Трехкоординатный датчик слежения за инфракрасным маркером

Автор: МКС, uels73@mail.ru
Опубликовано 16.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

       В данном проекте предложена модель трехкоординатного датчика слежения за инфракрасным маркером. Принцип его работы заключается в том,  что неподвижная  инфракрасная  видеокамера  следит  за  перемещением  в  пространстве  руки  или  головы  человека  по  трем осям координат - X, Y и Z. Выделение  объекта  слежения  (частей  тела  человека ) из  общего  фона  осуществляется  благодаря  закрепленному на руке или голове пользователя инфракрасному  светодиоду (ИК – маркеру), отличающемуся большей яркостью от окружающей обстановки (рис. 1). В результате на выходах электронной схемы  блока  обработки  изображени я появляются  сигналы,  необходимые  для  определения  положения объекта по трем осям координат. Используя эти сигналы через специальные адаптеры, можно управлять некоторыми функциями программ компьютера (играми, презентациями, графическими редакторами и т.д.)  при  помощи  движений  руки  или  поворотов  головы пользователя. Аналогичные возможности появляются в вариантах подключения датчика к электронным устройствам с блоками приводов (включающих в себя силовые преобразователи и исполнительные двигатели), копирующих движение частей тела человека.

     Для изготовления этого датчика нам понадобится инфракрасный сенсор. В качестве сенсора используется монохромная черно-белая СMOS – видеокамера (рис.2). Такую модель можно купить во многих магазинах радиотоваров или салонах по продаже систем видеонаблюдения

      Дело в том, что видеокамеры с CMOS или ПЗС – матрицами чувствительны к видимому свету и к части инфракрасного излучения. Их максимальная чувствительность сосредоточена в видимом световом диапазоне длин волн - 400 нм…700 нм и расширенна в область инфракрасного света в диапазоне длин волн 700 нм…900 нм (рис. 3).

     Поэтому было решено перевести камеру в режим инфракрасной съемки с помощью ИК – светофильтра, а на объект слежения надеть инфракрасный излучатель (ИК - маркер), представляющий собой мощный инфракрасный светодиод (рис.4).

     Инфракрасный светофильтр можно изготовить из старой засвеченной фотопленки, либо поэкспериментировать с окрашенным оргстеклом черного цвета. Также для создания фильтра можно использовать пластиковую основу CD - диска "черного" цвета (слой поликарбоната). На просвет она выглядит темно-вишневой или темно-красной. Из пластины выбранного материала вырезаем круг диаметром 5 - 7 мм и приклеиваем его к металлической рамке с внутренней стороны объектива (рис. 5). Т.е фильтр располагаем между матрицей и объективом. Затем, необходимо, подключить камеру ко входу «VIDEO»

телевизора, расположить ИК – светодиод в зоне видимости камеры и по изображению на экране TV настроить фокусировку объектива. При этом фон окружающей обстановки, находящийся в видимой части спектра световых волн становится невидимым для камеры. Происходит ИК - селекция изображения (рис.6, рис.7).

      В зоне наблюдения матрицы камеры остается только световое пятно от инфракрасного светодиода. На выходе камеры наблюдается видеосигнал (рис.8), где в каждом полукадровом поле с синхроимпульсами, присутствует только сигнал изображения от ИК - светодиода маркера. 

      Если маркер перемещать относительно матрицы видеокамеры по вертикали (по оси - Y), то импульсы сигнала изображения «сдвигаются» по строкам в четных и нечетных полукадровых полях относительно кадровых гасящих синхроимпульсов видеосигнала (рис.9). При изменении положения маркера по горизонтали (по оси - X), видеоимпульсы от него смещаются по строке по отношению к спаду строчных синхроимпульсов. Приближение или удаление ИК - маркера, относительно объектива камеры, приводит к изменению размера проецируемого изображения (диаметра светящегося пятна) на матрицу. В этом случае количество видеоимпульсов изображения начинает изменяться в каждом поле четных и нечетных строк. Соответственно в схеме обработки сигналов изменяется ширина интегрированных видеоимпульсов и появляется возможность измерения положения объекта по оси координат – Z. Таким образом, измеряя положение и ширину видеоимпульса в каждом полукадровом поле и строках, можно простыми методами определять координаты объекта слежения по осям Х, Y и Z.

