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)

　　基金項目：2015年度湖北省教育廳科研計劃指導性項目“多傳感器數據融合技術(shù)在獨輪車(chē)避障中的應用”(編號：B2015196)

　　引言

　　在傳統的物料分揀系統中，一般使用紙制書(shū)面文件記錄物料數據，在這樣的物料分揀系統中，大部分工作靠人力手工完成，嚴重影響物料的傳輸效率。隨著(zhù)人們對物料的流動(dòng)速度要求越來(lái)越高，這樣的物料分揀系統已遠遠不能滿(mǎn)足現代傳輸系統和物流管理的需要。傳統的自動(dòng)分揀系統，大多采用先定位，然后再用機械臂等大型設備進(jìn)行分揀運輸，這樣的系統結構復雜，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)電機橫向/縱向掃描的平臺來(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。該系統結構獨特新穎，成本低廉，傳輸效率快，分揀物品的準確性高。

　　1系統控制方案

　　1.1系統總體方案

　　該物品分揀搬運系統可分為核心控制模塊、電源模塊、圖像識別模塊、顯示模塊、電機驅動(dòng)模塊、聲光模塊等構成。其系統總體框圖如圖1所示：

　　圖1 系統總體框圖

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

　　本系統采用TI公司的MSP430控制聲光模塊作為物品分揀裝置的聲光報警系統。一塊STM32-f1(1)系列的單片機控制觸控界面。另一塊STM32-f1(2)系列的單片機作為主控制，主要是進(jìn)行以下幾個(gè)工作：一是對來(lái)自傳感器的信號進(jìn)行判斷，進(jìn)而驅動(dòng)系統四個(gè)角的直流電機對橫向/縱向掃描平臺進(jìn)行定位;二是對來(lái)自觸控界面的信號作出判斷，進(jìn)而切換不同的運行模式;三是接收圖像處理的信號，驅動(dòng)電機橫向/縱向掃描平臺;其中物品的檢測部分采用的是先集中在處理的方法：首先通過(guò)橫向/縱向掃描平臺將物品篩到一條直線(xiàn)上，并運送的物品檢測區域，該檢測區域的上方是一個(gè)固定的絲桿，絲桿上固定有攝像頭和舵機及舵機滑桿，樹(shù)莓派控制攝像頭在規定的檢測區域內對物品進(jìn)行檢測，將檢測到的物品信息通過(guò)通信的方式傳送給k60，k60根據信息來(lái)控制舵機和和電機的運動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現對物品的篩分，物品檢測完后，k60用通信的方式發(fā)信號給主控機(stm32-f1(2))，主控機控制橫向/縱向掃描平臺將篩分后物品搬運到指定區域。

　　1.2 系統硬件結構

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

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

　　圖2驅動(dòng)電路圖

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

　　圖3測速傳感器電路圖

　　在物品分揀過(guò)程中定位采用紅外對管，為了保護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 系統軟件設計

　　整個(gè)系統在坐標內直接由二維結構控制電機運動(dòng)，使物品搬送到指定位置，聲光報警后電機復位;整個(gè)系統通過(guò)TFT觸屏選擇模式實(shí)現不同的電機運動(dòng)形式，X、Y軸上一個(gè)電機實(shí)現縱向掃描，另一個(gè)實(shí)現左右運動(dòng)的橫向掃描，完成物品分揀搬送。在該區域內通過(guò)USB攝像頭識別物品，將其中黑色物品掃向一側，桔色物品掃向另一側，并將不同顏色的物品搬送到各自指定位置。系統軟件設計流程如下圖5所示:

　　圖5 軟件設計流程圖

　　2系統的調試

　　系統硬件的結構搭建完成后，基本就解決了物品運送的問(wèn)題，所以現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)電機橫向/縱向掃描平臺將物品篩成一條直線(xiàn)(該直線(xiàn)與絲桿平行)并運送到指定區域(攝像頭正下方)進(jìn)行分揀。通過(guò)直流電機+編碼器裝置來(lái)控制絲桿轉動(dòng)(即控制攝像頭在物品上方移動(dòng)對物品進(jìn)行識別)，通過(guò)舵機+連片裝置來(lái)控制對識別的物品進(jìn)行分揀。下面主要介紹主要裝置的控制算法及數據分析。

　　2.1直流電機及編碼器裝置

　　在系統中絲桿的轉動(dòng)采用的是編碼器加直流電機，電機轉一圈，電機可以輸出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。

　　根據編碼器反饋的AB兩相的方波信號，可以對其進(jìn)行計數，這樣就可以計

　　算出車(chē)輪電機的轉速。編碼器的脈沖信號是正方波，每一個(gè)周期內都有一個(gè)上升沿和下降沿，這樣就可以設置單片機的定時(shí)器對其進(jìn)行捕獲。單片機的定時(shí)器可以設置為正交解碼模式，當編碼器的兩路信號同時(shí)傳輸的時(shí)候，可以分別識別其上升沿和下降沿，這樣其精度就可以乘以二。因為AB兩相信號的時(shí)間間隔剛好是四分之一周期，所以捕獲兩相信號的時(shí)候，可以實(shí)現倍頻的效果。

