基于OPENMV的色彩引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)研究

鄒浩 郭雨婷 李佳盈 高雁鳳 許素安 陳錫愛

摘 要：隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多較為單調(diào)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)程度高的工作逐漸交由機(jī)器人來完成，近年來，機(jī)器視覺技術(shù)日漸完善，并得到廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一套基于OPENMV的自動(dòng)尋物系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)用戶指定的物體形狀或顏色，自主進(jìn)行色彩識(shí)別和形狀識(shí)別，通過算法對(duì)物體匹配，自動(dòng)以較優(yōu)的速度從起始點(diǎn)運(yùn)行到指定物體前，并穩(wěn)定停在其前方。用戶可以通過藍(lán)牙對(duì)系統(tǒng)識(shí)別物體的顏色和形狀進(jìn)行設(shè)置，從而增強(qiáng)其實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：器視覺 色彩識(shí)別 形狀識(shí)別 OPENMV

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（a）-0085-02

機(jī)器視覺的研究是從20世紀(jì)60年代中期美國學(xué)者L.R.羅伯茲關(guān)于理解多面體組成的積木世界研究開始的。當(dāng)時(shí)運(yùn)用的預(yù)處理、邊緣檢測、輪廓線構(gòu)成、對(duì)象建模、匹配等技術(shù)，后來一直在機(jī)器視覺中應(yīng)用。

通過引入機(jī)器視覺導(dǎo)航，以基于stm32f7系列單片機(jī)開發(fā)的OPENMV作為路徑識(shí)別傳感器，實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)引線的位置參數(shù)，并由微處理器運(yùn)算后將各控制指令下發(fā)至電機(jī)，顯示屏等外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)和精確導(dǎo)引。實(shí)現(xiàn)物體的數(shù)字化描述，提取物體的多維度特征，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)物體的識(shí)別與規(guī)避。同時(shí)，添加無線通訊功能模塊，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人的單片機(jī)主控電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路共同構(gòu)成了機(jī)器人的硬件電路。如圖1所示。在主控電路方面，主要包括核心控制單元，上下位機(jī)交互模塊，調(diào)試模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。在驅(qū)動(dòng)電路方面，可分為H橋電路和DC-DC升壓電路。

1.2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

軟件作為本機(jī)器人最為重要的部分，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要分為圖像的預(yù)處理、顏色識(shí)別、導(dǎo)引線中心值計(jì)算、攝像頭測距和下位機(jī)的通信。

其中圖像預(yù)處理方面，又可以分為圖像大小調(diào)整、灰度化、噪聲去除、閾值分割等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行圖像采集、處理（包括顏色識(shí)別以及物體面積測量），電機(jī)控制，相關(guān)參數(shù)顯示及按鍵調(diào)試，上、下位機(jī)通信等其他外設(shè)的控制，因此選用筆記本電腦作為上位機(jī)的運(yùn)行平臺(tái)，而下位機(jī)選擇了由恩智浦公司生產(chǎn)的32bit單片機(jī)K60作為主控模塊處理器。該單片機(jī)的工作電壓為2.0～3.6V，工作主頻最高可達(dá)到200MHz，共有8個(gè)定時(shí)器，3個(gè)串口，且最多可輸出30路PWM。此外，其還有豐富的片上外設(shè)模塊可以調(diào)取。

2.2 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路共包含單片機(jī)電路、顯示電路、按鍵調(diào)試電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、以及電源管理電路，其中輸入的電池電壓為7.5V，為了盡可能減小主控的整體體積，采用了單片機(jī)裸片直接嵌入的設(shè)計(jì)，大大提高了整個(gè)電路的精簡程度。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在電壓控制型器件選型上，選用的是功率場效應(yīng)管。其主要特點(diǎn)是功率增益高，電壓控制范圍廣，開關(guān)的速度快，開關(guān)時(shí)間由寄生電容決定，故其被大量的應(yīng)用于電機(jī)控制。由于本設(shè)計(jì)使用的是直流電機(jī)，所以選擇并設(shè)計(jì)了一種H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。其中，H橋電路中的4個(gè)功率MOS管一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)可行的方案：方案一：上下橋臂分別用兩個(gè)N溝道功率MOS管和兩個(gè)P溝道功率MOS管；方案二：上下橋臂均用N溝道功率MOS管。其中方案一使用兩個(gè)P溝道MOS管和兩個(gè)N溝道MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，電路簡單且成本低，但是由于加工工藝的原因，P溝道的MOS管驅(qū)動(dòng)電流比較小，性能比N溝道MOS管差，一般用于小電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件選型

