一种移动码垛机器人视觉控制与定位*

徐　敏，陈州尧



一种移动码垛机器人视觉控制与定位*

徐敏1，陈州尧2

(1.厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门361024;2.江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州341000)

对移动码垛机器人视觉控制与定位的需求进行了研究，设计了一种摄像头支架，提出了基于DSP控制3轴联动的方案。利用TMS320F28335DSP增强型控制器的局域网通信接口eCAN模块实现上位机与DSP实时通信；选用了3个增强型脉宽调制ePWM模块，产生3路周期和频率可调的PWM波用来驱动3个电机。通过该视觉系统对目标物识别与三维定位，数据分析显示定位结果均在目标物的有效区域，表明摄像头位姿控制准确，证明了开发的摄像头控制系统可满足移动码垛机器人视觉系统的要求。

CAN总线通信；ePWM；视觉控制与定位；移动码垛机器人

0　引言

码垛机器人作为生产物流运送环节的关键设备，将机器视觉引入到码垛机器人中，将提升码垛机器人的灵活性[1]。现有引入机器视觉的码垛机器人大多数采用了Eye-to-Hand系统，即摄像头与机械臂分开，需给摄像头配置专门的转台以跟踪目标。基于Eye-to-Hand系统的码垛机器人要使机械臂能准确搬运目标，一方面，图像处理需准确识别目标、立体视觉需准确定位目标到摄像机坐标系下，另一方面，摄像机坐标系到机械臂坐标系的转换也要有精度保证。

现有基于机器视觉的码垛机器人多被使用在流水作业中，机器人不能移动，摄像头被固定在较高的地方，对准一定的区域,例如文献[2-6]中视觉系统就是采取了这种策略。虽然这种方式避免了坐标转换的误差，但是极大的限制了码垛机器人使用的场合，机动性较差。据此，对基于DSP控制的三轴联动的摄像头支架及其控制系统进行了研究，将其应用到可移动码垛机器人。通过对摄像头位姿控制、对目标物识别和三维定位，实验表明摄像头位姿控制准确，证明了摄像头支架及其控制系统可应用于移动码垛机器人视觉系统。

1　视觉控制系统设计

1.1研究对象

可移动码垛机器人视觉系统中摄像头需要获取地面上的目标物相关信息，由于目标分布范围广、高度不一，相应的摄像头应具有前后上下左右旋转功能，才能保证足够的视场角来获取大视野场景的信息。引入机器视觉的可移动码垛机器人搬运目标物的示意图如图1。

图1　码垛示意图

如图1所示，视觉系统采用3个步进电机实现三轴联动控制。具体是，电机a控制摄像头上下运动，电机b控制摄像头前后转动，电机c控制摄像头左右转动。

1.2硬件设计

从图1中可看出摄像头支架固定在移动小车上，需要控制摄像头灵活转动来采集图像，且需利用摄像头位姿信息将目标物定位到机械臂坐标系下。为控制摄像头位姿，使用了TMS320F28335DSP核心板的串行端口外设中的两个控制器局域网(CAN)模块之一的eCAN-B模块，让其接收上位机通过USB接口CAN卡(ACUSB)发送的消息，再将消息换算为3个电机转动所需的脉冲个数。TMS320F28335DSP核心板具有6个独立的ePWM外设模块，每个ePWM模块能输出周期和频率可调的两路PWM信号[7]。选用其中3路PWM波输入驱动器的PUL端控制3个步进电机转动。选用88个I/O口中任意6个，3个引脚用来与驱动器的DIR端相连，通过控制电平的高低实现电机转向，另3个引脚与驱动器的ENA端相连，通过控制电平的高低实现电机启停。实践中，脉冲发出的个数采用CPU定时器0/1/2计数。当脉冲的个数达到期望值时，PUL端、DIR端和ENA端的输入信号全部置0。

由于TMS320F28335DSP开发板具有本系统所需要的外围电路，但步进电机驱动器的控制端为感性负载，且控制电压(5V)高于DSP的输出电压(3.3V)，所以需要加一个3.3V转5V的隔离电路。选用3个双通道逻辑输出的HCPL2630芯片作为光电耦合元件隔离干扰、保护开发板。其中，1个HCPL2630芯片组成的双通道隔离电路如图2所示。F28335DSP控制的摄像头支架系统的硬件结构框图如图3所示。

图2　HCPL2630隔离电路

图3　系统硬件结构框图

1.3软件设计

本系统的软件部分包括上位机软件和以DSP28335为核心的下位机软件，软件相应的功能流程图如图4。

图4　软件功能流程图

上位机与DSP采用的是CAN总线通信，具体设置为：工作模式选0(正常模式)、位定时参数模式设置为1(SJA1000)、CAN位定时参数设置为0x00和0x1C(500kbps)、滤波方式设置为0(未设置滤波功能)、验收码为0、屏蔽码为0xFFFFFFFF、预留字段为0。最为关键的是帧ID的设置，当选用标准帧时，仲裁场由11位的标识符和RTR位组成，标识符位由消息标识寄存器MSGID的ID[28:18]组成[8]。例如邮箱ID为0x101c0000，对应的二进制是0001 0000 0001 1100 0000 0000 0000 0000,将它的ID[28:18]位放置在上位机帧ID的ID[10:0]，其他位用0补全，用二进制表示的32位帧ID为0000 0000 0000 0000 0000 0100 0000 0111，用16进制表示为0x00000407。制作的上位机界面如图5。

