基于二維碼識別技術(shù)的物流小車的設(shè)計

周旭華，伍懿美，周志強(qiáng)，張凌峰

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源， 517000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在車間、倉庫、碼頭等場所出現(xiàn)了很多的物流小車代替人工工作，它們極大地節(jié)約了人力成本，而且還有工作效率高、準(zhǔn)確度高等特點。目前物流小車的導(dǎo)航方式主要有巡線的和雷達(dá)，巡線導(dǎo)航的方式需要在它行走的路線上鋪上一條線（磁感線，有顏色的線等）給它導(dǎo)航，該工作需要較大的人力，且它轉(zhuǎn)向時會存在不穩(wěn)定的情況，而用OpenCV識別彩色線的導(dǎo)航方式，對光線的要求會比較苛刻；雷達(dá)導(dǎo)航不存在上述的問題，但是雷達(dá)價格較貴。相比巡線導(dǎo)航和雷達(dá)導(dǎo)航方式，二維碼識別導(dǎo)航既可以降低成本又能大大提高導(dǎo)航的精度[1～2]。

1 物流小車整體設(shè)計

二維碼識別物流小車主要由識別解碼層和運(yùn)動控制層兩個部分組成，識別解碼層由攝像頭、OpenCV、樹莓派和降壓模塊組成，運(yùn)動控制層由MEGA2560板、電機(jī)驅(qū)動板和編碼電機(jī)組成。識別解碼層通過攝像頭采集二維碼數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳送到樹莓派上，經(jīng)過OpenCV分析處理，并信息發(fā)送到運(yùn)動控制層；運(yùn)動控制層的MEGA2560板接收到樹莓派發(fā)送來的信息，并把信號傳輸給電機(jī)驅(qū)動板來控制物流小車，若攝像頭沒有采集到預(yù)設(shè)的二維碼信息，那么電機(jī)就保持不動[2～3]。

二維碼識別物流小車設(shè)計主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計主要包括樹莓派3b+與USB攝像頭和MEGA2560板的連接設(shè)計、MEGA2560板與電機(jī)驅(qū)動板和編碼器的連接設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動板和電機(jī)的連接設(shè)計等；軟件設(shè)計包括樹莓派鏡像的下載、OpenCV視覺庫的安裝和使用、Arduino控制程序等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

物流小車的硬件主要包括樹莓派3b+、免驅(qū)USB攝像頭、MEGA2560控制板、降壓模塊、12V鋰電池、直流電機(jī)驅(qū)動板和編碼器電機(jī)等[4～6]。硬件模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 小車硬件模型結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

■2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動采用兩塊L298N電機(jī)驅(qū)動板，可同時驅(qū)動四個直流電機(jī)，單路有7A大功率，光耦隔離輸入信號，帶有欠壓保護(hù)，穩(wěn)定可靠。驅(qū)動板上的+5V引腳可以接5V或者3.3V，為信號端提供電源，ENA1和ENA2為電機(jī)使能端，可接MEGA2560驅(qū)動板上的PWM來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。連接電路圖如圖3和圖4所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動板與MEGA2560板和左側(cè)電機(jī)的連接電路圖

圖4 電機(jī)驅(qū)動板與MEGA2560板和右側(cè)電機(jī)的連接電路圖

其工作的原理：L298N電機(jī)驅(qū)動板接收到樹莓派傳輸來的指令后向電機(jī)驅(qū)動板發(fā)送信號，電機(jī)驅(qū)動板可通過MEGA2560板上的PWM端口單獨(dú)控制左右電機(jī)的速度。電機(jī)驅(qū)動板的IN1、IN2和ENA1控制左電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，IN3、IN4和ENA2控制右電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度。

2.2.2 電源模塊的設(shè)計

要想物流小車正常穩(wěn)定地行駛，電源模塊是整個硬件系統(tǒng)中必不可缺的一部分。由于每個硬件系統(tǒng)的電壓需求不一樣，為了滿足各個硬件系統(tǒng)的用電要求，本文采用兩個規(guī)格為12.6V、1500mAh的大容量可充電電池。在使用時，給電池充滿電時電壓能達(dá)到12.6V。連接電路圖圖如圖5所示。

圖5 Arduino UNO與各模塊連接圖

2.2.3 底盤控制模塊的設(shè)計

底盤的控制平臺采用Arduino驅(qū)動板為核心，Ardunio是一種開源的電子工具，ArduinoIDE里開源的庫文件能直接被調(diào)用，容易上手且靈活性較好。MEGA2560兼容arduino開發(fā)核心處理器是Atmega2560，同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中15路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP接口和一個復(fù)位按鍵。它板通過USB線與樹莓派連接，接收樹莓派傳來的指令，以此給予電機(jī)驅(qū)動板相連接的端口信號，帶動電機(jī)驅(qū)動。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)是官方的melodic18.04鏡像，需要按照OpenCV 3.4[7～8]。按照系統(tǒng)的功能要求，軟件整體設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

■3.1 二維碼的采集和處理

二維碼采集由連接在樹莓派上的USB攝像頭和讀取攝像頭畫面的驅(qū)動程序兩部分組成，主要用來采集路線的二維碼并傳送到樹莓派上，再由計算機(jī)視覺庫OpenCV里的圖像處理算法分析處理。部分源程序如下所示：

■3.2 底盤控制程序

運(yùn)動控制層由小車底盤、MEGA2560板、L298N電機(jī)驅(qū)動板和運(yùn)動層控制程序組成，主要負(fù)責(zé)接收樹莓傳送來的指令控制小車的行駛，利用左右輪的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。底盤控制程序是用Arduino寫的，通過MEGA2560和樹莓派的通訊來實現(xiàn)信息的傳遞，在編寫程序時需要先定義管腳，改變高低電平來改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，再通過讀取樹莓派發(fā)送的串口信息來判斷是否對電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行改變部分源程序如下所示：

4 測試結(jié)果

測試前先通過官網(wǎng)下載的鏡像燒錄到8GB以上的內(nèi)存卡上，再插入樹莓派上，進(jìn)行OpenCV，Arduino及所需的功能包下載和安裝（官方的鏡像一般只有Python），并進(jìn)行編程和通信。測試時，先將小車放在盒子架空，插上電源，然后通過電腦遠(yuǎn)程登錄樹莓派，在電腦上控制樹莓派運(yùn)行Python程序，觀察攝像頭是否正常，再把打印出來的二維碼放到攝像頭前進(jìn)行識別，識別成功后并發(fā)送時再給電機(jī)插上電源，觀察電機(jī)是否能夠根據(jù)二維碼內(nèi)容實現(xiàn)運(yùn)動，等它達(dá)到想要的效果之后，再把它放到一個較大的空間上實現(xiàn)最終的效果。測試圖如圖7所示。

圖7 測試環(huán)境圖

通過調(diào)試，小車能根據(jù)二維碼信息行駛，攝像頭能夠把采集的二維碼進(jìn)行識別解析并發(fā)送到MEGA2560板，再通過MEGA2560板和L298N驅(qū)動板控制小車運(yùn)動，把二維碼內(nèi)容解析打印如圖8所示。

圖8 攝像頭采集視圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計的物流小車以樹莓派為核心，利用MEGA2560板、USB攝像頭、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，可以實現(xiàn)小車通過攝像頭采集二維碼信息并利用樹莓派控制小車行走。