基于視覺(jué)識(shí)別的水面垃圾處理裝置

崔志遠(yuǎn) 曹文康 張志高 崔瑩超 孫喬寵

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于視覺(jué)識(shí)別的水面垃圾處理裝置主要由主控芯片（Arduino Mega2560）、視覺(jué)識(shí)別模塊、紅外測(cè)距模塊、機(jī)械臂控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

基于視覺(jué)識(shí)別的水面垃圾處理裝置的主要功能包括自動(dòng)航行、自主識(shí)別垃圾、機(jī)械臂輔助打撈。動(dòng)力裝置為位于尾部的雙螺旋槳推動(dòng)裝置，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置前進(jìn)；依靠尾部的雙螺旋槳速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。裝置前部的紅外測(cè)距模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置與水岸的距離，與水岸的距離達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎。動(dòng)力裝置輔以紅外測(cè)距模塊可以實(shí)現(xiàn)裝置在預(yù)設(shè)航線上的自主航行。裝置工作時(shí)，視覺(jué)識(shí)別模塊不斷對(duì)水面進(jìn)行檢測(cè)，OpenMv將識(shí)別的垃圾圖像處理成字符串?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給主控，主控向舵機(jī)發(fā)出動(dòng)作組指令，控制機(jī)械臂抓取垃圾。

1.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用由連桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)而成的MK2型機(jī)械臂。

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的動(dòng)力由3個(gè)舵機(jī)提供。動(dòng)作依靠?jī)蓚€(gè)多連桿結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)完成，左右兩側(cè)舵機(jī)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂左側(cè)舵機(jī)和右側(cè)舵機(jī)協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，左右兩側(cè)舵機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抬升，同時(shí)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂下降，左右兩側(cè)舵機(jī)轉(zhuǎn)向相反可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂前伸和回收，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以使機(jī)械臂處于任意姿態(tài)。

1.2 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械爪結(jié)構(gòu)由1個(gè)MG996舵機(jī)和兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)桿以及連接板組成，連接板用于連接機(jī)械臂左連桿和右連桿，轉(zhuǎn)桿固定在MG996舵機(jī)上。裝置待機(jī)時(shí)，機(jī)械爪處于閉合狀態(tài)，能夠減少占用空間；檢測(cè)到垃圾時(shí)，機(jī)械爪完全張開(kāi)，Arduino單片機(jī)控制機(jī)械臂伸展至垃圾旁邊，由舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)桿向中部靠攏，完成對(duì)垃圾的抓取。由程序驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂將抓取到的垃圾放置在船里。完成抓取和放置動(dòng)作后，主控繼續(xù)執(zhí)行下一條程序，機(jī)械爪恢復(fù)夾緊狀態(tài)。

機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)

基于視覺(jué)識(shí)別的水面垃圾處理裝置工作環(huán)境位于水面，機(jī)械爪結(jié)構(gòu)材料選用亞克力板，由非金屬激光切割機(jī)加工而成。機(jī)械爪上的電子元器件由3D打印件包絡(luò)，使用密封膠密閉。整機(jī)重量小、密封性好、綠色環(huán)保。

1.3 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)云臺(tái)主要由軸承、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、舵機(jī)構(gòu)成。軸承和旋轉(zhuǎn)臺(tái)間利用螺釘連接，舵機(jī)利用螺絲固定在軸承內(nèi)圈處。云臺(tái)主要承受機(jī)械臂總重造成的軸向力，軸承選擇可以承受軸向載荷的深溝球軸承。工作時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，軸承帶動(dòng)機(jī)械臂往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)云臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主控

主控采用Arduino Mega 2560單片機(jī)（MCU）。Arduino Mega 2560是基于ATmega 2560的微控制器，具有54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中15個(gè)可以作為PWM輸出）、16路模擬輸入端口、4路UART串口、16 MHz運(yùn)行頻率、USB連接口、ICSP頭和復(fù)位按鈕。USB線通過(guò)板載轉(zhuǎn)串口模塊輸入程序。與其他開(kāi)發(fā)板相比，Arduino具有編程環(huán)境簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)資料齊全、開(kāi)源性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以降低軟件編程部分的難度。因此，選用Arduino作為水面垃圾處理裝置的主控。

2.2 視覺(jué)識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)

