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 6. Semester durchgeführt wurde. ^[1]

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

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabenstellung

Die vorhandene Legoteilzählmaschine (siehe Legoteilzählmaschine_2015 ) soll Soft- und Hardwaremäßig modifiziert werden, um weitere Anforderungen zu erfüllen.^[1]

Liste der offenen Punkten vom letzten Semester

^[1]

Neues 24 V Netzteil, 24V/10A Netzteil gegen 24V/20A austauschen, um Überlast beim Lauf aller Motoren zu verhindern. Neues Netzteil ist vorhanden.

Software zur Bildverarbeitung (BV), Die Einbindung einer geeigneten Software zur Teileerkennung steht noch aus. Kommunikation mit Systems sowie Ansteuerung ist fertig. Bildverarbeitung mit 'String' als Output.

Bauteileliste in Excel, Die Excel Liste, welche alle Teile eines Baukasten erhält, muss mit dem Ergebnis der BV abgeglichen werden. Erkannte Teile in mindestens zwei möglichen Ausrichtungen müssen erkannt und in der Liste vermerkt werden.

Servo für Teilesortierung, Identisches Servo wie bisher gegenüberliegend montieren, um drei Sortierfächer (Erkannt/Nicht Erkannt/Fremdteil) zu sortieren, Konstruktion, Bestellung wurde an Fr. König geleitet.
- Dieser Punkt wird in diesem Projekt nicht bearbeitet.

Zeit bis zur Servoöffnung, Das Delay zwsichen Befehl und öffnen der Servos muss ermittelt und je nach Geschwindigkeit angepasst werden. Es ist problemlos möglich, einen weiteren 'String' - Befehl als Buchstaben für die Verzögerungszeit einzubinden, String auslesen und verarbeiten muss in Arduino Software geschehen.

Kabelkanal montieren, Kabelkanal zur ordentlichen Verlegung der Leitungen an den Förderbändern montieren

Kamerahalterung, Konstruktion einer Kamerahalterung für die Logitech C920 WebCam Vorschlag: Brücke über Förderband.

Bildverarbeitungskasten, Für die Bildverarbeitung muss eine der gebauten Bildverarbeitungsbox-Prototypen ausgewählt und montiert werden. Hierfür wurden Lichttests durchgeführt. Ergebnisse sind protokolliert SVN Link zu den Lichttests, Prototypen der Lichtboxen vorhanden.

Teilezentrierung, Die provisorisch aus Holz gefertigte Teilezentrierung soll in fixierbarer Variante aus Aluminium gefertigt werden. Ergebnisse zu den Tests der Zentrierungsmethoden sind in diesem SVN Ordner protokolliert, Prototypen der gewählten Teilezentrierung ist vor der Bildverarbeitungsbox verbaut.

Idee Software: Flexible Bildverarbeitungssoftware, Durch definieren der Schnittstellen könnte in der GUI eine Einbindung frei wählbarer BV Software realisiert werden. Optimal geeignet um kleine Projekte dann an der Legoteilzaehlmaschine zu testen.
- Wird in diesem Projekt nicht bearbeitet.

Aufgabenteilung inkl. weiteren Aufgaben aus dem Pflichtenheft

^[1] Es wurden für jede Aufgabe ein oder mehrere Verantwortliche(n) aus der Gruppe festgelegt. Jede Person ist dann dafür zuständig, dass diese Aufgaben erfüllt werden. Bei Bedarf steht dieser Person die ganze Gruppe zur Hilfe zur Verfügung.

Kevin Penner:
- Separierung und Zentrierung der Lego-Teile
- Pflichtenheft Dokumentation mit Software "DOORS"
- Bildverarbeitung/Legoteil-Erkennung
Simon Hanemann:
- GUI Programmierung
- Dokumentation in HSHL-Wiki
- Video-Anleitung
Adam Fankhauser:
- Elektr. Sicherheit
- Bildverarbeitungs-Box Fixierung/Stabilisierung
- Video-Anleitung
Niklas Lingenauber:
- Datenbankanbindung IN/OUT und Listen
- Projektplan
- QM-Tests (nach Rücksprache mit Prof. Schneider auf das nächste Semester verlegt)
- Bildverarbeitung/Legoteil-Erkennung
Sergej Krause:
Christo Tsibadze:

Projektplan

Meilensteine für das 6. Semester mit Deadlines:

06.06.2016: Hardware und Software Inbetriebnahme
- Inbetriebnahme "Erprobung von Sensoren und Aktoren"
- Automatische Sortierung von mind. 30 Teilen
- Sortierung: Erkannt und Nicht-Erkannt
- Bildverarbeitung in "Echtzeit" am PC
- Ausgabe der Inventurliste

24.06.2016: Algorithmen:
- Optimierung der Bildverarbeitung
- Automatische vollständige Sortierung: NXT-Basis + Erweiterung
- Planung und Beschaffung der Hardware-Änderung (Auswerfer) für die nächste Projektphase

14.11.2016: wird noch festgelegt, entweder Auswerfer- oder Separierung vor der BV Optimierung
16.01.2016: Algorithmen Optimierung, Teach-In XT/EV3 und Report

Realisierung

Main-Funktion

Die Mainfunktion ist das Hauptprogramm der Legozählmaschine. Sie ruft nach Start des Programmes alle weiteren Module und Funktionen auf. Zu Beginn des Programmes startet die Main-Funktion eine Initialisierung. Hier werden allgemeingültige Aspekte, wie globale Variablen, Verbindungen zu Datenbank oder Kamera und Einstellungen vorgenommen. Anschließend wird ein Grafisches User-Interface aufgerufen, welches dem User ermöglicht die Legozählmaschine zu steuern. Sind notwendige Schritte wie die Auswahl von Baukästen oder dem manuellen Zählen von Bauteilen, die die Maschine nicht erkennen kann abgeschlossen, startet die automaische Erkennung der Legoteile. Der Anwender muss hier den Inhalt einer Kiste in den Förderbunker geben, die Maschine befördert die Teile automatisch in den Kamera-Raum und ermittelt durch Bildverarbeitung die enntsprechenden Bauteile. Nach Beendigung des automatischen Zählprozesses werden die Ergebnisse des manuellen und des automatischen Zählens in einer Liste zusammengefasst und die gewonnen Informationen können in einer Inventurliste ausgegeben werden. Fehlende Legoteile werden in einer seperaten Fehlteilliste ausgegeben.

