基于STM32控制的物品分揀搬送裝置

　　段麗娜 李若南 陳明 程清垚 李金龍 武昌首義學(xué)院(湖北 武漢 430064)

　　基金項(xiàng)目：2015年度湖北省教育廳科研計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目“多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在獨(dú)輪車避障中的應(yīng)用”(編號(hào)：B2015196)

　　引言

　　在傳統(tǒng)的物料分揀系統(tǒng)中，一般使用紙制書面文件記錄物料數(shù)據(jù)，在這樣的物料分揀系統(tǒng)中，大部分工作靠人力手工完成，嚴(yán)重影響物料的傳輸效率。隨著人們對(duì)物料的流動(dòng)速度要求越來(lái)越高，這樣的物料分揀系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代傳輸系統(tǒng)和物流管理的需要。傳統(tǒng)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)，大多采用先定位，然后再用機(jī)械臂等大型設(shè)備進(jìn)行分揀運(yùn)輸，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，傳輸效率低，不能普及化。為了解決這一問(wèn)題，我們建立一個(gè)電機(jī)橫向/縱向掃描的平臺(tái)來(lái)提高傳輸效率;采用先集中再處理的方式來(lái)提高分揀的精確度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，成本低廉，傳輸效率快，分揀物品的準(zhǔn)確性高。

　　1系統(tǒng)控制方案

　　1.1系統(tǒng)總體方案

　　該物品分揀搬運(yùn)系統(tǒng)可分為核心控制模塊、電源模塊、圖像識(shí)別模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光模塊等構(gòu)成。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)采用電機(jī)橫向/縱向掃描平臺(tái)，在縱向軸上放置四個(gè)直流電機(jī)，其中一組電機(jī)實(shí)現(xiàn)縱向掃描，另一組實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)的橫向掃描，完成物品分揀搬送。在二維基礎(chǔ)上再加裝攝像頭及舵機(jī)在固定的絲桿上面，通過(guò)帶編碼器的直流電機(jī)控制攝像頭和舵機(jī)在絲桿上移動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行物品分揀搬送。

　　本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430控制聲光模塊作為物品分揀裝置的聲光報(bào)警系統(tǒng)。一塊STM32-f1(1)系列的單片機(jī)控制觸控界面。另一塊STM32-f1(2)系列的單片機(jī)作為主控制，主要是進(jìn)行以下幾個(gè)工作：一是對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四個(gè)角的直流電機(jī)對(duì)橫向/縱向掃描平臺(tái)進(jìn)行定位;二是對(duì)來(lái)自觸控界面的信號(hào)作出判斷，進(jìn)而切換不同的運(yùn)行模式;三是接收?qǐng)D像處理的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)橫向/縱向掃描平臺(tái);其中物品的檢測(cè)部分采用的是先集中在處理的方法：首先通過(guò)橫向/縱向掃描平臺(tái)將物品篩到一條直線上，并運(yùn)送的物品檢測(cè)區(qū)域，該檢測(cè)區(qū)域的上方是一個(gè)固定的絲桿，絲桿上固定有攝像頭和舵機(jī)及舵機(jī)滑桿，樹莓派控制攝像頭在規(guī)定的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)物品進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的物品信息通過(guò)通信的方式傳送給k60，k60根據(jù)信息來(lái)控制舵機(jī)和和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的篩分，物品檢測(cè)完后，k60用通信的方式發(fā)信號(hào)給主控機(jī)(stm32-f1(2))，主控機(jī)控制橫向/縱向掃描平臺(tái)將篩分后物品搬運(yùn)到指定區(qū)域。

　　1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　硬件電路主要有電源模塊，聲光報(bào)警模塊，傳感器模塊，光耦隔離模塊，和驅(qū)動(dòng)模塊這幾部分組成。下面主要介紹幾個(gè)重要硬件電路。

　　系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊采用雙BTN7971大電流(70A)H橋驅(qū)動(dòng);與單片機(jī)完全光耦隔離，有效保護(hù)單片機(jī);板子上有5v電源指示;電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出端電壓指示;電源支持7.2-25V;驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

　　圖2驅(qū)動(dòng)電路圖

　　在物品運(yùn)送過(guò)程中，物品搬送速度是由測(cè)速傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其電路圖如下圖3所示：

