Legoteil Zählmaschine 2016 2017

Abbildung 1: Legoteilzählmaschine im Überblick

Bei der HSHL Lego® Zählmaschine handelt es sich um eine Maschine, die automatisch Legoteile zählen und sortieren kann, um gegebenen Falls fehlende Lego®-Steine nachbestellen zu können. Es ist ein studentisches Projekt, welches in Rahmen des System-Entwurf-Praktikums des Studiengangs Mechatronik mit Schwerpunkt System Design Engineering im 7. Semester durchgeführt wurde.

Autoren: Adam Fankhauser, Christo Tsibadze, Kevin Penner, Niklas Lingenauber, Sergej Krause, Simon Hanemann

Betreuer: Prof. Schneider, Prof. Goebel

Aufgabenstellung

Die vorhandene Legoteilzählmaschine (siehe Legoteilzählmaschine_2016 ) soll Soft- und Hardwaremäßig modifiziert werden, um drei wichtigsten Anforderungen zu erfüllen. Die Vereinzelung bzw. Separierung der Legoteile soll verbessert werden damit in Bildverarbeitungsbox nur einzelne Legoteile zugeführt werden. Für die Bildverarbeitung bzw. Legoteilerkennung soll ein neuer Ansatz entwickelt werden. Bisherige Ansätze konnten Merkmale bei einigen Legoteilen teilweise ungenau ermitteln. Die größten Probleme gab es bei schwarzen und braunen Legoteilen, sowie an Licht-reflektierenden Flächen der Legoteile und bei Schattenbildung. Nach der Legoteilerkennung wurde bisher nur binär sortiert, erkannt und nicht erkannt. In diesem Semester soll ein Konzept aufgestellt und zum Teil realisiert werden.

Aufgabenteilung

Die in der Aufgabenstellung genannten wichtigsten Arbeitspakete wurden wie folgt in drei Teams aufgeteilt:

• Adam Fankhauser, Niklas Lingenauber:
  • Separierung:
    • Neues Konzept zur Separierung der Legoteile
      • Umbau der Legoteil-Zählmaschine
      • Erkennung von Legoteil-Gruppen
  • Weitere Aufgaben:
    • Entwurf einer Steuerplatine zur Realisierung des neuen Konzeptes
    • Umbau Schaltschrank

• Kevin Penner, Christo Tsibadze:
  • Bildverarbeitung: Neuer Ansatz für bessere Farb- und Merkmalerkennung der Teile
    • Ablauf der Bildverarbeitung / Legoteilerkennung
    • Schnittstellen
    • Mechanischer Aufbau Neuer BV-Box
    • Matlabimplementierung
      • Ablaufplan
      • Parametrisierung der Kamera
      • Automatische Kalibrierung der Kamera
      • Legoteilerkennung
  • Weitere Aufgaben:
    • "Abflussrohr", Transportsrohr für Legoteile (Bildverarbeitungsbox --> Sortierung)
    • "Drosselklappe", Prototyp für Separierung in Y-Richtung
    • Kommunikation mit Arduino
    • Einteachen von ein paar Legoteilen
    • Modifizierung der Main-Datei

• Simon Hanemann, Sergej Krause:
  • Sortierung:
    • Konzepte verschiedener Sortierverfahren
    • Realisierung eines Linearläufers
    • Hardwareaufbau der Sortierungskästen
    • Programmierung des Linearläufers mithilfe des GeckoDrive
    • Hardwaresicherung für Linearläufer
  • Weitere Aufgaben:

Realisierung

Gruppe: Separierung

Die Separierung ist der erste Schritt für die Sortierung von Legoteilen. Hauptziel dieses Schrittes ist es, dass alle Legoteile einzeln in die folgenden Schritte weitergegeben werden. Die Bildverarbeitung und die Sortierung sind nur möglich, wenn die Teile vereinzelt wurden.

Die Ergebnisse des vorausgegangenen Praktikums haben aufgezeigt, dass eine Vereinzelung der Legoteile mit dem vorhandenen Aufbau schwer zu verwirklichen ist (siehe Semester 2016 Fazit). Durch das Befüllen des Bunkers mit einer Vielzahl an Legoteilen, gestaltet es sich schwierig, die Anzahl der ausgegeben Legoteile auf das Förderband zu regulieren. Es kommt oft dazu, dass sich zu viele Teile auf dem Fließband befinden. Eine Verminderung der Geschwindigkeit des Förderns aus dem Bunker reicht nicht aus, da die Lamellen des Stetigförderers zu viele Teile aufnehmen können. Auch vereinzelte das vorherige Konzept mit unterschiedlich schnell laufenden Bändern die Teile nicht, wenn sich zu viele Teile auf dem Band befanden.

In Wintersemester 2016/2017 wurde das Konzept umgesetzt, dass Hindernisse am Rand des Förderbandes angebracht werden. Diese sollten nur einzelne Teile durchlassen, wenn sich eine Vielzahl an Teilen auf dem Förderband befinden.Es stellte sich heraus, dass das Anbringen von Hindernissen auf dem ersten Förderband nicht wie gewünscht die Legoteil-Gruppen auseinander zieht und gelegentlich durch verklemmte Teile die Legoteil-Zufuhr zur Bilderkennung verstopft. Dies hat in Kombination mit den Problemen bei der Sortierung von Legoteilen nach dem Erkennungsprozess dazugeführt, dass eine Überarbeitung des Gesamtkonzeptes notwendig war, um die Zuverlässigkeit der Legoteil-Zählmaschine gewährleisten zu können.

Neues Konzept zur Separierung der Legoteile

Das neue Konzept zur Separierung besteht aus einer eigenen Bilderkennungsbox, in der erkennt werden soll, ob sich zu viele Legoteile zur selben Zeit auf dem Laufband befinden. Am Ausgang der Bildbearbeitungsbox befinden sich zwei Laufdrückdüsen, die einen Laufstoß ausgeben können wenn sich zu viele Teile auf dem Band befinden. Dabei werden die Teile entgegen der Laufrichtung des Band befördert. Es folgt eine erneute Auswertung der Anzahl der sich auf dem Fließband befindenden Teile. Sollten sie nun vereinzelt sein, können die Box passieren.

Bei diesem Konzept der Separierung kann auf ein zweites Förderband zunächst verzichtet werden.