裝置使用OpenMv機(jī)器視覺(jué)模塊，以STM32F427為主控，集成OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，利用C語(yǔ)言高效實(shí)現(xiàn)核心機(jī)器視覺(jué)算法，提供Python編程接口，使用者可以利用Python語(yǔ)言使用OpenMV提供的機(jī)器視覺(jué)功能。水面垃圾處理系統(tǒng)中，OpenMv被安裝在機(jī)械臂上，隨著機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)不停巡視船身四周，發(fā)現(xiàn)水面上的垃圾時(shí)，OpenMv會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)執(zhí)行編程好的舵機(jī)動(dòng)作組，控制機(jī)械臂拾取垃圾并放置在船上。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要采用E18-D80NK漫反射光電傳感器，具有測(cè)距、計(jì)數(shù)、避障等功能。裝置的傳感器的有效識(shí)別距離為80 cm，響應(yīng)時(shí)間小于2 ms，目標(biāo)物體的顏色和反射光不會(huì)影響測(cè)距結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)距和定位的功能，傳感器被設(shè)置在船頭左右舷處，左側(cè)傳感器用于檢測(cè)船頭到水岸的距離，右側(cè)傳感器用于記錄當(dāng)前位置。本系統(tǒng)與水岸距離達(dá)到傳感器設(shè)定距離時(shí)，傳感器信號(hào)接口處發(fā)生跳邊沿電平，主控芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路完成螺旋槳電機(jī)減速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎的操作，存儲(chǔ)在主控芯片內(nèi)部的標(biāo)志位數(shù)值進(jìn)行自加1運(yùn)算進(jìn)行定位。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序中，識(shí)別到垃圾時(shí)，OpenMv與Arduino單片機(jī)通信，使其控制電機(jī)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)以完成垃圾抓取功能。

主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

水面垃圾處理裝置對(duì)垃圾的識(shí)別功能主要依靠OpenMv實(shí)現(xiàn)，但OpenMv的視野范圍有限，不能有效識(shí)別視野盲區(qū)的垃圾[1]。為了保證裝置可以無(wú)死角、無(wú)盲區(qū)地識(shí)別垃圾，在機(jī)械臂底座安裝旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，由舵機(jī)提供動(dòng)力。工作中，主控芯片控制舵機(jī)以最大運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，OpenMv跟隨云臺(tái)不斷旋轉(zhuǎn)，可以有效地識(shí)別分析旋轉(zhuǎn)過(guò)程中掃過(guò)的地方。識(shí)別到垃圾時(shí)，主控芯片給舵機(jī)發(fā)出停止轉(zhuǎn)動(dòng)指令，此時(shí)OpenMv正對(duì)的地方為垃圾所在地，機(jī)械臂抓取時(shí)只需小幅度運(yùn)動(dòng)，能夠減少機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作組。

4.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

機(jī)械臂需要頻繁地完成抓取、放置動(dòng)作，機(jī)械臂行動(dòng)群過(guò)于復(fù)雜的情況下，生成冗余動(dòng)作組，導(dǎo)致工作時(shí)間增加。為了使機(jī)械臂的抓持、放置動(dòng)作最簡(jiǎn)化，采用多連桿結(jié)構(gòu)并聯(lián)的MK2機(jī)械臂[2-3]。該機(jī)械臂需要3個(gè)舵機(jī)，通過(guò)多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)完成移動(dòng)和所有的抓取、放置動(dòng)作。與使用多個(gè)舵機(jī)串聯(lián)連接的機(jī)械臂相比，舵機(jī)的數(shù)量減少，成本大幅降低，機(jī)械臂的動(dòng)作組得到簡(jiǎn)化。

4.3 測(cè)距傳感器的優(yōu)化

船只航行過(guò)程中，接近岸邊時(shí)需要及時(shí)拐彎。轉(zhuǎn)彎不及時(shí)或提前轉(zhuǎn)彎均會(huì)對(duì)水面垃圾清理工作帶來(lái)影響。漫反射光電傳感器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷并及時(shí)拐彎。為了應(yīng)對(duì)實(shí)際工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些情況，對(duì)傳感器的測(cè)量值進(jìn)行區(qū)分和優(yōu)化。為傳感器設(shè)定閾值及測(cè)量距離，傳感器遠(yuǎn)離或勻速接近障礙物時(shí)，主控芯片等待接收傳感器數(shù)據(jù)，傳感器與障礙物的距離達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)下降沿中斷，主控芯片接收中斷，執(zhí)行中斷程序，計(jì)算從低于閾值到高于閾值的時(shí)間，反映傳感器的靈敏度和誤差情況。

裝置在水面航行時(shí)不會(huì)始終保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)船只在水面航行可能產(chǎn)生的情況進(jìn)行3種試驗(yàn)，分別測(cè)試正常平穩(wěn)航行、加速航行、減速航行的狀況并得到返回?cái)?shù)據(jù)，后續(xù)處理數(shù)據(jù)時(shí)，采用類(lèi)似平均值濾波的辦法濾去傳感器自身的誤差和試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境因素誤差。

不同航行情況下傳感器返回的距離值如表1所示。

表1 不同航行情況下傳感器返回的距離值 單位：cm

由表1可知，不同航行速度對(duì)應(yīng)的距離變化不同，可以通過(guò)軟件編程使裝置在拐彎前判斷自身所處的航行狀態(tài)，精確地執(zhí)行轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，許多水面垃圾清理作業(yè)依靠人工完成，傳統(tǒng)的清洗方法耗費(fèi)長(zhǎng)、成本高、效率低。具有OpenMv、Arduino Mega 2560主控芯片且搭配漫反射光電測(cè)距模塊和MK2型機(jī)械臂的基于視覺(jué)識(shí)別的水面垃圾處理裝置具有自動(dòng)巡航、垃圾識(shí)別和自動(dòng)清洗功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。