基于智能分揀的智能分揀小車設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

基于智能分揀的智能分揀小車設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0生活垃圾處理方面城市生活垃圾是世界上日益增加的資源。如果處理得很好，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如果處理得不好，就會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人類生活產(chǎn)生重大影響。我國一年生活垃圾產(chǎn)生總量達(dá)1.6億噸,每年以8%~10%的速度增長,但生活垃圾一直是混合收集,如果直接處理不僅造成資源的極大浪費(fèi),而且混合垃圾中還含有一些危險(xiǎn)廢物如日光燈管、廢舊電池等,極易造成嚴(yán)重污染。在處理方式上,目前我國90%以上的垃圾采用直接填埋的方式,8%直接堆肥或露天堆放,不到2%的垃圾被直接燃燒。然而發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)70年代開始實(shí)施城市生活垃圾分類收集,該方法為垃圾的填埋、焚燒、堆肥等的正確處理打下基礎(chǔ),為實(shí)現(xiàn)垃圾處理減量化、資源化、無害化目標(biāo)創(chuàng)造條件。目前,歐美及日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)垃圾在源頭上進(jìn)行分類投放,根據(jù)不同垃圾種類規(guī)定所投放到不同顏色的垃圾桶,通過專門的垃圾回收車進(jìn)行人工收集,之后運(yùn)送到相應(yīng)的處理場進(jìn)行處理。然而,采用人為的分類運(yùn)輸,不但成本高,而且工序繁雜,需要消耗大量物力和財(cái)力,因此采用一套全自動(dòng)化流水線的系統(tǒng)可大大節(jié)約成本,而且有利于環(huán)境保護(hù)和資源的再利用。本研究采用自動(dòng)化流水線的方式設(shè)計(jì)制造出一套系統(tǒng)模型,將人工分揀壓縮打包后的垃圾桶,通過帶有攝像頭識(shí)別的智能分揀小車(小車上帶有機(jī)械手臂)自動(dòng)尋跡和辨別垃圾桶顏色,將不同的垃圾桶運(yùn)送到相應(yīng)的垃圾處理廠進(jìn)行相應(yīng)的分類處理。1智能分揀仿真系統(tǒng)由軌跡引導(dǎo)線和智能垃圾桶分揀小車兩大部分構(gòu)成。軌跡線是智能分揀小車尋跡的引導(dǎo)線,其分為紅、黑、藍(lán)3種顏色,小車根據(jù)所抓取的垃圾桶的不同顏色尋找相應(yīng)顏色的軌跡;智能分揀小車由攝像頭、機(jī)械爪、模擬垃圾桶、舵機(jī)、主電路平臺(tái)、直流電機(jī)和小車模型構(gòu)成。攝像頭對(duì)物體顏色進(jìn)行識(shí)別,兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪抓取垃圾桶,根據(jù)垃圾桶的顏色使小車的舵機(jī)打向相應(yīng)的路徑,從而模擬不同垃圾桶分別運(yùn)輸?shù)讲煌睦幚碇行?。該系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1所示。2硬件電路設(shè)計(jì)2.1電源電路的設(shè)計(jì)智能分揀小車的主板電路由MC9S12XS128的16bit單片機(jī)和電源電路組成。其MC9S12XS128集成了PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT、CAN等模塊,使用方便,功能強(qiáng)大,主要用來對(duì)攝像頭采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫,求得實(shí)際軌跡線位置信息,并根據(jù)一定的算法對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。電源電路由一路兩片LM7805所組成的穩(wěn)壓電源,其給機(jī)械手以及機(jī)械臂的兩個(gè)舵機(jī)供電;一路由LM2940組成的線性電源以及調(diào)理電路,給芯片以及攝像頭供電。分揀機(jī)器人的導(dǎo)向舵機(jī)以及電機(jī)的電源由電池直接供電。該主板電路如圖2所示。2.2ov樣品和數(shù)據(jù)格式OV7620是CMOS黑白圖像傳感器。其支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式,VGA與QVGA兩種圖像格式最高像素為664×492,幀速率為30fp8;數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB3種,能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620內(nèi)部可編程功能寄存器的設(shè)置有上電模式和SCCB編程模式。該系統(tǒng)采用SCCB編程模式,連續(xù)掃描,16位RGB數(shù)據(jù)輸出。