Umbau der Legoteil-Zählmaschine

Abbildung 2: Neuer Aufbau der Legoteil Zählmaschine

Um das neue Konzept des vorherigen Kapitels umzusetzen, mussten einige Komponenten an der Legozählmaschine umgebaut und angepasst werden (siehe Abbildung 2). Zum Einen wurde das erste, kurze Förderband entfernt, sodass nur noch das Lange verwendet wird. Dies war notwendig um Platz für den Anlagenteil zur Sortierung zu schaffen, außderdem ist die Separierung durch zwei unterschiedlich schnell laufende Förderbänder nicht mehr Teil des Separierungskonzepts. Am Anfang des Förderbandes wurde der Bunker platziert, der die Legoteile auf das Band befördert. Die Box zur Bilderkennung befindet sich nach wie vor mittig auf dem langen Förderband. Innerhalb dieser Box wird die Lage der Legoteile erfasst. Am Ausgang der Box wurden zwei Luftdruckdüsen so angebracht, dass diese die Legoteile in der Box auf dem Band zurück pusten können. Mithilfe dieser Düse ist es nun möglich, von der Bilverarbeitung erkannte Häufungen von Legoteilen auseinander zu treiben. Am Ende des langen Laufbandes wurde eine neue Bildverarbeitungsbox angebracht, in der die Legoteile erkannt werden (weitere Informationen hierzu sind im Kapitel "Gruppe: Bildverarbeitung/Legoteil-Erkennung" zu finden). Diese wurde schräg montiert, sodass Legoteile hineinrutschen können. Über ein Abwasserrohr, welches seitlich an der Box angebracht wurde, können nach der Erkennung die Legoteile per Druckluft in die Sortierung befördert werden (siehe Kapitel "Gruppe: Sortierung"). Für die Sortierung wurde ein Linearläufer mit Gecko-Drive verbaut. Auf dem Linearläufer wurde eine Befestigung für Sortierkästen angebracht. Um Platz zur Umsetzung einer Sortieranlage zu schaffen, wurde der Stromkasten vor Kopf der Anlage platziert. Unter dem Förderband wurde ein Ventilinsel platziert, mit der sich alle Luftdruckdüsen des Systems steuern lassen. Die Ventilinsel ist mit vier Ventilen bestückt, es können aber weitere Ventile nachgerüstet werden. Die Kontakte der Ventilinsel sind in den Schaltschrank geführt. Der Druckluftanschluss kann über ein Schnellspannanschluss an normale Druckluftanschlüsse angeschlossen werden. Die Verkabelungen und Verschlauchungen des neuen Aufbaus wurden, soweit möglich, in Kabelkanälen verlegt.

Die Montage von Schutzblechen vor der Bildverarbeitung der Separierung ist aus zeitlichen Gründen noch nicht geschehen. Die Bleche sollen Teile daran hindern, vom Laufband zufallen wenn sie von einem Luftstoß erfasst werden. Des weiteren bestand ein Konzept, flexible Elemente in Form von Borsten einzusetzen, damit große Gruppen von Legoteilen direkt im Bunker zurückgehalten werden können. Das Konzept wurde aus zeitlichen Gründen nicht umgesetzt, es wurden jedoch bereits verschiedene Besen angeschafft.

Erkennung von Legoteil-Gruppen

Abbildung 3: Ablaufplan Legoteilerkennung

Zur Umsetzung der Separierung wurde eine Funktion entwickelt, die Gruppen von Legoteilen erkennen soll und die Separierung per Luftdruck durchführt.

Programmablauf (siehe Abbildung 3)
Zu Beginn der Separierungsfunktion müssen zunächst Steuerbefehle zur Betreibung der Anlage erteilt werden. Dazu gehört die Einrichtung einer Seriellen Schnittstelle mit dem steuernden Arduino. Außerdem sind Einstellungen an der Webcam vorzunehmen, um Fehler durch unterschiedliche Kameraparameter zu verhindern. Diese können beispielsweise durch Kalibrierungsfunktionen entstehen. Neben der Definition von weiteren Parametern, mit denen sich beispielsweise der betrachtete Bereich im inneren der Bildverarbeitungsbox einstellen lässt, wird die Anlage automatisch gestartet, d.h. es sind die Laufbänder zu starten und das Licht in der Fotobox einzuschalten.
Nach dem die Anlage gestartet wurde, wird die eigentliche Funktion der Legoteil-Gruppenerkennung gestartet. Es wird ein Bild vom Innenraum der Bildverarbeitung aufgenommen (siehe Abbildung 4, oben links) und anhand der zuvor eingestellten Parameter so zugeschnitten, dass Bildränder und weitere uninteressante Bereiche wie der unmittelbare Ein- und Ausgangsbereich entfernt werden. Anschließend wird das Bild so gefiltert, dass nur noch die Legofarben Inhalt des Bildes sind. Das Ergebnis wird dabei in ein Binärbildumgewandelt, die Erkennung der Farben wird durch mehrere Unterfunktionen realisisert. Die entstandenen Bilder werden von kleinen Pixelelementen entfernt, und Lücken im Inneren der Objekte geschlossen. Anschließend werden die Bilder zu einem zusammengeführt. Durch Labeln der Pixelgruppen kann nun die Anzahl der Objekte im Raum bestimmt werden (siehe Abbildung 4, unten links). Anschließend wird ein zweiter Zuschnitt des Bildes vorgenommen, der einen kritischen Bereich betrachtet. Dieser Bereich liegt an einer Stelle, an der die Luftdruckdüsen präzise auf die Legoteile ausgerichtet sind. Außerdem handelt es sich hieberi um einen dünnen Streifen, der die Breite des Förderbandes aber zwingend abdecken muss. Nach dem erneuten Zuschnitt des Bildes wird ausgewertet, wie viele verschiedene Label in diesem Bereich vertreten sind (siehe Abbildung 4, rechts). Befindet sich mehr als ein Objekt im kritischen Bereich, sind die Luftdruckdüsen anzusteuern, da die Legoteile nicht separiert in der Legoteilerkennung ankommen würden. Befindet sich ein oder kein Legoteil in diesem Bereich, werden die Düsen geschlossen und die Teile werden in die Legoteilerkennung befördert. Das Ergebnis der Software wir in Abbildung 4 in der Überschift oben links ausgegeben. Diese Funktion muss während des gesamten Programmablaufs durchgeführt werden. Wird das Programm beendet, wird die Anlage gestoppt, d.h. das Licht und die Motoren werden ausgeschaltet. Das Software-Modul lautet: Separierung.m

Abbildung 4: Bildverarbeitung der Separierungsfunktion

Verbesserungsmöglichkeiten der Software
Aufgrund des hohen Zeitaufwandes des Anlagenumbaus und einer später Lieferung der Pneumatik, konnte die Software nicht ausgibig im Betrieb getestet und nicht optimiert werden. Erste Schnelltests haben jedoch gezeigt, dass die Legoteile bei einer großen Anzahl in der Bildverarbeitungsbox durch gegenseitige Behinderung die Box nicht mehr verlassen und gegen den unteren Rand des Eingangsbereiches der Box stoßen. Dadurch werden die Teile nicht ausreichend weit zurückgeworfen. Da in die aktuelle Version der Software noch kein Stoppen des Bunkers integriert ist, sobald mehrere Teile in der Box erkannt werden, werden zeitgleich weitere Teile in die Bildverarbeitung transportiert. Dies führt zu einer durchgängigen Aktivierung der Düsen. Eine Bunkeransteuerung in Abhängigkeit des Auswertungsergebnisses ist durch eine zusätzliche Verwendung der Seriellen Schnittstelle leicht umzusetzen. Weitere Abhilfe sollte die Vergrößerung des Eingangsbereiches schaffen, sodass zurückgepustete Legoteile die Bildverarbeitung wieder verlassen können.
Ein weiterer Aspekt ist, dass über- oder direkt aneinanderliegende Legoteile mit dem aktuellen Algorithmus als ein Teil erkannt und durchgelassen werden. Dies kann dadurch verbessert werden, dass z.B. durch die Verwendung von Besen und Abstreifern das Übereinanderliegen der Legoteile verhindert wird. Außerdem kann beispielsweise ermittelt werden, ob erkannte Objekte aus unterschiedlichen Farben bestehen. Ist dies der Fall, handelt es sich nicht um ein Teil, sondern um mehrere. Dies würde die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass mehrere Legoteile in die Bildverarbeitung der Legoteilerkennung gelangen.
Des Weiteren ist es denkbar, die beiden Luftdruckdüsen einzeln anzusteuern. Dadurch kann möglicherweise erreicht werden, dass bei einer geringen Anzahl an Legoteilen nebeneinander, nicht alle zurückgeworfen werden und eines dennoch durchlaufen kann. Dazu muss jedoch sowohl die Ausrichtung der Luftdüsen als auch die Erkennung der Algorithmen dahingehend angepasst werden, dass erkannt werden kann, welche Düse zu betätigen ist und welche Auswirkungen dies auf die Legoteile hat. Eine weitere Unterstützung der Separierung wäre möglich, in dem das Fließband und der Bunker angehalten werden, sobald ein Legoteil in der Bildverarbeitungsbox der Legoteilerkennung erkannt wird. Wurde dieses aus der Box entfernt, könnten beide Bänder wieder gestartet werden.

