蔣倩蕓　王繼承

摘 要：要實現(xiàn)一個智能移動網(wǎng)球撿取系統(tǒng)，機器人集群需要解決的關(guān)鍵問題主要有：采集圖像的時間間隔，處理圖像時的調(diào)試；在機器人進行移動時，需要對路徑的規(guī)劃和碰撞進行預(yù)測、檢測，在對網(wǎng)球進行識別時，存在諸多干擾，如運動的人、光線明暗的變化、其它類球物體，只依靠單一的形狀識別與單一的顏色識別則無法完成識別任務(wù)。

關(guān)鍵詞：圖像；機器識別；隨機算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.117

1 簡介

1.1 項目的研究意義

近年來網(wǎng)球運動在我國發(fā)展迅猛，場館建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量顯著增長，參與該項運動人口數(shù)明顯增加，規(guī)模不等的賽事層出不窮[1]。網(wǎng)球運動作為當(dāng)今的一種時尚運動，對人們的身、心健康能起到良好的促進作用，普通網(wǎng)球練習(xí)者在進行大量的網(wǎng)球練習(xí)時，撿球的工作量也較大，對于已訓(xùn)練疲憊的練習(xí)者來說，撿球無疑是一件枯燥而繁重的工作。目前已有研究著眼于自動撿球技術(shù)開發(fā)，市場上成熟的產(chǎn)品很少，因此智能撿取網(wǎng)球機器人市場潛力較大。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀90年代來，微電子技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展帶動了機器人技術(shù)的高速增長，且服務(wù)機器人需求潛力巨大。

圖1為2013年密西根學(xué)院研制的智能拾球車。在整個系統(tǒng)中，最難的技術(shù)就是對網(wǎng)球的夾取。它的動力是由電池驅(qū)動的，每一次充電，基本可以使用4小時，一旦電量有所降低，驅(qū)動系統(tǒng)會自動驅(qū)動小車到充電站自動充電?？偟膩碚f，這套系統(tǒng)，將一個DC變成了非常靈活的系統(tǒng)。

2 擬采取的研究方法、技術(shù)路線或研究方案

2.1 研究方法

（1）采用基于“最小運動代價近距離球優(yōu)先”的路徑規(guī)劃方法；

（2）利用MATLAB對機器人的運動軌跡進行仿真，為保證仿真實驗結(jié)果的客觀性，采用隨機算法產(chǎn)生任務(wù)；

（3）通過PC對全局攝像頭與載體攝像頭進行圖像處理，完成對目標(biāo)的識別與機器人定位實現(xiàn)全局定位。

2.2 研究方案

2.2.1 理論研究與模型建立

通過處理體育場全局攝像頭與機器人載體攝像頭所采集的圖像來定位機器人與網(wǎng)球的位置，利用球與機器人的顏色和形狀特征來實現(xiàn)目標(biāo)識別。機器人與中心控制系統(tǒng)之間的通信，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。對圖像信號實時進行處理并控制機器人移動的方法為：

（1）屏蔽非體育場區(qū)域，對內(nèi)邊線外的圖像進行裁剪。

（2）對裁剪后的圖像進行分塊，以六塊為例，如表1。

（3）在第x塊圖像內(nèi)，將RGB模型變換為HSV模型。RGB與HSV模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

V=max（R，G，B）；

Delta=max（R，G，B）-min（R，G，B）；

S=delta/V；

2.2.2 總體設(shè)計及硬件實現(xiàn)

（1）總體設(shè)計：要實現(xiàn)一個智能移動網(wǎng)球撿取系統(tǒng)，機器人集群需要解決的關(guān)鍵問題主要有：1）采集圖像的時間間隔，處理圖像時的調(diào)試；2）在機器人撿球過程中，機器人移動路徑的規(guī)劃和碰撞的預(yù)測、檢測；3）在完成撿球工作時，機器人需要識別網(wǎng)球，識別過程中存在諸多干擾，如光線變化、其它非球類物體、場地內(nèi)進行運動的人，只依靠單一的顏色識別則無法完成識別任務(wù)。

（2）總體框圖，如圖2。

（3）硬件的實現(xiàn)：硬件系統(tǒng)包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、運動控制模塊、安全控制模塊、多功能網(wǎng)球撿球機等構(gòu)成。

1）電機驅(qū)動模塊：PCA9685芯片與298N驅(qū)動電路以及步進電機驅(qū)動模塊構(gòu)成電機驅(qū)動電路部分。

2）運動控制模塊：運動控制模塊由驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向控制器以及驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機共同配合，完成機器人的行駛、轉(zhuǎn)彎、倒退、停止等動作。主控器下達相關(guān)控制指令到驅(qū)動控制器和轉(zhuǎn)向控制器，通過控制直流電機的工作狀態(tài)來完成小車的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、停止等動作。

3）多功能撥球鎖存撿球系統(tǒng)：底盤采用亞克力材料，使其看起來晶瑩剔透，鉗子也采用亞克力材料，配上兩個舵機，不僅簡潔輕盈，更強健有力，如圖3。

（4）軟件的實現(xiàn)：本系統(tǒng)采用STM32F103Rx，程序分為主程序部分和中斷服務(wù)子程序部分。初始化為系統(tǒng)時鐘、串口、中斷服務(wù)、通用輸入輸出端口等。主循環(huán)中主要獲取各傳感器狀態(tài)，用于中斷函數(shù)參數(shù)設(shè)置，以便控制小車的狀態(tài)。定時器中斷服務(wù)程序中，通過半段狀態(tài)參數(shù)來改變控制直流電機、舵機的PWM波參數(shù)，以對系統(tǒng)進行實時掌控，完成指令。

3 結(jié)束語

本文在于開發(fā)智能移動網(wǎng)球拾取機器人系統(tǒng)，并能通過程序控制使其場地上實現(xiàn)自主找球、自主尋找路徑、自主撿球等。主要使用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)的定位與導(dǎo)航，實現(xiàn)上位機控制與下位機自主的合作模式，通過STM32單片機控制機器人的運動，選擇并調(diào)試算法，模擬出自主找球、自主選擇路徑、自主撿球等 ，設(shè)計包括全局攝像機，機器人載體攝像機，無線傳輸模塊，圖像處理模塊的視覺系統(tǒng)。在該基礎(chǔ)上，下一步還要研究網(wǎng)球拾取機器人的穩(wěn)定性與多功能性。

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基金項目：自主式網(wǎng)球拾取機器人（CX17-027）

作者簡介：蔣倩蕓（1993-），女，四川廣安人，本科在讀，研究方向：通信。