徐賢煒，郭履寶，劉子國，夏鯤

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

工件尺寸檢測是工業(yè)生產(chǎn)中最基礎(chǔ)的質(zhì)量控制手段之一[1]。隨著電子信息地飛速發(fā)展，測量方法的換代越來越快。對于工件的檢測,傳統(tǒng)的人工測量技術(shù)已經(jīng)無法滿足所需要的工件的測量精確[2]。非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。典型的非接觸測量方法有激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機(jī)器視覺測量等[3]。隨著機(jī)器視覺的發(fā)展,視覺測量由于其測量效率高,檢測范圍大逐漸被重視。但不可避免地，非接觸測量往往受環(huán)境因素的干擾極大，需要在特定的環(huán)境下才能完成精準(zhǔn)測量。

本文提出一種基于STM32 單片機(jī)的非接觸物體尺寸形態(tài)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用OpenMV 作為視覺檢測，云臺作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過非接觸式傳感器，實現(xiàn)對物體尺寸和相對位置的快速測量，可以做到實時在線、非接觸和高精度測量；同時也可以避免測量過程中人為產(chǎn)生的錯誤，實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性，提高生產(chǎn)的自動化程度。尤其在疫情爆發(fā)期間，非接觸式測量能夠大大提高使用安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計說明

目標(biāo)板擺放在距離地面100～200 cm，距離測量裝置200～300 cm 的位置。背景板擺放于被測物體后方5 cm。被測目標(biāo)板為正方形、正三角形等正多邊形，尺寸(長、寬)為30～50 cm，顏色分別為紅、綠、藍(lán)純色。當(dāng)目標(biāo)物體出現(xiàn)在視野內(nèi)，系統(tǒng)自動追尋目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，屏幕顯示目標(biāo)物體的距離、顏色、形狀、尺寸，同時激光筆指示目標(biāo)的幾何中心。圖1 展示了一種環(huán)境布置方案。

圖1 環(huán)境布置方案

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要分為微處理器、舵機(jī)、測距模塊和OpenMV 四部分。

STM32 系列單片機(jī)專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計，本文采用STM32f103rct6 作為微處理器，其能夠很好地滿足設(shè)計需求[4]。

數(shù)字式舵機(jī)具有響應(yīng)速度快、旋轉(zhuǎn)迅速且柔和抖動較小等優(yōu)點，并能夠提供較高的精度和強(qiáng)大的固定力量。因此，本文將其用作云臺動力源[5-6]。

本設(shè)計使用激光測距模塊對目標(biāo)物體的距離進(jìn)行測定。激光測距模塊在工作時向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，進(jìn)而計算出從本裝置到目標(biāo)的距離，計算精度可達(dá)到厘米級[7]。

系統(tǒng)采用PID 控制算法[8]對云臺實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，當(dāng)系統(tǒng)鎖定目標(biāo)物品位置后，OpenMV 獲取其形狀、顏色、尺寸信息[9]，并將信息通過串口發(fā)送給STM32。同時，STM32獲取激光測距模塊的距離信息。最終，測量結(jié)果通過屏幕顯示便于使用者讀取。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要分為系統(tǒng)供電電路及系統(tǒng)信號傳遞回路兩個部分。

3.1 系統(tǒng)供電回路

7.2 V 鋰電池為系統(tǒng)主電源，通過穩(wěn)壓模塊調(diào)節(jié)電源電壓使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為達(dá)到各模塊的工作電壓，供電回路采用LM2596S DC-DC 直流穩(wěn)壓模塊，該穩(wěn)壓模塊運用buck 電路原理，具有穩(wěn)定功耗低的特點[10]。為實時監(jiān)控電壓，電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓后，由STM32 單片機(jī)使用ADC 模塊進(jìn)行采樣，以監(jiān)測系統(tǒng)運行電壓是否正常。系統(tǒng)供電電路圖的總體設(shè)計如圖3 所示，圖中，V+表示正極，V-表示負(fù)極，V_t 表示檢測電壓。

圖3 系統(tǒng)供電電路圖

3.2 系統(tǒng)信號傳遞回路

STM32 通過串口與OpenMV 及激光測距模塊進(jìn)行通信，以獲得目標(biāo)物體信息。屏幕由STM32 通過SPI 進(jìn)行顯示控制。數(shù)字式舵機(jī)通過STM32 的PWM 波模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)信號電路圖的總體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)信號電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為云臺的PID 控制算法及圖像識別算法兩個部分。

4.1 云臺的控制算法

尋找目標(biāo)時，OpenMV 獲取目標(biāo)物體的中心點坐標(biāo)值。STM32 根據(jù)所測值與給定值的誤差，運用自動控制算法算出輸出值，控制激光束運動，使得激光束能夠?qū)?zhǔn)目標(biāo)物體。云臺的控制框圖如圖5 所示。

圖5 云臺的控制框圖

4.2 圖像識別算法

本設(shè)計使用OpenMV 進(jìn)行圖像識別算法的實現(xiàn)。OpenMV 被啟動后，自動進(jìn)行初始化[11-13]。當(dāng)目標(biāo)物體出現(xiàn)在視野中，OpenMV 將對其進(jìn)行預(yù)查找，得到預(yù)查找框。在此預(yù)查找框的條件下，使用純色識別算法得到目標(biāo)物顏色；使用形狀識別算法推算出目標(biāo)物體形狀及其頂點坐標(biāo)[14-15]。最終根據(jù)頂點坐標(biāo)計算出目標(biāo)物的中心坐標(biāo)及邊長。OpenMV 軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 OpenMV 軟件流程圖