Weitere Aufgaben

Entwicklung einer Steuerplatine zur Realisierung des neuen Konzeptes

Abbildung 5: Steuerplatine

Zur Inbetriebnahme der umgebauten Anlage war es notwendig, die Funktionen der Schaltplatine zu erweitern. Die eingebaute Steuerplatine war auf den Arduino aufgesattelt und bezog Steuersignale sowie die 5 V Versorgungsspannung direkt über die eingesteckten Pins. Mit dieser Platine ist es möglich, drei Motoren mit Strom zu versorgen bzw. durch ein PWM Signal zu steuern. Zusätzlich konnten noch zwei Servomotoren und zwei Infrarotsensoren betrieben werden. Durch die Konzeptänderung der Separierung und der Bildverarbeitung wurde es notwendig, weitere Schaltfunktionen hinzuzufügen. Die Bildverarbeitung benötigte durch Software schaltbares Licht, um zwischen Durch- und Drauflicht in der Bildverarbeitungsbox umschalten zu können. Die Ansteuerung des Lichts sollte, ebenso wie bei den Motoren, über den Arduino erfolgen. Die Spannungsversorgung der Bildverarbeitungsbox war in der Vergangenheit mit einem eigenen Netzteil erfolgt, welches direkt in eine Steckdose eingesteckt wurde. Neben der Einrichtung von schaltbaren Licht, wurde die Schaltung der Pneumatik hinzugefügt. Auch diese sollte über den Arduino gesteuert werden. Die Ventilinsel wird mit 24 V Signalen angesteuert. Die Motoransteuerung musste auch bei der neuen Steuerplatine wieder per MOSFETs umgesetzt werden, da die Geschwindigkeit hier per PWM Signal gesteuert wird. Die Lichtansteuerung der LED Streifen in den Bildverarbeitungsboxen sollte ebenfalls per MOSFET geschehen, da die Schaltfrequenz gegebenfalls recht hoch werden kann und mechanische Relais nicht für höhere Schaltfrequenzen ausgelegt sind. Außerdem benötigen diese eine 12 V Versorgungsspannung. Die Option auf einen weiteres Netzteil, um aus 230 V Netzspannung die 12 V Spannung für die LEDs herzustellen, wurde aufgrund des hohen Kaufpreises für das Netzteil sowie des hohen Aufwandes für den Umbau abgelehnt. Als Alternative wurde sich für die Verwendung von Linearspannungsreglern auf der Steuerplatine entschieden, die aus der vorhandenen Spannung von 24 V, die zur Versorgung der Motoren benötigt werden, 12 V erzeugen sollen. Bei der Ansteuerung der Ventilinsel gab es ebenfalls zwei Optionen. Die erste Möglichkeit war die Nutzung von Relais, wie z.B. Solid State Relais, durch die Arduino-Ausgänge weniger belastet werden. Die zweite Option war die Nutzung der selben MOSFETs, die schon bei der Ansteuerung der Motoren und des Lichts verwendet wurden. Hier wurde sich aug Grund von bereits vorhandenen Komponenten und der damit verbundenen Einheitlichkeit für die zweite Variante entschieden. Der Schaltplan der Platine wurde in Multisim erstellt, der Leiterplattenentwurf in Ultiboard. Die Platine wurde anschließend in der Hochschule gefräst und bestückt(siehe Abbildung 5). Zum Anschluss an den Arduino wurde die Platine mit Schraubklemmen versehen. Der Arduino wurde eine Platine aus dem Zubehör erweitert, welche jeden Anschluss als Schraubklemme zur Verfügung stellt, um Platine und Arduino zu verbinden.

Während der Tests der Platine sind 2 MOSFETs aus unbekannten Gründen zerstört worden. Die Platine ist weiterhin für die aktuellen Funktionen einsatzfähig, für die Hinzunahme weiterer Funktionen, wie beispielsweise der Einbindung einer weiteren Druckluft-Düse, müssen die Bauteile jedoch ausgetauscht werden.

Umbau des Schaltschranks

Abbildung 6: Schaltschrank der Anlage

Aufgrund des Einsatzes der neuen Steuerplatine war es notwendig, den Schaltschrank umzubauen (siehe Abbildung 6). Hierzu wurde die alte Steuerplatine entfenrt und an ihrer Stelle die neue Sattelplatine mit Schraubklemmen auf dem Arduino installiert. Auch wurde der Arduino auf einer Hutschienenhalterung installiert. Ebenso wurde die neue Steuerplatine auf einer solchen Halterung installiert. Die Anschlüsse untereinander wurden verbunden, die Anschlüsse zu den Geräten außerhalb des Schranks wurden auf Reihenklemmen gelegt. In dem Schaltschrank wurde zusätzlich noch der Gecko-Drive für die Steuerung des Linearläufers installiert. dieser wurde auf eine Seitenwand geschraubt, um Kühlung zu gewährleisten.

Gruppe: Bildverarbeitung/Legoteil-Erkennung

Im vorherigen Semester stellte sich heraus, dass bei dem bestehenden Konzept zur Erkennung von Legoteilen Probleme aufgetaucht sind. Darunter die Erkennung von schwarzen und braunen Legoteilen. Aber auch Schattierungen und Lichtrefelxionen an Legoteilen verfälschten die Merkmale so(z.B. Flächeninhalt), dass oftmals keine Klassifikation stattfinden konnte aufgrund von Nichtübereinstimmungen zwischen gemessenen Merkmalen und hinterlegten Merkmalen in der Datenbank (siehe Semster 2016 Fazit). So wurde ein neues Konzept mit einer neu angefertigten Kamerabox geplant und realisiert, da die Probleme softwaretechnisch nicht zu lösen waren.

