搬運工程項目光電車型機器人技術報告

戴雪兒

摘 要：隨著工業自動化進程不斷加快，工業機器人在其中扮演著越來越重要的角色。而搬運機器人（AGV）又是工業機器人的代表。它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫療、食品、造紙等行業的柔性搬運、傳輸等功能；也可以用于自動化立體倉庫、柔性加工系統、柔性裝配系統；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。本款機器人是按照中國工程機器人大賽暨國際公開賽（中學組）“光電車型搬運機器人”項目的競賽要求，模擬工業自動化過程中自動化物流系統的作業過程通過顏色識別實現物料分揀并搬運到目標區域。

關鍵詞：搬運工程；光電車型；機器人；技術報告

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

一、總覽

此款機器人是一款基于STM32F103VET6主控芯片的三輪車型搬運機器人。該主控芯片來自ST（意法半導體）公司，ARM Cortex TM—M3內核，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攝像頭傳輸的圖像。通過攝像頭循跡、判別物塊顏色，通過水平的兩個夾子和垂直的一個鉤子來搬運物塊，以完成比賽要求。作品如圖1所示。

二、設計背景

摘要：隨著工業自動化進程不斷加快，工業機器人在其中扮演著越來越重要的角色。而搬運機器人（AGV）又是工業機器人的代表。它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫療、食品、造紙等行業的柔性搬運、傳輸等功能；也可以用于自動化立體倉庫、柔性加工系統、柔性裝配系統；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。本款機器人是按照中國工程機器人大賽暨國際公開賽（中學組）“光電車型搬運機器人”項目的競賽要求，模擬工業自動化過程中自動化物流系統的作業過程通過顏色識別實現物料分揀并搬運到目標區域。

三、方案確定

1.主控芯片選取

單片機的種類非常多，每一種都有特定的性能和用途，必須根據項目的要求選取最適合的芯片，在達到項目指標的基礎上，盡量使成本降到最低，以達到最大的性價比。因為此項目要求對物塊的顏色和路徑進行識別，必須用到能識別顏色的攝像頭，所以待處理的數據量較大，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（意法半導體）公司的STM32系列的芯片：STM32F103VET6。這是一款32位的微處理器，架構： ARM Cortex-M3，程序內存大小： 512KB，存儲器容量（RAM）： 64KB，CPU速度： 72MHz，輸入/輸出（I/O口）數： 80，完全能滿足此項目要求。

2.圖像傳感器選取

此項目要求能夠識別物塊的顏色，并根據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 位圖像數據，支持的數據格式有很多種，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，包括兩個驅動輪，一個支撐輪，一塊車身，以降低成本。驅動輪通過大扭力的360°舵機來控制，支撐輪用一個萬向輪替代，車身用亞克力板制作。整個車身小巧簡約，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：攝像頭進行粗略循跡，紅外對管進行精確循跡，效果很好。

5.夾子鉤子繪圖構造

需搬運的物塊為中空圓柱形，根據其尺寸大小，設計了一款“夾子+鉤子”的搬運方案，并通過CAD繪出實際圖形，用亞克力板打印，裝在車身前端，利用9g航模小舵機控制其閉合。

6.驅動器選擇

本款車型搬運機器人需要兩種驅動器：一種是驅動鉤子和夾子開合的小型驅動器。由于鉤子夾子的轉動不需要太大的扭力，所以選擇小型的9g航模小舵機驅動即可。另一種是驅動車輪轉動的較大型驅動器。由于車身的運動狀態有前進、倒退、左轉/右轉準確的角度等，車輪的轉動也需要較大的扭力，所以選擇的驅動器必須能被精確的控制。這種驅動器有兩種：直流電機、360°大扭力舵機。直流電機價格低，在實際的實驗中，轉動速度快，但是不能被精確控制，轉動誤差很大；360°大扭力舵機較為昂貴，轉動速度慢，但是精度高，容易控制。經過實際測驗比較，最終選擇360°大扭力舵機。

7.電源模塊

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

四、結構說明

五、結構詳解

1.STM32F103VET6主控芯片

內核：ARM Cortex-M3

程序存儲區：512K

數據存儲區：64K

CPU速度：72MHz

2.OV7725攝像頭（圖3）

顯示模式：VGA模式

數據格式：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候的總稱。接收器對外只有3個引腳：Out、GND、Vcc與單片機連接非常方便：

