设计汇总基于视觉的搬运机械手控制系统研制

一、设计的教学目13、4、STM32CKeiluVision4AltiumDesignerSummer09等软件。1、搬运机械械结构设构具有和人相似的动作功能可在空间抓放物体或进行其它操作，由机械结构、驱动度在、腕部或整个机械手如何配置。23、图像进行分析从而引导小车到达指定的位置是一项关键的研究，将直接影响机械夹持的三、设计的基本1、搭建智能小车实物、机械及各驱动电路模块23、实现物体的识别并驱动机 把物体夹持到指定地点课题的根据软件开发工具：Keil硬件开发工具：AltiumDesignerSummer09、Proteus7搭建智能小车实物、机械及各驱动电路模块实现物体的识别并驱动机械把物体夹持到指定地点二维图像模块：图像模块主要由视觉传感器、模拟－数字转换器和帧器等组成，负责图像、转换和；头图像，主控对图像信号进行分析，判断当前区域有没有指定颜色，如果没有小车移动一定的距离并转动一定角度，如果发现指定颜域则把当前头拍摄的整个区域进行划分，对比颜域所在的位置及大小，然后调整小车的姿态，直到颜域达到适合夹持的位置与大小并进行夹持。图像识别与分析是本设计的一个最点，图像数据比较大所以需要执行速度12、对本设计进行整体构思，拟计划采用STM32F103VET6单片机作为主控 最大晶振频率达72MHZ，处理速度快；3、拟采用OV7725图像传感器做图像 ，OV7725是一个能够提供单片VGA摄4 .基于PLC的5自由度仓库搬运机械手研制 工 院学报201211(31- .物料搬运机械手的研制[J].南通纺织 学院学报,2013,12(2):1-3. .搬运机器人控制系统设计[J].西南交通大学学报,2014,20(12):1-4.KurtWall.GNU/Linux编程指南 ,2002:327-NeilMatthew,RichardStones.Linux程序设计[M]. :人民邮电 ,2007:579- ,曹国华 .基于STM32单片机驱动面阵CCD实时图像显示的研[J].长春理工大学学报2014,37(1):1- .基于双ARMCortex架构的移动机器人控制器设计[J].华 学报,2013,41(1):1-5. .嵌入式图像处理系统的设计与实现[J],华 2009,30(19):1-4. .摄影测量图像处理的高精度误差补偿法[J].大学学报,20012,32(9):1-8.,杨定安, .步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].佛山科学技术学院学报,2005,22(6):1-3. 题 会 2015年03月28姓职务(姓职务( 职务(林崔 日 评分（百分制X1

