基于STM32非接觸物體尺寸形態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

邱萌萌　劉瑞　徐林　沈洋洋

關(guān)鍵詞：STM32；openmv4；超聲波測距；電源；舵機(jī)

中圖分類號：TM938 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號：1009-3044（2023）14-0022-03

0 引言

工業(yè)的迅速發(fā)展與測量技術(shù)水平的提高是密不可分的，尤其是對機(jī)械工件的加工精度要求顯得尤為重要，其測量技術(shù)的發(fā)展離不開科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，縱觀生產(chǎn)發(fā)展的歷史，伴隨著對加工精度要求的提高，測量技術(shù)也在不斷地完善和發(fā)展。

為了高效生產(chǎn)、保護(hù)被測物體表面不被劃傷，非接觸測量技術(shù)應(yīng)運而生，尤其對柔軟物體測量較為重要，同時也為機(jī)械、計算機(jī)、電子和光學(xué)產(chǎn)業(yè)的飛躍發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，由于它具有非接觸、高速度和高精度的優(yōu)點，因此成為檢測技術(shù)發(fā)展主流方向。

目前非接觸測量技術(shù)發(fā)展如此迅速，主要有以下三個方面：第一是超聲波測量技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用較多，主要是不受各種環(huán)境以及磁場干擾的影響、成本低廉、測量精度較高、運行頻率適中等優(yōu)勢，因此超聲波測量技術(shù)發(fā)展較快，但是這種技術(shù)也有兩面性，其缺點也不容小覷，比如受空氣介質(zhì)、聲速等因素影響較明顯，魯棒性差，由于測試電路較為復(fù)雜，若要較高測量精度，需要另外多種補(bǔ)償即可。第二是激光尺寸測量技術(shù)，該技術(shù)測量精度較高，可達(dá)到0.5μm，發(fā)展比較成熟，分辨率較高、魯棒性強(qiáng)，測量范圍較廣；同時這種技術(shù)也存在弊端，即這種技術(shù)對設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求較復(fù)雜，成本昂貴，對環(huán)境指標(biāo)有一定的要求，更不便于維護(hù)等[1]。第三是圖像測量技術(shù)，即CCD（ChargeCoupled Devices）是一種傳感器件，它具有高分辨率、高靈敏度等特征，在進(jìn)行測量時，所需機(jī)械運動結(jié)構(gòu)比較簡單，而且采用非接觸式，因此減少了誤差存在的源頭，特別適用于小尺寸物體的測量有較為明顯的優(yōu)勢。

以STM32為控制核心的非接觸物體測量系統(tǒng)中，特別適用于小尺寸物體的測量，在工程檢測領(lǐng)域體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在非接觸測量中利用圖像測量技術(shù)對小尺寸進(jìn)行測量可以克服傳統(tǒng)測量方法中出現(xiàn)的一些問題，它不僅具有測量精度高、成本低廉、方便維護(hù)、操作簡單等優(yōu)點，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、智能化、動態(tài)測量，同時滿足非接觸測量的需求。因此，將圖像測量技術(shù)應(yīng)用于幾何測量，是今后幾何測量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由STM32F103型號的單片機(jī)作為主控核心、用攝像頭作為圖像采集模塊、利用超聲波模塊完成測距功能、同時電機(jī)及其控制模塊實現(xiàn)動態(tài)檢測、采用的直流穩(wěn)壓電源模塊實現(xiàn)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定等模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計方案[2]如圖1所示。下面分別介紹所采用的各模塊的相關(guān)參數(shù)。

1.1 主控模塊

采用的STM32F103ZET6 作為主控制模塊。STM32F103ZET6是一款性價比較高的單片機(jī)，存儲器內(nèi)存相對較大，有多個定時器和通信接口，工作頻率高，運行速度快。相較于AT89C51型號的單片機(jī)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、資源較豐富等優(yōu)點，但是僅有8位控制器的51系列單片機(jī)，由于它的資源有限，運行速度稍顯不足，難以存儲大體積的程序和實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。由于系統(tǒng)中使用攝像頭模塊，需要有較快的處理速度，較多的I/O口和較大的存儲器內(nèi)存[3]，所以采用STM32 作為主控模塊，其封裝如圖2 所示。

1.2 攝像頭

采用OpenMV4攝像頭，使用OpenMV4圖像處理模塊時，由于它是開源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，可以在單片機(jī)中運行，提供Python編程接口，常用算法有相關(guān)庫提供支持，底層功能無須自己實現(xiàn)，適合快速開發(fā)。相較于OV7725 COMS攝像頭，它屬于數(shù)字?jǐn)z像頭，具有高達(dá)150Hz幀頻率，采用BGA封裝，還具有較高分辨率，性能穩(wěn)定等特點。但是它靈敏度低，不適合高速運行。由于本系統(tǒng)要實現(xiàn)攝像頭對物體的快速識別，OpenMV4攝像頭更為適合。

1.3 超聲波測距

超聲波測距廣泛應(yīng)用于各種測距場景。由于其成本低廉，測量精度能夠滿足大多數(shù)場景的需求；雖然激光測距指向性好，測量精度高，并且量程較遠(yuǎn)，但是激光測距傳感器成本高。由于本系統(tǒng)測距只需要3 米左右，為了節(jié)約成本，所以選擇常用的超聲波測距。

1.4 電機(jī)

