設計匯總基于視覺的搬運機械手控制系統(tǒng)研制

一、設計的教學目13、4、STM32CKeiluVision4AltiumDesignerSummer09等軟件。1、搬運機械械結構設構具有和人相似的動作功能可在空間抓放物體或進行其它操作，由機械結構、驅動度在、腕部或整個機械手如何配置。23、圖像進行分析從而引導小車到達指定的位置是一項關鍵的研究，將直接影響機械夾持的三、設計的基本1、搭建智能小車實物、機械及各驅動電路模塊23、實現(xiàn)物體的識別并驅動機 把物體夾持到指定地點課題的根據(jù)軟件開發(fā)工具：Keil硬件開發(fā)工具：AltiumDesignerSummer09、Proteus7搭建智能小車實物、機械及各驅動電路模塊實現(xiàn)物體的識別并驅動機械把物體夾持到指定地點二維圖像模塊：圖像模塊主要由視覺傳感器、模擬－數(shù)字轉換器和幀器等組成，負責圖像、轉換和；頭圖像，主控對圖像信號進行分析，判斷當前區(qū)域有沒有指定顏色，如果沒有小車移動一定的距離并轉動一定角度，如果發(fā)現(xiàn)指定顏域則把當前頭拍攝的整個區(qū)域進行劃分，對比顏域所在的位置及大小，然后調整小車的姿態(tài)，直到顏域達到適合夾持的位置與大小并進行夾持。圖像識別與分析是本設計的一個最點，圖像數(shù)據(jù)比較大所以需要執(zhí)行速度12、對本設計進行整體構思，擬計劃采用STM32F103VET6單片機作為主控 最大晶振頻率達72MHZ，處理速度快；3、擬采用OV7725圖像傳感器做圖像 ，OV7725是一個能夠提供單片VGA攝4 .基于PLC的5自由度倉庫搬運機械手研制 工 院學報201211(31- .物料搬運機械手的研制[J].南通紡織 學院學報,2013,12(2):1-3. .搬運機器人控制系統(tǒng)設計[J].西南交通大學學報,2014,20(12):1-4.KurtWall.GNU/Linux編程指南 ,2002:327-NeilMatthew,RichardStones.Linux程序設計[M]. :人民郵電 ,2007:579- ,曹國華 .基于STM32單片機驅動面陣CCD實時圖像顯示的研[J].長春理工大學學報2014,37(1):1- .基于雙ARMCortex架構的移動機器人控制器設計[J].華 學報,2013,41(1):1-5. .嵌入式圖像處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J],華 2009,30(19):1-4. .攝影測量圖像處理的高精度誤差補償法[J].大學學報,20012,32(9):1-8.,楊定安, .步進電機的控制原理及其單片機控制實現(xiàn)[J].佛山科學技術學院學報,2005,22(6):1-3. 題 會 2015年03月28姓職務(姓職務( 職務(林崔 日 評分（百分制X1