评分（百分制X2 评分（百分制X3（签名 设计最终评分（X140X230X330）（签名学院（公章 答 会 20150614姓职谭杨曾录年月日※※※※※※※※ 2015届学 （四 ※※※※※※※※课题名 通信与电 指导教 教20150605本人郑重所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师议除文中已经注明的内容外本设计不含任何其他个人或集体已经或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全本的法律结果由本人承担。本科毕业设计作者签名目...........................................................................................................................I.......................................................................................................................I 引 总体设 功能要 总体设计方 硬件设 硬件电路总原理 主要硬件模块原理图及相关说 2.2.1控制模 图像电 步进电机驱动电 舵机控制电 TFT液晶显示屏电 电源稳压电 硬件PCB 软件设 主程序流程及相关说 各硬件模块驱动程序流程及相关说 4与分 目标物体识别测 准确夹持目标物体测 自动识别终点测 放置目标物体到指定位置测 5调试与使用说 结 参考文 致 附录 附录 基于视觉的搬运机械手控制系统研 缺点，研制了一种由STM32F103ZET6单片机控制的视觉搬运机械手控制系终点区域检测以及放置被夹持目标物体等一系列动作。表明，该系统BasedOnVisualHandlingRobotControlSystem:Inviewofthedisadvantagesofusingtherobothandto plishacertainfunctioninthepast,thecontrolsystemofthemanipulatorcontrolledbytheSTM32F103ZET6microcontrollerisdeveloped.Thesystemrealizedthedetectionofobject,whichwasheldbytheobjectholdingtheobject,cedtheendoftheobjectdetectionandtheobjecttobecedinaseriesofmovements.Thetestresultsshowthatthesystemcanautomaticallyidentifyandcliptargetobject,andcanautomaticallymovethetargetobjecttothedesignatedposition.:Single- puter;Visualrobot;Manipulator; 随着现代工业的发展，机械手的应用越来越广泛。由于机械手可以从事工作和近年来，随着搬运机械手的优势日益突出，国内外对搬运机械手的研究。文[1]5自由度搬运机械手实现了对STM32F103ZET6机作为主控，STM32单片机最大晶振频率可达72MHZ，可以较为快速地对头的图像信号进行处理同时STM32F103ZET6单片机还具有J-LINK程序和仿真的功能，使程序和仿真变得更加方便快捷。功能要能够驱动头识别物体总体设计方在硬件设计上，采用STM32F103ZET6作为整个系统的控制，该最大工作LCD显示模STM32步进电小车驱动块5图一个能够提供单片VGA头和影像处理器的所有功能的图像传感器在OV7725后端动为TB6560步进电机驱动，能够实现16细分使小车行走更平稳。机械手采用5SCCB总线(SerialCameraControlBus)控制头，提高图像传输的速度和准确性。图像识别采用RGB转HSL色彩模式LCD显示模STM32步进电小车驱动块5图电源模1.1电源模硬件电路总原系统硬件部分由STM32单片机控制模块、电源模块、图像模块、步进电机驱动TFTLCD2.1、仿真电路、电源稳压电路、复位电路、USB串口、头电路、步进电机驱动电路等组成；其中仿真和电路为J-Link仿真工具；电源稳压电路采用的是TI公司的LM2678电源稳压，能够提供最大5A电流；图像电路由图像传感器OV7725和FIFOAL422B组成；步进电机驱动采用的是东芝公司TB6560步进电机控制，能够实现最大16细分。所需元器件见附录。2.1主要硬件模块原理图及相关STM32单片机作为整个系统的控制器，控制着整个系统的运行，由晶振电路3.3V要晶振电路来产生时钟频率。STM32F103ZET68MHZ晶振，USB转串口电12MHZ晶振。STM32F103系列单片机支持三种复位方式，分别为系统复位、上存器以外的所有寄存器；上电复位即外部复位，内部的复位信号会在NRST引脚输出，脉冲发生器保证每一个复位源都有至少20us的脉冲延时，当外部复位引脚NRST拉串口、USB转红外接口或者USB转接口。USB转串口电路由CH340G加外围电路构成。其中，TXD和RXD与单片机串口连接。J-LINK是一种硬件仿真及工具用于程序的仿真及，可以方便地进行程序调试，STM32自带了调试接口，设计接口电路并外接J-LINK仿真器即可实现程序仿真和。控制原理图如图2.23.3V图像电

图2.2控制模块原理图像电路采用OV7725图像传感器，OV7725是一个能够提供单片VGA和影像处理器的所有功能的图像传感器，为了降低头对单片机的依赖，提高单片机处理性能，OV7725后端搭载了一块FIFOAL422B。图像电路如图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

图2.3图像电路最大峰值电流3.5A；具有整步、2、8、16细分方式；内部有温度保护，温度过部分组成：控制信号电路、主控电路和自动半流电路[10]。图2.4即步进电机驱动电由于舵机内部自带驱动电路所以外部只要发送信号即可驱动舵机舵机信号周期为20ms，通过改变的占空比实现舵机转动角度。在程序运行之前放下动作的时候把每个舵机控制口的信号配置成之前测试出来的占空比即

TFT

2.4

2.5TFT液晶显示屏电路。TFT液晶显示屏能够显示文字、图像以及动画，本设计用TFT显示屏为3.2寸，320X240个像素大小。XPT2046为液晶触摸，本设计中TFT液晶显示屏负责显示头回来的图像信息。RSTRST8VDD2RSWR1RDDB09GNDLEDK5LEDK4LEDK3LEDK2LEDK1LEDAX+2829Y+27X-26DB151

