網(wǎng)球自動(dòng)回收機(jī)器人的設(shè)計(jì)*

*項(xiàng)目支持：廣西壯族自治區(qū)區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)：202010595223

近年來隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展與不斷提高,服務(wù)型機(jī)器人已經(jīng)開始在生活中廣泛應(yīng)用。迎賓機(jī)器人、掃地機(jī)器人、家教機(jī)器人等一系列服務(wù)型機(jī)器人已經(jīng)在生活實(shí)踐中取得了巨大成功。因此，人工智能技術(shù)與運(yùn)動(dòng)相互結(jié)合, 既滿足了現(xiàn)代智慧城市的規(guī)劃，又能使人們的生活變得更加便利。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)優(yōu)美而充滿競(jìng)技性的體育運(yùn)動(dòng)，其特有的魅力讓世人喜愛。網(wǎng)球和高爾夫球一起享有“貴族運(yùn)動(dòng)”之稱。在網(wǎng)球訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練完成的場(chǎng)地內(nèi)有大量網(wǎng)球需要進(jìn)行回收以便于訓(xùn)練使用以及場(chǎng)地的清潔，而且不被及時(shí)回收的地面上的網(wǎng)球還有可能被人不小心踩踏而發(fā)生滑倒。

網(wǎng)球回收裝置作為網(wǎng)球訓(xùn)練中經(jīng)常使用到的工具，方便人們進(jìn)行網(wǎng)球的回收。目前，市面上的網(wǎng)球回收機(jī)器裝置相對(duì)較少，而且大部分都是手動(dòng)的網(wǎng)球回收裝置，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)球自動(dòng)回收機(jī)器人，可以通過攝像頭對(duì)網(wǎng)球進(jìn)行檢測(cè)、定位以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)回收網(wǎng)球的功能，無需人工操控，具有回收效率高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

1   設(shè)計(jì)思路

結(jié)合本項(xiàng)目的開發(fā)需求，畫出了該機(jī)器人的原理框圖，如圖1 所示。本項(xiàng)目采用了模塊化、一體化的設(shè)計(jì)思想，架構(gòu)靈活、聯(lián)合性高，能較大幅度地縮減電路板的體積。其中OpenMV 攝像頭模塊用于實(shí)時(shí)采集場(chǎng)地畫面圖像信息，完成對(duì)網(wǎng)球的識(shí)別定位，并通過串口將相關(guān)信息傳輸給嵌入式主控板。嵌入式主控板在接收到來自O(shè)penMV 的信息后，將位置信息轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)軌跡，通過TB6612 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)減速電機(jī), 結(jié)合位置式PID 算法精確控制運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為用于網(wǎng)球回收的滾輪，由兩路減速電機(jī)負(fù)責(zé)推動(dòng)。四路超聲波主要用于規(guī)避障礙，分別安裝在左前方、右前方、左后方和右后方，在遇到障礙時(shí)阻止機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)?；魻杺鞲衅鲗㈦姍C(jī)的轉(zhuǎn)速通過A、B 相的形式反饋給主控，主控使用兩個(gè)硬件正交編碼器進(jìn)行解碼，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)。使用自制手機(jī)APP 可以通過藍(lán)牙模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制。供電電源采用航模電池，安全性能良好、容量大、體積小，能很好地保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。

圖 1系統(tǒng)框圖

2   方案選擇

本機(jī)器人嵌入式主控芯片采用STM32F429ZGT6，該芯片是一款基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的高性能微控制器，帶有180 MHz CPU，內(nèi)部帶有DSP、FPU 和正交編碼器等資源。

網(wǎng)球的識(shí)別定位通過攝像頭采集圖像信息實(shí)現(xiàn)，一般的攝像頭僅能進(jìn)行圖像的采集，無法對(duì)圖像進(jìn)行處理，OpenMV 是一款開源嵌入式視覺處理模塊，可以輕松完成機(jī)器視覺應(yīng)用，可通過Python 腳本語言進(jìn)行開發(fā)。OpenMV 搭載有STM32H743II ARM Cortex M7處理器， 其系統(tǒng)頻率高達(dá)480 MHz， 擁有1 MBRAM，2 MB fl ash 閃存。OpenMV 模塊默認(rèn)攝像頭配置為OV5640 感光元件處理2 592×1 944(5MP) 圖像，在QVGA(320×240) 及以下分辨率時(shí)大多數(shù)簡(jiǎn)單算法可運(yùn)行25~50 FPS。經(jīng)過多方面考慮我們最終選擇OpenMV作為視覺模塊以定位網(wǎng)球與車身。

