一种基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统

本实用新型属于悬挂运动控制领域，特别涉及一种基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统。

背景技术：

运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬往另一点，如使用悬挂控制系统往往更方便、安全。在现代的工业控制﹑车辆运动﹒医疗设备仓储物流等系统中,悬挂运动系统的应用越来越多,在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构,因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素,而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统,在生产控制等领域有很广的应用范围。

常规的悬挂运动控制系统一般基于对编码电机的控制。利用编码电机进行定位的原理是：编码电机进行转动时，编码器输出引脚输出相应的电平信号，通过硬件或软件对编码器数据进行解析及计数，根据减速比即可对应比例获得电机走过的角位移，再根据电机转轴的半径，即可得到已经释放的线缆长度。对释放的线缆长度进行控制则只需通过pid或其他控制器使电机稳定在一预设计数值，即可对应相应的线缆长度。但这种方式有很大的不足。首先，在悬挂不同质量的重物时，计数值与角位移的比例一般也不相同，甚至有较大的误差，故还需对该比例进行补偿；其次，该方案无法直接得到当前的线缆长度，需要一个绝对的线缆长度作为基准点；除此之外，编码电机的相位抖动对计数值的影响也增大了最后线缆长度的误差。

技术实现要素：

针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种基于视觉传感器数据控制直流电机从而进行物体定位的系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统，包括主控模块、巡线与定位模块、人机交互模块、线缆与重物模块、电机驱动模块、电机模块和供电模块；主控模块分别与巡线与定位模块、人机交互模块、电机驱动模块、电机模块和供电模块连接，电机驱动模块与电机模块连接，线缆与重物模块分别与巡线与定位模块和电机模块连接，电机驱动模块与供电模块连接。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，主控模块包括上位机jetsonnano和下位机msp430，上位机与下位机通信方式为uart通信。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，巡线与定位模块采用高清视觉摄像头hbvcam，hbvcam与上位机的连接方式为usb连接。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，电机驱动模块采用l298n，l298n与下位机通过gpio连接。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，电机模块包括一对jga25-370电机。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，人机交互模块包括按键和oled，人机交互模块与下位机的连接方式为gpio连接。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，线缆与重物模块包括线缆与重物，线缆直接缠绕在两路电机的转轴之上，重物则固定在线缆的中部。

在上述的基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统中，供电模块包括降压模块和3s锂电池，降压模块包括mdy20-12s5和lm7805；mdy20-12s5分别与上位机jetsonnano和3s锂电池连接，lm7805分别与下位机msp430和3s锂电池连接；3s锂电池与电机驱动模块连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型基于对视觉传感器数据处理后进行决策，根据处理器对视觉摄像头返回图像信息进行处理，对当前的状态进行直观的判断，从而直接控制电机的转向和转速，避免了编码电机方案造成较大的误差，能够对电机释放或收回的线缆长度进行精确地控制，并且随时可以读取当前的线缆长度而不需要设定基准点，随时启动就可以使用不需要保存上一次掉电后相对基准点的偏移量，减少了存储与读取数据的环节。本实用新型具有精确度高、抗干扰性能好、综合性能稳定的优势。

附图说明

图1：本实用新型一个实施例整体结构框图；

图2：本实用新型一个实施例的系统安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。

本实施例提出了一种基于对视觉传感器数据处理后进行决策，从而控制直流电机转向与转速，进而进行物体定位及巡线的控制系统。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统，包括主控模块、电机驱动模块、巡线与定位模块、线缆与重物模块、电机模块、人机交互模块、降压模块。其中降压模块用于将3s锂电池的11.1v电压降至5v用来对各处理器及各模块进行供电。

并且，主控模块由jetsonnano(为简便起见，后称其为“上位机”)与msp430(为简便起见，后称其为“下位机”)组成。上位机与下位机通信方式为uart通信，上位机实时计算出图像处理的数据，对数据进行整合与判断，将电机正转、反转及其转速以及停转的指令编码为对应字符序列，再将该代表下一时刻电机状态的字符序列由串口下发到下位机。