評分（百分制X2 評分（百分制X3（簽名 設計最終評分（X140X230X330）（簽名學院（公章 答 會 20150614姓職譚楊曾錄年月日※※※※※※※※ 2015屆學 （四 ※※※※※※※※課題名 通信與電 指導教 教20150605本人鄭重所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師議除文中已經注明的內容外本設計不含任何其他個人或集體已經或撰寫過的作品成果對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全本的法律結果由本人承擔。本科畢業(yè)設計作者簽名目...........................................................................................................................I.......................................................................................................................I 引 總體設 功能要 總體設計方 硬件設 硬件電路總原理 主要硬件模塊原理圖及相關說 2.2.1控制模 圖像電 步進電機驅動電 舵機控制電 TFT液晶顯示屏電 電源穩(wěn)壓電 硬件PCB 軟件設 主程序流程及相關說 各硬件模塊驅動程序流程及相關說 4與分 目標物體識別測 準確夾持目標物體測 自動識別終點測 放置目標物體到指定位置測 5調試與使用說 結 參考文 致 附錄 附錄 基于視覺的搬運機械手控制系統(tǒng)研 缺點，研制了一種由STM32F103ZET6單片機控制的視覺搬運機械手控制系終點區(qū)域檢測以及放置被夾持目標物體等一系列動作。表明，該系統(tǒng)BasedOnVisualHandlingRobotControlSystem:Inviewofthedisadvantagesofusingtherobothandto plishacertainfunctioninthepast,thecontrolsystemofthemanipulatorcontrolledbytheSTM32F103ZET6microcontrollerisdeveloped.Thesystemrealizedthedetectionofobject,whichwasheldbytheobjectholdingtheobject,cedtheendoftheobjectdetectionandtheobjecttobecedinaseriesofmovements.Thetestresultsshowthatthesystemcanautomaticallyidentifyandcliptargetobject,andcanautomaticallymovethetargetobjecttothedesignatedposition.:Single- puter;Visualrobot;Manipulator; 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機械手的應用越來越廣泛。由于機械手可以從事工作和近年來，隨著搬運機械手的優(yōu)勢日益突出，國內外對搬運機械手的研究。文[1]5自由度搬運機械手實現(xiàn)了對STM32F103ZET6機作為主控，STM32單片機最大晶振頻率可達72MHZ，可以較為快速地對頭的圖像信號進行處理同時STM32F103ZET6單片機還具有J-LINK程序和仿真的功能，使程序和仿真變得更加方便快捷。功能要能夠驅動頭識別物體總體設計方在硬件設計上，采用STM32F103ZET6作為整個系統(tǒng)的控制，該最大工作LCD顯示模STM32步進電小車驅動塊5圖一個能夠提供單片VGA頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器在OV7725后端動為TB6560步進電機驅動，能夠實現(xiàn)16細分使小車行走更平穩(wěn)。機械手采用5SCCB總線(SerialCameraControlBus)控制頭，提高圖像傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_性。圖像識別采用RGB轉HSL色彩模式LCD顯示模STM32步進電小車驅動塊5圖電源模1.1電源模硬件電路總原系統(tǒng)硬件部分由STM32單片機控制模塊、電源模塊、圖像模塊、步進電機驅動TFTLCD2.1、仿真電路、電源穩(wěn)壓電路、復位電路、USB串口、頭電路、步進電機驅動電路等組成；其中仿真和電路為J-Link仿真工具；電源穩(wěn)壓電路采用的是TI公司的LM2678電源穩(wěn)壓，能夠提供最大5A電流；圖像電路由圖像傳感器OV7725和FIFOAL422B組成；步進電機驅動采用的是東芝公司TB6560步進電機控制，能夠實現(xiàn)最大16細分。所需元器件見附錄。2.1主要硬件模塊原理圖及相關STM32單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，控制著整個系統(tǒng)的運行，由晶振電路3.3V要晶振電路來產生時鐘頻率。STM32F103ZET68MHZ晶振，USB轉串口電12MHZ晶振。STM32F103系列單片機支持三種復位方式，分別為系統(tǒng)復位、上存器以外的所有寄存器；上電復位即外部復位，內部的復位信號會在NRST引腳輸出，脈沖發(fā)生器保證每一個復位源都有至少20us的脈沖延時，當外部復位引腳NRST拉串口、USB轉紅外接口或者USB轉接口。USB轉串口電路由CH340G加外圍電路構成。其中，TXD和RXD與單片機串口連接。J-LINK是一種硬件仿真及工具用于程序的仿真及，可以方便地進行程序調試，STM32自帶了調試接口，設計接口電路并外接J-LINK仿真器即可實現(xiàn)程序仿真和?？刂圃韴D如圖2.23.3V圖像電

