第 4 卷 第 3 期 2023 年 8 月 Vol 4 No 3 August 2023 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報 中 英 文 Journal of Intelligent Agricultural Mechanization 基 于 嵌 入 式 機 器 視 覺 智 能 果 實 分 揀 機 器 人 設(shè) 計 與 試 驗 白 振 偉 嚴 富 威 袁 培 海 張 浩 明 楊 潤 樹 仲 愷 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 院 機 電 工 程 學(xué) 院 廣 東 廣 州 510225 摘 要 隨 著 人 工 成 本 的 升 高 采 用 智 能 化 的 現(xiàn) 代 設(shè) 備 代 替 人 類 完 成 一 系 列 重 復(fù) 性 的 枯 燥 的 甚 至 高 強 度 的 勞 動 是 當(dāng) 前 機 器 人 研 究 的 一 個 重 要 方 向 分 揀 機 器 人 作 為 農(nóng) 業(yè) 機 器 人 的 重 要 分 支 具 有 良 好 的 發(fā) 展 潛 力 為 了 實 現(xiàn) 替 代 人 工 將 成 熟 度 大 小 不 同 的 果 實 進 行 識 別 分 揀 運 用 STM32 單 片 機 OpenMV 機 器 視 覺 模 塊 ESP32 單 片 機 設(shè) 計 一 款 智 能 分 揀 果 實 機 器 人 OpenMV 機 器 視 覺 模 塊 采 集 果 實 的 顏 色 大 小 信 息 判 斷 水 果 是 否 成 熟 STM32 單 片 機 控 制 機 器 人 的 運 動 以 及 機 械 臂 執(zhí) 行 相 應(yīng) 的 分 揀 程 序 將 水 果 分 揀 到 指 定 容 器 ESP32 單 片 機 將 分 揀 數(shù) 據(jù) 上 傳 到 云 端 機 器 人 在 設(shè) 計 過 程 中 使 用 三 維 建 模 軟 件 進 行 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 建 立 三 維 模 型 并 進 行 仿 真 分 析 仿 真 結(jié) 果 表 明 在 一 定 程 度 上 能 夠 實 現(xiàn) 分 揀 自 動 化 信 息 化 高 效 化 在 研 究 中 對 實 物 進 行 多 次 兩 個 分 揀 點 調(diào) 試 一 共 分 揀 了 24 顆 果 實 對 果 實 的 分 揀 的 成 功 率 達 到 87 5 研 究 結(jié) 果 表 明 分 揀 機 器 人 能 夠 實 現(xiàn) 精 準(zhǔn) 分 揀 且 達 到 一 定 的 可 靠 性 和 實 用 性 可 以 替 代 人 類 完 成 果 實 精 準(zhǔn) 分 揀 的 工 作 關(guān) 鍵 詞 STM32 OpenMV 智 能 分 揀 ESP32 PID 控 制 逆 運 動 學(xué) 分 析 中 圖 分 類 號 S226 9 文 獻 標(biāo) 識 碼 A 文 章 編 號 2096 7217 2023 03 0061 10 白 振 偉 嚴 富 威 袁 培 海 張 浩 明 楊 潤 樹 基 于 嵌 入 式 機 器 視 覺 智 能 果 實 分 揀 機 器 人 設(shè) 計 與 試 驗 J 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報 中 英 文 2023 4 3 61 70 BAI Zhenwei YAN Fuwei YUAN Peihai ZHANG Haoming YANG Runshu Design and experiment of fruit sorting robot based on embedded machine vision J Journal of Intelligent Agricultural Mechanization 2023 4 3 61 70 0 引 言 我 國 是 農(nóng) 業(yè) 大 國 水 果 產(chǎn) 業(yè) 是 我 國 種 植 業(yè) 中 的 第 三 大 產(chǎn) 業(yè) 當(dāng) 前 我 國 水 果 產(chǎn) 量 每 年 都 在 急 劇 增 長 據(jù) 統(tǒng) 計 未 來 10 年 水 單 產(chǎn) 繼 續(xù) 提 高 產(chǎn) 量 穩(wěn) 中 有 增 品 種 結(jié) 構(gòu) 進 一 步 優(yōu) 化 優(yōu) 質(zhì) 水 果 供 給 增 加 預(yù) 計 2032 年 達 3 53 10 8 t 1 其 中 水 果 分 揀 是 水 果 產(chǎn) 業(yè) 中 最 耗 時 耗 力 的 環(huán) 節(jié) 之 一 分 揀 環(huán) 節(jié) 成 本 高 季 節(jié) 性 強 需 要 大 量 勞 動 力 高 強 度 工 作 2 其 中 水 果 的 采 摘 和 分 揀 工 作 是 水 果 生 產(chǎn) 必 不 可 少 的 環(huán) 節(jié) 僅 靠 傳 統(tǒng) 人 力 進 行 采 摘 分 揀 果 實 