胡澳,魏明亮
(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)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(yè)發(fā)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(jié)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(chǎn)品種類繁多,規(guī)格各異,因此很難集中和批處理達(dá)到。
本文在綜述國內(nèi)外現(xiàn)有包裹分揀系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,確定了包裹分揀機(jī)器人的總體設(shè)計方案。其中包裹分揀機(jī)器人的行走方式采用滾輪式行走結(jié)構(gòu),驅(qū)動電機(jī)控制車體行進(jìn)方向。采用單片機(jī)控制,配備OV2640攝像頭傳感器、紅外循跡傳感器等檢測環(huán)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。
本文所設(shè)計的包裹分揀機(jī)器人主要是由控制模塊,識別模塊,電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動模塊采用直流減速電機(jī),舵機(jī)和L298N電機(jī)驅(qū)動板構(gòu)成,驅(qū)動信號由控制模塊輸出,傳送至L298N驅(qū)動板控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動和機(jī)械手的抓??;識別模塊采用OV2640攝像頭模塊,通過對圖像二值化處理,實現(xiàn)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(guān)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(biāo),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(jìn)行一系列轉(zhuǎn)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(xiàn)包裹分類的功能。圖1為設(shè)計方案圖。
圖1 設(shè)計方案圖
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(jī),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(diào)試和JTAG接口調(diào)試,更加方便程序下載與驗證。非常適合本次設(shè)計要求。
2.2.1 OV2640模塊
OV2640攝像頭內(nèi)置采用了一個同時帶1/4寸圖片CMOS UXGA ( 1632×1232)的環(huán)形圖像處理傳感器。這種前置攝像頭不僅具備了相機(jī)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(dá)200萬多個像素的前置鏡頭,并且同時具備了內(nèi)置單片uxga系列攝像頭以及裝在相機(jī)上的數(shù)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制,能向單片機(jī)輸出整幀、縮放等影像數(shù)據(jù)。用戶在視頻拍攝時候還可以自由地自行選擇所要進(jìn)行拍攝的視頻圖像文件質(zhì)量、輸出的圖像信號和其他數(shù)據(jù)傳輸格式,例如:drgb565模式。ommivision彩色圖像光學(xué)傳感器處理是一種應(yīng)用其自身獨有的金屬圖像光學(xué)傳感器處理技術(shù),通過盡量減少或大大幅度消除各種金屬光學(xué)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(zhì)量,得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像[1]。
2.2.2 二維碼識別
條碼大致可以再細(xì)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(dǎo)致受到數(shù)據(jù)包含容量的約束,導(dǎo)致它只能被認(rèn)為是標(biāo)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(dāng)前階段我國特色社會主義農(nóng)業(yè)市場經(jīng)濟(jì)的不斷完善及現(xiàn)代信息電子技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步,國內(nèi)外的人們對二維數(shù)字條碼這種全新信息技術(shù)的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域范圍比較廣泛,具有重要技術(shù)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(tǒng)通過OV2640模塊拍攝二維碼圖片,然后對圖片進(jìn)行二值化操作,之后將其導(dǎo)入庫中進(jìn)行譯碼,得出坐標(biāo)信息例如X1Y1,最后導(dǎo)入到控制模塊中完成識別任務(wù)。其識別算法如下所示。
電機(jī)上的驅(qū)動芯片模塊由直流電機(jī)發(fā)動機(jī)和交流電機(jī)上的驅(qū)動模塊芯片共同組成,其中直流驅(qū)動電機(jī)上的驅(qū)動模塊芯片一般是直接采用一個l298n芯片來進(jìn)行驅(qū)動的,其實物圖如圖2所示,而交流電機(jī)上的驅(qū)動模塊芯片種類數(shù)量繁多,根據(jù)直流電機(jī)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和其它的工作運動原理,又一般可以將直流電機(jī)驅(qū)動劃分成兩為直流驅(qū)動電機(jī)和兩種交流驅(qū)動電機(jī)。其中異步直流電動機(jī)主要特點具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制造費用少以及制造成本較低的幾大特點,而且系統(tǒng)的基本工作效率高,運行可靠,普遍用于各種產(chǎn)業(yè)。因此本文采用的電機(jī)為直流減速電機(jī)和舵機(jī)。
圖2 L298N實物圖
L298N模塊主要由H橋集成電路組成,廣泛應(yīng)用于各種電動機(jī)負(fù)載。其具備充足且穩(wěn)定的電壓電流,是驅(qū)動直流電機(jī)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(jī)IO口連接,只需要控制單片機(jī)輸出高低電平信號,就能實現(xiàn)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動與逆時針轉(zhuǎn)動使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī),該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī),也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)[2],OUT1,OUT2、OUT3和OUT4分別對應(yīng)著電機(jī)A、電機(jī)B。通過使能EnA,EnB端口,控制電機(jī)的運行狀態(tài),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(dāng)ENA作為使能端,只有當(dāng)ENA有高電平時,控制對應(yīng)的IN1、IN2才會使電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動。當(dāng)ENA有低電平時,無論IN1、IN2輸入高低電平,電機(jī)仍處于停止?fàn)顟B(tài)。故利用此特性,可以通過單片機(jī)輸出的PWM波實現(xiàn)電機(jī)速度的控制。同理,ENB使能端對應(yīng)的IN3、IN4端口與ENA使能端對應(yīng)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
顯示屏幕的種類繁多,其中TFT( thin film transistor )又被人們統(tǒng)稱為一種具有薄膜電磁場效應(yīng)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(yīng)的晶體管來驅(qū)動。從而實現(xiàn)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。
作為包裹分類機(jī)器人,路線規(guī)劃是必不可少的環(huán)節(jié)。而本文路線規(guī)劃采用的傳感器為TCRT5000L紅外反射光電開關(guān)傳感器。此傳感器TCRT5000發(fā)射的紅外二極管連續(xù)發(fā)射紅外線。光敏晶體管是一種模塊,如果發(fā)出的紅外光沒有被反射或反射,但強(qiáng)度不夠強(qiáng)(表明二極管始終處于關(guān)閉狀態(tài)),則該模塊始終會提供高電平。當(dāng)檢測到的物體出現(xiàn)在檢測區(qū)域中時(指示二極管點亮),紅外線被反射并且強(qiáng)度足夠高,光敏晶體管飽和并且模塊現(xiàn)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
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(jī)器人程序流程圖
表2
實驗現(xiàn)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(biāo)信息,然后利用機(jī)械手抓取包裹,同時將坐標(biāo)信息顯示于液晶上面,再驅(qū)動小車從原點坐標(biāo)出發(fā),當(dāng)小車的四個紅外開關(guān)全部檢測到黑線時,紅外開關(guān)全部輸出為低電平,此時小車認(rèn)為經(jīng)過一個坐標(biāo)點。小車從原點開始先走x坐標(biāo)。到達(dá)x坐標(biāo)后進(jìn)行左轉(zhuǎn)進(jìn)入y坐標(biāo),然后到達(dá)y坐標(biāo)后驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行卸貨。卸貨完成后小車先左轉(zhuǎn),然后走回x坐標(biāo)的原點,之后再左轉(zhuǎn)進(jìn)入y坐標(biāo),直至走到y(tǒng)坐標(biāo)原點結(jié)束分揀,掃描二維碼后按此依次循環(huán)進(jìn)行。