競賽用輕量化微型門式起重機設計

崔洪福,陳越超,張景瑞

(長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

起重機是指在一定范圍內垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械。古羅馬建筑師維特魯維斯曾在其建筑手冊里形容了一種起重機械，但移動幅度小操作吃力。而隨著科學技術飛速發展至今早已解決這個難題，進而針對不同工作條件，衍生出諸多種類的起重機。為提升大學生對起重機在國民經濟各領域的應用意識，提高大學生針對實際需求進行起重機設計和工藝制作的動手能力，中國機械工程學會等主辦了中國大學生起重機創意大賽。針對比賽項目，本文設計了一種能夠實現比賽要求的、低成本、可用于教學的門式起重機。

1 設計目標

將起重機工作區域劃分為取物區、通行區、堆碼區(如圖1所示)。取物區待搬運的物體本體及前方地面均配有配有由不同顏色和形狀結合而成的標識，標識采用紅和藍兩種顏色，與三角形、圓形、方形三種形狀組合而成，即三種形狀各兩種顏色共6種標識。堆碼區設置3個目標堆放區，分別標識為等邊三角形、圓形、方形目標堆放區。在取物區和堆碼區之間為通行區。本設計的起重機能夠實現以下功能：1)準確識別地面標線的路線，使起重機循跡行駛；2)精準循跡，避免起重機偏離軌跡及保障運行平穩；3)識別紅色、藍色及圓形、矩形、三角形，提取對應標識貨物；4)提取貨物搬運至指定標識堆碼區。

2 系統總體設計

本文采用三角形、圓形、方形三種形狀及紅藍兩色來標識待取貨物，紅藍兩色和三角形、圓形、方形三種形狀作為OpenMV的顏色和形狀識別特征。本文設計的競賽用輕量化微型門式起重機，主要由傳感器、控制器、執行器等組成的硬件系統如圖2所示。

Arduino Mage 2560 pro單片機作為控制核心，能夠收集各I/O口輸入的高低電平信號再進行處理，實現系統各個模塊協調統一地工作。傳感器為OpenMV4機器視覺模塊，其搭載了Micro Python解釋器，使用Python語言進行編程，通過串口與控制器實現通信。執行器有編碼電機和步進電機。采用L298N電機驅動模塊來控制編碼電機，可控制轉向，編碼電機能進行轉速測量。采用DRV8825步進電機驅動模塊來控制步進電機，可通過控制脈沖信號數量對步進電機進行準確定位、控制脈沖信號頻率實現多個步進電機同步旋轉。

2.1 起重機整體結構設計

本文設計的門式起重機采取雙龍門式，兩龍門分別位于起重機左右兩側，結構穩定且重心位于起重機中下部，起升機構吊起重物時不易側翻，當兩龍門分別吊起待取貨物時兩側承重平衡將更加穩定。起重機整體結構采用歐標鋁型材2020制作，歐標鋁型材是Al+Mg+Si合金擠壓型材，采用高強度內凹的T形槽結構，同時經過氧化銀白色(CO)陽極化處理，并鍍層12以上，具有承載能力高、結構穩定、耐刮擦耐腐蝕和型材間拆裝方便的特點。起重機整體結構如圖3所示。

2.2 識別系統設計

識別系統由四個OpenMV機器視覺模塊組成，其中兩個位于門式起重機的左右兩側龍門的橫梁上，用于識別待取貨物前方地面上標識的顏色和形狀，稱為OpenMV A、B。另外兩個位于門式起重機的前后兩端識別地面標線使起重機能夠循跡行駛，稱為OpenMV C、D。

2.3 執行系統設計

執行系統由四個編碼電機與四個步進電機組成，四個編碼電機分別驅動一個麥克納姆輪，來實現起重機前進、后退、橫移、旋轉多種行駛狀態。麥克納姆輪分為互成鏡像關系的麥克納姆輪左和麥克納姆輪右，四個麥輪加以組合可以使起重機實現多方位移動功能。而麥輪的組合方式多種，吸收前人經驗，本設計采用的一種可以滿足功能的組合方式為左前方和右后方為麥克納姆輪左，右前方和左后方為麥克娜姆輪右。兩個步進電機位于起重機兩龍門框架頂部分別驅動一個卷筒，作為卷揚用于提升門式起重機的橫梁。卷筒為并列雙卷筒，雙卷筒各卷一繩，繩采用為1號魚線，另一端固定于所提升橫梁的兩端。在步進電機驅動下并列雙卷揚同步卷繩，且兩繩位于橫梁兩端，可保證提升過程穩定，提升貨物時橫梁不會發生傾斜。另外兩個步進電機分別位于兩龍門橫梁一端連接同步皮帶輪，另一端為同步帶拉直張緊器，采用同步帶傳動，同步帶兩端卡在橫梁上的三輪卡扣皮帶滑車上，而滑車連接吊鉤。步進電機帶動同步帶可使三輪卡扣皮帶滑車帶動吊鉤在橫梁上左右滑動來鉤取待提貨物。