Schnittstellen

Damit die Bildverarbeitung und damit auch das Erkennen der Legoteile erfolgreich verlaufen kann, müssen zunächst die Legoteile vereinzelt in die Bildverarbeitungsbox gelangen (Separierung). Sobald ein Legoteil erkannt wurde, wird es aus der Box per Druckluft gefördert und muss anschließend sortiert werden. Damit das Legoteil richtig sortiert wird, wird dem jeweiligen Legoteil anhand der ID eine Box zugeorndet. Der Schnittstellenplan lässt sich zusammengefasst folgendermaßen darstellen:

Abbildung 7: Schnittstellen der Legoteilerkennung

Mechanischer Aufbau

Um die Lichtreflexionen und Schatten an den Legoteilen während der Bilderkennung zu vermeiden, wurde ein neues Konzept entwickelt. Wenn ein Legoteil sich auf einem halb-transparentem Milchglas befindet (siehe Skizze), wird zuerst die untere Beleuchtung eingeschaltet und mittels einem Durchlichtverfahren die genaue Kontur des Legoteils mit der Kamera ermittelt. Hier können bereits einige Merkmale genau extrahiert werden (geometrische) und eine Maske erzeugt werden. Anschließend wird das untere Licht ausgeschaltet und das obere Licht eingeschaltet. Nach diesem Schritt wird mit Hilfe der Maske, nur in dem Bereich wo das Legoteil liegt, die Farbe ermittelt.

Abbildung 8: BV-Box Funktionskonzept Skizze

Im nächsten Schritt wurde die Idee mit Hilfe eines CAD-Programms ausgearbeitet. Die Konstruktion wurde für den ersten Prototypen einfach gehalten und sich so für miteinander verschraubte Holzbretter entschieden. In der unteren Box am oberen Rand wurde die halb-transparente Plexiglasplatte angebracht. In einem bestimmten Abstand wurde unter der Plexiglasscheibe eine weitere Ebene mit LEDs platziert. Der Abstand wurde so gewählt, dass bei angeschalteten LEDs das Licht durch das Plexiglas optimal gestreut wird (ohne helle Punkte, ohne Licht-Spots). In der oberen Box wurde im Deckel eine Bohrung durchgeführt, wo die Stromleitungen der Kamera und der LEDs durchlaufen können. Die LEDs wurden in rechteckiger Form angeordnet und von innen an Deckplatte befestigt (siehe Abbildung 9). Auf einer weiteren halb-transparenten Plexiglasplatte wurde die Kamera befestigt. Für die Kamera wurde eine weitere Bohrung erzeugt. In der oberen Box wurden Ein- und Ausgänge für die Legoteile erzeugt, sowie eine Aussparung für eine flache Druckluftdüse. Zur besseren Vorstellung befindet sich unter den folgenden Link das CAD-Modell als 3dxml-Datei: BV_Box_Komplett.3dxml. Der 3dxml viewer ist unter folgenden Link zu finden: Link

Abbildung 9: CAD-Konzept BV-Box

Anhand des CAD-Modells wurde die Bildverarbeitungsbox fertiggestellt und in Gesamtsystem integriert. Desweiteren wurde eine "Drosselklappe" prototypisch für die Vor-Separierung in Y-Richtung realisiert.

Abbildung 10: BV-Box fertiggestellt

Grober Ablauf der Legoteilerkennung

Abbildung 11: Grober Ablaufplan Legoteilerkennung

Matlabimplementierung

Das einzelne Programm für die Erkennung von Legoteilen befindet sich hier: Bildverarbeitung_Main_V1. Die einzelne Funktion für ein späteres Gesamtprogramm wurde ebenfalls geschrieben und befindet sich hier: AutomatischesZaehlen. der Funktion wird ein kalibriertes Kameraobjekt, die Schnittstelle zur Datenbank, die serielle Schnittstelle zum Arduino und das Kalibrierbild übergeben. Als Rückgabewert wird eine Liste mit den gezählten Legoteil-IDs zurückgegeben.

Ablaufplan:

Parametrisierung der Kamera:
Für die Einstellungen der Paramter wurde das Matlabtool Image Acquisition Toolbox benutzt. Dort wurden einzelne Parameter so ausgetestet/eingestellt, dass sich zum einen die Legoteile beim Durchlichtverfahren gut vom Hintergrund abgrenzen und zum anderen die unterschiedlichen Legofarben beim Auflichtverfahren erkennen lassen. Folgende Einstellungen wurden getroffen:

cam.BacklightCompensation = 0;
cam.Tilt = 0;
cam.Sharpness = 128;
cam.Pan = 0;
cam.Saturation = 128;
cam.Brightness = 128;
cam.Contrast = 128;
cam.Gain = 0;

cam.ExposureMode = 'manual';
cam.FocusMode = 'manual';
cam.WhiteBalanceMode = 'manual';

cam.WhiteBalance = 4000;
cam.Focus = 10;
cam.Exposure = -3;

Kamera-Kalibrierung:
Obwohl die Parameter der Kamera konstant und unverändert waren, stellte sich heraus, dass das Bild der Kamera bei einigen Programmstarts trotzdem heller war. Um Neustarts des Programms zu vermeiden wurde so eine Kalibrierfunktion geschrieben, welche anhand eines aufgenommenen Bildes erkennt, ob die Kameraeinstellungen korrekt vorgenommen.
Dabei wird in einer Schleife ein Kameraobjekt erzeugt und mit den oben aufgeführten Einstelllungen/Parametern versehen. Nun wird ein Bild mit diesen Einstellungen geschossen (im Auflichtverfahren) und mit einem zuvor gespeicherten Bild (siehe Abbildung 12), welches die richtigen Einstellungen beinhaltet, verglichen. Sollten sich die durchschnittliche Helligkeiten der Bilder Unterschiede aufweisen, wird das Kameraobjekt neu erzeugt und der Vorgang wiederholt sich, bis die richtigen Einstellungen getroffen wurden.
Zusammenfassend beschreibt folgendes Diagramm den Ablauf der Selbstkalibrierung:

Abbildung 12: Kalibrierbild

Das Kalibrierbild befindet sich im folgenden Ordner: Calib_Img und die Kalibrierfunktion hier: Cam_Configuration_Check_V1

Legoteilerkennung:
Die Legoteilerkennung erfolgt in einer Schleife, in welcher jeder einzelne Frame ausgewertet wird. Zum Beenden der Schleife und damit des Programms muss hier die Escape-Taste gedrückt werden.

Vorverarbeitung, Segmentierung & Nachverarbeitung:
Zunächst wird das im Durchlichtverfahren aufgenommene Bild zugeschnitten, damit unnötige Bildregionen nicht bearbeitet werden müssen. Die Anzahl an Pixeln, welche in Höhe und Breite weggeschnitten werden, wurde experimentell ermittelt und so ausgelegt, dass sich das größte Legoteil immer im Blickfeld befindet.
Daraufhin erfolgt die Binarisierung bzw. Segmentierung. Die Schwellwerte für die jeweiligen Farbkanäle und die Funktion zur Binarisierung wurden mithilfe des Matlabtools Color Thresholder ermittelt. Sollte sich im Laufe des Projektes die Kamerabox verändern (z.B. mehr LEDs eingebaut oder ein anderer Lichteinfall) muss diese Funktion ersetzt werden, da es sonst zu Segmentierungsfehlern kommen kann.

Abbildung 13: Segmentierung der Legoteile mithilfe des Color Thresholder Tools

Die Funktion zur Segmentierung findet man hier: createBinary_V3
Im Anschluss werden noch kleine, einzelne Pixel im Hintergrund und im Legoteil gelöscht. Damit ist das Bild bereinigt und vollständig segmentiert.