Quellcode Matlab: main.m

GUI

Unter GUI (Graphical User Interface oder auch Grafische Benutzeroberfläche versteht man die Die Schnittstelle eines Programms für einen Menschlichen Nutzer. GUI dienen meist zu Eingabe und Ausgabe von Werten die durch ein Hauptprogramm berechnet werden, dabei haben GUI in der Regel nur wenig Rechenaufwand und dienen dem Benutzer Komfort. Die GUI der HSHL Legoteil-Zählmaschine lässt sich in folgende Bereiche aufteilen:

Auswahl des Baukastens
Manuelles Zählen der Bauteile
Autonomes Zählen der Bauteile
Korrektur des autonomen Zählens

In jedem Schritt gibt es die Möglichkeit auf Hilfe zuzugreifen. Man findet einen „Hilfe“-Knopf in der Taskleiste oben links.^[2]

Auswahl der Baukästen

Im ersten Schritt müssen die Baukästen ausgewählt werden, die gezählt werden sollen. Es ist derzeit jedoch nur möglich einen Kasten aus zu wählen. In Zukunft soll es die Möglichkeit geben, zwei Kästen gleichzeitig auswählen zu können (Beispielsweise ein Hauptkasten und Zusatzkasten). Die Auswahl des Baukastens ist für die folgenden Schritte von Bedeutung. Sollte mindestens ein Kasten ausgewählt werden, so kann man mit dem nächsten Schritt dem manuellen Zählen fortfahren.^[2]

Manuelles Zählen

Wenn der im ersten Schritten gewählte Kasten Legoteile besitzt, die für den Zählprozess ungeeignet sind, müsse diese Teile vom Benutzer der Zählmaschine manuell gezählt werden. In diesem Schritt wird eine Tabelle mit den wichtigsten Eigenschaften der manuellen Teile gezeigt. Zudem wird dem Benutzer ein Bild des jeweiligen Bauteils angezeigt was er gerade in der Tabelle markiert. Ein Fortfahren ist nur möglich, wenn der Benutzer für jedes Teil eine positive ganze Zahl eingibt.^[2]

Autonomes Zählen

Es taucht nur ein Hinweisfenster Auf welches den Benutzer informiert, dass der Autonome Zählprozess bereits begonnen hat. Man kann den Prozess durch das Drücken von ESC beenden.^[2]

Korrektur des Autonomen Zählens

Am Ende des Autonomen Zählprozess werden alle gezählten Teile angezeigt. Sollten bei autonomen Zählprozess Teile falsch erkannt werden, so hat der Benutzer die Möglichkeit die die Anzahl der Teile noch einmal manuell zu korrigieren. Nicht gezählte Teile können aber auch zurück in den Zählprozess geführt werden.^[2]

Bildverarbeitung/Legoteil-Erkennung

Bildverarbeitung_Automatisches_Zaehlen

Die automatische Legoteilerkennung erfolgt mit der Unterfunktion: AutomatischesZaehlen.m und weiteren kleineren Unterfunktionen realisiert. Als Übergabeparameter erhält die Funktion die Schnittstellen zu der Webcam, Datenbank und serieller Schnittstelle und liefert im Gegenzug eine chronologische Liste mit Legoteil-IDs, welche beim automatischen Zählen erkannt wurden. Zu Beginn dieser Funktion werden einmalig diverse Parameter und Variablen angelegt und initialisiert. Anschließend wird in der äußeren Schleife folgendes wiederholt durchgeführt (bis Betätigung der "Escape"-Taste):

Bild bzw. Frame wird von der Kamera eingelesen
Ränder werden weggeschnitten
Mit Gauß-Filter gefiltert
Bild wird in Rot-, Grün- und Blau-Anteilen separiert
Anschließend werden nur die Pixeln aus dem Bild in verschiedenen Binär-Bildern kopiert, die der Lego-Farben entsprechen --> Vorsegmentierung

Bei einigen vorsegmentierten Binär-Farbbildern z.B. bei einem Roten Legoteil mit Bohrungen, wird der Schatten in den Bohrungen als schwarze Pixeln bzw. "schwarzes Teil" erkannt. Dies bekommen wir mit folgender Algorithmus entfernt:

Mit einer If-Abfrage wird festgestellt ob nach der Vorsegmentierung ein Binär-Bild für schwarzes Teil und mind. eins für ein Teil in anderer Farbe erkannt wurde.
Falls Ja: werden die Binärbilder addiert, um wenige Pixel dilatiert (vergrößert), und anschließend geprüft ob das neue Bild nur einen zusammenhängenden Teil ergibt oder nicht:
- Falls Ja: dann wird das schwarze Binär-Bild verworfen, da es sich dort nur um Schatten handelt.
- Falls nicht: dann handelt es sich um zwei verschiedene Lego-Teile.
Um zu verhindern, dass die nicht optimal ausgeleuchtete Bereiche z.B. an einem grauen Legoteil als Dunkelgrau erkannt wird, wird folgendes durchgeführt:
- If-Abfrage ob es z.B. ein graues und ein dunkelgraues Binärbild erkannt wurde:
  - Falls Ja: Summe der beiden bilden
  - Prüfen ob die Summe nur einen Zusammenhängenden Teil ergibt, falls Ja: dann handelt es sich nur um einen (helleren) Teil, falls nicht --> zwei verschiedene Teile.
- Falls zwei verschiedene Teile erkannt wurden inkl. Schatten, dann wird durch Kombination von erst Summe und dann Differenz der Schatten herausgefiltert.