為了滿足軟件的快速開發(fā)以及程序運(yùn)行的效率，故使用OPENMV機(jī)器視覺庫進(jìn)行系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)和圖像處理，選用C語言、Python語言分別編寫下位機(jī)主控制部分，下位機(jī)圖像處理部分。軟件流程中包括圖像采集及預(yù)處理（其中包括圖像尺寸調(diào)整、灰度化、噪聲去除、閾值分割）、畸變矯正、顏色識(shí)別、導(dǎo)引線中心值計(jì)算、攝像頭測距和下位機(jī)的通信。

3.2 基于OPENMV的彩色導(dǎo)引機(jī)器人工作原理與實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人主要由攝像頭模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、中央控制模塊、通信模塊、顯示和按鍵調(diào)試模塊和上位機(jī)控制組件構(gòu)成。啟動(dòng)攝像頭，選擇將要識(shí)別的顏色和形狀，并通過算法計(jì)算出對(duì)應(yīng)導(dǎo)引線的中心值，該參數(shù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至下位機(jī)控制部分；隨后下位機(jī)根據(jù)導(dǎo)引線中心值計(jì)算各電機(jī)的PWM波輸出值并驅(qū)動(dòng)電機(jī)使機(jī)器人沿著模擬引導(dǎo)線行走，待至導(dǎo)引結(jié)束，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人靜止在模擬導(dǎo)引線末端。在障礙物躲避方面，導(dǎo)引線上存在白色障礙物，機(jī)器人通過若發(fā)現(xiàn)障礙物并通過測距算法計(jì)算出障礙物與車體之間距離，當(dāng)該距離小于50cm，開始啟動(dòng)避障算法，待機(jī)器人成功繞過障礙物后，再次尋找對(duì)應(yīng)導(dǎo)引線進(jìn)行線路尋跡。

4 結(jié)語

本文介紹了基于攝像頭的彩色導(dǎo)引機(jī)器人，該機(jī)器人引入了機(jī)器視覺技術(shù)，做到了顏色識(shí)別和形狀識(shí)別的物體多維度信息運(yùn)算，為現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人路徑導(dǎo)引提供了基于機(jī)器視覺技術(shù)的參考方案。本設(shè)計(jì)主要基于K60單片機(jī)和OPENMV圖像處理平臺(tái)，以ov7725攝像頭作為視覺傳感器，下位機(jī)通過藍(lán)牙進(jìn)行無線通信，大大提高了機(jī)器人的靈活性。同時(shí)，為了適應(yīng)更加復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在圖像處理方面進(jìn)行了大量的研究和測試，大大提高了圖像的抗干擾性，根據(jù)測試結(jié)果表明，該導(dǎo)引機(jī)器人能夠很好地適應(yīng)光線復(fù)雜的環(huán)境，并能夠保證較高的精度。同時(shí)，在未來的日子里，以現(xiàn)有的基礎(chǔ)，能進(jìn)一步提高機(jī)器人測距精度（通過雙攝像頭解決方案，可達(dá)到毫米級(jí)別）；優(yōu)化軟件算法，進(jìn)一步加快運(yùn)算速度；更換無線通訊模塊，加大無線傳輸范圍，以增加機(jī)器人活動(dòng)半徑。

該引導(dǎo)機(jī)器人可作為雛形進(jìn)一步開發(fā)以應(yīng)用于各種短距離貨物資料等的搬運(yùn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工廠、教學(xué)、醫(yī)療等方面的自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 張辰貝西，黃志球.自動(dòng)導(dǎo)航車（AGV）發(fā)展綜述[J].中國制造業(yè)信息化，2010，39（1）：53-59.

[2] 茍德清，王子慧，張殿可，等.基于ARM_Cortex_M3的智能小車直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（24）：256-257.

[3] 劉磊，孫曉菲，張煜.基于STM32的可遙控智能跟隨小車設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2015，38（6）：31-33，47.

[4] 梁星，梁超，付永朝，等.一種驅(qū)動(dòng)能力穩(wěn)定的電荷泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].中國集成電路，2017（5）：34-38.

[5] 王佳欣，魏濤.基于圖像融合技術(shù)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像識(shí)別研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，33（8）：158-162.

[6] 孫瑞霞，李煒，王宗乾.基于顏色智能識(shí)別的嵌入式筒管分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，34（3）：71-76.