工 作 強 度 大 耗 費 時 間 長 而 隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 進 步 水 果 采 摘 分 揀 工 作 逐 漸 向 自 動 化 智 能 化 的 方 向 發(fā) 展 極 大 提 高 了 水 果 分 揀 效 率 3 按 照 水 果 的 內(nèi) 外 部 品 質(zhì) 和 大 小 重 量 進 行 分 揀 是 當(dāng) 前 國 內(nèi) 外 水 果 分 揀 技 術(shù) 的 兩 個 主 要 研 究 方 向 1 國 外 早 期 的 水 果 品 質(zhì) 方 法 主 要 通 過 CCD 彩 色 相 機 采 用 無 損 檢 測 計 算 機 分 析 處 理 等 手 段 對 水 果 逐 一 進 行 分 析 但 隨 著 自 動 化 技 術(shù) 和 機 器 視 覺 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 1995 年 美 國 研 制 的 Merling 高 速 高 頻 計 算 機 視 覺 水 果 分 級 系 統(tǒng) 其 生 產(chǎn) 率 約 為 40 t h 美 國 每 年 有 50 以 上 的 蘋 果 經(jīng) 過 該 設(shè) 備 處 理 美 國 Autoline 公 司 的 水 果 分 級 設(shè) 備 在 世 界 上 處 于 領(lǐng) 先 地 位 4 相 較 于 國 外 的 水 果 分 揀 技 術(shù) 產(chǎn) 品 國 內(nèi) 的 分 揀 產(chǎn) 品 還 是 較 為 落 后 大 多 數(shù) 產(chǎn) 品 還 都 局 限 于 機 械 分 揀 階 段 主 要 用 來 對 水 果 的 大 小 和 重 量 進 行 分 揀 目 前 市 面 上 的 分 揀 機 有 滾 筒 篩 式 震 動 篩 式 斜 坡 式 以 及 直 線 型 變 距 分 揀 機 等 這 一 類 機 器 的 分 揀 原 理 主 要 是 通 過 果 實 的 重 量 和 大 小 來 進 行 分 揀 5 這 種 分 揀 方 式 精 度 差 無 法 判 斷 水 果 成 熟 度 且 對 水 果 有 不 同 程 度 的 損 傷 隨 著 嵌 入 式 控 制 技 術(shù) 和 圖 像 處 理 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 使 得 當(dāng) 前 較 為 先 進 的 分 揀 機 器 人 可 以 根 據(jù) 水 果 的 外 形 大 小 顏 色 等 指 標(biāo) 通 過 機 械 臂 對 果 實 進 行 分 揀 這 種 分 揀 方 式 精 度 高 對 果 實 的 損 耗 小 是 未 來 分 揀 機 器 人 的 一 種 新 趨 勢 DOI 10 12398 j issn 2096 7217 2023 03 007 收 稿 日 期 2023 03 15 修 回 日 期 2023 07 19 基 金 項 目 廣 東 省 教 育 廳 項 目 2022ZDJS024 仲 愷 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 院 2021 年 校 級 質(zhì) 量 工 程 項 目 KA2201601L7 國 家 創(chuàng) 新 創(chuàng) 業(yè) 訓(xùn) 練 計 劃 項 目 KA220160516 第 一 作 者 白 振 偉 男 1985 年 生 江 西 石 城 人 博 士 講 師 研 究 方 向 為 高 精 密 加 工 與 制 造 裝 備 及 機 電 產(chǎn) 品 設(shè) 計 E mail baizhenwei07 2023 年 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報 中 英 文 本 文 將 基 于 STM32 單 片 機 OpenMV 機 器 視 覺 模 塊 設(shè) 計 一 款 智 能 分 揀 果 實 機 器 人 其 中 STM32 單 片 機 作 為 智 能 分 揀 果 實 機 器 人 的 主 控 制 器 利 用 OpenMV 機 器 視 覺 模 塊 識 別 獲 取 果 實 信 息 通 過 USART 通 信 將 數(shù) 據(jù) 傳 輸 到 主 控 制 器 主 控 制 器 接 收 數(shù) 據(jù) 后 驅(qū) 動 機 械 臂 完 成 果 實 分 揀 1 設(shè) 計 原 理 及 構(gòu) 造 設(shè) 定 有 A B 兩 種 體 積 大 小 不 同 的 水 果 兩 種 類 型 的 水 果 均 有 紅 綠 兩 種 顏 色 需 要 將 綠 色 的 水 果 按 小 大 分 類 至 1 2 號 果 籃 紅 色 的 水 果 同 樣 按 小 大 分 類 至 3 4 號 果 籃 試 驗 場 地 模 型 圖 如 圖 1 所 示 6 該 控 制 系 統(tǒng) 主 要 包 括 循 跡 識 別 和 抓 取 三 個 過 程 具 體 的 工 作 原 理 及 流 程 分 揀 機 器 人 啟 動 后 通 過 車 前 底 部 的 紅 外 循 跡 模 塊 對 地 面 的 黑 色 引 導(dǎo) 線 進 行 識 別 控 