圖2.2控制模塊原理圖像電路采用OV7725圖像傳感器，OV7725是一個能夠提供單片VGA和影像處理器的所有功能的圖像傳感器，為了降低頭對單片機的依賴，提高單片機處理性能，OV7725后端搭載了一塊FIFOAL422B。圖像電路如圖2.3所示。

A1AVDD

SIODSIOCXCLKVSYNC

28272625

123123456789

PCLKHREF

5

DO3RE

GND22

XCLKR41

D0

VCC3.3WRST8

OE21

D1

WCLK

RRST20

D2

10

RCLK

C2

D3 D4

DEC18DO417DO5

D5

DO516

DO615

1

GND

WENWEN1HREF253BGND4WE

3

圖2.3圖像電路最大峰值電流3.5A；具有整步、2、8、16細分方式；內部有溫度保護，溫度過部分組成：控制信號電路、主控電路和自動半流電路[10]。圖2.4即步進電機驅動電由于舵機內部自帶驅動電路所以外部只要發(fā)送信號即可驅動舵機舵機信號周期為20ms，通過改變的占空比實現(xiàn)舵機轉動角度。在程序運行之前放下動作的時候把每個舵機控制口的信號配置成之前測試出來的占空比即

TFT

2.4

2.5TFT液晶顯示屏電路。TFT液晶顯示屏能夠顯示文字、圖像以及動畫，本設計用TFT顯示屏為3.2寸，320X240個像素大小。XPT2046為液晶觸摸，本設計中TFT液晶顯示屏負責顯示頭回來的圖像信息。RSTRST8VDD2RSWR1RDDB09GNDLEDK5LEDK4LEDK3LEDK2LEDK1LEDAX+2829Y+27X-26DB151

2

DB99RDRS

6810121416182022SCK23 LCD_CS24

26INT

MISO

31VCC

GND

1X+Y+X-Y-678

CLK16CS15DIN14BUSYDOU12PEN11VCCVref

R3

2.5TFT圖2.6為電源穩(wěn)壓電路，整個系統(tǒng)由12V大容量電池供電，由LM2678構成的穩(wěn)壓電路將12V電壓穩(wěn)到5V給單片機系統(tǒng)和模塊供電，LM2678最大能提供5A電3.3穩(wěn)壓將5V電壓穩(wěn)到3.3V給單片機供電，其中S2為單片機系統(tǒng)總開關

