張桂紅 武漢交通職業(yè)學院

基于Pixy Cmucam5圖像識別傳感器的物品分揀裝置

張桂紅 武漢交通職業(yè)學院

本系統(tǒng)以Pixy Cmucam5圖像識別傳感器,ATmega2560單片機為核心，利用圖像識別模塊采集物品圖像信息，經(jīng)過色調(diào)過濾算法確定物品顏色及位置，單片機輸出3路脈沖信號到步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動固定在滑臺x、y、z軸的3個步進電機工作，使固定在滑臺的機械手到達指定位置并完成抓取任務(wù)，搬送物品到指定坐標。

Pixy Cmucam5圖像識別傳感器;ATmega2560;色調(diào)過濾算法;高精度滑臺

1.方案設(shè)計

1.1 圖像識別模塊的選擇

Pixy Cmucam5是由Charmed實驗室聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學共同推出的一款圖像傳感器。其強大的處理器上搭載著一個圖像傳感器，它會選擇性的處理有用的信息，將特定顏色的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)以進行圖像處理。所以Arduino板或其它微控制器很容易跟它交流，并騰出許多CPU資源來執(zhí)行其他事件。該模塊不僅能進行顏色識別，還能知道帶顏色物品的位置，通過顏色來追蹤物體。

1.2 色調(diào)過濾算法

系統(tǒng)在圖像識別時使用基于色調(diào)過濾算法(hue-based color filtering algorithm)來識別物體。通過將彩色圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間,能夠有效地提取出彩色圖像中的顏色信息。另外,由于彩色圖像中景物的色調(diào)信息(H)具有恒常性,它不易受到光照條件變化的影響,因此適應(yīng)性更強。本系統(tǒng)在圖像識別前，預(yù)先將被識別物體（立方體或乒乓球）的HSV值存入處理器，然后在識別過程中，將實時圖像中各個坐標的HSV值與存儲器中內(nèi)容對比，從而找到匹配的物體，并將匹配物體的坐標發(fā)送給電機控制裝置。實驗證明，此方法對紅橙黃綠青藍紫各位顏色的物體均能快速識別，取得良好的效果。

1.3 微處理器的選擇

圖1 步進電機動作與坐標匹配

采用Arduino Mega2560。Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個可用作PWM輸出）、16個模擬輸入、4個UART（硬件串行端口）、1個16 MHz晶體振蕩器、1個USB連接、1個電源插座、1個ICSP頭和1個復位按鈕，USB供電。由于其理想的PWM輸出特性，是控制電機首選器件。

1.4 步進電機動作與坐標匹配

攝像頭圖片x軸坐標范圍為（0,320），y軸坐標范圍為（0,200），物體所在平面x軸坐標范圍為（0,150cm），y軸坐標范圍為（0,100cm），據(jù)此將攝像頭圖片坐標轉(zhuǎn)換為物體平面坐標。設(shè)滑臺動作起點坐標為（x1，y1），終點坐標為（x2，y2），則滑臺x軸位移距離為x2-x1，y軸位移距離為y2-y1，規(guī)定當距離為正時，電機正轉(zhuǎn)，滑臺沿坐標軸正向移動；當距離為負時，電機反轉(zhuǎn)，滑臺沿坐標軸負向移動。而單片機向驅(qū)動器發(fā)送的脈沖數(shù)與位移距離是正比例關(guān)系，可以據(jù)此對單片機進行編程?？刂屏鞒虉D如圖1所示：

2.硬件電路與程序設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 硬件電路的組成

硬件電路由ATmega2560控制板模塊、電源模塊、圖像識別模塊、電機驅(qū)動模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊組成。

2.2 搬送裝置的選擇

采用高精度三軸滑臺加機械手?；_x，y軸水平移動，可以找到物品的位置，再通過滑臺z軸的豎直移動和機械手動作完成抓取任務(wù)，最后搬送到指定的區(qū)域。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊選用MB450A兩相混合式步進電機驅(qū)動器。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn),幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度高。該步進電機靜力矩1.8Nm，步距角為1.8度，連續(xù)收到200個步進指令正好轉(zhuǎn)一圈。當驅(qū)動器設(shè)置為128細分時，單片機向驅(qū)動器發(fā)送25600個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈。因此，單片機可以通過脈沖信號對電機進行極高精度的控制。

2.4 程序設(shè)計

主程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 主程序設(shè)計流程圖

3.結(jié)論

本系統(tǒng)通過按鍵來選擇系統(tǒng)工作模式，圖像識別模塊將物品顏色及位置信息發(fā)送到Arduino Mega2560，經(jīng)過分析運算后，驅(qū)動電機運動并完成搬送任務(wù)。

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