar que aquest paràmetre també és funció de la òptica autilitzar

4 Distanciaentre càmera

i objecte

Si es considera que l’objecte és troba dins d’una estructura transparent desecció quadrada de 300x300 mm, es clar que les distancies poden variardins un rang entre 0 i 300 mm. De totes maneres, el punt de treball mésnormal és la zona central , ja que és a on es troben les condicions mésestables per l’experimentació. Per tant la distància seria d’uns 150 mm.

5 Condicionsd’il·luminació

Aquest aspecte, si tenim en compte que en la tècnica PLIF s’està pensaten utilitzar dispositius d’il·luminació làser , no es requereix, en principi ,cap condició especial.

Taula 5.1 Requeriments generals càmera

Normalment, aquest paràmetre és fixaria segons les mides de l’objecte a mesurar, demanera que hi hagués una correspondència entre un pixel i la mida de l’objecte. Com en elnostre cas això no té gaire sentit (l’objecte fa 50x50 mm) l’assignarem nosaltres. Si és fixaaquesta mida a 0.1 mm hi haurà una àrea determinada segons el número de pixels, ladistància focal i la distància entre l’objecte i la càmera. A tall d’exemple, es calcularà unexemple segons una configuració general com la de la taula 5.2.

Sensor Size 1/2 “No. de pixels sensor CCD 1024 x 1024

Distancia focal (DF) 50 mmDistancia a l’objecte (DO) 200 mm

Resolució requerida (R) 0.1 mm

Taula 5.2 Configuració exemple pel càlcul de camp de visió.


52

Amb aquestes dades caldrà considerar primer, la distància corresponent per pixel. Enaquest exemple només considerarem l’eix horitzontal, les consideracions per l’eix verticalserien les mateixes tenint en compte el no. de pixels verticals és el mateix que l’horitzontal(encara que normalment és menor).

lhoritzontaeixpixelsdeNopixelperresoluciópixelperDistància .×= (5.1)

mmpixelspixelpermmFOVVisiódeCamp 4.10210241.0min)( =×= (5.2)

El FOV min és el paràmetre bàsic sobre el que tenim que definir la resta de termes de laequació. L’objectiu és aconseguir una combinació de paràmetres de manera que el FOVmin es compleixi. Aplicant la resta de dades de la taula 5.2 ens queda el següent :

mmfocalDistànciaobjectelaDistància

SSSizeSensorFOVVisiódeCamp 8.5050

2007.12

')()( =×=×= (5.3)

El resultat obtingut voldria dir que per a tenir una resolució de 0.1 mm caldria una càmerade les característiques de la taula 5.2, col·locada a una distància de l’objecte de 200 mm iamb la distància focal ajustada a 50 mm. Les conclusions que poden extreure de l’aplicaciód’aquest sistema és que per a resolucions petites (necessàries per objectes petits) la FOVmin serà baixa. Amb aquesta consideració, es pot veure que ens interessa tenir distànciesfocals grans i distàncies de treball mínimes baixes, a més de mides de sensor petites.Es disposa d’una orientació per calcular el número de pixels i les característiques de la lent,però, quina seria la velocitat d’adquisició de la càmera per acomplir l’objectiu de seguirobjectes a 0,5 m/s ?. Aquest paràmetre, com es pot veure té una relació directe amb elvalor del camp de visió i es pot fer el següent raonament per definir-ho.Es suposa primerament que s’utilitza una càmera del tipus CCIR, les característiques de laqual queden reflexades en la taula 5.3

Format de vídeo CCIR Color Monocrom (B/N)

Velocitat 25 imatges /segonZona Europa i d’altres

Entrellaçat SiNo. línies 625

Sincronismes Vertical i horitzontal Standard

Taula 5.3 Característiques més importants del sistema CCIR

El sistema CCIR és l’estàndard europeu per B/N i és el més freqüent i econòmic peraplicacions industrials. Altres estàndards com l’americà de B/N (RS-170), que tél’avantatge de més imatges per segon (30), o els sistemes color NTSC o PAL que sóntambé força utilitzats podrien considerar-se. Aquests sistemes, però, tenen però elproblema que aplicacions amb estàndards no europeus sempre porten complicacions decompatibilitats, especialment si es volen enregistrar imatges amb un reproductor-grabador


53

convencional. A més fan encarir molt l’equipament al tenir que ser d’importació. Respecteal sistema color PAL, ja hem comentat que de moment no aporta res al control que es potfer en B/N i l’opció color només encareix el pressupost final.Feta aquesta justificació del format de vídeo inicial, cal considerar si els paràmetresestàndard del sistema CCIR poden servir-nos per l’aplicació proposada. Amb 25 imatgesper segon i una velocitat de 0.5 m/s tindríem que l’objecte per a una càmera estàtica esmouria uns 20 mm en cada imatge consecutiva. Si s’estableix aquest camp de visió com amínim, llavors només es té l’objecte dins els límits de dues imatges consecutives en el casde que es trobes justament en el extrem esquerra de la primera, per trobar-se’l justament enl’extrem dret en la segona. Naturalment, un petit desplaçament en l’inici invalidaria elseguiment. Per evitar aquest problema, normalment s’apliquen en cas de seguimentd’objectes en moviment, uns marges de seguretat. Si es pren, per exemple, l’utilitzat en latècnica PIV, que és d’un quart, ens queda que el camp de visió ha de ser de 80 mm.Aquesta definició de marge ens assegurarà que encara que l’objecte no es trobi en elcentre de la imatge número 1 encara es podrà veure dins dels límits de la imatge 2. Definitun camp de visió de 80 mm, s’aplica el camí invers de l’exemple anterior (el de la taula 5.2)però sobre un model de càmera i òptica concret. Cal comentar que hi ha disponible unpaquet de propòsit general per aplicacions de visió de National Instruments (NI Vision1400), però s’ha buscat una altre opció diferent per tal de tenir més altres possibilitatsanalitzades. De totes maneres, si ens fixem en termes purament econòmics, els paquetsintegrats tenen l’avantatge de oferir preus molt competitius en front de comprar elsdiferents elements per separat, però segons l’anàlisi del capítol 6 aquest no és el cas.Analitzant aquest sistema de càmera i òptica . La primera és una SONY XC-ES 30 i lasegona una òptica ERNITEC 5V40-1/3, les característiques de les quals es poden trobar enles taules 5.4 i 5.5

Càmera SONY XC-ES 30Sensor CCD 1/3” 752 x 582 pixels

Format de sortida CCIRMida de Cel·la Sensor 6.5 x 6.25 µm

Suport de muntatge Tipus CSistema de sincronisme Internal/External (auto)

Scanning System 2:1 InterlacedMinimum illumination 0.3 lx

Shutter 1/120 – 1/10000 SVibration 10 G (20~200 Hz)

Shock Resistance 70 GPower requirements DC 12 V (+ 9-16V)

Dimensions 29 X 29 X 32 mmMassa 60 gr

Taula 5.4 Característiques més importants de la càmera SONY XC-ES 30


54

Òptica Ernitec 5V40- 1/3Format 1/3”

Regulació d’iris ManualDistància focal Manual . Regulable de 5 a 40 mm

Suport de muntatge Tipus CS-1/3”Obertura Màxima 1.6

Angle de visió horitzontal 6.5º-53.6ºDistància mínima a objecte De 0.1 a 1 metre

Taula 5.5 Característiques més importants de l’òptica Ernitec 5V40-1/3

Amb aquesta informació cal comprovar si el sistema és vàlid per l’aplicació proposada iquins marges de seguretat queden. Si seguim el plantejament de l’exemple anterior i ambuna FOV fixada, podem veure si la resolució per pixel és acceptable .

pixelpermmpixelsdeNúmero

FOVvisiódeCamppixelpersolucióRe 106.0

75280)(

=== (5.4)

El valor de 0.106 mm per pixel és suficient per aquest tipus d’aplicació i es troba en líniaamb la resta d’errors d’altres elements del conjunt. Per tant, només cal comprovar si la FOVmin és factible amb el conjunt càmera òptica proposada.

mmaDeaDe

mmaDemm

focalDistànciaobjectelaDistància

SizeSensorFOVVisiódeCamp 15.211692405

100010046.8

')( =×=×=

(5.5)

Com podem veure gràcies als rangs de l’òptica els marges que es poden aconseguir,deixen un grau elevat de llibertat tant pel que fa a la col·locació final de la càmera respectea l’objecte (que es podria estimar del voltant de uns 200 mm, 150 mm de la taca en elcentre de la estructura i 50 entre la paret d’aquesta i la càmera), com per la distància focal.A més, també es pot tenir l’opció d’aconseguir resolucions molt més baixes. Amb un valormínim de FOV d’aproximadament 42.3 mm (els 21.15 mm no tenen en compte l’estructuraque conté l’aigua) i els 752 pixels del CCD s’arribaria a un valor de 0.056 mm.


