基于STM32單片機的包裹分類機器人

胡澳，魏明亮

（南京工業大學浦江學院，江蘇南京，211100）

自2016年以來，快遞市場一直在快速增長，但缺乏高效，成本效益好的包裹處理解決方案已成為制約快遞行業發展的主要問題。一方面,在”雙11”和其他大型購物公司以及春節前后，勞動力市場混亂不堪，勞動力短缺，勞動力成本居高不下；另一方面，包裝產品種類繁多，規格各異，因此很難集中和批處理達到。

本文在綜述國內外現有包裹分揀系統的基礎上，確定了包裹分揀機器人的總體設計方案。其中包裹分揀機器人的行走方式采用滾輪式行走結構，驅動電機控制車體行進方向。采用單片機控制，配備OV2640攝像頭傳感器、紅外循跡傳感器等檢測環境信息，隨之將位置信息傳送至顯示屏上，并具有抓取放置功能。

1 總體電路結構設計

本文所設計的包裹分揀機器人主要是由控制模塊，識別模塊，電機驅動模塊，循跡模塊和顯示模塊組成，其中最重要的部分是控制模塊，采用STM32F4ZGT6為主控芯片。電機驅動模塊采用直流減速電機,舵機和L298N電機驅動板構成，驅動信號由控制模塊輸出，傳送至L298N驅動板控制電機的轉動和機械手的抓取；識別模塊采用OV2640攝像頭模塊，通過對圖像二值化處理，實現對包裹二維碼的識別；循跡模塊采用5路TCRT5000L紅外反射光電開關傳感器，使得載物小車沿著限定的路線尋走，計橫向/縱向坐標，走到投放點把貨物卸下；顯示模塊則使用TFT屏作為顯示器，通過傳感器模塊所傳遞的信號，在控制模塊中進行一系列轉換，最終傳送至TFT屏中顯示包裹的位置信息。通過各個模塊之間相互作用來實現包裹分類的功能。圖1為設計方案圖。

圖1 設計方案圖

2 硬件設計

■2.1 控制模塊

STM32F4系列是一款具有高性能的CPU、84MHz的晶振頻率、眾多的定時器和儲存器的單片機，它豐富的儲存器，為識別算法提供了充足的運算空間。并且還擁有多個通信接口、高性能、低價格、低功耗等特點。還可以選擇串行調試和JTAG接口調試，更加方便程序下載與驗證。非常適合本次設計要求。

■2.2 識別模塊

2.2.1 OV2640模塊

OV2640攝像頭內置采用了一個同時帶1/4寸圖片CMOS UXGA ( 1632×1232)的環形圖像處理傳感器。這種前置攝像頭不僅具備了相機體積小、重量輕、需要的空間光源少和電壓低,還同時擁有了高達200萬多個像素的前置鏡頭,并且同時具備了內置單片uxga系列攝像頭以及裝在相機上的數字影像信號處理器等所有主要功能。主要由s和sccb使用總線接口進行遠程控制,能向單片機輸出整幀、縮放等影像數據。用戶在視頻拍攝時候還可以自由地自行選擇所要進行拍攝的視頻圖像文件質量、輸出的圖像信號和其他數據傳輸格式,例如:drgb565模式。ommivision彩色圖像光學傳感器處理是一種應用其自身獨有的金屬圖像光學傳感器處理技術,通過盡量減少或大大幅度消除各種金屬光學或者金屬電子的圖像缺陷，例如消除固定彩色圖案的圖像噪聲、拉拖、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩定的彩色圖像[1]。

2.2.2 二維碼識別

條碼大致可以再細分為兩類第一類是一維條碼( one dimensional bar code ),一維條碼易被使用時會因其容易導致受到數據包含容量的約束,導致它只能被認為是標識出來的商品,而不是所有描述出來的商品。第二類是二維條碼( two dimensional bar code ),二維條碼很好地解決了一維條碼所面臨的問題,具有大容量和識別商品信息等功能。隨著當前階段我國特色社會主義農業市場經濟的不斷完善及現代信息電子技術的快速發展進步,國內外的人們對二維數字條碼這種全新信息技術的應用要求也與日俱增。

