具有顏色識別功能的類人機(jī)器人設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)類人機(jī)器人在控制系統(tǒng)實(shí)時性和視覺識別方面的不足，以S3C6410作為主控芯片，設(shè)計了具有視覺識別功能的類人機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過改進(jìn)和簡化視頻識別算法取得了良好的目標(biāo)識別效果。實(shí)驗表明，基于本控制系統(tǒng)設(shè)計而成的類人機(jī)器人實(shí)時性好，目標(biāo)識別準(zhǔn)確，通過調(diào)整運(yùn)動路徑能夠快速找到目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：類人機(jī)器人；嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)；機(jī)器視覺；顏色識別

引言
智能移動機(jī)器人是近年來發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科，涉及機(jī)械設(shè)計、傳感檢測、人工智能等多方面知識。類人機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為三個層次：最上層是機(jī)器人的策略規(guī)劃層，利用各種算法實(shí)現(xiàn)各部分的功能；中間一層運(yùn)行各類應(yīng)用程序的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)；最底層是硬件平臺，通過外圍接口獲得各類數(shù)據(jù)、信息。
自主機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作。本文根據(jù)武術(shù)擂臺機(jī)器人的實(shí)際需要，設(shè)計了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)攝像頭圖像采集、處理和舵機(jī)控制等功能。
策略規(guī)劃層中，由于圖像信息具有信息豐富、對場景描述完全的特點(diǎn)，主要通過處理攝像頭采集的圖像信息實(shí)現(xiàn)顏色目標(biāo)定位。這里采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，由于嵌入式系統(tǒng)資源的限制，要求目標(biāo)識別算法運(yùn)行效率高，占用內(nèi)存空間小。硬件平臺主要是控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制。

1 系統(tǒng)控制電路與視頻識別算法
1．1 機(jī)器人整體架構(gòu)
在武術(shù)擂臺技術(shù)挑戰(zhàn)賽中，機(jī)器人要采集目標(biāo)的位置信息。由于I／O、A／D轉(zhuǎn)換的有效檢測距離有限，機(jī)器人采用攝像頭采集場地上的圖像信息，根據(jù)目標(biāo)的顏色進(jìn)行識別、定位。當(dāng)檢測到目標(biāo)位置以后控制舵機(jī)自主運(yùn)動向目標(biāo)靠攏，完成自我介紹、抱繡球等動作。所設(shè)計的機(jī)器人外形如圖1所示。

從圖中可以看出，機(jī)器人頭部采用攝像頭，通過USB接口與主控板進(jìn)行連接，用于采集圖像信息。機(jī)器人腰部、腿部、胳膊各關(guān)節(jié)利用舵機(jī)使其具有一定的自由度，用到的舵機(jī)為CDS系列數(shù)字舵機(jī)。它內(nèi)部有ATmega8芯片，主控板通過串口與ATmega8通信，就可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制。針對以上要求，同時考慮系統(tǒng)的實(shí)時性，采用S3C6410作為主控芯片。實(shí)際控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
1．2 舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
主控板通過串口1完成與舵機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，舵機(jī)控制電路的原理圖如圖3所示。

由于半雙工數(shù)據(jù)線只有一根，所以必須在電路上實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收上的分離。這里網(wǎng)絡(luò)Robotis_UART一端直接接到舵機(jī)的信號線上，而另一端經(jīng)過74HC126的兩個緩沖器分別與主控芯片的TXD1和RXD1相連，再通過主控芯片使能的方式來確定是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)。主控芯片可以使NLED1為高而NLED2為低，這時TXD1就取得了線路的控制權(quán)，主控芯片就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到舵機(jī)了。反之，當(dāng)NLED2為高而NLED1為低時，這時RX D1就取得了線路的控制權(quán)，這時舵機(jī)可以返回數(shù)據(jù)。