一種移動碼垛機(jī)器人視覺控制與定位*

徐　敏，陳州堯

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一種移動碼垛機(jī)器人視覺控制與定位*

徐敏1，陳州堯2

(1.廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門361024;2.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州341000)

對移動碼垛機(jī)器人視覺控制與定位的需求進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種攝像頭支架，提出了基于DSP控制3軸聯(lián)動的方案。利用TMS320F28335DSP增強(qiáng)型控制器的局域網(wǎng)通信接口eCAN模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與DSP實(shí)時(shí)通信；選用了3個(gè)增強(qiáng)型脈寬調(diào)制ePWM模塊，產(chǎn)生3路周期和頻率可調(diào)的PWM波用來驅(qū)動3個(gè)電機(jī)。通過該視覺系統(tǒng)對目標(biāo)物識別與三維定位，數(shù)據(jù)分析顯示定位結(jié)果均在目標(biāo)物的有效區(qū)域，表明攝像頭位姿控制準(zhǔn)確，證明了開發(fā)的攝像頭控制系統(tǒng)可滿足移動碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)的要求。

CAN總線通信；ePWM；視覺控制與定位；移動碼垛機(jī)器人

0　引言

碼垛機(jī)器人作為生產(chǎn)物流運(yùn)送環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，將機(jī)器視覺引入到碼垛機(jī)器人中，將提升碼垛機(jī)器人的靈活性[1]。現(xiàn)有引入機(jī)器視覺的碼垛機(jī)器人大多數(shù)采用了Eye-to-Hand系統(tǒng)，即攝像頭與機(jī)械臂分開，需給攝像頭配置專門的轉(zhuǎn)臺以跟蹤目標(biāo)。基于Eye-to-Hand系統(tǒng)的碼垛機(jī)器人要使機(jī)械臂能準(zhǔn)確搬運(yùn)目標(biāo)，一方面，圖像處理需準(zhǔn)確識別目標(biāo)、立體視覺需準(zhǔn)確定位目標(biāo)到攝像機(jī)坐標(biāo)系下，另一方面，攝像機(jī)坐標(biāo)系到機(jī)械臂坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換也要有精度保證。

現(xiàn)有基于機(jī)器視覺的碼垛機(jī)器人多被使用在流水作業(yè)中，機(jī)器人不能移動，攝像頭被固定在較高的地方，對準(zhǔn)一定的區(qū)域,例如文獻(xiàn)[2-6]中視覺系統(tǒng)就是采取了這種策略。雖然這種方式避免了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的誤差，但是極大的限制了碼垛機(jī)器人使用的場合，機(jī)動性較差。據(jù)此，對基于DSP控制的三軸聯(lián)動的攝像頭支架及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將其應(yīng)用到可移動碼垛機(jī)器人。通過對攝像頭位姿控制、對目標(biāo)物識別和三維定位，實(shí)驗(yàn)表明攝像頭位姿控制準(zhǔn)確，證明了攝像頭支架及其控制系統(tǒng)可應(yīng)用于移動碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)。

1　視覺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1研究對象

可移動碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)中攝像頭需要獲取地面上的目標(biāo)物相關(guān)信息，由于目標(biāo)分布范圍廣、高度不一，相應(yīng)的攝像頭應(yīng)具有前后上下左右旋轉(zhuǎn)功能，才能保證足夠的視場角來獲取大視野場景的信息。引入機(jī)器視覺的可移動碼垛機(jī)器人搬運(yùn)目標(biāo)物的示意圖如圖1。

圖1　碼垛示意圖

如圖1所示，視覺系統(tǒng)采用3個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動控制。具體是，電機(jī)a控制攝像頭上下運(yùn)動，電機(jī)b控制攝像頭前后轉(zhuǎn)動，電機(jī)c控制攝像頭左右轉(zhuǎn)動。

1.2硬件設(shè)計(jì)

