智能網(wǎng)球收球機(jī)器人系統(tǒng)

吳偉鍵　曾毅杰　馮貴斌*

【摘 要】文章介紹了一種基于機(jī)器視覺的智能撿球機(jī)器人，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺模塊、無線模塊、避障系統(tǒng)、葉輪系統(tǒng)等硬件設(shè)備。實現(xiàn)了可以完全自主收集大范圍區(qū)域內(nèi)的比賽型網(wǎng)球，且具有自動和手動兩種控制模式，用戶可以連接手機(jī)APP實現(xiàn)對車體的完全控制。具有收集速度快，成功率高，連續(xù)工作時間長，故障率低等特點。通過實物樣品的性能測試表明，該撿球機(jī)器人能達(dá)到預(yù)期撿球效果，具有推廣意義。

【關(guān)鍵詞】撿球機(jī)器人;顏色識別;機(jī)器視覺

中圖分類號： TP391.41;G845 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0090-002

0 引言

據(jù)谷歌網(wǎng)站近三年來全球熱搜榜的數(shù)據(jù)顯示，羅杰·費德勒和拉法·納達(dá)爾的強(qiáng)勢回歸推動了網(wǎng)球搜索量的增加，網(wǎng)球運動的重要地位已逐漸向足球和籃球的球類主導(dǎo)體育地位靠攏。而且，智能車、機(jī)械臂、計算機(jī)視覺等機(jī)器人領(lǐng)域隨著3D打印機(jī)的普及使用取得了極大的發(fā)展。此項目的理念，正是基于這兩者的共同發(fā)展而衍生出來的。我們結(jié)合技術(shù)與設(shè)計，打造一款省時省力，智能化，效率化的場地服務(wù)型機(jī)器人，體現(xiàn)了新時代高效運動的創(chuàng)新和要求。是一款為用戶貼心打造的具有商業(yè)價值的智能產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體方案

圖1為本項目初始設(shè)計圖。該機(jī)器人由前后兩部分組成，主體為識別系統(tǒng)和收球系統(tǒng)，后部分為集球箱，一次大約能收集50～60個網(wǎng)球。最前端是擴(kuò)大收球面積的仿生設(shè)計鍬角擋板，頂部是圖像采集部分OPENMV攝像頭連接ESP32主控板傳輸識別到的球的圓心坐標(biāo)和中心差值，單片機(jī)用PID函數(shù)定義速度與差值處理后輸出兩個PWM波形連接L298N驅(qū)動板的兩個使能端，給左右驅(qū)動輪使能。靜止的網(wǎng)球在車向前行的情況下首先觸碰高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉輪通過同步帶呈環(huán)形內(nèi)外連接同步輪達(dá)到內(nèi)旋效果，產(chǎn)生足夠的力和向后的慣性使球上升約20厘米的高度落入后筐。此過程中，觸碰斜板上安裝的行程開關(guān)，使單片機(jī)上計數(shù)器加一，然后繼續(xù)尋找下一個目標(biāo)。假如視野中沒有目標(biāo)，則規(guī)定在車一定區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)。遇到障礙時，車前設(shè)置的雙邊超聲波模塊計算左右距離的不同進(jìn)行相應(yīng)的避障行為。另外，手動操作時用連接單片機(jī)的藍(lán)牙模塊和Android平臺連接，通過自主設(shè)計的APP操作關(guān)閉自動尋球和對兩輪的控制。

1.2 工作步驟

1.2.1 車輪驅(qū)動

在這個部分選用了集成方案—科沃斯掃地機(jī)器人系列的散裝驅(qū)動輪，它具有安裝快速、兼容性高、操控簡易等優(yōu)點，驅(qū)動輪使用的是12V帶碼盤減速電機(jī)與50mm直徑防滑膠輪組合，內(nèi)置光電對管和柵格測速碼盤，？電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，碼盤輸出20個脈沖，用單片機(jī)處理后可以精確控制小車的行駛距離和轉(zhuǎn)彎角度。

1.2.2 車輪調(diào)速

車體前進(jìn)轉(zhuǎn)彎行駛的一大重要部分就是調(diào)節(jié)雙邊車輪的速度。L298N是一款業(yè)界常用的雙H橋電機(jī)驅(qū)動芯片，其中每個橋可以提供2安的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48V，邏輯部分5V供電，接受5V的TTL電平，L298N的使能端連接控制板的PWM輸出口，調(diào)節(jié)兩邊PWM數(shù)值就可以實現(xiàn)直行、后退、差速轉(zhuǎn)彎等功能，手動模式下PWM數(shù)值默認(rèn)為100。