       Электрическая принципиальная схема датчика приведена на рисунке 10. При появлении источника ИК - света в зоне видимости датчика, на выходе видеокамеры появляется позитивный видеосигнал синхроимпульсами вниз (рис. 8). Он поступает на вход видеоусилителя сигнала изображения выполненного на транзисторах VT1, VT2 Выделенные и усиленные видеоимпульсы сигнала изображения подаются на инвертирующий вход аналогового компаратора встроенного в микроконтроллер D1 АТmega8. Для этого задействован 6 бит порта D (AIN0). На втором (не инвертирующем) входе устанавливается порог срабатывания компаратора с помощью подстроечного резистора R11, подключенного к 7 биту порта D (AIN1).

      Также сигнал изображения от видеокамеры поступает на вход селектора синхроимпульсов DA1 выполненного на специализированной микросхеме LM1881. Здесь из полного видеосигнала на выводе 3 «Vertical OUTPUT» выделяются кадровые синхроимпульсы прямоугольной формы, а с вывода 5 «Burst OUTPUT» - строчные синхроимпульсы. Кадровые и строчные синхроимпульсы приходят на входы внешних прерываний INT0, INT1 микроконтроллера. Каждый строчный синхроимпульс приходящий на 5 вывод контроллера вызывает прерывание по входу INT1 и выполняет инкремент счетчика-регистра в программе прерывания контроллера. По приходу кадрового СИ на 4 вывод контроллера, происходит прерывание по входу INT0, обнуление счетчика-регистра, а так же запуск нового цикла подсчета строчных импульсов.
       Для вычисления координаты «Х», встроенный таймер/счетчик Т2, подсчитывает время от начала строчного синхроимпульса до прихода видеоимпульса от компаратора. Координата «Y» вычисляется путем подсчета количества строк в счетчике-регистре при появлении сигнала от компаратора. Информация о подсчитанных импульсах по координатам X и Y со счетчиков перезаписывается на входы регистров сравнения OCR1АL и OCR1BL счетчика-таймера Т1, работающего в режиме Fast PWM. С выхода ОС1В, выводятся данные о координатах положения ИК - маркера по оси Х, а на выходе ОС1В – координаты по оси Y. Эти сигналы в виде ШИМ можно наблюдать на контрольных точках КТ3, КТ4 соответственно. Два ФНЧ на элементах R14,C10 и R15,C11 преобразуют сигналы ШИМ в уровни постоянного напряжения. На конденсаторе C11 формируется аналоговый сигнал управления, выдающий информацию о положении маркера по оси Y (Uупр.Y) , а на С10 сигнал управления по оси X (Uупр.X) .
    Каждый видеоимпульс изображения в полукадре регистрируются компаратором микроконтроллера. Чем ближе ИК-маркер находится к объективу камеры, тем больше размер светового пятна проецируемого на СMOS - матрице и тем больше количество видеоимпульсов в каждом полукадре. Эти импульсы выведены на выход порта РС0. После детектирования и интегрирования данных импульсов элементами VD9, C9, R16 получаем сигнал о приближении или удалении маркера относительно камеры по оси Z.
     Для тактирования микроконтроллера выбран генератор с внешним кварцевым резонатором работающем на частоте 14,318 МГц. Этот кварц можно найти на любой неисправной материнской плате компьютера. Управляющая программа для микроконтроллера написана на языке Ассемблер. HEX - файл находится в приложении. Перед прошивкой микроконтроллера необходимо выставить фьюзы: CKSEL0=1, CKSEL1=1, CKSEL2=1, CKSEL3=1, SUT0=0, SUT1=1, SKOPT=0.
    Источник питания + 5 Вольт собран на стабилизаторе DA1 7805. Схема датчика собрана на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 60 ×42 мм (рис. 11).

Расположение деталей на печатной плате изображено на рисунке 12.

Внешний вид платы показан на рисунке 13.

      Плата с видеокамерой размещена в самодельном корпусе спаянного из пластин стеклотекстолита размерами: 55 × 75 × 105 мм (рис. 14). На передней панели корпуса, перед объективом камеры, наклеен дополнительный фильтр из красного оргстекла. Сам корпус датчика закреплен на пластмассовом штативе с платформой.

