周冬波，鄧記才

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州450001）

引 言

智能移動(dòng)機(jī)器人是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門綜合學(xué)科，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感檢測(cè)、人工智能等多方面知識(shí)［1］。類人機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為三個(gè)層次［2］：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(shí)操作系統(tǒng)；最底層是硬件平臺(tái)，通過(guò)外圍接口獲得各類數(shù)據(jù)、信息［3］。

自主機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作［4］。本文根據(jù)武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)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(duì)場(chǎng)景描述完全的特點(diǎn)，主要通過(guò)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(shí)別算法運(yùn)行效率高，占用內(nèi)存空間小。硬件平臺(tái)主要是控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)控制電路與視頻識(shí)別算法

1.1 機(jī)器人整體架構(gòu)

在武術(shù)擂臺(tái)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(cè)距離有限，機(jī)器人采用攝像頭采集場(chǎng)地上的圖像信息，根據(jù)目標(biāo)的顏色進(jìn)行識(shí)別、定位。當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)位置以后控制舵機(jī)自主運(yùn)動(dòng)向目標(biāo)靠攏，完成自我介紹、抱繡球等動(dòng)作。所設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)串口與ATmega8通信，就可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制。針對(duì)以上要求，同時(shí)考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)

主控板通過(guò)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。

圖1 機(jī)器人外形圖

圖2 系統(tǒng)總體框圖

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(hào)線上，而另一端經(jīng)過(guò)74HC126的兩個(gè)緩沖器分別與主控芯片的TXD1和RXD1相連，再通過(guò)主控芯片使能的方式來(lái)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(shí)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(shí)，這時(shí)RXD1就取得了線路的控制權(quán)，這時(shí)舵機(jī)可以返回?cái)?shù)據(jù)。

圖3 舵機(jī)控制電路

舵機(jī)控制的軟件方面，需要完成串口的相關(guān)配置，主要包括波特率、起始位數(shù)、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)和流控制模式。這里將其配置為波特率19 200、起始位1位、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位和無(wú)流控制模式。串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值，如下所示：

2 圖像識(shí)別算法

攝像頭采集到的圖像主要作如下處理：首先對(duì)數(shù)據(jù)解碼，利用查表法將RGB空間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為HSI空間模型［5］，然后采用類間方差法將圖像進(jìn)行二值化，再利用連通域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行標(biāo)定，最后對(duì)圖像進(jìn)行去噪，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別和定位。圖像處理程序流程圖如圖4所示。

圖4 圖像處理程序流程圖

攝像頭采集的圖像為RGB格式，但RGB模型中R、G、B值易受光線影響，不適宜進(jìn)行顏色識(shí)別；HSI模型中，不同的顏色對(duì)應(yīng)不同的色調(diào)參數(shù)H，并且H受外界光照影響小，因此采用HSI模型實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別。因此，要通過(guò)某種算法，先將RGB色域空間映射到HSI空間。常用的顏色空間轉(zhuǎn)換算法如下：

實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換以后就要根據(jù)不同的H值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。二值化的實(shí)質(zhì)是一分類問(wèn)題，即把一幅圖像所含有的0～255的二進(jìn)制像素按照某個(gè)閾值劃分成兩類。如果閾值設(shè)得太低，結(jié)果會(huì)引入過(guò)多的背景信息，但太高就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信息的丟失。類間方差法（Otsu）［6］、最大熵方法（KSW）［7］和直方圖平衡法（Balanced Histogram Thresholding，BHT）［8］是目前應(yīng)用較廣的自動(dòng)閾值計(jì)算方法。

這里采用類間方差法，它的核心思路就是通過(guò)最大化類間方差來(lái)尋找最佳閾值。假設(shè)某一閾值T將整個(gè)二值圖像分為C0（1，…，T）和C1（T，…，255）兩類，則兩類的出現(xiàn)概率可以用下式計(jì)算：