Segmentierung:

imclearborder: entfernt Rausch-Pixel an den Rändern
bwareaopen: entfernt Segmente deren Pixelanzahl unter einem vorgegebenen Wert sind. (Salt&Pepper, Rauschunterdrückung)
Bwlabel: die Summe aller Binärbilder werden Separiert und mit einem "Label" versehen.

Merkmalsextraktion:

Merkmalsberechnung_3.m:
- Umfang, Fläche, Schwerpunkt, max. "Radius", min. "Radius"

Nachdem die Pixelfläche vom erkannten Teil berechnet wurde, wird solange iteriert, bis der Pixelflächenschwerpunkt in einem mittleren Kamerabild-Bereich befindet. Erst dann wird das Teil als Erkannt notiert. Da das mittlere Bereich im Kamerabild nicht nur aus einer Pixelspalte besteht, wurde noch ein weiteres Kriterium abgefragt, um das selbe Teil nicht doppelt zu zählen:

die Höhe (Y-Wert) von der Pixelflächenschwerpunkt der zuletzt erkannten Teil gespeichert und mit dem nächst erkannten Teil vergliechen, falls bestimmter Differenz überschritten wird --> dann handelt es sich um ein anderes Teil. Falls nicht --> das selbe Teil, wird nicht gezählt.

Der Kamerabildbereich wurde nicht als eine Pixelspalte mit der Breite von nur einem Pixel gewählt, da dadurch es schwieriger wurde, einen Pixelflächenschwerpunkt von einem erkannten Teil genau in dieser Pixelspalte zu erwischen.
Falls ein Teil erkannt (nicht doppelt):

dann wird die Binärbild-Matrix an die Funktion "FARBERKENNUNG_V2.m" übergegeben, wo es zur einer nächstegelegener Legofarbe zugeordnet wird.
Arduino wird signalisiert, dass in diesen Zeitpunkt ein Teil erkannt wurde, anhand der konstanten Bandgeschwindigkeit wird dann der Auswerfer angesteuert.
Funktion imfindcircles: ermittelt Kreise als Merkmal im Binärbild.

Anschließend werden die ermittelten Merkmale mit Datenbank abgeglichen. Bei Übereinstimmung mit vordefinierten Toleranzen wird ein eindeutiges ID in einer Liste gespeichert.
Falls die "Escape"-Taste betätigt wird:

dann werden wird die Schleife unterbrochen
Arduino wird signalisiert um Laufbänder zu stoppen
eine Liste der erkannten und fehlenden Teile wird als Excel automatisch geöffnet.

Farberkennung

Die Funktion "FARBERKENNUNG_V2.m" bekommt als Übergabewerte zwei Matrizen:

Original-Frame (Farbbild) und Binärbild vom erkannten Teil
mit Hilfe der Übergabeparametern wird eine 3D-Farbmaske erstellt (3D --> RGB).
- Farbmaske: Aus dem Originalbild werden nur die Pixeln in die Masken übernommen, die sich im Bereich vom Binärbild befinden
Anschließend werden Mittelwerte für Rot, Grün und Blau berechnet.

Zuordnung zum nächstgelegener Farbe:

Es werden die ermittelten RGB-Mittelwerte mit der Farbtabelle verglichen:
- zu erst werden die Differenzen von jeder Farbanteil zur der Farbtabelle ermittelt, und davon die maximalen werte gespeichert. z.B.: Die aktuelle Farbe (vom Legoteil) hat die maximale Abweichung im Farbanteil Rot zur Farbe Weis aus der Farbtabelle, max. Abw. im G zur Farbe Schwarz aus der Farbtabelle usw.
- Anschließend wird das minimalste Wert von den Maximalen Abweichungen ermittelt --> Es wird genau die Farbe ermittelt, welches die kleinste Abweichung zu der Legoteil-Farbe hat.

Zum Schluss wird die ermittelte Farbe als String zurückgegeben.

Teach-IN

Zur Ermittlung von Merkmals-Daten für die einzelnen Legoteilen, wurde die Funktion Main (Bildverarbeitung) kurzzeitig modifiziert, so dass die Daten der Merkmale 10 Mal ermittelt wurden und anschließend daraus Mittelwerte berechnet wurden. Während der Datensammlung wurde jedes Legoteil einzeln 10 Mal nacheinander in die Bilderkennungsbox durchgefahren.

Automatisches Teach-IN mit GUI-Anbindung wurde für das kommende Semester vorgesehen.

Datenbankanbindung, Listen IN/OUT

Datenbank

Die Datenbank ist in MySQL implementiert und eine Verbindung mit Matlab wurde realisiert. Hinzukommt das alle Daten im Excel-Format vorhanden sind. Die Daten sind aufgeteilt in drei Excel Dateien, "Datenbank Teile-Kopie_fuer sql.xlsx", "Datenbank Kastendetails.xlsx", "Datenbank Kasten.xlsx", die die gesamte Datenbank representieren und alle einträge beinhaltet. Dies dient der Datensicherheit, da die Daten in getrennten Formaten und Speichermedien vorhanden sind. Die Struktur innerhalb der Tabellen sollte erhalten bleiben, aber die Daten innerhalb der Tupel können nach belieben manipuliert werden. In der Datei "InventurlisteErstellen_SQL.m" befindet sich ein Code, der die Daten in die gestartete SQL-Datenbank importieren kann. Dies ist aber nur möglich solange die Strucktur, Spaltennamen und Anzahl, bestehen bleibt.

