戴雪兒

摘 要：隨著工業(yè)自動化進(jìn)程不斷加快，工業(yè)機(jī)器人在其中扮演著越來越重要的角色。而搬運(yùn)機(jī)器人（AGV）又是工業(yè)機(jī)器人的代表。它可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運(yùn)、傳輸?shù)裙δ?；也可以用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)；同時(shí)可在車站、機(jī)場、郵局的物品分撿中作為運(yùn)輸工具。本款機(jī)器人是按照中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽（中學(xué)組）“光電車型搬運(yùn)機(jī)器人”項(xiàng)目的競賽要求，模擬工業(yè)自動化過程中自動化物流系統(tǒng)的作業(yè)過程通過顏色識別實(shí)現(xiàn)物料分揀并搬運(yùn)到目標(biāo)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：搬運(yùn)工程；光電車型；機(jī)器人；技術(shù)報(bào)告

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、總覽

此款機(jī)器人是一款基于STM32F103VET6主控芯片的三輪車型搬運(yùn)機(jī)器人。該主控芯片來自ST（意法半導(dǎo)體）公司，ARM Cortex TM—M3內(nèi)核，32位微控制器。配備一款2.8英寸、320*240分辨率的電容顯示屏，顯示OV7725攝像頭傳輸?shù)膱D像。通過攝像頭循跡、判別物塊顏色，通過水平的兩個(gè)夾子和垂直的一個(gè)鉤子來搬運(yùn)物塊，以完成比賽要求。作品如圖1所示。

二、設(shè)計(jì)背景

摘要：隨著工業(yè)自動化進(jìn)程不斷加快，工業(yè)機(jī)器人在其中扮演著越來越重要的角色。而搬運(yùn)機(jī)器人（AGV）又是工業(yè)機(jī)器人的代表。它可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運(yùn)、傳輸?shù)裙δ?；也可以用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)；同時(shí)可在車站、機(jī)場、郵局的物品分撿中作為運(yùn)輸工具。本款機(jī)器人是按照中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽（中學(xué)組）“光電車型搬運(yùn)機(jī)器人”項(xiàng)目的競賽要求，模擬工業(yè)自動化過程中自動化物流系統(tǒng)的作業(yè)過程通過顏色識別實(shí)現(xiàn)物料分揀并搬運(yùn)到目標(biāo)區(qū)域。

三、方案確定

1.主控芯片選取

單片機(jī)的種類非常多，每一種都有特定的性能和用途，必須根據(jù)項(xiàng)目的要求選取最適合的芯片，在達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量使成本降到最低，以達(dá)到最大的性價(jià)比。因?yàn)榇隧?xiàng)目要求對物塊的顏色和路徑進(jìn)行識別，必須用到能識別顏色的攝像頭，所以待處理的數(shù)據(jù)量較大，需選取一款工作速率較高、容易編程的芯片。通過比較，最終選擇ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32系列的芯片：STM32F103VET6。這是一款32位的微處理器，架構(gòu)： ARM Cortex-M3，程序內(nèi)存大?。?512KB，存儲器容量（RAM）： 64KB，CPU速度： 72MHz，輸入/輸出（I/O口）數(shù)： 80，完全能滿足此項(xiàng)目要求。

2.圖像傳感器選取

此項(xiàng)目要求能夠識別物塊的顏色，并根據(jù)不同顏色選取不同路徑，因此普通的線性CCD不能滿足要求，需要選取一款彩色的攝像頭。通過查找，最終選取帶FIFO的OV7725攝像頭。OV7725 是一個(gè)能夠提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器，它可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率 8/10 位圖像數(shù)據(jù)，支持的數(shù)據(jù)格式有很多種，包括 RAW RGB 、RGB （GRB 4：2：2、RGB565/555/444） 以及 YCbCr （4：2：2） 等格式。它的體積小，工作電壓低，具有單片 VGA 攝像頭影像處理器的功能，可以對圖像進(jìn)行伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等處理。

