圖像識別的倉庫裝配智能車

劉銳

（西南科技大學城市學院信息與控制工程技術學院，四川綿陽，621000）

0 引言

目前，中國是世界最大的物流快遞國，快遞企業的巨大工作量已經無法承受。并且傳統的工廠倉庫環境較差，危險系數高。毫無疑問，這樣的環境對工人構成了許多明顯的和潛在的安全隱患。同時，工廠的日常生產從倉庫開始，也在倉庫結束。大量原材料和成品、半成品進出倉庫，勞動強度大。本設計將大大解決上述問題。未來可以利用大數據、人工智能、人臉識別等擴展功能，滿足不同場景的應用需求。對于商家而言，每個設計都涉及不同的產品組合。這種設計是為了降低倉庫裝配系統中的錯誤率，提高裝配效率。

該設計基于攝像頭捕捉特定標識（工作區、充電區、故障停車區引導標志）來完成圖像檢測識別和跟蹤任務，通過攝像頭獲取圖像識別產品二維碼信息。無需人工干預即可完成線路檢測、碰撞檢測與避讓、道路拍攝等可擴展任務。機器人的行走由攝像頭模塊、上位機、控制電路和電機輔以Open-CV開源算法完成。我們使用Open-CV檢測車道線計算和處理，MSP430產生PWM脈沖波來控制四個電機的運行速度和方向。調整工作狀態。

利用python軟件平臺的cv2圖像處理庫設計并實現了一種可以動態識別場景中的車道線及其他命令標識的上位機系統，該系統可以相對有效的避免場景變化的影響，通過計算車道線輪廓中心在圖像中的位置與小車中心線的相對偏差來控制機器人的轉向與轉速，并根據特定標志控制機器人的運行狀態。此系統可有效的在復雜的場景中識別運行指示，系統采用簡單指令控制，計算量小，具有很好的實時性、可操作性、可擴展性和事件監視性。可以根據上位機系統集體分配任務，以滿足一機多用（訂單掃碼、包裝袋運輸、貨物運輸、系統巡檢）的功能。

1 系統的構成

小車構架主要包括圖像采集處理終端和移動搬運小車兩部分，移動搬運小車部分包括與車載單片機相連接的圖像采集處理模塊、物品搬運機構、超聲波模塊和藍牙模塊。所有元器件均處于良好狀態，符合電路和機械設計的基本原理。

圖1 系統的總體構成圖

2 系統的硬件設計

2.1 攝像頭模塊

本設計采用ESP32-CAM集成模塊，支持OV2640和OV7670攝像頭，內置閃光燈、Wi-Fi、藍牙數據傳輸模塊，可以使用開源平臺Arduino IDE實現攝像頭數據獲取傳輸功能，減短研發周期和應用難度。并且該模塊本身來說，集成度越高，價格便宜。

ESP32-CAM集成模塊的優點主要有:（1）采用低功耗雙核32位CPU，用于處理器。（2）主頻高達240MHz，運算能力高達 600DMIPS。（3）內置 520KB SRAM，外置 8MB PSRAM。（4）支持 UART/SPI/I2C/PWM/ADC/DAC 等接口。（5）支持 OV2640和OV7670 攝像頭，內置閃光燈。（6）支持圖片 Wi-Fi 上傳。（7）支持STA/AP/STA+AP 工作模式。

2.2 執行機構

設計的執行部分，是由一個帶有編碼器的大扭矩直流電機驅動的。大扭矩電機無需減速機運行，直接驅動負載，簡化了結構， 提高了系統相應的轉速。其次是高效節能，比現有傳動方式節省用電30%-60%，轉矩性能好、低速轉矩大、低速振動小、電機啟動電流和運轉電流小、過載能力強，同時還具有多種電機運轉模式，可根據設備需要采用連續工作、間隔工作、變速工作、正反轉運行、定點定位、快速制動、軟起軟停等多種模式，對于該設計行駛方向的控制和速度的調控擁有明顯的優勢。選取能驅動直流電機的單片機有兩種方案:（1）直接選擇有PWM功能的單片機，減少單片機資源使用。（2）PWM輸出調制可以通過軟件進行模擬，這就需要單片機擁有較大的資源，并且很難準確的調整速度，但是單片機型號的選擇比較大。

考慮到實際情況，本文選擇第二種方案。主控采用低功耗單片機MSP430，并通過軟件定時器編程來模擬PWM脈沖調制波的產生。

對于電機驅動采用的是芯片TB6612FNG，該芯片是SSOP24 的小型貼片封裝，工作溫度在-20～85℃；電機控制方式: 正、反、制動、停止、脈寬調制支持頻率高達100khz，內置低壓檢測電路和過熱保護電路，具有體積小、輸出熱量低、可同時驅動兩臺電機的優點

3 系統的軟件設計

本文以MSP430單片機為系統的主控核心，使用Open-CV開源上位機處理ESP-32攝像頭捕獲并發送的圖像數據，小車帶有載貨箱，當取貨系統送出貨物時，小車能接受到上位機的調度命令，裝載貨物，并通過攝像頭或NFC標簽識確認貨物信息。攝像頭上位機通過機器視覺圖像濾波、二值化、邊緣檢測、車道線擬合，識別出在道路兩邊的標識行車線，同時在交叉路口設置區域標識符，通過匹配字符，使小車以正確的運行軌跡運作。在open-CV項目的開發中，可以通過服務器程序將圖片保存并顯示在網頁上。Flask框架用于編寫服務器程序來響應靜態頁面。運用HTML和JavaScript構建網頁，從服務器請求圖像，并每20ms-50ms顯示一次。局域網內的設備均可通過瀏覽器看到實時圖像。機器人根據該位置對物料進行裝載并搬運至物料投放點，在機器人運動同時通過 WiFi和Flask框架可在瀏覽器網頁上對機器人的識別情況進行監視。實驗及競賽結果充分證明機器人在物料分揀搬運任務的完成上具有極大的高效性、準確性及穩定性，對制造業自動化的技術推進具有極大的前景。

圖2 TB6612FNG 電機驅動

圖3 智能小車系統圖

4 結語

本設計提出了一款基于 Open-CV 為上位機的智能小車，其中用到了4個電機作為執行機構，每個電機的控制信號均為主控芯片MSP430通過軟件定時器模擬產生的PWM波。攝像頭采用ESP32-CAM 模塊，ESP32具有高度集成性，包含Wi-Fi、藍牙和攝像頭模塊，可以更便捷地與上位機相連接， 相比普通的超聲波、紅外循跡更加的高效方便。工廠倉庫對于貨物裝配的需求越來越大，而此系統也可以十分方便得擴展到人工智能,人臉識別、大數據分析方面。