2.3bts鋼絞線本研究所選擇的驅(qū)動(dòng)芯片是英飛凌公司的大電流半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970,該芯片最大輸出電流為63A,導(dǎo)通內(nèi)阻為16mΩ,具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7970應(yīng)用非常簡單,只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時(shí),只需要讓電機(jī)一端接地,另一端接BTS7970第4引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制,則需要另一片BTS7970共同組成全橋。該系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用兩片BTS7970共同組成全橋來控制電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)。3系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是在飛思卡爾MC9S12XS128系列單片機(jī)開發(fā)軟件CodeWarrior5.0的平臺(tái)上進(jìn)行的。該軟件具有支持多種語言、開發(fā)環(huán)境界面統(tǒng)一、交叉平臺(tái)開發(fā)以及支持插件工具等特點(diǎn)。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中,將整個(gè)系統(tǒng)分為:攝像頭識(shí)別顏色與尋跡、機(jī)械手動(dòng)作、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)中時(shí),首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,初始化后判斷攝像頭是否完成一場數(shù)據(jù)的采集,采集完數(shù)據(jù)后沿著黑線進(jìn)行循跡。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后,小車停下通過攝像頭進(jìn)行顏色識(shí)別,如果沒有垃圾桶被傳送帶運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢脛t停止等待,否則智能機(jī)器人識(shí)別顏色并夾住垃圾桶。倒車后沿黑線尋跡,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后沿著相應(yīng)垃圾桶的顏色引導(dǎo)線尋跡。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到終止線后,放下垃圾桶,進(jìn)行倒車。倒車后繼續(xù)尋這一顏色軌跡,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后退出藍(lán)色,繼續(xù)尋黑線,如此循環(huán)下去。該程序流程圖如圖3所示。4找到和顏色識(shí)別4.1張數(shù)字信號(hào)的選擇智能分揀小車采用靜態(tài)分割方法識(shí)別顏色,不同的顏色所體現(xiàn)的灰度值有一定的范圍,但是有的顏色會(huì)有一定的重合,該次設(shè)計(jì)主要采用紅、藍(lán)、黑3種顏色(嚴(yán)格說來還有白色),通過對(duì)灰度值進(jìn)行分割,并且留有一定的裕度,防止顏色的重合,進(jìn)而成功地識(shí)別出3種不同的顏色。紅、藍(lán)、黑3種顏色的分割是基于灰度特征,因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用的是黑白數(shù)字?jǐn)z像頭,攝像頭輸出給單片機(jī)的是一系列代表灰度值的電壓信號(hào),單片機(jī)接受到這些信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為0~255的數(shù)字信號(hào),黑色和白色的灰度值是攝像頭灰度范圍(0~255)的兩個(gè)極端,黑色灰度值最小為0,白色灰度值最大為255,而攝像頭對(duì)物體顏色的識(shí)別主要通過對(duì)物體顏色的亮度(灰度值)來判斷的,不同的顏色具有一定的灰度值范圍,顏色識(shí)別就要在攝像頭的特定灰度值范圍內(nèi)進(jìn)行分割。該設(shè)計(jì)經(jīng)過攝像頭的采集并通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示,通過串口程序的設(shè)定將攝像頭采集的灰度值和3種顏色的閾值相比較,如果灰度值在藍(lán)色的灰度值范圍內(nèi),則程序設(shè)定發(fā)送0的ASC碼值,在上位機(jī)上顯示為0;如果灰度值在紅色的灰度值范圍內(nèi),則程序設(shè)定發(fā)送1的ASC碼值,在上位機(jī)上顯示為1;如果灰度值在白色的灰度值范圍內(nèi),則程序設(shè)定發(fā)送2的ASC碼值,在上位機(jī)上顯示為2;如果灰度值范圍在黑色的灰度值范圍內(nèi),則程序設(shè)定發(fā)送3的ASC碼值,在上位機(jī)顯示為3;當(dāng)一場數(shù)據(jù)采集完之后,則程序發(fā)送轉(zhuǎn)行符的ASC碼值。所以本研究通過在該種設(shè)定情況下進(jìn)行的上位機(jī)的顯示,從而分辨其顏色。對(duì)各種顏色進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后,最終通過上位機(jī)的顯示確定了紅(131~180)、藍(lán)(90~130)、黑(0~80)3種顏色的灰度值范圍相差較為明顯,而白色的灰度值范圍廣(180~255),容易和這3種顏色分辨。