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Détecteur de couleur par photorésistance

samedi 6 novembre 2010, par Keuronde

La coupe de France de robotique 2011 se déroulera sur un damier rouge et bleu sur lequel il faut poser des pions sur les cases de sa couleur. Connaître la couleur de la case sur laquelle le robot se trouve permet de savoir s’il doit encore pousser son pion ou pas.

Il sera peut-être même possible de savoir sur quelle case le robot se trouve grâce à ces capteurs.

 Principe - La perceptions des couleurs

La lumière blanche est composée d’une somme de couleurs, celles que nous pouvons voir dans un arc-en-ciel ou grâce à un prisme. Lorsqu’un objet nous paraît coloré alors qu’il est éclairé par une lumière blanche, c’est qu’il absorbe une partie des couleurs reçues et reflète les autres. Pour faire simple on peut se dire qu’un objet rouge va absorber le bleu, le vert, le jaune et laisser le rouge "rebondir" vers l’œil.

Une lumière colorée ne contient qu’une partie seulement des couleurs d’une lumière blanche. Si une lumière bleue contient principalement du bleu, un peu de violet et de vert, un objet rouge devrait alors paraître noir.

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Absorbtion des couleurs

L’idée est d’éclairer successivement un objet avec deux sources lumineuses colorées, de mesurer les luminosités observées sous chacun des éclairage et d’en tirer une conclusion sur la couleur de l’objet. Pour cela, nous utiliserons une photo-résistance et deux diodes électroluminescentes (DEL). Une photo-résistance est une résistance dont la valeur varie en fonction de son exposition à la lumière. Plus il y aura de lumière et plus la résistance sera faible.

Les premiers essais sont faits avec une photo-résistance et une DEL rouge de faible puissance. S’il semble possible de différencier une case rouge d’une case bleue sous un éclairage connu, cela semble plus compliqué si l’éclairage varie. La lumière émise par la diode est trop faible pour faire une réelle différence entre le rouge et le bleu sous un éclairage inconnu et ce, même avec un cache.

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Cache pour le capteur.
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Montage de la photo-résistance
Montée ainsi, Vs augmentera lorsque la photo-résistance sera exposée à la lumière.

Après avoir fait l’acquisition de diodes à forte luminosité (3000mCd) de deux couleurs différentes, les choses sérieuses peuvent commencer. Avec les diodes de 40mW, le cache laisse passer suffisamment peu de lumière pour que la lumière émise par les diodes soit bien plus forte que la lumière parasite. A l’ohmmètre, on note de grandes variations de résistance en fonction de l’éclairage des diodes.

Pour la lecture de la photo-résistance, une résistance de 10K est mise en série avec cette dernière.

Pour l’alimentation des DEL, un montage à base de transistor est utilisé, car ces diodes demanderaient un peu trop de courant à un micro-contrôleur. La diode est branchée en série avec une résistance de 150 Ohm et un transistor. C’est un transistor banal qui a un gain de l’ordre de 200. Le microcontrôleur commande ce transistor à travers une résistance de 4,7k. Le courant de commande s’obtient ainsi : (5V - 0.6V)/Rb. Ce qui nous fait 0.9 mA. Ceci permet de délivrer un courant maximal de 180mA ampère à la diode, d’où la nécessité de mettre la résistance de 150 Ohm.

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Schéma de la commande d’une DEL

 Calibration

La tension aux bornes de la photo-résistance est mesurée sur une case rouge, sur une case bleue, sur le noir, sous différents éclairages (petite lampe halogène à proximité ou pénombre). Les valeurs pour les cases bleues et rouges sont simple à interpréter. La tension renvoyée la plus forte indique que la case est éclairée par une diode de sa couleur. L’écart se réduit au fur et à mesure que l’éclairage parasite augmente. L’écart est seulement de 0,22V sur une case bleue, mais il varie entre 0.8V et 1,32V sur une case rouge (toujours en faveur de la diode de la même couleur que la case). Ce faible écart au niveau du bleu complique la détection d’une autre couleur. Dans notre cas, il serait bien de pouvoir détecter le noir.
Même si cela reste à confirmer, car cela n’a été testé qu’avec deux jeux de mesures, il y aurait une formule sympathique. Notons :
- R, la valeur lu quand la DEL rouge est allumé,
- B, la valeur lu quand la DEL bleue est allumé
- V, la valeur lu quand les deux DEL sont éteintes.

Critère = (R-V) / (B-V)

Le critère du noir est très proche de 2, celui du bleu est entre 1 et 1,30 et celui du rouge est entre 2.5 et 2.70.

 Temps d’acquisition

Avec un oscilloscope, on regarde la valeur de la tension au borne de la photo-résistance alors que la diode rouge clignote. Il faut ajuster le temps de clignotement afin que la valeur de la tension arrive à sa valeur finale. On pourra ensuite rallonger le temps de clignotement à notre guise. La courbe de réponse est typique des systèmes du premier ordre. La constante semble être de l’ordre de 3,75 ms. Mais j’ai l’impression que le système tarde à atteindre sa valeur finale. Je pense qu’il est possible de faire une acquisition toute les 20 ms, mais par précaution je choisis la valeur de 40 ms.

À ces 40 ms il faudrait rajouter le temps de conversion de la tension analogique par le micro-contrôleur. Cependant ce temps est négligeable, de l’ordre de 0,5 µs. Il faut donc 120ms pour acquérir les 3 valeurs et connaître la ou les couleurs présentes sous le robot.

Vos commentaires

  • Le 30 décembre 2010 à 00:59, par Nadar En réponse à : Détecteur de couleur par photorésistance

    Merci pour cet article ! Je m’en suis servi pour réaliser un capteur de couleur pour la coupe eurobot de 2011. Ça fonctionne parfaitement même sans caches et le Leds proches du capteur ( voir sur le site de mon club )

    • Le 8 juillet 2011 à 22:57, par Eric P. En réponse à : Détecteur de couleur par photorésistance

      La version originelle, utilisée sur le robot 2006 est documentée dans cet article.

      Elle fonctionne avec des capteurs HAMAMATSU sortie tout ou rien, avec modulation de la source lumineuse pour immunisation aux perturbations, délai d’acquisition quasi nul et pas d’ADC.

    Répondre à ce message

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