4.2.1 OpenMV 初始化的實現(xiàn)

在識別圖像前，OpenMV 需要進(jìn)行初始化操作。步驟主要包括：(1)感光元件初始化；(2)感光元件屬性值設(shè)定；(3)通信接口初始化。具體程序如下：

4.2.2 預(yù)查找

預(yù)查找時，調(diào)用尋找色塊函數(shù)，由于背景板為白色，因此設(shè)置閾值為白色，并設(shè)置函數(shù)屬性為反向查找，即查找與閾值不同的色塊。據(jù)此得到目標(biāo)圖形的預(yù)查找框，作為下一步識別的參考依據(jù)。

4.2.3 顏色識別

由于預(yù)查找框會涵蓋許多非目標(biāo)物體的像素點，故本文開創(chuàng)性地將預(yù)查找框的長寬同時縮小50%得到一個與之同心的顏色識別框。隨后采用像素統(tǒng)計函數(shù)，得到RGB 色彩空間的直方圖及R、G、B 分量的眾數(shù)值。通過比較三者眾數(shù)值的大小，目標(biāo)物體的顏色將被歸入紅色、綠色或藍(lán)色。

4.2.4 形狀識別

針對預(yù)查找框會將部分邊界信息忽略的問題，本文將預(yù)查找框的長寬同時放大20%得到一個與之同心的形狀識別框。為防止找到其他小短邊，本文調(diào)用較大閾值的直線尋找函數(shù)，以得到貼合目標(biāo)物體輪廓的直線。然后遍歷所有直線，去除斜率接近的直線，最終得到的直線數(shù)便為目標(biāo)多邊形的邊數(shù)，以此確定目標(biāo)物體的形狀。同時，根據(jù)所找到的直線，確定出多邊形的頂點坐標(biāo)。

4.2.5 中心、邊長計算

目標(biāo)物體的中心坐標(biāo)可以近似為各個頂點的橫縱坐標(biāo)平均值。根據(jù)幾何關(guān)系可以知道中心點與各個頂點的理想距離均相等，且此距離與多邊形邊長滿足式(1)的關(guān)系。

式中，l為目標(biāo)物體的像素邊長，D為目標(biāo)物體中心點到各個頂點的平均像素距離，n為目標(biāo)物體的頂點數(shù)。

根據(jù)攝像頭幾何成像原理，可以得到目標(biāo)物體的實際邊長滿足式(2)的關(guān)系。

式中，L為目標(biāo)物體的實際邊長；d為目標(biāo)物體到測量裝置的距離，在本設(shè)計中該距離由激光測距模塊得到；f為攝像頭的焦距。

5 實驗

5.1 圖像識別綜合效果圖

測量裝置如圖1 所示布置。通電后，系統(tǒng)自動追尋目標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，保存識別圖像。圖像識別綜合效果圖如圖7 所示。

圖7 圖像識別綜合效果圖

圖7 中，虛線框標(biāo)志物體預(yù)選框，細(xì)實線框標(biāo)志顏色識別框，粗實線框標(biāo)志形狀識別框，細(xì)線標(biāo)志目標(biāo)物體邊界線，圓圈標(biāo)志目標(biāo)物體頂點，白色十字標(biāo)志目標(biāo)物體中心點。實驗證明，本文提出的框定策略可以較好地識別目標(biāo)物體的顏色及其形狀。

5.2 RGB 色彩空間的直方圖

RGB 色彩空間的直方圖反映的是圖像中顏色的組成分布，即視野中出現(xiàn)的顏色以及各種顏色出現(xiàn)的概率。且其對圖像質(zhì)量的變化(如模糊)不敏感，可以防止圖像質(zhì)量及環(huán)境光對識別結(jié)果的干擾。本文采用圖7 中顏色識別框內(nèi)RGB 色彩空間的直方圖，如圖8 所示。

圖8 RGB 色彩空間的直方圖

在顏色識別框中得到RGB 色彩空間的直方圖，可以觀察到R 分量的眾數(shù)為255，G 分量的眾數(shù)為121，B 分量的眾數(shù)為74。由于R 分量最大，目標(biāo)物體顏色可以歸入紅色。實驗證明，此方法能夠適應(yīng)各種燈光環(huán)境。

5.3 實驗數(shù)據(jù)

測量裝置如圖1 所示布置。通電后，系統(tǒng)自動追尋目標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄所需時間，同時讀出尺寸和距離信息，并計算出測量值與實際值之間的誤差。更換不同目標(biāo)板，進(jìn)行多次實驗，得到數(shù)據(jù)如表1 所示。其中，MAD 表示目標(biāo)數(shù)值絕對值的平均值。

表1 目標(biāo)幾何形狀、尺寸、距離及時間的測試結(jié)果

由數(shù)據(jù)可以看出，在外界環(huán)境影響較小的情況下，目標(biāo)幾何形狀的尺寸誤差的平均值為6.0%，目標(biāo)物體距離的誤差平均值為1.7%，測試的平均時間為2.17 s。實驗證明，本文設(shè)計的非接觸物體尺寸形態(tài)測量系統(tǒng)具有精度較高、檢測速度較快等特點。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為核心、以O(shè)penMV為視覺檢測單元、以激光測距傳感器為距離檢測單元，實現(xiàn)測量目標(biāo)的顏色、形狀、尺寸及距離的功能；同時通過控制激光管，快速指示目標(biāo)物體中心。本文的設(shè)計可以在工業(yè)工件測量領(lǐng)域大展身手，具有快速穩(wěn)定、智能化程度較高、造價低等特點，對于大量工件尺寸檢測具有重要的現(xiàn)實意義。