55

5.2 Targeta d’adquisició de la senyal de vídeo

Les tecnologies de visió basades en PC, gràcies a la confluència en la evolució de vàriestecnologies són ara més practiques i més factibles econòmicament. La major velocitat delsprocessadors amb la tecnologia MMX, junt amb una major solidesa dels sistemesoperatius i els bussos PCI han produït una millora substancial. Les aplicacions de visióartificial permeten, avui en dia, processar la imatge, captar i recollir la informació irealimentar-la a un control per un correcte processat o fabricació d’un producte. El softwarede visió desenvolupat per National Instruments esta dissenyat per treballar amb aplicacionsamb DAQ, GP-IB, RS-232, PXI i, el més important en el cas proposat, conjuntament amb elpaquet de Motion de NI.La tecnologia MMX millora considerablement les operacions de càlcul , tant aquellessenceres, com amb coma fixa que s’utilitzen en els processos de processat d’imatges . Ésper aquest motiu que, per exemple, un Pentium MMX pot arribar a anar 200 o 400 vegadesmés ràpid que un Pentium convencional en aquest tipus d’operacions.Les targetes d’adquisió d’imatges NI treballen amb el bus d’alta velocitat PCI. Aquest buspot transferir fins a 100 Mbytes/s (132 Mbytes és el màxim teòric), per aquest motiu és idealper aplicacions de vídeo amb necessitats d’alt ample de banda. Per aprofitar tot aquestample de banda, NI ha desenvolupat un ASIC anomenat MITE que gestiona la transmissióde dades entre la targeta i el PC via el bus PCI.El MITE incorpora 3 canals de DMA per l’entrada simultània de vídeo, tant analògic comdigital, la sortida analògica de senyal de vídeo i les operacions de temporització. D’aquestamanera, el hardware de NI assegura la transmissió de gran quantitat de dades sense laintervenció de la CPU, que queda llavors alliberada per altres funcions com poden ser elcontrol de moviment ( necessari per exemple en l’aplicació proposada). Això permetplantejar processos en temps real, i aconseguir desfasaments gairebé nuls en latransferència de dades. A diferència d’altres DMA convencionals, el MITE permet lainterrelació i la còpia d’informació de les imatges en el PC en cas de que sigui necessari.La transferència d’aquesta transferència no es fa en blocs continus de memòria, sinó quees fa fragmentada, amb la qual cosa, no són necessaris grans blocs de memòria en laconfiguració del driver d’adquisió d’imatges. El procés s’anomena en anglès “scatter-gather”, o sigui, funció de “dispersió-reunió” d’accés a memòria. Els 3 controladors delscanals de DMA es reconfiguren automàticament per transmetre imatges contínuament enbuffers consecutius o no. Això, a més de les millores anteriors, redueix considerablement,el temps en que el bus master queda en repòs donant més potència i robustessa al conjunt.Una altre característica interessant d’aquestes targetes, és que disposen d’un port digitalI/O per a control i adquisió de senyals digitals. En l’aplicació proposada és poden utilitzaraquestes entrades/sortides per a sincronisme d’elements (injecció de la taca, control decabal, consignes per la il·luminació làser etc.)La configuració de la càmera es realitza gràcies al “Measurement & Automation Explorer”(MAE) que es troba adjunt en cadascuna de les plaques d’aquesta família. Gràcies al ell,es poden definir els paràmetres com el tipus estàndard de vídeo analògic (en el nostre casel CCIR) o vídeo digital. També en cas necessari es poden crear fitxers d’adaptació propisper a cameres de formats no estàndard.


56

Totes aquestes característiques generals es troben en tota la família de NI IMAQ, però enconcret , la targeta seleccionada per l’aplicació proposada i que forma part del “pack” de NIanomenat NI IMAQ 1400 és la PCI-1409. Aquesta, a més d’incorporar la tecnologiaexplicada anteriorment , té com a característiques pròpies el bus PCI (també hi ha versionsamb PXI, el bus industrial de baix nivell de NI) i els 3 controladors DMA independentsintegrats al MITE (comentats anteriorment). Aquests controladors són els encarregats de latransferència de dades entre el bus PCI i la memòria FIFO de la targeta. Aquesta funciófacilita la transmissió de dades i optimitza la memòria disponible a la targeta que és de 16MB, utilitzats per aquesta transmissió d’imatges entre targeta i bus PCI. Amb aquestsvalors es poden transmetre imatges grans sense problemes.La targeta disposa d’un sistema dedicat de sincronisme o pot utilitzar el port I/O explicatanteriorment. Per a l’aplicació proposada, però, el més important és la possibilitat deconnexió entre targetes, per realitzar aplicacions de sincronisme d’operacions i això ésfactible gràcies a la connexió via el bus RTSI (Real Time System Integration). La funció (queja comentarem quan analitzem la coordinació dels diferents blocs que componen el nostreconjunt) seria donar l’ordre d’adquisió d’una nova imatge quan la part del Motion tingués jadetectat que el moviment programat ha estat executat.Altres detalls a comentar són, per exemple, un filtre anticrominància (eliminació de lainformació color d’una senyal de vídeo PAL o NTSC, que no és el nostre cas), unamplificador d’offset i guany programable i connectors de sortida BNC o VHDCI I/O de 68pins . Per acabar, destacar que el conversor A/D de digitalització d’imatges és un de 8 bits.El resultat d’aquesta digitalització, però, pot passar per una memòria RAM amb una Look-up Table configurable, que pot deixar la conversió en 10 bits. Les característiques mésimportants d’aquesta targeta es poden trobar en la taula 5.6

Targeta National Instruments PCI-1409Conversió A/D – Nivell de grisos 256 (8 bits ) o 1024 (10 bits)

Bus PCIDNL ± 1 LSB

Sampling rate De 2 a 40 MHzTrigger sense TTLTrigger level Programable (flanc de pujada o baixada)

Bus RTSI 4 línies de TriggerFormats de vídeo CCIR, RS-170, NTSC, PAL

Possibilitat de progressive scan i RGBNo. de canals 4 monocromàtics

Tipus de connexió Canal 0 (single ended - BNC)Altres canals : Diferencial (D-Sub)

Impedància d’entrada 75 OAmple de banda 30 MHz

SNR 56 dBAdquisió d’imatges Entrellaçada o sense entrellaçar

PC i Sist. Operatiu recomanat Pentium MMX - Windows NT

Taula 5.6 Característiques més importants de a targeta PCI-1409


57

5.3 Descripció del software de tractament d’imatges

El software específic per a tractament d’imatges desenvolupat per National instrumentss’anomena IMAQ Vision. Aquesta llibreria és un bloc apart dins de LabVIEW i cal adquirir-la per tant amb un pagament separat del software principal. Com s’ha comentatanteriorment, el més senzill és adquirir un “paquet” de visió” (l’anomenat NI IMAQ 1400)que incorpora a més càmera i òptica , encara que el preu no és el més ajustat.Un dels principals motius per utilitza LabVIEW en el projecte és aquesta part del software,ja que encara que és possible trobar altres paquets de moviment o de visió, hi ha pocs queels combinin tots dos i que, tant la part de moviment com processat siguin, tant intuïtius.IMAQ Vision incorpora un entorn de treball per no programadors , el IMAQ Vision Builder,que permet treballar amb les imatges sense tenir que treballar amb els operadors delsdiagrames en blocs de LabVIEW . Aquesta avantatge permet, escorça molt els temps dedesenvolupament d’una aplicació , ja que les proves amb les diferents eines sóninstantànies, visualitzant els efectes directament sobre la pantalla ,sense tenir quedesenvolupar el programa. Un cop es té clar el procés a aplicar, el IMAQ Vision Buildergenera un “script”, en el qual s’indiquen tots els passos per aquelles funcions, reduint lafeina a fer pel programador. Les últimes versions de LabVIEW , fins i tot, eliminen aquestúltim pas , i generen directament el VI que realitza la funció amb les seves entrades isortides. Aquesta opció, facilita encara més la elaboració del tractament d’imatges per aqualsevol persona, tingui o no coneixements de LabVIEW.IMAQ Vision disposa, però , d’un ventall de funcions força ampli, de la qual només s’hautilitzat una petita part. A continuació, s’exposa una llista de les funcions incloses dinsd’aquest software que són més interessants per l’aplicació proposada, i encara que en lanostre proposta finalment no s’hagin utilitzat, s’explica possibles variants gràcies a elles.nostre aplicació, i que s’explicaran més endavant, de l’IMAQ Vision disposa de lessegüents funcions :

a) Identificació de patrons en color (Color Pattern Matching)Localització ràpida de formes i estructures segons el seu color i característiquesdimensionals. Un indicador numèric informa de quant a prop s’està del patró que esbusca. Encara que de difícil ús en l’aplicació proposada pel que fa al seguiment detaques (les formes d’aquestes són normalment molt complexes) pot ser utilitzat com apunt de referència pel control de moviment o com a referència dins la imatge, tantdimensional, com de color. Això ens pot evitar, per exemple, problemes amb ladistància focal de la càmera o quan el fluid de dins el túnel s’enterboleix després devàries proves, fet habitual en aquest tipus d’experiments.

b) Identificació de patrons en escala de grisos d’alta velocitatPer aplicacions de recerca de patrons més complexes i sense color existeix aquestafunció. A diferència de l’anterior, en aquest cas la cerca és de les anomenadesintel·ligents , de manera que a més de configurar estratègies de cerca per trobar mésfàcilment objectes , aquest poden ser trobats encara que estiguin per exempledesenfocats, amb angles de visió i condicions de llum diferents o fins i tot, parcialmentfora de l’enquadrament.