3.車型選擇

車型采用三輪車型，包括兩個(gè)驅(qū)動輪，一個(gè)支撐輪，一塊車身，以降低成本。驅(qū)動輪通過大扭力的360°舵機(jī)來控制，支撐輪用一個(gè)萬向輪替代，車身用亞克力板制作。整個(gè)車身小巧簡約，長寬為260mm*158mm，符合比賽的尺寸要求。

4.循跡方案選擇

通常的循跡有兩種方案：攝像頭循跡和紅外光電對管循跡。攝像頭循跡需要的算法復(fù)雜，但精度高；紅外光電對管循跡算法簡單，精度也不低。通過綜合比較，選擇使用“攝像頭+紅外對管”雙重循跡方案：攝像頭進(jìn)行粗略循跡，紅外對管進(jìn)行精確循跡，效果很好。

5.夾子鉤子繪圖構(gòu)造

需搬運(yùn)的物塊為中空圓柱形，根據(jù)其尺寸大小，設(shè)計(jì)了一款“夾子+鉤子”的搬運(yùn)方案，并通過CAD繪出實(shí)際圖形，用亞克力板打印，裝在車身前端，利用9g航模小舵機(jī)控制其閉合。

6.驅(qū)動器選擇

本款車型搬運(yùn)機(jī)器人需要兩種驅(qū)動器：一種是驅(qū)動鉤子和夾子開合的小型驅(qū)動器。由于鉤子夾子的轉(zhuǎn)動不需要太大的扭力，所以選擇小型的9g航模小舵機(jī)驅(qū)動即可。另一種是驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的較大型驅(qū)動器。由于車身的運(yùn)動狀態(tài)有前進(jìn)、倒退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)準(zhǔn)確的角度等，車輪的轉(zhuǎn)動也需要較大的扭力，所以選擇的驅(qū)動器必須能被精確的控制。這種驅(qū)動器有兩種：直流電機(jī)、360°大扭力舵機(jī)。直流電機(jī)價(jià)格低，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)動速度快，但是不能被精確控制，轉(zhuǎn)動誤差很大；360°大扭力舵機(jī)較為昂貴，轉(zhuǎn)動速度慢，但是精度高，容易控制。經(jīng)過實(shí)際測驗(yàn)比較，最終選擇360°大扭力舵機(jī)。

7.電源模塊

一個(gè)系統(tǒng)的電源模塊特別重要。本系統(tǒng)的電源需要給主控芯片、攝像頭、舵機(jī)、光電對管等持續(xù)供電，電源必須穩(wěn)定且容量大，能夠持續(xù)輸出。選擇無人機(jī)上用的大電壓大容量鋰離子電池，總電壓12.9V，容量為2200mAh，能夠持續(xù)輸出一個(gè)小時(shí)以上，再利用降壓模塊將到5V以供使用。

四、結(jié)構(gòu)說明

五、結(jié)構(gòu)詳解

1.STM32F103VET6主控芯片

內(nèi)核：ARM Cortex-M3

程序存儲區(qū)：512K

數(shù)據(jù)存儲區(qū)：64K

CPU速度：72MHz

2.OV7725攝像頭（圖3）

顯示模式：VGA模式

數(shù)據(jù)格式：RAW RGB、RGB（GRB4：2：2，RGB565/555/444）、 YCbCr （4：2：2）endprint

通過SCCB接口訪問其寄存器

體積小、電壓低

3.紅外光電對管（圖4）

紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或者紅外線接收管，或者紅外線接收頭配合在一起使用時(shí)候的總稱。接收器對外只有3個(gè)引腳：Out、GND、Vcc與單片機(jī)連接非常方便：

① OUT脈沖信號輸出，直接接單片機(jī)的IO 口；

② GND接系統(tǒng)的地線（0V）；③ VCC 接系統(tǒng)的電源正極（+5V）。

4.360°大扭力舵機(jī)（圖5）

工作的標(biāo)準(zhǔn)PWM脈寬0.5ms～2.5ms，周期為20ms，對應(yīng)頻率50Hz；脈寬為0.5ms～1.5ms時(shí)，舵機(jī)反轉(zhuǎn)；脈寬為1.5ms～2.5ms時(shí)，舵機(jī)正轉(zhuǎn)；工作電壓：5V