避障模塊使用的是超聲波模塊，使用超聲波進(jìn)行測(cè)距，測(cè)量精度最小可以達(dá)到2 mm，測(cè)量范圍0.02~4 m，能夠滿足使用需求。避障模塊通過計(jì)算機(jī)器人與物體之間的距離進(jìn)行避障。

使用減速電機(jī)作為小車動(dòng)力，通過讀取霍爾傳感器獲得反饋進(jìn)行PID 控制，以保證車輪轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，通過左右兩電機(jī)的差速產(chǎn)生扭矩以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。為了防止出現(xiàn)意外，在小車周圍使用四路超聲波進(jìn)行避障，以免發(fā)生撞車事故。

藍(lán)牙模塊采用HC-05 藍(lán)牙模塊，HC-05 是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以手機(jī)配對(duì)，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4 800~1 382 400，可以很方便與單片機(jī)進(jìn)行連接，使用非常靈活、方便。

采用航模電池進(jìn)行供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源由電池提供，主控供電使用DC-DC 降壓芯片tps5430 將電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V 輸出，再由線性ldo 芯片AMS1117 轉(zhuǎn)換提供3.3 V。

回收機(jī)械結(jié)構(gòu)常見為采用垂直壓力和滾動(dòng)壓力兩種，結(jié)合本裝置的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)使用滾動(dòng)壓力的傳統(tǒng)網(wǎng)球回收輪進(jìn)行改造，依靠滾動(dòng)壓力與摩擦力將網(wǎng)球壓入輪內(nèi)，以達(dá)到回收網(wǎng)球的功能。

3   方案實(shí)施

3.1 主程序流程

如圖2 所示，該機(jī)器人由主控、攝像頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、藍(lán)牙模塊、超聲波避障模塊和回收機(jī)械裝置組成。

圖2 網(wǎng)球自動(dòng)回收機(jī)器人模型

圖3 是主程序流程圖。機(jī)器人開啟后，先會(huì)對(duì)視野前方進(jìn)行網(wǎng)球識(shí)別，如果識(shí)別到單個(gè)網(wǎng)球，就將網(wǎng)球坐標(biāo)與視野中心差值進(jìn)行PID 計(jì)算，控制PWM 驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行移動(dòng)進(jìn)而對(duì)網(wǎng)球進(jìn)行回收。當(dāng)視野中有多個(gè)網(wǎng)球時(shí)進(jìn)行多目標(biāo)過濾優(yōu)先回收距離最近的網(wǎng)球，當(dāng)正前方視野沒有網(wǎng)球后將緩慢旋轉(zhuǎn)一圈檢查場(chǎng)地，如果識(shí)別到網(wǎng)球?qū)⒗^續(xù)進(jìn)行回收，沒有檢測(cè)到網(wǎng)球則將進(jìn)入休眠模式，通過藍(lán)牙可以進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖3 主程序流程圖

3.2 網(wǎng)球識(shí)別及多目標(biāo)過濾與接近識(shí)別

通過攝像頭拍攝實(shí)時(shí)畫面，進(jìn)行網(wǎng)球識(shí)別、多目標(biāo)過濾、多目標(biāo)接近識(shí)別。

攝像頭并非垂直對(duì)地面進(jìn)行俯拍，是以一定角度對(duì)地面進(jìn)行圖像采集，如此會(huì)導(dǎo)致地面圖像的投影在攝像頭中發(fā)生梯形畸變，要進(jìn)行梯形透視變換。梯形透視變換是將圖片投影到一個(gè)新的視平面，是3D世界轉(zhuǎn)換到2D圖像的一種方式。通用的變換公式為：

透視變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

所以，給定透視變換對(duì)應(yīng)的四對(duì)像素點(diǎn)坐標(biāo)，即原圖的坐標(biāo)和變換后的坐標(biāo)，聯(lián)立公式可求得透視變換矩陣；反之，給定透視變換矩陣，即可對(duì)圖像或像素點(diǎn)坐標(biāo)完成透視變換。