雖然直流電機(jī)力矩大，調(diào)速范圍廣，動態(tài)特性好，傳遞函數(shù)較為簡單，速度快，但只能對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可控性差，較難控制電機(jī)停止位置。而步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)開環(huán)控制，無須反饋信號，適合高精度的控制，使用時短距離頻繁動作較佳，但控制復(fù)雜、延遲值高、轉(zhuǎn)速慢，扭矩小，且動態(tài)特性差，難以處理，不適合實時控制。最終選用的舵機(jī)，具有較高的穩(wěn)定性，控制簡單，扭力大，成本低，可以提供更好的精度和更好的固定力量，并且防抖動性能優(yōu)越，響應(yīng)速度快，適合實時控制[4]。由于需要在攝像頭裝置需要在短時間內(nèi)自動尋找目標(biāo)后并保持穩(wěn)定，所以采用舵機(jī)來驅(qū)動。

2 理論分析與計算

通過攝像頭來進(jìn)行識別所要識別的物體的形狀，記錄在此位置所占像素的比例如10×10、20×20等，再用超聲波測量出攝像頭與所測物體的距離，可以計算出像素和距離之間的常數(shù)K。從而就可以憑借常數(shù)K，計算出在測量范圍內(nèi)任何一處物體的尺寸大小，下面進(jìn)行不同測量方法與分析。

2.1 圓形測量

任意一種顏色的圓形，放置在被測區(qū)，按下測量鍵，攝像頭識別被測物體，超聲波測距，在TFT彩屏上顯示圓的直徑，形狀和目標(biāo)與測量頭的距離。如圖3 所示。

2.2正方形測量

任意一種顏色的正方形，放置在被測區(qū)，按下測量鍵，攝像頭識別被測物體，超聲波測距，在TFT彩屏上顯示正方形的邊長，形狀和目標(biāo)與測量頭的距離。如圖4所示。

2.3三角形測量

任意一種顏色的三角形，放置在被測區(qū)，按下測量鍵，攝像頭識別被測物體，超聲波測距，在TFT彩屏上顯示三角的邊長，形狀和目標(biāo)與測量頭的距離，如圖5所示。

3 各電路模塊及原理

3.1 攝像頭圖像采集模塊

鏡頭首先采集被測物體，并將其生成光學(xué)圖像，然后將圖像投射至傳感器，同時轉(zhuǎn)為電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成圖像的數(shù)字信息[5]，最后將數(shù)字信息傳送至芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。Openmv4可以在單片機(jī)中運行，并且常用算法有相關(guān)庫提供支持，底層功能無須自己實現(xiàn)，適合快速開發(fā)。因此非常適合物體尺寸形態(tài)的測量。

3.2 超聲波測距模塊

超聲波測距與雷達(dá)測距原理雷同，它是通過超聲波發(fā)射器朝向某方向發(fā)射超聲波，同時開始計時，在傳播的途中遇到障礙物立即“反射”回去，當(dāng)超聲波的接收器收到反射波時，立即停止計時，即距離L=vt/2 計算得出[6]，如圖6為超聲波測距原理圖[7]。

3.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來進(jìn)行控制，控制線路是用來傳送脈沖，進(jìn)行控制電機(jī)工作。其工作原理是：通過電機(jī)工作帶動齒輪組，當(dāng)完成減速后，傳動至輸出舵盤，由于舵機(jī)輸出軸和位置反饋電位計相連，因此舵盤轉(zhuǎn)動的同時，反饋電位計也在轉(zhuǎn)動，同時將輸出電壓信號傳送至控制電路板，完成反饋。最終控制電路板根據(jù)目標(biāo)位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)位置立即停止[8]。可以實現(xiàn)對攝像頭的控制，如圖7為舵機(jī)原理圖。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

4.1測試方案

1）隨機(jī)選擇一個形狀的平面目標(biāo)，放在被測目標(biāo)放置區(qū)的中心線位置上，攝像頭識別物體以后，按測量鍵后開始測量，測量出該目標(biāo)物體邊長、幾何形狀和目標(biāo)與測量頭的距離，顯示在TFT彩屏上。

2）攝像頭處于中心線方向，在目標(biāo)放置區(qū)隨機(jī)選擇位置放一個物體，按下測量鍵后，攝像頭裝置自動尋找目標(biāo)，測量出該目標(biāo)物體邊長、幾何形狀和目標(biāo)與測量頭的距離，顯示在TFT彩屏上。

3）隨機(jī)抽取籃球、排球、足球中的一個，目標(biāo)擺在目標(biāo)放置區(qū)的任意位置，按下測量鍵后，攝像頭裝置自動尋找目標(biāo)，判斷球類品種、測量與球表面最近距離，顯示在TFT彩屏上。

4.2 測試結(jié)果

為了能夠準(zhǔn)確清晰地觀察到數(shù)值，將所做的實驗數(shù)據(jù)匯總，如表所示。

1）按照測量方案1測量，測量結(jié)果見表1。

2）按照測量方案2測量，測量結(jié)果見表2。

3）按照測量方案3測量，測量結(jié)果見表3。

4.3 測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)通過攝像頭采集物體的顏色、邊緣線、所占像素值、再結(jié)合測距模塊可實現(xiàn)對物體的尺寸形態(tài)測量。測距模塊在2～3m距離范圍內(nèi)測量準(zhǔn)確，攝像頭在2～3m距離范圍內(nèi)像素捕捉較為精準(zhǔn)，進(jìn)而兩者結(jié)合計算出的物體尺寸與實際相差不大。本系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)次調(diào)試，具有高效率、工作可靠、測量誤差較低的優(yōu)點。

4.4 結(jié)論

通過實驗表明，本系統(tǒng)可實現(xiàn)對小尺寸物體的測量，甚至是微小工件的測量，它不僅具有測量精度高、成本低廉、方便維護(hù)、操作簡單等優(yōu)點，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、智能化、動態(tài)測量，同時滿足非接觸測量的需求。尤其適用于工作環(huán)境復(fù)雜、較危險的場合，具有較廣闊的應(yīng)用前景。