　　圖3測(cè)速傳感器電路圖

　　在物品分揀過(guò)程中定位采用紅外對(duì)管，為了保護(hù)電路采用了光耦隔離器，其電路如下圖4所示：

　　圖4 光電隔離器

　　1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)在坐標(biāo)內(nèi)直接由二維結(jié)構(gòu)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使物品搬送到指定位置，聲光報(bào)警后電機(jī)復(fù)位;整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)TFT觸屏選擇模式實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)運(yùn)動(dòng)形式，X、Y軸上一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)縱向掃描，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)的橫向掃描，完成物品分揀搬送。在該區(qū)域內(nèi)通過(guò)USB攝像頭識(shí)別物品，將其中黑色物品掃向一側(cè)，桔色物品掃向另一側(cè)，并將不同顏色的物品搬送到各自指定位置。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如下圖5所示:

　　圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　2系統(tǒng)的調(diào)試

　　系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)搭建完成后，基本就解決了物品運(yùn)送的問(wèn)題，所以現(xiàn)在主要的難題是物品的分揀，為了更好的進(jìn)行分揀，我們采用一種新型的方法--先集中再處理即通過(guò)電機(jī)橫向/縱向掃描平臺(tái)將物品篩成一條直線(該直線與絲桿平行)并運(yùn)送到指定區(qū)域(攝像頭正下方)進(jìn)行分揀。通過(guò)直流電機(jī)+編碼器裝置來(lái)控制絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)(即控制攝像頭在物品上方移動(dòng)對(duì)物品進(jìn)行識(shí)別)，通過(guò)舵機(jī)+連片裝置來(lái)控制對(duì)識(shí)別的物品進(jìn)行分揀。下面主要介紹主要裝置的控制算法及數(shù)據(jù)分析。

　　2.1直流電機(jī)及編碼器裝置

　　在系統(tǒng)中絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)采用的是編碼器加直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)可以輸出550個(gè)脈沖，倍頻之后是2200。編碼器的額定工作電壓是5V,集成了上 拉電阻和比較整形功能，可以直接輸出方波。

　　根據(jù)編碼器反饋的AB兩相的方波信號(hào)，可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就可以計(jì)

　　算出車輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼器的脈沖信號(hào)是正方波，每一個(gè)周期內(nèi)都有一個(gè)上升沿和下降沿，這樣就可以設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)其進(jìn)行捕獲。單片機(jī)的定時(shí)器可以設(shè)置為正交解碼模式，當(dāng)編碼器的兩路信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)候，可以分別識(shí)別其上升沿和下降沿，這樣其精度就可以乘以二。因?yàn)锳B兩相信號(hào)的時(shí)間間隔剛好是四分之一周期，所以捕獲兩相信號(hào)的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)倍頻的效果。

　　2.2圖像采集和處理

　　圖像的采集是通過(guò)在樹莓派上安裝中文字體和OpenCV的大型程序，搭建qt的開發(fā)環(huán)境，利用搭建好的開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的識(shí)別及處理，提取圖像的特征以及完成對(duì)圖像的基本變換，進(jìn)而完成采集過(guò)程。

　　攝像頭獲取圖像信息的具體步驟如下:

　　(1)通過(guò)攝像頭讀取當(dāng)前一幀的圖像;

　　(2)對(duì)圖像的大小進(jìn)行調(diào)整(方便圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際大小的換算);

　　(3)對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波消除噪聲點(diǎn);

　　(4)對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理并二值化;

　　(5)提取像素點(diǎn)小于100的像素點(diǎn)進(jìn)行反色處理;

　　(6)對(duì)圖像進(jìn)行輪廓處理，并保存輪廓;

　　(7)對(duì)每個(gè)輪廓建立包圍矩形，通過(guò)左上角的坐標(biāo)加上一定的比例參數(shù)確定中心坐標(biāo);

　　(8)當(dāng)有黑色中心在圖像中心的范圍時(shí)輸出YES,否則輸出NO。

　　根據(jù)占空比，先利用分區(qū)差分法得出物品在某一區(qū)，再結(jié)合算法得到物品在該區(qū)內(nèi)的偏移坐標(biāo)，利用該區(qū)域在坐標(biāo)軸的位置得出物品所在點(diǎn)的坐標(biāo)。

　　表1 閾值與中心點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系

　　通過(guò)反復(fù)的測(cè)試，然后從測(cè)試閾值和中心點(diǎn)的關(guān)系表如表1所示可以看出當(dāng)閾值設(shè)置為(10，255)時(shí)可以準(zhǔn)確的讀出中心點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)然不同的光線，不同的位置對(duì)中心點(diǎn)坐標(biāo)的位置有影響，所以需要具體的環(huán)境適當(dāng)調(diào)整閾值。

