仇國華 李志煌 孫樹亮

(福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程學(xué)院， 福建 福清 350300)

隨著科技的發(fā)展，機器人技術(shù)也不斷成熟，機器人可以更好地協(xié)助或替代人們完成工作[1-2]。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，機器人大多用來幫助人們完成物體搬運、水果采摘、野外探查或其他有一定危險性的工作，從而使人們的工作效率更高，而工作危險性大大降低。但是，機器人一般只能按照固定的程序指令完成一些簡單的動作，靈活性和智能性仍有不足[3]。為了提高機器人的靈活性和智能性，本次研究將建立基于圖像識別的差異性有色物體自分揀系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)將攝像頭和機器人的功能結(jié)合起來，讓攝像頭充當(dāng)機器人的眼睛，使得機器人能夠像人類一樣“觀察”外界，捕捉外界事物，進(jìn)而實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤定位及物體自主抓取。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)從底層硬件到頂層應(yīng)用主要分為機械手設(shè)備、主控核心芯片、機智云平臺和手機App這4部分(見圖1)。

四自由度機械手是整個系統(tǒng)的終端控制設(shè)備，它的動作主要通過舵機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。該設(shè)備主要由STM32主控芯片來控制，通過相應(yīng)程序完成一系列動作組，能夠?qū)崿F(xiàn)物體跟蹤和物體抓取等功能。

主控芯片STM32是系統(tǒng)的中樞部分，其功能包括：通過OV7670進(jìn)行圖像獲取，并在TFT屏上實時顯示；讀取按鍵值，實現(xiàn)機械手物體抓取、機械手物體跟蹤、機械手復(fù)位、攝像頭特效切換，以及燈光模式、飽和度、亮度、對比度等效果切換；利用模數(shù)轉(zhuǎn)化通道獲取系統(tǒng)電壓，當(dāng)電壓過低時啟動蜂鳴器；充當(dāng)數(shù)據(jù)解讀器，分析WiFi和藍(lán)牙數(shù)據(jù)，并將命令下達(dá)給終端機械手去執(zhí)行；通過PID算法和腐蝕算法讓機械手能夠更加靈活地實現(xiàn)物體自主抓取。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中存儲了設(shè)備的所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如設(shè)備ID、設(shè)備MAC地址、設(shè)備是否在線、設(shè)備是否連網(wǎng)、設(shè)備數(shù)據(jù)點信息以及WiFi的軟硬件版本號等。它充當(dāng)App與WiFi進(jìn)行溝通的橋梁，WiFi通過路由器將數(shù)據(jù)上報給服務(wù)器，而App通過讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)來取得底層硬件信息；反過來，App將控制指令上發(fā)給服務(wù)器，借由服務(wù)器將數(shù)據(jù)下發(fā)給WiFi，從而控制硬件設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器只是存儲數(shù)據(jù)的中介。

系統(tǒng)具備WiFi-App和藍(lán)牙App以供使用。系統(tǒng)的WiFi-App通過服務(wù)器與硬件設(shè)備進(jìn)行溝通，而藍(lán)牙App則不同。系統(tǒng)的藍(lán)牙App不必通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳遞，而是與手機本身的藍(lán)牙建立連接，實現(xiàn)短距離無線通訊。WiFi-App可對硬件設(shè)備進(jìn)行異地控制，設(shè)備在網(wǎng)就可以進(jìn)行通訊；反之，藍(lán)牙所提供的App只能實現(xiàn)短距離通訊，一旦超出藍(lán)牙信號范圍就無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這兩款A(yù)pp各有優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 OV7670攝像頭

OV7670是一款支持多分辨率的攝像頭，同樣支持多種RGB格式，可以通過對100多個寄存器的配置來實現(xiàn)攝像頭的一些功能[4]。該攝像頭是通過8位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，使用方便。系統(tǒng)顯示部分則采用2.8寸TFT液晶屏，其分辨率是240×320，與攝像頭分辨率相同，能夠顯示圖像、漢字、圖片等[5]。相對于普通1 602/12 864顯示屏，本系統(tǒng)的顯示屏更加人性化，更符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。攝像頭數(shù)據(jù)采集和讀取過程如圖2和圖3所示。

圖2 攝像頭模塊圖像采集過程

2.2 藍(lán)牙與WiFi

藍(lán)牙HC-05是一款高性能主從一體串口通信芯片，可以和其他串口設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送。它所能支持的波特率范圍為4 800～1 382 400，能夠兼容5 V或者3.3 V的單片機系統(tǒng)，很容易與其他設(shè)備進(jìn)行連接。藍(lán)牙HC-05可以通過命令響應(yīng)工作模式來執(zhí)行相應(yīng)的AT指令設(shè)置模塊的參數(shù)，如密碼、波特率等，也可以通過AT指令對其進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖3 攝像頭模塊圖像數(shù)據(jù)讀取過程

