一種移動碼垛機器人視覺控制與定位*

徐　敏，陳州堯

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一種移動碼垛機器人視覺控制與定位*

徐敏1，陳州堯2

(1.廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門361024;2.江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州341000)

對移動碼垛機器人視覺控制與定位的需求進行了研究，設計了一種攝像頭支架，提出了基于DSP控制3軸聯動的方案。利用TMS320F28335DSP增強型控制器的局域網通信接口eCAN模塊實現上位機與DSP實時通信；選用了3個增強型脈寬調制ePWM模塊，產生3路周期和頻率可調的PWM波用來驅動3個電機。通過該視覺系統對目標物識別與三維定位，數據分析顯示定位結果均在目標物的有效區域，表明攝像頭位姿控制準確，證明了開發的攝像頭控制系統可滿足移動碼垛機器人視覺系統的要求。

CAN總線通信；ePWM；視覺控制與定位；移動碼垛機器人

0　引言

碼垛機器人作為生產物流運送環節的關鍵設備，將機器視覺引入到碼垛機器人中，將提升碼垛機器人的靈活性[1]。現有引入機器視覺的碼垛機器人大多數采用了Eye-to-Hand系統，即攝像頭與機械臂分開，需給攝像頭配置專門的轉臺以跟蹤目標。基于Eye-to-Hand系統的碼垛機器人要使機械臂能準確搬運目標，一方面，圖像處理需準確識別目標、立體視覺需準確定位目標到攝像機坐標系下，另一方面，攝像機坐標系到機械臂坐標系的轉換也要有精度保證。

現有基于機器視覺的碼垛機器人多被使用在流水作業中，機器人不能移動，攝像頭被固定在較高的地方，對準一定的區域,例如文獻[2-6]中視覺系統就是采取了這種策略。雖然這種方式避免了坐標轉換的誤差，但是極大的限制了碼垛機器人使用的場合，機動性較差。據此，對基于DSP控制的三軸聯動的攝像頭支架及其控制系統進行了研究，將其應用到可移動碼垛機器人。通過對攝像頭位姿控制、對目標物識別和三維定位，實驗表明攝像頭位姿控制準確，證明了攝像頭支架及其控制系統可應用于移動碼垛機器人視覺系統。

1　視覺控制系統設計

1.1研究對象

可移動碼垛機器人視覺系統中攝像頭需要獲取地面上的目標物相關信息，由于目標分布范圍廣、高度不一，相應的攝像頭應具有前后上下左右旋轉功能，才能保證足夠的視場角來獲取大視野場景的信息。引入機器視覺的可移動碼垛機器人搬運目標物的示意圖如圖1。

圖1　碼垛示意圖

如圖1所示，視覺系統采用3個步進電機實現三軸聯動控制。具體是，電機a控制攝像頭上下運動，電機b控制攝像頭前后轉動，電機c控制攝像頭左右轉動。

1.2硬件設計

從圖1中可看出攝像頭支架固定在移動小車上，需要控制攝像頭靈活轉動來采集圖像，且需利用攝像頭位姿信息將目標物定位到機械臂坐標系下。為控制攝像頭位姿，使用了TMS320F28335DSP核心板的串行端口外設中的兩個控制器局域網(CAN)模塊之一的eCAN-B模塊，讓其接收上位機通過USB接口CAN卡(ACUSB)發送的消息，再將消息換算為3個電機轉動所需的脈沖個數。TMS320F28335DSP核心板具有6個獨立的ePWM外設模塊，每個ePWM模塊能輸出周期和頻率可調的兩路PWM信號[7]。選用其中3路PWM波輸入驅動器的PUL端控制3個步進電機轉動。選用88個I/O口中任意6個，3個引腳用來與驅動器的DIR端相連，通過控制電平的高低實現電機轉向，另3個引腳與驅動器的ENA端相連，通過控制電平的高低實現電機啟停。實踐中，脈沖發出的個數采用CPU定時器0/1/2計數。當脈沖的個數達到期望值時，PUL端、DIR端和ENA端的輸入信號全部置0。

由于TMS320F28335DSP開發板具有本系統所需要的外圍電路，但步進電機驅動器的控制端為感性負載，且控制電壓(5V)高于DSP的輸出電壓(3.3V)，所以需要加一個3.3V轉5V的隔離電路。選用3個雙通道邏輯輸出的HCPL2630芯片作為光電耦合元件隔離干擾、保護開發板。其中，1個HCPL2630芯片組成的雙通道隔離電路如圖2所示。F28335DSP控制的攝像頭支架系統的硬件結構框圖如圖3所示。

圖2　HCPL2630隔離電路

圖3　系統硬件結構框圖

1.3軟件設計

本系統的軟件部分包括上位機軟件和以DSP28335為核心的下位機軟件，軟件相應的功能流程圖如圖4。

圖4　軟件功能流程圖

上位機與DSP采用的是CAN總線通信，具體設置為：工作模式選0(正常模式)、位定時參數模式設置為1(SJA1000)、CAN位定時參數設置為0x00和0x1C(500kbps)、濾波方式設置為0(未設置濾波功能)、驗收碼為0、屏蔽碼為0xFFFFFFFF、預留字段為0。最為關鍵的是幀ID的設置，當選用標準幀時，仲裁場由11位的標識符和RTR位組成，標識符位由消息標識寄存器MSGID的ID[28:18]組成[8]。例如郵箱ID為0x101c0000，對應的二進制是0001 0000 0001 1100 0000 0000 0000 0000,將它的ID[28:18]位放置在上位機幀ID的ID[10:0]，其他位用0補全，用二進制表示的32位幀ID為0000 0000 0000 0000 0000 0100 0000 0111，用16進制表示為0x00000407。制作的上位機界面如圖5。