Legoteilerfassung:
Damit ein Legoteil erfasst werden kann, müssen folgende Kriterien eingehalten werden:

1. Legoteil muss sich an der Kante befinden
2. Legoteil muss sich in einer Ruhelage befinden
3. Es darf nur ein Legoteil im Bild vorhanden sein

Sollte mehr als ein Legoteil ein Bild sein, werden alle vorhandenen Legoteile in der Box herausgepustet und als "nicht erkannt" deklariert.

Farbliches Merkmale extrahieren:

Abbildung 14: Farberkennung

Damit die Farbe erkannt werden kann, wird das Auflichtverfahren angewendet. Die Funktion "FARBERKENNUNG_V2" bekommt als Übergabewerte zwei Matrizen:

• RGB-Bild aus Auflichtverfahren und Binärbild vom erkannten Objekt
• mit Hilfe der Übergabeparameter wird eine 3D-Farbmaske erstellt (3D --> RGB).
  • Farbmaske: Aus dem Originalbild werden nur die Pixel in die Masken übernommen, die im Binärbild dem Objekt zugeordnet werden können (weiße Pixel)
• Anschließend werden Mittelwerte für Rot-, Grün- und Blau-Anteil berechnet.

Zuordnung zur nächstgelegenen Farbe:

• Es werden die RGB-Mittelwerte mit einer Farbtabelle verglichen:
  • die Differenzen von jedem Farbanteil zur Farbtabelle werden ermittelt. Davon werden die Differenzen des Farbanteils mit dem größten Wert (Abweichung) gespeichert.
  • Anschließend wird der minimalste Wert von den maximalen Abweichungen ermittelt --> Es wird genau die Farbe ermittelt, welches die kleinste Abweichung zu der Legoteil-Farbe hat.

Die ermittelte Farbe wird als String zurückgegeben. Es können weitere Farben im Nachhinein hinzugefügt werden oder Farbschwellwerte verändert werden, falls sich die Lichtverhältnisse in der Kamerabox durch Umbauten verändern. Dazu muss in der Funktion Bildverarbeitung_Main_V1 folgende Stelle unkommentiert sein:

%% Merkmalsextraktion %%
%Farbe identifizieren
dbstop in FARBERKENNUNG_V2
FARBE = FARBERKENNUNG_V2(ColorImage,BW);

Dies lässt das Programm beim Ausführen automatisch in die Funktion FARBERKENNUNG_V2 springen (mit Breakpoint). Sobald also nun ein farbiges Teil in der Box ist, wird das Programm an dieser Stelle anhalten. Nachdem dies geschehen ist, sollte der Benutzer folgende Variable beobachten:

FARBE(1,1) = (sum(sum(Farbmaske(:,:,1))))/Pixel_Flaeche;                    
FARBE(1,2) = (sum(sum(Farbmaske(:,:,2))))/Pixel_Flaeche;
FARBE(1,3) = (sum(sum(Farbmaske(:,:,3))))/Pixel_Flaeche;

Diese enthält die durchschnittliche R, G und B Anteile des hineingeworfenen Legoteils. Sollten diese (z.B. nach einem Umbau der Bildverarbeitungsbox) von den Werten in der hinterlegten Tabelle stark abweiche, müssen diese mit dem gemessenen Wert überschrieben werden:

%% Farbwerte-Tabelle mit normierten Lego-Farben
% %           R(1) G(1) B(1)  
Farbwerte=[   0.5273 0.5489 0.5362; %'weiss'          
              0.4138 0.3891 0.3115; %'beige'         
              0.3230 0.0622 0.0623; %'rot'           
              0.0087 0.1275 0.3309; %'blau'          
              0.5409 0.4596 0.2026; %'gelb'          
              0.0450 0.0664 0.0659; %'schwarz'       
              0.0509 0.1826 0.1287; %'gruen'         
              0.2182 0.2038 0.1518; %'hellbraun'          
              0.2709 0.3230 0.3345; %'hell-grau'        
              0.1391 0.1804 0.1878; %'dunkel-grau'   
%               0.0565 0.0629 0.0552; %'dunkelbraun'  
              ];

Geometrische Merkmale extrahieren:

Abbildung 15: geometrische Merkmalsextraktion

Die Funktion "Merkmalsberechnung_V3" erhält als Übergabeparameter ein Binärbild eines einzelnen Objektes (Legoteil). Aus diesem Objekt werden dann folgende Merkmale extrahiert, welche dann zurückgegeben werden:

• Umfang --> Anzahl der Pixel, die sich am Rand des Objektes befinden
• Fläche --> Anzahl der Pixel, die sich innerhalb des Objektes befinden (Löcher ausgeschlossen)
• Flächenschwerpunkt --> Pixelkoordinaten {x/y}
• Minimaler Abstand von Flächenschwerpunkt zu äußerem Rand des Objektes
• Maximaler Abstand von Flächenschwerpunkt zu äußerem Rand des Objektes

Die Berechnung der Fläche erfolgt über die Summenbildung der Zeilen und Spalten des Binärbildes. Da so nur die weißen Pixel addiert werden, handelt es sich hierbei nur um die Pixel, die zum Objekt gehören.
Die Schwerpunktskoordinaten lassen sich mit der Matlab-Funktion Regionprops berechnen, welche als Übergabeparameter das Binärbild des Objektes und die Option 'centroid' erhält.
Mithilfe des Kantenbildes des Objektes (erzeugt mit der Matlab-Funktion bwperim), kann eine Liste mit allen Kantenkoordinaten erstellt werden (Matlab-Funktion: Regionprops(Kantenbild, 'Pixellist')). Aus der Differenz zwischen jedem einzelnen dieser Kantenpixel und dem Schwerpunkt bestimmt man nun die Abstände vom Schwerpunkt zum Rand, welche nach minimalen und maximalen Wert durchsucht werden. Anhand der Größe der Kantenpixelliste kann außerdem der Umfang des Objektes bestimmt werden.
Diese Merkmale dienen, zusätzlich zu der Farbe des Objektes und die Anzahl der Löcher im Objekt, als Indikatoren für den Abgleich zwischen aktuellen Legoteil in der Box und den hinterlegten Daten in der Datenbank (siehe Funktion: "Datenbankabgleich.m").
Sollten sich herausstellen, dass diese Merkmale nicht genügen, um alle Legoteile voneinander unterscheiden zu können, sind weitere Merkmalsberechnungen möglich (z.B. Die Seitenlängen einer um das Objekt aufgespannten Boundingbox).

Herauspusten der Legoteile:
Sobald alle Merkmale erfasst wurden, werden diese mit einer Datenbank abgeglichen und einer Legoteil-ID zugeordnet, anhand derer man die zugehörige Box (des Linearläufers) ermittelt und mitteilt (siehe Funktion: "BoxausID_SwitchCaseDB.m"). Danach erfolgt das Herauspusten des Legoteils aus der Kamerabox. Um herauszufinden, wann der Herauspusten beendet werden kann, wird das aktuelle Kamerabild (bei Auflichtverfahren) mit dem Kalibrierbild verglichen. Sollten hier keine großen unterschiede vorliegen, ist die Box leer und das Ventil der Druckluftdüse kann geschlossen werden.

