樂高機器人的彩色感應器(顏色感應器)9694

 

NXT樂高機器人的彩色感應器比較

探奇 邱信仁 2012.06

NXT 樂高機器人9797內附光源感應器Light Sensor，只能根據反射光線的強弱辨識顏色，例如紅，藍等。如果是相近的顏色就無法辨識，例如藍跟綠。特別是這次WRO比賽，所有競賽項目都需要辨識 顏色，(足球賽也可能需要辨識綠色地板的深淺)，這時只好依賴彩色感應器。

目前適用於NXT樂高機器人的彩色感應器(Color Sensor，顏色感應器)有兩款，

一顆是樂高官方的9694 Color Sensor，

另一顆是HiTechnic公司的NXT Color Sensor V2 (NCO1038)，

兩顆感應器的比較可以參考Philo先生的文章，探奇也發文介紹過，

請參考探奇舊文章：Plilo先生的精彩文章--NXT彩色感應器的比較

同時探奇也利用彩色感應器進行軌跡車的測試，請參考探奇舊文章：NXT彩色感應器軌跡車。

以下我們來看看彩色感應器還有哪些其他的用法。

LEGO官方彩色感應器（顏色感應器） 9694

在NXT-G的命令方塊中，彩色感應器能夠偵測六種顏色，黑藍綠黃紅白，

根據Xander文章介紹，這顆樂高官方的彩色感應器只有LED跟光電晶體，

(請參考探奇舊文章：『樂高機器人8547的彩色感應器』大解剖)

紅綠藍三種光輪流發光，瞬間取得光電晶體的數值。

也就是發出紅光時，所得到的就是被測物體反射紅光的光電晶體讀值。

相同原理，當LED發出藍光，綠光時，也能得到相對應的讀值。

綜合三原色的讀值，就能判斷被測物體的顏色。

Team Hassenplug的Color Range Block

樂高官方的彩色感應器是類比式感應器，也就是直接利用類比數位轉換

電線的訊號，得到數值。目前我手邊並沒有資料顯示NXT主機是由電線的哪些腳位得到讀值，加上因為Color Sensor Block的限制，我們只能讀取顏色值，而非紅藍綠光的個別讀值。

    幸好Team Hassenplug解決了這個問題，他們提供了一個第三方命令方塊，Color Range Block，可以分別讀取發出紅綠藍三種顏色的光感應器讀值，甚至還包含Ambient讀值（是指不發光模式下的讀值？）

LED發光模式

使用彩色感應器的Color Mode偵測顏色時，三色LED燈用肉眼觀看，看起來似乎是同時點亮的。不過亮度並沒有像三種顏色單獨點亮時來的高，再加上Philo先生文章的敘述，我 想應該是三種光輪流點亮，或是以『紅光-->綠光-->藍光-->全滅』的順序快速輪動。

雖然沒有高速攝影機，但是我想還是可以透過數位相機鏡頭，試著找出LED輪流點亮的證據。順手寫了一段程式，配合拍攝，推測結果應該是對的，三色LED燈是輪 流點亮，從下面的影片中可以看到，點亮單色光時，拍攝到的光是比較亮的，當切換感應器為Color Mode時，拍攝到的光是相對較暗，而且有彩色光點閃動。

實驗測量分析

上圖：距離0.5公分

上圖：距離1.3公分（示意圖，數值沒有更新）

探奇使用Color Range Block撰寫程式簡單記錄RGBA的數值，測試對象是樂高積木，挑選黑藍綠黃紅白六種顏色的積木。探奇發現樂高積木顏色比較鮮豔，彩色感應器很容易偵測 出正確的顏色，如果拿一般印刷品（例如雜誌）進行測試，就不一定能偵測正確的顏色。同時我也利用其他積木架設測試台，固定測試積木的距離，盡量減少變因。

下面是測試結果：

顏色    距離    R          G        B     A

黑    0.5 cm    188    194    191    70

黑    1.3 cm    139    158    147    80

藍    0.5 cm    265    312    433    76

藍    1.3 cm    191    252    373    86

綠    0.5 cm    204    381    243    71

綠    1.3 cm    144    316    200    85

黃    0.5 cm    591    479    259    79

黃    1.3 cm    517    423    230    103

紅    0.5 cm    559    269    237    85

紅    1.3 cm    458    213    179    95

白    0.5 cm    611    577    535    89

白    1.3 cm    522    500    459    94

R表示Red；G表示Green；B表示Blue；A是Ambient。

上面的測試大致符合我的推測，例如測試紅色積木時，R數值提高，GB數值下降；白色積木的結果則是RGB都呈現高數值；黃色則是RG數值較高，B數值較低的結果。

距離遠近也是正常的，距離比較遠（1.3公分）的確得到比較低的數值。

探奇發現每次測試，數值仍然會有些許差異，或許這個測試還可以更進一步以多次測試處理平均值，期望得到更可靠的實驗結果。

至於A讀值，實在是有點怪怪的，符合黑色較低，白色或高亮度較高的定義。但是也同時出現一些奇怪現象，例如103，高於100的數值；以及近距離（0.5cm）反而比遠距離（1.3公分）較低。這些需要再思考問題何在。

積木顏色量測

原本進行實驗時想試試System Brick(無洞)與Technic Brick(有洞)的差異，因為直覺認為空洞也會影響光線的反射，但是試測後發現完全沒有差別，我想是因為樂高積木的品質太好了。

根據彩色感應器的原理，我想有下列因素會影響顏色的偵測：

1. 感應器與待測物距離：根據說明，一般需要將感應器保持在1-1.5公分的範圍，才不會偵測錯誤。如果距離太遠，沒有足夠的反射光線，那麼當然都是判斷為黑色。

2. 環境光的影響：周遭光線太亮，造成反射光過多，也會誤判。

3. 主機電壓：這只是我的推測，在不足的電壓下，發出的LED光源強度可能比較弱，接收的光電晶體也可能出現不同讀值。雖然不清楚Color Sensor Block內部的運算方式，但是極有可能影響判斷結果。這點還需要測試。

最後的疑問

   
    有了Color Range Block，應該可以補足Color Sensor Block的不足。以三色光線的讀值來判別顏色，也許還能分辨顏色的深淺。

    不過還有個疑問，NXT主機是如何接收三種色光分別的讀值呢？

是透過不同的接線腳位？需要三條接線？（有點複雜）

還是依照時間順序接收？（這樣就不太可能達到2.5ms的反應）

還請大家一起討論！