1.2.3 葉輪回收

這個部分由電機(jī)、左葉輪，右葉輪，軸承，同步帶，同步輪，絲桿組成。左右葉輪呈相反方向旋轉(zhuǎn)，輪轂在裝備柔性材料用于與球的壓力接觸。葉輪回收的初始設(shè)計是用736直流電機(jī)牽拉兩個葉輪正負(fù)時針旋轉(zhuǎn)，配以16khz的大功率場效應(yīng)管10A調(diào)速模塊的配合使用為方案。電機(jī)空載旋轉(zhuǎn)的工作電流為500～1000mA，帶負(fù)載后電流會急劇增大，速度降低，長時間連續(xù)工作可能會導(dǎo)致過熱燒穿，場效應(yīng)管是正溫度系數(shù)，隨溫度升高電流會有一定的下降，且內(nèi)部還會寄生出一個二極管，所以常用在感性負(fù)載中。而后備方案選用了12V600轉(zhuǎn)的直流減速電機(jī)，可連續(xù)24小時帶負(fù)載左右，有效解決了電流大易發(fā)熱的難題。

1.2.4 超聲波避障

超聲波避障， 是移動機(jī)器人中， 原理比較簡單， 容易實現(xiàn)的一個功能。本次使用HC-SR04收發(fā)一體的緊湊型超聲，廣角更好，但聚焦能力偏弱。有效檢測距離大約為2米，此模塊應(yīng)安裝在車體頂端，由四個模塊組成的避障系統(tǒng)。在完成超聲的驅(qū)動程序的編寫之后，設(shè)定超聲收發(fā)的頻率，每次收到之后，如果有一個通道為“陽性”，則啟動避障邏輯。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 顏色識別

硬件使用OPENMV3 CamM7，使用RGB565圖像格式時，可達(dá)到20幀以上速率，使用MicroPython語言編寫程序，其中使用img模塊中find_blob函數(shù)進(jìn)行顏色閾值查找，設(shè)定好正常光線下綠色網(wǎng)球的顏色閾值，取景框內(nèi)有此閾值內(nèi)的目標(biāo)則標(biāo)注白色矩形框，并在后臺打印出矩形框中點與畫面中點的差值供給PID函數(shù)。

2.2 優(yōu)先尋撿

為防止程序進(jìn)入死循環(huán)，加入了取最大目標(biāo)值的函數(shù)。當(dāng)視野內(nèi)有兩個以上的目標(biāo)時，同時計算所有目標(biāo)矩形框的面積，面積最大的一個即最為接近的一個目標(biāo)。

2.3 藍(lán)牙控制

小車控制模塊使用了樂鑫公司的ESP32-WROOM模組，這是一款藍(lán)牙&WIFI一體的芯片。ESP32 可作為獨立系統(tǒng)運行應(yīng)用程序或是主機(jī) MCU 的從設(shè)備，通過 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能。使用CP2102芯片進(jìn)行TTL串口燒寫固件。其中常用固件有Arduino，MicroPython，LUA，由于MicroPython中藍(lán)牙庫未更新，所以本次使用了Arduino作為平臺，使用前需要先設(shè)置UUID，然后通過UART接收的字符判斷前進(jìn)的方向。

3 調(diào)試安裝

在設(shè)計、組裝和運行過程中，有著硬件與軟件上的計算偏差。硬件偏差表現(xiàn)為：PLA打印件設(shè)計過程中通常需要0.2mm作為組裝增量，且容易導(dǎo)致熱變形;而驅(qū)動輪直徑如果小于從動輪，則有可能發(fā)生三角穩(wěn)定關(guān)系導(dǎo)致其中一個驅(qū)動失效，所以最好使用履帶驅(qū)動輪。軟件偏差上，PID參數(shù)需要經(jīng)過多次調(diào)整才能正常使用，一般情況下可以不使用微分參數(shù)，P數(shù)值調(diào)大可以增加機(jī)體對目標(biāo)的反應(yīng)程度，過大可能會導(dǎo)致劇烈抖動;由于攝像頭使用的是廣角鏡頭，在尋找目標(biāo)時會受到球上方景象的多個物體干擾，為減少干擾，調(diào)試過程將取景畫面垂直方向的三分之一裁剪，取得了良好效果。

4 小結(jié)

在上述理論的指導(dǎo)下，本項目最終形成實物，如圖2所示。作品體現(xiàn)了對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，使用了較為新型的軟硬件方案，系統(tǒng)運行高效穩(wěn)定，具有可持續(xù)發(fā)展性。智能機(jī)器人是一個充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，未來我們將不斷創(chuàng)新，精益求精，力求為科技進(jìn)步和發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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