制 分 揀 機 器 人 前 進 的 方 向 行 駛 途 中 檢 測 到 分 類 點 的 停 止 線 后 停 下 并 啟 動 視 覺 模 塊 視 覺 模 塊 對 水 果 的 顏 色 大 小 進 行 分 析 同 時 車 前 端 的 HC SR04 超 聲 波 模 塊 對 果 實 和 分 揀 機 器 人 的 距 離 進 行 測 量 將 距 離 信 息 以 及 果 實 信 息 傳 輸 至 單 片 機 單 片 機 對 得 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 計 算 控 制 機 械 臂 對 水 果 進 行 抓 取 分 類 抓 取 完 成 后 繼 續(xù) 沿 著 引 導(dǎo) 線 至 下 一 個 分 類 點 該 分 揀 機 器 人 的 關(guān) 鍵 部 件 由 機 械 臂 結(jié) 構(gòu) 直 流 減 速 電 機 MG945S 舵 機 組 成 其 中 直 流 減 速 電 機 采 用 的 是 MG513P10 12V 型 號 電 機 尾 部 集 成 有 編 碼 器 與 電 機 轉(zhuǎn) 子 同 軸 反 饋 出 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 實 現(xiàn) 閉 環(huán) 控 制 2 機 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 對 于 整 體 車 身 和 機 械 臂 結(jié) 構(gòu) 等 各 零 部 件 材 料 方 面 采 用 具 備 精 確 和 耐 久 特 性 類 ABS 的 立 體 光 造 型 樹 脂 未 來 R4600 樹 脂 可 應(yīng) 用 于 汽 車 醫(yī) 療 消 費 電 子 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 的 概 念 模 型 亦 可 用 于 一 般 部 件 功 能 性 部 件 的 制 作 該 材 料 的 性 能 參 數(shù) 如 表 1 所 示 該 材 料 能 夠 打 印 對 精 度 和 韌 性 要 求 高 的 部 件 模 型 尺 寸 穩(wěn) 定 性 好 擁 有 低 收 縮 率 和 優(yōu) 異 的 耐 變 黃 性 具 有 卓 越 的 可 加 工 性 但 是 熱 變 形 溫 度 略 低 根 據(jù) 分 揀 工 作 環(huán) 境 以 及 機 器 人 工 作 狀 態(tài) 對 各 零 部 件 設(shè) 計 相 應(yīng) 合 理 尺 寸 智 能 分 揀 機 器 人 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 如 表 2 所 示 智 能 分 揀 機 器 人 的 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 尺 寸 如 圖 2 所 示 后 輪 直 流 減 速 電 機 帶 有 固 定 鐵 架 且 前 輪 轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 設(shè) 計 成 長 條 板 狀 方 便 于 組 裝 固 定 轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 架 板 長 度 為 140 mm 端 部 小 部 分 伸 進 前 輪 前 輪 間 距 135 mm 整 體 車 身 設(shè) 計 簡 單 為 平 板 式 形 狀 為 前 窄 后 寬 長 度 為 278 mm 最 小 寬 度 為 110 mm 最 大 寬 度 為 150 mm 車 身 結(jié) 構(gòu) 3D 模 型 圖 如 圖 3 所 示 最 大 預(yù) 留 出 車 輪 直 流 減 速 電 機 前 輪 轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 主 控 板 架 固 定 的 孔 位 為 實 現(xiàn) 快 捷 靈 活 的 采 摘 動 作 將 機 械 臂 設(shè) 計 成 簡 單 的 連 桿 二 軸 結(jié) 構(gòu) 最 大 主 力 臂 長 145 mm 最 大 前 臂 長 172 mm 最 大 前 伸 距 離 208 mm 兩 個 力 臂 由 兩 個 MG945S 舵 機 驅(qū) 動 設(shè) 置 在 對 稱 的 位 置 在 不 影 響 機 械 臂 旋 轉(zhuǎn) 的 同 時 方 便 后 期 布 線 也 相 對 美 觀 其 模 型 圖 如 圖 4 所 示 圖 1 實 驗 場 地 模 型 圖 Figure 1 Model diagram of experimental site 表 1 材 料 性 能 參 數(shù) 表 Table 1 Material performance parameters 性 能 指 標(biāo) 硬 度 HD ASTM Method D2240 拉 伸 模 量 MPa ASTM Method D638M 拉 伸 強 度 MPa ASTM Method D638M 斷 裂 延 展 率 ASTM Method D638M 彎 曲 強 度 MPa ASTM