其中二維碼的條碼亦因為有許多不同的基本編碼方式,被人們稱為二維條碼制。按這些矩形碼制的基本結構編碼以及工作流程原理而言,通常大致來說可以將其劃分歸類為以下兩種編碼類型:二維行列并排式二維矩形條碼、矩陣式二維矩形條碼。其中矩陣式二維圖形條碼技術應用的領域范圍比較廣泛,具有重要技術代表性的矩陣式二維圖形條碼主要類 型 有:codeone、maxicode、qrcode、datamatrix等,而本文采用的則是QR Code條碼。

本系統通過OV2640模塊拍攝二維碼圖片,然后對圖片進行二值化操作,之后將其導入庫中進行譯碼,得出坐標信息例如X1Y1,最后導入到控制模塊中完成識別任務。其識別算法如下所示。

■2.3 電機驅動模塊

電機上的驅動芯片模塊由直流電機發動機和交流電機上的驅動模塊芯片共同組成,其中直流驅動電機上的驅動模塊芯片一般是直接采用一個l298n芯片來進行驅動的，其實物圖如圖2所示,而交流電機上的驅動模塊芯片種類數量繁多,根據直流電機的驅動結構和其它的工作運動原理,又一般可以將直流電機驅動劃分成兩為直流驅動電機和兩種交流驅動電機。其中異步直流電動機主要特點具有系統結構簡單、制造費用少以及制造成本較低的幾大特點,而且系統的基本工作效率高,運行可靠,普遍用于各種產業。因此本文采用的電機為直流減速電機和舵機。

圖2 L298N實物圖

L298N模塊主要由H橋集成電路組成，廣泛應用于各種電動機負載。其具備充足且穩定的電壓電流，是驅動直流電機的最佳選擇。不僅價格低廉、功耗低而且它的輸入端還可以直接與單片機IO口連接，只需要控制單片機輸出高低電平信號，就能實現電機順時針轉動與逆時針轉動使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機[2]，OUT1，OUT2、OUT3和OUT4分別對應著電機A、電機B。通過使能EnA，EnB端口，控制電機的運行狀態，其L298N邏輯原理圖如表1所示。

表1 L298N邏輯原理圖

由表1可得當ENA作為使能端，只有當ENA有高電平時，控制對應的IN1、IN2才會使電機發生轉動。當ENA有低電平時，無論IN1、IN2輸入高低電平，電機仍處于停止狀態。故利用此特性，可以通過單片機輸出的PWM波實現電機速度的控制。同理，ENB使能端對應的IN3、IN4端口與ENA使能端對應的IN1、IN2端口原理相同，圖3為L298N電路原理圖。

圖3 L298N電路原理圖

■2.4 顯示模塊

顯示屏幕的種類繁多,其中TFT( thin film transistor )又被人們統稱為一種具有薄膜電磁場效應的晶體管。其中我們所說的薄膜晶體管,就是指一個屏幕上每個像素點都由一個場效應的晶體管來驅動。從而實現了高速地顯示一個屏幕信息。所以本文采用的顯示器為TFT屏幕。

■2.5 循跡模塊

作為包裹分類機器人，路線規劃是必不可少的環節。而本文路線規劃采用的傳感器為TCRT5000L紅外反射光電開關傳感器。此傳感器TCRT5000發射的紅外二極管連續發射紅外線。光敏晶體管是一種模塊，如果發出的紅外光沒有被反射或反射，但強度不夠強（表明二極管始終處于關閉狀態），則該模塊始終會提供高電平。當檢測到的物體出現在檢測區域中時（指示二極管點亮），紅外線被反射并且強度足夠高，光敏晶體管飽和并且模塊現在處于低電平，其紅外傳感器電路原理圖如圖4所示。

圖4 紅外傳感器電路原理圖

3 軟件系統總體流程設計

程序流程圖如圖5所示，控制模塊的I/O地址分布如表2所示。

圖5 包裹分類機器人程序流程圖

表2

4 總結

實驗現象：核心板通過OV2640攝像頭采集二維碼圖像信息，通過圖像識別算法得出坐標信息，然后利用機械手抓取包裹，同時將坐標信息顯示于液晶上面，再驅動小車從原點坐標出發，當小車的四個紅外開關全部檢測到黑線時，紅外開關全部輸出為低電平，此時小車認為經過一個坐標點。小車從原點開始先走x坐標。到達x坐標后進行左轉進入y坐標，然后到達y坐標后驅動機械手進行卸貨。卸貨完成后小車先左轉，然后走回x坐標的原點，之后再左轉進入y坐標，直至走到y坐標原點結束分揀，掃描二維碼后按此依次循環進行。