Teach In

Für das einteachen von Legoteilen sind folgende Schritte nötig:

1. Vorraussetzungen:
   1. Maschine ist eingeschaltet
   2. USB-Verbindung zwischen PC und Arduino und PC und Webcam
   3. Arduino ist mit folgendem Programm geflasht: "Serielle_Kommunikation_Arduino_Matlab.ino"
   4. Druckluftversorgung der Ventilinsel
2. Bildverarbeitungsprogramm öffnen: "Bildverarbeitung_Main_V1"
3. Im Quellcode die Bereiche mit der Bezeichnung "Für Teach In:...." unkommentieren
4. Nun gleiche Legoteile nacheinander in die BV_Box befördern, dabei werden die Merkmale gespeichert und bei Beendigung des Programms (Esc) gemittelt
5. Öffnen der Excel_Liste: "Datenbank Teile-Kopie_fuer sql" und unter der jeweiligen Lego-ID die Mittelwerte der Merkmale eintragen (Achtung: Einige Teile müssen in mehreren Lagepositionen eingeteacht werden. Dazu einfach eine weitere Zeile mit derselben ID erstellen)
6. Nachdem eintragen einiger Teile, schließen der Excel Liste und Ausführen des Programms: InventurlisteErstellen_SQL.m. Das führt dazu, dass die Inhalte der Excel-Liste in die SQL Datenbank eingetragen werden.
7. Für die Zuordnung von IDs zu den einzelnen Sortierboxen existiert bisher nur ein Testprogramm: BoxausID_SwitchCaseDB.m". Eine Excel-Liste wäre hier jedoch besser geeignet.
8. Zusatz: Die Toleranzen beim Abgleichen von Merkmalen können bei Bedarf in folgender Funktion geändert werden: "Datenbankabgleich.m". Dabei werden die Toleranzen für Fläche, Umfang und Max-Schwerpunkt relativ angegeben und die Toleranzen für Min-Schwerpunkt und Anzahl der Löcher absolut.

Zum Testen wurden bisher nur ein paar Legoteile in die Datenbank eingeteacht. Zur Vollständigkeit müsste dies mit den restlichen Legoteilen auch geschehen. Praktisch wäre hier eine extra Teach-In Funktion, welche die Werte automatisch ermittelt und in die Excel-Tabelle einträgt. Erste Implementierungen wurden schon durchgeführt, sind jedoch noch mit Fehlern versehen: "Teach_In.m"

Fazit

Durch die Konzeptänderung und die dadurch entstandene Änderung der BV-Box, wurden viele vorher aufgetauchte Probleme beseitigt. So sind Reflexionen und Schattierungen kein Problem mehr und auch schwarze und braune Legoteile stellen kein Problem mehr dar. Es gibt jedoch noch kleine Fehler beim Herauspusten von Legoteilen. So kann es passieren, dass die Legoteile durch den hohen Luftdruck nicht nach draußen, sondern gegen die innere Holzwand springen und damit doppelt gezählt werden. Aber auch ein Liegenbleiben im oberen Bereich des Rohrs kam häufiger vor. Hier ist eine Vergrößerung des Ausgangs möglich oder die Veränderung des Rohres (kürzer bzw. schmaler). Insgesamt kann man aber sagen, dass die Konzeptänderung der Bildverarbeitung erfolgreich verlaufen ist, aber noch mit wenig Aufwand optimiert werden kann.

Gruppe: Sortierung

Die SDE-Gruppe von dem Semester 2016/2017 hat sich dafür entschieden, einen Linearläufer einzusetzen. Im folgenden Bild wird schematisch der Aufbau und Ablauf der Sortierung dargestellt.

Es wurden noch weitere Konzepte ausgearbeitet. Mögliche Ansätze für zukünftige Optimierungen des Auswerfers findet man [hier].

Schaltplan des Linearläufers

Abbildung 16: Verdrahtung des GECKODRIVES. Der GECKODRIVE befindet sich im Schaltschrank. Er gibt die Schritte für den Schrittmotor des Linearläufers

Geckodrive-> 24V-Netzteil
Klemme (Gecko)	Bezeichnung	Farbe		Überträgt	Klemme (Netzteil)	Zusatz-Information
1	GND		Schwarz	Ground	GND	---
2	24V		Rot	Spannung	24V	18-80 VDC

Geckodrive-> Stecker des Schrittmotors
Klemme (Gecko)	Bezeichnung	Farbe		Überträgt	Stecker (Motor)		Zusatz-Information
3	WINDING A+		Gelb	Schritte		PIN1 (Weiß)	Phase 1
4	WINDING A-		Rot	Schritte		PIN2 (Braun)
5	WINDING B+		Blau	Schritte		PIN3 (Blau)	Phase 2
6	WINDING B-		Schwarz	Schritte		PIN4 (Schwarz)

Geckodrive-> Stoppschalter -> Arduino
Klemme (Gecko)	Bezeichnung	Farbe		Überträgt	Klemme (Arduino)		Zusatz-Information
7	DISABLE		Blau	Signale		GND	Benötigt einen 33kΩ-Pulldown Widerstand

Anmerkung: Sollte der Linearläufer zu nah an das Ende seiner Schiene kommen, so betätigt er einen der beiden Stoppschalter. Das Betätigen sorgt dafür, dass Disable auf GND gezogen wird. Dadurch wird der Geckodrive ausgeschaltet und somit auch der Schrittmotor. Im Notfall wird somit die Hardware geschont.

Geckodrive-> Arduino
Klemme (Gecko)	Bezeichnung	Farbe		Überträgt	Klemme (Arduino)	Zusatz-Information
8	DIRECTION		Gelb	Signale	D5	Gibt die Richtung an
9	STEP		Blau	Signale	D6	Gibt die Schritte an
10	COMMON		Rot	Signale	D7	Ein/Aus des Geckodrives

Einstellung des Geckodrives

Elektrische Charakteristiker des Linearläufers
	Ohne Last	Auf max. Geschwindigkeit entgegen der Richtung des motors	Auf max. Geschwindigkeit in Richtung Motor)
Spannung	24 V	22 V	24 V
Strom	0.63 A	2.02 A	1,60 A
Leistung	15,12 W	44,44 W	35,19 W

Motor: MOT-AN-S56(NEMA23)

0,55m / 1,81 s = 0,304 m/s Richtung ende mit der Einstellung von F = 1000000 0,55m / 1,42 s = 0,387 m/s Richtung Motor mit der Einstellung von F = 1000000

Pin Options am GeckoDrive G201X:
1-5 Stromstärke einstellen eingestellt auf 4,4 AMPS

PIN		Schaltstellungen des Geckodrives
1	ON
2	OFF
3	OFF
4	ON
5	OFF
6	ON
7	ON
8	ON
9	ON
10	ON

Hinweis:

• 6-8 Keine Funktion bei dem NEMA-23
• 9 Auto Standby um den Motor bei stillstand auf 70% der Stromstärke zu drosseln um die Hitzeentwicklung zu reduzieren.
• 10 auf ON wenn mit NEMA-23 Motoren gearbeitet wird. (Es wird ein NEMA-23 Motor verwendet!)