图5　上位机界面

2　目标物识别

码垛机器人移到目标物附近停下来，采集到目标物图像后，需进行图像处理将多目标物一一识别出来。由于目标物的视觉特征，单一的数字模型难以准确描述时，会采用多种描述来实现对目标逐步的识别[9-10]。例如目标物是袋装物料，且中间标志明显，可从标志的颜色特征入手(如图6a)；如果袋装物料为纯色，就需先通过阈值识别出整个袋装物料的区域，再从单个物料包的边缘信息入手，分割出一个个物料包(如图6b)；对于袋装物料的特征太多，且中心区域难以识别的情况，可以先根据颜色信息获取每个袋装物料的大致范围，再将它与匹配模板进行基于SURF算法的匹配，实现逐一确定每个物料包的中心区域(如图6c)。

(a)识别标志(b)识别边缘(c)颜色+surf识别

图6三种物料包识别

3　三维定位与结果分析

通过上位机控制摄像机支架转至指定位姿，通过对图6b图像分析，获取5个物料包在摄像机坐标系下三维坐标，通过坐标转换，将它们的坐标转换到机械臂坐标系下。坐标转换根据如下公式(1)。

(1)

在公式(1)中，(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)分别表示摄像机坐标系和机械臂坐标系下的坐标，Δx,Δy,Δz为摄像机坐标系原点沿机械臂坐标系的x,y,z轴负方向移动到与机械臂坐标系原点重合所需要移动的距离。α,β为摄像机前后和左右旋转的角度，sinα,cosα,sinβ,cinβ简写为sα,cα,sβ,cβ。图6b中5个物料包视觉定位是在Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.29,α=42,β=0与Δx=0.21,Δy=-0.2,Δz=0.39,α=30,β=15时即电机a上升0.29cm，电机b向前转42°，电机c不动和电机a上升0.39cm，电机b向前转30°，电机c向左转15°。实验结果如表1和表2所示。

表1　三维定位1

表2　三维定位2

由于码垛实践中目标物多为类似物料包的物体，目标有效区域为半径大于5cm的圆，所以x轴和y轴的误差在有效的范围内。由于z方向靠推杆使吸盘下压与物料包表面贴合，推杆下压的范围为0～10cm，下压过程中碰到物体会停止，所以z方向的误差在有效范围内。三维定位结果可作为机械臂逆运算的依据。

4　结论

基于TMS320F28335DSP控制的三轴联动的摄像头支架及其控制系统应用于移动码垛机器人中，通过上位机控制摄像头的位姿，利用该系统进行目标物识别和三维定位，结果显示目标物定位满足要求，表明了摄像头位姿控制准确，该视觉控制系统设计合理，具有一定的工程应用价值。

[1] 陈州尧,徐敏,苏鹭梅.一种码垛视觉系统中物料袋的识别与定位方法[J].制造业自动化,2015,37(3):47-49.

[2] 刘振宇,李中生,张涛,等.基于机器视觉的码垛机器人系统研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014(4):9-10.

[3] 郭海冰,霍华,封文江.机器视觉算法在码垛机器人中的应用[J].沈阳师范大学学报,2011,29(2):222-223.

[4] 许凡.视觉引导的抓取机器人控制技术的研究与开发[D].无锡:江南大学,2014.

[5] 李中生.机器视觉在机器人码垛系统中的应用研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2014.

[6] 童上高,张昊,李文艺,等.多品种分类码垛视觉识别系统研究[J].制造业自动化,2013,35(6):112-114.

[7] 符晓,朱洪顺.TMS320F2833xDSP应用开发与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.

[8] 顾卫刚.手把手教你学DSP-基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[9] 董鸿江,赵日峰.机器视觉技术在烟箱缺条检测中的应用[J].现代电子技术,2011,34(22):120-122.

[10]MuhamadAmin,Anang,Khan,etal.DistributedMulti-FeatureRecognitionSchemeforGreyscaleImages[J].NeuralProcessingLetter,2011,33(1):45-49.

(编辑李秀敏)

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年福建省科技厅科技计划重点项目(2014H0047)；2014年厦门市科技计划项目(3502Z20143034)

徐敏(1963 —)，男，福建龙岩人，厦门理工学院教授，研究方向为机器人技术，(E-mail)xuminxx26@163.com；

陈州尧(1989—)，男，湖北仙桃人，江西理工大学硕士研究生生，研究方向为机器视觉，(E-mail)462290103@qq.com。

TH166;TG506

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