從圖1中可看出攝像頭支架固定在移動小車上，需要控制攝像頭靈活轉(zhuǎn)動來采集圖像，且需利用攝像頭位姿信息將目標(biāo)物定位到機(jī)械臂坐標(biāo)系下。為控制攝像頭位姿，使用了TMS320F28335DSP核心板的串行端口外設(shè)中的兩個(gè)控制器局域網(wǎng)(CAN)模塊之一的eCAN-B模塊，讓其接收上位機(jī)通過USB接口CAN卡(ACUSB)發(fā)送的消息，再將消息換算為3個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動所需的脈沖個(gè)數(shù)。TMS320F28335DSP核心板具有6個(gè)獨(dú)立的ePWM外設(shè)模塊，每個(gè)ePWM模塊能輸出周期和頻率可調(diào)的兩路PWM信號[7]。選用其中3路PWM波輸入驅(qū)動器的PUL端控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。選用88個(gè)I/O口中任意6個(gè)，3個(gè)引腳用來與驅(qū)動器的DIR端相連，通過控制電平的高低實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向，另3個(gè)引腳與驅(qū)動器的ENA端相連，通過控制電平的高低實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停。實(shí)踐中，脈沖發(fā)出的個(gè)數(shù)采用CPU定時(shí)器0/1/2計(jì)數(shù)。當(dāng)脈沖的個(gè)數(shù)達(dá)到期望值時(shí)，PUL端、DIR端和ENA端的輸入信號全部置0。

由于TMS320F28335DSP開發(fā)板具有本系統(tǒng)所需要的外圍電路，但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制端為感性負(fù)載，且控制電壓(5V)高于DSP的輸出電壓(3.3V)，所以需要加一個(gè)3.3V轉(zhuǎn)5V的隔離電路。選用3個(gè)雙通道邏輯輸出的HCPL2630芯片作為光電耦合元件隔離干擾、保護(hù)開發(fā)板。其中，1個(gè)HCPL2630芯片組成的雙通道隔離電路如圖2所示。F28335DSP控制的攝像頭支架系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2　HCPL2630隔離電路

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分包括上位機(jī)軟件和以DSP28335為核心的下位機(jī)軟件，軟件相應(yīng)的功能流程圖如圖4。

圖4　軟件功能流程圖

上位機(jī)與DSP采用的是CAN總線通信，具體設(shè)置為：工作模式選0(正常模式)、位定時(shí)參數(shù)模式設(shè)置為1(SJA1000)、CAN位定時(shí)參數(shù)設(shè)置為0x00和0x1C(500kbps)、濾波方式設(shè)置為0(未設(shè)置濾波功能)、驗(yàn)收碼為0、屏蔽碼為0xFFFFFFFF、預(yù)留字段為0。最為關(guān)鍵的是幀ID的設(shè)置，當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)幀時(shí)，仲裁場由11位的標(biāo)識符和RTR位組成，標(biāo)識符位由消息標(biāo)識寄存器MSGID的ID[28:18]組成[8]。例如郵箱ID為0x101c0000，對應(yīng)的二進(jìn)制是0001 0000 0001 1100 0000 0000 0000 0000,將它的ID[28:18]位放置在上位機(jī)幀ID的ID[10:0]，其他位用0補(bǔ)全，用二進(jìn)制表示的32位幀ID為0000 0000 0000 0000 0000 0100 0000 0111，用16進(jìn)制表示為0x00000407。制作的上位機(jī)界面如圖5。

圖5　上位機(jī)界面

2　目標(biāo)物識別

碼垛機(jī)器人移到目標(biāo)物附近停下來，采集到目標(biāo)物圖像后，需進(jìn)行圖像處理將多目標(biāo)物一一識別出來。由于目標(biāo)物的視覺特征，單一的數(shù)字模型難以準(zhǔn)確描述時(shí)，會采用多種描述來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)逐步的識別[9-10]。例如目標(biāo)物是袋裝物料，且中間標(biāo)志明顯，可從標(biāo)志的顏色特征入手(如圖6a)；如果袋裝物料為純色，就需先通過閾值識別出整個(gè)袋裝物料的區(qū)域，再從單個(gè)物料包的邊緣信息入手，分割出一個(gè)個(gè)物料包(如圖6b)；對于袋裝物料的特征太多，且中心區(qū)域難以識別的情況，可以先根據(jù)顏色信息獲取每個(gè)袋裝物料的大致范圍，再將它與匹配模板進(jìn)行基于SURF算法的匹配，實(shí)現(xiàn)逐一確定每個(gè)物料包的中心區(qū)域(如圖6c)。