Evaluation der Druckluftdüsen

Der vollständige Bericht befindet sich im SVN unter
...\Dokumentation\16_Pneumatik\Evaluation_der_Druckluftdüsen.docx

Im ersten Test wurden verschiedene Legoteile und den unten in der Tabelle genannten Düsen getestet. Ziel des Versuches war es heraus zu finden, welche Legoteile sich am besten für den Test der Düsen eigen. In dem Test stellte sich heraus, dass sie Komplexität der Form der Legoteile kaum Einfluss auf das Ergebnis hat. Dies ist auf das geringe Gewicht und die großen Oberflächen der Legoteile zurückzuführen.

Im zweiten Test wurden getestet wie weit die Düsen die Legoteile bei einmaligen betätigen bewegen können. Ein Teil muss dabei mindestens eine Strecke von 20 cm überwinden können. In dem Test zeigte sich, dass die Testergebnisse von der punktuellen Düse nur dann sinnvolle Ergebnisse erzielen, wenn das Objekt mit einem optimalen Angriffswinkel getroffen wird. Deshalb schwanken die Messwerte auch sehr stark im Test. Dies ist sehr ungünstig da die Lage der Teile im laufenden Prozess der Legoteilzählmaschine sehr variabel ist. Das optimalste Ergebnis haben die spitzen Luftdruck-Düsen erzielt, da selbst mit geringen Drücken viel Kraft auf die Legoteile übertragen werden konnte.

Platz	Düsen-Nr	Bild	Düsenart	Material	min. Druck	Preis
1	1761		Spitz	Aluminium	>2,5 Bar	11,40€
2	1873		Spitz	Edelstahl	>2,5 Bar	21,70€
3	2075		Spitz	Kunststoff (ABS)	>2,5 Bar	18,80€
4	R02-100		Spitz	Edelstahl	3,5 Bar	10,60€
5	1761		Spitz	Edelstahl	3,5 Bar	40,90€

Arduino-Kommunikation

Zum Ansteuern der Aktoren mithilfe des Arduino Mega, wurde ein Kommunikationsprogramm geschrieben. Dieses ermöglicht dem Nutzer über den PC einen seriellen Befehl an den Arduino zu schicken, der daraufhin den Befehl ausführt. Zu den Befehlen gehören:

• Ansteuern der LED's in den Kameraboxen für die Erkennung bzw. Separierung
• Ventilsteuerung für die Druckluftdüsen für die Erkennung bzw. Separierung
• Einstellung der Drosselklappenstellung für die Sortierung
• Ansteuern der Förderbandmotoren
• Ansteuern des Linearläufers für die Sortierung

Für die Botschaften wurde ein einheitliches Framework herausgearbeitet. So besitzt jede serielle Botschaft folgende kodierte Inhalte:

• Am Anfang jeder Botschaft steht ein B
• Eine 1-stellige ID, welche die oben aufgeführten Aufgaben repräsentiert
• Eine 2-stellige Nummer (NR), welche einen bestimmten Aktor beinhaltet
• Eine 3-stellige Zusatzzahl, welche z.B. den Motoren eine relative Geschwindigkeit vorgibt, den LEDs bzw. Ventilen an/auf und aus/zu vorgibt oder die Sollposition für den Linearläufer bzw. Drosselklappe beinhaltet
• Die Botschaft wird mit einem E beendet

Eine detalierte Beschreibung der Kommunikation findet sich in folgender Tabelle:

Beschreibung	ID	NR	ZUSATZ	Gesamtstring	Beispielstring (ohne Leerzeichen)
Drosselklappe	D	00 (nur eine Drosselklappe vorhanden)	Z: Stellung (0 oder 1)	B ID NR Z E	B D 00 001 E (Drosselklappe in Stellung 1)
LED's	L	00: Erkennung oben 1: Erkennung unten 2: Sortierung	Z: Status (0=aus; 1 = an)	B ID NR Z E	B L 01 001 E (Erkennung unten an)
Förderbandmotoren	M	00: Bunker 01: Förderband	Z: Power in %	B ID NR Z E	B M 01 080 E (Förderband mit 80%)
Schrittmotor Sortierung (Linearläufer)	S	00 - 04: Position (Position 0: aktuelle Position als Initialposition annehmen)	Z: 0 (kein Zusatz)	B ID NR Z E	B S 04 000 E (Linearläufer auf Position 4 bzw. Box 4)
Ventile	V	00: Erkennung pusten 01: nicht belegt 02: Vereinzelung pusten (1) 03: Vereinzelung pusten (2)	Z: Status (0=aus; 1 = an)	B ID NR Z E	B V 00 001 E (Erkennung pusten)

Das Programm auf dem Arduino beobachtet dauerhaft den seriellen Eingang und reagiert bei einem Eintreffen einer Botschaft mit einem jeweiligen Ansteuern der digitalen Ausgänge. Das Programm befindet sich im folgenden Ordner: Serielle_Kommunikation_Arduino_Matlab. Hierbei wurde das Ansteuern der Drosselklappe noch nicht implementiert. Die Boxpositionen können hier auch verändert werden bzw. auch erweitert werden. Dazu müssen folgende Variablen verändert/hinzugefügt werden:

//Positionen der Boxen 
double Box_1 = 0.0;
double Box_2 = 105;
double Box_3 = 210;
double Box_4 = 315;
//double Box_5 = 0.0;
//double Box_6 = 0.0;
//double Box_7 = 0.0;
//double Box_8 = 0.0;

Außerdem muss folgende switch-case Struktur in der Funktion void Sortierung(int Position) erweitert werden (bei Veränderung der Boxanzahl):

    switch(Position)
    {
      case 0:
        //Initialisierung des Linearläufers. Aktuelle Position = 0-Punkt 
        Achse_X.setCurrentPosition(0);
        Position = 0;
        break;
      case 1:
        Position = Box_1;
        break;
      case 2:
        Position = Box_2;
        break;
      case 3:
        Position = Box_3;
        break;
      case 4:
        Position = Box_4;
        break;
      default:
        Position = 0;
        break;
    }

Main-Funktion

Die Main-Funktion aus dem Semester: http://193.175.248.52/wiki/index.php/Legoteil_Z%C3%A4hlmaschine_2016 wurde an das neue Konzept angepasst. Dabei wurden folgende Programmteile aus dem vorherigen Semester beibehalten:

• GUI-Einbindung http://193.175.248.52/wiki/index.php/Legoteil_Z%C3%A4hlmaschine_2016#GUI
• Inventurlisten erstellen http://193.175.248.52/wiki/index.php/Legoteil_Z%C3%A4hlmaschine_2016#Erstellung_einer_Inventurliste

Folgende Änderungen wurden durchgeführt:

• Austausch der Bildverarbeitungsfunktion
• Kamera-Kalibrierung in der main
• Einbeziehen der neuen Aktoren (LEDs, Druckluftventile ...)

Die Main-Funktion befindet sich im folgenden SVN-Ordner: main_new.m

HSHL-Wiki-Dokumentation

Die HSHL-Wiki-Dokumentation wurde von der gesamten Gruppe bearbeitet. Jedes Themenabschnitt unterliegt der bereits oben genannten Verantwortlichkeiten.

