OPTISK MÄTNING AV KONCENTRERADE PARABOLISKA SOLFÅNGARE

Civilingenjör inom energiteknik, 300 hp Examensarbete inom energiteknik, 30 hp

Vt 2018

OPTISK MÄTNING AV

KONCENTRERADE

PARABOLISKA

SOLFÅNGARE

KVALITETSSÄKRING AV DEN GEOMETRISKA

FORMEN PÅ TRÅGET

OPTIC

MEASUREMENT OF

CONCENTRATING

SOLAR

COLLECTOR

QUALITY ASSURANCE OF THE GEOMETRICAL

SHAPE OF THE TROUGH

SAMMANFATTNING

Absolicon Solar Collector AB har börjat undersöka möjligheten att snabbt kunna kvalitetssäkra koncentrerade paraboliska solfångare till sin nya drivlina.

Detta genom att beräkna den geometriska formen på tråget utifrån kameror som förs över tråget och detekterar kanterna på det reflekterade receiverröret.

Mätdata skickas sedan till en central dator över Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) som sköter beräkningen av trågets geometriska form.

Projektet har fått namnet ARGQOS som är en akronym för Absolicon Robotized Geometrical Quantification Ocular System.

I projektet skulle åtta stycken identiska kamerahus designas, konstrueras och testas där kameran och datorn för kantdetektionen ska vara monterad.

På kamerahuset ska det även finnas LED-belysningen för att kunna kommunicera sin driftstatus till operatören.

Även mjukvaran behöver utvecklas för kantigenkännande algoritmer samt för kommunikation till systemets centraldator över MQTT, där bland annat mätdata och viktig information kommer skickas.

Tester har sedan gjorts för att utvärdera kamerahusets funktion där första testet bestod av att utvärdera hårdvaran på kamerahuset. Det andra testet som gjordes var att utvärdera mjukvaran och ett testschema upprättades för att efterlikna en riktig mätning. Även kommunikationen med centraldatorn via MQTT testades.

I det tredje testet gjordes en riktig mätning av en parabolisk koncentrerade solfångare. Detta för att se hur mycket av de reflekterade kanterna i solfångaren kunde detekteras samt hur bra solfångaren var genom att räkna ut om varje detekterad punkt träffade receiverröret eller inte. Det fjärde och sista testet som gjordes var för att validera om metoden fungerade genom att först mäta en defekt solfångare med en laser och se vart den träffade och missade receiverröret och sedan mäta den med systemet ARGQOS och jämföra resultaten. Testerna visar kamerahusen är väl fungerade i en industriell applikation och att programmet fungerar stabilt med få mindre buggar och mätningar på solfångare kan köras upprepade gånger utan problem.

Kamerorna kunde detektera de reflekterade kanterna på nästan hela tråget med få problemområden.

De visade också att mätningen var känsligt för yttre störningar som kom med i reflektorn på solfångaren samt systemet är känslig för belysning.

ABSTRACT

Absolicon Solar Collector AB has started to investigate the possibility to implement a quick quality insurance for concentrating parabolic solar collectors to their new power train. This will be done by calculating the geometrical shape on the trough by letting cameras move over the through and detect the edges on the reflected receiver pipe.

Measure data will be sent to a central computer through Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) that handles the calculation of the troughs geometrical shape.

The project has been named ARGQOS and is an acronym for Absolicon Robotized Geometrical Quantification Ocular System.

In the project eight identical camera houses should be designed, constructed and tested where the camera and the computer would be mounted.

LED-lights should also be located on top of the camera house to communicate the operational status of the unit to the operator.

The software also had to be developed for edge recognition algorithms, communication to the system central computer over MQTT, where measure data and other important information will be send.

Tests has been made to determine the function of the camera house where the first test consisted of the evaluation of the hardware of the camera house for industrial usage. The second test that was made was the evaluation of the software and a test scheme was established to mimic a real measurement on a concentrated parabolic solar collector. Even the communication with the central computer trough MQTT was tested.

In the third test a measurement was done to a real concentrating parabolic solar collector to see how well the reflected edges could be detected. Also the status of the solar collector by calculating if the detected points hit the receiver pipe or not.

The fourth and final test that was made was to validate the method by first measure a defect parabolic solar collector with a laser to where the laser hit and missed the receiver pipe and then measure the same solar collector with the system ARGQOS and compare the results. The tests show that the camera houses have the intended function for industrial usage and that the program is working well and is stable with only a few minor bugs. Measurements on parabolic solar collectors can be done repeatedly without any problems.

The cameras could detect the reflected edges on almost the whole trough with only a few problem areas. It also displayed that the measurement was sensitive to outer disturbances that was reflected in the trough and the system was sensitive to the ambient light.

In the validation test the comparison between the measurement between the system and the laser displayed the same result.

FÖRORD

Detta examensarbete är utfört inom civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet har gjorts under våren 2018 och examensarbetet består av av 30 hp. Med detta projekt så avslutar jag min utbildning som civilingenjör inom Umeå Universitet.

Jag vill rikta ett stort tack till Absolicon AB för denna fantastiska möjlighet att få genomföra detta arbete inom deras organisation. Jag riktar speciellt stort tack till min handledare Jonatan Mossegård på Absolicon för hans oavbrutna hjälp och stöttning.

Jag vill också rikta ett stort tack till min handledare på institutionen för tillämpad fysik och elektronik Anders Åstrand för hans stöttning och hjälp med detta arbete.

Umeå, Maj, 2018 Robin Vestner

”Success is a journey, not a destination.

ORDLISTA

ARGQOS Systemets namn som är en akronym för: _{Absolicon Robotized Geometrical Quantification Ocular System}

OU Kamerahusets namn (Ocular Unit)

OCCU Centraldatorns namn (Ocular Control Central Unit)

Fokalpunkt Punkt i rymden där parallella ljusstrålar efter reflektionen _{sammanträffar mot receiverröret.}

Fokallängd Längden från trågets centrum till fokalpunkten.

Tråg Parabel med reflektor där ljuset reflekteras in mot receiverröret i _{fokalpunkten. Solfångarens kropp.}

Receiverrör Rör i fokalpunkten där ett medium upphettas och transporteras i _systemet.

NOMENKLATURLISTA

Tecken Beskrivning

ϴ Infallande vinkeln hos kameran som reflekteras i tråget till övre _{eller undre kanten på receiverröret.} η _{Trågets normalvinkel i reflektionspunkten.}

β _{Reflektionsvinkeln från normalen och infallsvinkeln} α Vinkeln som bildas mellan reflektionspunkten i tråget och

receiverrörets centrum.

Γ Vinkeln på den rätvinkliga triangeln som bildas mellan reflektionspunkten, receiverrörets centrum samt under eller övre kanten av röret.

λ Summan av vinklarna Γ och α vid reflektion som träffar övre kanten på röret och differansen mellan dem vid reflektion som ger träff på undre röret.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

1.

INLEDNING

... 14

1.1 BAKGRUND

... 14

1.2 SYFTE

... 14

1.3

MÅL

... 15

1.4 AVGRÄNSNING

... 15

2. ARGQOS

... 16

2.1

INTRODUKTION

... 16

3.

TEORI

... 18

3.1

MATTEMATISK MODELL

... 18

3.1 / 1

BESTÄMMA GODTYCKLIG PUNKT I TRE DIMENSIONER

... 19

3.1 / 2

BESTÄMMA PUNKTENS LUTNING ÖVRE KANT

... 24

3.1 / 3

BESTÄMMA PUNKTENS LUTNING NEDRE KANT

... 26

4.

METOD OCH GENOMFÖRANDE

... 29

4.1

KAMERAHUS HÅRDVARA

... 29

4.1 / 1

KAMERAHUS LOCK

... 29

4.1 / 2

KAMERAHUS BOTTENDEL

... 30

4.1 / 3

PLEXIGLASSTAV

... 31

4.1 / 4

ELEKTRONIK OCH KOPPLING

... 32

4.1 / 5

FÄRDIG CAD-MODELL

... 34

4.1 / 6

FÄRDIGT KAMERAHUS

... 35

4.2

KAMERAHUS MJUKVARA

... 36

4.2 / 1

WATCHPANDA.PY

... 36

4.2 / 2

ANALYZE_NET.PY

... 36

4.2 / 2

1. ALGORITM KANTIGENKÄNNING

... 37

4.2 / 2 2. KOMMUNIKATION TILL CENTRALDATOR VIA MQTT

... 38

4.2 / 2

3. LED-KOMMUNIKATION

... 39

4.2 / 3

NTP TIDSSERVER

... 39

4.3

OU TESTER OCH VALIDERING

... 39

4.3 / 1

TEST 1

... 39

4.3 / 2

TEST 2

... 39

4.3 / 3

TEST 3

... 40

5.