(a)識別標(biāo)志(b)識別邊緣(c)顏色+surf識別

圖6三種物料包識別

3　三維定位與結(jié)果分析

通過上位機(jī)控制攝像機(jī)支架轉(zhuǎn)至指定位姿，通過對圖6b圖像分析，獲取5個(gè)物料包在攝像機(jī)坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將它們的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂坐標(biāo)系下。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換根據(jù)如下公式(1)。

(1)

在公式(1)中，(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)分別表示攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械臂坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，Δx,Δy,Δz為攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)沿機(jī)械臂坐標(biāo)系的x,y,z軸負(fù)方向移動到與機(jī)械臂坐標(biāo)系原點(diǎn)重合所需要移動的距離。α,β為攝像機(jī)前后和左右旋轉(zhuǎn)的角度，sinα,cosα,sinβ,cinβ簡寫為sα,cα,sβ,cβ。圖6b中5個(gè)物料包視覺定位是在Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.29,α=42,β=0與Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.39,α=30,β=15時(shí)即電機(jī)a上升0.29cm，電機(jī)b向前轉(zhuǎn)42°，電機(jī)c不動和電機(jī)a上升0.39cm，電機(jī)b向前轉(zhuǎn)30°，電機(jī)c向左轉(zhuǎn)15°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1　三維定位1

表2　三維定位2

由于碼垛實(shí)踐中目標(biāo)物多為類似物料包的物體，目標(biāo)有效區(qū)域?yàn)榘霃酱笥?cm的圓，所以x軸和y軸的誤差在有效的范圍內(nèi)。由于z方向靠推桿使吸盤下壓與物料包表面貼合，推桿下壓的范圍為0～10cm，下壓過程中碰到物體會停止，所以z方向的誤差在有效范圍內(nèi)。三維定位結(jié)果可作為機(jī)械臂逆運(yùn)算的依據(jù)。

4　結(jié)論

基于TMS320F28335DSP控制的三軸聯(lián)動的攝像頭支架及其控制系統(tǒng)應(yīng)用于移動碼垛機(jī)器人中，通過上位機(jī)控制攝像頭的位姿，利用該系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)物識別和三維定位，結(jié)果顯示目標(biāo)物定位滿足要求，表明了攝像頭位姿控制準(zhǔn)確，該視覺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳州堯,徐敏,蘇鷺梅.一種碼垛視覺系統(tǒng)中物料袋的識別與定位方法[J].制造業(yè)自動化,2015,37(3):47-49.

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[5] 李中生.機(jī)器視覺在機(jī)器人碼垛系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2014.

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(編輯李秀敏)

AMobilePalletizingRobotVisionControlandLocate

XUMin1，CHENZhou-yao2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,XiamenUniversityofTechnology,XiamenFujian361024,China;2.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,GanzhouJiangxi341000,China)

Acamerabracketwith3-axisandcontrolsystembasedonDSPisdesignedforthedemandofvisioncontrolandpositioningofmobilepalletizingrobot.EnhancedcontrollerareanetworkcommunicationinterfaceofTMS320F28335DSPisappliedtoachievePCandDSPreal-timecommunication.Consideredcharacteristicofsteppermotors,3enhancedpulsewidthmodulationmodulesisusedtoproduce3-wayadjustableperiodandfrequencyPWMwaves,whichisusedtodrive3motors.Objectidentificationandthree-dimensionalpositioningisimplementedbythisvisionsystemanddataanalysisshowedthattheresultsofpositioninginthetargetobject’seffectivearea.Thestrategycanassuretoaccuratecontrolcamerabracket,meetthevisionsystem’srequirementsofmobilepalletizingrobot.

CANbuscommunication;ePWM;visualcontrolandpositioning;mobilepalletizingrobot

1001-2265(2016)08-0093-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.026

2015-08-11

2014年福建省科技廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014H0047)；2014年廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20143034)

徐敏(1963 —)，男，福建龍巖人，廈門理工學(xué)院教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)，(E-mail)xuminxx26@163.com；

陳州堯(1989—)，男，湖北仙桃人，江西理工大學(xué)碩士研究生生，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺，(E-mail)462290103@qq.com。

TH166;TG506

A