Method D790M 彎 曲 模 量 MPa ASTM Method D790M 性 能 參 數(shù) 76 86 2 559 2 678 38 56 8 14 69 73 2 670 2 758 表 2 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 表 Table 2 Structure parameter 機 械 結(jié) 構(gòu) 最 大 車 長 mm 最 大 車 寬 mm 主 控 板 架 高 度 mm 最 大 主 力 臂 長 mm 最 大 前 臂 長 mm 最 大 前 伸 距 離 mm 爪 間 最 大 距 離 mm 機 械 參 數(shù) 295 219 30 145 172 208 58 62第 3 期 白 振 偉 等 基 于 嵌 入 式 機 器 視 覺 智 能 果 實 分 揀 機 器 人 設(shè) 計 與 試 驗 利 用 UG 軟 件 運 動 仿 真 模 塊 對 智 能 分 揀 機 器 人 進 行 運 動 仿 真 仿 真 過 程 在 仿 真 模 塊 主 頁 中 首 先 設(shè) 置 各 部 件 的 鋼 體 屬 性 將 車 身 設(shè) 置 為 固 定 連 桿 對 機 械 臂 底 部 旋 轉(zhuǎn) 臺 前 臂 主 力 臂 以 及 夾 爪 分 別 設(shè) 置 為 非 固 定 連 桿 之 后 將 各 連 接 處 可 旋 轉(zhuǎn) 移 動 的 部 位 設(shè) 置 為 運 動 副 中 的 旋 轉(zhuǎn) 副 為 舵 機 所 在 的 旋 轉(zhuǎn) 部 件 處 設(shè) 置 驅(qū) 動 轉(zhuǎn) 速 設(shè) 置 為 舵 機 的 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 速 為 53 62 r min 并 設(shè) 置 旋 轉(zhuǎn) 角 度 上 下 極 限 為 180 設(shè) 定 開 始 仿 真 模 型 時 為 識 別 到 果 實 的 時 刻 進 行 解 算 后 動 畫 流 程 顯 示 機 械 臂 向 前 方 目 標(biāo) 伸 展 后 夾 爪 收 緊 之 后 收 回 到 原 來 位 置 并 向 旁 邊 旋 轉(zhuǎn) 最 后 松 開 夾 爪 仿 真 動 畫 結(jié) 束 對 機 械 臂 的 屈 伸 運 動 進 行 仿 真 模 擬 如 圖 5 所 示 對 機 械 臂 夾 爪 抓 取 動 作 進 行 仿 真 模 擬 如 圖 6 所 示 仿 真 結(jié) 果 均 能 實 現(xiàn) 所 需 動 作 和 運 動 要 求 利 用 SolidWorks 軟 件 的 Simulation 插 件 對 機 械 臂 進 行 力 學(xué) 分 析 2 1 建 立 有 限 元 模 型 將 機 械 臂 模 型 導(dǎo) 入 SolidWorks 軟 件 后 開 啟 Simulation 插 件 創(chuàng) 建 一 個 新 算 例 并 根 據(jù) 表 1 的 材 料 性 能 參 數(shù) 為 模 型 應(yīng) 用 ABS 的 材 料 屬 性 之 后 對 機 械 臂 底 部 設(shè) 置 固 定 幾 何 體 再 添 加 外 部 載 荷 假 設(shè) 單 次 分 揀 的 果 實 的 重 力 為 0 5 N 機 械 臂 自 身 重 力 為 3 N 在 夾 爪 區(qū) 域 添 加 一 個 0 5 N 的 豎 直 向 下 的 力 同 時 在 主 力 臂 和 前 臂 添 加 一 個 大 小 為 3 N 的 豎 直 向 下 的 力 最 后 為 模 型 生 成 網(wǎng) 格 待 生 成 結(jié) 束 時 開 始 運 行 此 算 例 2 2 靜 力 學(xué) 分 析 建 立 完 模 型 后 在 機 械 臂 前 伸 姿 態(tài) 進 行 力 學(xué) 分 析 得 到 變 形 情 況 和 應(yīng) 力 分 布 情 況 如 圖 7 所 示 由 靜 應(yīng) 力 分 析 仿 真 結(jié) 果 可 見 在 此 姿 態(tài) 下 的 機 械 臂 在 末 端 夾 爪 機 構(gòu) 和 腕 關(guān) 節(jié) 處 發(fā) 生 最 大 變 形 變 形 量 沿 著 機 械 臂 向 圖 3 車 身 結(jié) 構(gòu) 模 型 圖 Figure 3 Body structure model diagram 圖 5 機 械 臂 屈 伸 運 動 仿 真 Figure 5 Simulation of the flexion and extension motion of a robotic arm a 主 視 圖 b 側(cè) 視 圖 c 俯 視 圖 圖 2 機 器 人 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 圖 Figure 2 Structural parameter diagram 圖 6 機 械 臂 夾 爪 抓 取 動 作 仿 真 Figure 6 Simulation of the clamping action of a mechanical arm 圖 4 MG945S 舵 機 模 型 圖 