RESULTAT

... 42

5.1

RESULTAT TEST 1

... 42

5.2

RESULTAT TEST 2

... 42

5.3

RESULTAT TEST 3

... 42

5.4

RESULTAT TEST 4

... 48

6

DISKUSSION

... 54

6.1 HÅRDVARA

... 54

6.2

MJUKVARA

... 55

6.3

RESULTAT

... 56

6.4

FELKÄLLOR

... 56

7.

SLUTSATS

... 57

8.

FORTSATT ARBETE

... 58

9.

LITTERATURFÖRTECKNING

... 59

BILAGOR

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 Logotypen för projektet ARGQOS... 16

Figur 2 Schematisk bild på mätriggen... 17

Figur 3 Schematisk uppställning för ett paraboliskt solfångartråg... 18

Figur 4 Redovisar schematisk bild på kamerans synfält ... 19

Figur 5 De två olika fallen som uppstår beroende på infallande ljusets vinkel... 19

Figur 6 Schematisk bild över den observerade kanten i bilden i kameran... 20

Figur 7 Solfångarens parabel och en rät linje som skär varandra vid en godtycklig punkt ... 21

Figur 8 Schematisk bild över kamerans position i tråget... 22

Figur 9 Schematisk skiss över infallande stråles vinkel i z-led... 22

Figur 10 Den rätvinkliga triangel som bildas av kamerans position i tråget... 23

Figur 11 Skiss över de vinklar som behövs för att kunna beräkna η för övre reflekterad kant... 24

Figur 12 Rätvinklig triangel som bildas av vinkeln α i reflektionspunkten... 24

Figur 13 Strålgången från den observerade punkten i tråget som tangerar det övre receiverrörets kant ... 25

Figur 14 Skiss över de vinklar som behövs för att kunna beräkna η för nedre reflekterad kant... 26

Figur 15 Strålgången från den observerade punkten i tråget som tangerar det nedre receiverrörets kant... 26

Figur 16 Schematisk bild över strålgången i kameran i kameran för fall A och B... 28

Figur 17 Schematisk bild över de närliggande punkterna i tråget som plåtens normalvinkel beräknas från... 28

Figur 18 Tillverkarens ritning för håltagning som behöver göras för att montera chassikontakten... 29

Figur 19 Tillverkarens ritning för håltagning och montering av 3-polig chassikontakt... 30

Figur 20 Måtten och dimensionerna på Raspberry Pi kameramodul V2... 30

Figur 21 Raspberry Pi modell 3 B dimensioner... 31

Figur 22 2D bild av plexiglasstaven från sidan där strålgången från ledbelysningen... 32

Figur 23 Omvandlarens från TE Connectivitys kopplingsschema... 32

Figur 24 Positiv och negativ anslutning på LED-belysning... 33

Figur 25 Koppling av LED-belysning till datorn för styrning av belysning... 33

Figur 26 Färdiga CAD-modellen av kamerahuset sett från sidan... 34

Figur 29 Det färdiga kamerahuset sett underifrån... 35

Figur 30 Servoarmen i mätriggens rörelse över solfångaren...... 40

Figur 31 Schematisk bild på linjelaser vinkelrätt över solfångare.... 41

Figur 32 Linjelaserns rörelse över solfångartråget i x- och z-led... 41

Figur 33 Densitetsgraf över totala träffar för ϴA i tråget för Test 3... 43

Figur 34 Densitetsgraf över antalet träffar för ϴA i tråget för Test 3... 44

Figur 35 Densitetsgraf över totala träffar för ϴB i tråget för Test 3... 45

Figur 36 Densitetsgraf över antalet träffar för ϴB i tråget för Test 3... 46

Figur 37 Status på solfångarens tråg i Test 3... 47

Figur 38 Densitetsgraf över totala träffar för ϴA i tråget för Test 4... 49

Figur 39 Densitetsgraf över antalet träffar för ϴA i tråget för Test 4... 50

Figur 40 Densitetsgraf över totala träffar för ϴB i tråget för Test 4... 51

Figur 41 Densitetsgraf över antalet träffar för ϴB i tråget för Test 4... 52

Figur 42 Status på solfångarens tråg i Test 4... 53

TABELLER

Tabell 1 Det unika namnet på kameraenheterna och deras IP-adress i systemet ... 38

Tabell 2 De olika topics och messages som används för att styra kameran med hjälp av MQTT... 38

Tabell 3 Tabell över LED-kommunikationen till operatören... 39

1.

INLEDNING

Denna rapport är ett resultat av ett examensarbete som utförts inom civilingenjör i energiteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har genomförts med samarbete av Absolicon Solar Collector AB i Härnösand. Avsnittet nedan beskriver arbetets bakgrund, mål, syfte och avgränsningar.

1.1

BAKGRUND

För att klara den globala uppvärmningen och klimathotet som världen står inför idag har FN beslutat att begränsa temperaturökningen till två grader. Detta gjordes i Paris 2015 där ett klimatavtal slöts som börjar gälla 2020. I avtalet finns det det bland annat reglerat EU:s klimat- och miljömål för att minska energianvändningen med 20% och minska växthusgaserna med 20%. Dessutom att förnybara energikällor ska stå för 20% av energianvändningen i jämförelse med 1990. [1]

Absolicon Solar Collectors AB är ett svenskt företag med huvudkontor i Härnösand som installerar och utvecklar koncentrerande paraboliska solfångare. Företaget besitter unik teknik och kompetens som grundar sig i över 20 års forskning [2]. En befintlig produkt är installerad i flera länder och producerar värme, kyla samt elektricitet. Vid senare år har Absolicon

utvecklat en ny termisk solfångare vid benämning T160 som utmärker sig för sin världsledande prestanda för små koncentrerande paraboliska solfångare [3]. Denna solfångare är anpassad för massproduktion och installationer på stora solfångarfält. Parallellt med detta så har det utvecklats en fullskalig produktionslina till denna solfångare, och en första produktionslina har sålts till Kina, (Sichuanprovins) och beräknas vara i drift i början av 2018.

Absolicons solfångare arbetar med en solföljande parabolisk reflektor som koncentrerar infallande solljus mot en receiver i trågets fokus. För att optimera prestandan på solfångarna krävs det då att den geometriska formen på parabeln inte har en alltför stor differens mot den teoretiska. Vid nytillverkning av koncentrerande solfångare är det svårt att bestämma den faktiska optiska verkningsgraden för varje enskild solfångare då man inte vet exakt formen på tråget. Detta gör det svårt att kvalitetssäkra och uppfylla kraven som tillverkaren har på solfångarna.

För att kunna kvalitetssäkra solfångarna har Absolicon börjat undersöka möjligheten att

bestämma den geometriska formen på tråget. Detta genom att ha kameror riktad rakt ner i tråget och filma reflektionen av receiverröret. Projektet har fått namnet ARGQOS vilket är en akronym för Absolicon Robotized Quantification Ocular System. Metoden för att detektera receiverröret med hjälp av kameror har testats i laborationsmiljö utan något utvecklat system samt att metoden inte kunnat valideras. Vidare utveckling behövs för att kunna användas i industriell miljö samt för att validera metoden.

1.2 SYFTE

1.3

MÅL

I projektet skall kameraenheten med beteckningen Ocular Unit, (OU), i projekt ARGQOS utvecklas och målet för projektet är följande.

1.

Konstruera och programmera OU som använder kantigenkännande algoritmer och kan rapportera mätresultat och viktig information till en centraldator över Message Queuing Telemetry Transport, (MQTT).

2.

Designa och konstruera ett kamerahus som kan användas i industriell miljö med LED-indikatorer för att kommunicera sitt driftläge till operatören.

3.

Tillverkning av åtta stycken kamerahus för användning i systemet AQRGQOS

4.

Validering av systemet för korrekt igenkänning av reflekterade kanter på solfångarens receiverrör, LED-indikation samt kommunikation mellan kamerahuset OU och

centraldator.

1.4

AVGRÄNSNING

2. ARGQOS

Detta kapitel ger en introduktion till vad systemet ARGQOS är för något, dess viktigaste komponenter, hur det fungerar och hur systemet är tänkt till att användas.

2.1

INTRODUKTION

ARGQOS är namnet på Absolicons Solar Collectors system som skall användas som en snabb kvalitetssäkring av nytillverkade koncentrerande solfångare. Namnet ARGQOS är en akronym för Absolicon Robotized Geometrical Quantification System.