2

DB99RDRS

6810121416182022SCK23 LCD_CS24

26INT

MISO

31VCC

GND

1X+Y+X-Y-678

CLK16CS15DIN14BUSYDOU12PEN11VCCVref

R3

2.5TFT图2.6为电源稳压电路，整个系统由12V大容量电池供电，由LM2678构成的稳压电路将12V电压稳到5V给单片机系统和模块供电，LM2678最大能提供5A电3.3稳压将5V电压稳到3.3V给单片机供电，其中S2为单片机系统总开关

硬件PCB

2.6按照原理图设计好PB图，本设计共需要设计四个PB文件，分别为ST32主控板、L2678电源、T6560步进电机驱动、FTLD；ST32主控板采面板布线，除了排针和晶振为直插式封装，其它元器件均采用贴片封装，以减少主控板的尺寸。其中主控ST32F103ZET6采用的是LP44封装，电阻、电容均采用0603封装，2.7L26782.8T6560步进电机驱动模块采用的是双面板布线，4即为T6560步进电机驱动，如图2.9所示；TFLD2.10所示。2.7STM322.8LM26782.9TB65602.10TFTLCD主程序流程及相关说，程序开始首先执行的是系统初始化函数，系统初始化函数依次完成系统定时器、串口液晶以及输出的初始化工作然后执行头初始化头初始化函数先对头控制协议SB协议进行端口初始化，然后对帧缓存的控制口进行初始化。最后小车左右扫描，检测到被夹持目标物体后对目标物体进行夹持然后检测红色终所示。，视觉接卸搬运手工作过程：首先在白纸上测好机械手刚好能夹持物体时物体在屏幕上的大小，然后把一个圆柱形的蓝色物体放在白纸上的任何一个地点，把智能小车放在一块红域上面小车先左转约90度扫描要夹持的物体是否在小车左边区域如果不180屏幕上将出现一个红色的框将被夹持物（蓝域框住同时小车朝着被夹持物体的方向运行；当单片机检测到被夹持的物体宽度距离能够夹持的宽度相差五个像素点时，小车停止向前并向左或向右调整物体到屏幕，保证夹持的准确性。各硬件模块驱动程序流程及图像模。图像模块包括图像传感器和FIFO，负责对图像数据头模块与单片机通过SCCB进行指令的传递。程序驱动部分思路流程如下：将头的场中FIFO使能管脚电平，之后整幅图像的数据就会存入FIFO。当单片机再次捕捉到场中断时，表明一幅图像已经送入FIFO，此时关闭场中断并拉低使能引脚电平，防止头数据再次写入FIFO，开始FIFO数据到内存缓冲区，根据到的图像做图像处理。应用完成后再次开启场中断，当再次捕捉到场中断时，拉高使能管脚电平，继续让头数据存入FIFO，完成后单片机FIFO数据进行处理，如此循环。工作流程如图3.2所示。。TFTSTM32F103系列单片机内部没有集成的液晶屏和触摸屏控制接口，所以在显示面板中应自带含有驱动的驱动电路(液晶屏驱动电路和触摸屏驱动电路是独立的小 行YSTM32通过驱动分别控制液晶屏和触摸屏。本设计使用ILI9341液晶控小 行Y控制液晶屏通过XPT2046触摸控制控制触摸屏TFT液晶工作流程如图3.3所示左转左转大于一定 YNNNYN检测到被检测到被夹 宽度小于像素点Y宽度小于像素点 YNY 3.1开开返返图3.2图像模块流程开开返显3.3TFT字符显示工作过程：TT数据显示，首先字符信息确定字符的长度和宽度，然后开一个跟字符一样大的AM窗口通过一位一位字符信息把需要显示的地方的坐标点设置成跟不需要显示的地方不同的颜色即可显示字符如显示下面的字“字只需要一行一行字101的部分的坐标显示成不同的颜色即可显示一个“字字。3.4“字”3.5所示，当复位按键按下时，单片机将复位除了备份区NY返清除寄存器的返清除寄存器的