Figure 4 MG945S actuator model diagram 632023 年 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報 中 英 文 旋 轉(zhuǎn) 底 座 呈 遞 減 趨 勢 直 到 變 形 量 為 0 由 圖 可 知 應(yīng) 力 主 要 集 中 于 前 臂 與 主 力 臂 連 接 處 主 力 臂 與 旋 轉(zhuǎn) 底 座 連 接 處 最 大 應(yīng) 力 為 1 756 10 7 N m 2 仿 真 結(jié) 果 表 明 機 械 臂 的 末 端 夾 爪 區(qū) 域 和 連 接 處 會 發(fā) 生 最 大 變 形 應(yīng) 力 主 要 集 中 于 前 臂 與 主 力 臂 連 接 處 主 力 臂 與 旋 轉(zhuǎn) 平 臺 連 接 處 和 底 座 固 定 孔 處 整 體 驗 證 了 該 機 械 臂 結(jié) 構(gòu) 的 合 理 性 以 及 能 支 撐 主 要 分 揀 運 動 的 可 靠 性 智 能 分 揀 機 器 人 結(jié) 構(gòu) 主 要 由 下 端 移 動 平 臺 和 上 端 執(zhí) 行 機 械 臂 組 成 系 統(tǒng) 整 體 設(shè) 計 實 物 如 圖 8 所 示 下 端 移 動 平 臺 下 端 移 動 平 臺 設(shè) 計 為 后 置 兩 驅(qū) 后 輪 為 帶 編 碼 器 的 直 流 減 速 電 機 通 過 聯(lián) 軸 器 與 防 滑 車 輪 相 連 前 輪 轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 設(shè) 計 成 整 體 式 轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 如 圖 9 所 示 為 了 靈 活 控 制 轉(zhuǎn) 向 角 度 采 用 MG945 舵 機 控 制 轉(zhuǎn) 向 的 連 桿 機 構(gòu) 這 種 結(jié) 構(gòu) 簡 單 可 靠 7 上 端 執(zhí) 行 機 械 臂 由 主 力 臂 前 臂 以 及 機 械 爪 組 成 主 力 臂 由 MG945 舵 機 帶 動 進 行 上 下 運 作 前 臂 由 另 一 臺 MG945 舵 機 控 制 通 過 連 桿 驅(qū) 動 前 臂 進 行 屈 伸 運 動 如 圖 10 所 示 3 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計 3 1 硬 件 組 成 為 了 實 現(xiàn) 分 揀 果 實 機 器 人 的 相 應(yīng) 功 能 硬 件 設(shè) 計 主 要 包 括 主 控 制 器 模 塊 機 器 人 視 覺 模 塊 電 源 模 塊 等 組 成 硬 件 結(jié) 構(gòu) 圖 如 圖 11 所 示 硬 件 參 數(shù) 型 號 如 表 3 所 示 圖 7 機 械 臂 變 形 和 受 力 情 況 圖 Figure 7 Mechanical arm deformation and force diagram 圖 8 智 能 分 揀 機 器 人 實 物 圖 Figure 8 Physical image of intelligent sorting robot 圖 9 轉(zhuǎn) 向 連 桿 機 構(gòu) Figure 9 Steering linkage 1 防 滑 車 輪 2 舵 機 3 車 輪 連 接 結(jié) 構(gòu) 4 舵 葉 5 連 接 桿 圖 10 機 械 臂 屈 伸 結(jié) 構(gòu) 圖 Figure 10 Mechanical arm flexion and extension structure diagram 1 舵 機 2 舵 葉 3 主 力 臂 4 前 臂 5 連 接 桿 圖 11 硬 件 結(jié) 構(gòu) 圖 Figure 11 Hardware structure diagram 表 3 硬 件 參 數(shù) 型 號 表 Table 3 Hardware parameter model 硬 件 模 塊 名 稱 主 控 制 器 聯(lián) 網(wǎng) 控 制 器 機 器 視 覺 模 塊 電 機 驅(qū) 動 模 塊 機 械 臂 舵 機 直 流 減 速 電 機 電 源 模 塊 溫 濕 度 傳 感 器 超 聲 波 測 距 模 塊 硬 件 型 號 參 數(shù) STM32F103zet6 ESP32 單 片 機 OpenMV L298N MG945S 數(shù) 字 舵 機 MG513P10 12V LM2596S DC DC DHT11 HC SR04 64第 3 期 白 振 偉 等 基 于 嵌 入 式 機 器 視 覺 智 能 果 實 分 揀 機 器 人 設(shè) 計 與 試 驗 3 2 主 控 制 器 系 統(tǒng) 本 設(shè) 計 中 采 用 了 STM32F103zet6 單 片 機 作 為 主 控 制 器 該 單 片 機 基 于 Cortex M3 內(nèi) 核 它 的 最 高 的 時 鐘 頻 率 為 72 MHz 擁 有 豐 富 的 外 