58

c) Eines de visió artificial d’alt nivellIdentificar formes bàsiques com línies, perfils, cercles o rectangles i realitzar sobre ellesmesures fiables de posició, distància entre objectes, canvis d’orientació, comptadorsd’objectes. Pot utilitzar-se, per una aplicació de calibratge com la comentadaanteriorment.

d) CalibracióLa conversió de les referències entre la imatge i el món real és realitza amb aquestafunció. Després d’utilitzar eines com les anteriors, es pot comprovar realment que és elque s’està mesurant. Això pot evitar errors deguts a una mala orientació de la càmera oaberracions òptiques. Recordem que l’objecte o la taca es trobarà dins d’un fluid iaquest conjunt contingut en una estructura transparent probablement de plexiglass.Encara que la perpendicularitat de l’eix de càmera elimina possibles problemesaquesta eina permet comprovar-ho, i per exemple ajustar aquesta perpendicularitat.

e) Eines de visualització d’imatgesManipulació d’imatges, per la seva millor visualització amb eines com zoom, ROI operfils de línia. També es poden dibuixar figures bàsiques. Tot això sobre la imatgeoriginal que pot quedar sense manipulació, si es vol, al final. Encara que en el control notingui ús, recordem que des del punt de vista científic enregistrarem tot el moviment dela taca o l’estructura i que això pot ser d’utilitat per des de l’anàlisi de moviment com perveure errades en la realització de l’experiment.

f) Anàlisi de taques (morfologia, càlculs, etc) i d’imatgesAquesta és la funció sobre la que es basa l’aplicació proposada. Les taques (“blobs”)poden ser analitzades, determinant d’elles fins a 50 paràmetres diferents. La majoriad’aquests paràmetres poden ser utilitzats per tasques de filtratge, identificació etc. En elproper apartat es comenten més àmpliament com s’ha utilitzat aquesta funció en lanostre aplicació.

g) Processat d’imatges i color, filtratges, operadors matemàtics sobre imatgesHi ha diversos paquets dins d’aquest grup de funcions. El primer pot ser les funcions deprocessat purament dit : manipulats, difuminació, quantificació d’imatges i/o filtratges(threshold, Lookup Table (LUT) definides per l’usuari, passabaixos, filtres amb kernelconfigurable). Encara dins d’aquest grup, una funció útil pel cas d’utilitzar funcions dePIV és la correlació creuada entre dues imatges. El segon bloc són les funcions sobreles imatges dins del domini freqüèncial, com poden ser , FFT, FFT inversa, conjugada,atenuació, etc. El tercer grup de funcions esta format per el bloc d’operadors com elsmatemàtics (suma,resta,etc), els booleans (AND,OR,etc) i les funcions comparatives.Finalment , el quart grup el formen les funcions estadístiques com histogrames, valorsmàxims i mínims, etc. En l’aplicació proposada, s’han utilitzat vàries d’aquestesfuncions, bàsicament filtres per la preparació de la imatge per al posterior anàlisi departícules.


59

h) Regió d’interès (ROI)La principal utilitat d’aquesta eina és focalitzar tota la potència de càlcul i anàlisi en unadeterminada zona de la imatge, normalment a on es preveu tenir objectes d’interès.Amb aquesta operació es guanya temps de càlcul i per tant velocitat. Com que enl’aplicació proposada la ROI, seria tota la imatge, i ja la acotem des de les nostresconsideracions d’enfoc, no utilitzem aquesta funció encara que pot tenir aplicacions enaltres plantejaments en els que, per exemple, la mida d’imatge sigui més gran i la tacaquedi limitada a una zona determinada.

i) Manipulacions sobre imatges i/o pixelsPermet la manipulació individualitzada de pixels, i per tant operacions sobre la imatge anivell molt bàsic. Això fa, per exemple, més difícil la detecció de modificacions oconvertir la nostre imatge en una array de valor. També permet delimitar amb mésprecisió un perfil d’objecte. Pot ser utilitzat , en l’anàlisi de imatges posterior.

Per acabar, aquest software pot utilitzar imatges en qualsevol d’aquests formats:JPEG,PNG,BMP i TIF. Això l’habilita per utilitzar tota la potència del paquet de softwareper altres funcions apart del control proposat i completament externes a ell, com poden seranàlisi d’imatges que estiguin en format digital.En aquesta descripció breu de les llibreries del IMAQ Vision, insistir en que només ésplantejant una sèrie de possibilitats i de funcions , però el programa en disposa moltesmés i des d’altres punts de vista, es poden desenvolupar altres solucions per aquestmateix problema de control de moviment per visió.


60

5.4 Aplicació desenvolupada

Més enllà de les imatges utilitzades per testejar el sistema de control, els casos reals quepodem arribar a trobar, poden arribar a tenir una complicació força variable en funció deltipus d’experiment i les seves condicions d’entorn. Com que la instal·lació sobre la que esrealitzaran aquestes proves encara no es troba disponible , s’ha treballat sobre unaaproximació del que podria trobar-se en el muntatge final. En les actuals instal·lacions delLaboratori del Túnel hidrodinàmic del grup de recerca de Mecànica de Fluids de la URV,es van fer simulacions d’injeccions de tinta per veure quin podria ser l’aspecte de lestaques, i quins possibles problemes planteja el seu ús pel control de moviment. Lesimatges obtingudes en aquestes proves són la base del programa desenvolupat en aquestapartat i constitueixen una aproximació al problema, que pot tenir múltiples configuracions.

Abans d’analitzar el procés de tractament d’aquestes imatges, cal fer una descripció de lescondicions d’entorn i l’equipament utilitzat per enregistrar-les. Com ja s’ha dit l’estructurade suport ha estat el Túnel Hidrodinàmic. Una descripció general d’aquesta instal·lacióseria la següent. Per dos dipòsits situats a diferent alçada circula un fluid (normalmentaigua ) impulsat per una bomba. La funció d’aquest dipòsits és actuar de pulmó i zonad’estabilització del fluid. En el camí de “baixada” entre el dipòsit superior i l’inferior s’hacol·locat una estructura vertical de plexiglass transparent a on es realitzen lesvisualitzacions. Abans d’aquesta zona, es troben els elements necessaris per estabilitzar elfluid (convergent, filtres de coriolis, filtres de pas) i aconseguir que, quan aquest entri a lazona de visualització, les condicions siguin laminars. La zona de visualització té unesfinestres a on es possible muntar dispositius com injectors o de fixació d’obstacles etc. Enel cas desenvolupat, es van utilitzar com a entrada de la tinta que formarà la taca. Lavelocitat del fluid es controla mitjançant un sistema de vàlvules manuals de precisió per talde fixar la velocitat de treball desitjada, que ve registrada per un mesurador de cabal.

Encara que cada experiment té la seva pròpia configuració pel que fa a la il·luminació, ique pot anar des de plans de llum làser , passant per substàncies fotosensibles, per lanostre prova només s’ha utilitzat una font de llum convencional (focus de 1000 W)difuminada. Recordem que la il·luminació és un dels punts claus de tota aplicació de visió ique es suposa que en la aplicació real, la font de llum làser proposada eliminarà qualsevoldeficiència en aquest sentit. En cas de no ser així , caldria aplicar alguna de les tècniquesdisponibles , com difuminació per evitar reflexos, contrallums, etc. Com es pot veure en lesimatges resultants (figures 5.1 i 5.2) , les condicions de il·luminació no han estat òptimes,però això permet demostrar quines manipulacions minimitzen aquest tipus de deficiència.Referent al conjunt d’adquisió d’imatges, destacar que s’ha utilitzat l’equipament demesura de la tècnica de PIV, el qual disposa, a més d’una òptica amb focus variable i untargeta d’adquisió Matrox, una càmera especial. Aquesta és un model CCD amb sortidaRS-170 i amb adquisió no entrellaçada, especialment pensada per a funcions demanipulació de correlació creuada entre imatges.


