基于Arduino的視覺四足步行機(jī)器人的研究

摘 要：使用Arduino板控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)而控制機(jī)器人的行走是四足步行機(jī)器人研究的一個(gè)重要方法。文章通過重點(diǎn)研究Arduino的編程程序?qū)崿F(xiàn)Arduino板、舵機(jī)和視覺模塊的聯(lián)動(dòng)，從而控制視覺機(jī)器人的工作。

關(guān)鍵詞：Arduino；視覺步行機(jī)器人；舵機(jī)；Pixy

引言

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。它具有跨平臺(tái)性、簡單清晰、開放性等優(yōu)點(diǎn)，且近年來發(fā)展迅速，成為全球最流行的開源硬件，因此將其作為視覺步行機(jī)器人的控制模塊具有很高的可操作性。

1 Arduino的軟件--Arduino IDE

Arduino IDE是Arduino的編程軟件，基于processing IDE開發(fā)，具有很高的靈活性，且Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對(duì) AVRGCC庫的二次封裝，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)，對(duì)于編程者來說極其便利。

2 Arduino控制舵機(jī)角度

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，其工作原理是由接收機(jī)或者單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，其內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。一般舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度范圍是0°到180°度。

正是由于舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是通過調(diào)節(jié)PMW（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)的，所以可以通過硬件上將Arduino板與舵機(jī)接線，軟件上向Arduino嵌入控制程序來控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

下面是一個(gè)簡單的Arduino舵機(jī)角度控制程序：

#include

Servo myservo；

int pos = 0；

void setup（）

{

myservo.attach（9）；

}

void loop（）

{

for（pos = 0； pos < 180； pos += 1）

{

myservo.write（pos）；

delay（15）；

}

}

此程序可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)0到180度的轉(zhuǎn)動(dòng)，且每個(gè)角度之間相隔15ms。

通過Arduino控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制程序簡單，且角度轉(zhuǎn)動(dòng)的精確度較高，對(duì)于小型四足步行機(jī)器人的行走要求很符合。

3 Arduino控制視覺模塊

視覺模塊我們使用Pixy CMUcam5 圖像識(shí)別傳感器。Pixy是一個(gè)開源的圖像識(shí)別傳感器，支持多物體，多色彩的顏色識(shí)別，最高支持識(shí)別7種顏色。你可以告訴它你想要的顏色，它就會(huì)去尋找所需顏色。Pixy支持多種通信方式，如SPI，I2C等，可以直插在Arduino控制板上面。它搭載的圖像傳感器配合強(qiáng)大的硬件，可以配合PC跟蹤、分析多色的數(shù)據(jù)。

之所以選擇Pixy這種視覺模塊，不僅因?yàn)樗cArduino控制板聯(lián)接簡單，功能強(qiáng)大，還因?yàn)樗浅７纤淖悴叫袡C(jī)器人的要求。它采用以顏色為中心的辦法——使該產(chǎn)品只是將特定顏色的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)以進(jìn)行圖像處理。所以Arduino板很容易跟它交流，并騰出許多CPU來執(zhí)行其他事件。這一點(diǎn)對(duì)我們的四足機(jī)器人至關(guān)重要，因?yàn)閷?duì)于四足機(jī)器人來說，其步態(tài)、行走方式等影響極大。

硬件上Arduino與Pixy的聯(lián)接非常簡單，Pixy可以直接與Arduino進(jìn)行通訊。它會(huì)以1Mbits/s的速度發(fā)送塊信息給Arduino，這意味著Pixy每秒可以發(fā)送超過6000個(gè)識(shí)別的物體或每幀135個(gè)被識(shí)別的物體（Pixy每秒可以處理50幀畫面）。想讓Pixy與Arduino進(jìn)行通訊，只需使用Pixy自帶的數(shù)據(jù)線連接Pixy到Arduino。軟件上我們通過向Arduino嵌入控制程序來實(shí)現(xiàn)與Pixy的聯(lián)接。

4 Arduino與視覺模塊、舵機(jī)的聯(lián)接

硬件上分別將舵機(jī)、Pixy與Arduino進(jìn)行聯(lián)接，注意信號(hào)線、電源線與接地線的正確連接，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

軟件上通過一個(gè)嵌套的控制程序?qū)崿F(xiàn)三者的互相聯(lián)系。首先Pixy會(huì)對(duì)被識(shí)別物體的大小、形狀進(jìn)行分析，且對(duì)初始位置時(shí)物體的中心點(diǎn)編為坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)被識(shí)別物體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，Pixy會(huì)將物體大小和方位的變化信息傳遞給Arduino，Arduino再控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后左右的行走。

下面是判斷物體大小方位變化的程序：

if（pixy.blocks[0].x<200pixy.blocks[0].x>100）

{

if（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height<10000）

advance（）；

else

back（）；

}

if（pixy.blocks[0].x>200）

right（）；

if（pixy.blocks[0].x<100）

left（）；

上面程序中advance（）、back（）、right（）、left（）是子函數(shù)，控制機(jī)器人的行走方向。

下面是advance（）函數(shù)的程序：

void advance（） //前進(jìn)

{

Serial.println（\"advance\"）；

for（int j=0；j<16；j++）

{for（int i=0；i<8；i++）

{tst_srv[i].write（adv_srv_pos[i][j]）；}

delay（50）；}

Serial.println（\"adv end\"）；

}

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，Arduino完全能承擔(dān)控制核心的作用，實(shí)現(xiàn)與視覺模塊和舵機(jī)的聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)視覺四足步行機(jī)器人的追蹤功能。

參考文獻(xiàn)

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