Se figur 1 för logotypen på systemet

Figur 1: Logotypen för projektet ARGQOS där ögonen symboliserar kameran i kamerahusen som ska detektera alla fel i formen på tråget.

Namnet som givits systemet härstammar från grekisk mytologi, där Argus var en jätte med över hundra ögon och ansågs allseende. Samma koncept anammas i systemet där kamerorna ska kunna detektera alla felaktigheter i trågets form. Systemet består i huvudsak av tre delar, kamerahuset OU som är systemets ögon, centraldatorn OCCU som är systemets hjärna och mätriggen som är systemets kropp där OU sitter fastmonterad.

Systemet har implementerats i Absolicons drivlina för tillverkning av koncentrerande solfångare. ARGQOS är sista station där nytillverkade koncentrerade paraboliska solfångare ska

kvalitetstestas och få sin geometriska form och verkningsgrad bedömd. De fungerar genom att en vagn med en färdig nytillverkad solfångare körs in under mätriggen.

Figur 2: Schematisk bild på mätriggen där OU ör fastmonterade för att bedöma den nytillverkade solfångarens kvalitet.

När solfångaren är på korrekt plats lyfter mätriggen upp den koncentrerade solfångaren till en förbestämd höjd. Operatören startar kvalitetskontrollen genom en display placerad i anslutning till mätriggen. När kontrollen startas kalibreras kamerahusen över en kalibreringsskena som är ett svart streck med förbestämd storlek på en vit yta för varje kamera. Efter kalibreringen flyttar servoarmen kamerorna över solfångaren och OU mäter de reflekterande kanterna på receiverröret. Servoarmen rör sig med en konstant hastighet över solfångaren från kant till kant på kortsidan för att sedan röra sig lite längs långsidan för att röra sig från sida till sida igen. Denna svepande rörelse fortsätter över hela tråget.

3.

TEORI

I detta kapitel ges den teori som behövs för att beräkna normalvinkeln för alla godtyckliga punkter i tråget för en koncentrerad solfångare. Detta utifrån en kamera som tar en bild vinkelrät ner mot solfångartråget. Kameran är vriden mot solfångarens kortsida.

3.1

MATTEMATISK MODELL

Den eftersökta storheten är parabelns normalvinkel η, hos solfångaren för en godtycklig punkt. För att kunna mäta formen på hela tråget så kommer ett set med datapunkter att behöva användas och i slutändan kan man använda dessa för att uppskatta den geometriska formen och verkningsgraden hos solfångaren. Den matematiska modellen är uppdelad i två sektioner där den första definierar en godtycklig punkt i xyz-planet och den andra definierar ett uttryck för normalvinkeln η. I figur 3 ser vi en schematisk bild på uppställningen där en kamera i mätroboten är placerad vinkelrät över tråget.

Figur 3: Schematisk uppställning för ett paraboliskt solfångartråg där 1. är kameran i mätroboten placerad vinkelrätt över solfångaren, 2. är tråget och dess reflekterande yta, 3. är glaset som är fäst ovanpå solfångaren. 4. Betecknar receiverröret, 5–7. Visar strålgången i x-led från kameran, A definieras som den övre kanten som reflekteras från en godtycklig punkt på receiverröret och B som den undre kanten.

Figur 4: Redovisar kamerans synfält från figur 3 (där storleken på kamerans synfält avgörs av upplösningen på kameran) där 5. Är den vänstra gränsen, 6. mitten av receiveröret och 7. kamerans högra kant i x-led. Avståndet från kanten till 6. är halva kamerans upplösning och kommer fortsättningsvis att benämnas som res/2. A och B definieras enligt tidigare som den övre och undre reflekterande kanten på receiverröret från den godtyckliga punkten. z-led går längs med röret i bilden. Upplösningen och kamerans synfält är kända och fördefinierade i storlek.

3.1 / 1 BESTÄMMA GODTYCKLIG PUNKT I TRE DIMENSIONER

Innan sambandet för η definieras så kommer sambandet för alla godtyckliga punkter längs receiverrörets kanter i kamerans synfält definieras. Detta för en kamera i en känd godtycklig plats i tråget. Det som söks är förhållandet mellan kamerans synfält de tre koordinaterna (x, y, z) i tråget. Figur 5 ger en schematisk bild för en godtycklig punkt i tråget för de olika vinklarna som används för att uträkningen av plåtens normalvinkel η för fall A och B.

Figur 5: De två olika fallen som uppstår beroende på infallande ljusets vinkel. Fall A ger träff på det övre receiverrörets kant och Fall B ger träff på det undre receiverrörets kant.

Figur 5 ger en sammanställning av de vinklar som är av intresse vid uträkning av trågets

normalvinkel η. Infallande strålgång är från mätroboten där kameran sitter. Cirkeln representerar solfångarens receiverrör.

ϴ är den infallande strålgången från receiverörets kant in i kameran, β är reflektionsvinkeln från normalen η och infallsvinkeln. α är den vinkel som bildas mellan reflektionspunkten i tråget och receiverrörets centrum.

Γ är vinkeln på den rätvinkliga triangel som bildas mellan reflektionspunkten, receiverrörets centrum samt kanten av röret. För fall A i figur 5 är λ summan av α och Γ, och för fall B är λ differensen mellan α och Γ.

Parabeln för solfångaren definieras och beräknas enligt ekvationen

(1)

där y är höjden över solfångarens botten, x är avståndets från solfångarens mitt och f är

solfångarens fokallängd. ϴ definieras som den infallande vinkeln från rörets kant som observeras i bilden i kameran och härleds från kamerans kända synfält samt upplösning enligt figur 6

Figur 6: Schematisk bild över den observerade kanten i bilden i kameran, samt vinkeln θ och halva kamerans synfältsvinkel φ. Höjden h är okänd men har ej betydelse vid beräkningarna, res representerar kamerans upplösning för gällande synfält. A Och B är definierat tidigare som den övre och undre kanten på receiverröret och 7 som kamerans högra synfältskant. Ekvationerna för trianglarna definieras enligt

(2)

(3)

Genom att dividera ekvation 3 med 2 ges ekvationen

(4)

I figur 6 är θ definierad från den vertikala axeln, men i beräkningarna hädanefter är vinklarna definierade från den horisontella axeln, varför π

2 − θ används istället. För att hitta en godtycklig

punkt i parabeln där den infallande strålen skär ges en parabel och en rät linje, som för samma x-värde ska ha samma y-värde. Se figur 7.

Figur 7: Solfångarens parabel och en rät linje som skär varandra vid en godtycklig punkt när både x, y

värdet för både parabeln och den räta linjen har samma värde.

De två ekvationerna för parabeln och den räta linjen ges nedan (6)

(7)

Där k = tan �π_{2 − θ}� , och m har ett beroende på kamerans position i x-led och y-led. Det ger att

(8)

Med kameran positionerad i centrum av tråget då x = 0 ges uttrycket för skärningspunkten av ekvationen

(9)

Där

x

02

4f = kx

0

+ (y

kamera

− kx

kamera och

)

x

02

4f = kx

0

+ (y

kamera är kamerans position i förhållande till trågets botten och mitt där k är

− kx

kamera

)

linjens lutning. För positionen x0 sätts ekvation 6 och 7 lika med varandra och ger ekvationen (10)

Vilket resulterar i en andragradsekvation där x0 löses ut till

Beroende på vart i tråget kameran befinner sig i x-axeln kommer antingen den positiva eller negativa roten vara aktuell. Positionen i tråget är således �x0,x0

2

4f�. Med detta har vi ett uttryck för

alla godtyckliga punkter längs x axeln.

För att kunna söka punkter längs med tråget i z-axeln och inte bara i en dimension i x-axeln behövs några antaganden. Dessa är att parabelns höjd är konstant längs z-axeln samt att allt är ortogonalt perfekt. Med dessa antaganden kan punkters position hittas längs z-axeln, den sökta punkten samt punkten med samma z-position som kameran tillsammans bildar en rätvinklig triangel. I figur 8 visas en schematisk skiss över dess relativa positioner i tråget.

Figur 8: Schematisk bild över kamerans position i tråget, med punkten J som har samma position i z-led som den sökta punkten K som är förskjuten i z-led. x-axeln är definierad som tvärsgående över solfångaren, y-axeln höjden över trågets botten och z-axeln längs med tråget.

En punkt förskjuten i z-led kommer ha samma position i höjdled som en motsvarande punkt som ej är förskjuten. Samma metod för att härleda θ utgås ifrån, men med annat synfält och upplösning då höjdleden tittas på i kamerans bild. På analogt sätt sen tidigare i figur 6 fast denna gång söks vinkeln ρ för den infallande vinkeln i z-led, där utgångspunkten visas i figur 9.