并且，巡线与定位模块由高清视觉摄像头hbvcam组成，hbvcam与上位机的连接方式为usb连接，高清视觉摄像头hbvcam实时采集拍摄的rgb图像信号并发送给上位机，上位机首先对图像进行灰度化、二值化，提高图像处理的速度，再对图像进行仿射变换、边缘检测、颜色识别、滤波、提取连通域、霍夫变换等操作，得到电机的空间坐标，物体的空间坐标及线上各点空间离散点坐标，以计算当前线长与目标点对应线长的距离，进行后续对电机转向与转速的控制。

并且，电机驱动模块由l298n组成，l298n电机驱动模块与主控模块中的下位机通过gpio连接。下位机根据上位机下发的字符序列解码，输出代表两路电机相应方向和速度的pwm波，接在l298n相应的管脚上可以对电机驱动模块的两路输出电压进行控制，从而控制电机的转速与转向。

并且，电机模块由一对jga25-370电机组成，电机模块与电机驱动模块的连接方式为电连接，电机驱动模块根据下位机输出的两路pwm波给出相应的输出，相应的输出电连接到两路电机上，两路电机根据电机驱动模块输出执行相应速度与方向的旋转，从而改变重物的空间位置。

并且，人机交互模块由按键和oled组成，人机交互模块与下位机的连接方式为gpio连接，人机交互模块实时采集来自按键的数字信号并发送给下位机，该部分数字信息主要包含目标点的坐标，再由下位机根据按键的数字信号来控制在oled上输出的人机交互信息，如当前的坐标与当前的线缆长度信息及其与目标坐标与目标的线缆长度的差值等信息。

并且，线缆与重物模块由线缆与重物组成，线缆直接缠绕在两路电机的转轴之上，重物则通过卡扣或其他方式固定在线缆的中部，电机的旋转可以直接改变线缆长度，从而改变物体的空间位置，以实现后续对物体的定位与巡线控制。

本实施例巡线与定位模块利用处理器jetsonnano根据hbvcam实时采集拍摄的rgb图像信号进行实时的图像处理，获取当前线缆长度，与目标坐标对应的线缆长度进行比较，决定两路电机的转向与转速，并编码下发给处理器msp430，再由msp430输出相应的pwm波；电机驱动模块与电机模块将msp430输出的pwm波转变为实际的电机旋转，按需求改变线缆长度及物体的空间位置。人机交互模块用于手动输入目标及切换运动模式。

具体实施时，如图1所示，一种基于直流电机与视觉的悬挂运动控制系统，包括主控模块、电机模块、电机驱动模块、巡线与定位模块、线缆与重物模块、人机交互模块、供电模块。供电模块包括降压模块和3s锂电池，降压模块包括mdy20-12s5和lm7805；mdy20-12s5分别与上位机jetsonnano和3s锂电池连接，lm7805分别与下位机msp430和3s锂电池连接；3s锂电池与电机驱动模块连接。降压模块用于将3s锂电池的11.1v电压降至5v用来对各处理器及各模块进行供电。主控模块由jetsonnano(为简便起见，后称其为“上位机”)与msp430(为简便起见，后称其为“下位机”)组成。上位机与下位机通信方式为uart通信，上位机实时计算出图像处理的数据，对数据进行整合与判断，将电机正转、反转及其转速以及停转的指令编码为对应字符序列，再将该代表下一时刻电机状态的字符序列由串口下发到下位机。巡线与定位模块由高清视觉摄像头hbvcam组成，hbvcam与上位机的连接方式为usb连接，高清视觉摄像头hbvcam实时采集拍摄的rgb图像信号并发送给上位机，上位机首先对图像进行灰度化、二值化，提高图像处理的速度，再对图像进行仿射变换、边缘检测、颜色识别、滤波、提取连通域、霍夫变换等操作，得到电机的空间坐标，物体的空间坐标及线上各点空间离散点坐标，以计算当前线长与目标点对应线长的距离，进行后续对电机转向与转速的控制。

