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国际先进研究期刊》的研究在电子、电子、仪表工程

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红外传感器平台检测各种物体的形状

SitiAsmah Daud1, NasrulHumaimi Mahmood2,凌裴Leow3 FauzanKhairiChe Harun4
  1. 博士生、生物科学与医学工程学院UniversitiTeknologi马来西亚,马来西亚柔佛
  2. 高级讲师、生物技术和医学工程系、生物科学与医学工程学院,UniversitiTeknologi马来西亚,马来西亚柔佛
  3. 高级讲师、部门的工程控制和机电一体化,教师电气工程、马来西亚各种大学、马来西亚柔佛州
  4. 高级讲师、生物技术和医学工程系、生物科学与医学工程学院,UniversitiTeknologi马来西亚,马来西亚柔佛
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文摘

介绍了应用红外传感器安装在传感器rigto测量物体的距离位于板的中心。传感器平台收到的数据是完全由Arduino控制单片机,然后保存在一个文本文件使用CoolTerm终端应用程序。后期处理的数据是完全运行使用Matlab软件重建的图像数据通过红外传感器。使用的大多数对象在整个研究多边形形状如气缸、矩形,半球,椭圆形,三叶草,曲线。在实验中使用的红外传感器的灵敏度应考虑为了获得准确的结果和数据捕获过程中减少噪音。最近距离的红外传感器测量对象设置成5厘米。结果表明,该传感器能够探测到任何更改在距离测量和图像从对象可以重建。



关键字
红外传感器;Arduino;CoolTerm;Matlab;图像重建

介绍
是非常具有挑战性的距离的准确测量,使用传感器,尽管现在有很多传感器可以应用。当一个工程师处理距离测量,决议和持续时间等其他可能的传感器给输出数据也应该被考虑。现在有很多设备已经安装到机器人为了使激光扫描仪测距等,超声波测距仪(美国)、相机、激光二极管(LD)、线性可变差动传感器(线性)和红外(IR)测距仪传感器[1]。这些传感器需要特殊标定获得精确的距离测量[2]。
为了重建3 d几何对象的,3 d相机和激光扫描仪的应用已经广泛应用[3][1]。一个2 d图像的准确的数据可以从提升获得;不幸的是,成本是昂贵的[4]。3 d扫描仪相比,它requirescomputational和电力消费解决方案,不能由一个机器人在实时处理。线性可变的应用在机器人可以测量精确的距离分辨率在几micrometresorders [2]。这个传感器的缺点是它是昂贵的;需要大量的信号调节电路和复杂的机制,这在某些情况下是不合理的。超声波测距仪还可用于对象的三维图像重建是取决于飞行时间(ToF)从发射机到接收机,它能够拿走50厘米的对象数据在3 ms [5]。美国传感器检测的主要劣势可怜的角分辨率。
目标检测的准确性是非常重要的,每一个研究者想要一个准确的结果在他们的研究。传感器能给准确的数据是考虑作为一个很好的传感器,可以用于其他应用程序。我们传感器提供了一个远程测距3厘米的误差,[6][2],它需要一个适当的使用这个传感器校准。0.3毫米的精度在3 m的工作距离,LD传感器可以[7]和传感器的分辨率高于位置敏感探测器(PSD)在长期范围内。同时,PSD在35厘米到63厘米范围内将1%的误差距离的测量[8]。它是不同的与一个红外传感器,能够测量准确的一小段距离0.5厘米[9],这是比其他传感器。
红外光谱提供了简单的安装,规模较小,可移植的,轻量级的,只需要几个组件,以便操作。其他类型的红外提供不同的距离可以测量范围取决于放大,典型的红外光谱是用来测量距离1厘米到30厘米范围[1]。通常使用这个传感器探测障碍物的存在,由于对象反射属性的敏感性。红外传感器是众所周知的使用研究[10][11][12]的距离测量。尽管红外传感器传感精度有限等缺点,范围和计算能力,但它可以克服运用冯氏照明[13]或传感器融合[14]。除此之外,红外传感器已经证明了自己的能力创造对象的地表痕迹[8],本地化的目的[15][16],并在应用程序的对象检测[17]。这表明红外传感器可以测量物体的距离和对象可以重建的三维图像通过使用传感器实验期间从红外接收的值。
在这篇文章中,一组5个红外传感器GP2D120XJ00F(夏普公司,日本大阪)是安装在传感器平台在五角大楼的形状测量距离物体位于中心的传感器装置。Arduino是单片机控制的运动传感器平台实验测量在一个对象上。2 d120传感器能够测量一个物体在4厘米至30厘米,传感器将从相同的传感器传送和接收数据。结果表明,该传感器可以检测对象的微小变化,和一个对象的形状可以重建3 d形式使用Matlab软件。

