張雪梅

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

1 綜述

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，生產(chǎn)生活變得更加高效，機(jī)械化和自動(dòng)化成為發(fā)展的主流。現(xiàn)有的自動(dòng)分揀系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)成熟。采用機(jī)械爪搬運(yùn)經(jīng)過單片機(jī)對(duì)I/O的循環(huán)掃描測(cè)得相應(yīng)的傳感器返回值工作，但運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，完成任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高。采用小車搬運(yùn)[1]，基于微積分微調(diào)預(yù)測(cè)算法程序調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使之快速到達(dá)道具的位置，進(jìn)而采用smith預(yù)測(cè)算法調(diào)控舵機(jī)[2]，使得夾子精確地夾取道具，使得小車達(dá)到能夠快速將比賽道具移至指定區(qū)域的任務(wù)要求。該程序采用雙算法修正，使整個(gè)裝置更精確，穩(wěn)定，但費(fèi)用要求高，小車在重復(fù)的進(jìn)行搬運(yùn)，耗費(fèi)時(shí)間也相對(duì)長(zhǎng)。電機(jī)搬運(yùn)[3]，選用STC51單片機(jī)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中央處理器的電機(jī)搬運(yùn)方法，通過提前在單片機(jī)輸入命令，在電機(jī)上放置擺臂，運(yùn)用四個(gè)電機(jī)工作，將物體放置指定地點(diǎn)，花費(fèi)時(shí)間少，用費(fèi)較低，能夠較快地進(jìn)行搬運(yùn)，但完成的精密數(shù)少，不能進(jìn)行有區(qū)別性的搬運(yùn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

通過比較，綜合考慮認(rèn)為在滿足功能要求的前提下51系列單片機(jī)相對(duì)來(lái)說(shuō)效率較高，成本最低。該物品分揀搬運(yùn)系統(tǒng)可分為核心控制模塊、電源模塊、顏色識(shí)別模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵檢測(cè)等構(gòu)成。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)上加上舵機(jī)在固定的絲桿上面，通過帶編碼器的直流電機(jī)和舵機(jī)在絲桿上移動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行物品分揀搬送。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 原理分析

2.2.1 物體辨別

根據(jù)紅外對(duì)管在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)物品進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的物品信息通過通信的方式傳送給STC51單片機(jī)[4]，通過單片機(jī)檢驗(yàn)的信息來(lái)控制舵機(jī)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，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。

2.2.2 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制方法

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，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[5]，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。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路如圖2所示，主要由電源模塊、舵機(jī)[6]、編碼器電機(jī)、紅外對(duì)管檢查顏色、dc轉(zhuǎn)換[7]這幾部分組成。UC2577是三端集成穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)輸出了+5V和+12V電源。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)和計(jì)數(shù)器8253進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號(hào)。

圖2 硬件電路原理圖

4 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。整個(gè)系統(tǒng)通過單片機(jī)進(jìn)行編碼器電機(jī)[8]編碼實(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)通過紅外對(duì)管檢驗(yàn)顏色，進(jìn)行顏色區(qū)分，然后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)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試儀器

物品分揀搬運(yùn)裝置，示波器，秒表，精度0.1 cm卷尺等。

5.2 測(cè)試方法

選用圖4所示的測(cè)試模型場(chǎng)地，測(cè)試過程是將4 cm的正方體物品置于A區(qū)域內(nèi)(距探測(cè)邊界≥5 cm)任意一點(diǎn)，探測(cè)儀從紅外測(cè)管進(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4 物品分揀系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地模型圖

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)?？v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GPIO發(fā)送完成信息[9]，高電平，延時(shí)3 s，發(fā)送低電平?？v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。

5.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5.4 測(cè)試結(jié)果分析

由表1的數(shù)據(jù)可以得出，該系統(tǒng)能夠在一個(gè)100 cm×150 cm的區(qū)域A內(nèi)用較短的時(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。后續(xù)將進(jìn)一步完善顏色識(shí)別系統(tǒng)，加入圖像識(shí)別算法[10]，使識(shí)別更加準(zhǔn)確。