設(shè) 資 源 8 9 共 有 114 個 引 腳 其 中 有 80 個 通 用 I O 口 具 有 兼 容 5 V 的 特 性 使 得 很 多 5 V 模 塊 也 可 以 輕 松 的 被 STM32 處 理 還 可 以 配 置 出 16 個 外 部 中 斷 3 2 1 復(fù) 位 電 路 采 用 的 STM32F103zet6 單 片 機 在 系 統(tǒng) 中 集 成 了 復(fù) 位 按 鍵 按 鍵 復(fù) 位 包 括 了 電 平 方 式 復(fù) 位 和 脈 沖 復(fù) 位 兩 種 方 式 該 單 片 機 使 用 的 為 脈 沖 復(fù) 位 按 下 復(fù) 位 按 鍵 芯 片 內(nèi) 部 的 復(fù) 位 信 號 會 在 NRST 引 腳 上 輸 出 脈 沖 發(fā) 生 器 保 證 每 一 個 外 部 或 內(nèi) 部 復(fù) 位 源 都 能 有 至 少 20 s 的 脈 沖 延 時 當(dāng) NRST 引 腳 被 拉 低 產(chǎn) 生 外 部 復(fù) 位 時 它 將 產(chǎn) 生 復(fù) 位 脈 沖 復(fù) 位 電 路 如 圖 12 所 示 3 2 2 電 源 電 路 電 源 電 路 圖 如 圖 13 所 示 STM32 的 工 作 電 壓 V DD 為 2 0 3 6 V 通 過 內(nèi) 置 的 電 壓 調(diào) 節(jié) 器 提 供 所 需 的 1 8 V 電 源 當(dāng) 主 電 源 V DD 掉 電 后 通 過 VBAT 腳 為 實 時 時 鐘 RTC 和 備 份 寄 存 器 提 供 電 源 電 源 電 路 如 圖 13 所 示 該 設(shè) 計 中 使 用 了 STM32F103zet6 豐 富 的 I O 口 資 源 外 接 各 種 硬 件 模 塊 3 3 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 本 設(shè) 計 中 采 用 的 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 由 兩 個 帶 編 碼 器 的 直 流 減 速 電 機 以 及 一 個 L298N 電 機 驅(qū) 動 模 塊 3 3 1 帶 編 碼 器 的 直 流 減 速 電 機 直 流 減 速 電 機 是 在 直 流 電 機 的 基 礎(chǔ) 上 通 過 齒 輪 結(jié) 構(gòu) 將 直 流 電 機 輸 出 的 轉(zhuǎn) 速 進 行 了 減 速 處 理 10 本 設(shè) 計 中 采 了 用 帶 編 碼 器 的 MG513P10 12V 直 流 減 速 電 機 霍 爾 元 件 在 電 機 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 中 起 到 了 重 大 作 用 通 過 霍 爾 元 件 測 量 數(shù) 據(jù) 反 饋 到 主 控 制 器 主 控 制 器 與 目 標(biāo) 速 度 相 比 較 通 過 PID 控 制 算 法 消 除 偏 差 實 現(xiàn) 閉 環(huán) 控 制 11 3 3 2 L298N 電 機 驅(qū) 動 電 路 L298N 電 機 驅(qū) 動 模 塊 作 為 運 動 控 制 的 主 要 部 件 L298N 是 ST 公 司 生 產(chǎn) 的 一 種 高 電 壓 大 電 流 電 機 驅(qū) 動 芯 片 采 用 雙 H 橋 直 流 電 機 驅(qū) 動 芯 片 雙 H 橋 電 路 原 理 圖 如 圖 14 所 示 12 L298N 驅(qū) 動 電 路 可 驅(qū) 動 2 個 直 流 減 速 電 動 機 板 載 上 的 OUT1 OUT2 和 OUT3 OUT4 分 別 接 直 流 減 速 電 機 的 電 機 線 IN1 IN2 和 IN3 IN4 引 控 制 電 機 正 反 轉(zhuǎn) 板 載 的 ENA ENB 腳 為 使 能 端 本 設(shè) 計 中 通 過 PID 控 制 算 法 計 算 電 機 制 定 轉(zhuǎn) 速 所 需 要 的 占 空 比 將 ENA ENB 使 能 引 腳 接 入 到 TIM4 TIM8 的 PWM 輸 出 通 道 以 實 現(xiàn) 對 電 機 速 度 的 控 制 4 軟 件 設(shè) 計 4 1 視 覺 模 塊 程 序 設(shè) 計 視 覺 模 塊 選 擇 的 是 OpenMV4 H7 R2 Cam 攝 像 頭 該 攝 像 頭 的 主 要 參 數(shù) STM32H743II ARM Cortex M7 處 理 器 480 MHz 1 MB RAM 2 MB flash 所 有 的 I O 引 腳 輸 出 3 3 V 并 且 5 V 耐 受 在 QVGA 320 240 及 以 下 的 分 辨 率 時 大 多 數(shù) 簡 單 的 算 法 可 以 運 行 25 50 FPS 主 板 上 共 有 10 個 I O 引 腳 均 可 用 于 中 斷 和 PWM 輸 出 攝 像 頭 本 身 內(nèi) 置 了 一 些 圖 像 處 理 算 法 支 持 RGB565 以 及 灰 度 等 多 種 圖 像 格 式 可 以 輕 松 