Figur 9: Schematisk skiss över infallande stråles vinkel i z-led. φ är halva vertikala synfältsvinkeln och res är upplösningen i vertikalt led.

På samma sätt som θ togs fram tidigare tas ρ fram, vilket resulterar i ekvationen (12)

ρ = tan

−1

_�

z ∙ tanφ

res

2

För att därefter kunna finna positionen behövs avståndet mellan kameran och punkten i tråget med samma z-position. Vilket enligt Pythagoras sats för rätvinklig triangel ger ekvationen

(13)

Vilket ger förhållandet som visas i figur 10

Figur 10: Den rätvinkliga triangel som bildas av kamerans position, punkten i tråget med samma z-position som kameran, samt den sökta punkten i tråget med förskjuten z-position. Punkt J har här positionen i tre dimensioner �𝑥𝑥𝑥𝑥0,𝑥𝑥𝑥𝑥0

2

4𝑓𝑓𝑓𝑓 , 𝑧𝑧𝑧𝑧 = 0� och punkt K har positionen �𝑥𝑥𝑥𝑥0,𝑥𝑥𝑥𝑥0 2

4𝑓𝑓𝑓𝑓 , 𝑧𝑧𝑧𝑧0� , där z0 är den sökta punktens z-position.

Detta ger ekvationen för

z

₀

= tan(ρ) ∙ d

(14)

Detta ger slutligen ett uttryck för alla godtyckliga punkters position i tre dimensioner i solfångaren.

(15) d = �(xkamera− x0)2+ �ykamera− �x0

2

4f��

2

z

0

= tan(ρ) ∙ d

3.1 / 2

BESTÄMMA PUNKTENS LUTNING ÖVRE KANT

Det som återstår nu är att bestämma plåtens lutning för den godtyckliga punkten som observeras i kameran. Figur 11 används som utgångsläge

Figur 11: Skiss över de vinklar och positioner som behövs för att kunna beräkna η. Här är f som definierats tidigare fokallängden hos solfångaren och D är avståndet i x-led mellan den observerade punkten i tråget och mitten på tråget. Ekvationen 𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝑥𝑥𝑥𝑥_{4𝑓𝑓𝑓𝑓}02 benämner skillnaden i y-led mellan punkten i tråget och receiverrörets mitt, 𝑓𝑓𝑓𝑓 − är känt sen tidigare. _{4𝑓𝑓𝑓𝑓}𝑥𝑥𝑥𝑥02

Målet är att hitta ett uttryck för vinkeln η. Vinkeln α definieras först med hjälp av sambandet av den rätvinkliga triangel från figur 11 vilket illustreras i figur 12.

Figur 12: Rätvinklig triangel som bildas av vinkeln α. L är definierat som avståndet mellan den observerade punkten i tråget och receiverrörets mitt, x0 är avståndet mellan punkten och

trågets mitt i x-led. Avstånden är projicerade på xy-planet, där avståndet i z-led ej räknas med. Detta ger ett uttryck för α som följer

För samma triangel kan även en ekvation för hypotenusan L ges av

(17)

För att bestämma Γ antas en linje från den observerade punkten i solfångaren som tangerar rörets övre kant enligt figur 13.

Figur 13: Strålgången från den observerade punkten i tråget som tangerar det övre receiverrörets kant samt linjen som utför hypotenusan i figur 11 och Γ är vinkeln mellan dessa två linjer. Tillsammans med en linje från receiverrörets mitt ut till punkten där linjen tangerar receiverrörets kant bildas en rätvinklig triangel. Där r definieras som halva receiverrörets diameter.

Från relationerna i figur 13 fås ekvationen för Γ på analogt sätt i figur 12 (18)

Då vinklar är additiva fås uttrycket för λ av figur 11 enligt (19)

Vinkeln som därefter söks är β, vilket är vinkeln mellan plåtens normal och infallande stråle. Figur 11 ger relationen

(20)

Där β bryts ut och ger uttrycket

Figur 11 ger även relationen för η

(22)

Genom att kombinera ekvationerna 20 med 22 kan η brytas ut. Vilket slutligen leder till uttrycket för plåtens normalvinkel relativt horisontalplanet för punkten som observeras.

(23)

3.1 / 3 BESTÄMMA PUNKTENS LUTNING NEDRE KANT

Som nämnts tidigare så gäller detta för Fall A, Fall B kan härledas på analogt sätt med små skillnader. Figur 14 används som utgångsläge i Fall B.

Figur 14: Skiss över de vinklar och positioner som behövs för att kunna beräkna η. Här är f som definierats tidigare fokallängden hos solfångaren och x0 är avståndet i x-led mellan den observerade punkten i tråget och mitten på tråget. Ekvationen 𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝑥𝑥𝑥𝑥_{4𝑓𝑓𝑓𝑓}02 benämner skillnaden i

y-led mellan punkten i tråget och receiverrörets mitt.

α, L definieras på samma sätt som i Fall A enligt ekvation 16 och 17 då de har samma

förhållande till den rätvinkliga triangeln i båda fallen. För att bestämma Γ antas en linje från den observerade punkten i solfångaren som tangerar rörets nedre kant enligt figur 15.

Figur 15: Strålgången från den observerade punkten i tråget som tangerar det nedre receiverrörets kant samt linjen som utför hypotenusan i figur 14 och Γ är vinkeln mellan dessa två linjer. Tillsammans med en linje från receiverrörets mitt ut till punkten där linjen tangerar

π

2 = θ + β + η

Från relationerna i figur 15 fås ekvationen för Γ på analogt sätt i figur 13 (24)

Då vinklar är additiva fås uttrycket för λ av figur 14 enligt (25)

Vinkeln som söks därefter är β som definieras på samma sätt som i Fall A, och figur 14 ger relationen (26)

Där β bryts ut och ger uttrycket

(27)

Figur 14 ger även relationen för η

(28)

Genom att kombinera ekvationerna 26 med 28 kan η brytas ut. Vilket slutligen leder till uttrycket för plåtvinkelns normal relativt horisontalplanet för punkten som observeras.

(29)

Plåtvinkelsnormal η för fall A och fall B som fås ut motsvarar två närliggande punkter i tråget som syns på samma bild i kameran. Se figur 16 för schematisk bild över strålgången från kameran som reflekteras i tråget och träffar receiverrörets övre och undre kant.

Figur 16: Schematisk bild över strålgången i kameran i kameran för fall A och B som reflekteras i övre och undre receiverrörets kant och från vilka plåtens normalvinkel beräknas.

Figur 17 ger en annan vinkel över Fall A och B där de två reflekterade punkterna beräknas från.

Figur 17: Schematisk bild över de närliggande punkterna i tråget som plåtens normalvinkel beräknas från.

A

B

𝜂𝜂𝜂𝜂𝐴𝐴𝐴𝐴

4.

METOD OCH GENOMFÖRANDE

I detta kapitel behandlas konstruktionen av kamerahuset samt de mekaniska och elektriska delar som ingår i kamerahusets hårdvara. Eftersom de inte fanns en färdig modell på kamerahusets utseende så har designen och konstruktionen till stor del valts själv. Ett indirekt mål är göra designen och konstruktionen estetiskt tilltalande. I senare del kommer mjukvarans funktion att beskrivas. Under stycket tester kommer testerna att beskrivas för att testa kamerahusets funktion.

4.1

KAMERAHUS HÅRDVARA

I denna sektion av metoden så kommer hårdvarans design och konstruktion att behandlas. Samt elektroniken som valdes och alla krav som ställs på kamerahuset för att kunna monteras på mätriggen. En färdig CAD-ritning av kamerahuset kommer produceras i online CAD-programmet Onshape. Den färdiga ritningen kommer sedan att CNC-svarvas och användas för montering av elektronik och övriga komponenter.

4.1 / 1 KAMERAHUS LOCK

Locket på kamerahuset kommer svarvas ut av en cylinder i aluminium. Locket som ska vara till kamerahuset har en del krav på sig för att uppnå den tänkta funktionen. Den yttre diametern på locket valdes till 154 mm för att passa kamerahusets bottendel och vara säker på att upphängningen i bottendelen har tillräckligt med utrymme. Tjockleken på locket valdes till 15 mm. På locket kommer chassikontakten för internetkabeln att sitta för kommunikation med centraldatorn OCCU via MQTT. Chassikontakten som valdes är RJ45 chassikontakt från Cliff med modellnummer CP30220SX. Se figur 18 för att se hålen som behöver göras från tillverkarens datablad. [4]

Figur 18: Tillverkarens ritning för håltagning som behöver göras för att montera chassikontakten på locket där de

röda områdena denoterar hålen.