① OUT脈沖信號輸出，直接接單片機的IO 口；

② GND接系統的地線（0V）；③ VCC 接系統的電源正極（+5V）。

4.360°大扭力舵機（圖5）

工作的標準PWM脈寬0.5ms～2.5ms，周期為20ms，對應頻率50Hz；脈寬為0.5ms～1.5ms時，舵機反轉；脈寬為1.5ms～2.5ms時，舵機正轉；工作電壓：5V

5.9g航模小舵機（圖6）

小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉速也不是很快，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、技術細節

1.STM32F103VET6使用及編程

STM32系列芯片功能十分強大，內部資源很豐富，但寄存器也很多，ST公司已經對所有的寄存器的使用方法進行了封裝，使用時按照規則直接調用即可。使用keil公司的編程工具——keil MDK進行編程。有關keil MDK軟件的使用可以參考網上的資料，有關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 個像素，但是實際有效的還是640*480 個，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行處理（比如通常所說的曝光控制和增益控制），經處理后會被分成 G 和 BR 兩路通道進入一個 A/D 轉換器，轉換成數字信號后送入 DSP 處理器作進一步處理。

（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 WEN 管腳跟 HREF 管腳電平都為高電平時，FIFO 的 WE 端口的電平值才為低電平。因此，如果我們允許圖像數據傳入 FIFO 時，我們可以把 WEN 拉高，當攝像頭的 HREF 為高電平時，WE 為低電平，此時隨著 PCLK 的運轉，攝像頭的像素數據會被送入 FIFO，當 HREF 為低電平時，WE 的電平值為高電平，因此，即使 PCLK 仍在運轉，也不會傳送數據進入 FIFO，從而防止采集到無效數據。

程序驅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，當單片機捕捉到場中斷信號時，拉高 WEN 管腳電平，之后整幅圖像的數據就會存入 FIFO。當單片機再次捕捉到場中斷時，表明一幅圖像已經送入 FIFO，此時，關閉場中斷，拉低 WEN 電平，防止攝像頭數據再次寫入 FIFO，并開始讀取 FIFO 數據到內存緩沖區，根據采集到的圖像做我們的應用處理。應用完成后，我們再次開啟場中斷，當再次捕捉到場中斷時，再次拉高 WEN 管腳電平，繼續讓攝像頭數據存入 FIFO，完成后單片機讀取 FIFO 數據并應用，如此循環。

（5）OV7725對采集的圖像進行二值化處理

對圖像進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 （一個預定義的參數范圍內，自己設定），則所得即為閾值；否則轉k，迭代計算。這樣就可以逐漸逼近圖像二值化閾值。

3.360°大扭力舵機工作原理

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

4.9g航模小舵機工作原理

工作原理：內部控制電路板接受到來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。

舵機的控制信號為周期20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對應舵盤的位置為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相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍不能超過180度。

5.顏色識別

實現原理：將攝像頭的數據讀出寫入TFT屏，讀取TFT屏幕上的像素點的顏色進行識別。由于RGB格式的顏色數據的效果不好，所以將其轉換為HSL格式數據。首先遍歷尋找腐蝕中心（即和給定的條件相符和的像素點），然后在之前腐蝕中心點處進行迭代向外尋找新的腐蝕中心。腐蝕算法從該點開始分別向上下左右4個方向進行讀點，若點的顏色符合條件則往外讀，等4個方向都結束后得到4個邊緣點的坐標，記左邊緣點的x軸坐標為left，右邊緣點的x軸坐標為right，上邊緣點的y軸坐標為up，下邊緣點的y軸坐標為bottom，那么坐標（ （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的內存中，通過判斷選擇相應的路徑。

6.攝像頭+紅外對管循跡

STM32對攝像頭采集進來的數據進行二值化處理，此時TFT屏上顯示一副黑白圖像，黑色的是賽道，再根據賽道在屏幕中的位置，調整舵機的轉速和方向，以實現循跡。

機器人搬運完一個物塊后，需返回中心，這時如果只用攝像頭進行判斷，程序量大，而且不準確，鑒于此缺點，在車身底部的適當位置加了3個紅外對管，以輔助判斷。3個紅外對管的位置非常重要，如前面的結構圖所示，在機器人未到達地圖中心時，3個紅外對管不會同時檢測到黑線，只有當到達中心時，才會同時檢測到黑線。

七、注意事項

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有關，必須保證其對應關系。

結語

此款車型搬運機器人外形簡約，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試，可以自主識別顏色，根據識別到的顏色自主選擇路徑，可一次性完成所有任務。

參考文獻

[1]STM32中文參考手冊[Z].endprint