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)器視覺模塊，其搭載了Micro Python解釋器，使用Python語言進(jìn)行編程，通過串口與控制器實(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)模塊來控制步進(jìn)電機(jī)，可通過控制脈沖信號(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)的門式起重機(jī)采取雙龍門式，兩龍門分別位于起重機(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)器視覺模塊組成，其中兩個(gè)位于門式起重機(jī)的左右兩側(cè)龍門的橫梁上，用于識(shí)別待取貨物前方地面上標(biāo)識(shí)的顏色和形狀，稱為OpenMV A、B。另外兩個(gè)位于門式起重機(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上，而滑車連接吊鉤。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶可使三輪卡扣皮帶滑車帶動(dòng)吊鉤在橫梁上左右滑動(dòng)來鉤取待提貨物。

3 起重機(jī)工作過程

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?，F(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，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來說，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通過串口通信傳遞給控制器的數(shù)據(jù)作為設(shè)定值，通過控制器輸出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pid控制器，來控制電機(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)過程穩(wěn)定，充分滿足設(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。