Figur 19: Tillverkarens ritning för håltagning och montering av 3-polig chassikontakt.

Där ”Panel cutout” är den storlek på hålet man behöver göra i locket. Eftersom chassikontakten fästs med en mutter vars yttre diameter är 18 mm. Eftersom detta är större än hålet för ”Panel cutout” kommer en förstorning göras på undersidan av locket för att kunna fästa muttern. Storleken kommer vara 30 mm i diameter och 12 mm djup.

I mitten av locket kommer LED-belysningen att sitta i form av en LED-ring. LED-belysningen tillverkas av Adafruit med modellnummer 2050004689655. Måtten på LED-ringen är 44,5 mm i yttre diameter och 6,7 mm hög. [6] För att den ska få plats kommer måtten att ökas lite och ett hål i botten av locket på 10 mm i diameter kommer göras för att kunna dra kablar till LED-ringen. Ovanpå LED-ringen kommer en stav av plexiglas vara placerad. För detta valdes ett hål med 49 mm i diameter och 7 mm djupt som placeras i centrum av locket för att kunna placera plexiglasstaven rakt ovanför LED-ringen utan att komma i kontakt med den. Se Bilaga 1 för den färdiga CAD-ritningen av locket utifrån dessa krav och parametrar.

4.1 / 2 KAMERAHUS BOTTENDEL

Bottendelen kommer svarvas ut från en cylinder i aluminium. Den yttre diametern på botten är 178 mm och höjden är 63 mm vilket kommer vara den totala höjden av kamerahuset utan plexiglasstaven. Detta mått var förbestämt av Absolicon då de fanns färdigt material att svarva av för en aluminiumcylinder med en diameter på 178 mm, och höjden för kamerans exakta höjd över solfångaren monterad på mätriggen. För att locket ska passa bottendelen krävs en infällning på 154 mm i diameter och ett djup på 7 mm. För att alla komponenter och kablar ska få plats i den krävs det att bottendelen är ihålig. Den inre diametern på bottendelen är 138 mm. Bottendelen av kamerahuset ska monteras i mätriggen med tre stycken muttrar av storleken M6 på avstånd 83mm från centrum med ekvivalent avstånd från varandra. Godstjockleken på botten är 5 mm.

I centrum på botten av kamerahuset kommer kameran sitta och måtten för kameran kan ses i figur 20. [7]

Kamerans lins är en kvadrat på 8 mm som är det röda området i figur 20. För att vara säker på att kameran ska få plats görs ett cirkulärt hål i centrum med en diameter på 12 mm. Fästningen av kameran i kamerahuset kommer vara med fyra skruvar och de kommer placeras i hålen som redan existerar i kameramodulen. I figur 20 syns storleken på hålen samt avstånd. På grund av den minsta gängstaven på företaget är M2,5 så kommer hålen på kameramodulen att borras upp till 2,5 mm och storleken och modellen på skruv kommer vara M2,5. För att kameramodulen inte ska ha kontakt med kamerahusets aluminiumbotten så kommer plastdistanser att placeras mellan botten och kameramodulen samt mellan huvudet på skruven och kameramodulen.

I bottendelen ska även datorn som är en Raspberry Pi modell 3 B fästas. Eftersom kameramodulen sitter i mitten kommer inte datorn få plats och därför kommer distanser användas för att höja datorn och sätta den ovanför kameramodulen. Distanserna har gängor för fäste av storlek M2,5. Distanserna som används tillverkas av Raspberry Pi med modellnummer RPI MOUNTINGKIT2. För att veta avståndet mellan dessa gängor så används figur 21. [8]

Figur 21: Raspberry Pi modell 3 B dimensioner för de olika avstånden för de olika komponenterna och hålen visas.

Det rödmarkerade områdena är monteringshålen.

Eftersom internetkabeln kommer anslutas till baksidan av datorn och strömkabeln på vänster sida så kommer positionen av datorn att förskjutas fram och lite åt höger för att vara säker på att kablarna kommer få plats. Se Bilaga 2 för den färdiga CAD-ritningen av bottendelen på kamerahuset.

4.1 / 3 PLEXIGLASSTAV

Plexiglasstavens funktion är att sprida ljuset från ledbelysningen så de ska vara lättare för operatören att se ljuset från kamerahuset. För att ljuset ska kunna reflekteras från plexiglaset kräver det att ytan är matt och det finns en vinkel att reflekteras mot. Vinkeln som valdes var 45 o. Se figur 22 för strålgången från ledbelysningen genom plexiglasstaven.

Figur 22: 2D bild av plexiglasstaven från sidan där strålgången från ledbelysningen nedanför plexiglasstaven rör sig genom plexiglaset och reflekteras mot matta sidan

För att uppnå den effekten så används en borr i toppen som har en diameter så nära 50 mm som möjligt med en vinkel på 45o_{. Eftersom de inte fanns fick det borras i två etapper med två}

olika borrar för att få den önskade effekten. Den färdiga ritningen på plexiglasstaven kan hittas i Bilaga 3.

4.1 / 4 ELEKTRONIK OCH KOPPLING

Spänningen som levereras till kamerahuset är på 24V likspänning vilket är industristandard. Den levereras genom en 3-polig kontakt på locket. Polerna är positiv, negativ och jord där jorden kopplas till locket. Datorn och LED-belysningen drivs av en spänning på 5V vardera. [9] [6]. För att få ner spänningen från 24 V till 5 V krävs en spänningsomvandlare för att sänka likspänningen från 24 V till 5 V. Dessutom så kommer omvandlaren säkerhetsställa att de finns tillräckligt med ström för att driva datorn och LED-belysningen. Datorn har en strömförbrukning upp till 2,5 A vilket är densamma som standardströmadaptern som rekommenderas. LED-belysningen drar upp till 0,9 A. Utöver detta så ska omvandlaren vara isolerad då den kommer vara placerad på kamerahusets botten av aluminium. Omvandlaren som väljs för att klara dessa krav är av märket Traco Power och har modellnumret THN 15-2411WI. För att se en komplett lista över alla komponenter och delar i kamerahuset se Bilaga 4.

Från den 3-poliga kontakten löds kabel fast från den positiva och negativa polen till

omvandlaren. Kabeln som används är mörkblå och har en dimension på 0,75 mm2. För att inte kabeln med lödtenn ska vara helt öppen i kamerahuset används en gul isolerande krympslang som omsluter kabeln där lödningen har skett. Krympslangen som valdes är tillverkad av TE Connectivity med modellnummer RNF-3000-3/1-4-STK. För att veta hur kablarna ska lödas på omvandlaren används tillverkarens datablad för den modellen. Se figur 23 för omvandlarens kopplingsschema. [10]

Figur 23: Omvandlarens från TE Connectivitys kopplingsschema. Där de röda områdena är det som används till kamerahuset.

Från omvandlaren ska strömmen till LED-belysningen och datorn. Strömuttaget till datorn är av form micro USB. Till detta valdes kabeln av märket Valueline med modellnummer VLCP60500B05. Denna kabel klipptes av och den positiva samt negativa kabeln skalades fram och kopplades samman med pin 3 och 5 på omvandlaren. För att driva LED-belysningen löddes anslutning till LED-belysningens positiva poler från pin 3 och 5 på omvandlaren. Se figur 24 för vart anslutningarna på LED-belysningen löddes.

Figur 24: Positiv och negativ anslutning på LED-belysning som markeras med röd cirkel. Modifierad och hämtad från [11].

För att kunna styra LED-belysningen från datorn löddes anslutningar från LED-belysningen till datorn enligt figur 25.

Figur 25: Koppling av LED-belysning till datorn för styrning av belysning. Bilden är modifierad och hämtad från [12].

4.1 / 5 FÄRDIG CAD-MODELL

I figur 26 visas den färdiga CAD-modellen som består av kamerahusets lock, botten samt plexiglasstav. Även hålen för chassikontakterna syns samt M6 gängorna för upphängning i mätriggen

Figur 26: Färdiga CAD-modellen av kamerahuset sett från sidan med plexiglasstaven placerad på locket.

Och undersidan av CAD-modellen ser ut enligt figur 27.

Figur 27: Färdiga CAD-modellen av kamerahuset sett från undersidan.

4.1 / 6 FÄRDIGT KAMERAHUS

I figur 28 visas de färdiga monterade kamerahuset med bottendel, lock och plexiglasstav samt chassikontakterna.