Die Datenbank ist aufgeteilt in drei Tabellen, Legoteileliste, beinhaltet alle einzelnen Legoteile, Kastendetails, enthält die Nummer der Legokästen, und der Kasten Tabelle, die die Legoteile mit den Kästen verbindet. In der Tabelle Legoteileliste sollen alle Legoteile aufgenommen werden. Die Attribute für die Legoteile sind:

* DataID, der Primarykey, ist als Autoincrement implementiert und versieht jedes neu hinzugefügte Legoteil automatisch mit einer eindeutigen ID
* LegoteileID, entspricht der ID vom Hersteller Lego, kann in unserer Datenbank zweimal vorkommen, wenn das Legoteil mehrere Perspektiven hat
* Bezeichnung, eine kurze Beschreibung des Legoteils, eine eindeutige Beschreibung wurde mit zurhilfenahme von Onlineshops realisiert (max. 30 charakter lang)
* Farbe, die Farbe des Bauteils nach Hersteller Norm
* Form, noch in Bearbeitung
* Umfang, der Pixelumfang vom Teach-In Prozess
* Flaeche, der Flaecheninhalt des Legoteils in Pixel vom Teach-In Prozess
* MaxSchwerpunkt, der maximale Schwerpunkt vom Teach-In Prozess
* MinSchwerpunkt, der minimale Schwerpuntk vom Teach-In Prozess
* Rundloch, entspricht der Anzahl der vom Teach-In Prozess erkannten Löcher im Legoteil
* AnzPerspektiven, gibt die gesamt Anzahl aller vorhandenen Perspektiven, unterschiedliche Lagen eines einzelnen Legoteils, die neue Werte für die oben genannten Attribute liefert, an
* Scanbar, '1' oder '0', '1' bedeutet es kann von der Legoteil Zählmaschine erkannt werden, '0' bedeutet es muss manuell, per Hand, gezählt werden, zB. weil es zu groß ist

Die Tabelle Kastendetails besteht aus:

* KastenID, der Primarykey, die vom Hersteller Lego vorgesehene Kastennummer, muss eindeutig sein
* Bezeichnung, eine kurze Beschreibeung des Kasten bzw. den Namen des Kastens (max. 50 charakter lang)

Zu letzt die Tabelle Kasten, diese setzt sich zusammen aus einer LegoteileID, KastenID und Anzahl. Die Tabelle Kasten spiegelt die reale Welt wieder indem sie genau beschreibt welches Legoteil in welchem Kasten ist und wie oft dieses Legoteil in einem Kasten vorhanden ist:

* LegoteileID, Primarykey mit KastenID, Forenkey auf Legoteileliste.LegoteileID, dementsprechend eine ID aus Legoteileliste,
               (LegoteileIDs können nur zugewiesen werden wenn ein eintrag in Legoteileliste vorhanden ist) 
* KastenID, Primarykey mit LegoteileID, Forenkey auf Kastendetails.KastenID, dementsprechend eine ID aus Kastendetails,
            (KastenIDs können nur zugewiesen werden wenn ein eintrag in Legoteileliste vorhanden ist)
* Anzhal, die genaue Anzahl eines Legoteil in einem bestimmten Kasten entnommen von der Originalverpackung von Lego (max. vierstelliger Integer wert)

Um in Matlab auf die Zugriff auf die Datenbank zu haben muss XAMPP und der MySQL ODBC - Connector installiert und konfiguriert sein. Sobald dies geschehen ist, kann mit:

DatenbankVerbindung = database.ODBCConnection('Lego','root','');

eine Verbindung hergestellt werden. Danach kann man mit mit SQL Befehlen Daten aus der Datenbank extrahieren und einpflegen. Ein Beispiel:

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%
%   Es werden alle in der Datenbank enthaltenen Kaesten mit ID und Ihrer
%   Bezeichnung als Stringarray zurueckgegeben
%   
%   conn = Verbindung zur Datenbank (ODBCConnection in der Regel 
%          database.ODBCConnection('Lego','root','') )
%
%   alleKaesten =  enthaelt alle Dateneintraege aus der Tabelle
%                  Kastendetails. In der Form ['ID - Bezeichnung'] als
%                  Stringarray
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
function alleKaesten = getAllKasten(conn)
    sqlquery = 'SELECT * FROM kastendetails';
    curs = exec(conn, sqlquery);
    curs = fetch(curs);
    alleKaesten = cell(length(curs.Data),1);
    
    for i = 1:1:length(curs.Data)
        alleKaesten{i} = [num2str(curs.Data{i,1}) ' - ' curs.Data{i,2}];
        
    end
end

In sqlquery wird der SQL-Befehl hinterlegt und mit exec(conn, sqlquery) wird der Befehl auf der Datenbank, die in conn spezifiziert ist, ausgeführt. Mit fetch(curs) wird das Ergebnis der SQL-Anfrage zurück gegeben, alles weitere ist eine manipulation der Struktur in der die Daten weitergeben werden sollen.

Installation der Datenbank

Für die Benutzung der Datenbank auf einem neun PC, müssen einige Dateien Installiert und Matlab Konfiguriert. Eine Schritt für Schritt Anleitung findet sich in der Dokumentation->Matlab->Einrichten der Datenbank.docx. Hier folgt eine Kurzanleitung anhand der Schritt für Schritt Anleitung:

1. Download von XAMPP und MySQL ODBC - Connector
2. Installation von XAMPP und MySQL ODBC - Connector
3. Starte XAMPP -> starte Apache -> starte MySQL
4. Erstelle eine neue Datenbank (Benenne die Datenbank, so das sie eindeutig und ihren nutzen klar werden lässt)
5. Konfiguration von Matlab
5.1 Im oberen Reiter auf APPS gehen
5.2 Wähle unter den APPS den Database Explorer
5.3 Gehe im Menu auf New->ODBC - Configure ODBC data source
5.4 Füge als neue Datenquelle den MySQl ODBC Unicode Driver hinzu
5.5 Server Daten eingeben -> Name: Lego ; TCP/IP Server: 127.0.0.1 Port: 3306; User: root; Password: - (leer lassen); Database: eure erstellte Datenbank wählen
5.6 Alles bestätigen -> Verbidung hergestellt