     ИК – маркер состоит из последовательно соединенных инфракрасного светодиода HL1 и резистора R1 - ограничителя тока. С целью уменьшения габаритов ИК - излучателя и увеличения рабочей зоны можно применить мощный светодиод типа EDEF-1LS4 или ему аналогичный (рис.4). Он работает в инфракрасной области спектра и предназначены для использования в системах безопасности и видеонаблюдения. Такие светодиоды выпускаются в исполнении Emitter в стандартных для осветительных светодиодов корпусах диаметром 8 мм с диаграммой направленности по Ламберту. Они излучают свет в инфракрасном диапазоне 650 - 950 нм.
    Транзисторы VT1, VT2 в схеме видеоусилителя BC547C можно заменить на КТ3102Е. Вместо диодов VD1, VD2 N4148 можно использовать советские аналоги - КД 521, КД522. Светодиоды HL2, HL3 – любые красного свечения с малым током потребления.
      После сборки платы датчика, ее необходимо настроить. Для этого подключаем схему к источнику питания с напряжением 9 - 12В. К контрольной точке КТ1 подключаем осциллограф и вращением резистора R7 максимально уменьшаем уровень синхроимпульсов изображения и импульсов от случайных помех в виде засветок «просочившихся» через ИК – фильтр камеры. При этом, если расположить ИК- маркер в зоне видимости видеокамеры на расстоянии 2- 3 метра от объектива, то на выходе видеоусилителя должны наблюдаться импульсы уровня белого сигнала изображения от маркера с амплитудой не менее 0,1 В. Регулировкой резистора R11 необходимо добиться устойчивого срабатывания компаратора микроконтроллера D1 при появлении ИК маркера в рабочей зоне видеокамеры. Для контроля работы компаратора предусмотрен светодиод HL2 на выходе порта PB0. При появлении ИК – маркера в пределах угла обзора камеры и на расстоянии не более 3-4 метра светодиод HL2 должен загореться. При выходе маркера из зоны видимости светодиод должен погаснуть. Подключая осциллограф к контрольным точкам КТ3, КТ4 на экране должна наблюдаться ШИМ при перемещении маркера по осям координат X и Y. В контрольной точке КТ2 необходимо проконтролировать изменение количества импульсов при удалении / приближении маркера по оси Z.
    Область применения этого датчика зависит от фантазии радиолюбителя. Изготовленный образец датчика испытан в качестве устройства для ввода данных в программы компьютера (вместо оптической мыши). Для этих целей был разработан и изготовлен специальный адаптер. Он преобразует моменты изменения ШИМ на выходах схемы в сигналы для микросхемы – контроллера мыши, встроенной в адаптер. С выхода контроллера сигналы управления курсором мыши поступают на порт USB системного блока компьютера или ноутбука. ИК - маркер можно закрепить прямо на голове человека, видеоочках, наушниках или кепке. В этом случае оператор может управлять некоторыми функциями программ компьютера поворотами головы. Например, если вместо традиционного монитора к компьютеру подключить специальные видеоочки с закрепленным на них ИК - излучателем, то можно управлять стереоскопическим изображением компьютерных игр (рис. 15).

    Погружаясь в виртуальный мир, можно визуально воспринимать трехмерное стереоизображение. Пользователь естественным образом может осматривать изображение, представленное на дисплеях, вмонтированных в очки. При таком осмотре маркер на голове будет смещаться относительно датчика на столе. В результате угловых смещений головы человека датчик определяет координаты маркера в пространстве и направляет их в компьютер, а он в свою очередь изменяет угол обзора виртуального изображения.

    Область применения этого датчика не ограничивается, управлением компьютера. При помощи такого интерфейса можно управлять не только виртуальным миром компьютерных игр, но и реальными исполнительными механизмами с электроприводом. Например, в дополнение к этой работе была разработана и изготовлена система видеонаблюдения с подвижной платформой в виде шлема для робота (рис.16). Благодаря двум встроенным электродвигателям камера может изменять угол обзора по вертикали (вверх-вниз) и поворачиваться по горизонтали (влево - вправо).
      Чтобы управлять этим механизмом при помощи поворотов головы человека, к электронному блоку управления был разработан специальный адаптер. Он преобразует координаты угловых смещений головы человека в управляющие напряжения для электродвигателей подвижной платформы. Изображение с ТВ-камеры поступает на дисплеи видеоочков оператора. Таким образом, человек, находясь на значительном удалении осуществляет FPV - управление (управление от первого лица). Данный вариант обеспечивает существенно большие удобства для оператора в части задания движений платформы системы видеонаблюдения и делает этот процесс более простым и естественным. Человек не задумывается над тем, какие степени подвижности у механизма платформы и в какой последовательности надо включать её двигатели. Ему достаточно перемещать свою голову, одновременно осуществляя визуальный контроль над наблюдаемыми процессами в видеоочках.
      Дополнительную информацию об этом устройстве можно посмотреть в видеоролике: https://youtu.be/yLLIU23ChD8

Файлы:
Файл прошивки
Печатная плата для ЛУТ

Все вопросы в Форум.