崔洪福,陳越超,張景瑞

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032)

0 引言

起重機(jī)是指在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動(dòng)作起重機(jī)械。古羅馬建筑師維特魯維斯曾在其建筑手冊(cè)里形容了一種起重機(jī)械，但移動(dòng)幅度小操作吃力。而隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展至今早已解決這個(gè)難題，進(jìn)而針對(duì)不同工作條件，衍生出諸多種類(lèi)的起重機(jī)。為提升大學(xué)生對(duì)起重機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用意識(shí)，提高大學(xué)生針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行起重機(jī)設(shè)計(jì)和工藝制作的動(dòng)手能力，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)等主辦了中國(guó)大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽。針對(duì)比賽項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)比賽要求的、低成本、可用于教學(xué)的門(mén)式起重機(jī)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

將起重機(jī)工作區(qū)域劃分為取物區(qū)、通行區(qū)、堆碼區(qū)(如圖1所示)。取物區(qū)待搬運(yùn)的物體本體及前方地面均配有配有由不同顏色和形狀結(jié)合而成的標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)采用紅和藍(lán)兩種顏色，與三角形、圓形、方形三種形狀組合而成，即三種形狀各兩種顏色共6種標(biāo)識(shí)。堆碼區(qū)設(shè)置3個(gè)目標(biāo)堆放區(qū)，分別標(biāo)識(shí)為等邊三角形、圓形、方形目標(biāo)堆放區(qū)。在取物區(qū)和堆碼區(qū)之間為通行區(qū)。本設(shè)計(jì)的起重機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：1)準(zhǔn)確識(shí)別地面標(biāo)線的路線，使起重機(jī)循跡行駛；2)精準(zhǔn)循跡，避免起重機(jī)偏離軌跡及保障運(yùn)行平穩(wěn)；3)識(shí)別紅色、藍(lán)色及圓形、矩形、三角形，提取對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)貨物；4)提取貨物搬運(yùn)至指定標(biāo)識(shí)堆碼區(qū)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用三角形、圓形、方形三種形狀及紅藍(lán)兩色來(lái)標(biāo)識(shí)待取貨物，紅藍(lán)兩色和三角形、圓形、方形三種形狀作為OpenMV的顏色和形狀識(shí)別特征。本文設(shè)計(jì)的競(jìng)賽用輕量化微型門(mén)式起重機(jī)，主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器等組成的硬件系統(tǒng)如圖2所示。

Arduino Mage 2560 pro單片機(jī)作為控制核心，能夠收集各I/O口輸入的高低電平信號(hào)再進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊協(xié)調(diào)統(tǒng)一地工作。傳感器為OpenMV4機(jī)器視覺(jué)模塊，其搭載了Micro Python解釋器，使用Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)串口與控制器實(shí)現(xiàn)通信。執(zhí)行器有編碼電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制編碼電機(jī)，可控制轉(zhuǎn)向，編碼電機(jī)能進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。采用DRV8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，可通過(guò)控制脈沖信號(hào)數(shù)量對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位、控制脈沖信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。

2.1 起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的門(mén)式起重機(jī)采取雙龍門(mén)式，兩龍門(mén)分別位于起重機(jī)左右兩側(cè)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且重心位于起重機(jī)中下部，起升機(jī)構(gòu)吊起重物時(shí)不易側(cè)翻，當(dāng)兩龍門(mén)分別吊起待取貨物時(shí)兩側(cè)承重平衡將更加穩(wěn)定。起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)采用歐標(biāo)鋁型材2020制作，歐標(biāo)鋁型材是Al+Mg+Si合金擠壓型材，采用高強(qiáng)度內(nèi)凹的T形槽結(jié)構(gòu)，同時(shí)經(jīng)過(guò)氧化銀白色(CO)陽(yáng)極化處理，并鍍層12以上，具有承載能力高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐刮擦耐腐蝕和型材間拆裝方便的特點(diǎn)。起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

識(shí)別系統(tǒng)由四個(gè)OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊組成，其中兩個(gè)位于門(mén)式起重機(jī)的左右兩側(cè)龍門(mén)的橫梁上，用于識(shí)別待取貨物前方地面上標(biāo)識(shí)的顏色和形狀，稱(chēng)為OpenMV A、B。另外兩個(gè)位于門(mén)式起重機(jī)的前后兩端識(shí)別地面標(biāo)線使起重機(jī)能夠循跡行駛，稱(chēng)為OpenMV C、D。