Erstellung einer Inventurliste

Eine Anforderung an die Legoteil Zählmaschine ist, dass dem Anwender nach Abschluss des Zählprozesses eine Liste in Excel ausgegeben wird, in der die gezählten Teile und dessen Anzahl aufgelistet sind. Dazu wurde zunächst eine Funktion InventurlistenTamplateMultiKaesten.m geschrieben, die aus der Datenbank die Bauteile ausliest, die in dem ausgewählten Baukästen enthalten sind und diese in eine Excel-Liste schreibt. Als Übergabeparameter benötigt die Funktion die entsprechenden BaukastenIDs, einen Dateinamen für die Inventurliste und die entsprechende Verbindung zur Datenbank. Als Rückgabewert gilt ein Cell-Array, welches den Inhalt der Inventurliste in Excel enthält.

Die Funktion InventurlistenTamplateMultiKaesten.m ist wie folgt implementiert:

function InventurListeContent=InventurlistenTamplateMultiKaesten( BaukastenName, InventurlisteName, conn)
%Die Funktion richtet ein Template für die Erstellung der Inventurliste ein
%   Sie liest die Inhalte des gewünschten Baukastens ein und trägt sie
%   mit Ihrer Anzahl in eine Excel-Liste ein. Es kann angepasst werden ob 
%   die Daten aus der SQL-Datenbank stammen oder aus einer Exceldatei mit
%   dem Namen des Baukastens im *.xls-Format.
%   Parameter:
%       BaukastenName: String mit dem Namen des zu zählenden Baukastens
%       InventurlisteName: String mit dem Namen der Exceldatei mit der
%                           Inventurliste
%       Conn: Adresse der SQL-DB, wenn == 0, dann wird eine Excelliste
%               eingelesen
%
%   Autor: Niklas Lingenauber
%   Letzte Änderung: 13.05.2016

%% Variablen definieren %%
    Header={'ID' 'Bezeichnung' 'Farbe' 'Soll-Anzahl'};          %Überschriften der Inventurliste definieren
    ID=1;               %an Baukasten-Datenbank anpassen
    Bezeichnung=2;      %an Baukasten-Datenbank anpassen
    Farbe=3;            %an Baukasten-Datenbank anpassen
    Anzahl=4;           %an Baukasten-Datenbank anpassen

%% Einlesen der benötigten Teile des Baukastens %%
if conn~=0  %aus einer SQL-Datenbank
    InventurListeContent=Header;        %Überschriften der Liste in erste Zeile
    KaestenN=size(BaukastenName,1);     %Anzahl der baukästen bestimmen
    for i=1:KaestenN
        
        %Auslesen der Baukästen aus der Datenbank
        sqlquery = strcat(['SELECT Legoteileliste.LegoteileID, Legoteileliste.Bezeichnung,'...
                           'Legoteileliste.Farbe, Kasten.Anzahl FROM Legoteileliste, Kasten '...
                           'WHERE Kasten.kastenID =',num2str(BaukastenName(i)),...
                           ' AND legoteileliste.LegoteileID = kasten.LegoteileID']);    %Erstellung des SQL-Befehls
        cursor = exec(conn, sqlquery);
        cursor = fetch(cursor);
        
        %Eintragen in die vorhandene Inventurliste
        InventurListeContent=vertcat(InventurListeContent,cursor.Data);     %Inhalte der Bauteil-IDs im Baukasten i unten anfügen
    end
else    %aus einer Excelliste
    %Definieren von Spalten in der Excel-Version
    BaukastenName=[BaukastenName '.xlsx'];      %Namensergänzung solange Datenbank eine Excel-Date
    
    % Auslesen aus Excel
    raw=xlsread(BaukastenName,3);       %vorrübergehend, später aus Datenbank
    ContentID=raw(2:175,ID);                    %Inhalte der Bauteil-IDs im Baukasten
    Elements=size(ContentID,1)+1;               %Anzahl der Teile im Kasten
    ContentBezeichnung=raw(2:Elements,Bezeichnung);  %Bezeichnungen der Bauteile
    ContentFarbe=raw(2:Elements,Farbe);              %Farben der Bauteile
    ContentAnzahl=raw(2:Elements,Anzahl);            %Anzahl der jeweiligen Bauteile IM Baukasten
    InventurListeContent=horzcat(ContentID,ContentBezeichnung, ContentFarbe, ContentAnzahl);  %Spalten zusammenfügen
end

%% Entfernen einer alten Inventurliste
xls_check_if_open(InventurlisteName,'close');
if exist(InventurlisteName, 'file') == 2    %Existiert eine alte Liste
    delete(InventurlisteName);              %Löschen
end

%% Erstellung der Excelliste %%
xlswrite(InventurlisteName,InventurListeContent);           %ExcelDatei erstellen
end

Nach der Erstellung des Templates werden die Gezählten IDs in die Liste eingetragen. Dazu wird der Inhalt des Templates nach den entsprechenden IDs durchsucht und die dazugehörige Anzahl notiert. Durch den Angleich voll Soll- und Ist-Anzahl der einzelnen Legoteile, wird außerdem eine Fehlteilliste erstellt, die dem Anwender anzeigt, welche Teile in welcher Häufigkeit fehlen. Die Funktion InventurlisteFuellen.m benötigt ebenfalls die entsprechenden BaukastenIDs, einen Dateinamen für die Inventurliste und die entsprechende Verbindung zur Datenbank als Übergabeparameter.Außerdem werden die gezählten Legoteil-IDs und dessen Anzahl benötigt. Als Rückgabewert gilt erneut der Inhalt der Excel-Liste.