Ergebnisse

Anleitung Programmstart

Vor dem Starten der Legoteil-Zählmaschine müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein. Es gilt zu prüfen, ob alle benötigten Komponenten mit dem Rechner verbunden sind, von dem das Programm gestart werden soll. Dazu zählen:

• USB-Kabel zum Arduino
• USB-Kabel zur Webcam in der Separierungseinheit
• USB-Kabel zur Webcam in der Erkennungseinheit

Außerdem muss die Anlage an das Stromnetz und die Ventilinsel an eine Druckluftleitung angeschlossen sein.

Vor dem Start gilt es außerdem zu überprüfen, ob die Notschalter der Anlage deaktiviert sind und ob der Linearläufer in seine Initialposition gebracht wurde. Ist dies nicht der Fall ist dies durchzuführen. Anschließend ist der Luftdruck, der an der Ventilinsel anliegt einzustellen. Empfohlen werden zwischen 3 und 5 Bar. Der Start des Programms wird durch ausführen der Datei main_new.m ausgelöst. Es öffnet sich eine Eingabemaske, in der die zu zählenden Baukästen ausgewählt werden. Nach dessen Bestätigung sind die Anzahlen der Legoteile anzugeben, die nicht durch die Maschine gezählt werden können. Anschließend startet die Maschine das automatische Zählen. Der Inhalt der Legokiste, abzüglich der manuell gezählten Teile, ist in den Bunker zu geben. Da die Separierungseiheit noch nicht zuverlässig funktioniert und noch nicht in den Gesamtprozess integriert ist, sollten zunächst nur kleine Mengen in den Bunker geschüttet werden und eine manuelle Separierung vorgenommen werden. Wenn der Bunker leergelaufen sein sollte, sind nicht erkannte in den Bunker zurückzuführen (Aus Sicherheitsgründen darf dies in dem aktuellen Status nicht bei einer laufenden Maschine durchgeführt werden!) Ist der Zählprozess durchlaufen, kann die Zählung vom Anwender mit der ESC-Taste beendet werden. Es wird eine Inventur- sowie eine Fehlteilliste im Tool Excel ausgegeben. Außerdem werden Motoren und LEDs ausgeschaltet und der Linearläufer auf Initialposition gefahren. Nach gebrauch der Anlage ist der Druck der Druckluftleitung herunterzuregeln und die Anlage vom Strom zu trennen.

Fazit

Abgeschlossene Punkte

• Allgemein
  • Evaluierung der Druckluftdüsen
  • CAD-Modell des „Klemmbocks“ zu Befestigung der Düsen
  • Main-Datei angepasst
  • Arduino-Kommunikations-Software implementiert (zum Ansteuern aller Hardwarekomponenten bzw. Aktoren)
• Separierung
  • Entwicklung eines neuen Konzepts zur Separierung der Legoteile
  • Umbau der Anlage (Anpassung an das neue Konzept)
  • Umbau Schaltschrank (Anpassung an das neue Konzept)
  • Entwicklung neue Schaltplatine (Anpassung an das neue Konzept)
  • Entwicklung der ersten Version des Separierungs-Algorithmus
• Bildverarbeitung / Bildverarbeitungsbox
  • Neues Konzept: Idee --> CAD-Konzept
  • Konstruktion und Zusammenbau der neuen BV-Box
  • BV-Software-Anpassung
  • Lichtsteuerung über Arduino
  • "Drosselklappe", Prototyp für Separierung in Y-Richtung
  • Einteachen von ein paar Legoteilen
• Sortierung
  • Prozessablaufplan der Sortierung
  • Montage Konzept der Sortierung
  • Ansteuerung des Linear-Läufers
  • Verdrahtung des Linearläufers
  • Test der Funktionalität des Linearläufers
  • Einbindung der Sensoren des Linearläufers
  • Montage der einzelnen Kästen

Offene Punkte

• Allgemein
  • Parallele Ausführung zweier Funktionen
    • Bildverarbeitung der Separierung
    • Bildverarbeitung der Legoteilerkennung
  • GUI überarbeiten/erweitern
    • Teach-In Einbindung in der GUI: Benutzerschnittstelle zu Eingabe und Bearbeitung der Teile
    • Merge-Funktion: Auswahl von mehrern Kästen ermöglicht
  • Anleitung zum Start der Maschine eine „Broschüre“ mit vielen Bildern
  • Videoanleitung zum Erklären der Projektergebnisse
• Separierung
  • Schutzbleche für herunterfallende Legoteile (am Bunker)
  • Anbringung von Besen oder Abstreifern zur Verhinderung von Legoteil-Überlagerungen
• Bildverarbeitung
  • Teach-In Funktion implementieren
  • alle Legoteile einteachen
  • Bildverarbeitungsbox von Umgebungslicht vollständig abschirmen (Tunnel am Eingang der Box aus Blech erstellen; Schlitze in der Box abdichten)
• Sortierung
  • Montage und Einbindung der „Auswerfer-Klappe“ vor dem Linearläufer

Kritikpunkte

• Es werden nicht die optimalen Luftdruckdüsen eingesetzt
• Ein zweite Bildverarbeitung zum Erkenn von Bauteilhaufen erfordert viel Rechenleistung
• Die Startposition des Linearläufers ist kann stark variieren und den den kompletten Prozess anhalten.
• Beim Überschreiten der Notfall Schalter des Linearläufers kann das System nicht eigenständig reagieren. Daher muss der Läufer manuell auch dieser Lage befreit werden.
• Es gibt noch keine Sicherheitsvorkehrungen, die im Fehlerfall den Prozess oder Teilprozesse stoppen.
• Wenn ein Sortierkasten überfüllt ist, können einzelne Teile aus dem Kasten fallen. Die Kapazität der Sortierkästen könnte angepasst werden.

Optmierungen

• Separierung
  • Bildverarbeitung zum Erkennen von Bauteilhaufen
    • Stoppen des Bunkers sobald mehrere Teile in der Box erkannt werden
    • Vergrößerung des Eingangsbereiches
    • über- oder direkt aneinanderliegende Legoteile als unterschiedliche Teile erkennen
    • beide Luftdruckdüsen gezielt einzeln anzusteuern
    • Anhalten der Fließbänder sobald ein Legoteil in der Bildverarbeitungsbox der Legoteilerkennung ist
• Bildverarbeitung
  • Modifizieren des Ausgangsrohrs, da ein paar Legoteile teilweise dort hängen bleiben
  • Modifizieren des Box-Ausgangs (vergrößerung, da einige Legoteile beim Rauspusten an den oberen Rand zurückprallen können
• Sortierung
  • Einbau von zusätzlichen Sensoren für das Start/Kalibrierungsproblem des Linearläufers
  • Verbinden der Sensoren des Linearläufers mit dem Arduino um automatisch bei Fehlerfällen eingreifen zu können.
  • Ein Rohr mit geringerem Durchmesser würde den Trichter vor dem Linearläufer sparen.

Referenzen

Siehe auch / Weiterführende Links

1. SVN: Checkout URL | https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum_2015/trunk
2. Rückblick Nr.1 (SS16): | http://193.175.248.52/wiki/index.php/Legoteil_Z%C3%A4hlmaschine_2016
3. Rückblick Nr.2 (WS15): | http://193.175.248.52/wiki/index.php/Legoteil_Z%C3%A4hlmaschine_2015