2.3 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

執(zhí)行系統(tǒng)由四個(gè)編碼電機(jī)與四個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，四個(gè)編碼電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)麥克納姆輪，來(lái)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)前進(jìn)、后退、橫移、旋轉(zhuǎn)多種行駛狀態(tài)。麥克納姆輪分為互成鏡像關(guān)系的麥克納姆輪左和麥克納姆輪右，四個(gè)麥輪加以組合可以使起重機(jī)實(shí)現(xiàn)多方位移動(dòng)功能。而麥輪的組合方式多種，吸收前人經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)采用的一種可以滿(mǎn)足功能的組合方式為左前方和右后方為麥克納姆輪左，右前方和左后方為麥克娜姆輪右。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)位于起重機(jī)兩龍門(mén)框架頂部分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)卷筒，作為卷?yè)P(yáng)用于提升門(mén)式起重機(jī)的橫梁。卷筒為并列雙卷筒，雙卷筒各卷一繩，繩采用為1號(hào)魚(yú)線，另一端固定于所提升橫梁的兩端。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下并列雙卷?yè)P(yáng)同步卷繩，且兩繩位于橫梁兩端，可保證提升過(guò)程穩(wěn)定，提升貨物時(shí)橫梁不會(huì)發(fā)生傾斜。另外兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別位于兩龍門(mén)橫梁一端連接同步皮帶輪，另一端為同步帶拉直張緊器，采用同步帶傳動(dòng)，同步帶兩端卡在橫梁上的三輪卡扣皮帶滑車(chē)上，而滑車(chē)連接吊鉤。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶可使三輪卡扣皮帶滑車(chē)帶動(dòng)吊鉤在橫梁上左右滑動(dòng)來(lái)鉤取待提貨物。

3 起重機(jī)工作過(guò)程

因取物區(qū)有六種不同標(biāo)識(shí)的待取貨物，且本設(shè)計(jì)一次至多搬運(yùn)兩個(gè)貨物至目標(biāo)堆碼區(qū)，所以需三次搬運(yùn)作業(yè)完成目標(biāo)，進(jìn)而需一定的提取順序。現(xiàn)設(shè)計(jì)提取順序?yàn)槌醮巫鳂I(yè)提取藍(lán)色圓形標(biāo)識(shí)貨物、紅色圓形標(biāo)識(shí)貨物，搬運(yùn)至圓形標(biāo)識(shí)堆碼區(qū)，二次作業(yè)提取藍(lán)色矩形標(biāo)識(shí)貨物、紅色矩形標(biāo)識(shí)貨物，搬運(yùn)至矩形標(biāo)識(shí)堆碼區(qū)，三次作業(yè)提取藍(lán)色三角形標(biāo)識(shí)貨物、紅色三角形標(biāo)識(shí)貨物，搬運(yùn)至三角形標(biāo)識(shí)編碼區(qū)，三次作業(yè)需識(shí)別的標(biāo)識(shí)不同。工作流程如圖4所示工作時(shí)，起重機(jī)能夠從起始點(diǎn)出發(fā)識(shí)別地面標(biāo)線循跡行駛到達(dá)取物區(qū)后，能夠從隨機(jī)排列的六種標(biāo)識(shí)的代取貨物中按照自行設(shè)定的順序吊取兩個(gè)，從通行區(qū)循跡返航將貨物堆放至堆碼區(qū)的相應(yīng)形狀的堆碼區(qū)域內(nèi)并保證藍(lán)顏色標(biāo)識(shí)物品堆碼在下層、紅顏色標(biāo)識(shí)物品堆碼在上層的順序。再次識(shí)別地面標(biāo)線循跡行駛至取物區(qū)進(jìn)行按照自行設(shè)定的順序吊取對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)的待物物品，循跡返航，堆放至相應(yīng)標(biāo)識(shí)的堆碼區(qū)，直至將貨物搬運(yùn)完成，作業(yè)結(jié)束。

4 起重機(jī)工作原理

4.1 循跡原理及雙重PID控制運(yùn)動(dòng)

本設(shè)計(jì)中OpenMV C、D的作用是識(shí)別地面標(biāo)線從而使起重機(jī)循跡行駛，采用線性回歸的方法進(jìn)行循跡，為提升線性回歸計(jì)算速度將圖片分辨率大小設(shè)為“QQQVAG”。循跡原理為首先根據(jù)地面標(biāo)線顏色調(diào)整閾值，對(duì)采集的圖片根據(jù)設(shè)定好的閾值通過(guò)binary()函數(shù)進(jìn)行二值化處理，用mean(2)函數(shù)消噪降低因噪點(diǎn)產(chǎn)生的誤差，用get_regression()函數(shù)進(jìn)行線性回歸得到直線，根據(jù)返回的line對(duì)象,來(lái)調(diào)整起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)使直線在OpenMV視野中央。