Die Funktion InventurlisteFuellen.m ist wie folgt implementiert:

function InventurlisteFuellen( InventurlisteName, InventurListeContent, GezaehlteIDs, conn)
%Die Funktion füllt eine Inventurliste aus
%   Die Funktion sucht in der Datei 'InventurlisteName' die Zeilen aus der 
%   Inventurliste  raus in der die gleiche ID der Elemente der Gezählten
%   IDs steht. Dann trägt es die Anzahl in die entsprechenden Spalten ein.
%   Parameter:
%       InventurlisteName: String mit dem Namen der Exceldatei mit der
%                           Inventurliste inkl. Format '*.xls'
%       InventurListeContent: Inhalt des unausgefüllten BaukastenTemplates
%       GezählteIDs: Matrix in der die IDs in der ersten Spalte und die
%                       Anzahl in der zweiten Spalte aufgeführt sind.
%       conn: Addresse der SQL-DB, wenn ==0, dann wird bei Bauteilen, die
%               nicht zum Kasten gehören ein Kommentar statt einer 
%               bezeichnung eingefügt
%
%   Autor: Niklas Lingenauber
%   Letzte Änderung: 13.05.2016

%% Variablen definieren %%
SpalteIstAnzahl='E';    %Spalte in der Excel, in der die Ist-Anzahl eingetragen wird
ID=1;
Bezeichnung=2;
Farbe=3;
SollAnzahl=4;
IstAnzahl=5;

Andere=0;               %Anzahl der Bauteile, die nicht zum Baukasten gehören
Vorkommen=zeros(length(InventurListeContent)-1,1);      %Füllt die Ist-Anzahl zunächst mit 0en auf, Zeigt die Anzahl der IDs an 
AnzahlIDs=GezaehlteIDs(2:length(GezaehlteIDs),2);       %Anzahl der jeweiligen IDs
GezaehlteIDs=GezaehlteIDs(2:length(GezaehlteIDs),1);    %entfernen der Überschriften und Konvertierung in Matrix
BaukastenIDs=InventurListeContent(2:length(InventurListeContent),1); %IDs die im Baukasten auftreten

%% Anzahlen der IDs ermitteln %%
for i=1:length(GezaehlteIDs)        %Alle gezählten IDs eintragen 
    SucheNach=GezaehlteIDs(i);    %gesuchte ID als Zahl
    Zeile=0;                        %Laufindex
    gefunden=false;                 %Variable zur Erkennung ob ID gefunden
    while Zeile<length(BaukastenIDs) && gefunden==false %solange nicht gefunden und nicht am Ende
        Zeile=Zeile+1;              %Laufindex erhöhen
        if cell2mat(BaukastenIDs(Zeile)) == SucheNach      %Wenn ID gefunden
          gefunden=true;            %Abbruchbedingung setzen
       end
    end
    if gefunden==true   % Wenn gefunden, dann in Cell-Array eintragen
        Vorkommen(Zeile)=Vorkommen(Zeile)+AnzahlIDs(i);   %Entsprechende Anzahl notieren
    else                %Wenn nicht ID und Anzahl merken
        %kein Bestandteil des Baukastens. IDs müssen angefügt werden
        Andere=Andere+1;
        if conn~=0
            sqlquery = strcat('SELECT Bezeichnung,Farbe FROM legoteileliste WHERE legoteileID = ' , num2str(GezaehlteIDs(i)));
            cursor = exec(conn, sqlquery);
            cursor = fetch(cursor);
            daten(1)=cursor.Data(1);    %Bezeichnung
            daten(2)=cursor.Data(2);    %Farbe
        else
            daten={'Zusätzlich','Farbe'};           %Bezeichnung und Farbe
        end
        
        ZusaetzlicheTeile(Andere,ID)=num2cell(GezaehlteIDs(i));     %ID eintragen
        ZusaetzlicheTeile(Andere,Bezeichnung)=daten(1);         %Bezeichnung eintragen
        ZusaetzlicheTeile(Andere,Farbe)=daten(2);               %Farbe eintragen
        ZusaetzlicheTeile(Andere,SollAnzahl)=num2cell(0);                 %Soll-Anzahl eintragen; 0, da nicht im Baukasten erwartet
        ZusaetzlicheTeile(Andere,IstAnzahl)=num2cell(AnzahlIDs(i));       %Ist-Anzahl eintragen
    end
end
%% Eintragen in die Liste %%
Vorkommen=vertcat('Ist-Anzahl',num2cell(Vorkommen)); %Überschrift einfügen
xlswrite(InventurlisteName,Vorkommen,'',[SpalteIstAnzahl '1']); %Bauteile des Baukastens
if exist ('ZusaetzlicheTeile')==1
    BeginnWeitererTeile=['A' num2str(size(BaukastenIDs,1)+2)];
    xlswrite(InventurlisteName,ZusaetzlicheTeile,'',BeginnWeitererTeile); %Anpassen
end

%% Fehlteilliste erstellen %%
SpalteDifferenz=6;                  %Anpassen, SpaltenNummer mit der zu bestllenden Differenz
FehlteillisteName='Fehlteile.xls';  %Anpassen, Name der Excel-Datei

InventurListeContent= horzcat(InventurListeContent,Vorkommen);      %Anzahlen der IDs zur Inventurliste hinzufügen
FehlendeID=0;                                                       %Anzahl der nicht gezählten BauteilIDs, zunächst 0 annehmen
for i=1:length(InventurListeContent)                                %Liste durchsuchen
    Differenz=InventurListeContent(i,4)-InventurListeContent(i,5);  %Differenz bestimmen
   if Differenz>0                                                   %Wenn Teile fehlen
      FehlendeID=FehlendeID+1;                                      %Anzahl nicht gezählter IDs erhöhen
      Fehlteile(FehlendeID)= InventurListeContent(i);               %Inhalte merken
      Fehlteile(FehlendeID,6)=Differenz;                            %Differenz eintragen
   end
end

