Design and Construction of an Automated Calibration System Utilizing Electric Motors for Underwater Cameras

Abstract

For å tilby informasjon om fisk, benytter Optoscale undervannskameraer. Disse kameraene er en viktig del av bioskopet, og krever nøyaktig kalibrering innenfor et basseng som involverer bevegelsen av en kalibreringsplate med tre frihetsgrader. For å oppnå presis bevegelse med tilpassbar hastighet og rekkevidde, kreves et omfattende system.

Kalibreringsprosessen ble tidligere utført manuelt. En arbeider dyttet vognene på skinnene og dens tilknyttede plate langs bassengets bredde og lengde. Denne prosessen var tidkrevende og frustrerende for arbeiderne hos Optoscale. Formålet med denne oppgaven er å designe og konstruere en pålitelig automatisert løsning for platebevegelse som øker effektiviteten og presisjonen i kalibreringsprosessen.

Konseptets utvikling hadde som mål å integreres sømløst med det eksisterende skinnesystemet, med inspirasjon hentet fra store 3D-printer systemer. Mekaniske løsninger, inkludert tannhjul og belter for overføring, ble brukt til bevegelser. Kabelkjeder h ̊andterte kabler, mens bolter, muttere og braketter støttet installasjoner, og økte stabilitet.

Elektriske komponenter, som en mikrokontroller, steppermotorer med drivere, servomotor og transformatorer ble implementert. Elektrisk oppsett ble plassert i et elektronisk kontrollpanel beskyttet mot vann. Systemgrensene ble fastsatt gjennom forenklede mekaniske og fluidanalyser, med hensyn til faktorer som motorenes dreiemoment og plateintegritet. Programmering involverte skriving av kode i Arduino C/C++, med en tilstandsmaskinarkitektur for sekvensiell motorstyring og effektiv håndtering av brukerinngangssignaler. Et brukergrensesnitt, designet med 3D-modellering, ble installert sikkert på siden av bassenget. Effektiv kommunikasjon mellom ulike komponenter og grundig testing var avgjørende for systemets suksess.

Det endelige resultatet var et fullt fungerende og automatisert kalibreringssystem implementert på det eksisterende skinnesystemet i Optoscales laboratorium. Systemet inkluderte et brukergrensesnitt med start- og stoppknapp og en digital styrespak som beveger vognen i alle retninger. Det kunne kalibrere kameraer med et tastetrykk. Optoscale uttrykte stor tilfredshet med resultatet av prosjektet. Konklusjonen er at dette prosjektet vellykket fullførte oppgaven, men det er muligheter for fremtidige forbedringer.

To provide fish monitoring, the company Optoscale utilizes underwater cameras which are an essential part of their bioscope. These cameras require precise calibration within a pool involving the movement of a calibration plate with three degrees of freedom. To achieve precise movement in a predefined path within the camera’s field of view, and customizable speed and range, a comprehensive system is required.

The calibration process was prior to this project done manually. A worker pushed the carriages on the rails and its connecting plate along the width and length of the pool. This process was time consuming and frustrating for the workers at Optoscale. The purpose of this thesis is to design and construct a reliable automated solution for the plate movement enhancing efficiency and precision in the calibration process, meeting challenges specified by Optoscale.

The concept’s development aimed for seamless integration with the existing rail system, drawing inspiration from 3D-printer gantry systems. Mechanical solutions, including gears, pulleys, and belts, were employed as transmission for movements. Cable chains managed cables, while bolts, nuts, and brackets supported installations, enhancing stability in construction.

Electrical components, such as a microcontroller, stepper motors, drivers, a servomotor, and transformers was implemented. An electric setup were housed in an electronic control panel. System limits were determined through simplified mechanical and fluid analyses, considering factors like motor torque and plate integrity. Programming involved writing code in Arduino C/C++, featuring a state machine architecture for sequential motor control and efficient management of user input signals. A user interface, was designed using 3D modeling, and securely installed onto the side of the pool. Effective communication between different components and thorough testing was crucial for the system’s success.

The final result was a fully functioning and automated calibration system implemented on the in- place railing system at Optoscale’s laboratory. The system included a user interface with a start- and stop button and a digital joystick that moves the carriage in all directions. It was capable of calibrating cameras with the click of a button. Optoscale expressed great satisfaction with the outcome of the project. In conclusion, this thesis successfully completed the task. However, there are opportunities for future enhancements.