基于TCS230的顏色識別智能搬運小車2

1、基于tcs230的顏色識別智能搬運小車周中正,王洪棟（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）摘要：采用freescale公司的16位hcs12單片機mc9s12xs128最小系統(tǒng)作為小車的智能控制系統(tǒng)。通過4個前置對稱分布的光電對管在布有黑線的白色場地上實現(xiàn)沿線循跡。通過紅外測距傳感器gp2y0a02yk0f檢測到物塊，用機械手將物塊拾起，利用顏色傳感器tcs230檢測物塊rgb值，運用rgb輔助色度零交叉算法判斷出物塊顏色，進而通過循跡將物塊放入對應(yīng)顏色區(qū)，實現(xiàn)不同顏色物塊的智能分揀搬運。系統(tǒng)包括：mc9s12xs128最小系統(tǒng)模塊、光電循跡模塊、紅外測距模塊、顏色判別模

2、塊、機械手臂模塊、舵機驅(qū)動模塊和電源穩(wěn)壓模塊。關(guān)鍵詞：mc9s12xs128；tcs230；智能小車；顏色判別；色度零交叉算法 0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，工廠作業(yè)正在快速地由手工操作向自動化和智能化方向過渡。智能搬運小車模擬了實際自動化工廠中agv（automated guided vehicle）小車的搬運和機器人的自動分揀功能。本文針對全國機器人大賽中輪式智能搬運項目，利用顏色傳感器tcs230并運用rgb輔助色度零交叉算法對不同顏色的物塊進行判別，進而將不同顏色物塊分送至對應(yīng)區(qū)域，模擬了工廠中根據(jù)貨物的不同特征執(zhí)行對應(yīng)任務(wù)或操作的過程。圖1智能搬運比賽場地1 比賽場地與規(guī)則簡述

3、智能搬運項目的比賽場地如圖1所示。比賽時，參賽選手在置有黃、白、紅、黑、藍五種顏色物塊的袋子中隨機依次抽取三個物塊，并按抽取順序，將三個物塊擺放至拾起區(qū)（圖1中黃、紅、藍顏色區(qū)與中部交叉點之間的白色區(qū)域）。分揀搬運小車從出發(fā)區(qū)（圖1下方綠色矩形區(qū)域）出發(fā)，沿黑線循跡至拾起區(qū)拾取物塊，并根據(jù)物塊顏色將其送至對應(yīng)顏色區(qū)，最后回到出發(fā)區(qū)。比賽成績由小車送物塊至對應(yīng)顏色區(qū)的精確度（圖1各色區(qū)靶心10環(huán)為10分，按環(huán)數(shù)依次降低）和回到出發(fā)區(qū)的時間綜合決定。2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案mpumc9s12xs128光電對管tk-20測距傳感器gp2y0a02yk0f顏色傳感器tcs230輪驅(qū)動舵機s4309r抓取舵機s

4、r-403prgb輔助色度零交叉算法定時器中斷循跡糾正pwm通道合并控制舵機圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件部分主要由mpu、傳感器模塊和動作模塊構(gòu)成。mpu采用freescale公司16位mc9s12xs128芯片；傳感器模塊包括用于循跡的光電對管tk-20、用于探測物塊的紅外測距傳感g(shù)p2y0a02yk0f和用于采集物塊顏色rgb信息的顏色傳感器tcs230；動作模塊主要由小車輪子的驅(qū)動舵機s4309r和用于抓取物塊的驅(qū)動舵機sr-403p構(gòu)成。軟件部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：用于循跡糾正控制的定時器中斷環(huán)節(jié)、用于判別物塊顏色的rgb輔助色度零交叉算法環(huán)節(jié)和用于產(chǎn)生舵機控制信號的

