超聲波測距系統(tǒng)在拆垛機(jī)器人上的應(yīng)用

曹明 張苗苗 劉凱凱

摘? 要：針對超聲波測距在拆垛機(jī)上應(yīng)用時容易發(fā)生測距跳變的問題，采用了一種簡單高效的算法進(jìn)行濾波處理，具體過程是通過STM32控制KS103超聲波測距，STM32單片機(jī)將濾波后的數(shù)據(jù)通過232總線上傳給上位機(jī)，上位機(jī)控制拆垛機(jī)運動。試驗測試表明，通過該濾波算法后，KS103超聲波測距在拆垛機(jī)上，在0～1200mm之間的數(shù)據(jù)傳輸誤差不超過0.8%，提高了拆垛機(jī)的工作精度。

關(guān)鍵詞：拆垛機(jī)? 超聲波測距? 中值濾波? 通訊

中圖分類號：TP24 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0095-02

在一些袋裝物料倉庫內(nèi)，大部分袋裝物料的存儲是通過機(jī)器碼垛或者人工碼垛的方式碼放在托盤上，而出倉時是通過叉車將托盤一起運送出去，然后由人工拆垛裝車。隨著人工成本的提高，這種出倉方式不僅成本高，而且效率低。現(xiàn)提出一種全自動拆垛機(jī)，拆垛機(jī)采用的是直角坐標(biāo)系，該類機(jī)器人適用于各種自動化加工設(shè)備，多應(yīng)用于碼垛、搬運、拆垛、檢測等工作環(huán)境;其擁有的Y、Z各軸相互獨立，線性計算控制簡單;工作區(qū)域固定不易受現(xiàn)場環(huán)境影響;一般直角坐標(biāo)系機(jī)器人使用壽命長，且便于維護(hù)。具體工作過程：當(dāng)拆垛機(jī)Z軸、Y軸都在停留在起始位置時，首先檢查物料是否到位，物料到位后，測距儀開始工作，等待距離探測結(jié)束后，上位機(jī)判斷距離是否在允許的范圍，如果在允許的范圍內(nèi)，Z到達(dá)指定位置，Y軸開始刮板運動，否則YZ軸不運動。

拆垛機(jī)工作的中心環(huán)節(jié)是測距儀的測距以及數(shù)據(jù)的傳輸。測距以及傳輸?shù)姆€(wěn)定性直接影響到拆垛機(jī)的工作效率及可靠程度。選擇測距儀的工作要求是約束角小，測距準(zhǔn)確，不易受環(huán)境的影響，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭欢ㄒ€(wěn)定可靠。

1? 測距儀的類型的選擇

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常會碰到一些需要接觸式和非接觸式測距的場合，而在工業(yè)中經(jīng)常用到的非接觸式測量距離的有紅外測距傳感器、電渦流測距傳感器等。

（1）紅外測距傳感器。激光紅外測距儀在工作時向目標(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，計算出從觀測者到目標(biāo)的距離[1]。但是該測距價格相對較高，增加拆垛機(jī)的成本，而且容易受到光照條件的影響。

（2）電渦流測距傳感器。電渦流測距儀是利用電渦流效應(yīng)原理設(shè)計的用來測定物體間距離、位移、速度等參數(shù)，電渦流測距傳感器的測量范圍較寬[2]。但只能適應(yīng)于檢測導(dǎo)電金屬材料，而拆垛機(jī)是面對的是袋裝物料，屬于不能產(chǎn)生渦流的非金屬材料。而且渦流效應(yīng)的影響因素多，對于拆垛機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境不適用。

（3）超聲波測距。超聲波測距原理主要是利用超聲波傳感器向外發(fā)射超聲波的時候開始計時，經(jīng)過超聲波在空氣中的傳播，遇到障礙物后返回到超聲波傳感器，超聲波傳感器一旦再次接收到反射的超聲波后計時器立即終止工作，超聲波傳感器結(jié)構(gòu)靈巧，對所檢測的物體沒有什么特殊的要求，在工業(yè)方面應(yīng)用比較廣泛。

綜上說述，超聲波測距在自動拆垛機(jī)上應(yīng)用比較合理。

2? KS103超聲波工作過程

2.1 KS103超聲波測距在拆垛機(jī)上的工作過程

自動拆垛機(jī)上主要用的通信方式是232通信和IIC通信，STM32控制KS103超聲波傳感器進(jìn)行探測距離，當(dāng)KS103超聲波傳感器采集回來的數(shù)據(jù)存儲在STM32中。當(dāng)拆垛機(jī)需要距離的時候，工控機(jī)會通過232總線給STM32發(fā)送信號，將采集回來的數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)。

2.2 中值濾波處理

由于在現(xiàn)場測量距離時各個袋子之間有一定的距離間隔或是機(jī)器的抖動，每次探測的距離容易發(fā)生跳變，所以為了保證機(jī)器的安全運行，下位機(jī)的濾波處理顯得尤為重要。針對跳變這個問題，現(xiàn)采用中值濾波算法。

中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中的一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素接近真實值，從而消除孤立的噪聲點[5]。對于數(shù)字序列使用的方法是把每一個數(shù)據(jù)用它周圍鄰域一定數(shù)目的數(shù)據(jù)的中值替換。具體流程圖如圖1所示。

3? 實驗數(shù)據(jù)采集與分析

將采集回來的數(shù)導(dǎo)入MATLAB中生成曲線圖，由圖2看出沒有濾波的結(jié)果和有濾波的數(shù)據(jù)曲線相仿，上下跳變的幅度縮小，說明在測量時一些跳變的數(shù)已經(jīng)通過中值濾波算法篩選掉。如圖2所示，黑色曲線表示沒有加濾波的超聲波測試結(jié)果，淺灰曲線是加上濾波后的結(jié)果，試驗表明通過程序算法可以把一些比較大的數(shù)值去除掉，充分證明了算法的真實可靠性。

4? 結(jié)語

該文主要介紹了一種超聲波在拆垛機(jī)上的應(yīng)用，由IIC總線通過STM32控制，采集回來的數(shù)據(jù)再由STM32通過232總線上傳給工控機(jī)，在該過程采用的中值濾波算法主要是過濾掉由于機(jī)器晃動或偶然間采集到的袋子空隙之間距離的異常數(shù)據(jù)。在MATLAB軟件下，由曲線可以看出采用算法前數(shù)據(jù)波動很大，而采用算法后數(shù)據(jù)緩和，所以該算法在拆垛機(jī)上應(yīng)用有效。

參考文獻(xiàn)

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[4] 黃全品，王緒本.一種高效的基于閾值的圖像濾波算法及其實現(xiàn)[J].計算機(jī)仿真，2005（5）：111-114.