5.9g航模小舵機(jī)（圖6）

小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22/60度或0.18/60度。

引腳線：棕色——GND 紅色——VCC

橙色——信號

6.夾子鉤子

通過測量物塊的直徑和高，利用CAD繪圖軟件畫出夾子和鉤子的實(shí)際圖紙，最后用亞克力板打印，安裝到車身前端，如圖7和圖8所示。

六、技術(shù)細(xì)節(jié)

1.STM32F103VET6使用及編程

STM32系列芯片功能十分強(qiáng)大，內(nèi)部資源很豐富，但寄存器也很多，ST公司已經(jīng)對所有的寄存器的使用方法進(jìn)行了封裝，使用時(shí)按照規(guī)則直接調(diào)用即可。使用keil公司的編程工具——keil MDK進(jìn)行編程。有關(guān)keil MDK軟件的使用可以參考網(wǎng)上的資料，有關(guān)STM32的資源使用及編程可以參考《STM32中文參考手冊》。

2.OV7725攝像頭模塊

OV7670 包含有 656*488 圖像陣列，共包含 320128 個(gè)像素，但是實(shí)際有效的還是640*480 個(gè)，邊緣多出來的像素主要是為了去除一些影響邊緣失真特性而設(shè)立的。圖像陣列感知的原始信號（顏色&亮度）之后會輸送入模擬處理器進(jìn)行處理（比如通常所說的曝光控制和增益控制），經(jīng)處理后會被分成 G 和 BR 兩路通道進(jìn)入一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入 DSP 處理器作進(jìn)一步處理。

（1）OV7725管腳封裝

（2）OV7725管腳定義

（3）OV7725與FIFO連接的原理圖

（4）OV7725的編程原理。

從原理圖可知，WEN 與 HREF 作為與非門的輸入端，而與非門的輸出端口連接到FIFO 的 WE 端口，當(dāng) WEN 管腳跟 HREF 管腳電平都為高電平時(shí)，F(xiàn)IFO 的 WE 端口的電平值才為低電平。因此，如果我們允許圖像數(shù)據(jù)傳入 FIFO 時(shí)，我們可以把 WEN 拉高，當(dāng)攝像頭的 HREF 為高電平時(shí)，WE 為低電平，此時(shí)隨著 PCLK 的運(yùn)轉(zhuǎn)，攝像頭的像素?cái)?shù)據(jù)會被送入 FIFO，當(dāng) HREF 為低電平時(shí)，WE 的電平值為高電平，因此，即使 PCLK 仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，也不會傳送數(shù)據(jù)進(jìn)入 FIFO，從而防止采集到無效數(shù)據(jù)。

程序驅(qū)動部分思路流程大概如下：將攝像頭的場中斷信號送入單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)捕捉到場中斷信號時(shí)，拉高 WEN 管腳電平，之后整幅圖像的數(shù)據(jù)就會存入 FIFO。當(dāng)單片機(jī)再次捕捉到場中斷時(shí)，表明一幅圖像已經(jīng)送入 FIFO，此時(shí)，關(guān)閉場中斷，拉低 WEN 電平，防止攝像頭數(shù)據(jù)再次寫入 FIFO，并開始讀取 FIFO 數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩沖區(qū)，根據(jù)采集到的圖像做我們的應(yīng)用處理。應(yīng)用完成后，我們再次開啟場中斷，當(dāng)再次捕捉到場中斷時(shí)，再次拉高 WEN 管腳電平，繼續(xù)讓攝像頭數(shù)據(jù)存入 FIFO，完成后單片機(jī)讀取 FIFO 數(shù)據(jù)并應(yīng)用，如此循環(huán)。

（5）OV7725對采集的圖像進(jìn)行二值化處理

對圖像進(jìn)行二值化的算法是迭代閾值法。迭代閾值法的思想，主要是下面4條：

j求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Pmax和Pmin，令初始閾值T0=（Pmax+Pmin）/2；

k根據(jù)閾值T（k）（k=0，1，2...，k）將圖象分割為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值H1和H2；

l求出新閾值T（k+1）=（H1+H2）/2；

m若 T（k）-T（k+1）=X （一個(gè)預(yù)定義的參數(shù)范圍內(nèi)，自己設(shè)定），則所得即為閾值；否則轉(zhuǎn)k，迭代計(jì)算。這樣就可以逐漸逼近圖像二值化閾值。