3 起重機工作過程

因取物區有六種不同標識的待取貨物，且本設計一次至多搬運兩個貨物至目標堆碼區，所以需三次搬運作業完成目標，進而需一定的提取順序?，F設計提取順序為初次作業提取藍色圓形標識貨物、紅色圓形標識貨物，搬運至圓形標識堆碼區，二次作業提取藍色矩形標識貨物、紅色矩形標識貨物，搬運至矩形標識堆碼區，三次作業提取藍色三角形標識貨物、紅色三角形標識貨物，搬運至三角形標識編碼區，三次作業需識別的標識不同。工作流程如圖4所示工作時，起重機能夠從起始點出發識別地面標線循跡行駛到達取物區后，能夠從隨機排列的六種標識的代取貨物中按照自行設定的順序吊取兩個，從通行區循跡返航將貨物堆放至堆碼區的相應形狀的堆碼區域內并保證藍顏色標識物品堆碼在下層、紅顏色標識物品堆碼在上層的順序。再次識別地面標線循跡行駛至取物區進行按照自行設定的順序吊取對應標識的待物物品，循跡返航，堆放至相應標識的堆碼區，直至將貨物搬運完成，作業結束。

4 起重機工作原理

4.1 循跡原理及雙重PID控制運動

本設計中OpenMV C、D的作用是識別地面標線從而使起重機循跡行駛，采用線性回歸的方法進行循跡，為提升線性回歸計算速度將圖片分辨率大小設為“QQQVAG”。循跡原理為首先根據地面標線顏色調整閾值，對采集的圖片根據設定好的閾值通過binary()函數進行二值化處理，用mean(2)函數消噪降低因噪點產生的誤差，用get_regression()函數進行線性回歸得到直線，根據返回的line對象,來調整起重機的運動使直線在OpenMV視野中央。

為精準控住起重機運動，提高循跡精度降低誤差，本設計采用雙重PID控制法控制起重機的運動狀態的調整。第一重PID控制為，在OpenMV程序里用PID閉環系統控制運動調整趨勢。首先從pid模塊導入PID類，定義兩個參數rho_pid控制左右偏移距離、theta_pid控制角度偏移。根據線性回歸返回的line對象中的line.rho、line.theta計算得到差值rho_err直線與中央的偏移距離、theta_err直線與中央的偏移角度,差值傳遞到pid函數作為參數，將計算得到結果通過uart.write()函數串口通信給控制器Arduino Mage 2560 pro，控制起重機運動。對于line對象的返回值rho、theta來說，rho偏轉距離更重要，只采用rho_pid一個參數，控制左右偏移距離也是可行的。第二重PID控制為，PID閉環控制系統控制編碼電機速度。將OpenWV通過串口通信傳遞給控制器的數據作為設定值，通過控制器輸出PWM值調節編碼電機速度，編碼電機的編碼器檢測電機速遞，與設定值作比較，通過pid控制器，來控制電機速度達到預定值?？刂屏鞒倘缦聢D5。

4.2 六種標識的識別

本設計中OpenMV A、B的作用是識別標識從而使起重機提取相應的待取貨物，由于待提取貨物的六種標識由藍色、紅色與圓形、矩形、三角形兩兩組合而成，為能夠區別開六種標識，需同時識別顏色與形狀。顏色識別原理為，定義好紅色藍色的閾值后，調用find_blobs()函數根據返回的對象判斷是否為目標顏色。形狀識別原理為，對于圓形的識別采用霍夫圓檢測的算法，通過霍夫變換查找視野中的圓形，調用find_circles()函數根據圓形標識大小調整threshold參數。對于矩形的識別采用四元檢測算法，調用find_rects()函數。對于三角形標識的識別，若采用傳統的識別線段計算角度的方法準確率低，為提高準確率采用一種新的方法，通過對目標區域進行遍歷，獲取每一個點的像素值并進行判斷，然后根據像素值的分布規律，對其進行形狀分辨，核心是調用Pixel_value = img.get_pixel(j,i )函數獲取圖像中當前點的像素值。同時識別顏色形狀，為算法的組合。以識別紅色圓形標識為例，先進行圓形識別，后對識別到的圓形區域進行顏色統計，判斷區域內最多的顏色是否是紅色。

5 總結

競賽用輕量化微型起重機，基于OpenMV 機器視覺模塊和Arduino Mage 2560 pro單片機能夠準確識別標線精準循跡行駛，完美識別六種標識，整體結構穩定，作業過程穩定，充分滿足設計目標。硬件組成簡單，成本較低，可用于教學，為多元化教育提供一種選擇。