地 完 成 機 器 視 覺 應(yīng) 用 13 視 覺 模 塊 運 行 流 程 圖 如 圖 15 所 示 圖 12 復(fù) 位 電 路 圖 Figure 12 Reset circuit diagram 圖 13 電 源 電 路 圖 Figure 13 Power circuit diagram 圖 14 雙 H 橋 電 路 原 理 圖 Figure 14 Circuit schematic diagram of dual H bridge 652023 年 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報 中 英 文 4 1 1 圖 像 顏 色 識 別 綠 色 顏 色 閾 值 的 判 定 如 圖 16 所 示 圖 像 顏 色 的 識 別 用 到 find blobs 函 數(shù) 該 函 數(shù) 將 攝 像 頭 捕 獲 的 圖 像 像 素 色 彩 數(shù) 值 與 程 序 預(yù) 先 設(shè) 定 的 顏 色 閾 值 進 行 對 比 若 數(shù) 值 處 于 設(shè) 定 的 范 圍 內(nèi) 則 果 實 確 認 為 對 應(yīng) 顏 色 顏 色 的 閾 值 設(shè) 定 通 常 采 用 的 是 LAB 色 彩 模 式 14 閾 值 范 圍 設(shè) 定 得 越 小 識 別 得 越 精 準(zhǔn) 但 捕 獲 的 圖 像 會 受 到 環(huán) 境 因 素 的 影 響 從 而 降 低 識 別 精 度 因 此 可 以 通 過 適 度 地 擴 大 閾 值 識 別 范 圍 以 降 低 環(huán) 境 因 素 的 干 擾 設(shè) 定 顏 色 閾 值 red threshold 66 20 61 27 53 7 green threshold 83 39 71 29 16 71 find blobs 函 數(shù) 尋 找 色 塊 blobs1 img find blobs green threshold blobs2 img find blobs red threshold 利 用 for 將 所 有 色 塊 都 進 行 判 定 并 框 出 if blobs1 for blob in blobs1 img draw rectangle blob 0 4 img draw cross blob 5 blob 6 將 紅 色 閾 值 設(shè) 定 為 66 20 61 27 53 7 在 該 閾 值 范 圍 下 無 論 是 暗 紅 色 還 是 亮 紅 色 都 能 夠 順 利 識 別 有 效 地 減 少 了 環(huán) 境 亮 度 對 識 別 的 影 響 將 綠 色 閾 值 設(shè) 定 為 83 39 71 29 16 71 在 這 個 閾 值 范 圍 下 同 樣 能 降 低 環(huán) 境 因 素 對 顏 色 識 別 的 影 響 4 1 2 果 實 大 小 識 別 在 顏 色 識 別 過 程 中 可 以 將 圖 像 中 的 有 效 色 塊 用 矩 形 以 外 切 方 式 框 出 通 過 計 算 得 出 框 架 的 面 積 從 而 近 似 地 得 出 色 塊 的 面 積 由 于 每 次 抓 取 時 果 實 與 相 機 的 距 離 一 致 所 以 圖 像 色 塊 的 面 積 可 以 有 效 地 比 較 果 實 真 實 的 大 小 進 而 分 類 出 果 實 的 大 小 獲 取 色 塊 像 素 面 積 函 數(shù) area1 blob area 在 研 究 中 框 架 面 積 處 于 1 500 4 500 像 素 面 積 區(qū) 間 的 色 塊 在 現(xiàn) 實 中 對 應(yīng) 果 實 直 徑 為 15 40 mm 因 此 將 框 架 面 積 處 于 1 500 4 500 區(qū) 間 的 色 塊 視 為 小 果 實 而 框 架 面 積 大 于 4 500 的 色 塊 則 視 為 大 果 實 對 于 框 架 面 積 小 于 1 500 的 色 塊 可 能 存 在 較 大 誤 差 對 實 驗 結(jié) 果 造 成 影 響 因 此 不 作 為 判 斷 依 據(jù) 判 斷 果 實 大 小 成 功 后 將 代 表 果 實 大 小 的 特 定 信 號 通 過 串 口 通 信 傳 輸 至 控 制 模 塊 比 較 大 小 并 傳 輸 特 定 信 號 if 1 500 area1 4 500 senddata bytearray 0 x2C 0 x12 sign 0 x5B uart write senddata 4 2 控 制 模 塊 程 序 設(shè) 計 4 2 1 整 體 程 序 設(shè) 計 設(shè) 計 中 由 主 控 制 器 的 TIM1 定 時 器 作 為 定 時 器 中 斷 該 中 斷 是 對 機 器 人 移 動 平 臺 的 驅(qū) 動 以 及 PID 算 法 計 算 通 過 TIM6 定 時 器 中 斷 對 黑 線 進 行 識 別 通 過 讀 取 紅 外 傳 感 器 的 輸 出 電 平 輸 出 高 電 平 即 沒 有 檢 測 到 黑 線 反 之 檢 測 到 黑 線 控 制 轉(zhuǎn) 向 舵 機 實 現(xiàn) 循 跡 功 能 在 循 跡 的 過 程 中 若 檢 