硬件PCB

2.6按照原理圖設計好PB圖，本設計共需要設計四個PB文件，分別為ST32主控板、L2678電源、T6560步進電機驅動、FTLD；ST32主控板采面板布線，除了排針和晶振為直插式封裝，其它元器件均采用貼片封裝，以減少主控板的尺寸。其中主控ST32F103ZET6采用的是LP44封裝，電阻、電容均采用0603封裝，2.7L26782.8T6560步進電機驅動模塊采用的是雙面板布線，4即為T6560步進電機驅動，如圖2.9所示；TFLD2.10所示。2.7STM322.8LM26782.9TB65602.10TFTLCD主程序流程及相關說，程序開始首先執(zhí)行的是系統(tǒng)初始化函數(shù)，系統(tǒng)初始化函數(shù)依次完成系統(tǒng)定時器、串口液晶以及輸出的初始化工作然后執(zhí)行頭初始化頭初始化函數(shù)先對頭控制協(xié)議SB協(xié)議進行端口初始化，然后對幀緩存的控制口進行初始化。最后小車左右掃描，檢測到被夾持目標物體后對目標物體進行夾持然后檢測紅色終所示。，視覺接卸搬運手工作過程：首先在白紙上測好機械手剛好能夾持物體時物體在屏幕上的大小，然后把一個圓柱形的藍色物體放在白紙上的任何一個地點，把智能小車放在一塊紅域上面小車先左轉約90度掃描要夾持的物體是否在小車左邊區(qū)域如果不180屏幕上將出現(xiàn)一個紅色的框將被夾持物（藍域框住同時小車朝著被夾持物體的方向運行；當單片機檢測到被夾持的物體寬度距離能夠夾持的寬度相差五個像素點時，小車停止向前并向左或向右調整物體到屏幕，保證夾持的準確性。各硬件模塊驅動程序流程及圖像模。圖像模塊包括圖像傳感器和FIFO，負責對圖像數(shù)據(jù)頭模塊與單片機通過SCCB進行指令的傳遞。程序驅動部分思路流程如下：將頭的場中FIFO使能管腳電平，之后整幅圖像的數(shù)據(jù)就會存入FIFO。當單片機再次捕捉到場中斷時，表明一幅圖像已經送入FIFO，此時關閉場中斷并拉低使能引腳電平，防止頭數(shù)據(jù)再次寫入FIFO，開始FIFO數(shù)據(jù)到內存緩沖區(qū)，根據(jù)到的圖像做圖像處理。應用完成后再次開啟場中斷，當再次捕捉到場中斷時，拉高使能管腳電平，繼續(xù)讓頭數(shù)據(jù)存入FIFO，完成后單片機FIFO數(shù)據(jù)進行處理，如此循環(huán)。工作流程如圖3.2所示。。TFTSTM32F103系列單片機內部沒有集成的液晶屏和觸摸屏控制接口，所以在顯示面板中應自帶含有驅動的驅動電路(液晶屏驅動電路和觸摸屏驅動電路是獨立的小 行YSTM32通過驅動分別控制液晶屏和觸摸屏。本設計使用ILI9341液晶控小 行Y控制液晶屏通過XPT2046觸摸控制控制觸摸屏TFT液晶工作流程如圖3.3所示左轉左轉大于一定 YNNNYN檢測到被檢測到被夾 寬度小于像素點Y寬度小于像素點 YNY 3.1開開返返圖3.2圖像模塊流程開開返顯3.3TFT字符顯示工作過程：TT數(shù)據(jù)顯示，首先字符信息確定字符的長度和寬度，然后開一個跟字符一樣大的AM窗口通過一位一位字符信息把需要顯示的地方的坐標點設置成跟不需要顯示的地方不同的顏色即可顯示字符如顯示下面的字“字只需要一行一行字101的部分的坐標顯示成不同的顏色即可顯示一個“字字。3.4“字”3.5所示，當復位按鍵按下時，單片機將復位除了備份區(qū)NY返清除寄存器的返清除寄存器的

3.54.1為視覺機械搬運手樣機側面圖，從圖中可以看到一個智能小車平臺，一個無自由度的機械手，單片機控制模塊和一個頭模塊。用一個藍色圓柱作為視覺搬運機目標物體識別測調節(jié)頭聚焦，調節(jié)頭到的圖像到最清晰的狀態(tài)。在白紙上任意位置放圖像傳感器回來的圖像信息進行分析，當檢測到被夾持目標物體的藍域在液晶上出現(xiàn)一個紅色的框把整個藍域框住。如圖4.2所示。 圖4.1視覺機器人樣機圖4.2準確夾持目標物體測把被夾持物體放在白紙上的任意區(qū)域，把小車放在紅域，小車從紅域出4.3持物體進行精確地夾持。自動識別終點測

4.3單片機對圖像傳感器回來的圖像信息進行分析，當檢測到終點的紅域在液晶上面將出現(xiàn)一個紅色的框把整個紅域框住。如圖4.4所示。4.4放置目標物體到指定位置測把被夾持物體放在白紙上的任意區(qū)域，把小車放在紅域，小車從紅域出域的終點，小車加速向紅域前進，然后調整好位置后把物體放在紅域。如圖4.5所示，機械手能把被夾持物體放在終點紅域。5