　　2.3 樹莓派UART端口配置

　　圖像采集完后，需要將圖像信息傳送給從機(jī)(k60)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行分揀。其中圖像的信息傳輸是通過(guò)樹莓派UART端口進(jìn)行傳輸，Linux對(duì)所有設(shè)備的訪問(wèn)是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)進(jìn)行的，串口也是這樣，為了訪問(wèn)串口，只需打開其設(shè)備文件即可操作串口設(shè)備。在Linux系統(tǒng)下面，每一個(gè)串口設(shè)備都有設(shè)備文件與其關(guān)聯(lián)，設(shè)備文件位于系統(tǒng)的/dev目錄下面。如Linux下的/ttyS0，/ttyS1分別表示的是串口1和串口2。

　　通過(guò)樹莓派UART通信將攝像頭采集的圖像的信息發(fā)送給單片機(jī)k60，單片機(jī)k60根據(jù)過(guò)來(lái)的信號(hào)控制絲桿上的電機(jī)和舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物品的分揀。

　　2.4舵機(jī)及連片裝置

　　舵機(jī)的控制脈沖周期 20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90 度到+90 度的位置。

　　表2 舵機(jī)輸入脈沖與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系

　　表2是舵機(jī)算法上加入偏差二次項(xiàng)ABC后舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間的變化。通過(guò)表格可以看出，加入偏差二次項(xiàng)后，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間得到了提高，進(jìn)而轉(zhuǎn)向性能得到了極大的提升。

　　數(shù)字舵機(jī)可以以很高的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個(gè)周期和角度會(huì)變得非常小，并且有 PID 調(diào)節(jié)方式的存在，能夠在以很適當(dāng)?shù)?nbsp;PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠讓舵機(jī)有很高的響應(yīng)速度，不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。

　　3 系統(tǒng)整體測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

　　測(cè)試儀器：示波器，秒表，精度0.1cm卷尺，數(shù)字萬(wàn)用表。

　　測(cè)試方法：選用圖5所示的測(cè)試模型場(chǎng)地，測(cè)試過(guò)程是將4cm的正方體物品置于A區(qū)域內(nèi)(距探測(cè)邊界≥5cm)任意一點(diǎn)，探測(cè)儀從探頭進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入進(jìn)行檢測(cè)，在規(guī)定時(shí)限內(nèi)對(duì)正方體物品進(jìn)行定位并完成搬送。

　　圖6 物品分揀系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地模型圖

　　系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如下表3所示：

　　表3 各測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果

　　搬送裝置實(shí)現(xiàn)物品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)盡快達(dá)到目標(biāo)區(qū)域，橫軸的右導(dǎo)軌向左方向運(yùn)行，直到檢測(cè)到B區(qū)的右邊界時(shí)，停止右導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng);縱軸的左導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)，直到檢測(cè)到B區(qū)的上邊界時(shí)，停止導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng);通過(guò)GPIO發(fā)送完成信息，高電平，延時(shí)3秒，發(fā)送低電平;縱軸左導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到左導(dǎo)軌起始點(diǎn)，停止導(dǎo)軌運(yùn)行;橫軸右導(dǎo)軌向右運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到右導(dǎo)軌起始點(diǎn)，停止導(dǎo)軌運(yùn)行。

　　由表3的數(shù)據(jù)可以得出，該系統(tǒng)能夠在一個(gè) 100cm×150cm的區(qū)域A內(nèi)用小于10s的時(shí)間把區(qū)域A內(nèi)的物品搬運(yùn)到指定區(qū)域B或者C區(qū)域;并且能夠?qū)⑸⒙湓贏區(qū)的不同物品分揀開，并以小于60s的時(shí)間內(nèi)分別搬運(yùn)到B區(qū)域和C區(qū)域。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的物品分揀裝置結(jié)構(gòu)新穎，不同于傳統(tǒng)的定位分揀。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上采用電機(jī)橫向/縱向掃描平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)物品的搬運(yùn)，簡(jiǎn)單高效。物品的分揀采用先集中后處理的方法，先通過(guò)掃描平臺(tái)不停的篩動(dòng)物品，從而使物品集中在一條直線上，然后通過(guò)掃描平臺(tái)運(yùn)送的指定區(qū)域進(jìn)行分揀處理。方案新穎獨(dú)到，采用這一方案獲得2016TI杯全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽湖北省一等獎(jiǎng)。同時(shí)該系統(tǒng)也為我們提供一種新的解決物品分揀效率低難題的方案。隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，人們對(duì)物料的流動(dòng)速度要求越來(lái)越高，這樣的物料分揀系統(tǒng)現(xiàn)代傳輸系統(tǒng)和物流管理具有一定實(shí)用價(jià)值。