所以本研究以白色為背景,通過對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析和對(duì)比,在攝像頭連續(xù)掃描的總行、列數(shù)中確定所需要掃描的基準(zhǔn)行數(shù)和列數(shù),從而將掃描的每個(gè)點(diǎn)的灰度值和閾值進(jìn)行比較,判別出相應(yīng)的顏色。4.2紅色閾值提取所謂尋跡識(shí)別,就是把攝像頭所拍攝到圖像中反映引導(dǎo)線的部分提取出來。這是一個(gè)圖像分割的過程。圖像分割是計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理與分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是一種基本的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。尋跡識(shí)別是通過攝像頭將圖像信息(如圖4所示)采集到芯片中對(duì)某幾行從左到右進(jìn)行連續(xù)的掃描,以尋紅線為例,將掃描到的灰度值和紅色閾值范圍進(jìn)行比較,如果有連續(xù)的兩行點(diǎn)的灰度值進(jìn)入紅色閾值范圍內(nèi),則標(biāo)記出第一個(gè)進(jìn)入紅色閾值范圍內(nèi)的列數(shù)作為中心線特征值坐標(biāo)。然后系統(tǒng)將得出的中心線特征值坐標(biāo)和一場圖像的中間列坐標(biāo)值進(jìn)行偏差計(jì)算,來控制舵機(jī),如此循環(huán),進(jìn)行下一次模式識(shí)別(紅、藍(lán)、黑模式)。采集完一場的圖像時(shí),本研究采用雙峰法將每一行的閾值先計(jì)算出來。目標(biāo)指引線是有寬度(2cm)的,只是能探測(cè)到目標(biāo)指引線,指引線的寬度信息對(duì)智能車定位系統(tǒng)并無額外的幫助。為達(dá)到尋線目的,實(shí)際上只要提取目標(biāo)指引線的某些特征點(diǎn),要求這些特征點(diǎn)合在一起能反映出指引線的形狀,稱這些特征點(diǎn)的矩陣坐標(biāo)為特征位置。只要知道目標(biāo)指引線的特征位置,本研究就可以進(jìn)一步推知目標(biāo)指引線的形狀和位置。提取目標(biāo)指引線的矩陣坐標(biāo),就是只取一些能代表它的特征點(diǎn),然后求取這些特征點(diǎn)的矩陣坐標(biāo)。該系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)雙峰法,以采集路線軌跡信息,使用攝像頭對(duì)將要尋的軌跡從右向左進(jìn)行掃描,通過閾值的設(shè)定使智能機(jī)器分揀小車,按照不同的模式進(jìn)行尋跡,增加了智能分揀小車的適應(yīng)性,提高了抗干擾能力。系統(tǒng)通過將不同顏色的物體按照相應(yīng)顏色的軌跡分別運(yùn)輸,從而達(dá)到將不同種類的垃圾桶分送到相應(yīng)的處理中心進(jìn)行處理的模擬。但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不理想,由于受到光線斜射的影響,有時(shí)背景和前景的對(duì)比十分不明顯,需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正。4.3不同速度下的穩(wěn)定性檢驗(yàn)系統(tǒng)尋跡累積誤差分析如圖5所示。在光線和攝像頭前瞻一定的情況下,占空比從左到右分別為15%、25%、35%、45%、55%和65%時(shí),智能垃圾分揀小車運(yùn)行20圈統(tǒng)計(jì)的累積誤差為e,因?yàn)閷ほE線寬為2cm,智能垃圾小車的瞬時(shí)最大誤差不超過1cm(線寬的50%),只有這樣才能保證小車尋跡的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為了便于觀察,本研究把累積誤差0線標(biāo)定到縱坐標(biāo)為4cm處,從圖5可以觀察到隨著占空比(速度)的加大,系統(tǒng)的累積誤差和波動(dòng)加大,但是累積誤差在最大的誤差范圍內(nèi),總體上系統(tǒng)的累積誤差趨于0;當(dāng)占空比較小時(shí),也就是智能小車的速度比較低時(shí),小車的累積誤差波動(dòng)較小,尋跡的能力比較準(zhǔn)確、可靠。該方案以Freescale公司的MC9S12XS128單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心,采用OV7620數(shù)字?jǐn)z像頭采集軌跡線信息,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息分析行駛路徑。本研究采用PID算法和模式識(shí)別對(duì)智能分揀小車的舵機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行控制,并根據(jù)引導(dǎo)線的彎曲程度和顏色采用不同的控制策略。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試,整個(gè)智能分揀小車系統(tǒng)能在規(guī)定的引導(dǎo)線上穩(wěn)定地行駛。5s黑圖像傳感器本研究是采用飛思卡爾