4.5利用USB給單片機電電，安裝J-LINK驅動，如圖5.1所示5.1J-LINKKeiluVision4軟件中設置仿真方式為J-LINK5.25.2J-LINK8MHZ5.3KeiluVision45.4所示。圖5.4程序到單片使用說明：打開電源總開關，小車開始向左掃描物體，當掃描超過90度小車將向右與可夾持的寬度相差五個像素點小車開始行駛，當小車檢測到物體達到可夾持的寬度，小車向左或向右調整物體到屏幕，保證機械手能夠夾持到。然后小車向右轉動掃描紅色終點區(qū)域，掃描到紅域小車向紅域行走，當檢測到紅域的寬度合適時，小車停止并調整紅域在屏幕，然后放下物體。本設計制作了一個智能小車以及一個機械手以STM32F103ZET6單片機為控制，并帶有TFT液晶顯示屏、步進電機、頭模塊；采用頭物體圖像，通過單片機對物體進行圖像處理并進行圖像位置的判斷，從而驅動機械手準確的夾持物體，并把物體放到指定的區(qū)域。雖然本設計完成了視覺搬運機械手的基本功能，但是由于本人能力有限整個設計還是存在一些不足之處。第一，機械手夾持的力度有限，由于本設計采用的是舵機用于機械手的夾持，而舵機的力矩非常小所以不能對比較重的物體進行夾持第二圖像模塊的分辨率不是很高導致圖像劃分不是很精確物體的大小斷就不是很精確。第三，單片機的速度還不是很快，因為對圖像的處理需要進行大量的STM32F103言還是不夠理想，所以必須放慢小車的運行速度。建議在以后的研究中，可以從上面幾個問題入手。[1]索,.基于PLC的5自由度倉庫搬運機械手研制[J].工業(yè)學院學報,2012,11(3):1-5.[2],,.物料搬運機械手的研制[J].南通紡織學院學報,2013,12(2):1-[3],,,.搬運機器人控制系統(tǒng)設計[J].西南交通大學學報,2014,20(12):KurtWall.GNU/Linux編程指南[M].:,2002:327-NeilMatthew,RichardStones.Linux程序設計[M].:人民郵電,2007:579-李,曹國華,.基于STM32單片機驅動面陣CCD實時圖像顯示的研究[J].長春理工大學學報,2014,37(1):1-4.,.基于雙ARMCortex架構的移動機器人控制器設計[J].華技大學學報,2013,41(1):,,.嵌入式圖像處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J],華通大學學報,2009,30(19):1-邾繼貴,,,.攝影測量圖像處理的高精度誤差補償法[J].學報,20012,32(9):1-8.,楊定安,.步進電機的控制原理及其單片機控制實現(xiàn)[J].佛山科學技術學院學報,2005,22(6):1-3.本文是在我的指導老師教授的悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地和激勵著我。從課題的選擇到設計的最終完成，肖老師都始終給予感謝給我提供一個設備充足、資料齊全、網(wǎng)絡方便的開放性。

表A1元器件序 名 規(guī)格型 數(shù)1121324151頻率:8MHZ封裝:49SS,,6漂1:12MHz:49SS矮體直插7漂1819435224,1管113111 端口連接:#include"stm32f10x.h"#include"systick.h"#include"bsp_ov7725.h"#include"bsp_ili9341_lcd.h"#include"EasyTracer.h"#include"usart.h"#include#define#define#include#define#define #define#define //#defineCAMER_ADJUSTexternu16compare;externuint8_tOv7725_vsync;RESULTResu; TARGET_CONDICondition_Select; typedefenum{typedef{u16x_minsize;u16u16typedef{u8capture;u8first;u8SizeCarCar_Struct={if(Ov7725_vsync==2{Ov7725_vsync= {return}}return}voidCar_CaptureColor(u16x_min,u16x_max,Color{compare= {{if((Resu.xx_min)&&Resu.x {Car_Struct.capture= }}if(color_select {if(Car_Struct.first=={if(compare>{}}{

Car_Struct.first=compare=0;Car_Struct.direction=RIGHT;if(compare>{compare=0;if(Car_Struct.direction=