5、雙通道合并pwm產(chǎn)生環(huán)節(jié)。具體實現(xiàn)過程為：將小車放至比賽出發(fā)區(qū)并給小車上電，小車按照定時器0的中斷頻率采集對稱分布的四個光電對管的反饋值（黑色為1，白色為0），從而得到小車是否偏離黑線軌道的信息并及時對小車進行糾正，于是小車循黑線至物塊拾起區(qū)（圖1中黃、紅、藍顏色區(qū)與中部交叉點之間的白色區(qū)域）。在此期間，小車按照定時器1的中斷頻率采集紅外測距傳感器gp2y0a02yk0f返回的與物塊距離的信息并與經(jīng)驗值比較，在合適位置通過pwm控制抓取舵機將物塊拾起并卡緊。利用顏色傳感器tcs230采集物塊顏色rgb信息，運用rgb輔助色度零交叉算法判斷出物塊顏色，進而通過循跡將物塊放入對應(yīng)顏色區(qū)。然后循跡至

6、下一物塊拾起區(qū)并重復(fù)上述操作。當(dāng)遇到拾起物塊所對應(yīng)的顏色區(qū)被未拾起物塊擋住的情況（如先揀到藍色物塊，并且藍色區(qū)域與中部交叉點之間有物塊未拾?。r，應(yīng)將拾起的物塊放在出發(fā)區(qū)與中部交叉點之間（稱“中轉(zhuǎn)處”），先去拾取擋路的物塊并送至對應(yīng)顏色區(qū)，然后到中轉(zhuǎn)處繼續(xù)發(fā)送上一物塊。將所有物塊依次送至對應(yīng)顏色區(qū)，然后循跡返回出發(fā)區(qū)。系統(tǒng)運作流圖如圖3所示：上電啟動系統(tǒng)初始化循跡至拾起區(qū)抓取物塊判別物塊顏色將物塊送至對應(yīng)色區(qū)物塊已送完？返回出發(fā)區(qū)否是測距傳感器pwm輸出顏色傳感器圖3系統(tǒng)運作流圖3 顏色識別原理 顏色是物體表面吸收了白光中的一部分有色成分, 而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。根據(jù)三原色理

7、論知, 不同顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍)按照不同比例混合而成的。如果知道構(gòu)成各種顏色的三基色的值, 就能夠知道所測試物體的顏色。本文所用的傳感器tcs230可以通過調(diào)節(jié)濾波器的顏色, 使特定的原色通過, 阻止其他原色通過, 從而測出一種光中的紅綠藍三色的成分。例如, 當(dāng)選擇紅色濾波器時, 得到的就是紅色光, 而藍綠光則不能通過, 此時得到的就是紅色光在此種顏色中的含量。本系統(tǒng)的顏色識別是基于顏色傳感器tcs230，利用tcs230獲取物塊顏色的rgb值，利用rgb輔助色度零交叉算法判別物塊顏色。3.1 tcs230原理 s0s1比例系數(shù)s2s3濾波器ll關(guān)閉電源ll 紅色lh 2%l

8、h 藍色hl 20%hl 無hh 100%hh 綠色表1 s0、s1、s2、s3引腳功能分配圖 圖4 tcs230引腳封裝及功能框圖 該傳感器內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉(zhuǎn)換器, tcs230輸出為占空比50%的方波, 且輸出頻率與發(fā)光強度成線性關(guān)系。用戶可通過兩個可編程引腳s0、s1 來選擇100% 、20%或2% 的輸出比例因子。通過控制s2、s3引腳來選擇所需的光電二極管類型。該器件的使能腳低電平有效。s0、s1、s2、s3引腳功能分配圖如表1所示3.2 rgb輔助色度零交叉算法顏色由亮度和色度來刻畫，色度則是不包括亮度在內(nèi)的顏色的性質(zhì)，它反映的是顏色的色調(diào)和飽和度