50

Figura 5.1. Injecció experimental Posició 1 Figura 5.2. Injecció experimental Posició 2

El desplaçament de la taca, un cop injectada per un orifici i impulsada gràcies a un tancpressuritzat , es produeix per la combinació de aquest impuls inicial i l’efecte de la gravetatamb les diferents densitats entre l’aigua i la dissolució (barreja de aigua i colorantalimentari blau). La velocitat del fluid principal era zero, ja que el circuit de circulació estrobava tancat. El conjunt de la càmera+targeta es va configurar de manera que el númerod’imatges recollides fos de 12, amb la velocitat pròpia del sistema RS-170, que recordemés de 30 imatges per segon. Les visualitzacions de les figures 5.1 i 5.2 corresponent alsextrems de la seqüència, o sigui, les imatges 1 i 12, separades per tant 12/30 de segon(0.4 segons). Recordem que la càmera no és entrellaçada i que els dos camps és captenal mateix temps i que després són composades digitalment per tal de generar la senyal devídeo convencional. Això evita que en casos de velocitats més altes no és produeixindistorsions per el desplaçament que hi ha entre la captació dels dos camps. Finalment,direm que les figures 5.1 i 5.2 han estat girades 90º per intentar reproduir el mateix efecteque en el muntatge proposat.

Un cop feta la descripció general de com s’han capturat les imatges, que no tenen unajustificació experimental des del punt de vista de mecànica de fluids, i només ens serveixencom a base demostradora del nostre sistema, passem a analitzar quin és l’objectiud’aquesta adquisió en l’aplicació proposada. A més cal definir, quines manipulacions sónnecessàries per aconseguir aquest objectiu i com s’han implementat. En l’apartat següent,veurem el programa desenvolupat en LabVIEW amb les imatges i dades resultants del’aplicació desenvolupada.


62

L’objectiu de la adquisió d’imatges és determinar la posició d’unes taques com les de lesfigures 5.1 i 5.2, i extreure el seu desplaçament durant l’interval de temps transcorregutentre l’adquisió de les dues imatges. La estratègia fonamental es basa en la funciód’anàlisi de partícules, i els altres passos i funcions que s’apliquen, només busquen millorarel rendiment d’aquesta funció. De totes maneres, encara que siguin secundaris sense ellsla qualitat de les dades finals disminueix i el que s’ha intentat es buscar l’equilibri entre eltractament necessari per obtenir bons resultats i el temps de processat mínim (recordemque és un dels factors ha tenir en compte). La explicació dels diferents passos realitzats,s’exposa amb la descripció script de cada operació. L’anomenat script és un fitxer quegenera el programa de tractament d’imatges IMAQ Builder i que conté tota la informacióper reproduir el programa en LabVIEW. Dins d’aquesta informació hi ha la ubicació de lafunció i els paràmetres que la configuren. A continuació dels diferents scripts, hi ha unaexplicació del seu funcionament i el raonament de la seva aplicació. L’ordre és el mateixque el de la seva execució en el programa.

Pas 1: Aplicació d’un Filtre de convolució

STEP #1 Filters : Convolution - Highlight Details

IMAQ Vision VI IMAQ Convolute

IMAQ Vision palette FiltersParameters:Array "Kernel"Float (SGL)

[-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, 60,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,][-1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,, -1,] Figura 5.3 Efectes de l'aplicació del filtre de

convolució del pas 1 sobre la imatgeadquirida

El motiu per el que s’ha inclòs aquest primer pas, és que la imatge no és molt nítida (veurefigura 5.1), ja que la taca es pot haver desplaçat de l’eix central sobre el que havien ajustatl’enfoc. En casos en els que les injeccions no s’han provat en fases prèvies els efectespoden ser força inesperats. Per tant, sense fer vàries proves abans no és possible saberexactament quina és la distància d’enfocament correcte abans d’iniciar un experiment.Com que aquest és un problema que també pot aparèixer en l’aplicació proposada, s’habuscat una solució i d’aquesta manera millorar amb aquest pas possibles problemesd’enfocament.El filtre aplicat sobre la imatge és un filtre espacial que altera el valor d’un pixel en relacióals pixels dels seus voltants (pixels veïns). Els pixels que es consideren veïns quedendefinits per les dimensions d’una matriu o màscara centrada en el pixel que s’estàprocessant i que en el aquest cas és el kernel de 7X7 que es pot veure en el llistat


63

de l’script 1. Dins les categories de filtres espacials, el que s’ha utilitzat és un filtre del tipuspassa alts que emfasitzen variacions significatives de la intensitat (remarquen fronteresentre objectes caires, etc.). Com que el filtre és del tipus lineal s’anomena de convolució.En concret dins d’aquesta família , l’aplicat és un del tipus Laplacià ja que ésomnidireccional i té els coeficients negatius excepte el central. Quan més gran sigui l’ordredel kernel més ample serà el contorn de l’objecte de la imatge. Aquest efecte no ésimportant per els nostres càlculs, però si que ho és la no definició de la taca, i per això s’haoptat per aplicar-hi el de dimensions més grans possibles dins dels límits de temps deprocessat disponible. Els efectes de l’aplicació d’aquest filtre es poden veure en la figura5.3.

Si s’analitzen els temps de processat d’aquest pas , es pot veure que els valors obtingutssón absolutament funció del PC amb el qual és treballa i per tant del tot subjectius. Dins deIMAQ Builder hi trobem una aplicació anomenada “Performance meter” que ens dona unareferència dels temps aproximats de càlcul per una determinada aplicació o un conjuntd’elles. Per exemple, la aplicació d’aquest filtre de 7x7 en un Pentium I és de 271 msmentre que en un Pentium IV passa a ser de 24 ms. Si rebaixem l’ordre del kernel ipassem, en el cas del Pentium IV, a un kernel 5x5 obtenim 19.7 ms i finalment en el mateixordinador i amb kernel més petit de 3x3 tenim 13.7 ms. Com es pot veure en aquestacomparativa, que només és referencial, la importància del PC escollit és molt important(fins a 10 vegades més ràpid) i que si enfoquem correctament podem estalviar-nos aquesttemps o reduir-lo amb un kernel més petit (de 24 ms a pràcticament la meitat). Per acabar,la explicació d’aquest step direm que el temps de processat per aquests tipus de filtres ésdels més grans entre tots els passos aplicats. Al final de la explicació de les diferentsfuncions , veurem el resultat conjunt des del punt de vista temporal amb els seus efectessobre la aplicació.

Pas 2: Aplicació d’un filtre llindar (threshold)

STEP #2 Threshold : Manual Threshold

IMAQ Vision VI IMAQ ThresholdIMAQ Vision palette Processing

Parameters:Cluster "Range" 2 elementsFloat (SGL) "Lower value" 49,1929131Float (SGL) "Upper value" 126,4960632

Figura 5.4 Efectes de l'aplicació del filtre dellindar sobre la imatge de la figura 5.3


64

El que es busca en aquest pas és binaritza l’imatge de manera que es treballi amb dosnivells de pixels i la taca quedi molt més definida. Per portar-ho a terme s’aplica una funcióllindar (threshold) en la qual gràcies a un histograma es pot seleccionar quina és la franjaque més ens interessa. En aquest cas , l’histograma ens permet veure dues zones dins del’escala de grisos de 256 valors (0 negre i 256 blanc) : a) la que correspon a la taca situadaentre 45 i 140 i b)la dels fons d’imatge al voltant de 200 i 220. Filtrant el fons i deixantnomés els valors entre 49 i 126 s’obté l’imatge de la figura 5.4. Encara que es podriadeixar uns marges més amplis, s’ha optat per deixar-los restrictius i aplicar en el següentspassos altres elements per perfila la imatge i eliminar tot el que no fos taca (reflexos,ombres de la estructura etc). Respecte el temps de processat no hi ha efectesconsiderables si es modifiquen els llindars i el valor es troba al voltant de 1 ms.

Pas 3: Funció omplir forats

STEP #3 Adv. Morphology : Fill holes

IMAQ Vision VI IMAQ FillHoleIMAQ Vision palette Morphology

Parameters:Boolean "Connectivity 4/8" True

Figura 5.5 Efectes de l'aplicació de la funcióomplir forats sobre la imatge de la figura 5.4

Després dels dos primers passos, es veu que s’han creat petites zones internes en altresmolt més grans, com forats. Això és conseqüència d’aplicar una funció llindar (threshold)molt restrictiva , ja que ens interessava eliminar totes les zones no relacionades amb lataca. Per tal de compensar aquesta situació, s’utilitza aquest funció d’omplir forats (Fillholes) que es troba a la llibreria d’anàlisi de taques avançada. Aquesta operació nonecessita cap paràmetre especial, excepte la determinació del criteri de connectivitat peragrupar partícules. Un pixel forma part d’una partícula segons el criteri de connectivitat 4, siés troba a menys d’una distància D d’una partícula que hi pertany. En canvi en laconnectivitat 8, la distància és Dv¯2. S’ha seleccionat aquesta última opció, ja que ésmenys restrictiva i interessa “tapar” el màxim possible. El temps de processat és de uns 3.3ms


65

Pas 4: Filtrat de partícules

STEP #4 Particle Filter

IMAQ Vision VI IMAQ Particle Filter

IMAQ Vision palette Morphology

Parameters:Boolean "Mode" FalseBoolean "Connectivity 4/8" TrueArray "Selection Values"Cluster 4 elementsUnsigned Long (U32)"Parameter" 1Float (SGL) "Lower Value" 1000,Float (SGL) "Upper Value" 50000,Boolean "Interval" False

Figura 5.6 Efectes de l'aplicació de la funciófiltrat de forats sobre la imatge de la figura 5.5

L’últim pas de tractament d’imatge abans de fer el seu anàlisi, és el de filtrat de forats.Aquesta operació es troba en la mateixa llibreria que l’anterior i el que es busca és deixarel mínim nombre de partícules significatives possible. En la figura 5.5, es veu que hi ha unasèrie de petites taques que només farien que el càlcul posterior fos més llarg i complicat.Per aquest motiu, es filtren els grups més petits, de manera que només quedin els mésgrans possibles. A més aquesta operació pot servir per marcar un límit a partir del qual unexperiment no és correcte perquè, per exemple, la taca s’està diluint. En el nostre procéss’han determinat un límit superior i un inferior, encara que només aquest últim és realmentefectiu. El valor seleccionat pel límit inferior és de 1000 pixels, però podria variar en funcióde l’aplicació. El temps de processat és de 8 ms.