Figur 28: Det färdiga kamerahuset sett snett uppifrån med chassikontakterna monterade och plexiglasstaven placerad på locket.

I kamerahuset finns all elektronik monterad och undersidan av kamerahuset ser ut enligt figur 29.

4.2

KAMERAHUS MJUKVARA

I detta avsnitt kommer mjukvaran i kamerahuset behandlas som tagits fram samt beskrivning av programmen och programmens funktioner. I senare stycket behandlas MQTT som är ett TCP/IP protokoll för att föra över information via wifi eller internetkabel. Operativsystemet på Raspberry Pi 3 modell B som används är Rasbian Jessie 8 och mjukvaran är programmerad i kodspråket Python version 2.7.7 samt bash script i linuxmiljö.

4.2 / 1 WATCHPANDA.PY

Eftersom applikationen är tänkt att användas i industriell miljö och datorn inte kommer vara uppkopplad på en skärm är det av yttersta vikt att se till programmet för kantdetekteringen och kommunikationen med centraldatorn OCCU alltid körs. Och om de skulle krascha att det finns en autostartfunktion. Detta kodades till ett bash script vid namn watchpanda.

Watchpanda är ett bash script som varje minut startas i sudo crontab på Raspberry Pi. Den kollar aktiva processer och tittar om pythonscriptet analyze_net.py körs. Detta görs med kommandot ps ax | grep [a]nalyse_net.py. Om de körs så returneras strängen ”happy panda” till en log fil och om pythonscriptet inte finns med under aktiva processer så startar watchpanda scriptet analyze_net.py och returnerar strängen ”sad panda”.

4.2 / 2 ANALYZE_NET.PY

Analyze_net.py är huvudscriptet i kamerahuset och har hand om filmningen av tråget, kantigenkänningen från videoströmmen, kommunikationen med centraldatorn via MQTT samt LED-kommunikationen med operatören. Scriptet skickar en csv fil på begäran till centraldatorn innehållande tidsstämpel och position för kantdetektering för övre och nedre kanten som detekterats. Programbiblioteken som har importerats för scriptet är följande

• paho.mqtt.client • paho.mqtt.publish • time • threading • cv2 • math • imutils.video.pivideostream • picamera.array • picamera • imultis • numpy • logging • thread • datetime • csv • sys • os • logging • singleton • neopixel

där varje bibliotek har en mer eller mindre viktig del för programmets funktion. Ett programmeringsbibliotek är ett paket som innehållet färdiga funktioner man kan använda genom att anropa biblioteket. Paho.mqtt.client och paho.mqtt.publish används för

4.2 / 2

1.

ALGORITM KANTIGENKÄNNING

För att kunna bestämma normalvinklen behöver kanterna på det reflekterade receiverröret hittas vilket härleds och ger en djupare förklaring kapitel 3; Teori. För att kameran ska kunna detektera vart kanterna på receiverröret är behöver bilden behandlas. Stor nytta har dragits av OpenCV-biblioteket (cv2) där många användbara funktioner för bildhantering finns. Nedan följer algoritmen som används för kantigenkänningen.

1. Läs in nuvarande bild från videoströmmen från pi-kameran. 2. Beskär bilden enligt definierad skanningsbredd.

3. Konvertera färgbilden till gråskala. 4. Utför kontrastutjämning – clabe. 5. Utför GaussianBlur på bilden.

6. Binärisera bilden med funktionen inRange.

7. Utför Dilate på bilden – utökning för att kompensera för förlorade pixlar på objekten. 8. Identifiera konturlinjer i bilden med funktionen findContours.

9. Sortera ut de 10 största konturerna med störst area. 10. Beräkna konturernas moment – centrumpositioner. 11. Spara ner alla konturernas area i en ny lista area[].

12. Justera konturernas centrumpunkter så att nollpunkten räknas från mitten av bilden i horisontellt led.

13. Sortera ut de konturer vars area är större än det definierade gränsvärdet. 14. Om åtminstone en kontur uppfyller kriteriet från punkt 13, utförs följande:

a. Identifiera den kontur vars centrumpunkt är närmast mitten på bilden i horisontalt led. b. Sätt de punkter från den identifierade konturen vars x-position är till vänster om

konturens moment i en ny lista left_edge[].

c. Identifiera de punkter hos konturen som är inom gränsvärdet för varje y-position i bilden genom att loopa genom pixelhöjden 10 - 100 med en steglängd på 5. Om fler än en punkt finns, beräkna dess medelvärde. Spara ner dessa värden i en ny lista L_points[].

d. Om inga punkter hittas inom gränsvärdet, tillskriv värdet [-1, -1] till denna y-position. e. Sätt de punkter från den identifierade konturen vars x-position är till höger om

konturens moment i en ny lista right_edge[].

f. dentifiera de punkter hos konturen som är inom gränsvärdet för varje y-position i bilden genom att loopa genom pixelhöjden 10 - 100 med en steglängd på 5. Om fler än en punkt finns, beräkna dess medelvärde. Spara ner dessa värden i en ny lista R_points[].

g. Om inga punkter hittas inom gränsvärdet, tillskriv värdet [-1, -1] till denna y-position. 15. Om inga konturer hittas i bilden som uppfyller gränsvärdena för arean. Sätt alla positioner

4.2 / 2 2. KOMMUNIKATION TILL CENTRALDATOR VIA MQTT

Kamerahuset kommunicerar mätdata och annan viktig information via Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Det är ett ”publish/subscribe” meddelande protokoll över TCP/ IP. De är anpassat för Internet of Things (IoT) enheter med låg bandbredd, hög latens eller opålitliga nätverk och är ett idiellt protokoll för maskin-till-maskin (M2M) kommunikation. [13] Det består av en central ”broker” som är installerad på centraldatorn OCCU och agerar som en server och ett antal klienter, kamerahusen, som ansluter. Stor nytta har dragits av biblioteken Paho.mqtt.client och paho.mqtt.publish när detta kodades. Anslutningen sker via internetkabel och varje kamerahus har en unik IP-adress och namn som är kopplad till ”brokern” i centraldatorn OCCU.

Tabell 1 visar kamerahusens namn och IP-adress i systemet som valdes.

Tabell 1: Det unika namnet på kameraenheterna och deras IP-adress i systemet.

Namn IP-adress Picam1 192.168.1.101 Picam2 192.168.1.102 Picam3 192.168.1.103 Picam4 192.168.1.104 Picam5 192.168.1.105 Picam6 192.168.1.106 Picam7 192.168.1.107 Picam8 192.168.1.108 Centraldator OCCU 192.168.1.123

MQTT låter klienterna ansluta som ”publisher”, ”subscribe” eller båda. Klienterna ansluter till en ”broker” som hanterar meddelanden. Även brokern kan ”publish” och ”subscribe”.

För att information ska kunna skickas mellan krävs det att broken och klienterna ”subscribe” till speciella ”topics” och skickar meddelanden till dem. I Tabell 2 visas de olika ”topics” och meddelanden ”brokern” i centraldatorn använder för att kommunicera med kameraenheterna.

Tabell 2: De olika topics och messages som används av OCCU för att styra kameran med hjälp av MQTT.

Topic Message Förklaring

control 1 2 3 4 5 6 7 - Starta mätning - Stoppa mätning - Avsluta programmet - Testa LED-belysning - Publicera mätdata - Skicka loggfiler till OCCU - Kontrollera vilka

kameraenheter är uppkopplade.

Topic Message Förklaring

4.2 / 2 3. LED-KOMMUNIKATION

I scriptet finns även LED kommunikationen till operatören kodad. I Tabell 3 ges en beskrivning av de olika LED-färgerna och vad de signalerar.

Tabell 3: Tabell över LED-kommunikationen till operatören

Färg Tid Beskrivning

Gul 3s OU har startat upp

Röd 3s Scriptet analyze_net.py kan inte ansluta till centraldatorn eller om scriptet tappar anslutningen

Grön 3s Scriptet analyze_net.py har anslutet till _{centraldatorn}

Vit - Kalibrering eller mätning pågår. Lyser under _{hela förloppet}

Roterande blå - Scriptet är redo för nytt kommando och befinner sig mellan kalibrering och mätning eller efter mätning och skickade resultat

Roterande Regnbåge - Väntar medan centraldatorn OCCU _{analyserar och beräknar mätningsfilerna}

Roterande Lila 3s Programmet avslutas

4.2 / 3 NTP TIDSSERVER

Då Raspberry 3 model B inte har ett inbyggt batteri för tid så hämtas tiden från internet eller en känd server. Om inte datorn har tillgång till internet finns ingen tillförlitlig källa för att tiden är korrekt. För att vara säker på att tiden är korrekt har en NTP server på centraldatorn upprättats och alla datorer i systemet synkroniserar sin tid mot den.