　　2.2圖像采集和處理

　　圖像的采集是通過(guò)在樹(shù)莓派上安裝中文字體和OpenCV的大型程序，搭建qt的開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用搭建好的開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現對圖像的識別及處理，提取圖像的特征以及完成對圖像的基本變換，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)攝像頭讀取當前一幀的圖像;

　　(2)對圖像的大小進(jìn)行調整(方便圖像像素點(diǎn)坐標與實(shí)際大小的換算);

　　(3)對圖像進(jìn)行中值濾波消除噪聲點(diǎn);

　　(4)對圖像進(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)對圖像進(jìn)行輪廓處理，并保存輪廓;

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

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

　　根據占空比，先利用分區差分法得出物品在某一區，再結合算法得到物品在該區內的偏移坐標，利用該區域在坐標軸的位置得出物品所在點(diǎn)的坐標。

　　表1 閾值與中心點(diǎn)坐標的關(guān)系

　　通過(guò)反復的測試，然后從測試閾值和中心點(diǎn)的關(guān)系表如表1所示可以看出當閾值設置為(10，255)時(shí)可以準確的讀出中心點(diǎn)的坐標。當然不同的光線(xiàn)，不同的位置對中心點(diǎn)坐標的位置有影響，所以需要具體的環(huán)境適當調整閾值。

　　2.3 樹(shù)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(k60)，從機驅動(dòng)舵機進(jìn)行分揀。其中圖像的信息傳輸是通過(guò)樹(shù)莓派UART端口進(jìn)行傳輸，Linux對所有設備的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)設備文件來(lái)進(jìn)行的，串口也是這樣，為了訪(fǎng)問(wèn)串口，只需打開(kāi)其設備文件即可操作串口設備。在Linux系統下面，每一個(gè)串口設備都有設備文件與其關(guān)聯(lián)，設備文件位于系統的/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(shù)莓派UART通信將攝像頭采集的圖像的信息發(fā)送給單片機k60，單片機k60根據過(guò)來(lái)的信號控制絲桿上的電機和舵機運動(dòng)，實(shí)現物品的分揀。

　　2.4舵機及連片裝置

　　舵機的控制脈沖周期 20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應-90 度到+90 度的位置。

　　表2 舵機輸入脈沖與轉動(dòng)角度的關(guān)系

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

　　數字舵機可以以很高的頻率進(jìn)行調節，這個(gè)周期和角度會(huì )變得非常小，并且有 PID 調節方式的存在，能夠在以很適當的 PID 參數進(jìn)行調節，能夠讓舵機有很高的響應速度，不會(huì )出現超調。

　　3 系統整體測試數據與結果分析

　　測試儀器：示波器，秒表，精度0.1cm卷尺，數字萬(wàn)用表。

　　測試方法：選用圖5所示的測試模型場(chǎng)地，測試過(guò)程是將4cm的正方體物品置于A(yíng)區域內(距探測邊界≥5cm)任意一點(diǎn)，探測儀從探頭進(jìn)入區進(jìn)入進(jìn)行檢測，在規定時(shí)限內對正方體物品進(jìn)行定位并完成搬送。

　　圖6 物品分揀系統測試場(chǎng)地模型圖

　　系統各項運動(dòng)指標的測試結果如下表3所示：

　　表3 各測試項目的測量結果

　　搬送裝置實(shí)現物品在規定時(shí)間內盡快達到目標區域，橫軸的右導軌向左方向運行，直到檢測到B區的右邊界時(shí)，停止右導軌的運動(dòng);縱軸的左導軌向下運動(dòng)，直到檢測到B區的上邊界時(shí)，停止導軌的運動(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;縱軸左導軌向上運動(dòng)，檢測到左導軌起始點(diǎn)，停止導軌運行;橫軸右導軌向右運動(dòng)，檢測到右導軌起始點(diǎn)，停止導軌運行。

　　由表3的數據可以得出，該系統能夠在一個(gè) 100cm×150cm的區域A內用小于10s的時(shí)間把區域A內的物品搬運到指定區域B或者C區域;并且能夠將散落在A(yíng)區的不同物品分揀開(kāi)，并以小于60s的時(shí)間內分別搬運到B區域和C區域。

　　4 結論

　　本文設計的物品分揀裝置結構新穎，不同于傳統的定位分揀。該系統硬件結構上采用電機橫向/縱向掃描平臺來(lái)實(shí)現物品的搬運，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)掃描平臺不停的篩動(dòng)物品，從而使物品集中在一條直線(xiàn)上，然后通過(guò)掃描平臺運送的指定區域進(jìn)行分揀處理。方案新穎獨到，采用這一方案獲得2016TI杯全國大學(xué)生電子設計大賽湖北省一等獎。同時(shí)該系統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(zhù)競爭的加劇，人們對物料的流動(dòng)速度要求越來(lái)越高，這樣的物料分揀系統現代傳輸系統和物流管理具有一定實(shí)用價(jià)值。