方法
答:硬件实现
系统设计利用五个红外传感器GP2D120XJ00F(夏普公司,日本大阪)[15]。在发射机和接收机的安装传感器并排,这意味着这个传感器都在一个传感器。传感器测量位移的能力是4厘米至30厘米,在模拟阅读时连接到微控制器和传感器数据可以被转换成厘米(cm)的价值通过应用数学公式由夏普公司。
GP2D120传感器需要38.3±9.6毫秒女士反映时间检测位移传感器对象的距离,和输出之间的范围是0.25 - -0.55 V [18]。这个传感器是易于安装,因为它只需要三个从传感器连接到单片机VCC,接地和VIN。传感器的大小是1.35 cm x 3.7 cm让这个传感器易于安装的传感器装置,在五角大楼的形状。图1显示了传感器平台的安排和红外传感器的位置。
控制电路设计控制红外的电源开关。这是因为当所有的传感器在同一时间打开,错误发生的可能性很高。时间为每个传感器将被设置为0.5 secondsfor每次基于提供的数据表。表1shows the experimental results obtained when the distance between IR sensor and object is changed. This is to select possible minimum of the distance for IR sensor. The sensor is capable to detect distance as close as 3 cm, but during the experiment data received by IR sensor is not stable. The surrounding condition is maintained in a closed room to avoid any light source during the experiment. Sensor value for each distance is different; this is because as the distance increase, the sensor value will also change. From the experiment, the minimum distance of this sensor is 5 cm. All experiment setups are set to be as closed as 5 cm from the IR sensor to avoid any error during data collection. Test experiment has been conductedto decide whether all IR sensors are turn ON at the same time is better compared when only one sensorturn ON at one time. Results show that at the distance of 5 cm it is best if the sensors turn ON one by one for better data collection.
在打开的红外传感器,这意味着传感器连接到电源、数据收集关于在距离。Arduino Uno作为单片机来控制步进电机的运动[10],红外传感器,也是负责收集由传感器接收到的数据。Arduino电路板,红外传感器连接到模拟输入,接地和VCC。同时使用继电器控制的切换模式红外数字输入连接到董事会。
当红外传感器analoguedata输出,使用CoolTerm数据是保存在文本文件。CoolTerm是软件通过使用USB端口连接到Arduino从董事会到笔记本电脑。所有接收到的数据将使用后处理数据利用Matlab来重建三维图像。
的一个简单的方法来确保数据被传感器平台完成一个周期是由旋转360°的对象。为了确保传感器旋转360°,用步进电机来控制传感器的旋转。这个运动可以连接到Arduino电路板通过连接电动机的输入和输出销向董事会[19]。一个算法应用于旋转电机陡峭2°角,这意味着电动机将完成360°旋转180倍。图2显示了本研究的整体实验设置。

