基于STM32控制的物品分拣搬送装置

　　段丽娜 李若南 陈明 程清垚 李金龙 武昌首义学院(湖北 武汉 430064)

　　基金项目：2015年度湖北省教育厅科研计划指导性项目“多传感器数据融合技术在独轮车避障中的应用”(编号：B2015196)

　　引言

　　在传统的物料分拣系统中，一般使用纸制书面文件记录物料数据，在这样的物料分拣系统中，大部分工作靠人力手工完成，严重影响物料的传输效率。随着人们对物料的流动速度要求越来越高，这样的物料分拣系统已远远不能满足现代传输系统和物流管理的需要。传统的自动分拣系统，大多采用先定位，然后再用机械臂等大型设备进行分拣运输，这样的系统结构复杂，成本高昂，传输效率低，不能普及化。为了解决这一问题，我们建立一个电机横向/纵向扫描的平台来提高传输效率;采用先集中再处理的方式来提高分拣的精确度。该系统结构独特新颖，成本低廉，传输效率快，分拣物品的准确性高。

　　1系统控制方案

　　1.1系统总体方案

　　该物品分拣搬运系统可分为核心控制模块、电源模块、图像识别模块、显示模块、电机驱动模块、声光模块等构成。其系统总体框图如图1所示：

　　图1 系统总体框图

　　整个系统采用电机横向/纵向扫描平台，在纵向轴上放置四个直流电机，其中一组电机实现纵向扫描，另一组实现左右运动的横向扫描，完成物品分拣搬送。在二维基础上再加装摄像头及舵机在固定的丝杆上面，通过带编码器的直流电机控制摄像头和舵机在丝杆上移动，进而进行物品分拣搬送。

　　本系统采用TI公司的MSP430控制声光模块作为物品分拣装置的声光报警系统。一块STM32-f1(1)系列的单片机控制触控界面。另一块STM32-f1(2)系列的单片机作为主控制，主要是进行以下几个工作：一是对来自传感器的信号进行判断，进而驱动系统四个角的直流电机对横向/纵向扫描平台进行定位;二是对来自触控界面的信号作出判断，进而切换不同的运行模式;三是接收图像处理的信号，驱动电机横向/纵向扫描平台;其中物品的检测部分采用的是先集中在处理的方法：首先通过横向/纵向扫描平台将物品筛到一条直线上，并运送的物品检测区域，该检测区域的上方是一个固定的丝杆，丝杆上固定有摄像头和舵机及舵机滑杆，树莓派控制摄像头在规定的检测区域内对物品进行检测，将检测到的物品信息通过通信的方式传送给k60，k60根据信息来控制舵机和和电机的运动，进而实现对物品的筛分，物品检测完后，k60用通信的方式发信号给主控机(stm32-f1(2))，主控机控制横向/纵向扫描平台将筛分后物品搬运到指定区域。

　　1.2 系统硬件结构

　　硬件电路主要有电源模块，声光报警模块，传感器模块，光耦隔离模块，和驱动模块这几部分组成。下面主要介绍几个重要硬件电路。

　　系统的驱动模块采用双BTN7971大电流(70A)H桥驱动;与单片机完全光耦隔离，有效保护单片机;板子上有5v电源指示;电机驱动输出端电压指示;电源支持7.2-25V;驱动电路图如图2所示。

　　图2驱动电路图

　　在物品运送过程中，物品搬送速度是由测速传感器进行检测，其电路图如下图3所示：

　　图3测速传感器电路图

　　在物品分拣过程中定位采用红外对管，为了保护电路采用了光耦隔离器，其电路如下图4所示：

　　图4 光电隔离器

　　1.3 系统软件设计

　　整个系统在坐标内直接由二维结构控制电机运动，使物品搬送到指定位置，声光报警后电机复位;整个系统通过TFT触屏选择模式实现不同的电机运动形式，X、Y轴上一个电机实现纵向扫描，另一个实现左右运动的横向扫描，完成物品分拣搬送。在该区域内通过USB摄像头识别物品，将其中黑色物品扫向一侧，桔色物品扫向另一侧，并将不同颜色的物品搬送到各自指定位置。系统软件设计流程如下图5所示:

　　图5 软件设计流程图

　　2系统的调试

　　系统硬件的结构搭建完成后，基本就解决了物品运送的问题，所以现在主要的难题是物品的分拣，为了更好的进行分拣，我们采用一种新型的方法--先集中再处理即通过电机横向/纵向扫描平台将物品筛成一条直线(该直线与丝杆平行)并运送到指定区域(摄像头正下方)进行分拣。通过直流电机+编码器装置来控制丝杆转动(即控制摄像头在物品上方移动对物品进行识别)，通过舵机+连片装置来控制对识别的物品进行分拣。下面主要介绍主要装置的控制算法及数据分析。

　　2.1直流电机及编码器装置

　　在系统中丝杆的转动采用的是编码器加直流电机，电机转一圈，电机可以输出550个脉冲，倍频之后是2200。编码器的额定工作电压是5V,集成了上 拉电阻和比较整形功能，可以直接输出方波。