ESP8266模塊是樂鑫公司生產(chǎn)的高性能WiFi模塊，它的通訊模式不同于藍(lán)牙的短距離通訊。 ESP8266模塊可以通過路由器或者熱點等途徑實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，內(nèi)部固件采用AT指令，通過串口與單片機進(jìn)行通信，與藍(lán)牙類似。該模塊可以用于各種3.3 V的單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266模塊采用802.11802.11 bgn標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCPIP協(xié)議和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換程序，并且內(nèi)部有低功率的32位CPU，所以可當(dāng)作處理器來使用。

2.3 舵機

相比其他電機，舵機更加適用本系統(tǒng)。舵機的角度可以調(diào)控，操作中能夠很輕松地控制機械手的動作，并通過控制占空比來控制其速度。一般情況下，舵機的PWM波周期為20 ms， 占空比0.5～2.5 ms的脈沖電平對應(yīng)舵機角度為0°～180°，且呈線性關(guān)系[6]。采用500～2 500個脈沖范圍對應(yīng)舵機控制輸出角度的占空比0.5～2.5 ms的范圍，LDX-335MG舵機的控制精度為3 μs，在2 000個脈沖范圍內(nèi)控制精度能達(dá)到0.3°。

為了實現(xiàn)舵機速度的控制，在舵機的起點位置和終點位置之間劃分多個控制點，而不是讓舵機一次性從起點轉(zhuǎn)到終點(此種情況舵機速度是最大的)。舵機的速度將控制點的影響，控制點越多速度越慢，反之越快。本系統(tǒng)程序設(shè)計就是基于此原理，實現(xiàn)機械手動作的速度控制。

2.4 電壓讀取及低壓檢測電路

蜂鳴器在本系統(tǒng)中充當(dāng)報警器，無須程序I/O口的干涉，一旦檢測到電池電壓過低將會自動報警。在整個電路圖的設(shè)計當(dāng)中，利用PNP三極管放大電流以驅(qū)動蜂鳴器。由于PNP三極管在低電平下才能導(dǎo)通，所以將PNP三極管的基極接到比較器LM393的輸出端。LM393的正相為系統(tǒng)電壓，其反相為設(shè)定的閾值，正反相電壓的差值若為正數(shù)則輸出高電平，若為負(fù)數(shù)則輸出低電平(即電池電壓過低)[7]。這樣就可以達(dá)到低壓報警、高壓不報警的效果。除此之外，在被測輸入電壓處加設(shè)1 ∶ 5分壓電路，比例為1的電路接ADC模擬口。這樣就可以通過ADC轉(zhuǎn)換獲取被測輸入電壓的1/6值，進(jìn)而推算出被測電壓，最終獲取系統(tǒng)電壓。

3 系統(tǒng)算法程序設(shè)計

3.1 腐蝕算法的程序?qū)崿F(xiàn)

通過攝像頭獲取圖像的RGB(色彩)信息，將RGB信息轉(zhuǎn)化成HSL(即色度、飽和度、亮度)，對HSL設(shè)定一個閾值和搜索范圍(即圖像分辨率240×320)；接著開始以閾值為標(biāo)準(zhǔn)開始搜索第一個腐蝕中心，得到第1個腐蝕中心后，將從該點開始分別向上下左右4個方向進(jìn)行讀點，若點的顏色符合條件則予以讀取[8-9]；當(dāng)4個方向讀點全部結(jié)束后獲得4個邊緣點的坐標(biāo)，那么這4個點組成的矩形區(qū)域就是所識別的物體。這就是腐蝕算法的程序?qū)崿F(xiàn)流程(見圖4)。

圖4 腐蝕算法的程序?qū)崿F(xiàn)流程

3.2 PID算法的程序?qū)崿F(xiàn)

3.2.1 PID算法工作流程

如圖5所示為PID算法工作流程圖。PID算法相關(guān)參數(shù)如下：

PV1：E1=SV-PV1

PV2：E2=SV-PV2

PV3：E3=SV-PV3

…

PV(K-1)：E(K-1)=SV-PV(K-1)

PVK：EK=SV-PVK

其中：PV1～PVK為系統(tǒng)開始運行以來傳感器讀回的控制對象的值(采樣序列，采樣時間間隔越短越好)；E1～EK為系統(tǒng)開始運行以來的偏差值，EK為最新一次的偏差。

圖5 PID算法工作流程圖

該算法控制方式包括比例控制、積分控制、微分控制，分析如下：

(1) 比例控制。比例控制主要由EK(當(dāng)前偏差)來決定，用來表示當(dāng)前情況。EK表示的當(dāng)前情況有3種：EK>0，表示當(dāng)前控制算法不達(dá)標(biāo)；EK=0，表示當(dāng)前控制算法剛好達(dá)標(biāo)；EK<0，表示當(dāng)前控制算法已經(jīng)超標(biāo)。根據(jù)EK的值輸出控制量POUT，POUT主要是用來調(diào)整整個控制算法的增益，POUT=KP*EK，乘以KP相當(dāng)于放大或者縮小EK的值。比例控制中，輸出信號跟EK成比例，根據(jù)當(dāng)前偏差值和比例大小輸出控制信號；而傳統(tǒng)位式控制算法只能輸出高低電平，其輸出信號一般是一個PWM波信號。

