超聲波測距系統(tǒng)在拆垛機器人上的應用

曹明 張苗苗 劉凱凱

摘? 要：針對超聲波測距在拆垛機上應用時容易發(fā)生測距跳變的問題，采用了一種簡單高效的算法進行濾波處理，具體過程是通過STM32控制KS103超聲波測距，STM32單片機將濾波后的數(shù)據(jù)通過232總線上傳給上位機，上位機控制拆垛機運動。試驗測試表明，通過該濾波算法后，KS103超聲波測距在拆垛機上，在0～1200mm之間的數(shù)據(jù)傳輸誤差不超過0.8%，提高了拆垛機的工作精度。

關(guān)鍵詞：拆垛機? 超聲波測距? 中值濾波? 通訊

中圖分類號：TP24 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0095-02

在一些袋裝物料倉庫內(nèi)，大部分袋裝物料的存儲是通過機器碼垛或者人工碼垛的方式碼放在托盤上，而出倉時是通過叉車將托盤一起運送出去，然后由人工拆垛裝車。隨著人工成本的提高，這種出倉方式不僅成本高，而且效率低。現(xiàn)提出一種全自動拆垛機，拆垛機采用的是直角坐標系，該類機器人適用于各種自動化加工設備，多應用于碼垛、搬運、拆垛、檢測等工作環(huán)境;其擁有的Y、Z各軸相互獨立，線性計算控制簡單;工作區(qū)域固定不易受現(xiàn)場環(huán)境影響;一般直角坐標系機器人使用壽命長，且便于維護。具體工作過程：當拆垛機Z軸、Y軸都在停留在起始位置時，首先檢查物料是否到位，物料到位后，測距儀開始工作，等待距離探測結(jié)束后，上位機判斷距離是否在允許的范圍，如果在允許的范圍內(nèi)，Z到達指定位置，Y軸開始刮板運動，否則YZ軸不運動。

拆垛機工作的中心環(huán)節(jié)是測距儀的測距以及數(shù)據(jù)的傳輸。測距以及傳輸?shù)姆€(wěn)定性直接影響到拆垛機的工作效率及可靠程度。選擇測距儀的工作要求是約束角小，測距準確，不易受環(huán)境的影響，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭欢ㄒ€(wěn)定可靠。

1? 測距儀的類型的選擇

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常會碰到一些需要接觸式和非接觸式測距的場合，而在工業(yè)中經(jīng)常用到的非接觸式測量距離的有紅外測距傳感器、電渦流測距傳感器等。

（1）紅外測距傳感器。激光紅外測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離[1]。但是該測距價格相對較高，增加拆垛機的成本，而且容易受到光照條件的影響。

（2）電渦流測距傳感器。電渦流測距儀是利用電渦流效應原理設計的用來測定物體間距離、位移、速度等參數(shù)，電渦流測距傳感器的測量范圍較寬[2]。但只能適應于檢測導電金屬材料，而拆垛機是面對的是袋裝物料，屬于不能產(chǎn)生渦流的非金屬材料。而且渦流效應的影響因素多，對于拆垛機復雜的工作環(huán)境不適用。

（3）超聲波測距。超聲波測距原理主要是利用超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波的時候開始計時，經(jīng)過超聲波在空氣中的傳播，遇到障礙物后返回到超聲波傳感器，超聲波傳感器一旦再次接收到反射的超聲波后計時器立即終止工作，超聲波傳感器結(jié)構(gòu)靈巧，對所檢測的物體沒有什么特殊的要求，在工業(yè)方面應用比較廣泛。

綜上說述，超聲波測距在自動拆垛機上應用比較合理。

2? KS103超聲波工作過程

2.1 KS103超聲波測距在拆垛機上的工作過程

自動拆垛機上主要用的通信方式是232通信和IIC通信，STM32控制KS103超聲波傳感器進行探測距離，當KS103超聲波傳感器采集回來的數(shù)據(jù)存儲在STM32中。當拆垛機需要距離的時候，工控機會通過232總線給STM32發(fā)送信號，將采集回來的數(shù)據(jù)上傳給工控機。

2.2 中值濾波處理

由于在現(xiàn)場測量距離時各個袋子之間有一定的距離間隔或是機器的抖動，每次探測的距離容易發(fā)生跳變，所以為了保證機器的安全運行，下位機的濾波處理顯得尤為重要。針對跳變這個問題，現(xiàn)采用中值濾波算法。

中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中的一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素接近真實值，從而消除孤立的噪聲點[5]。對于數(shù)字序列使用的方法是把每一個數(shù)據(jù)用它周圍鄰域一定數(shù)目的數(shù)據(jù)的中值替換。具體流程圖如圖1所示。

3? 實驗數(shù)據(jù)采集與分析

將采集回來的數(shù)導入MATLAB中生成曲線圖，由圖2看出沒有濾波的結(jié)果和有濾波的數(shù)據(jù)曲線相仿，上下跳變的幅度縮小，說明在測量時一些跳變的數(shù)已經(jīng)通過中值濾波算法篩選掉。如圖2所示，黑色曲線表示沒有加濾波的超聲波測試結(jié)果，淺灰曲線是加上濾波后的結(jié)果，試驗表明通過程序算法可以把一些比較大的數(shù)值去除掉，充分證明了算法的真實可靠性。

4? 結(jié)語

該文主要介紹了一種超聲波在拆垛機上的應用，由IIC總線通過STM32控制，采集回來的數(shù)據(jù)再由STM32通過232總線上傳給工控機，在該過程采用的中值濾波算法主要是過濾掉由于機器晃動或偶然間采集到的袋子空隙之間距離的異常數(shù)據(jù)。在MATLAB軟件下，由曲線可以看出采用算法前數(shù)據(jù)波動很大，而采用算法后數(shù)據(jù)緩和，所以該算法在拆垛機上應用有效。

參考文獻

[1] 尚君瑩，田學民，陳潔萌.脈沖激光測距系統(tǒng)及其算法研究[J].電子設計工程，2015（11）：99-101.

[2] 袁希光.傳感器技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[3] 徐恕宏.傳感器原理及其設計基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.

[4] 黃全品，王緒本.一種高效的基于閾值的圖像濾波算法及其實現(xiàn)[J].計算機仿真，2005（5）：111-114.