3.54.1为视觉机械搬运手样机侧面图，从图中可以看到一个智能小车平台，一个无自由度的机械手，单片机控制模块和一个头模块。用一个蓝色圆柱作为视觉搬运机目标物体识别测调节头聚焦，调节头到的图像到最清晰的状态。在白纸上任意位置放图像传感器回来的图像信息进行分析，当检测到被夹持目标物体的蓝域在液晶上出现一个红色的框把整个蓝域框住。如图4.2所示。 图4.1视觉机器人样机图4.2准确夹持目标物体测把被夹持物体放在白纸上的任意区域，把小车放在红域，小车从红域出4.3持物体进行精确地夹持。自动识别终点测

4.3单片机对图像传感器回来的图像信息进行分析，当检测到终点的红域在液晶上面将出现一个红色的框把整个红域框住。如图4.4所示。4.4放置目标物体到指定位置测把被夹持物体放在白纸上的任意区域，把小车放在红域，小车从红域出域的终点，小车加速向红域前进，然后调整好位置后把物体放在红域。如图4.5所示，机械手能把被夹持物体放在终点红域。5

4.5利用USB给单片机电电，安装J-LINK驱动，如图5.1所示5.1J-LINKKeiluVision4软件中设置仿真方式为J-LINK5.25.2J-LINK8MHZ5.3KeiluVision45.4所示。图5.4程序到单片使用说明：打开电源总开关，小车开始向左扫描物体，当扫描超过90度小车将向右与可夹持的宽度相差五个像素点小车开始行驶，当小车检测到物体达到可夹持的宽度，小车向左或向右调整物体到屏幕，保证机械手能够夹持到。然后小车向右转动扫描红色终点区域，扫描到红域小车向红域行走，当检测到红域的宽度合适时，小车停止并调整红域在屏幕，然后放下物体。本设计制作了一个智能小车以及一个机械手以STM32F103ZET6单片机为控制，并带有TFT液晶显示屏、步进电机、头模块；采用头物体图像，通过单片机对物体进行图像处理并进行图像位置的判断，从而驱动机械手准确的夹持物体，并把物体放到指定的区域。虽然本设计完成了视觉搬运机械手的基本功能，但是由于本人能力有限整个设计还是存在一些不足之处。第一，机械手夹持的力度有限，由于本设计采用的是舵机用于机械手的夹持，而舵机的力矩非常小所以不能对比较重的物体进行夹持第二图像模块的分辨率不是很高导致图像划分不是很精确物体的大小断就不是很精确。第三，单片机的速度还不是很快，因为对图像的处理需要进行大量的STM32F103言还是不够理想，所以必须放慢小车的运行速度。建议在以后的研究中，可以从上面几个问题入手。[1]索,.基于PLC的5自由度仓库搬运机械手研制[J].工业学院学报,2012,11(3):1-5.[2],,.物料搬运机械手的研制[J].南通纺织学院学报,2013,12(2):1-[3],,,.搬运机器人控制系统设计[J].西南交通大学学报,2014,20(12):KurtWall.GNU/Linux编程指南[M].:,2002:327-NeilMatthew,RichardStones.Linux程序设计[M].:人民邮电,2007:579-李,曹国华,.基于STM32单片机驱动面阵CCD实时图像显示的研究[J].长春理工大学学报,2014,37(1):1-4.,.基于双ARMCortex架构的移动机器人控制器设计[J].华技大学学报,2013,41(1):,,.嵌入式图像处理系统的设计与实现[J],华通大学学报,2009,30(19):1-邾继贵,,,.摄影测量图像处理的高精度误差补偿法[J].学报,20012,32(9):1-8.,杨定安,.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].佛山科学技术学院学报,2005,22(6):1-3.本文是在我的指导老师教授的悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地和激励着我。从课题的选择到设计的最终完成，肖老师都始终给予感谢给我提供一个设备充足、资料齐全、网络方便的开放性。

表A1元器件序 名 规格型 数1121324151频率:8MHZ封装:49SS,,6漂1:12MHz:49SS矮体直插7漂1819435224,1管113111 端口连接:#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=