圖5　上位機界面

2　目標物識別

碼垛機器人移到目標物附近停下來，采集到目標物圖像后，需進行圖像處理將多目標物一一識別出來。由于目標物的視覺特征，單一的數字模型難以準確描述時，會采用多種描述來實現對目標逐步的識別[9-10]。例如目標物是袋裝物料，且中間標志明顯，可從標志的顏色特征入手(如圖6a)；如果袋裝物料為純色，就需先通過閾值識別出整個袋裝物料的區域，再從單個物料包的邊緣信息入手，分割出一個個物料包(如圖6b)；對于袋裝物料的特征太多，且中心區域難以識別的情況，可以先根據顏色信息獲取每個袋裝物料的大致范圍，再將它與匹配模板進行基于SURF算法的匹配，實現逐一確定每個物料包的中心區域(如圖6c)。

(a)識別標志(b)識別邊緣(c)顏色+surf識別

圖6三種物料包識別

3　三維定位與結果分析

通過上位機控制攝像機支架轉至指定位姿，通過對圖6b圖像分析，獲取5個物料包在攝像機坐標系下三維坐標，通過坐標轉換，將它們的坐標轉換到機械臂坐標系下。坐標轉換根據如下公式(1)。

(1)

在公式(1)中，(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)分別表示攝像機坐標系和機械臂坐標系下的坐標，Δx,Δy,Δz為攝像機坐標系原點沿機械臂坐標系的x,y,z軸負方向移動到與機械臂坐標系原點重合所需要移動的距離。α,β為攝像機前后和左右旋轉的角度，sinα,cosα,sinβ,cinβ簡寫為sα,cα,sβ,cβ。圖6b中5個物料包視覺定位是在Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.29,α=42,β=0與Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.39,α=30,β=15時即電機a上升0.29cm，電機b向前轉42°，電機c不動和電機a上升0.39cm，電機b向前轉30°，電機c向左轉15°。實驗結果如表1和表2所示。

表1　三維定位1

表2　三維定位2

由于碼垛實踐中目標物多為類似物料包的物體，目標有效區域為半徑大于5cm的圓，所以x軸和y軸的誤差在有效的范圍內。由于z方向靠推桿使吸盤下壓與物料包表面貼合，推桿下壓的范圍為0～10cm，下壓過程中碰到物體會停止，所以z方向的誤差在有效范圍內。三維定位結果可作為機械臂逆運算的依據。

4　結論

基于TMS320F28335DSP控制的三軸聯動的攝像頭支架及其控制系統應用于移動碼垛機器人中，通過上位機控制攝像頭的位姿，利用該系統進行目標物識別和三維定位，結果顯示目標物定位滿足要求，表明了攝像頭位姿控制準確，該視覺控制系統設計合理，具有一定的工程應用價值。

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[3] 郭海冰,霍華,封文江.機器視覺算法在碼垛機器人中的應用[J].沈陽師范大學學報,2011,29(2):222-223.

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(編輯李秀敏)

AMobilePalletizingRobotVisionControlandLocate

XUMin1，CHENZhou-yao2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,XiamenUniversityofTechnology,XiamenFujian361024,China;2.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,GanzhouJiangxi341000,China)

Acamerabracketwith3-axisandcontrolsystembasedonDSPisdesignedforthedemandofvisioncontrolandpositioningofmobilepalletizingrobot.EnhancedcontrollerareanetworkcommunicationinterfaceofTMS320F28335DSPisappliedtoachievePCandDSPreal-timecommunication.Consideredcharacteristicofsteppermotors,3enhancedpulsewidthmodulationmodulesisusedtoproduce3-wayadjustableperiodandfrequencyPWMwaves,whichisusedtodrive3motors.Objectidentificationandthree-dimensionalpositioningisimplementedbythisvisionsystemanddataanalysisshowedthattheresultsofpositioninginthetargetobject’seffectivearea.Thestrategycanassuretoaccuratecontrolcamerabracket,meetthevisionsystem’srequirementsofmobilepalletizingrobot.

CANbuscommunication;ePWM;visualcontrolandpositioning;mobilepalletizingrobot

1001-2265(2016)08-0093-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.026

2015-08-11

2014年福建省科技廳科技計劃重點項目(2014H0047)；2014年廈門市科技計劃項目(3502Z20143034)

徐敏(1963 —)，男，福建龍巖人，廈門理工學院教授，研究方向為機器人技術，(E-mail)xuminxx26@163.com；

陳州堯(1989—)，男，湖北仙桃人，江西理工大學碩士研究生生，研究方向為機器視覺，(E-mail)462290103@qq.com。

TH166;TG506

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