Pas 5: Funció anàlisi morfològica

STEP #5 Particle Analysis

IMAQ Vision VI IMAQ ComplexParticleIMAQ Vision palette AnalysisParameters:Boolean "Connectivity 4/8" True

IMAQ Vision VI IMAQ ComplexMeasureIMAQ Vision palette AnalysisParameters:Array "Parameters"Long (I32) [1, 8, 9, 19]

Com ja s’ha dit, aquesta és la funció fonamental pel sistema proposat. L’anàlisi departícules (que forma part de les funcions associades a “blob analysis and morphology”),recull les operacions per aconseguir extreure de la taca fins a 50 paràmetres, que van desde àrea fins el factor circular de Heywood.


66

De tota aquesta informació, per l’aplicació proposada, utilitzarem la del centre de massesX. Aquest valor, indica a on es troba el punt central de la taca en termes de concentració depixels. De la mateixa manera, el centre de masses Y pot ser aprofitat per determinar si hiha un desplaçament en l’eix Y, que ens indiqui un possible problema durant l’experiment.L’últim paràmetre que s’aprofita és l’àrea de la taca. A aquest valor a més de ser utilitzatpel filtre previ, també pot indicar qualsevol problema en el sistema. Altres paràmetresd’aquesta mateixa funció, o fins i tot, altres funcions aprofitant la potència de IMAQ Vision ,poden ser utilitzats substituint la proposta presentada, encara que per tal de fer elseguiment i donar les ordres al la part encarregada del control de moviment, aquesta ésforça eficaç i segura. El temps de processat d’aquesta operació és de 2.3 ms.

Anàlisi de temps de processat total

Encara que el càlcul d’aquest temps és aproximat i varia força entre diferents màquines,els valors de processat total del sistema proposat es trobant al voltant de 38 ms i per tant auna adquisició d’imatges de 26.09 imatges/s. Aquest valor és més que suficient perl’aplicació proposada perquè suposaria donar un valor d’increment dins l’interval entredues imatges. Malgrat això, cal considerar en deixar marges de seguretat més amplis, laqual cosa és fàcil d'aconseguir amb màquines més potents (superiors a un Pentium IV a 2GHz i 128 MB) o buscant altres combinacions de tractament d’imatges. Especialment sitrèiem el filtre de convolució, es veu que el temps baixa a 14.6 ms , el que demostra laimportància d’un bon enfoc per eliminar aquest pas en el tractament. Altres consideracionsal respecte, són la transferència de les dades cap a la part de processat del moviment.Segons la informació subministrada per National Instruments al respecte d’aplicacionssimilars, no ha de haver-hi cap problema en aquest punt.

Resultats finals obtinguts

L’aplicació del programa proposat, amb el processat i anàlisi corresponent sobre lesfigures 5.1 i 5.2, ofereixen el resultats de la taula 5.7.

Resultats de l’anàlisi figures 5.1 i 5.2Centre de masses X Centre de masses Y Àrea

Figura 5.1 Posició inicial 136.48 pixels 308.05 pixels 32320 pixels2

Figura 5.2 Posició final 165.56 pixels 322.92 pixels 40739 pixels2

Taula 5.7 Resultat obtinguts pel programa d’anàlisi proposat

Per interpretar els valors obtinguts cal considerar els següents conceptes. Totes les unitatsestan donades en pixels. L’origen de l’eix de coordenades es troba situat a l’extremsuperior esquerra de manera que el valor màxim de l’eix X equival a 480 al costat dret de laimatge i el valor màxim de l’eix Y equival a 414 en la part inferior d’aquesta. Per conèixer latrasl.lació total cal considerar que la imatge té uns valors màxims de 480 x 414 pixels ambuna resolució de 59.055 pixels/cm. Les dimensions totals de la imatge són de 8.13 x 7.01


67

cm, per tant la ubicació en mil·límetres del centre de masses X / Y seria les coordenades23.110 mm / 52.163 mm en el cas de la imatge de la figura 5.1 i en el cas de la 5.2 serien28.034 mm / 54.681 mm. Per tant els desplaçaments són de 4.924 mm en l’eix X i de 2.518mm en l’eix Y. Pel que fa a les velocitats, els temps entre les dues imatges com ja s’ha vistés de 0.4 seg, per tant la velocitat en l’eix X ha estat de 0.01231 m/s. Tant elsdesplaçaments com les velocitats poden ser calculades en el bloc corresponent a aquestapartat o en el de control de moviment de l’apartat anterior.

5.5 Programes desenvolupats

El programa desenvolupat per realitzar el processat anterior és una conversió des delconcepte provat a l’aplicació de IMAQ Vision Builder a l’entorn de LABVIEW. Cal recordarque ambdós programes no es troben en el paquet bàsic d’aquest software i cal adquirir-losper separat. També insistir que aquest pas que s’ha fet manual en el nostre cas , éstotalment automàtic en les últimes versions de LABVIEW i que això dona molta mésopcions a que, persones que no estan familiaritzades en aquest entorn puguin dissenyar iimplementar fàcilment els seus propis processats d’imatge.Malgrat que la versió de IMAQ Vision Builder no fa aquesta trasl.lació de maneraautomàtica si que genera un fitxer de suport que inclou quins elements de les llibreries sónnecessaris per realitzar el processat i quines són les configuracions de paràmetresescollides amb els seus valors.

Figura 5.7. Pannell de control deI processat d’imatges


68

En la figura 5.7 podem veure el pannell de control dissenyat per aquest processatd’imatges. Gràcies a aquest, tenim accés a la configuració dels paràmetres mésimportants del processat com són els límits superior i inferior de la funció llindar (threshold),la configuració del kernel pel filtre de convolució Laplacià i el filtrat de les agrupacions depixels entre els límits establertes . Totes aquestes funcions i els seus efectes sobre laimatge han estat explicats en l’apartat anterior.Pel que fa al diagrama en blocs d’aquest pannell, el podem veure en al figura 5.8.

Figura 5.8. Diagrama pel processat d’imatges

Formant un sèrie encadenada pels controls d’error i que serveix per formar una seqüènciade funcions, es va passant per cadascuna de les operacions de la imatge programades.Després de cada modificació d’imatge s’han implementat blocs de visualització quegeneren fins a 5 imatges , que serveixen per veure les modificacions realitzades. A mésd’aquest processat, s’ha implementat una seqüència que després d’un temps d’espera,permet gravar els paràmetres obtinguts en un arxiu.


69

CAPÍTOL 6. INTEGRACIÓ DEL CONJUNT

En els anteriors capítols s’ha analitzat les diferents parts de l’automatització, i s’ha comentatcom s’interelacionen i quines connexions són necessàries. Per tant, la informació d’aquestaintegració ja es troba implícita en cadascun dels sistemes ja que el seu disseny no s’ha fetcom a blocs aïllats.Evidentment, no es pot dissenyar un sistema com el d’aquest projecte, sense conèixer lesimplicacions de la definició d’uns determinats paràmetres sobre la resta del conjunt. Aixídoncs , la aparent facilitat en que es connecten els diferents blocs funcionals neix de l’estudiprevi del conjunt i de quins són els factors determinants en cada subsistema.En aquest capítol, es dona una visió en conjunt de l’automatització, per comprendre elfuncionament total i les seves claus. A més del diagrama en blocs general, també esproposa l’algoritme de control d’una experimentació genèrica i es tancarà la memòriadescriptiva amb el desglossament econòmic de l’automatització.