9、。在比賽中要辨別物塊顏色，就需要提取色度信息，而亮度信息則屬于干擾。而利用tcs230獲取的rgb信息既與色度有關(guān)，又受亮度影響。通常采取白平衡調(diào)整的方法以白光為基準(zhǔn)將亮度值歸一化，得到顏色的色度信息。但在實際中很難得到標(biāo)準(zhǔn)的白光，于是在利用白平衡調(diào)整亮度的同時，色度信息也受到了污染，往往達不到判別的精度。rgb輔助色度零交叉算法利用色度學(xué)rgb原理，運用rgb- ycbcr變換，將rgb模式轉(zhuǎn)換為ycbcr模式。ycbcr模式是刻畫顏色性質(zhì)的一種模式，其中y代表亮度，cb和cr則代表色度、飽和度。常見的jpeg圖片格式采用的就是ycbcr色彩系統(tǒng)。rgb- ycbcr變換公式為： y=0.2

10、990r+0.5870g+0.1140b cb=-0.1687r-0.3313g+0.5000b+128 （1） cr=0.5000r-0.4187g-0.0813b128 圖5 各顏色物塊cbcr分布與分割示意圖依次采集各顏色物塊的cb、cr值得到他們關(guān)于cb、cr的分布。以cb為x軸、以cr為y軸作平面圖，多次測量后得到一系列關(guān)于cb、cr的散點，根據(jù)散點的分布分割各顏色物塊對應(yīng)的區(qū)域，要盡可能給各色塊以足夠的裕量。如圖5所示。如果出現(xiàn)不同顏色有重疊區(qū)的情況時，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)rgb值中容易區(qū)分的一個或多個值進行輔助判斷。3.3 主要程序3.3.1控制tcs230測取rgb值的程序void ge

11、t_rgb(void) /*求r值* pitinit1(); /定時器1初始化 painit(); /脈沖累加器初始化 gpio_set(pb,prt,0,0); /設(shè)定s2為低 gpio_set(pb,prt,1,0); /設(shè)定s3為低,即選用紅色濾光片 gpio_set(pb,prt,2,0); /開tcs3200使能 while(pittf_ptf1=0); /等待定時器溢出 pittf_ptf1=1; /清除中斷標(biāo)志 pitcflmt&=(1<<7); /關(guān)定時器 pactl=0b0010000; /關(guān)累加器 rb=255*pacnt/400; /rb=255*pa

12、cnt/ryz; if(rb>255) rb=255; /判斷rgb值是否合法 /*求b值* pitinit1(); /定時器1初始化 painit(); /脈沖累加器初始化 gpio_set(pb,prt,0,0); /設(shè)定s2為低 gpio_set(pb,prt,1,1); /設(shè)定s3為高，選擇藍色濾光片 while(pittf_ptf1=0); /等待定時器溢出 pittf_ptf1=1; /清除中斷標(biāo)志 pitcflmt&=(1<<7); /關(guān)定時器 pactl=0b0010000; /關(guān)累加器 bb=255*pacnt/500; /bb=255*pacnt/

13、byz; if(bb>255) bb=255; /判斷rgb值是否合法 /*求g值* pitinit1(); /定時器1初始化 painit(); /脈沖累加器初始化 gpio_set(pb,prt,0,1); /設(shè)定s2為高 gpio_set(pb,prt,1,1); /設(shè)定s3為高，選擇綠色濾光片 while(pittf_ptf1=0); /等待定時器溢出 pittf_ptf1=1; /清除中斷標(biāo)志 pitcflmt&=(1<<7); /關(guān)定時器 pactl=0b0010000; /關(guān)累加器 gpio_set(pb,prt,2,1); /關(guān)tcs3200使能 gb=255*pacnt/900; /gb=255*pacnt/gyz; if(gb>255) gb=255; /判斷rgb值是否合法 pitcflmt|=1<<7; 4 結(jié)束語本文給出了具有顏色識別功能的智能搬運小車的設(shè)計方案。創(chuàng)新性地提出了基于tcs230運用rgb輔助色度零交叉算法判別物塊顏色的實現(xiàn)方案。該方案解決了tcs2