如图1及图2所示，电机驱动模块采用l298n，电机模块采用一对jga25-370电机，l298n电机驱动模块与主控模块中的下位机通过gpio连接，一对jga25-370电机与电机驱动模块的连接方式为电连接。电机模块及电机驱动模块按照图2的系统安装示意图方式安装在一平台上。下位机根据上位机下发的字符序列解码，输出代表两路电机相应方向和速度的pwm波，接在l298n相应的管脚上可以对电机驱动模块的两路输出电压进行控制，从而控制电机的转速与转向，两路电机根据电机驱动模块输出执行相应速度与方向的旋转，从而改变重物的空间位置。

线缆与重物模块由线缆与重物组成，按照图2的系统安装示意图方式与电机模块及电机驱动模块进行机械连接。线缆直接缠绕在两路电机的转轴之上，重物则通过卡扣或其他方式固定在线缆的中部，电机的旋转可以直接改变线缆长度，从而改变物体的空间位置，以实现后续对物体的定位与巡线控制。

人机交互模块由按键和oled组成，人机交互模块与下位机的连接方式为gpio连接，人机交互模块实时采集来自按键的数字信号并发送给下位机，该部分数字信息主要包含目标点的坐标，再由下位机根据按键的数字信号来控制在oled上输出的人机交互信息，如当前的坐标与当前的线缆长度信息及其与目标坐标与目标的线缆长度的差值等信息。

如图1所示，下面由工作流程逻辑及自顶向下的方式介绍本实施例的具体工作过程：

人机交互部分：使用者通过人机交互模块中的矩阵键盘输入目标点坐标参数，并可以通过oled显示屏进行实时确认信息，当输入完坐标参数后，按下特定键进行确认，待oled显示屏上出现确认成功信息后，下位机将坐标信息及开始标志位上发到上位机，系统开始工作。

图像数据处理部分：开始工作之后，上位机接收高清视觉摄像头hbvcam实时采集的rgb图像信号。上位机首先对其进行灰度化、二值化，减少后续图像处理的运算量；再对其进行仿射变换，以免因为拍摄角度不垂直造成误差；之后，对物体及电机进行识别，识别的方案有角点特征提取方案，形状识别方案，hsv颜色识别方案。本系统采用hsv颜色识别方案进行对图像中电机及物体的识别，通过提取最大连通域得到电机及物体的组成像素，对其质心进行计算即可获得电机即物体的质心，通过毕达哥拉斯定理即可计算电机与物体间的欧氏距离，而该距离即为线缆长度。

判别与比较部分：得到当前的两线缆长度之后，需要与目标线缆长度进行比较，若当前线缆长度长于目标线缆长度，则电机需要收线，反之电机需要放线。当比较之后，可以得到两个线缆长度差值。

字符序列编码部分：通过上述差值的大小可知转向上共有两种状态：当差值为正，即当前线缆长度大于目标线缆长度，电机往收线方向转动；当差值为负，即当前线缆长度小于目标线缆长度，电机往放线方向转动。同时，为了对物体定位进行更为精确地控制，应当有转速与差值大小呈正比关系，即差值越大，转速越快；差值越小，转速越慢，差值小于零的一个阈值领域，则停转。基于此，可以对上述信息进行编码为字符序列，通过一个字符代表电机标号(左电机或是右电机)，通过一个字符代表转向(正转、反转或停转)，再通过一个字符表示速度大小(可将速度分为16档或32档来对正比关系进行近似)，将信息编码完成。

下位机处理部分及电机运动部分：下位机接收到上位机下发的字符序列后进行解码，并根据对应的解码后信息，在对应管脚向电机驱动模块输出相应的pwm波。两路电机根据电机驱动模块输出执行相应速度与方向的旋转，从而携带线缆进行收放，进而改变重物的空间位置。

循环以上工作过程，直至上述判别与比较部分中，线缆长度差值进入一个可以接受的阈值范围内，字符序列编码部分下发停转信息，下位机处理后输出零电平到电机驱动模块控制端上，从而完成停转。当两路电机全部停转后，上位机下发结束位标志，并通过人机交互模块提示使用者系统运行完毕。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。