(2) 積分控制。積分控制主要運用了積分的概念，是通過E1～EK這些歷史數(shù)據(jù)的偏差之和SK來表示歷史情況，SK=E1+E2+…+EK。SK表示的歷史情況有3種：SK>0，表示歷史情況大多是SV>PV,系統(tǒng)歷史情況多數(shù)不達(dá)標(biāo)(即輸出控制信號并沒有將控制對象的值控制到設(shè)定點上，總體上數(shù)值偏低)；SK<0，表示歷史情況大多是SV

(3) 微分控制。微分控制運用了微分的概念，只考慮最近幾次偏差E(K-2)～EK的變化趨勢DK，DK=EK-E(K-1)。DK表示的變化趨勢有3種：DK>0和DK<0，說明偏差值變化的趨勢，DK絕對值越大，表示離目標(biāo)值越來越遠(yuǎn);DK=0，表示偏差一直保持某個穩(wěn)定值，但不表示偏差值為零，用DOUT=KP*DK來表示，參數(shù)DOUT只考察偏差變化的趨勢。

通過以上分析可知，比例控制只根據(jù)當(dāng)前誤差EK來決定輸出控制信號，只要當(dāng)前有偏差就開始控制，無偏差就不控制，且偏差越大，輸出信號也越大；其缺點是只考慮當(dāng)前情況，不考慮歷史情況。積分控制只根據(jù)歷史偏差SK來決定輸出控制信號，只要歷史情況不達(dá)標(biāo)，就輸出大量控制信號，如果歷史情況達(dá)標(biāo)就不輸出控制信號。其缺點是只考慮歷史情況而不考慮當(dāng)前情況。微分控制考慮的是變化趨勢DK，只要DK不等于零就輸出控制信號。其缺點是不能對偏差進(jìn)行控制，因為一旦DK=0，即使偏差不等于零，也不會輸出控制信號。

3.2.2 PID算法公式與單片機程序?qū)崿F(xiàn)

通過以上分析，得到公式(1)：

QOUT=POUT+IOUT+DOUT

=KP(EK+SK+DK)

(1)

式中：QOUT—— 當(dāng)前控制器的總輸出量；

POUT—— 控制器的比例調(diào)節(jié)輸出量；

IOUT—— 控制器的積分調(diào)節(jié)輸出量；

DOUT—— 控制器的微分調(diào)節(jié)輸出量；

Kp—— 比例系數(shù)；

EK—— 當(dāng)前偏差值；

SK—— 歷史偏差值之和；

DK—— 控制器的微分調(diào)節(jié)輸出量。

此公式只是理論雛型，要轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型還應(yīng)對SK和DK進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在單片機實際應(yīng)用當(dāng)中，常用到公式(2)：

(2)

相比式(1)，式(2)中多了參數(shù)T、Ti、Td(T為采樣周期，Ti為積分時間，Td為微分時間)。將式(2)帶入式(1)得：

(3)

將式(3)簡化如下：

Kd*(EK-E(K-1))

(4)

這是PID算法的位置式公式。增量式公式[10]則是：

QOUT K-QOUT (K-1)=KP(EK-E(K-1))+

Ki*EK+Kd(EK-2E(K-1)+E(K-2))

(5)

通過公式(5)，可以編寫出單片機的PID控制算法。先獲取每次物體坐標(biāo)(當(dāng)前值PV)，然后與中心坐標(biāo)(設(shè)定值SV)做差進(jìn)行PID算法控制，輸出機械手的移動偏移量進(jìn)行坐標(biāo)補償(見圖6)，從而實現(xiàn)物體跟蹤的目的。

圖6 PID算法坐標(biāo)補償實現(xiàn)

3.3 應(yīng)用層 App 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的App是在APICloud平臺的APICloundStudio開發(fā)環(huán)境下，采用Html、Css及JavaScript語言進(jìn)行編寫。開發(fā)界面友好，各類控件齊全。API Cloud平臺提供眾多豐富模塊的API接口，已經(jīng)成為 App開發(fā)的首選。在API Clound Studio軟件中，通過機智云服務(wù)器提供的SDK包與服務(wù)器建立聯(lián)系，獲取或上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，使得App能夠間接控制硬件設(shè)備。

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試完成后，進(jìn)行圖像采集測試[11]。系統(tǒng)攝像頭所采集的圖像能夠在液晶屏上清楚地顯示出來，通過按鍵也可以準(zhǔn)確切換顯示效果。打開手機App，可以在App上可以進(jìn)行機械手的遠(yuǎn)程操作(見圖7、圖8)。傳感器值能夠以形象的曲線圖進(jìn)行展示，通過模式切換，機械手也能夠進(jìn)行相應(yīng)的跟蹤和抓取。

圖7 App控制界面

圖8 數(shù)據(jù)曲線圖

系統(tǒng)下位機的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地上傳到云端服務(wù)器，利用手機App可以進(jìn)行設(shè)備相關(guān)信息以及狀態(tài)的查詢，并且該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取圖像并予以實時顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)物體跟蹤、物體抓取及低壓報警等功能。