其中，Pi代表灰度為i的像素的出現(xiàn)概率。而各類的類內(nèi)平均灰度則可表示為：

類間方差和類內(nèi)方差分別定義為：

其中，μT表示整個(gè)圖像的平均灰度，且式（4）還滿足：

如上所述，最佳閾值的判斷標(biāo)準(zhǔn)是使得類間方差最大。于是通過(guò)遍歷每一個(gè)灰度值，并計(jì)算其劃分帶來(lái)的類間方差，總能找到一個(gè)合適的閾值滿足條件。由于式（4）計(jì)算二階中心矩計(jì)算量較大，考慮到：

接下來(lái)的工作就是對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定，這里所指的標(biāo)定就是根據(jù)二值化后的圖像，計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域的外接矩形位置。在目標(biāo)構(gòu)成比較簡(jiǎn)單的情況下，投影法［9］是效率最高的方法，而當(dāng)場(chǎng)景中存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，多數(shù)情況下需要進(jìn)行連通域計(jì)算［10］。拓?fù)鋵W(xué)中把連通性定義為，區(qū)域內(nèi)任意兩點(diǎn)之間存在至少一條曲線可以將兩者連接。目前的連通域標(biāo)記方法主要分兩類：掃描法［11－12］和輪廓跟蹤法［13］。掃描法的基本思路是逐個(gè)檢查每個(gè)像素的值和連通性，從而獲得所有的連通性描述信息，然后根據(jù)每點(diǎn)之間的相互關(guān)系計(jì)算出最后的區(qū)域個(gè)數(shù)和構(gòu)成關(guān)系?；趻呙璧倪B通標(biāo)記演示如下（以8連通為例）：

首先對(duì)二值圖像進(jìn)行行掃描得到線段連通標(biāo)記，如圖5所示。然后檢查每行之間線段與上一行線段之間的連通關(guān)系，并更改標(biāo)記。

第1行：線段1創(chuàng)建標(biāo)記A。

第2行：線段2、1之間連通，線段2標(biāo)記為A；線段3同理標(biāo)記為A。

圖5 行掃描

第3行：線段4、2之間連通，線段4標(biāo)記為A；線段5創(chuàng)建標(biāo)記為B。

第4行：線段6、4之間連通，線段6標(biāo)記為A；線段6、5之間連通，將線段5的標(biāo)記由B變?yōu)锳。

第5行：線段7創(chuàng)建標(biāo)記B；線段8、6之間連通，線段8標(biāo)記為A。結(jié)果如圖6所示。

將圖像標(biāo)定完畢可以去掉圖像中的噪點(diǎn)，并且找到目標(biāo)的中心，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。

圖6 標(biāo)記結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將控制卡裝到機(jī)器人上，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中攝像頭采集圖像，并且用方框?qū)⒛繕?biāo)進(jìn)行標(biāo)定。利用上述顏色識(shí)別算法對(duì)圖紅色繡球進(jìn)行標(biāo)定，得到如圖7所示的結(jié)果。

圖7 結(jié)果圖片

隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，繡球在圖像中的位置發(fā)生變化，機(jī)器人根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，就可以得到繡球的位置，根據(jù)位置調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確找到繡球。圖像采集的速度達(dá)到15幀／s，舵機(jī)控制準(zhǔn)確度達(dá)到0.32°，可以圓滿完成比賽任務(wù)。

結(jié) 語(yǔ)

本文以S3C6410作為主控芯片，設(shè)計(jì)了具有視覺(jué)識(shí)別功能的類人機(jī)器人控制系統(tǒng)。改進(jìn)的顏色識(shí)別算法利用查表法、類間方差法、連通域等方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，取得了良好的視頻識(shí)別效果。實(shí)踐證明，由該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案制作而成的類人機(jī)器人，具有良好的自主控制穩(wěn)定性和較好的視覺(jué)識(shí)別能力，能夠較出色地完成比賽。

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