4.3

OU TESTER OCH VALIDERING

Nedan beskrivs de uppställningar och tester som har gjorts med OU för att testa

funktionaliteten hos kamerahusen och mjukvaran. Dessutom för valideringen av denna metod.

4.3 / 1 TEST 1

Syftet med detta test är att undersöka hårdvaran och elektroniken fungerar som tänkt. Först har kabelanslutningarna testats med multimeter för att se att el-schemat i Bilaga 5 följs och att alla kablar är rätt dragna. Sedan har systemet strömsatts och testats så att omvandlaren ger rätt spänning, datorn startar upp på ett korrekt sätt, kameran fungerar samt att LED-belysningen fungerar korrekt.

4.3 / 2 TEST 2

korrekt på publicerade flaggor. Då detta är en industriapplikation så kommer testet att köras otaliga gånger för att säkerställa att inga buggar finns och att de är repeterbart. Detta gjordes också för att testa kamerans förmåga att detektera kanter.

Uppställningen gjordes genom att placera kameran rakt ovanför ett vitt papper med ett tjockt svart streck och därefter gjordes ett testschema som baseras på flödesschemat som är bestämt för systemet som kan hittas i Bilaga 6.

Testschemat delades upp i två delar. Den första delen med en kortare mättid för att testa kommunikationen och funktionen på mjukvaran. Den andra delen med tillagd

tidssynkronisering från centraldatorn OCCU och den korrekta mättiden. När den första delen fungerade felfritt så övergick testandet till den andra. Testschemat för de två delarna kan ses i Bilaga 7 och Bilaga 8.

4.3 / 3 TEST 3

Syftet med detta test är att testa OU på en koncentrerade solfångare och se att den kan detektera receiverrörets kanter överallt på solfångaren. Samt infallande strålgången från kameran träffar receiverröret.

Åtta stycken OU har monterats i mätriggen på sina på förhand bestämda platser. Solfångaren hissas upp till en fast plats i mätriggen och vinkelrät mot kamerorna. Mätningen av

solfångartråget följer flödesschemat i Bilaga 6 och testschemat i Bilaga 8 med undantag av mättiden då istället för en fast tid så kommer mätningen att fortskrida till hela tråget har mätts. Först görs en kalibrering mot en kalibreringsskena och sedan startas mätningen där kamerorna förs över solfångaren och varje kamera ansvarar för en egen sektion av solfångaren.

Totalt görs 21 svep över tråget och varje svep tar ca sex sekunder. Rörelsen i Z-led är ca 32 mm per svep. Se figur 30 för servoarmens rörelse över tråget.

4.3 / 4 TEST 4

Syftet med detta test är att validera att själva metoden med kantdetektering för att beräkna normalvinkeln för plåten i tråget fungerar. För att testa detta användes en defekt solfångare där felen uppmättes med laser. Uppställningen för att uppmäta felen hos solfångaren med laser gjordes genom att placera en linjelaser vinkelrätt mot solfångaren mot glaset och låta lasern reflektera i tråget mot receiverröret Se figur 31.

Figur 31: Linjelaser vinkelrätt över solfångare där normalvinkeln på plåten följer ekvationen för parabeln.

Om tråget är utan skador kommer lasern reflekteras mot fokalpunkten där receiverröret befinner sig. Om tråget har en skada eller inte följer ekvationen för parabeln 𝑦𝑦𝑦𝑦 = 𝑥𝑥𝑥𝑥_{4𝑓𝑓𝑓𝑓}2

så kommer fokalpunkten att ändras och lasern kommer antingen reflekteras över eller under receiverröret. Det finns dock en liten tolerans som gör att små avvikelser gör att lasern fortfarande reflekteras mot receiverröret men inte träffar exakt mitten. Dessa gäller även för kameran. Avvikelserna blir känsligare ju längre från centrum av solfångaren man kommer då normalvinkeln på tråget ökar och små avvikelser ger större spridningsvinkel.

Lasern placeras uppe i vänstra hörnet på solfångaren och rör sig först i x-led över solfångaren och sedan ett snäpp i z-led och sedan i x-led igen. Se figur 32 för schematisk bild över uppställningen och laserns rörelsemönster.

Figur 32: Linjelaserns rörelse över solfångartråget i x- och z-led.

Om lasern inte reflekteras i receiverröret räknas det som miss och antecknas det så man får en bild av de områdena på solfångaren som är okej eller inte. Sedan laddas solfångaren in i mätriggen och ett likadant test som i TEST 3 körs. Sedan jämförs mätningen som kameran gjorde med lasern för att se om mätningarna överensstämmer och på så sätt kan metoden valideras.

5.

RESULTAT

I detta kapitel kommer resultaten från de fyra olika testerna i föregående kapitel att behandlas.

5.1

RESULTAT TEST 1

Resultatet från första testet gav inga felsignaler och allt fungerade som de var tänkt förutom LED-belysningen för vissa kamerahus. Dessa behövde bytas för ett flertal av kamerahusen på grund av skada som uppkommit av lödning. Efter att LED-belysningen hade ersatts med nya fungerade kamerahusen efter den tänkta funktionen.

5.2

RESULTAT TEST 2

Det var inga problem med kommunikationen mellan OU och OCCU och testschemat fungerade som de var tänkt under iterationerna och repeterbarheten var god efter buggarna som

uppdagats hade lösts.

Figur 33 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴA. Det visar vart i solfångaren vi har kantdetektion för det reflekterade receiverrörets övre kant. Solfångaren är uppdelad i

kvadrater där varje kvadrat är 20 x 20 mm i ett rutnät på 51 x 276 kvadrater. En mörkblå kvadrat denoterar ingen träff, en gul denoterar 50 träffaroch de gröna ca 20 träffar. Längs mitten på hela solfångaren finns receiverröret vilket försvårar kantdetektionen då både det reflekterade receiverröret och receiverröret syns i samma bild. På mitten av solfångaren i tvärgående led finns en smal list av metall där de två olika glasskivorna går ihop. Det försvårar kantdetektionen för dessa punkter. Kanten på receiverröret kunde detekteras på 94,3% i solfångaren.

Figur 33: _{Densitetsgraf över totala träffar för ϴA i tråget där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20} mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 34 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴA. Det visar vart i solfångaren den reflekterade receiverrörets övre kant träffar receiverröret. Punktens reflektion träffade receiverröret på 93,8% i solfångaren av de 94,3% av kanten som detekterades i figur 33.

Figur 34: Densitetsgraf över antalet träffar för ϴA i tråget som träffar receiverröret där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20 mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 35 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴB. Det visar vart i solfångaren vi har kantdetektion för det reflekterade receiverrörets undre kant. Det visar att kanten på receiverröret kunde detekteras på 95,2% i solfångaren.

Figur 35: _{Densitetsgraf över totala träffar för ϴB i tråget där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20} mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 36 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴB. Det visar vart i solfångaren den reflekterade receiverrörets övre kant träffar receiverröret. Punktens reflektion träffade receiverröret på 94,3% i solfångaren av de 95,2% av kanten som detekterades i figur 35.

Figur 36: Densitetsgraf över antalet träffar för ϴB i tråget som träffar receiverröret där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20 mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 37 visar vart i solfångaren som den reflekterade punkten träffar och missar receiverröret. Totala kantdetektioner och träffar för varje punkt har satts samman och kravet för träff

har antagits om den sammanlagda totala träffen är över 70% av den sammanlagda totala kantdetektionen för den rutan. De missar som är i mitten är väntade då kantdetektionen på detta ställe har försvårade omständigheter då både det reflekterade receiverröret samt receiverröret syns i samma bild. Den totala träffen på solfångaren är 94,3%. Man kan se i figuren vart problemområdena är vilket är på kanterna av solfångaren och detta är känt av Absolicon sedan tidigare.

Figur 37: Status på solfångaren där solfångaren är uppdelad i ett rutnät som är 51 x 276, där varje ruta är 20x20 mm. Gul ruta denoterar att den reflekterade punkten träffar receiverröret och lila denoterar miss.

5.4

RESULTAT TEST 4

Solfångaren som var felproducerad och uppmättes med laser uppvisade fel form på vänster sida nästan utmed hela kanten från ungefär 100 cm upp till ca 450 cm. Felet var cirka 10 cm i bredd utefter hela solfångaren. Felaktigheter visade sig även finnas på höger kant 150 till 300 cm längs solfångaren. Tabell 4 nedanför visar träffbilden på den uppmätta solfångaren med laser.

