基于STM32單片機(jī)的包裹分類機(jī)器人

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(lái)，快遞市場(chǎng)一直在快速增長(zhǎng)，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(gòu)物公司以及春節(jié)前后，勞動(dòng)力市場(chǎng)混亂不堪，勞動(dòng)力短缺，勞動(dòng)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(guó)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(jì)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(dòng)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(cè)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。

1 總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的包裹分揀機(jī)器人主要是由控制模塊，識(shí)別模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊采用直流減速電機(jī),舵機(jī)和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制模塊輸出，傳送至L298N驅(qū)動(dòng)板控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械手的抓?。蛔R(shí)別模塊采用OV2640攝像頭模塊，通過對(duì)圖像二值化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹二維碼的識(shí)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(jì)橫向/縱向坐標(biāo)，走到投放點(diǎn)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(hào)，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(gè)模塊之間相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)包裹分類的功能。圖1為設(shè)計(jì)方案圖。

圖1 設(shè)計(jì)方案圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■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(shí)器和儲(chǔ)存器的單片機(jī)，它豐富的儲(chǔ)存器，為識(shí)別算法提供了充足的運(yùn)算空間。并且還擁有多個(gè)通信接口、高性能、低價(jià)格、低功耗等特點(diǎn)。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(yàn)證。非常適合本次設(shè)計(jì)要求。

■2.2 識(shí)別模塊

2.2.1 OV2640模塊

OV2640攝像頭內(nèi)置采用了一個(gè)同時(shí)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(shí)擁有了高達(dá)200萬(wàn)多個(gè)像素的前置鏡頭,并且同時(shí)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(hào)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(shí)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(hào)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(dú)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(shí)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(shí)會(huì)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(shí)出來(lái)的商品,而不是所有描述出來(lái)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(shí)別商品信息等功能。隨著當(dāng)前階段我國(guó)特色社會(huì)主義農(nóng)業(yè)市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外的人們對(duì)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?yàn)橛性S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(lái)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(duì)圖片進(jìn)行二值化操作,之后將其導(dǎo)入庫(kù)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(shí)別任務(wù)。其識(shí)別算法如下所示。

■2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)芯片模塊由直流電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和交流電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)模塊芯片共同組成,其中直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)模塊芯片一般是直接采用一個(gè)l298n芯片來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，其實(shí)物圖如圖2所示,而交流電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)模塊芯片種類數(shù)量繁多,根據(jù)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和其它的工作運(yùn)動(dòng)原理,又一般可以將直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)劃分成兩為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩種交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中異步直流電動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造費(fèi)用少以及制造成本較低的幾大特點(diǎn),而且系統(tǒng)的基本工作效率高,運(yùn)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(shí)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(dòng)機(jī)負(fù)載。其具備充足且穩(wěn)定的電壓電流，是驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的最佳選擇。不僅價(jià)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(hào)，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)[2]，OUT1，OUT2、OUT3和OUT4分別對(duì)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(yùn)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(shí)，控制對(duì)應(yīng)的IN1、IN2才會(huì)使電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)ENA有低電平時(shí)，無(wú)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(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制。同理，ENB使能端對(duì)應(yīng)的IN3、IN4端口與ENA使能端對(duì)應(yīng)的IN1、IN2端口原理相同，圖3為L(zhǎng)298N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(tǒng)稱為一種具有薄膜電磁場(chǎng)效應(yīng)的晶體管。其中我們所說的薄膜晶體管,就是指一個(gè)屏幕上每個(gè)像素點(diǎn)都由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)的晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)了高速地顯示一個(gè)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(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(huì)提供高電平。當(dāng)檢測(cè)到的物體出現(xiàn)在檢測(cè)區(qū)域中時(shí)（指示二極管點(diǎn)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

3 軟件系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

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

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)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(shí)別算法得出坐標(biāo)信息，然后利用機(jī)械手抓取包裹，同時(shí)將坐標(biāo)信息顯示于液晶上面，再驅(qū)動(dòng)小車從原點(diǎn)坐標(biāo)出發(fā)，當(dāng)小車的四個(gè)紅外開關(guān)全部檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外開關(guān)全部輸出為低電平，此時(shí)小車認(rèn)為經(jīng)過一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。小車從原點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)，之后再左轉(zhuǎn)進(jìn)入y坐標(biāo)，直至走到y(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)結(jié)束分揀，掃描二維碼后按此依次循環(huán)進(jìn)行。