智能識別紅球及路徑規(guī)劃機器人設(shè)計

陳奎　韋東　夏彬瀚　劉冬冬　熊永　霍鳳財

摘要：針對目前很多球場沒有智能撿球機的空白，設(shè)計一款能應用于球場的智能撿球機器人。該機器人識別紅球是基于顏色識別的，首先通過攝像頭來明晰機器人周圍的環(huán)境，然后把視頻流截取為一幀一幀的圖片并且對圖片進行處理，包括膨脹與腐蝕、將 RGB 空間轉(zhuǎn)換為 HSI 空間；然后在場景中識別出紅球，并標記出紅色區(qū)域的中心，之后機器人原地轉(zhuǎn)動將機器人周圍的各個紅球的中心位子值返回到控制器，通過采用蟻群算法的思想規(guī)劃好路徑；最后通過驅(qū)動機器人的舵機使其到達紅球前面并通過安裝在前面的兩個舵機操縱機械手完成收球，同時在找球的過程中使用紅外接近傳感器進行避障。

Abstract： In view of the fact that there are no intelligent ball pick-up machines in many ball parks， an intelligent ball pick-up robot is designed in this paper. This robot indentifies red balls by their color. First， the robot observes the surrounds with the camera， then cuts the video flowing into image frames and processes the images， including expansion and corrosion， converting RGB space to HSI space. Then it recognizes the red ball in the scene， and marks the center of the red area. Then the robot rotates on the spot to transfer the center position value of the red balls to the controller and then plans the route by ant colony algorithm. Finally， drive the steering engine robot to make it reach the red ball and operate the manipulator to pick up the ball. In the process， the infrared proximity sensor is used to avoid obstacle.

關(guān)鍵詞：機器人；智能識別；路徑規(guī)劃

Key words： robot；intelligent identification；route planning

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0243-02

0 引言

智能撿球機器人作為移動機器人應用的一方面，現(xiàn)今的各種球類設(shè)施中，發(fā)球機鱗次櫛比，然而智能撿球機卻比較少，市場上盡管有撿球機，但它們普遍有一些明顯的缺點。首先需人為操控；其次目前市場上的撿球機體積較為龐大，無法在室內(nèi)工作，也大大降低了它的靈活度，顯得較為笨重；最后當前的撿球機一般造價較為昂貴，維護和保養(yǎng)成本較高，只適合大型運動場所使用，其目標群體較小，不適合大眾消費。為了克服以上撿球機的不足，本文基于紅球識別及路徑規(guī)劃的智能機器人設(shè)計，通過對它周圍環(huán)境中的目標球信息的獲取，以及排除周圍環(huán)境的圖像干擾，然后對各傳感器數(shù)據(jù)進行融合分析處理[1]，由控制器規(guī)劃好路徑，繼而發(fā)出各項指令，以完成機器人自動識別紅球[2]、路徑規(guī)劃、收集紅球的一系列動作指令。由于它相對來說體積較小，因此在室內(nèi)外都可以進行工作，無需人為操控就能完成人們的任務要求，且因為它的機械部分s簡似兒童的玩具小車，體積較小，行動靈活，能夠較輕松的避開各種障礙。目前該應用領(lǐng)域還處于空白，市場前景和價值很可觀。

1 系統(tǒng)方案

本智能撿球機器人采用AVR系列ATmega128單片機為控制核心的MultiFLEX 2-PXA270控制器[3]，使用紅外接近傳感器進行避障，視覺傳感器采用Vimicro 301攝像頭，驅(qū)動和撿球部分采用CDS55xx舵機，電源采用7.2V的鋰聚合物電池組，通過編寫程序控制各個外設(shè)模塊，構(gòu)成整體機器人架構(gòu)[4]。系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。本智能撿球機器人為多模塊系統(tǒng)，由圖像檢測模塊、速度控制模塊、方向控制模塊、避障模塊、舵機驅(qū)動和最小控制系統(tǒng)、電源管理模塊組成。

2 技術(shù)原理

2.1 圖像處理

首先MultiFLEX 2-PXA270控制器通過底層接口獲得一幀圖像，圖像數(shù)據(jù)其實是一個一維的數(shù)組，RGB24格式（R、G、B顏色各占一個字節(jié)，共24位），每3字節(jié)一個像素。需要注意的是，圖像數(shù)據(jù)中每個像素對應的3字節(jié)是按B（Blue）、G（Green）、R（Red）的順序存放的，而不是按R、G、B的順序存放。其次，將圖像數(shù)據(jù)從RGB空間轉(zhuǎn)化到HSI空間。因為在RGB顏色空間下很難排除光照的影響，所以不適合用來做顏色區(qū)分。在HSI空間，可以用Hue（色度）來對顏色進行劃分。再次，進行顏色區(qū)域分割。循環(huán)遍歷一副圖像中的每個像素，將每個像素轉(zhuǎn)換后的H值和目標閾值進行比較，符合范圍要求的就作為有效點，否則視為無效點。遍歷完整幅圖像后，對所有的x和y求平均值，得到ave_x和ave_y，則（ave_x，ave_y）為目標區(qū)域在畫面中的質(zhì)心的坐標。在顏色干擾不是很嚴重的情況下，可以認為目標區(qū)域的質(zhì)心就是目標物體的中心。最后，保存計算得到的目標區(qū)域的質(zhì)心坐標ave_x和ave_y，以及有效像素個數(shù)（目標面積）。用戶可以通過MFCapGetCenterX函數(shù)獲取ave_x值，通過MFCapGetCenterY獲取ave_y值，通過MFCapGetSum（）獲取目標面積。