Fehlteile=vertcat({'ID','Fehlteile'},num2cell(Fehlteile)); %Überschrift einfügen
%% Entfernen einer alten Fehlteilliste
xls_check_if_open(FehlteillisteName,'close');
if exist(FehlteillisteName, 'file') == 2    %Existiert eine alte Liste
    delete(FehlteillisteName);              %Löschen
end
xlswrite(FehlteillisteName,Fehlteile,'');     %Liste Speichern
winopen(FehlteillisteName);
end

end

Separierung und Zentrierung der Legoteile

Teilezentrierung

Die provisorisch aus Holz gefertigte Teilezentrierung wurde mit fixierbarer Variante aus Aluminium ersetzt. An den Zentrierungskomponenten wurden elastische Kunststoffstreifen geklebt und anschließend an den Alu-Profilen vor der Bildverarbeitungsbox festgeschraubt.

Separierung

Die Separierung wurde mit Hilfe von Geschwindigkeitsdifferenzen an den Laufbandübergängen realisiert. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenzen, desto bessere ist die Separierung möglich. Aber die Bilderkennung fungiert in diesem Punkt als "Flaschenhals", wenn das letzte Laufband zu schnell dreht, dann werden weniger Teile erkannt. Es wurden experimentell die optimalen Geschwindigkeiten für jedes Laufband ermittelt, so dass Separierung und Bilderkennung optimal laufen.

Elektronik und Sicherheit

Neues 24V Netzteil

Wie in den offenen Punkten aus dem Artikel Legoteil Zählmaschine 2015 beschrieben, benötigte die Lego Zählmaschine ein stärkeres Netzteil. Bei der Auslegung der Maschine wurde das Netzteil für die Versorgung der Bandmotoren zu klein dimensioniert und bei gleichzeitigem Anlaufen der Motoren ist es vorgekommen, dass das alte Netzteil mit einem maximalen Ausgangsstrom von 10 A sich aus Selbsschutz abgeschaltet hat. Hier wurde ein stärkeeres Netzteil vom selben Hersteller mit 20 A maximalem Ausgangsstrom eingebaut. Dies besitzt eine etwas breite Bauweise, konnte aber durch leichte Änderungen im Schaltschrank installiert werden.

Kabelkanal

EBenfalls in den offenen Punkten des Artikels Legoteil Zählmaschine 2015 beschrieben, sollten die bisher provisorisch verlegten Leitungen fest verlegt werden. Hierzu wurde ein Kabelkanal zur ordentlichen Verlegung der Leitungen an den Förderbändern montiert. Er dient dem Schutz und der mechanischen Entlastung der Leitung. Es wurde ein geschlitzer Kabelkanal wewählt, da an vielen unterschiedlichen Stellen Leitungen z.B. zu den Motoren abgehen. So war es nicht nötig, einen geschlossenen Kabelkanal zu modifizieren, um die Leitungsabgänge möglich zu machen.

Kamera/Bildbox- und Auswerferhalterung

Die Bildbox und die Kamera waren bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht befestigt und lagen lose auf dem Förderband auf. Dies barg die Gefahr, dass aus beide Teile aus ihrer beträchtlichen Höhe immer drohten herunterzufallen und irreperabel beschädigt zu werden. Zur Befestigung wurde "Boschprofil" mit den Zubehörwinkeln genutzt. Die Bildbox wurde so befestigt, dass sie über 4 Schrauben Höhenverstellbar ist, um auch die Einfuhr von größeren Teilen möglich zu machen. Ebenso ist die Befestigung am Förderband mit 4 Schrauben zu lösen und damit die gesamte Konstruktion verschiebbar. Die Kamera wurde an der Bildboxbefestigung so fixiert, dass sie bei dieser Höhen- und Seitenverstellung immer an der selben Stelle verharrt. Dies ermöglicht eine ein mal eingestellte Kameraposition beizubehalten. Ebenso wurde der Auswerfer am Ende des letzten Förderbandes mit Boschprofil und Winkeln befestigt. Somit ist die bisherige Befestigung über eine Holzkiste ersetzt worden.

Höhenanpassung der Laufbänder

An den Laufbandübergängen wurden verbesserungswürdige Fallhöhen festgestellt. Die Legoteile fallen von einem Laufband auf das andere, wenn die Fallhöhe zu groß ist, dann federn die Teile ab und fallen manchmal vom Band runter. Deshalb wurden die Höhen der Laufbänder so eingestellt, dass es kleinstmögliche Fallhöhen gibt. Ebenso wurde damit der das Förderband steiler gestellt und somit die Vereinzelung der Legoteile leicht verbessert, da die größeren Teile im Bunker weniger Halt auf den Lamellen finden können und eher abrutschen.

Elektrische Sicherheit

Die elektrische Sicherheit des Schaltschrankes wurde im Zuge der Umbauarbeiten sichergestellt, indem alle Leitungen gegen spannungsfestere Leitungen vom Typ H07 bzw. H05 ausgetauscht wurden. So werden nun auch die Anforderungen nach VDE 0100-600 erfüllt. Eine Anlagenprüfung soll im nächsten Semester vorgenommen werden, wenn alle noch anstehenden Anlagenveränderungen vorgenommen wurden.

HSHL-Wiki-Dokumentation

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

Video-Anleitung

UNTER BEARBEITUNG wird im nächsten Semester mit Vollendung des Programm erstellt

Pflichtenheft Dokumentation in DOORS

UNTER BEARBEITUNG "Link angeben wo Pflichtenheft gespeichert wurde."

Prozessvisualisierung mit Visio

Die Prozesse wurden mit Microsoft´s Visio dokumentiert.