6.1 Diagrama en blocs general

En la figura 6.1 podem veure els diagrama en blocs general de l’automatització. Integra elsdiferents elements que s’han anat explicant en aquesta memòria. La seqüència de treballd’aquest conjunt s’explicarà en l’apartat següent i en aquest ens centrarem en lacomunicació entre blocs.Seguint el mateix ordre de la seqüència de treball, per començar trobem l’adquisició del’imatge explicada en el capítol 5. S’han proposat dues opcions a l’hora d’implementaraquest adquisició el conjunt NI Vision 1400 ( amb càmera+òptica+targeta) o el adquirircada element per separat. Ambdues opcions han treballar amb cameres del tipus CCIRque és l’estàndard europeu per B/N. Si la càmera i l’òptica es compren per separat atencióal seus diàmetres de muntatge. La sortida de la càmera de vídeo, serà un cable coaxial 75O amb terminals BNC compatibles amb l’entrada de la targeta ja que aquesta disposa d’unborn d’aquest tipus. Cal considerar la longitud d’aquest cable, ja que haurà de superar elsdos metres (recorregut de la visualització + distància a l’ordinador). Per l’aplicacióestàndard que s’ha explicat , no cal cap més connexió , encara que tant la targeta com lacàmera permeten operacions de trigger externes per captures sincronitzades o ambdiferents intervals d’adquisició. La fixació de la càmera sobre l’estructura requerirà eldispositiu de fixació habitual en els trípodes més un adaptador pel perfil de l’estructurad’alumini. La idea és utilitzar aquest mateix perfil com posicionador de la càmera. Un últimapunt sobre aquesta adquisició és la il·luminació. S’ha considerat el cas del PLIF quesoluciona aquesta qüestió amb el làser, però en altres casos suposa un aspecte hadesenvolupar. Per a altres aplicacions a més de substituir el làser per focus de llumconvencional, cal considerar configuracions per sobre tot per evitar reflexos , recordem quevolem visualitzat objectes contigus dintre d’una estructura de metacrilat. Així, llumsdifuminades o des del darrera de l’objecte poden millorar aquestes condicions.


70

Figura 6.1 Diagrama en blocs general de l’automatització

La targeta d’adquisició d’imatges haurà de connectar-se dins d’un ordinador amb slots deltipus PCI (com a mínim dos, un per la targeta de visió i l’altre per la de moviment). Enaquesta targeta s’adquirirà i processarà la imatge, o sigui una part del software ha deconfigurar-se sota els seus paràmetres. El MAE (Measurement & Automation Explorer)realitza aquesta tasca de reconeixement de hardware de manera automàtica. Tornarem adestacar la importància del PC i la seva velocitat de càlcul ja que la capacitat del sistemaés funció en aquest element. Així tots els aspectes com freqüència del sistema, memòriaRAM, generació del processador, millores de la tecnologia MMX, co-processadorsmatemàtics etc. que puguin millorar-se, augmentaran les opcions del sistema. En el capítol5, s’han donat els resultats per un Pentium IV , però el més pràctic és, un cop disposar del’equip i el processat corresponent, comprovar els seus temps.La part de software s’analitza en el següent apartat, però la seva funció simplificada és lad’identificació del centres de masses de dues imatges consecutives, determinant quin és eldesplaçament de l’objecte i segons un sistema PID donar un valor de consigna. Per tant elsoftware és el punt de contacte entre imatge i moviment, però no és l’únic nexe d’unió entrela part “vision” i “motion”. Recordem que via hardware hi ha el cable pel bus RTSI que uneixfísicament les dues targetes (tenir-ho en compte a l’hora de seleccionar els slots).

Objecte

Valors Imatge ( t-1)

Software Motion

Software VISION

Targeta PCI-1409

Òptica i Càmera

+-

Targeta PCI-7344 Driver

Motor i Reductora

Guia i Estructura

Desplaçament

Captació d’imatges

Adquisició d’imatges

Processat d’imatges

Control de moviment

Generació de consigna Control

de motor

Generació de moviment

Transmissió de moviment

Imatge (t) analògica

Imatge (t) digitalitzada

Coordenades XY (t) del centre de masses

Coordenades XY (t -1) del centre de masses

Variacions en les Coordenades XY del

centre de masses

Càlcul del desplaçament òptim segons paràmetres

Consigna +/- 10 V

Voltatge PWM per moviment

programat

Gir de l’eix

Moviment lineal

Objecte

Valors Imatge ( t-1)

Software Motion

Software VISION

Targeta PCI-1409

Òptica i Càmera

+-

Targeta PCI-7344 Driver

Motor i Reductora

Guia i Estructura

Desplaçament

Captació d’imatges

Adquisició d’imatges

Processat d’imatges

Control de moviment

Generació de consigna Control

de motor

Generació de moviment

Transmissió de moviment

Imatge (t) analògica

Imatge (t) digitalitzada

Coordenades XY (t) del centre de masses

Coordenades XY (t -1) del centre de masses

Variacions en les Coordenades XY del

centre de masses

Càlcul del desplaçament òptim segons paràmetres

Consigna +/- 10 V

Voltatge PWM per moviment

programat

Gir de l’eix

Moviment lineal


71

El primer element “hardware” de la part de moviment és la targeta de control. El sistemaMAE també és troba disponible per aquest part facilitant l’integració de software ihardware. A aquesta targeta han d’arribar com a mínim les següents senyals:

a) Encoder simulat des del driver i que determinarà la posició i tancarà el bucle decontrol de moviment de la part software.

b) Sortida de consigna pel driver fixada en ± 10 V i que fixa la velocitat desitjada.c) Activació de la injecció. Pot configurar-se com una entrada o sortida. El més senzill

seria activar una electrovàlvula amb entrada digital o via relé.Altres senyals poden ser implementades ja que la targeta disposa de més canals I/O. Aixícom a recomanables, encara que algunes poden estar controlades per altres elements comel driver o l’altre targeta, podem connectar :

• Finals de carrera• Indicadors de posició per maniobres de reinicialització o determinació de

zones de moviment• “Bolet” d’emergència• Alarmes del driver com sobretemperatura del motor o errada del resolver• Sincronització d’altres elements externs.

El següent element és el driver que convertirà les consignes de tensió entre ± 10 V en lescorresponents alimentacions per que les bobines generin el moviment sol·licitat gràcies alcontrol PWM, al resolver i el seu propi llaç de control. Pel que fa a les connexions a més del’alimentació monofàsica, com a fonamental hi ha la connexió amb el resolver. A més tenimels dos cables cap a la targeta (consigna i encoder simulat) ja comentats. Altres possiblesconnexions són les alarmes cap a la targeta de control.Com a altres connexions elèctriques ja només tenim, el driver amb el motor, a on trobarema més del resolver, l’alimentació a les tres bobines i finalment els dispositius deposicionament de la guia (finals de carrera i localitzadors).Les altres connexions que ens queden són mecàniques. Al motor i la reductora els calen pelseu muntatge amb la guia, a més de brides, un acoblament entre diàmetres i la campanadel reductor.Altres consideracions sobre el conjunt poden ser:

a) Ubicació del l’ordinador de controlHauria de situar-se en la zona d’inici de visualització, ja que en aquesta part tindrem, amés del conjunt motor driver, part del finals de carrera i/o els inicialitzadors i la part ded’injecció. Això simplifica significativament els cablejats. D’altre banda, aquestaubicació deixa lluny del control els finals de carrera de l’altre extrem. Pel que fa a lesconnexions amb la càmera i la part mòbil s’haurien de prendre mesures perquè nopateixen cap estrès mecànic, un sistema acordió amb radis grans seria una bonasolució.b) Sistema de control del fluid.La targeta de control de moviment podria acceptar senyals d’aquest control, i fins i totincloure’l, de manera que formés part d’un control integral. És evident que si coordinemla velocitat del fluid des de la targeta rebran informacions bàsiques que simplifiquen elnostre control i faciliten la tasca al investigador. Aquest control passaria per un circuittancat d’aigua amb pulmó de realimentació, bomba impulsora, electrovàlvula icabalímetre.


72

6.2 Algoritme de control

La figura 6.2 representa el diagrama de flux general de l’automatització en el supòsit d’unaexperimentació amb control per visió. Recordem que els sistema dissenyat es adaptable aaltres situacions com control manual o velocitat estable. El plantejament proposat treballaamb un sistema de subrutines per poder aprofitar algunes parts per aquestes funcionalitats,com per exemple arrencada i frenada. Així en aquesta figura veiem que el software s’iniciaamb una subrutina d’arrancada limitada pel localitzador A que és un interruptor de pasubicat a la guia. Aquest interruptor del tipus enclavat (o sigui, amb “memòria” d’estat) juntamb el localitzador B seran utilitzats com indicadors del conjunt dins de la zonad’experimentació. El control per visió estaria actiu entre aquest dos punts. La subrutina defrenada actuaria un cop el pas de l’estructura activés el localitzador B i s’iniciés el procésde frenada fins aturar el conjunt.

Figura 6.2 Diagrama de flux general

Els localitzadors poden ser mecànics com els comentats, però també cel·lesfotoelèctriques, o fins i tot, no instal·lar-los i utilitzar les referències de la lectura del resolver.L’ús però de les opcions hardware donen més seguretat al conjunt i permeten, per exemple,l’opció de sistemes de seguretat redundants.Després de veure el diagrama del conjunt, repassem cadascuna de les parts. La primeraper ordre d’execució és la de arrencada, de la que tenim el diagrama en la figura 6.3 .Aquesta hauria de començar una comprovació de les diferents parts del circuit sobretot desdispositius localitzadors ja que això permetria evitar possibles accidents del conjunt. Aixíseria recomanable un recorregut de tota la longitud de la guia a velocitat constant queactivés els diferents dispositius detectors, comprovés que la guia es troba lliure, així com laseva longitud d’obstacles i que els elements connectats a l’estructura tenen correctamentdisposats els cables.