　　根据编码器反馈的AB两相的方波信号，可以对其进行计数，这样就可以计

　　算出车轮电机的转速。编码器的脉冲信号是正方波，每一个周期内都有一个上升沿和下降沿，这样就可以设置单片机的定时器对其进行捕获。单片机的定时器可以设置为正交解码模式，当编码器的两路信号同时传输的时候，可以分别识别其上升沿和下降沿，这样其精度就可以乘以二。因为AB两相信号的时间间隔刚好是四分之一周期，所以捕获两相信号的时候，可以实现倍频的效果。

　　2.2图像采集和处理

　　图像的采集是通过在树莓派上安装中文字体和OpenCV的大型程序，搭建qt的开发环境，利用搭建好的开发环境实现对图像的识别及处理，提取图像的特征以及完成对图像的基本变换，进而完成采集过程。

　　摄像头获取图像信息的具体步骤如下:

　　(1)通过摄像头读取当前一帧的图像;

　　(2)对图像的大小进行调整(方便图像像素点坐标与实际大小的换算);

　　(3)对图像进行中值滤波消除噪声点;

　　(4)对图像进行灰度处理并二值化;

　　(5)提取像素点小于100的像素点进行反色处理;

　　(6)对图像进行轮廓处理，并保存轮廓;

　　(7)对每个轮廓建立包围矩形，通过左上角的坐标加上一定的比例参数确定中心坐标;

　　(8)当有黑色中心在图像中心的范围时输出YES,否则输出NO。

　　根据占空比，先利用分区差分法得出物品在某一区，再结合算法得到物品在该区内的偏移坐标，利用该区域在坐标轴的位置得出物品所在点的坐标。

　　表1 阈值与中心点坐标的关系

　　通过反复的测试，然后从测试阈值和中心点的关系表如表1所示可以看出当阈值设置为(10，255)时可以准确的读出中心点的坐标。当然不同的光线，不同的位置对中心点坐标的位置有影响，所以需要具体的环境适当调整阈值。

　　2.3 树莓派UART端口配置

　　图像采集完后，需要将图像信息传送给从机(k60)，从机驱动舵机进行分拣。其中图像的信息传输是通过树莓派UART端口进行传输，Linux对所有设备的访问是通过设备文件来进行的，串口也是这样，为了访问串口，只需打开其设备文件即可操作串口设备。在Linux系统下面，每一个串口设备都有设备文件与其关联，设备文件位于系统的/dev目录下面。如Linux下的/ttyS0，/ttyS1分别表示的是串口1和串口2。

　　通过树莓派UART通信将摄像头采集的图像的信息发送给单片机k60，单片机k60根据过来的信号控制丝杆上的电机和舵机运动，实现物品的分拣。

　　2.4舵机及连片装置

　　舵机的控制脉冲周期 20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90 度到+90 度的位置。

　　表2 舵机输入脉冲与转动角度的关系

　　表2是舵机算法上加入偏差二次项ABC后舵机响应时间的变化。通过表格可以看出，加入偏差二次项后，舵机的响应时间得到了提高，进而转向性能得到了极大的提升。

　　数字舵机可以以很高的频率进行调节，这个周期和角度会变得非常小，并且有 PID 调节方式的存在，能够在以很适当的 PID 参数进行调节，能够让舵机有很高的响应速度，不会出现超调。

　　3 系统整体测试数据与结果分析

　　测试仪器：示波器，秒表，精度0.1cm卷尺，数字万用表。

　　测试方法：选用图5所示的测试模型场地，测试过程是将4cm的正方体物品置于A区域内(距探测边界≥5cm)任意一点，探测仪从探头进入区进入进行检测，在规定时限内对正方体物品进行定位并完成搬送。

　　图6 物品分拣系统测试场地模型图

　　系统各项运动指标的测试结果如下表3所示：

　　表3 各测试项目的测量结果

　　搬送装置实现物品在规定时间内尽快达到目标区域，横轴的右导轨向左方向运行，直到检测到B区的右边界时，停止右导轨的运动;纵轴的左导轨向下运动，直到检测到B区的上边界时，停止导轨的运动;通过GPIO发送完成信息，高电平，延时3秒，发送低电平;纵轴左导轨向上运动，检测到左导轨起始点，停止导轨运行;横轴右导轨向右运动，检测到右导轨起始点，停止导轨运行。

　　由表3的数据可以得出，该系统能够在一个 100cm×150cm的区域A内用小于10s的时间把区域A内的物品搬运到指定区域B或者C区域;并且能够将散落在A区的不同物品分拣开，并以小于60s的时间内分别搬运到B区域和C区域。

　　4 结论

　　本文设计的物品分拣装置结构新颖，不同于传统的定位分拣。该系统硬件结构上采用电机横向/纵向扫描平台来实现物品的搬运，简单高效。物品的分拣采用先集中后处理的方法，先通过扫描平台不停的筛动物品，从而使物品集中在一条直线上，然后通过扫描平台运送的指定区域进行分拣处理。方案新颖独到，采用这一方案获得2016TI杯全国大学生电子设计大赛湖北省一等奖。同时该系统也为我们提供一种新的解决物品分拣效率低难题的方案。随着竞争的加剧，人们对物料的流动速度要求越来越高，这样的物料分拣系统现代传输系统和物流管理具有一定实用价值。