為精準(zhǔn)控住起重機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高循跡精度降低誤差，本設(shè)計(jì)采用雙重PID控制法控制起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)整。第一重PID控制為，在OpenMV程序里用PID閉環(huán)系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)調(diào)整趨勢(shì)。首先從pid模塊導(dǎo)入PID類(lèi)，定義兩個(gè)參數(shù)rho_pid控制左右偏移距離、theta_pid控制角度偏移。根據(jù)線性回歸返回的line對(duì)象中的line.rho、line.theta計(jì)算得到差值rho_err直線與中央的偏移距離、theta_err直線與中央的偏移角度,差值傳遞到pid函數(shù)作為參數(shù)，將計(jì)算得到結(jié)果通過(guò)uart.write()函數(shù)串口通信給控制器Arduino Mage 2560 pro，控制起重機(jī)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于line對(duì)象的返回值rho、theta來(lái)說(shuō)，rho偏轉(zhuǎn)距離更重要，只采用rho_pid一個(gè)參數(shù)，控制左右偏移距離也是可行的。第二重PID控制為，PID閉環(huán)控制系統(tǒng)控制編碼電機(jī)速度。將OpenWV通過(guò)串口通信傳遞給控制器的數(shù)據(jù)作為設(shè)定值，通過(guò)控制器輸出PWM值調(diào)節(jié)編碼電機(jī)速度，編碼電機(jī)的編碼器檢測(cè)電機(jī)速遞，與設(shè)定值作比較，通過(guò)pid控制器，來(lái)控制電機(jī)速度達(dá)到預(yù)定值。控制流程如下圖5。

4.2 六種標(biāo)識(shí)的識(shí)別

本設(shè)計(jì)中OpenMV A、B的作用是識(shí)別標(biāo)識(shí)從而使起重機(jī)提取相應(yīng)的待取貨物，由于待提取貨物的六種標(biāo)識(shí)由藍(lán)色、紅色與圓形、矩形、三角形兩兩組合而成，為能夠區(qū)別開(kāi)六種標(biāo)識(shí)，需同時(shí)識(shí)別顏色與形狀。顏色識(shí)別原理為，定義好紅色藍(lán)色的閾值后，調(diào)用find_blobs()函數(shù)根據(jù)返回的對(duì)象判斷是否為目標(biāo)顏色。形狀識(shí)別原理為，對(duì)于圓形的識(shí)別采用霍夫圓檢測(cè)的算法，通過(guò)霍夫變換查找視野中的圓形，調(diào)用find_circles()函數(shù)根據(jù)圓形標(biāo)識(shí)大小調(diào)整threshold參數(shù)。對(duì)于矩形的識(shí)別采用四元檢測(cè)算法，調(diào)用find_rects()函數(shù)。對(duì)于三角形標(biāo)識(shí)的識(shí)別，若采用傳統(tǒng)的識(shí)別線段計(jì)算角度的方法準(zhǔn)確率低，為提高準(zhǔn)確率采用一種新的方法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遍歷，獲取每一個(gè)點(diǎn)的像素值并進(jìn)行判斷，然后根據(jù)像素值的分布規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行形狀分辨，核心是調(diào)用Pixel_value = img.get_pixel(j,i )函數(shù)獲取圖像中當(dāng)前點(diǎn)的像素值。同時(shí)識(shí)別顏色形狀，為算法的組合。以識(shí)別紅色圓形標(biāo)識(shí)為例，先進(jìn)行圓形識(shí)別，后對(duì)識(shí)別到的圓形區(qū)域進(jìn)行顏色統(tǒng)計(jì)，判斷區(qū)域內(nèi)最多的顏色是否是紅色。

5 總結(jié)

競(jìng)賽用輕量化微型起重機(jī)，基于OpenMV 機(jī)器視覺(jué)模塊和Arduino Mage 2560 pro單片機(jī)能夠準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)線精準(zhǔn)循跡行駛，完美識(shí)別六種標(biāo)識(shí)，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作業(yè)過(guò)程穩(wěn)定，充分滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。硬件組成簡(jiǎn)單，成本較低，可用于教學(xué)，為多元化教育提供一種選擇。