Tabell 4: Tabell över de laseruppmätta områdena i den defekta solfångaren där det varje punkt kollades i ett område på ca 50x50 mm. 1 denoterar att den reflekterade lasern träffade receiverröret och 0 denoterar miss. x- är i horisontalled och och z- i vertikalled i tabellen.

Avstånd i x- och z led i cm 0 20 40 60 80 100 550 1 1 1 1 1 1 500 1 1 1 1 1 1 450 0 1 1 1 1 1 400 0 1 1 1 1 1 350 0 1 1 1 1 0 300 0 1 1 1 1 0 250 0 0 1 1 1 0 200 0 0 1 1 1 0 150 0 1 1 1 1 0 100 1 1 1 1 1 1 50 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1

Figur 38 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴA. Det visar vart i solfångaren vi har kantdetektion för det reflekterade receiverrörets övre kant. Solfångaren är uppdelad i

kvadrater där varje kvadrat är 20 x 20 mm i ett rutnät på 51 x 276 kvadrater. En mörkblå kvadrat denoterar ingen träff, en gul denoterar 50 träffaroch de gröna ca 20 träffar. Längs mitten på hela solfångaren finns receiverröret vilket försvårar kantdetektionen då både det reflekterade receiverröret och receiverröret syns i samma bild. På mitten av solfångaren i tvärgående led finns en smal list av metall där de två olika glasskivorna går ihop. Det försvårar kantdetektionen för dessa punkter. Det gula bandet i figuren motsvaras av kamera två som hade en högre hastighet på antal bilder tagna per sekund på grund av en miss i kommunikationen från programmet. Detta leder till fler detektioner i detta område som resulterar i fler träffar och missar. Förhållandet mellan dessa är samma. Kanten på receiverröret kunde detekteras på 94,2% i solfångaren.

Figur 38: Densitetsgraf över totala träffar för ϴA i tråget där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20 mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 39 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴA. Det visar vart i solfångaren den reflekterade receiverrörets övre kant träffar receiverröret. Punktens reflektion träffade receiverröret på 90,9% i solfångaren av de 94,3% av kanten som detekterades i figur 38. Bandet på vänster sida syns tydligt där inga reflekterade kanter träffar receiverröret.

Figur 39: Densitetsgraf över antalet träffar för ϴA i tråget som träffar receiverröret där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20 mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula ca 40 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 40 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴB. Det visar vart i solfångaren vi har kantdetektion för det reflekterade receiverrörets övre kant. Längs mitten på hela solfångaren finns receiverröret vilket försvårar kantdetektionen då både det reflekterade receiverröret och receiverröret syns i samma bild. På mitten av solfångaren i tvärgående led finns en smal list av metall där de två olika glasskivorna går ihop. Det försvårar kantdetektionen för dessa punkter. Det gula bandet i figuren motsvaras av kamera två som hade en högre hastighet på antal bilder tagna per sekund på grund av en miss i kommunikationen från programmet. Detta leder till fler detektioner i detta område som resulterar i fler träffar och missar. Förhållandet mellan dessa är samma. Kanten på receiverröret kunde detekteras på 94,3% i solfångaren.

Figur 40: _{Densitetsgraf över totala träffar för ϴB i tråget där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20} mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50 träffar. Rutnätet är 51 x 276 rutor.

Figur 41 visar en densitetsgraf över solfångaren för ϴB. Det visar vart i solfångaren den reflekterade receiverrörets övre kant träffar receiverröret. Punktens reflektion träffade receiverröret på 90,9% i solfångaren av de 94,3% av kanten som detekterades i figur 40. Bandet på höger sida syns tydligt där inga reflekterade kanter träffar receiverröret.

Figur 41: Densitetsgraf över antalet träffar för ϴB i tråget som träffar receiverröret där varje kvadrat motsvarar en yta på 20 x 20 mm. Det mörkblå området motsvarar inga träffar och det gula 50

Figur 42 visar vart i solfångaren som den reflekterade punkten träffar och missar receiverröret. Totala kantdetektioner och träffar för varje punkt har satts samman och kravet för träff

har antagits om den sammanlagda totala träffen är över 70% av den sammanlagda totala kantdetektionen för den rutan. Detta värde är satt av Absolicon. De missar som är i mitten är väntade då kantdetektionen på detta ställe har försvårade omständigheter då både det reflekterade receiverröret samt receiverröret syns i samma bild. Den totala träffen på solfångaren på solfångaren är 84,1%. Man kan se i figuren vart problemområdena är vilket är ett långt band på vänster sida nästan längs hela solfångaren som på samma sätt hade uppmätts med laser. Även på höger sida i mitten finns ett band som också hade mätts med laser.

Figur 42: Status på solfångaren där solfångaren är uppdelad i ett rutnät som är 51 x 276, där varje ruta är 20x20 mm. Gul ruta denoterar att den reflekterade punkten träffar receiverröret och lila denoterar miss.

6

DISKUSSION

I detta kapitel behandlas diskussionen för de olika delarna i projektet som metoden där kamerahuset skulle konstrueras, valet av de olika komponenterna, mjukvaran som skulle tas fram samt resultaten och felkällorna.

6.1

HÅRDVARA

Eftersom det inte fanns någon färdig modell på hur kamerahuset skulle se utan bara vissa riktlinjer så som diametern på aluminiumcylindern som skulle svarvas samt hur den skulle fästas i mätriggen fick mycket fantasi användas vid konstruktionen av den. Eftersom kamerahuset skulle svarvas ut ur aluminiumblocket tog de väldigt lång tid att få ut kamerahusen. Ett kamerahus tog 10 timmar att svarva till locket och bottendelen och eftersom 8 stycken kamerahus skulle tillverkas var det en tidsåtgång på två stycken arbetsveckor. Om dessa kamerahus skall i framtiden produceras i stor skala till Absolicons drivlinor kan en ny konstruktion på dessa kamerahus bli aktuell som skulle minska tillverkningstiden för dessa. Anledningen att denna metod valdes var för att få fram snygga och robusta kamerahus som skulle ge en wow-faktor.

Kamerahuset var ursprungligen dimensionerat för 5V då det är spänningen som både datorn och LED-belysningen drivs på. Sedan uppdagades de att kablarna till kamerahuset från OCCU skulle vara 25 meter långa och spänningsfallet i de kablarna blir alltför stora och komponenterna skulle inte få tillräckligt med spänning, även om tjocklocken på kablarna skulle öka så skulle alldeles för tjocka och dyra kablar behöva användas och är inte ekonomiskt försvarbart samt att de inte skulle få plats i kabelstegen på mätriggen. Istället valde jag att ändra spänningen till 24 V vilket är industristandard och lägga till en ytterligare komponent i kamerahuset. En likströmsspänningsomvandlare som omvandlar spänningen till 5 V.

Den första omvandlaren som valdes var väldigt problematisk då den inte var isolerad och tänkt att sitta fastmonterad på ett kretskort. Detta fungerade mindre bra då omvandlaren låg direkt mot kamerahusets aluminiumbotten. Därför valdes en ny modell på omvandlare som var isolerad. Ett annat problem som kunde ha uppstått var värmealstringen av de elektriska komponenterna i kamerahuset då de är en stängd miljö utan luftflöde genom den. Vid för hög temperatur kan elektroniken sluta fungera korrekt. Eftersom aluminium har utmärkta egenskaper för transport av värme blir detta inget problem. För att ytterligare minska värmealstringen fästs omvandlaren mot kamerahusets botten som får agera kylfläns.

LED-belysningen var det som var absolut mest problem med. Den var väldigt känslig och lödningen av denna kunde enkelt skada kretsarna på LED-belysningen vilket resulterade i att den inte fungerade alls, sporadiskt eller med olika färgdefekter. Lödningen var svår att genomföra då de var små kontaktytor att löda fast kabeln på. Dessutom är LED-belysningen placerad mot aluminium i locket. För att förhindra kortslutning tejpades undersidan av LED-belysningen med kapton tejp som är isolerande. Det som skulle ha ändrats på här var att utrymmet för LED-belysningen skulle ha dimensionerats större samt att ledbelysningen inte skulle ha legat mot ett material som leder ström. Ett annat val som skulle kunna ha gjorts var att byta ut LED-belysningen mot ett som passar bättre i industriell miljö men då stor tid hade lagt på att lägga till det i programmeringen samt tiden inte räckte till fick jag göra de bästa av LED-belysningen jag hade. Flera av dessa komponenter fick kasseras av skada som uppkom vid lödning eller när strömmen slogs på till kamerahuset.