攝像頭拍攝的圖片作為圖像數(shù)據(jù)來源，影響著后續(xù)各個(gè)處理步驟。因此要完成拍攝物體空間點(diǎn)到照片成像點(diǎn)之間的幾何變換。即從世界坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到圖像二維坐標(biāo)中，從而獲得所需要的參數(shù)。世界坐標(biāo)系通過剛體變換和平移轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系通過透視投影轉(zhuǎn)換到圖像像素坐標(biāo)系，圖像坐標(biāo)系再轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)系。坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換如圖4 所示。

圖4 坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換圖

式（3）為像素坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的變換公式，右側(cè)第一個(gè)矩陣為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，第二個(gè)矩陣為相機(jī)外參數(shù)矩陣。

網(wǎng)球識(shí)別使用OpenMV 的IDE 的閾值選擇工具，先對(duì)網(wǎng)球的顏色閾值進(jìn)行獲取，采用了Python 進(jìn)行編程。圖像框內(nèi)在網(wǎng)球顏色閾值內(nèi)的圓形目標(biāo)標(biāo)記外接矩形框，并將圓形目標(biāo)中點(diǎn)與畫面中點(diǎn)的差值供給控制MCU。

當(dāng)視野中出現(xiàn)兩個(gè)及以上網(wǎng)球時(shí)，要對(duì)網(wǎng)球進(jìn)行多目標(biāo)過濾和多目標(biāo)接近識(shí)別。找到輪廓后，將輪廓面積即小球在視野面積按從大到小排序，投影面積越大說明小球與機(jī)器人之間的距離越近，優(yōu)先回收距離近的網(wǎng)球。

3.3 基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)下壓式回收裝置設(shè)計(jì)

網(wǎng)球的回收由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回收機(jī)械裝置滾動(dòng)前進(jìn)產(chǎn)生的滾動(dòng)壓力以及摩擦力實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)球的準(zhǔn)確、快速回收，主控芯片采用PID算法對(duì)I/O口輸出的PWM波進(jìn)行調(diào)制，主控芯片根據(jù)網(wǎng)球坐標(biāo)與視野中心坐標(biāo)的差值，進(jìn)行PID控制器的計(jì)算，計(jì)算出最佳的PWM 占空比。通過設(shè)置定時(shí)器中斷參數(shù)產(chǎn)生相同占空比的PWM 波對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，通過對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差以及轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)裝置的前進(jìn)、后退以及旋轉(zhuǎn)。通過藍(lán)牙可以使用手機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制移動(dòng)。

4   調(diào)試與測(cè)試

在調(diào)試與測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)最初采用亞克力搭建的連接結(jié)構(gòu)薄弱，較容易形變。實(shí)際測(cè)試中，由于長(zhǎng)時(shí)間使用，導(dǎo)致變形嚴(yán)重。所以，連接結(jié)構(gòu)使用樹脂材質(zhì)進(jìn)行重新打印。而且雙輪驅(qū)動(dòng)由于回收機(jī)械裝置整體較大，旋轉(zhuǎn)并不流暢，最好使用履帶輪。PID 控制器的參數(shù)需要進(jìn)行多次調(diào)整和測(cè)試才能達(dá)到較好的回收效果，積分I 的作用是消除靜態(tài)誤差，但是I 的存在可能會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩。實(shí)際中只使用了PD 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)偏差快速變化時(shí)使調(diào)解量在最短的時(shí)間內(nèi)得到強(qiáng)化調(diào)節(jié)，增大比例系數(shù)P，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)。但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致機(jī)器人抖動(dòng)劇烈。

5   結(jié)語

本項(xiàng)目基于STM32 單片機(jī)和OpenMV 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)球的自動(dòng)回收功能。經(jīng)過測(cè)試，該機(jī)器人能夠在網(wǎng)球場(chǎng)進(jìn)行地面網(wǎng)球的回收，最終實(shí)物圖如圖5 所示。結(jié)合傳統(tǒng)網(wǎng)球回收機(jī)械結(jié)構(gòu)與機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。未來是機(jī)器人的時(shí)代，機(jī)器人將會(huì)更具獨(dú)立性、更加高效、更加智能，然而我們也將在機(jī)器人發(fā)展道路上進(jìn)行更加深入、更加廣闊的研究，力求為科技進(jìn)步和發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

圖5 網(wǎng)球自動(dòng)回收機(jī)器人實(shí)物圖

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2022年10月期）