Localitzador A

Subrutina d’arrencada

Inici

Subrutina de control per visió

Final

Subrutina de frenada

Localitzador B

Off

On

Off

On


73

Figura 6.3 Subrutina d’arrencada

Aquesta comprovació inicial sempre acabaria en el punt d’inici del sistema que seria elfinal de carrera de la guia en la seva part inicial. L’altre paràmetre requerit és la velocitat delfluid que pot ser introduïda manualment o per mitjà d’una entrada de qualsevol de les duestargetes. Amb aquest paràmetres podem generar la sortida llançada. Per sincronitzar lataca amb la càmera s’ha disposat la senyal d’injecció com ja s’ha explicat en el capítol 5.L’ajust d’aquest temps pot fer-se mesurant experimentalment i introduint manualment eltemps obtingut o calculant el temps de sortida en funció de la velocitat del fluid, el retardentre l’ordre d’injectar i la generació de la taca.Un cop sincronitzat aquest paràmetres podem aplicar alguna de les funcions preestablertesper NI (com per exemple la S curve) o aplicar la nostre pròpia rampa o utilitzar com en eldiagrama de la figura 6.3, un generador de consigna amb PID i buscar l’error zero abansde arribar al localitzador A , que marcaria l’inici del control de visió i a on l’estructura hauriade tenir la mateixa velocitat de la taca de manera que al adquirir la primera imatge éscapturés la taca.La següent etapa correspon al control per visió (figura 6.4). S’inicia amb l’activació dellocalitzador A i finalitza amb l’activació del localitzador B. En aquest interval la càmeratindrà el control del moviment . El primer que farà és, funció de la velocitat del fluid idistància focal, estimar a on es trobarà el centre de masses de la primera imatge, ja queens cal un valor per establir la primera comparació. Aquest valor inicialitzarà un array a onanirem col·locant totes les coordenades XY que mesuri el sistema. També caldràdeterminar quin és el temps entre dues imatges de manera que es pugui associar a cadaparell de coordenades un valor de temps. Aquesta operació és una de les claus delsistema ja que ve condicionada per la velocitat de processat del conjunt. Tenim duesmaneres d’aconseguir-la. La primera és generant nosaltres la senyal de adquisició del’imatge en l’interval que més ens convingui o amb un comptador intern mesurar cada quanhan estat capturades i processades les imatges.

Comprovació de paràmetres d’entrada

Inici arrencada

PID

Final arrencada

Error = 0

Off On

Senyal d’injecció

Generació de consigna

Localitzador A

Si

No

• Comprovació sistema mecànicFinals de carrera, localitzadors

i posició d’inicial• Velocitat del fluid

• Ajust de Retard (manual o automàtic)


74

Amb aquests valors determinats, es passaria a l’adquisició i processat de l’imatge il’obtenció real del primer XY. Aquest valor seria sumat al previ de manera queobtinguéssim la segona coordenada de l’array. El motiu per no fer la resta directe entre elsdos valors és obtenir un llista de coordenades i tenir referenciats els desplaçaments. Laresta posterior si que identifica l’increment i dona pas a la subrutina de moviment.

Figura 6.4 Subrutina de control per visió

Aquesta subrutina s’encarrega de la gestió de la consigna. Passada aquesta funció, escomprovaria si la zona de visualització s’ha acabat, i en cas afirmatiu es reinicialitzaria elprocés gràcies a un bucle que esborraria la imatge per alliberar memòria i redefiniria elcomptador. La subrutina de moviment de la figura 6.5, compara dos valors consecutius i enfunció de l’interval mesurat dóna una referència de velocitat que un bucle realimentat amb lavelocitat real mesurada s’encarrega de situar amb error zero.

Figura 6.5 Subrutina de moviment

Definició Inicials

Inici control n=0

XY (n) + XY (n-1)

Fi control per visió

Off On

Adquisició imatge n. Processat i determinació del coordenades XY(n)

Localitzador B

Subrutina Moviment

Inclusió dins array XY

Determinació de ? XY(n)

n++

Esborrat imatge

• Definició de XY (0)

• Temps entre intervals n

Càlcul velocitat

V(n)PID

Fi

NoSi

Error=0

Temps entre intervals nTemps entre intervals n

Inici

XY(n)

XY(n-1)

V mesurada

-+ -+


75

Finalment, l’última subrutina és la de frenada i s’activa quan l’estructura passa pellocalitzador B. A la figura 6.6 podem veure com esta estructurada. Bàsicament és el mateixplantejament de l’arrencada però amb l’afegit d’un bucle d’emergència per evitar l’impactede l’estructura contra el final de la guia. Per aquest supòsit, si s’activés la senyal de STOP,es generaria una resposta per evitar aquest impacte. Aquesta possibilitat seria una situacióextraordinària i en cap cas un procés habitual en la frenada.

Figura 6.6 Subrutina de frenada

6.3 Descripció econòmica

Per tal de valorar econòmicament la proposta i tenir un ordre de magnitud dels diferentselements que s’han presentat en aquesta memòria, s’ha preparat la taula 6.1, a on espoden veure la majoria d’elements que formen el conjunt. En molts casos els preusobtinguts han estat aconseguits via directe de proveïdor i en alguns són dades obtingudesde la pàgina web del proveïdor o de la seva distribuïdora. Detalls que no s’han consideratsón l’ordinador de control, mobiliari auxiliar o l’estructura que suporta la guia i el lliscador, amés del petit material com els interruptors per determinar la posició a les guies etc. A lataula 6.1 també s’han inclós diferents opcions analitzades a la memòria com les duespossibles targetes per Motion o el sistema complet de visió NI Vision 1400 per comptes dela càmera + òptica. Ajustant preus, s’ha considerat que és possible la compra de LabVIEW7.0 base package com un “upgrade” de les versions anteriors. Pel que fa a les llibreries demoviment i visió estan incloses en el preu de les targetes. La taula 6.2 és un recull de lescompanyies contactades per definir els preus, establir comparatives o obtenir informaciósobre alguns elements.

Inici frenadaLocalitzador

B activat

Final frenada

Generació consigna

STOP PID No

Si

V=0

V mesurada

-+-+

Consigna Emergència

No

Si


76

No. Referència Fabricant Model Preu

1 Guia Lineal NEFF Wiesel WH50 1500 €2 Estructura alumini MAYTEC Segons plànol 3 150 €3 Motor Magnetic BLQ 43 M 30 510 €4 Reductora+Accesoris TR BGT-530 420 €5 Driver TDE Macno DMBL-03 691 €6 Targeta Motion Opció A NI NI PCI-7342 1345 €7 Targeta Motion Opció B NI NI PCI-7344 2245 €8 Targeta Vision NI NI PCI-1409 1445 €9 Càmera SONY XC ES 30 567 €

10 Òptica Ernitec 5 V 40 – 1/3 300 €11 Pack Vision NI NI Vision 1400 8395 €12 LabVIEW Software NI Upgrade basic Package 1250 €

Taula 6.1 Desglossament econòmic dels diferents elements considerats

Fabricant /Proveïdor Localització ElementOmron Barcelona Sistemes posicionamentHEPCO Barcelona GuiesINA Rodamientos Sant Just Desvern GuiesTecnopower Sant Just Desvern Sistemes posicionamentElmeq L’Hospitalet Llobr. Sistemes posicionamentWarner Electric Barcelona Sistemes posicionamentRobolan Guipúzcoa Sistemes posicionamentMir Electronica Tarragona Enginyeria de sistemesTrimatik Tarragona Sistemes posicionamentKelvin Barcelona Motors / DriversSKF Barcelona Sistemes posicionamentCitar Hidropneumàtica, S.A. Tarragona Bombes / VàlvulesSygsa Tarragona Sistemes de controlTainco Tarragona Sistemes de control (SC)Kronos ATT Barcelona CabalímetrePanametrics Instrumentación Madrid CabalímetreSistec, S.L. Barcelona CabalímetreNational instruments Madrid LabVIEW.

Targetes d’adquisició dedades, moviment i visió.

Sascon, S.L. Madrid Òptiques i sistemes de visió

Taula 6.2 Companyies contactades per comparatives i informació tècnica

Control de desplaçament lineal per adquisició d’imatges Conclusions

77

CONCLUSIONS

Per tal de simplificar l’esforç que suposa l’adquisició de dades quan es porta a termeexperimentació en el camp de mecànica de fluids s’ha dissenyat el sistema proposat, demanera que l’investigador pugui centrar-se únicament en qüestions experimentals.Com tota automatització, suposa un esforç inicial important, tant econòmic com humà, peròa la llarga implicarà, en aquests mateixos termes, un estalvi substancial, per no parlar delvalor de la experimentació que es podrà portar a terme i que actualment sensel’equipament dissenyat és inviable.