測 到 了 停 止 標(biāo) 志 線 分 揀 機 器 人 進 行 制 動 通 過 繼 電 器 接 通 OpenMV 機 器 視 覺 模 塊 開 始 識 別 分 揀 系 統(tǒng) 主 程 序 流 程 如 圖 17 所 示 4 2 2 PID 控 制 在 智 能 分 揀 機 器 人 運 動 過 程 中 通 過 循 跡 模 塊 對 路 線 的 識 別 和 檢 測 實 現(xiàn) 在 直 道 勻 速 彎 道 減 速 這 就 需 要 控 制 電 機 轉(zhuǎn) 速 實 現(xiàn) 相 應(yīng) 的 功 能 15 在 分 揀 機 器 人 的 運 動 過 程 中 我 們 通 過 霍 爾 編 碼 器 反 饋 當(dāng) 前 速 度 值 并 通 過 PID 算 法 進 行 調(diào) 節(jié) 實 現(xiàn) 閉 環(huán) 控 制 對 下 端 移 動 平 臺 進 行 閉 環(huán) 控 制 通 過 PID 控 制 使 得 機 器 人 下 端 自 由 移 動 平 臺 具 有 較 高 的 穩(wěn) 定 性 PID 控 制 是 一 種 線 性 的 控 制 方 法 它 將 給 定 值 與 實 際 輸 出 值 的 偏 差 e k 的 比 例 P 積 分 I 微 分 D 進 行 線 性 組 合 形 成 控 制 量 u k 輸 出 16 4500 0 01 0 02 0 03 0 04 4500 N N Y Y 圖 15 視 覺 模 塊 運 行 流 程 圖 Figure 15 Visual module operation flowchart 圖 16 顏 色 閾 值 判 定 Figure 16 Color threshold determination 66第 3 期 白 振 偉 等 基 于 嵌 入 式 機 器 視 覺 智 能 果 實 分 揀 機 器 人 設(shè) 計 與 試 驗 本 系 統(tǒng) 采 用 PID 調(diào) 節(jié) 方 式 來 完 成 分 揀 機 器 人 的 運 動 狀 態(tài) 調(diào) 節(jié) 該 方 法 的 調(diào) 節(jié) 效 率 高 絕 對 誤 差 小 17 控 制 程 序 流 程 如 圖 18 所 示 直 流 減 速 電 機 的 霍 爾 傳 感 器 采 集 到 電 機 的 實 時 轉(zhuǎn) 速 后 將 每 一 時 刻 的 速 度 作 為 輸 入 帶 入 增 量 式 PID 進 行 計 算 不 斷 刷 新 輸 出 速 度 使 整 個 系 統(tǒng) 趨 于 穩(wěn) 定 18 該 分 揀 機 器 人 實 際 調(diào) 得 PID 各 參 數(shù) 分 別 為 KP 1 3 KI 0 001 KD 0 4 目 標(biāo) 值 為 30 4 2 3 機 械 臂 逆 運 動 學(xué) 解 析 在 已 知 機 械 臂 末 端 期 望 位 置 計 算 當(dāng) 下 位 置 所 對 應(yīng) 的 各 關(guān) 節(jié) 角 度 需 要 進 行 機 械 臂 逆 運 動 學(xué) 解 析 19 在 分 揀 點 前 端 設(shè) 置 一 條 直 線 調(diào) 整 路 線 通 過 紅 外 循 跡 模 塊 對 小 車 位 置 的 反 復(fù) 糾 正 實 現(xiàn) 讓 機 械 臂 和 小 球 處 于 同 一 軸 線 上 通 過 OpenMV 輸 出 的 小 球 中 心 和 畫 面 中 心 的 偏 移 量 的 值 和 可 分 揀 范 圍 的 值 進 行 比 較 若 不 滿 足 則 蜂 鳴 器 發(fā) 出 警 報 提 示 操 作 者 介 入 手 動 進 行 調(diào) 整 由 于 下 端 自 由 移 動 平 臺 識 別 到 停 止 線 的 停 車 制 動 距 離 會 有 誤 差 為 了 讓 機 械 臂 對 果 實 進 行 準(zhǔn) 確 的 分 揀 該 設(shè) 計 中 引 用 了 二 維 的 機 械 臂 逆 解 算 法 通 過 在 分 揀 機 器 人 前 端 的 超 聲 波 距 模 塊 和 果 實 放 置 裝 置 的 高 度 得 到 果 實 的 位 置 即 二 維 坐 標(biāo) 20 機 械 臂 逆 運 動 學(xué) 平 面 分 析 如 圖 19 和 圖 20 所 示 其 中 L 分 別 為 機 械 臂 的 大 臂 和 小 臂 e 為 大 臂 與 小 臂 的 初 始 夾 角 B 為 小 臂 末 端 到 夾 爪 的 中 心 的 距 離 Y 為 大 臂 旋 轉(zhuǎn) 軸 到 底 座 的 距 離 由 于 機 械 設(shè) 計 所 以 大 臂 OpenMV Y N Y N Y N Y N Y N 圖 17 主 程 序 流 程 圖 Figure 17 Procedure flow chart Bias Encoder Target Integral bias Bias PWM PWM Positioin KP Bias Position KI Integral bias Position KD Bias Last Bias Last Bias Bias 圖 18 控 制 程 序 流 程 圖 Figure 18 Control procedure flow chart 圖 19 機