Abbildung x: Übersicht des Gesamtprogramms	Abbildung x: Detailierte Sicht der Bildveraberbeitung	Abbildung x: Teilgebiet der Bildverarbeitung: Farberkennung im Detail

QM-Tests

Wurde mit Genehmigung von Prof. Schneider auf das nächste Semester verlegt.

Auswerfer

Die bestehende Lösung hat zwei Auswerfer vorgesehen, welche die Legoteile in 3 Kategorien sortieren sollte. In unserem Pflichtenheft ist aber festgeschrieben worden, dass die Legoteile nur noch in 2 Kategorien eingeteilt werden sollen. Daher ist für den Auswefer auch nur ein Servomotor installiert worden. Die bestehende Implementierung auf dem Arduino wurde übernommen und angepasst. Die Matlab Software schickt immer, wenn ein Teil "erkannt" wurde einen String über die serielle Schnittstelle zum Arduino, dieser ließt den String ein und speichrt sich den Zeitstempel bei Eintreffen der Nachricht. Darauf wird ein Zeitdelay gerechnet, bei dem dann die Schranke für einen festgesetzten Zeitraum öffnet. Diese Umsetzung ist noch nicht sehr robust, da das Senden und Empfangen der Nachricht über eine Erkennung eines Legoteils nicht den geforderten Echtzeitanforderungen entspricht. Ebenfalls wäre es besser, wenn sich das Zeitdelay automatisch an die Bandgeschwindikeit anpassen würde und die Dauer der Schrankenöffnung sich an die Größe des erkannten Legoteils.

Planung der Aufgaben für das nächste Semester

Für das kommende Semester wurde anfangs geplant, eine Sortierungsanlage zu entwerfen und realisieren. Leider wurde festgestellt, dass ein größeres Problem bei der Vereinzelung von den Legoteilen besteht. Durch den "Flaschenhals"-Bilderkennung ist es unmöglich allein durch die Laufbandgeschwindigkeits-Differenzen alle Legoteile zu vereinzeln. Das erste Laufband, welches die Legoteile aus dem Bunker auf die nächste Laufband fördert, muss modifiziert werden damit nicht zu viele Teile auf einmal gefördert werden. Als eine der Hauptaufgaben für das nächste Semester wurde die Vereinzelung von Legoteilen vor der Bildverarbeitung festgelegt. Zusätzlich dazu noch andere Aufgaben aus dem Pflichtenheft.

Konzept für Sortieranlage

Da es ein Konzept bereits entworfen wurde, wird dieses hier auch dokumentiert (eventuell für zukünftige Aufgaben). Gedacht ist ein durch einem Motor am Rand angetriebene (konstanter Geschwindigkeit) Scheibe mit Gummi- oder Filsbeschichtung (damit die Legoteile nicht abprallen). Welches auf mindestens drei freilaufende Räder mit einem Nut rotierbar gelagert wird. In der Mitte (feststehende runde Platte) soll dann die Verkabelung (entweder elektrische Leitungen für elektro Motoren, oder pneumatische Leitungen für pneumatischen Auswerfern) platziert werden, die entweder elektrischen oder pneumatischen Auswerfern versorgen. Radial zur drehender Scheibe werden Kisten angebracht mit passend gebogenen Führungsblechen (damit die Legoteile immer in die Kisten fallen).

Zum Öffnen des 3D-Modells vom Konzept, laden Sie bitte folgende frei erhältliche Software 3DXML-Player herunter und öffnen Sie die im SVN Sortieranlage.3dxml gespeicherte 3dxml-Datei.

Ergebnisse

Anleitung Programmstart

Vorbereitung
- LED-Stecker anschließen
- Hauptstecker anschließen
- Hauptschalter betätigen
Datenbank starten
- XAMPP control panel starten
- Apache Modul starten
- MySQL Modul starten
Matlab Programm öffnen
- unter SVN\MTR_SDE_Praktikum_2015\SRC die main-datei öffnen
- Programm starten
Baukasten in der GUI auswählen
handgezählte Teile eintragen
automatischer Zählprozess
- Motoren werden automatisch gestartet
- Kästen hinter das Förderband stellen
- Legoteile in den Bunker füllen
- Esc-Taste betätigen zur Beendigung des automatischen Zählprozess
Motoren werden automatisch ausgeschaltet
Inventurliste wird ausgegeben

Fazit

Abgeschlossene Punkte

Neues 24 V Netzteil
Software zur Bildverarbeitung (BV)
Bauteileliste in Excel
Zeit bis zur Servoöffnung: ???
Kabelkanal montieren
Kamerahalterung
Bildverarbeitungskasten
Teilezentrierung
Hohenanpassung von Laufbänder
WEITERE...!

Offene Punkte

Bildverarbeitung --> Optimierung, bessere Erkennung der Teile, schnellere Erkennung
- Problemfarbe --> Schwarz
Teilevereinzelung --> Es soll eine 100%-ige Vereinzelung der Teile vor dem Bildverarbeitungsbox möglich sein.
Teach-In Einbindung in das GUI
GUI Fertigstellung
Gesamtsystem Optimierung --> Erkennung von 60 Teile pro Sekunde
Videoanleitung
Abschlusspräsentation

Dokumentation

SVN

Main-Funktion die alle andere Unterfunktionen aufruft: Main Funktion

AutomatischesZaehlen.m

FARBERKENNUNG_V2.m

Merkmalsberechnung_3.m

Gefährdungsbeurteilung AKTUALLISIEREN

SVN Link zur Gefährdungsbeurteilung

Autoren

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Autor Christo Tsibadze
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Autor Simon Hanemann

[Autor:_Tsibadze-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Autor Christo Tsibadze

[Autor:_Hanemann-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Autor Simon Hanemann

[1]

[2]

Legoteil Zählmaschine 2016