Conceptualment, la proposta desenvolupada es basa en una sèrie de línies de treball que ladefineixen davant d’un allau d’opcions a les quals el disseny de l’aplicació s’enfronta.Aquestes línies són :

a) Determinació de PLIF com tècnica de mesura base. Aquesta tècnica per incorporaun dispositiu làser i una càmera engloba les altres possibles tècniques des del puntde vista de complexitat de muntatge.

b) Equipaments de fàcil integració entre ells. Si tenim en compte que enl’automatització intervenen fins a quatre sistemes és clar que cal reduir al màxim elsproblemes desconnexió entre sistemes. Per això, les solucions han estatverificades, no només a nivell teòric, si no comprovades en aplicacions enfuncionament.

c) Reduir al màxim el nombre de proveïdors. A més de simplificar les qüestionsadministratives i de logística, també és més fàcil la resolució de problemes,manteniment d’equips i possibles ampliacions. En la nostre proposta més estrictaen aquest sentit es podria arribar a reduir a dos.

d) Entorns de treball “friendly”. Aquests haurien de ser, fàcilment modificables,especialment en les parts més interactives amb l’usuari, com la de processatd’imatges, a on la eina IMAQ Vision dona moltes opcions de desenvolupamentsense recolzament tècnic.

Tècnicament , el projecte s’ha dividit en diferents sistemes pel seu anàlisi encara que ladivisió és només teòrica i en la realitat suposen conjunts indivisibles. El projecte inclougairebé tots els àmbits de l’automatització des del disseny mecànic fins a un sistema depercepció com és la càmera. Tot i que el camí recorregut amb les mitjans a l’abast ha estatllarg , algunes qüestions es poden tractar més profundament en el cas de disposar delsoftware i del hardware necessari. Per compensar aquest fet, s’han desenvolupatsimulacions i emuladors del que seria el funcionament. Aquest programes no són simplesexercicis teòrics , si no que, a més de servir de demostradors del que caldria fer, han deser la base de la aplicació en un futur ja que els pannells d’usuari són els necessaris i lafilosofia de treball la sol·licitada.Per acabar, destacar que, a més de les consideracions tècniques sempre s’ha tingut encompte criteris econòmics, de manera que al darrera de tots els productes presentats hi hala corresponent valoració econòmica.

Control de desplaçament lineal per adquisició d’imatges Annexos

ANNEX 1: Plànols

[1] Disposició del conjunt 1Vista en alçat de la primera proposta pel conjunt format per l’estructura d’alumini, laguia i altres components del conjunt . Llistat d’elements.

[2] Disposició del conjunt 2Segona proposta evolucionada de la primera. Vistes en alçat, planta del conjuntformat per l’estructura d’alumini, la guia i altres components del conjunt . Llistatd’elements.

[3] Disposició del conjunt 3Proposta final amb vistes en alçat, planta i perfil del conjunt format per l’estructurad’alumini, la guia i altres components del conjunt . Llistat d’elements.

[4] Estructura AluminiComposició dels elements que formen la estructura d’alunimi. Acotació de les tresvistes. Llistat i descripció de les barres i les fixacions.

[5] Situació dels centres de gravetatLocalització dels centres de gravetat dins de les tres vistes de conjunt, amb la sevaposició vectorial

[6] Acotació dels centres de gravetat.Amb la referència del plànol anterior, ubicació espacial dels punts de Cdg

[7] Relació de forcesUbicació vectorial de totes les forces que intervenen en la estructura i acotació encas de moments de les distàncies a l’eix de gir.

1:10

Escala

DEEEA

Comprovat

Dibuixat

DATA

PROJECTE FI DE CARRERA

UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI21/05/01

5/09/01

NOM

Salvador Ibañez

Pedro Garces

--/--/--

Projecte

Control desplaçamentlineal per adquisició iprocessat d'imatgesPLÀNOL NÚMERO : 1

DISPOSICIÓ CONJUNT 1

ENGINYERIA AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL

Estructura pels elements de mesura

Càmera de vídeo

Cavitat per on circula el fluid

DENOMINACIÓ

Làser de diode

NÚMERO

1

3

2

4

1

Alumini

METACRILAT-PLEXIGLASS

Electrònica

3

24

MATERIAL

Electrònica

OBSERVACIONS

5

Atenció fuites fluid

Atenció a les unions

Considerar els cables

Posicició més desfavorable

Sistema corretjaGuies lineals5

Estructura pels elements de mesura

Càmera de vídeo

Cavitat per on circula el fluid

DENOMINACIÓ

Làser de diode

NÚMERO

1

3

2

4

1

Alumini

Metacrilat - Plexiglass

Electrònica

32

4

MATERIAL

Electrònica

OBSERVACIONS

5

Atenció fuites fluid

Atenció a les unions

Considerar els cables

Posicició més desfavorable

6

Guia lineal5

Tefló / Acer Possibilitat ContrapesPatí / Rodament6

1:20

Escala

Comprovat

Dibuixat

DATA

PROJECTE FI DE CARRERA

UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI6/6/01

5/09/01

NOM

Salvador Ibañez

Pedro Garces

Projecte

Control desplaçamentlineal per adquisició iprocessat d'imatgesPLÀNOL NÚMERO : 3

DISPOSICIÓ CONJUNT 3

ENGINYERIA AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL

Alumini Carrera útil 2 mts

DEEEA --/--/--

1:15

315 213

8027

5

448

268

238.5

495

212

13754

363

7082

.5


ANNEX 2: Programes LabVIEW i Models MATLAB

Nota Important : Només disponible en format electrònic.

[1] Programa LabVIEW GeneratorGeneració de dades necessàries per a la simulació l’adquisició de dades delmoviment d’un objecte segons dos eixos XY. Incorpora la possibilitat de produirdiferents trajectòries gràvies a funcions trigonomètriques. Versió builderdesenvolupada .

[2] Programa LabVIEW MonitorVisualització de les dades generades pel programa Generator [1]. Monitorització dela trajectòria XY en pantalla. Simulador del sistema en temps real. Sistemasincronitzador d’injecció. Versió builder desenvolupada.

[3] Programa LabVIEW ControllerEmulador de la visualització i control de les dades generades pel programagenerator [1]. Incorpora a més dels elements del Monitor [2], models de primer isegon ordre, un control de PID amb accés a paràmetres i una visualització de laresposta transitòria i control de les maniobres d’inici i finalització. Versió builderdesenvolupada.

[4] Programa LabVIEW ProcesatorSimulació de la captura de les imatges i el seu processat per obtenir els valors delscentres de mases necesàris per determinar els desplaçament de XY. Versió builderdesenvolupada (només operativa 100 % en entorn Windows XP i amb llibreriesIMAQ Vision).

[5] Model Matlab Model A.1 Capítol 3Motor brusless d’imants permanents amb un llaç de control. Permet la visualitzacióde paràmetres més importants per “pantalla digital” o gràfica.

[6] Model Matlab Model A.2 Capítol 3Motor brusless d’imants permanents + Driver amb dos llaços de control. Permet lavisualització de paràmetres més importants per “pantalla digital” o gràfica.

[7] Model Matlab Model B Capítol 3Motor brusless d’imants permanents + Driver desenvolupats gràcies a la llibreriaPower System Blockset. Permet la visualització de paràmetres més importants,inclosos els trifàsics.


ANNEX 3: Característiques tècniques dels elements seleccionats

[1] Referència : Guia lineal de posicionamentFabricant : NEFFModel : Sèrie WIESEL SPEEDLine WH50

[2] Referència : Reductora Epicicloidal de presicióFabricant : TRModel : BGT- 530

[3] Referència : Motor Brushless d’imants permanentsFabricant : MagneticModel : BLQ 43 M 30

[4] Referència : Driver de Control Motor BrushlessFabricant : TDE MACNOModel : DMBL 03M

[5] Referència : Targeta Controladora de Moviment – Opció 1Fabricant : National InstrumentsModel : NI PCI 7342

[6] Referència : Targeta Controladora de Moviment – Opció 2Fabricant : National InstrumentsModel : NI PCI 7344

[7] Referència : Targeta d’adquisició d’imatgesFabricant : National InstrumentsModel : NI PCI 1409

[8] Referència : Sistema de visió completFabricant : National InstrumentsModel : NI Vision 1400

[9] Referència : Òptica per càmera de visióFabricant : ErnitecModel : 5V40 1/3

[10] Referència : Càmera capturadora d’imatgesFabricant : SonyModel : XC ES-30


ANNEX 4: Notes tècniques d’interés

[1] Descripció del model del motor brushless d’imants permanents.Font : Matlab. PDF documentation. Power System Blokset section

[2] Synchronizing Motion, Vision and Data AcquisitionFont : National Instruments. Application Note 162

Disseny del control d’un sistema de desplaçament lineal...

Documents

Transcript of Disseny del control d’un sistema de desplaçament lineal...