b传感器平台工作原理
8个对象的形状已被选定的实验。有圆柱,矩形,半球,椭圆形,曲线、水滴、鸡蛋形状和三叶草。每个对象的大小是不同的长度和直径,只有高5厘米的每个对象都是一样的。每个对象的大小是根据表面积适合使用传感器获取的数据平台。在实验期间,整个对象与黑色硬纸板包装。驱魔师et al .[9]的研究表明,通过使用黑色物体的表面颜色给相对αi 0.12红外反射率。颜色的选择是非常重要的为了获得合理的准确性,减少噪音的影响在数据读取红外传感器。做了简单的实验证明黑纸板给其他颜色数据比较稳定。
表2显示了结果时,不同颜色的硬纸板用于数据收集使用红外传感器。从结果,黑色硬纸板paperproduced一致的传感器输出值相比其他颜色。距离红外传感器和硬纸板设置为5厘米基于表1中获得的结果。尽管黄色纸板稍稳定传感器输出,但结果是不准确的距离时转换成厘米。整个实验中,将使用黑色硬纸板包装对象形状在数据收集。
Arduino电路板需要与9 V电源功能为这个系统。系统将欢迎用户欢迎注意并向用户介绍系统。几秒钟后,红外传感器将打开或关闭一个接一个来捕获数据从一个对象放置在传感器平台的中心。近红外传感器之间的距离和对象设置为5厘米,以避免错误数据。与此同时,一个面板的中心之间的距离物体放置的位置和传感器设置为10厘米。这个距离会使用Matlab应用于图像重建的算法。
每2°的运动使步进电机Arduino将给一个指令红外传感器或测量传感器之间的距离和障碍。每个传感器都需要50毫秒为了让信号传输和接收的红外接收器。当电机旋转完成,系统将自动关闭,以避免任何重复的传感器接收的数据。有五个红外传感器安装在传感器平台。通过应用多个传感器将帮助减少时间获取的数据对象的距离,但如果有太多的传感器使用系统将成为笨重的[5]。总时间需要传感器平台完成360°扫描对象是一分钟共有五个红外传感器的传感器装置,当只有一个红外传感器相比,所需的时间完成全扫描的对象是5分钟。通过应用多个传感器传感器平台将帮助消除了整个过程的另一个4分钟的实验。

c软件实现
收到的数据CoolTerm是传感器的值。使用Matlab重建图像,所有的数据需要转换成厘米(cm)通过使用conversionprovided数据表。转换后的数据,使用一个算法重建图像的应用数据。为了重建图像,所有的数据空间以及单词需要被删除之前应用算法。时系统给出错误结果之间有任何多余的空间数据。图像重建的对象使用圆方程,将所有数据分配给位于一个圆形的位置。转换方程需要应用算法,输出图像的厘米单位而不是在一个传感器的值。由于步进电机旋转每2°,Matlab绘制数据将只有180点这将重建对象的一个完整的图像。

成果和讨论
整个实验是整个对象使用与黑色硬纸板包装,以避免噪声的存在和反射信号的传输是完全反映红外传感器的接收器。在实验中,一些因素需要保持不变,以确保低噪音发生。的因素,所有的实验是运行在一个黑暗的房间,以避免任何光源,和对象的位置位于中心的传感器装置。通过忽略这个因素将导致错误在实验数据采集。
Fig.3shows总八形状的物体重建使用一个红外传感器平台。从结果,它表明,红外传感器给最好的和有用的数据处理曲线表面,当红外传感器获取的数据直接从表面上看,输出图像并不是类似于真正的对象。红外传感器对周围的光源非常敏感,因此,为了获得更好的数据对象的位置放置在前面的传感器必须超过5厘米,以避免错误阅读在数据阅读和最好是如果数据在黑暗中避免任何光源的空间。从结果可以看出,表面,例如,西半球和三叶草并不顺利。这是因为传感器平台只负责把数据和光滑表面它需要一个额外的预处理算法的数据。
形状如曲线、水滴、鸡蛋和三叶草为了证明通过改变物体的形状与红外传感器传感器平台仍然有能力重建图像。这个形状是一个控制数据的准确性和这个形状误差相比,不考虑物体的形状。红外传感器给出了每个控制对象的数据没有根据物体的形状和大小。这个控制对象相比略小缸,半球,矩形和椭圆形。

结论
试验表明,红外传感器平台能够捕获数据的传感器和对象之间的距离。数据从传感器接收使用Matlab和图像重建reconstructedare类似于原始对象。额外关注等需要在实验中传感器平台运行在一个关闭的房间,一个物体的位置传感器平台的核心是相同的,以避免任何不必要的红外信号,可能导致错误的阅读。

承认
作者感谢UniversitiTeknologi马来西亚(UTM)和EScience给予支持和资助这项研究(EScience R.J130000.7923.4S027投票)。作者还想表达感谢生物医学电子实验室研究小组成员的想法和意见。

表乍一看
表的图标 表的图标
表1 表2

数据乍一看
图1 图2 图3
图1 图2 图3

引用