3.360°大扭力舵機(jī)工作原理

360度舵機(jī)通過PWM控制它的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，標(biāo)準(zhǔn)的PWM波的周期是2000us，500-1500us脈寬的PWM控制其正轉(zhuǎn)，值越小，旋轉(zhuǎn)速度越大；1500-2500us脈寬的PWM控制其反轉(zhuǎn)，值越大，旋轉(zhuǎn)速度越大。1500us的PWM控制其停止。（由于每一個(gè)舵機(jī)的中位可能會不一樣，所以有些舵機(jī)可能是1520us的PWM，舵機(jī)才會停下來。所以需要自己實(shí)際測試出舵機(jī)的中位。）

4.9g航模小舵機(jī)工作原理

工作原理：內(nèi)部控制電路板接受到來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時(shí)，帶動位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。

舵機(jī)的控制信號為周期20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0°～180°，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個(gè)相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180度。

5.顏色識別

實(shí)現(xiàn)原理：將攝像頭的數(shù)據(jù)讀出寫入TFT屏，讀取TFT屏幕上的像素點(diǎn)的顏色進(jìn)行識別。由于RGB格式的顏色數(shù)據(jù)的效果不好，所以將其轉(zhuǎn)換為HSL格式數(shù)據(jù)。首先遍歷尋找腐蝕中心（即和給定的條件相符和的像素點(diǎn)），然后在之前腐蝕中心點(diǎn)處進(jìn)行迭代向外尋找新的腐蝕中心。腐蝕算法從該點(diǎn)開始分別向上下左右4個(gè)方向進(jìn)行讀點(diǎn)，若點(diǎn)的顏色符合條件則往外讀，等4個(gè)方向都結(jié)束后得到4個(gè)邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)，記左邊緣點(diǎn)的x軸坐標(biāo)為left，右邊緣點(diǎn)的x軸坐標(biāo)為right，上邊緣點(diǎn)的y軸坐標(biāo)為up，下邊緣點(diǎn)的y軸坐標(biāo)為bottom，那么坐標(biāo)（ （right-left）/2 ， （up-bottom）/2 ） 即為新的腐蝕中心。將識別到的顏色記錄在STM32的內(nèi)存中，通過判斷選擇相應(yīng)的路徑。

6.攝像頭+紅外對管循跡

STM32對攝像頭采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，此時(shí)TFT屏上顯示一副黑白圖像，黑色的是賽道，再根據(jù)賽道在屏幕中的位置，調(diào)整舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，以實(shí)現(xiàn)循跡。

機(jī)器人搬運(yùn)完一個(gè)物塊后，需返回中心，這時(shí)如果只用攝像頭進(jìn)行判斷，程序量大，而且不準(zhǔn)確，鑒于此缺點(diǎn)，在車身底部的適當(dāng)位置加了3個(gè)紅外對管，以輔助判斷。3個(gè)紅外對管的位置非常重要，如前面的結(jié)構(gòu)圖所示，在機(jī)器人未到達(dá)地圖中心時(shí)，3個(gè)紅外對管不會同時(shí)檢測到黑線，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)中心時(shí)，才會同時(shí)檢測到黑線。

七、注意事項(xiàng)

1.保證電源電量不低于11.4V，一旦低于立即停止工作并充電。

2.攝像頭的安裝高度和程序中的參數(shù)有關(guān)，必須保證其對應(yīng)關(guān)系。

結(jié)語

此款車型搬運(yùn)機(jī)器人外形簡約，成本較低，但功能豐富，性能較好，操作簡單。通過硬件裝配和軟件調(diào)試，可以自主識別顏色，根據(jù)識別到的顏色自主選擇路徑，可一次性完成所有任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]STM32中文參考手冊[Z].endprint