在視頻圖像平面中，橫向為x軸，縱向為y軸，通過目標球質(zhì)心橫坐標值可以判斷出球相對于機器人正前方是偏左還是偏右，球質(zhì)心橫坐標小于畫面中心橫坐標（當攝像頭分辨率是320*240時，畫面中心坐標為（160，120）），說明球在機器人的左前方；反之亦然。通過球質(zhì)心縱坐標可以判斷球與機器人的距離，需要注意的是，球和機器人的距離與球中心縱坐標不是嚴格的線性關(guān)系，但是遵循這樣的規(guī)律：球離機器人越遠，球質(zhì)心在畫面中縱坐標就越大。因此，根據(jù)獲取到的球質(zhì)心縱坐標，就可以判斷出球相對于機器人的方位以及球和機器人的距離，可以根據(jù)球質(zhì)心坐標調(diào)整機器人的運動狀態(tài)。

2.2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃研究包括環(huán)境表達、規(guī)劃算法和路徑執(zhí)行三個方面。目前，已經(jīng)存在大量組合優(yōu)化算法來處理機器人路徑規(guī)劃問題，但很多算法都存在一定的局限性。而蟻群算法具有正反饋、靈活性和協(xié)同性等特點，順應路徑規(guī)劃算法的研究現(xiàn)狀和向智能化、仿生化發(fā)展的動向。因此，采用蟻群算法的思想對機器人路徑進行規(guī)劃。本文設(shè)計的機器人環(huán)境為靜態(tài)全局環(huán)境已知，通過柵格法對已知環(huán)境進行抽象，建立機器人工作空間模型，并采用蟻群算法，仿照螞蟻覓食行為，根據(jù)優(yōu)化條件尋找出一條從指定起點到終點的最優(yōu)或者近似最優(yōu)路徑，即全局路徑規(guī)劃。該智能機器人使用自身視覺傳感器按照規(guī)劃好的最優(yōu)路徑自動導航，無碰撞地移動到目標點。算法流程如圖2所示。

3 整體設(shè)計

本文中采用的MultiFLEX 2-PXA270控制器為小型智能機器人的理想選擇，使用NorthStar圖形化集成開發(fā)環(huán)境，可以簡單、快捷地開發(fā)程序，無需理會交叉編譯、程序下載等復雜過程。以CDS55xx舵機作為執(zhí)行機構(gòu)，CDS系列機器人舵機屬于一種集電機、伺服驅(qū)動、總線式通信接口為一體的集成伺服單元，它可以工作在舵機模式和電機模式。舵機模式時，它可以在零到三百度的范圍內(nèi)擺動，因此將收球的機械臂設(shè)為舵機模式；電機模式時，它可以像電機一樣整周旋轉(zhuǎn)，因此把舵機設(shè)為電機模式驅(qū)動全向輪。為了保證機器人能向任意方向前進，采用全向輪。驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動的運動特性。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直與驅(qū)動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著各自的軸線只由旋轉(zhuǎn)。機器人的“眼睛”采用Vimicro 301攝像頭。同時在機器人的前方安裝兩個紅外接近傳感器，紅外接近傳感器是開關(guān)量傳感器，用來判斷在測量距離內(nèi)有無障礙物，不能給出障礙物的實際距離。但是該傳感器帶有一個靈敏度調(diào)節(jié)按鈕，可以調(diào)節(jié)傳感器觸發(fā)的距離。由于機器人本身體積小，所以只需要兩個紅外測距傳感器就可以滿足避障要求，有障礙物時返回1，沒有檢測到時返回0。機器人撿球過程中的漫游流程圖3所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的智能撿球機器人系統(tǒng)是采用AVR單片機控制，由視覺系統(tǒng)、運動機構(gòu)，撿球裝置和中央處理器組成，能夠檢測到地面上的紅球及對紅球進行準確的定位，并能精準到達球的面前，最終完成撿球動作。在整個撿球過程中，智能撿球撿機器人獨立完成尋球、行走、撿球動作，不需要人的參與。這樣既節(jié)省了運動員的時間、體力與不必要的人力資源，又實現(xiàn)了撿球過程的高效、快捷。符合當今各領(lǐng)域產(chǎn)品智能化、自動化的趨勢。本文融合了圖像采集與處理技術(shù)，采用蟻群算法的思想進行路徑規(guī)劃，利用模糊PID控制算法調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)角及舵機在電機模式下的速度，確保了機器人高速、穩(wěn)定執(zhí)行一系列動作指令。經(jīng)過在實驗室中調(diào)試，具有能及時識別紅球并收集紅球，未來在各種球場的應用有較好的前景。

參考文獻：

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